tomo 12 itea construccion mixta

5/25/2018 TOMO 12 ITEA CONSTRUCCION MIXTA

1/402

Construccin mixta

Instituto Tcnicode la Estructura

en Acero

I T E A

12


2/402

NDICE DEL TOMO 12

CONSTRUCCIN MIXTA

Leccin 12.1: Generalidades sobre construccin mixta ..................... 1

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 4

2 ACCIN CONJUNTA EN VIGAS .................................................................... 8

3 ELEMENTOS MIXTOS .................................................................................... 10

3.1 Vigas mixtas .......................................................................................... 10

3.1.1 Construccin apuntalada ......................................................... 12

3.1.2 Resistencia de la seccin ......................................................... 12

3.1.3 Vigas y losas continuas ........................................................... 123.2 Conexiones por esfuerzo rasante ....................................................... 13

3.3 Uniones viga-pilar ................................................................................. 14

3.4 Pilares mixtos ........................................................................................ 15

3.5 Secciones de acero parcialmente recubiertas ................................... 17

3.6 Losas mixtas ......................................................................................... 18

4 CONSTRUCCIN DE FORJADOS MIXTOS .................................................. 20

5 PUENTES MIXTOS ......................................................................................... 22

6 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 24

7 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 24

8 BIBLIOGRAFA ADICIONAL .......................................................................... 24

Leccin 12.2: Comportamiento de vigas ............................................... 25

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 28

2 COMPORTAMIENTO DE LOS COMPONENTES .......................................... 29

I

NDICE


3/402

3 DESCRIPCIN DE UNA VIGA MIXTA SIMPLEMENTE APOYADA .............. 31

3.1 Generalidades ........................................................................................ 31

3.2 Comportamiento estructural ................................................................ 333.3 Situaciones prcticas de carga ........................................................... 36

3.4 Fluencia y retraccin ............................................................................ 37

3.5 Vigas mixtas apuntaladas y sin apuntalar ......................................... 37

3.6 Conexin semirrgida ........................................................................... 39

4 VIGAS MIXTAS CONTINUAS ......................................................................... 41

5 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 42

6 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 42

Leccin 12.3: Vigas de un solo vano ..................................................... 43

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 46

1.1 Estado lmite ltimo .............................................................................. 46

1.2 Estado lmite de servicio ...................................................................... 49

2 ASPECTOS DE CLCULO DEL ALA DE HORMIGN A COMPRESIN ..... 50

2.1 Anchura eficaz ....................................................................................... 50

2.2 Esfuerzo cortante mximo longitudinal en la losa de hormign ..... 51

3 CLCULO ....................................................................................................... 52

4 MTODO DE CLCULO PLSTICO ............................................................. 54

4.1 Momento flector positivo ..................................................................... 54

4.2 Esfuerzo cortante vertical .................................................................... 58

4.3 Esfuerzo cortante vertical en combinacincon el momento flector ........................................................................ 60

5 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 62

6 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 62


Problema Resuelto 12.1 (i) y (ii): Viga mixta simplemente apoyada .. 63

1 PLANTA ........................................................................................................... 68

2 DETALLES ...................................................................................................... 69

II


4/402

3 ESPECIFICACIONES ...................................................................................... 71

3.1 Propiedades de los materiales ............................................................ 71

3.1.1 Hormign ................................................................................... 713.1.2 Acero de Armadura ................................................................... 71

3.1.3 Acero Estructural ...................................................................... 72

3.1.4 Chapa de Acero Perfilado ......................................................... 72

3.1.5 Conectores ................................................................................. 72

3.2 Parmetros del forjado ......................................................................... 72

3.2.1 Problema 1 ................................................................................. 72

3.2.2 Problema 2 ................................................................................. 73

4 PROBLEMA 1 ................................................................................................. 74

4.1 Acciones (Cargas de la Viga) ............................................................... 74

4.1.1 Fase de Construccin ............................................................... 74

4.1.2 Fase Mixta .................................................................................. 75

4.1.3 Factores Parciales de Seguridad ............................................. 77

4.2 Fase de Construccin ........................................................................... 77

4.2.1 Tamao de la Viga ..................................................................... 77

4.2.2 Estado Lmite ltimo ................................................................ 784.2.3 Estado Lmite de Servicio ........................................................ 79

4.3 Fase Mixta .............................................................................................. 79

4.3.1 Estado Lmite ltimo ................................................................ 79

4.3.2 Esfuerzo Rasante ...................................................................... 81

4.3.3 Estado Lmite de Servicio ........................................................ 84

5 PROBLEMA 2 ................................................................................................. 88

5.1 Acciones (Carga de la Viga) ................................................................. 89

5.1.1 Fase de Construccin ............................................................... 895.1.2 Fase Mixta .................................................................................. 90

5.1.3 Factores Parciales de Seguridad ............................................. 90

5.2 Fase de Construccin ........................................................................... 91

5.2.1 Tamao de la Viga ..................................................................... 91

5.2.2 Estado Lmite ltimo ................................................................ 91


5.3 Fase Mixta .............................................................................................. 935.3.1 Estado Lmite ltimo ................................................................ 93

