ANALISIS DE UN MODELO DE CONECTOR PARA SECCIONES MIXTAS DE HORMIGON-MADERA

1. ANALISIS DE UN MODELO DE CONECTOR PARA SECCIONES MIXTAS DE HORMIGON-MADERA Autores: Mg. Ing. Raúl Astori Mg. Ing. Ricardo Barrios D'Ambra Ing. Federico Solari Ing. Luis Kosteski Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional del Nordeste Resistencia – Chaco – Argentina

2. INTRODUCCION El presente Trabajo se realiza dentro del marco del Proyecto de Investi-gación “Estructuras Mixtas de Hormigón-Madera para Puentes” PI-67/04, que se desarrolla en el Instituto de Estabilidad de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional del Nordeste. El objetivo de proyecto es el estudio de secciones mixtas de hormigón-madera, teniendo como premisa que la evaluación de alternativas, tanto de materiales como de tecnologías resulta imprescindible para cualquier proyecto de ingeniería. El empleo de la Madera ha recuperado competitividad respecto al Hormigón y al Acero, en razón de su avance tecnológico y del reducido consumo de energía requerido en su proceso productivo, que se traduce en un menor impacto ambiental. A la vez se trata de un recurso renovable, que contribuye en gran medida a la preservación de la calidad del medio ambiente. Con la ejecución de este trabajo se pretende avanzar en el conocimiento sobre el comportamiento mecánico de los conectores que son los elementos fundamentales a ser estudiados en las secciones compuestas.

3. ENSAYO EXPERIMENTAL Descripción del Ensayo: El trabajo consiste en el análisis teórico-experimental de un modelo de conector que vincula secciones de madera y hormigón sometidas a ensayos de corte. Este modelo está diseñado a partir de experiencias previas, aplica-ción de normas y procedimientos utilizados en trabajos de reconoci-da validez.

4. Esquema de la Probeta de ensayo y características de los materiales

5. El programa de ensayo está formado por 10 probetas sometidas a en-sayos de corte en el plano de vinculación entre madera y hormigón. La aplicación de la carga se realiza mediante una máquina de ensayo universal con capacidad de 1000 KN. Las lecturas de los desplaza-mientos se realizan a través de un extensímetro mecánico con aprecia-ción de 0,01 mm. Esquema e imágen del ensayo

6. Resultados Experimentales: Diagrama Cargas – Desplazamientos relativos Probeta ensayada Los resultados obtenidos en la serie de probetas ensayadas muestran un bajo grado de dispersión. La carga máxima se produ-ce en todos los casos al agotarse la resistencia del anclaje en el Hormigón, donde se generan diversas líneas de fisuras, ubicadas en general en zonas próximas a las barras.

7. MODELADO NUMERICO Para verificar los resultados experimentales se analiza numé-ricamente el prototipo utilizando un programa de aplicación del Método de los Elementos Finitos (MEF). El modelado de los elementos componentes de la probeta se realiza de dos formas: MODELADO COMPLETO: se trabaja caracterizando todos los elementos componentes de la probeta (madera, hormigón y conector) con sus respectivos materiales con comporta-miento Lineal. MODELADO SIMPLIFICADO: se reemplaza el conector real, por elementos del tipo Resorte Lineal y No Lineal.

8. MODELADO COMPLETO MODELADO COMPLETO TRIDIMENSIONAL (MCT) En una primera instancia se desarrolla un modelo tridimensional, donde se utilizan elementos espaciales tetraédricos lineales. Modulo de Dimensiones Tipo de Elemento Elasticidad (cm) (MPa) TETRA EDRICO 10000 a = 11 x b= 4 x h=17 p / madera TETRA EDRICO 27500 a=4,5 x b=16 x h=17 p /h ormigón TETRA EDRICO 21000 0 Ø = 1cm p / conector

9. Distribución de tensiones σy para MCT Distribución de tensiones σy (con rango reducido) para MCT, en el plano del conector

10. Se presentan otros gráficos con distribución tensiones de Von Mises para el Modelo Completo, y aislando los conectores:

11. Modulo de Ancho Tipo de Elemento Elasticidad modelado (MPa) (cm) TRIANGULAR 10000 2 p / madera TRIANGULAR 27500 8 p / h ormigón BARRA p / conector 1 210000 MODELADO COMPLETO BIDIMENSIONAL (MCB) Con esta alternativa se intenta realizar un modelo menos complejo, utilizando elementos triangulares lineales de tres nodos

12. Distribución de tensiones σy para MCB Se puede apreciar en este gráfico una gran similitud con la Distri-bución de Tensiones obtenida en Modelado Completo Tridimensio-nal.

