CORTE
POR FRICCIÓN
Constituye una herramienta de gran
utilidad para diseñar elementos para corte directo cuando no es adecuado
diseñar para tracción diagonal, como en el caso de las uniones prefabricadas, y
en ménsulas y cartelas. El concepto se puede aplicar de forma sencilla, y le
permite al diseñador visualizar el comportamiento estructural dentro del elemento
o la unión.
APLICACIONES
El diseño para corte por fricción se debe
aplicar cuando hay transmisión de corte directo a través de un plano dado. Las
situaciones en las cuales el diseño para corte por fricción es adecuado
incluyen las interfaces entre hormigones colocados en distintas épocas, las
superficies de contacto entre hormigón y acero, y las uniones de las
construcciones de con elementos de hormigón prefabricado. En la Figura 14-2 se
ilustran algunas posibles ubicaciones donde se produce transferencia de corte
directo y fisuras potenciales donde se puede aplicar el concepto de corte por
fricción. El éxito de la aplicación del concepto depende de la adecuada
elección de la ubicación del deslizamiento o fisura supuesta. En las
aplicaciones típicas la fisura tiende a producirse formando un ángulo de
aproximadamente 20 grados respecto de la vertical.
METODOS DE DISEÑO PARA TRANSFERENCIA DE ESFUERZO DE CORTE
El método de diseño para corte por
fricción se basa en el modelo de comportamiento de corte por fricción más
sencillo, y permite obtener una estimación conservadora de la resistencia al
corte. Otras relaciones de transferencia de corte más precisas permiten obtener
estimaciones de la resistencia al corte más exactas. La frase " cualquier
otro método de diseño para transferencia del esfuerzo de corte" incluye
los demás métodos comprendidos.
METODOS DE DISEÑO PARA CORTE POR FRICCION
Como en el caso
de las demás aplicaciones del diseño al corte, los requisitos del Código para
corte por fricción se presentan en términos de la resistencia al corte Vn para
su aplicación directa en la expresión básica para la resistencia al corte:
Resistencia a la corte requerida ≤ Resistencia al corte de diseño
Observar que φ es igual a 0,75 tanto para corte como para
torsión. Además, se recomienda utilizar φ= 0,75 para todos los cálculos de dimensionamiento que involucren el corte
por fricción, los cuales son controlados predominantemente por el corte. Por
ejemplo, el artículo 11.9.3.1 especifica el uso de φ= 0,75 para todos los cálculos de dimensionamiento
realizados (ménsulas y cartelas). La resistencia nominal al corte Vn se
calcula como:
Combinando las Ecuaciones (1) y (2), para
el caso de armadura de corte por fricción perpendicular al plano de corte, la
resistencia al corte requerido es:
Para el caso de armadura de corte
inclinada respecto de la fisura, el área de armadura de corte por fricción
necesaria, Ayf se puede calcular directamente a partir de la siguiente
expresión.
Observar que la
Ecuación (11-26) se aplica solamente cuando el esfuerzo de corte Vu provoca
tracción en la armadura de corte por fricción.
El método de
corte por fricción asume que toda la resistencia al corte es proporcionada por
la fricción entre las caras de la fisura. La mecánica real de la resistencia al
corte directo es más compleja, ya que tanto la acción de pasador como la
resistencia cohesiva aparente del hormigón contribuyen a la resistencia al
corte directo. Por lo tanto, es necesario utilizar valores artificialmente
elevados del coeficiente de fricción μ en las
ecuaciones para corte por fricción directo de manera que la resistencia al corte calculado concuerde
razonablemente con los resultados obtenidos en ensayos. Usando estos
coeficientes elevados se predicen valores conservadores de la resistencia, que
constituyen el límite inferior de los datos obtenidos en ensayos, lo cual se
puede observar en la Figura 14-4. El método de diseño de corte por fricción
modificado indicado en la Referencia R11.7.3 es uno de los diversos métodos más
exactos que permiten estimar con mayor precisión la resistencia al corte por
fricción.
COEFICIENTE DE FRICCION
Los coeficientes
de fricción "efectivos," μ, para las
diferentes condiciones de las interfaces incluyen un parámetro λ que toma en cuenta la menor resistencia al corte de los
hormigones livianos y los hormigones de agregados livianos y arena. Por
ejemplo, el valor de μ para hormigón
liviano (λ = 0,75) colocado sobre hormigón
endurecido que no se ha hecho intencionalmente rugoso es 0,6.
(0,75) = 0,45.
Los coeficientes de fricción a utilizar según las condiciones de las interfaces
son los siguientes:
MAXIMA RESISTENCIA AL CORTE
La resistencia al corte, Vn, no se puede
tomar mayor que 0,2f'c ni 800 psi por el área de la sección transversal de
hormigón que resiste la transferencia de corte. Este límite superior de Vn
limita efectivamente la armadura máxima, como se ilustra en la Figura 14-4.
Además, para los hormigones livianos, el artículo 11.9.3.2.2 limita la resistencia
al corte Vn a lo largo del plano de corte para aplicaciones en las cuales las
relaciones entre longitud y la altura, a/d, son bajas, tales como las ménsulas
y cartelas.
FUERZAS NORMALES
Las Ecuaciones (1) y (2) asumen que las únicas
fuerzas que actúan sobre el plano de corte son las fuerzas de corte. En las
ménsulas, cartelas y otras conexiones casi siempre hay una cierta cantidad de
momento debido a la excentricidad de las cargas o los momentos aplicados en las
conexiones. Cuando hay momentos actuando en un plano de corte, las tensiones de
tracción por flexión y las tensiones de compresión por flexión están en
equilibrio. No hay ninguna variación en la compresión resultante Avffy que
actúa a través del plano de corte, y la resistencia al corte no sufre ningún
cambio. Por este motivo no es necesario proveer armadura adicional para
resistir las tensiones de tracción por flexión, a menos que la armadura de
tracción por flexión requerida sea mayor que la cantidad de armadura de
transferencia de corte provista en la zona traccionada por flexión.