III

NDICE


5/402

5.3.2 Esfuerzo Rasante ...................................................................... 95


RESUMEN FINAL ................................................................................................ 100

Leccin 12.4.1: Vigas continuas I .......................................................... 103

1 INTRODUCCIN ............................................................................................ 106

2 ANLISIS GLOBAL RGIDO-PLSTICO ..................................................... 108

3 COMPORTAMIENTO DE VIGAS MIXTAS CONTINUAS .............................. 109

4 CAPACIDAD DE ROTACIN PARA EL ANLISIS PLSTICO ................... 1115 ANLISIS RGIDO-PLSTICO EN EL EUROCDIGO 4 ............................. 113

6 CLASIFICACIN DE SECCIONES TRANSVERSALES .............................. 114

7 MOMENTO RESISTENTE PLSTICO .......................................................... 115

8 DISTRIBUCIN DEL MOMENTO FLECTOR ................................................ 118

9 RESUMEN FINAL .......................................................................................... 119

10 BIBLIOGRAFA .............................................................................................. 119

11 BIBLIOGRAFA ADICIONAL ......................................................................... 119

Leccin 12.4.2: Vigas continuas II ......................................................... 121

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 124

2 PRINCIPIOS GENERALES ............................................................................. 125

2.1 Anchura eficaz del ala de hormign ................................................... 125

2.2 Relacin modular .................................................................................. 125

2.3 Disposiciones de las cargas y casos de carga .................................. 1253 DISTRIBUCIN DEL MOMENTO FLECTOR ................................................. 126

3.1 Anlisis de seccin fisurada ................................................................ 126

3.2 Mtodo de seccin no fisurado ........................................................... 127

3.3 Redistribucin de momentos en apoyos para el anlisis elstico ..... 127

4 CLASIFICACIN DE SECCIONES TRANSVERSALES DE VIGAS ............. 129

5 MOMENTO RESISTENTE ELSTICO ........................................................... 130

6 PANDEO LATERAL POR TORSIN .............................................................. 132

6.1 Restriccin lateral ................................................................................. 134

IV


6/402

7 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 135

8 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 135


Problema Resuelto 12.3: Diseo de una viga mixta continua ............ 137

1 DIMENSIONES Y ESPECIFICACIN DE LA VIGA ....................................... 140

1.1 Planta ...................................................................................................... 140

1.2 Detalles ................................................................................................... 140

1.3 Especificaciones ................................................................................... 1402 ACCIONES ...................................................................................................... 142

2.1 Fase de construccin ........................................................................... 142

2.2 Fase mixta .............................................................................................. 142

2.3 Factores parciales de seguridad ......................................................... 143

3 FASE DE CONSTRUCCIN ........................................................................... 144

3.1 Tamao de la viga ................................................................................. 144

3.2 Estados lmite ltimo ............................................................................ 145


4 FASE MIXTA .................................................................................................... 149

4.1 Estado lmite ltimo .............................................................................. 149

4.2 Unin por rasante ................................................................................. 157

4.3 Pandeo lateral por torsin .................................................................... 162


RESUMEN FINAL ................................................................................................ 175

Leccin 12.5.1: Diseo para estados lmite de servicio - I .................. 177

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 180

1.1 Generalidades ........................................................................................ 180

1.2 Estados lmite de servicio .................................................................... 180

1.2.1 Mtodos esplcitos .................................................................... 180

1.2.1.1 Criterios ......................................................................... 1801.2.1.2 Clculo de Ed ............................................................... 181

V

NDICE


7/402

1.2.1.3 Lmites para Cd ............................................................ 181

1.2.1.4 Procedimiento de clculo ............................................ 181

1.2.2 Mtodos "considerados satisfactorios" ................................. 1812 ANLISIS ELSTICO ..................................................................................... 182

2.1 Generalidades ........................................................................................ 182

2.2 Mdulos de elasticidad ......................................................................... 182

2.2.1 Mdulo de Young para el acero ............................................... 182

2.2.2 Mdulo de Elasticidad del hormign - a corto plazo ............ 183

2.2.3 Mdulo de elasticidad del hormign - a largo plazo ............. 184

2.2.4 Relacin modular (coeficiente de equivalencia) .................... 184

2.3 Propiedades geomtricas de la seccin ............................................. 185

2.3.1 Introduccin ............................................................................... 185

2.3.2 Anchura eficaz ........................................................................... 186

2.3.3 Momento de inercia ................................................................... 186

2.3.4 Tensiones de servicio ............................................................... 187

2.4 Rigideces de la seccin ....................................................................... 188

2.5 Vigas mixtas sobre dos apoyos y continuas ..................................... 188

3 ESTADOS LMITES DE SERVICIO: FISURACIN ........................................ 1893.1 Mtodos esplcitos ................................................................................ 189

3.2 Enfoque de "control satisfactorio" ...................................................... 189

4 ESTADOS LMITE DE SERVICIO: FLECHA .................................................. 192

4.1 Mtodos esplcitos ................................................................................ 192

4.1.1 Criterios ...................................................................................... 192

4.1.2 Clculo de la Flecha (Ed) ......................................................... 193

4.1.3 Lmite de la flecha (Cd) ............................................................. 193

4.1.4 Procedimiento de clculo ......................................................... 1935 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 197

