Proyecto de Forjados Mixtos de Chapa Nervada

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Introducción

Tipologías más habituales de forjados metálicos

Si analizamos los forjados metálicos a partir de los esfuerzos que tiene que soportar el perfil:

• Forjado metálico autoportante.
• Encofrado metálico permanente (encofrado perdido).
• Forjado metálico colaborante o losa mixta, combinado, o no, con viga mixta.

Forjado metálico autoportante

Cargas a considerar:

• Peso propio del perfi l.
• Mortero/material relleno.
• Pavimento.
• Cargas permanentes.
• Sobrecargas.

Criterios límite:

• Flecha <luz /500.

Encofrado metálico permanente

Cargas a considerar:

• Peso propio del perfil
• Peso del hormigón y armaduras
• Sobregarga de ejecución 150Kg/m²

Criterios límite:

• Flecha < luz / 240.

Forjado colaborante o losa mixta

Cargas a considerar:

• Peso propio del perfil.
• Peso del hormigón y armaduras.
• Cargas permanentes.
• Sobrecargas de uso.

Criterios límite:

• Flecha encofrado L/240.
• Flecha en fase mixta L/350, L/500.

Principales razones de su utilización

• Racionalización y planifi cación de trabajos.
• Plazos de ejecución reducidos.
• Ligereza.
• Elevada inercia mixta.
• Edificios en altura.
• Plataforma de trabajo.
• Ausencia de puntales.

Antecedentes históricos

• 1950 Sant Louis (EEUU) sistema con malla

soldada.

• 1960 (EEUU) chapa nervada con embuticiones.
• 1969 Se introduce en Europa.
• 1982 BS 5950 establece métodos para determinar la capacidad resistente, en rotura, a tensiones rasantes.
• 1990 Francia, análisis en servicio.
• 1994 Eurocódigo 4 5 ENV1994.

De todos los estudios efectuados se deduce que es ineludible realizar ensayos previos de comportamiento, que permitan determinar su forma de ruina y su capacidad a rasantes.

Descripción:

• Forjado unidireccional continuo.
• Estructura mixta.
• Flexión positiva:
  • Chapa armadura a tracción.
  • Hormigón bloque a compresión.
• Flexión negativa:
  • Chapa no considerada a compresión.
  • Armaduras de tracción.

Para que la sección de chapa responda adecuadamente a flexión, debe estar garantizada una resistencia a rasantes. Esta resistencia puede incrementarse mediante la adición de armaduras pasivas localizadas y/o conectadores. La sección de acero máxima corresponde habitualmente a la fase de encofrado.

Bases y criterios de proyecto

EN 1994-1-1:2004 (antes del EUROCODE 4 Part 1-1)

Forjados mixtos de chapa nervada para edificación (FMCN)

Campo de aplicación

1. P Forjados unidireccionales en la dirección de los nervios, con o sin voladizos, soportando cargas predominantemente estáticas, incluyendo edificios industriales cuyos forjados puedan ser sometidos a cargas móviles.

2. P Limitado a chapas nervadas con nervios poco separados. Se consideran poco separados aquellos cuyo ratio b_r/b_s está limitado a un valor máximo a definir por cada país. El EC4 recomienda un valor 0,6, que es, además, el acordado en España.

3. P En estructuras sometidas a carga muy repetitivas o bruscas, capaces de producir efectos dinámicos, podrán ser utilizados con la condición de que esté asegurada su compatibilidad con el valor y permanencia de la acción mixta.

4. P No se excluyen los forjados sometidos a cargas sísmicas, en el supuesto de que se ha seguido un método de cálculo adecuado al proyecto o de acuerdo a otro Eurocódigo.

5. Se admite que los FMCN aportan un arriostramiento lateral a las vigas, actuando como un diafragma lateral, pero no se dan reglas específicas de diseño. El posible efecto diafragma aportado únicamente por la chapa nervada, en la fase de encofrado, pueden consultarse en el EN 1993-1-3, 10.

Tipos de conexiones a rasantes

• Conexión mecánica.

• Conexión por fricción.

• Bloqueo extremo mediante perno soldado a través de la chapa.

• Bloqueo extremo por deformación de los nervios.

Conexión total y parcial a rasantes

«A span of a slab has full shear connection when increase in the resistance of the longitudinal shear connection would not increases the design bending of the member. Otherwise, the shear connection is partial.»