Las uniones también pueden soportar una
importante cantidad de tracción debido a la restricción del acortamiento
térmico y por contracción de los elementos conectados. La fricción de las
placas de apoyo, por ejemplo, puede provocar fuerzas de tracción apreciables en
una ménsula que soporta un elemento que sufre acortamiento. Por lo tanto,
aunque no se requiere de forma generalizada, se recomienda diseñar el elemento
para una fuerza de tracción directa mínima de al menos 0,2Vu, además del corte.
Esta fuerza mínima se requiere para el diseño de uniones tales como ménsulas y
cartelas (ver 11.9.3.4), a menos que se conozca con precisión la fuerza que
realmente actúa. Se debe proveer armadura para tracción directa de acuerdo con
el artículo 11.7.7, usando As = Nuc/fy, siendo Nuc la fuerza de tracción
mayorada.
Debido a que la tracción directa perpendicular a
la fisura supuesta (plano de corte) disminuye la resistencia al corte, es
lógico suponer que la compresión aumentará
dicha resistencia. El artículo 11.7.7 reconoce este hecho permitiendo sumar una
"compresión neta permanente " a la fuerza de sujeción debida al corte
por fricción, Avffy. Se recomienda, aunque no se exige, el uso de un factor de
reducción de 0,9 para la contribución a la resistencia de este tipo de cargas
de compresión.
REQUISITOS
ADICIONALES
El artículo 11.7.8 establece que la armadura de
corte por fricción se debe "colocar adecuadamente" a lo largo del
plano de corte. Si no hay ningún momento actuando en el plano de corte, una
distribución uniforme de las barras se considera adecuada. Si hay momentos, la
armadura se debe distribuir en la zona traccionada por flexión.
La armadura se debe anclar adecuadamente a ambos
lados del plano de corte a fin de poder desarrollar la totalidad de la tensión
de fluencia de las barras. Debido a que el espacio disponible dentro de los
tabiques, ménsulas y cartelas de poco espesor es limitado, con frecuencia es
necesario utilizar detalles de anclaje especiales tales como placas soldadas,
perfiles o barras transversales. La armadura se debe anclar en hormigón
confinado. El confinamiento puede ser provisto por los estribos de vigas o
columnas, hormigón "externo," o armadura especialmente dispuesta para
tal fin.
En el artículo 11.7.9 el coeficiente de fricción μ se toma igual a 1,0λ; el hormigón en la
interface se debe hacer intencionalmente rugoso hasta una amplitud total de
aproximadamente 1/4 in. Esto se puede lograr estriando el hormigón mientras
está en estado plástico o bien modificando las superficies endurecidas con una
martellina o cincel.
Un requisito final del artículo 11.7.10, el cual a
menudo es pasado por alto, es que cuando las interfaces son entre acero y
hormigón el acero debe estar limpio y libre de pintura. Este requisito se basa
en que los ensayos realizados para evaluar el coeficiente de fricción para
hormigón anclado a acero estructural por medio de pasadores o barras de
armadura (μ = 0,7) corresponden a acero sin
pintura. No hay datos disponibles sobre superficies pintadas. Si se han de
utilizar superficies pintadas, sería recomendable utilizar un valor de μ inferior.
CORTE POR BRAQUETE
·
Son elementos voladizos cortos cuyas secciones pueden ser
constantes o variables.
·
Son en realidad vigas en voladizo donde la relación entre
la luz de cortante / peralte es cercana a la unidad.
·
Por esta razón su comportamiento es similar al de las
vigas peraltadas.
·
Las consolas son elementos que se usan mucho en fábricas
y estructuras prefabricadas.
En su diseño prevalece el esfuerzo
cortante.
·
El refuerzo de la Ménsula, Consola o Braquete, está
constituido básicamente por el acero principal, As, y los estribos
horizontales, Ah.
·
La fuerza Nu es generada por cambios de temperatura que
afectan a la estructura que se apoya en el Braquete.
DISPOSICIONES ESPECIALES PARA BRAQUETES.
Los braquetes son voladizos cortos, de sección
constante o variable. Que tienden a actuar como vigas de gran peralte más que
como elementos esbeltos a flexión diseñados por corte.
Se pueden diseñar ménsulas y cartelas utilizando
las disposiciones, 11.9, cuando se cumplan las dos siguientes condiciones:
a) 𝑎𝑣𝑑, no es mayor que 1
b) 𝑙𝑎 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛,𝑁𝑢𝑐,𝑛𝑜 𝑒𝑠 𝑚𝑎𝑦𝑜𝑟 𝑞𝑢𝑒 𝑉𝑢
ü El peralte efectivo d,
debe ser determinado en la cara de apoyo.
ü La altura en el borde
exterior del área de apoyo no debe ser menor de 0.5d.
ü La sección de cara de
apoyo debe diseñarse para resistir simultáneamente con la fuerza cortante Vu,
un momento amplificado 𝑀𝑢=[𝑉𝑢.𝑎𝑣+𝑁𝑢𝑐(ℎ−𝑑)] y una fuerza horizontal amplificada de tracción,
Nuc.
ü En todos los cálculos de
diseño de acuerdo con 11. 9, ∅ debe tomarse igual a 0.85.
ü El diseño de refuerzo de
cortante por friccion 𝐴𝑣𝑓, para resistir el Vu
debe cumplir con:
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