13. Para comparar los resultados obtenidos en los modelados MCT y MCB con los resulta-dos del ensayo experimental, se obtienen numéricamente los desplazamientos de no-dos ubicados geométricamente en puntos coincidentes con la ubicación del exten-símetro en el ensayo. Luego se calculan los desplazamientos re-lativos y estos resultados son volcados a un Diagrama Carga - Desplazamiento rela-tivo.

14. Diagrama Cargas – Desplazamientos relativos para MCT y MCB Las curvas carga-desplazamiento relativo de la simulación numérica de los modelos están comprendidas dentro los valores experimenta-les para cargas inferiores a los 20 kN, logrando un buen ajuste en el rango de comportamiento lineal de los materiales.

15. Modulo de Ancho Tipo de Elemento Elasticidad modelado (MPa) (cm) PLAN O 2D para 10000 4 madera PLAN O 2 D para 27500 16 Hormigón RESORTE para 21000 0 -- conector MODELADO SIMPLIFICADO Para modelar estructuras mas complejas, como una losa mixta de hormigón-madera, será muy dificultoso simular cada conector de manera real. Para solucionar este problema se propone el MODELADO SIMPLIFICADO (MS), reemplazando al conector por elementos tipo Resorte.

16. Comportamiento Lineal: En una primer etapa se simula el elemento tipo RESORTE con comportamiento LINEAL, analizando distintas disposiciones. MSL1 MSL2 MSL3 Distribución de tensiones σy para las distintas disposiciones

17. Comparando las Distribuciones de Tensiones σy obtenidas en el MODELADO SIMPLIFICADO y en el MODELADO COMPLETO BIDIMENSIONAL, se adopta la variante MSL1, como la de mejor comportamiento lineal. MCB MSL1 Comparación de la Distribución de tensiones σy

18. 66 14 Comportamiento No Lineal: Se introduce al Elemento RESORTE, un comportamiento NO LINEAL, de manera de reproducir numéricamente, la res-puesta experimental de los conectores. La ley de comportamiento NO LINEAL del Elemento Resorte es obtenida cali-brando los valores de la Curva Promedio de los ensayos experimentales. Para analizar el comportamiento del Mo-delado Simplificado No Lineal (MSNL), se obtienen Curvas Carga – Desplaza-mientosrelativos medidos entre dos nodos representativos, ubicados coinci-dentes con la posición del extensímetro en el ensayo experimental.

19. Curvas Cargas-Desplazamientos para MSNL Se puede observar un alto grado de coincidencia entre la curva Carga – Desplazamiento, obtenida en el Modelado,con la obtenida en el Ensayo Experimental.

20. CONCLUSIONES Sobre el Ensayo Experimental: • Reducida dispersión registrada en los ensayos experimentales con-fiere confiabilidad al método utilizado y a los valores obtenidos. • Buen desempeño del anclaje de las barras de acero en la madera. • Se podría aumentar de la capacidad de carga adicionando armadu-ra para absorber la fisuración del hormigón. • El escaso recubrimiento de hormigón de los conectores es un factor que colaboró en la fisuración y rotura del hormigón. Se propone para futuros trabajos aumentar el mismo en relación al diámetro de la ba-rra.

21. CONCLUSIONES Sobre los distintos tipos de Modelado: • El Modelado Completo (MC) ajusta satisfactoriamente el compor-tamiento lineal del conector en función de las curvas carga-despla-zamiento relativo. • Debido a la similitud de los valores obtenidos con los modelos MCT y MCB, y dada la complejidad del modelo tridimensional, para este tipo de análisis es conveniente el modelo bidimensional consi-derando estado plano de tensiones.

22. CONCLUSIONES • Las tensiones en la madera y el hormigón obtenidas en el Mo-delado Simplificado, poseen alto grado de coincidencia con las ten-siones de los modelos completos indicando el buen ajuste logrado con el modelo para el comportamiento lineal del conector. • Buena coincidencia entre el MS considerando del comportamien-to no lineal de los resortes, con las curvas carga-desplazamiento experimentales, lo que permitirá simplificar el modelado numérico en aplicaciones de mayor dificultad como los son los puentes mix-tos de hormigón madera.

23. AGRADECIMIENTOS A la Secretaría General de Ciencia y Técnica de la UNNE, a la Facultad de Ingeniería de la UNNE y en especial al Instituto de Estabilidad y al Departamento de Mecánica Aplicada, que hicie-ron posible la realización y presentación de este trabajo en este evento. FIN