Se considera que un vano de una losa trabaja en conexión total cuando un incremento en su capacidad resistente a rasantes horizontales no se ve acompañado de un incremento de su resistencia de cálculo a flexión. En caso contrario, consideraremos que la conexión es parcial.

Materiales

Hormigón

1. Normal según EN 1992-1-1, 3.1; Ligero según EN 1992-1-1, 11.3
2. No contempla soluciones con calidades de hormigón: inferiores a C 20/25, LC 20/22 ó superiores a C 60/75, LC 60/66
3. Se evaluará la retracción del hormigón en base a la humedad ambiente, dimensiones y composición del hormigón.
4. En los cálculos de fatigas y deformaciones de diseños estructurales con acción mixta, podrán despreciarse los efectos de retracción del hormigón.

Nota. La experiencia demuestra que los valores de fatiga por retracción que facilita el EN 1992-1-1 sobre valora los efectos de la retracción en estructuras mixtas. El anexo C da valores específi cos para estructuras mixtas.

Dispositivos de conexion

Fijaciones

ver EN 1993-1-8

Conectadores

ver EN 13918

Chapas nervadas

1. Propiedades según EN 1993-1-3, 3.1 y3.2.
2. Aplicable a diseños realizados con chapa de calidades de acuerdo a EN 10025, EN 10149-2, EN 10149-3 ó EN 10147.
3. El espesor mínimo recomendado es 0,7 milimetros.

Durabilidad

1 P El recubrimiento superfi cial de protección de la chapa será acorde con las condiciones del ambiente.

2. Los recubrimientos metálicos de zinc serán acordes con EN 10147 u otras normas vigentes.

3. Un recubrimiento de 275 gr/m² de zinc se considera sufi ciente en aplicaciones interiores con ambientes no agresivos. Las especificaciones pueden ser diferentes dependiendo de las condiciones ambientales en fase de servicio.

Requerimientos constructivos de diseño

Espesores de losa y armadura

1. P h >= 80 mm, h_c>= 40 mm

2. P como diafragma o viga mixta h >= 90 mm, h_c >= 50 mm

3. P se colocará una armadura transversal y longitudinal en el espesor h_c.

4. Sección mínima en ambas direcciones 0,80 mm²/m.

5. Distancia entre barras <2 h y 350 mm.

Apoyos

1. P el ancho de apoyo será el adecuado para evitar deformaciones en la losa o los soportes, para permitir una fijación correcta de la chapa sin dañar éstos últimos y para evitar un aplastamiento en caso de desplazamiento accidental de las cargas en fase de montaje.

2. Se recomienda que:

• En FMCN sobre estructuras de acero u hormigón,

l_bc >= 75 mm l_bs >= 50 mm

• Sobre otros materiales,

l_bc >= 100 mm l_bs >= 70 mm

Acciones y efectos de las acciones

Hipótesis de cálculo

1. P En fase de proyecto, deberán ser consideradas todas las hipótesis y estados límite de forma que quede garantizado un adecuado nivel de seguridad y su aptitud en servicio.

2. P Se examinarán los siguientes casos:

• Chapas nervadas en fase de encofrado. Se verificará su buen comportamiento, considerando el posible efecto de la

existencia de sopandas.

• Forjado mixto. Se verificará el comportamiento del forjado al inicio de la fase mixta, a la retirada de los apeos provisionales.

Acciones sobre la chapa en fase de encofrado

1. Peso de chapa y hormigón.

2. Cargas de construcción, incluso acumulaciones en fase de vertido.

3. Cargas a almacenar.

4. Cargas por deformación de la chapa. Se considera 0,7d para d > h /10.

Acciones sobre el forjado mixto

1. Se recomienda aplicar EN 1991-1-1.

2. En el cálculo de estados límite, se podrá considerar que la totalidad de cargas actúan sobre el forjado mixto siempre que se considere también así en el cálculo de los rasantes longitudinales.

Análisis estructural

Chapa nervada como encofrado

1. Se recomienda el cálculo de las chapas nervadas según EN 1993-1-3.

2. No debería considerarse una redistribución plástica de momentos en caso de chapas apeadas.

Análisis del forjado mixto

1. Para estados límite últimos son admisibles los siguientes análisis:

• Análisis elástico lineal, con o sin redistribución.
• Análisis rígido-plástico global en el supuesto de que quede demostrado que las secciones que requieren rotación

plástica no tienen impedida dicha capacidad de giro.

• Análisis elástico-plástico, considerando la no linealidad de las propiedades de los materiales.

