Conectores por Cortante y Perfiles Laminados en Frío

Conectores de Cortante tipo Espárrago

Transmisión de la Fuerza Cortante

En la actualidad la implementación de sistemas de construcción mixtos donde las losas de concreto pueden descansar directamente en el patín superior de las vigas de acero o estar embebidas en el concreto para darle protección contra fuego es de común uso. Sin embargo la fuerza cortante longitudinal puede transferirse entre la losa y la viga por adherencia y esfuerzo cortante que requiere ser tomada por elementos llamados conectores de cortante y que pueden ser (Ver figura 1, Mc Cormac, 447):

Barras
Espirales (b)
Canales (c)
Zetas
Angulos
Espárragos (a)

Figura 1. Tipos de Conectores

Estos conectores se pueden utilizar tanto para vigas compuestas como para vigas parcialmente compuestas, solo que se debe respetar las diferencias en el cálculo de la fuerza cortante tomada por los conectores ΣQn.

Vigas Compuestas:

Las Vigas Compuestas comúnmente fallan por aplastamiento del concreto llegando el concreto y el acero a una condición plástica, donde se generan dos escenarios:

1- Que el eje neutro quede en la losa y la fuerza cortante máxima horizontal sea igual a As Fy
2- Que el eje neutro quede en la viga de acero donde la fuerza cortante máxima horizontal será0,85 f’c Ac

Así la fuerza cortante tomada por los conectores ΣQn según la especificación LRFD-15.2 será la menor de los valores antes mencionados.

Vigas Parcialmente Compuestas:

Son aquellas vigas cuya sección de acero al trabajar en forma compuesta con la losa de concreto posea una resistencia de diseño pero que será menor al Momento Ultimo de la sección seleccionada, así el número de conectores será el adecuado para desarrollar la resistencia de diseño. Este nombre parcialmente compuesta esta dado porque la viga no posee la cantidad suficiente de conectores para desarrollar la resistencia total de la viga compuesta. La cantidad de conectores no deberá ser menor que el 25% de la resistencia al cortante necesaria para una acción compuesta plena. (As Fy)

Conector tipo Espárrago:

El conector de cortante que por economía se prefiere es el de tipo espárrago redondo soldado por uno de sus extremos al patín superior de la viga. El otro extremo del conector posee una cabeza para impedir la separación vertical entre la losa y la viga.

Dimensiones del Espárrago:

Diámetro Ø: (½” a 1”), pero según LRFD-15.6 Ø ≤ 2.50 tf
Longitud: (2” a 8”), pero según LRFD-15.1: L ≥ 4Ø

tf: Espesor del patín al cual se encuentra soldado el espárrago

Consideraciones para el diseño:

1- Es permisible utilizar concreto de peso normal (ASTM-C33)
2- Es permisible el concreto ligero pero con peso no menor a 90lb/pie3 (ASTM-C330)
3- Según LRFD-15.1: Longitud del Espárrago ≥ 4Ø
4- La separación máxima de los conectores no debe exceder 8 veces el espesor total de la losa.

Fórmula para el Cálculo de Pernos de Conexión por Cortante (Espárragos)

De la especificación LRFD-15.3 la fórmula se basa en:

Asc: Area de la sección transversal del mango conector en pulg2
f’c: Esfuerzo de Compresión especificado del Concreto en klb/pulg2
Ec: Módulo de Elasticidad del Concreto en klb/in2 = W1.5 √f’c
W: Peso Unitario del Concreto en lb/pie3
Fu: Resistencia a tensión mínima del conector klb/pulg2

Qn = 0.50 Asc √(f’c/Ec) ≤ Asc Fu

A continuación se muestra una tabla con valores de la resistencia nominal de un conector Qn para espárragos de ¾ in en acero A36 y embebidos en losas de concreto con valores de f’c y pesos variables. (Ver Tabla.17-1, Mc Cormac, 450)

Fórmula para el Cálculo de Número Pernos de Conexión por Cortante (Espárragos)
N: Número de conectores
ΣQn: Fuerza Horizontal que debe resistirse
Qn: Resistencia nominal de un conector

N = 2 ΣQn / Qn

Espaciamiento de los Conectores:

Vigas Compuestas:

Espaciamiento mínimo longitudinal entre centros de conectores 6Ø
Espaciamiento mínimo transversal entre centros de conectores 4Ø

Vigas de Acero Formado:

Espaciamiento mínimo en ambos sentidos es 4Ø

En ambos casos el espaciamiento máximo no deberá ser mayor a 8 veces el espesor total de la losa según LRFD-15.6

Recubrimiento:

Según LRFD-15.6 al menos se deberá dejar 1 pulgada de recubrimiento de concreto lateral a los conectores para vigas compuestas.

Para vigas de acero formado los conectores cuyos diámetros no sean mayores a ¾ pulgada deberán sobresalir por lo menos 1 ½ pulgada por encima de la parte superior de la cubierta y el espesor de la losa de concreto debe sobresalir no menos de 2 pulgadas (LRFD-13.5ª)

Ejemplo:

Para Vigas W18x35 de 11,00 metros de longitud simplemente apoyadas, colocadas a cada 3,00 metros con una carga muerta por losa de concreto de peso normal de 4,00 pulgadas de espesor y una carga viva de 1,20klb/pie se obtuvo un Momento Mu = 462,00 klb-pie. La distancia del eje neutro a la parte superior del patín de acero es de 0,21 pulgadas. La viga esta hecha sin apuntalamiento. Utilizar Conectores de ¾ pulgadas de diámetro.

Solución:
Utilizar Conectores de diámetro ¾ pulgada
Concreto Peso Normal = 2400,00Kg/m3 = 145,00lb/pie3
f’c= 210,00Kg/cm2 = 3,00 klb/pulg2

De la tabla 17-1 del Mc Cormac se obtiene que Qn = 21,00klb
De la tabla W18x35 y con Y1=0,21, Mu = 462,00 se obtiene ΣQn = 388klb

N = 2 ΣQn / Qn = 2,00 x 388,00 / 21,00 = 36,95
El número de conectores necesarios es de 37

Como tf = 0,495 pulgadas para una W18x35
Diámetro Ø=3/4pulg
Según LRFD-15.6, Ø ≤ 2.50 x tf
Ø ≤ 2.50 x 0,495
0,75 ≤ 1.23 Ok

Longitud: (2” a 8”)
Según LRFD-15.1, L ≥ 4,00 x Ø
L ≥ 4,00 x 3/4
L ≥ 3 pulg Ok

Espaciamiento mínimo longitudinal 6Ø = 6,00 x ¾ = 4,50pulg
Espaciamiento mínimo transversal 4Ø = 4,00 x ¾ = 3,00pulg
Espaciamiento Máximo 8 Esp losa = 8,00 x 4 = 32,00pulg

Como la viga mide 10,00 metros o 36 pies o 432 pulgadas, se puede resolver así:

1- Una fila de 37 conectores de 3/4 pulgadas de diámetro y un largo de 3,00 pulgadas colocados en el centro a cada 11,50 pulgadas.

2- Dos filas de 19 conectores de 3/4 pulgadas de diámetro y un largo de 3,00 pulgadas colocados a ambos lados del centro separados longitudinalmente a cada 22,00 pulgadas y separados transversalmente 3,00 pulgadas

Por estética se utilizará la opción 1, es un diseño más limpio en una sola línea.