Ménsulas y Vigas de Gran Peralte

UNIVERSIDAD TECNICA DE MANABI FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS, FÍSICAS Y QUÍMICAS CARRERA DE INGENIERIA CIVIL

ASIGNATURA: HORMIGON III

DOCENTE:

CURSO: OCTAVO “ “

TEMA: MENSULAS Y VIGAS DE GRAN PERALTE AUTORES:

INTRODUCCIÓN

Las estructuras de concreto reforzado o pre-esforzado que son prefabricadas tienen una gran resistencia al ser demandadas a cargas grandes, sin embargo uno de sus principales problemas son las conexiones de viga-columna y viga-viga. Los investigadores han realizado numerosos pruebas para reducir el problema, como en el caso de la unión vigacolumna y unión viga-dado. Si bien las uniones viga-columna y viga-dado están muy estudiadas, dejando un poco fuera la unión viga-viga. Basándose en los reglamentos de diseño de estructuras de concreto son muy poco claros y eficientes.

En este sentido, toda estructura se debe garantizar que la conexión vigacolumna, columna-dado o viga-viga, sea más resistente que los elementos que llegan a ella. De acuerdo con su geometría las ménsulas de concreto son elementos estructurales que están sometidas a esfuerzos que no cumplen con la hipótesis de Bernoulli (Cook y Mitchell, 1988), que las secciones planas permanecen planas durante la flexión, empleada en el comportamiento de elementos de concreto. Debido a la importancia de las ménsulas para la conexión de dos o más elementos en una estructura, en este trabajo se busca establecer una metodología de ensaye con el diseño de un marco de carga que aplique una carga puntal a la ménsula para definir el comportamiento y diseño de dichos elementos, para dar una solución a la problemática de su desempeño bajo condiciones de servicio.

MÉNSULAS Y VIGAS DE GRAN PERALTE Las ménsulas son elementos estructurales cuya relación entre el claro de cortante y el peralte es pequeña; en muchos reglamentos se definen como aquellos elementos en los que esta relación no es mayor que uno. Se usan para soportar carriles de grúas viajeras, vigas prefabricadas de concreto, armaduras de acero y otras estructuras similares. En la figura 12.1 se ilustran dos aplicaciones. El dimensionamiento correcto de las ménsulas es de gran importancia, ya que en ellas se apoyan generalmente miembros estructurales de grandes dimensiones o equipo pesado.

COMPORTAMIENTO DE LAS MENSULAS El comportamiento de las ménsulas ha sido estudiado por medio de ensayos de especímenes como el mostrado esquemáticamente 12.2, a continuación se va a describir los principales modos de fallas observados en estos ensayos.

FALLA POR FLEXIÓN Este tipo de fallas es similar a las de las vigas largas consiste en el aplastamiento por compresión del concreto, que ocurre antes o después de que fluya el acero de tensión. En la figura 12.3 se muestra este tipo de falla.

FALLA POR TENSIÓN DIAGONAL En este caso, se forma inicialmente una grieta inclinada que se extiende desde el borde de la placa de la placa de carga, en la cara superior de la ménsula, hasta la intersección de la cara inclinada de la ménsula, hasta la intersección de la cara inclinada de la ménsula con la columna. La falla ocurre en la zona de concreto sujeta a esfuerzos de compresión y es similar a la falla en compresión por cortante de vigas largar. En la figura 12.4 se muestran dos especímenes que fallaron de esta manera.

FALLA POR CORTANTE DIRECTO Ese tipo de falla se caracteriza por el desarrollo de pequeñas grietas inclinadas en el plano de intersección de la columna y la ménsula. Dichas grietas debilitan este plano y proporcionan una falla por cortante directo, como se muestra en la figura 12.5. Además de los modos de falla descritos enormemente, se han observado otros que se presentan por detalles inadecuados en la geometría de la ménsula o en la colocación del refuerzo. Esos tipos de falla se ilustran en la figura 12.6, en la cual se muestra una falla que se presenta cuando las barras de tensión por efecto del doblez, quedan demasiado lejos del borde de la ménsula; en este caso se forma una grieta que sigue el contorno de la barra. En la figura 12.6b, se muestra el tipo de falla que s e produce cuando el peralte en el extremo de la ménsula es mucho menor que le peralte en el extremo de la ménsula es mucho menor que el peralte en el paño de la

columna; la grieta inclinada no alcanza a desarrollarse hasta la cara de la columna, sino que llega a la cara inclinada de la ménsula. Por último en la figura 12.6c, se muestra el tipo de falla que ocurre cuando la placa de apoyo es demasiado pequeña y por consiguiente, se desarrollan en el concreto esfuerzos de aplastamiento muy altos. La resistencia de las ménsulas cuando se desarrollan alguno de estos tipos de falla es menor que la correspondiente a los tipos principales de falla mencionados anteriormente. Por lo tanto conviene evitarlos mediante detalles adecuados en la geometría y en la colocación del refuerzo.