2. Para estados límite de servicio se utilizarán métodos de análisis lineal.

3. Si en análisis de ELU se desprecian los efectos de fi suración del hormigón, los momentos negativos en apoyos intermedios podrán ser reducidos en un 30 %, aumentando los positivos en la misma proporción.

4. Se admite un análisis plástico, sin verificación de capacidad de giro, en ELU para armaduras de acero clase C (EN 1992-1-1, anexo C), (B500S Y B500T) siempre que la luz no supere los 3 m.

5. Es admisible calcular una losa continua como una sucesión de tramos simplemente apoyados. Se aconseja colocar, en tal caso, una armadura mínima en apoyos intermedios.

• 0,2 % sección hormigón por encima de los nervios sin apeos.
• 0,4 % sección hormigón por encima de los nervios si se precisa apuntalar.

Ancho de losa solidario bajo cargas puntuales o lineales

• Como el análisis que se efectúa del forjado mixto es unidireccional, cuando el forjado está sometido a cargas puntuales o lineales se debe considerar un ancho eficaz de la viga a efectos resistentes.
• Cuando la losa tiene que soportar cargas puntuales o lineales paralelas al vano de la losa, puede considerarse que están distribuidas sobre un ancho bm, medido en la cara superior de los nervios de la chapa, de valor:

b_m5 b_p+ 2 (h_c+ h_f)

• Cuando la losa tiene que soportar cargas lineales perpendiculares al vano de la losa, se puede usar la formula anterior, tomando para b_p el ancho de aplicación de la carga concentrada.
• Una vez determinado el ancho b_m, en función del tipo de carga, el ancho eficaz b_em de la losa, considerado para el análisis global de esfuerzos y para el cálculo de la resistencia de la sección, se puede determinar de forma simplificada por las expresiones siguientes, siempre que la relación h_p /h no exceda de 0,6:

Para flexión y esfuerzo rasante

• Vanos simples y vanos exteriores de losas continuas:

• Vanos simples y vanos exteriores de losas continuas.

• Para asegurar la distribución de las cargas puntuales o lineales sobre el ancho eficaz considerado, se dispondrá una armadura transversal sobre la chapa. Esta armadura se calculará por flexión transversal de la losa.
• Se puede usar una armadura transversal nominal sin cálculo si las cargas características impuestas no superan los siguientes valores:

• • Cargas concentradas: 7,5 kN
  • Cargas repartidas: 5,0 kN/m²

Esta armadura transversal nominal tendrá una cuantía geométrica no menor del 0,2 % del área de hormigón estructural sobre los nervios, y deberá extenderse sobre un ancho no menor de b_em, anclándose a partir de este ancho. Cualquier armadura ubicada en dicha posición, con otros fines, puede realizar esta función.

• En ausencia de la armadura de reparto, los anchos efi caces para el cálculo de momentos y cortantes no pueden considerarse superiores a b_m.

Chapa nervada como encofrado

Aplicar EN 1993-1-3, teniendo en cuenta los efectos de las embuticiones sobre la resistencia.

Forjado mixto en servicio

Criterio de cálculo

1. P Los valores de cálculo de las solicitaciones no sobrepasarán los valores de resistencia para cada uno de los estados límite.

Flexión

1. En los casos de conexión total a rasante de la losa mixta, la resistencia a flexión M_Rd de las secciones se determina de acuerdo a la teoría plástica M_pl,Rd, considerando como tensiones de cálculo los límites elásticos de los materiales afectados de un coefi ciente de seguridad. Este procedimiento es habitual para los cálculos de secciones de acero, mientras que para el hormigón la diferencia entre el comportamiento real y la simplificación introducida se compensa mediante un factor de reducción a=0,85 de la resistencia de cálculo del hormigón.

2. P Para determinar la resistencia de cálculo a momentos negativos no se considerará la contribución de las chapas nervadas salvo que, además de tener continuidad, no se haya hecho uso de la redistribución de momentos por plastificación en los apoyos.

3. Se considerará como área eficaz de las chapas A_pe , la reducida tras la eliminación de solapes y embuticiones, salvo que se demuestre por ensayo que la sección eficaz es superior.

4. El efecto del pandeo local de las partes comprimidas de la chapa debería tenerse en cuenta utilizando anchos efectivos que no excedan de dos veces los valores recomendados en el EN-1993-1-1, tabla 1 para las almas de acero de Clase 1.

5. Para secciones mixtas con la fibra neutra posicionada por encima de los nervios de la chapa, se recomienda determinar el momento resistente a flexión positiva de acuerdo con la siguiente distribución de esfuerzos (fig. 13).

6. Para secciones mixtas con la fibra neutra posicionada en la altura de la chapa nervada, se recomienda determinar el momento resistente a flexión positiva de acuerdo con la siguiente distribución de esfuerzos (fig. 14).

7. Cuando no se considere la colaboración de la chapa nervada, el cálculo del momento resistente a fl exión negativa se ajusta a la siguiente distribución de esfuerzos (fig. 15).

Esfuerzos rasantes en forjados sin anclaje de borde

1. P Todas las disposiciones de este apartado son aplicables a FMCN con conexiones tipo 1 o 2.

2. La resistencia de cálculo a rasantes longitudinales se determinará por el método m-k o por el método de la conexión parcial. El método de conexión parcial se reservará exclusivamente para FMCN con un comportamiento dúctil a rasantes.

3. Se considera que el comportamiento es dúctil cuando la carga de ruina supera en, como mínimo, un 10 % el valor de la carga que provoca un deslizamiento en el extremo de 0,1 mm. Si dicha carga se produce con una fl echa superior a L/50, se tomará como carga la relativa a deformación.

4. La aplicación del método m-k implica demostrar que el esfuerzo rasante de cálculo V_Ed para un ancho de losa b, no supera la resistencia V1, Rd obtenida por la siguiente fórmula:

V_1,Rd: Es el valor resistente de cálculo del esfuerzo cortante último.

b: Es el ancho del forjado, en mm.

d_p: Es la distancia entre la fibra superior y el centro de gravedad, en mm.

A_p: Es el área nominal de chapa, en mm2.

L_s: Es el tramo de losa solicitado a cortante.

m y k: Son valores de cálculo de los coeficientes empíricos obtenidos de los ensayos, en N/mm².

Y_vs: Potestad de cada país. Valor usual 1,25.

ESTADOS LÍMITE TEST PULL OUT

FASE MIXTA

5. Para el cálculo de L_s el EN-1994 proporciona las siguientes reglas:

• L/4 para una carga uniforme aplicada a la longitud total del vano.
• La distancia entre la carga aplicada y el apoyo más cercano para dos cargas iguales y colocadas simétricamente.
• Para otras disposiciones de carga, incluyendo una combinación de las cargas distribuidas y cargas puntuales asimétricas, debe hacerse una hipótesis basada en los resultados de los ensayos o por cálculos aproximados similares al siguiente: se toma como zona a rasantes longitudinales una longitud igual al cociente de dividir el momento

máximo por el cortante máximo junto a los apoyos del tramo considerado.

6. En cálculos de losas continuas, se admite el cálculo de los valores resistentes en tramos isostáticos equivalentes de longitud (fig. 25): 0,8 L para los vanos intermedios. 0,9 L para los vanos extremos.

7. En cálculos basados en el "método de la conexión parcial", debe quedar demostrado que en todas las secciones el momento flector "M_Ed" no supera el resistente M_Rd.

8. El momento resistente se determinará mediante la fórmula:

T_u,Rd: resistencia de cálculo a cizalladura horizontal obtenida mediante ensayo (T_u,Rk/ \Y_Vs).

L_x:distancia de cada sección al apoyo más próximo.

En diseños de FMCN basados en el método de la conexión parcial, pueden utilizarse armaduras de refuerzo inferiores.

9. Salvo que la contribución a la resistencia al esfuerzo rasante por otros dispositivos de anclaje se pruebe mediante ensayos, el anclaje extremo de tipo 3, tal y como se definía en la introducción a este capítulo de esfuerzos tangenciales, se calculará para soportar la fuerza de tracción de la chapa en el estado límite último.

10. La resistencia a esfuerzo cortante con anclaje extremo, tipos 3 y 4, puede determinarse por el método de conexión parcial, de acuerdo al apartado 4.3.1., incrementando N_c por la resistencia de cálculo del anclaje extremo.

11. La fuerza que es capaz de absorber un perno con cabeza, soldado a través de la chapa de acero y usado como anclaje extremo debe tomarse como la más pequeña entre el valor de cálculo del cortante resistente del perno y la resistencia de la chapa. El modo de evaluar estas dos resistencias es el siguiente:

(1) The design shear resistance of a headed stud automatically welded in accordance with EN 14555 should be determined from:

Cortante vertical

La resistencia a cortante vertical se determinará de acuerdo a EN 1992-1-1, 6.2.2.