Se ha estudiado experimentalmente el efecto de cargas horizontales que actúan de manera simultánea con las cargas verticales aplicadas a la ménsula. Esas cargas horizontales pueden ser de tensión o de compresión. Las primeras suelen ser producidas en la práctica por la contracción y el flujo plástico del concreto de las vigas que se apoyan sobre la ménsula o por las acciones de viento o sismo. Es importante considerar su efecto, porque la resistencia de las ménsulas disminuye en relación al caso en el que solo actúan verticales. Por el contrario, las fuerzas horizontales de compresión aumentan la resistencia de las ménsulas y propician un comportamiento menos frágil.

Estas fuerzas de compresión pueden lograrse mediante acero que atraviese la ménsula pro un ducto y al que se le aplique una fuerza de tensión, la cual, como reacción produce una fuerza de compresión de la ménsula.

RESISTENCIA Y DIMENSIONAMIENTO DE LAS MÉNSULAS Las expresiones para calcular la resistencia de ménsulas son de naturaleza empírica. Se han obtenido s partir del análisis estadístico de los resultados de ensayos, y esos se ha visto que la resistencia de ménsulas es función del ancho b, del peralte efectivo d; de la relación de esfuerzo p; de la resistencia del concreto f´c, y de la relación entre el claro de cortante, a, y el peralte d, para esto Kriz y Raths propusieron las siguientes ecuaciones: a) Para ménsulas sujetas a carga vertical únicamente:

 = 1.7√  ′(1−0.5⁄ )(1000)⁄  = 0.53√  ′(1−0.5⁄ )(1000)⁄   = (  ℎ)/  ℎ

Donde la relación de acero,

 

se define como:

  es el área del refuerzo por flexión, y horizontales.

  el área de los estribos

b) Para ménsulas sujetas a cargas verticales y horizontales:

En este caso



⁄ ⁄    +. 4   (1000 )  ⁄      = 1.7  ′(1−0.5 ) 10.8 ⁄ ⁄ ⁄    +. 4   (1000 )  ⁄      = 0.53  ′(1−0.5 ) 10.8 ⁄

 se define como:

 = /

Ya que los estribos horizontales son menos eficientes, según se ha señalado anteriormente H, y V son las fuerzas horizontal y vertical que actúan sobre la ménsula. Otro enfoque para el diseño de ménsulas es el propuesto por Frank Niedenholf, el cual se muestra en la figura 12.7. Consiste en reemplazar a la ménsula por una armadura estáticamente determinada en la que el acero superior funciona como la cuerda de tensión, y el concreto como cuerda de compresión. Este enfoque que reemplaza una estructura por una armadura equivalente ha sido desarrollada por varios autores y existe un método conocido como de puntales y tensores, con disposiciones específicas en un apéndice del reglamento ACI 2002. Lo que se hace es trazar un diagrama de flujo de fuerzas en la estructura y plantear una armadura que pueda transmitir este flujo de fuerzas. La armadura queda constituida por elementos que trabajan a compresión, que son los puntuales, y elementos que trabajan a tensión, que son los tensores. En la figura 12.8 se muestra una posible configuración de una armadura con los puntales representados por líneas punteadas y los tensores por líneas continuas. El refuerzo se calcula para que pueda confinar a los puntales de tal manera que alcance su resistencia a compresión. Un tercer enfoque se basa en el concepto de cortante por fricción, en el cual aunque no se utiliza únicamente para el diseño de ménsulas, ha encontrado un amplio campo de aplicación en estos elementos.

CORTANTE POR FRICCIÓN En el caso de ménsulas cortas con relación claro/peralte menor que uno, los esfuerzos cortantes puros pueden ser el factor crítico en el diseño. Aunque la resistencia del concreto a esfuerzos cortantes directos es muy elevada, pueden existir algunas secciones a través delas cuales sea necesario transferir fuerza cortante y cuya capacidad para hacerlo sea pequeña o nula, debido a la presencia de grietas previas o porque la unión no sea monolítica. En tales casos, la única manera de desarrollar la fuerza cortante es a través de la fricción que se presenta cuando uno de los elementos tiende a deslizarse con respecto a otro, como lo vemos en la figura 12.9. Debido a la acción de estas fuerzas de compresión, se generan fuerzas de fricción que pueden estimarse por medio de la ecuación:

 =  





En la cual  es la fuerza der fricción,  es el coeficiente de fricción y N es la fuerza normal.



Con base a estos estudios podemos determinar que el cortante   , como los mostradas en la tabla 12.1, que son los especificados en el Reglamento ACI 318-02.

DIMENSIONAMIENTO DE MENSULAS POR REGLAMENTO ACI 318-14 El método puede aplicarse a ménsulas con una relación entre el claro cortante a, y el peralte d, no mayor de uno, y siempre que la fuerza horizontal,  no sea mayor que la fuerza vertical .







Bajo estas condiciones, la fuerza cortante producida por , es resistida por refuerzo horizontal, , que se calcula con el concepto de cortante por

 

  =  

fricción, de tal manera que se requiere un área:

Observamos que esta ecuación la encontramos anteriormente, lo único que se le ha introducido es el factor de reducción  que se especifica que su valor es de 0.75.



Las placas de carga no deben proyectarse más allá de la porción recta de las barras,  o de la barra transversal. En el ejemplo a continuación se aplican las disposiciones del Reglamento ACI 318-14 al dimensionamiento de una ménsula en la qu se apoya una viga precolada, la cual soporta cargas de servicio.

 