Punzonamiento

El valor resistente a punzonamiento V_p,Rd se calculará de acuerdo a EN 1992-1-1, 6.4.4, determinándose el perímetro crítico de acuerdo a la figura 28.

Fisuración del hormigón

1. El ancho de fisura en zonas de negativos puede ser verifi cado de acuerdo a EN-1992-1-1, 7.3.

2. En losas continuas diseñadas como vanos individuales isostáticos, el mallazo anti-fisuración a colocar en losas sin apuntalar, no será de sección inferior al 0,2 % del área de hormigón sobre los nervios. En caso de losas con apeos se elevará al 0,4 %.

Flecha

Las flechas debidas a cargas sobre la chapa en fase de encofrado se calcularán de acuerdo con EN 1993-1-3, 7.

De acuerdo con el ENV-1994, en el apartado 7.6.2.2. no será necesario analizar las deformaciones en servicio cuando se cumplan simultáneamente las dos siguientes premisas:

La relación luz-canto no supere los límites dados en la tabla 4.14 del EN-1992 (Fig.5.1.3) para hormigones ligeramente solicitados, de acuerdo con el apartado 4.4.3.2 del mismo (Fig. 5.1.3), teniendo en cuenta los factores de corrección que según la geométrica de la losa y la tensión del acero en fase de servicio deben considerarse, según se indica en el citado apartado.

Protección frente al fuego

Resistencia

La capacidad para soportar cargas: resistencia al colapso o deformación excesiva bajo cargas estructurales durante la acción del fuego. Límites de fl echa l/30 o crecimiento rápido de la flecha cm/min.

Aislamiento

Aislamiento térmico: limitación del incremento de temperatura en el lado no expuesto del forjado. 140 ºC de media o 180 ºC puntual.

Integridad

Integridad: capacidad del forjado para resistir la penetración de las llamas o gases calientes a través de las grietas, agujeros u otras aberturas que puedan formarse durante la exposición al fuego.

No es un problema en este tipo de forjados continuos.

METODOLOGÍA DE CÁLCULO: EN 1994-1-2: 2005

Criterio aislamiento térmico

Resistencia M(+)

Se trata de determinar por cálculo las temperaturas en el hormigón y en las armaduras dependiendo de la forma de los nervios y de la posición de las barras.

Resistencia (-)

Se trata de determinar por cálculo las temperaturas de las barras de negativos, ya que se desprecia la aportación de la chapa, a partir de una sección reducida efi caz de hormigón y se calcula como una losa fría.

Se trata de determinar por cálculo las temperaturas de las barras de negativos, ya que se desprecia la aportación de la chapa, a partir de una sección reducida efi caz de hormigón (tabla 7).

Momentos resistentes M(+)

Predimensionado

Tipologías

Bases y criterios de proyectos

"Información previa"

• Dimensiones del edificio, acciones a considerar, materiales a utilizar.
• Criterios de seguridad (resistencia mecánica, resistencia al fuego, ductilidad, etc.).
• Criterios de funcionalidad (limitación de fl echas, vibraciones, aislamiento térmico y

acústico).

• Criterios de durabilidad (vida útil, protección frente a corrosión, recubrimientos, etc.).
• Criterios estéticos (acabados).
• Condicionantes geométricos (canto máximo, luces deseables, tolerancias).
• Condicionantes económicos y de plazos de construcción.
• Condicionantes de ejecución (cimbrado y proceso constructivo).
• Condicionantes de mantenimiento.

"Definición de la geometría en planta"

• Situación de pilares, huecos, juntas, elementos verticales rígidos (muros) y cargas puntuales.
• Número y luces de los vanos.
• Definición de los límites de forjado (perímetro interior y exterior del mismo).

"Predimensionado geométrico"

• Canto total (hormigón y chapa), dimensiones de vigas principales y secundarias e intereje de las mismas, armadura pasiva y conectadores en su caso.

• Número de vanos a cubrir por cada chapa nervada.

"Predimensionado"

Tablas de sobrecargas admisibles de uso no ponderadas en daN/m² recogen las máximas capacidades de carga para las condiciones descritas en cada caso, sin refuerzos adicionales (tabla 10).

Conclusión

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Enlaces externos

• Proyecto de Forjados Mixtos de Chapa Nervada
• Empresas especializadas en temas de Forjados mixtos
• Libros sobre Forjados
• Artículos Técnicos sobre Soldadura