6 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 197


Leccin 12.5.2: Diseo para estados lmite de servicio - II ................. 199

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 202

2 FLUENCIA Y RETRACCIN .......................................................................... 203

VI


8/402

2.1 Generalidades ........................................................................................ 203

2.2 Fluencia .................................................................................................. 204

2.2.1 Fluencia: factores que intervienen .......................................... 2042.2.2 Funciones de fluencia y coeficiente de fluencia ............. 204

2.2.2.1 Definiciones .................................................................. 204

2.2.2.2 Fluencia: frmulas alternativas .................................. 205

2.2.2.3 Fluencia: formulacin de Eurocdigo 2 ..................... 206

2.3 Retraccin .............................................................................................. 207

2.4 Mtodos de anlisis para la fluencia y la retraccin ......................... 208

3 ESTADOS LMITE DE SERVICIO: FISURACIN .......................................... 211

3.1 Enfoque de control satisfactorio ......................................................... 214

3.1.1 Generalidades ............................................................................ 214

3.1.2 reas de armadura mnima ...................................................... 214

3.2 Clculo explcito de anchura de fisuras ............................................. 215

3.2.1 Fisuracin: clculo en estado lmite ....................................... 215

3.2.2 Anchuras mximas de clculo para fisuras: lmites ............. 215

3.2.3 Clculo de anchura de fisuras ................................................. 215

4 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 2185 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 218


Leccin 12.6.1: Uniones por esfuerzo rasante I ................................... 219

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 222

1.1 Fuerzas apliacadas a conectores ........................................................ 222

1.2 Formas bsicas de conexin ............................................................... 223

2 VALORES DE CLCULO PARA CONECTORES .......................................... 228

3 APLICACIN DE LOS VALORES DE CLCULO ......................................... 229

4 ESPACIADO DE LOS CONECTORES ........................................................... 232

5 CONECTORES EN LOSAS FORMADAS UTILIZANDO CHAPASPERFILADAS DE ACERO .............................................................................. 234

6 FORMAS ALTERNATIVAS DE UNIN .......................................................... 235

7 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 236

VII

NDICE


9/402

8 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 236


Leccin 12.6.2: Uniones por esfuerzo rasante II .................................. 237

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 240

2 CLASIFICACIN DE CONECTORES ............................................................ 241

3 CLCULO CON CONECTORES NO DCTILES .......................................... 243

4 CLCULO DE VIGAS SOBRE DOS APOYOSCON CONECTORES DCTILES ................................................................... 244

4.1 Definicin de unin rgida y semirgidapor esfuerzo rasante ............................................................................. 244

4.2 Mtodo de clculo para uniones semirrgidaspor esfuerzo rasante ............................................................................. 245

4.3 Comprobacin del estado lmite de servicio ..................................... 249

5 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 251

6 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 251


Leccin 12.6.3: Uniones por esfuerzo rasante III ................................. 253

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 256

2 CLCULO DE UNIONES POR ESFUERZO RASANTE

EN VIGAS MIXTAS CONTINUAS ................................................................... 2572.1 Aspectos generales .............................................................................. 257

2.2 Vigas continuas con secciones transversales crticasde la clase 1 ........................................................................................... 257

2.2.1 Caso sencillo - carga puntual nica ........................................ 257

2.2.2 Casos generales ........................................................................ 260

3 CASO DE VIGAS CONTINUAS CON SECCIONES TRANSVERSALESCRTICAS DE LA CLASE 2 EN SUS SOPORTES INTERMEDIOS .............. 263

4 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 264

5 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 264

VIII


10/402

Leccin 12.7: Losas mixtas .................................................................... 265

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 268

1.1 Definicin ............................................................................................... 268

1.2 Tipos de chapas perfiladas .................................................................. 268

1.3 Conexin acero-hormign .................................................................... 269

2 PRINCIPIOS DE CLCULO ........................................................................... 270

2.1 Situaciones de clculo ......................................................................... 270

2.2 Acciones ................................................................................................ 270

2.3 Propiedades de los materiales ............................................................ 270

2.4 Limitaciones de flecha .......................................................................... 2722.5 Condiciones de verificacin ................................................................ 272

3 COMPORTAMIENTO Y ANLISIS ................................................................. 274

3.1 Comportamiento de las chapas perfiladas ......................................... 274

3.2 Comportamiento de las losas mixtas ................................................. 274

3.3 Anlisis de losas mixtas ...................................................................... 276

4 RASISTENCIA DE LAS SECCIONES ............................................................ 278

4.1 Resistencia a la flexin positiva .......................................................... 278

4.2 Resistencia a la flexin negativa ......................................................... 279

4.3 Resistencia a cortante vertical y a punzonamiento .......................... 280

4.4 Resistencia a esfuerzo rasante ........................................................... 281

4.5 Propiedades elsticas de las secciones transversales .................... 283

5 COMPROBACIONES ...................................................................................... 284

5.1 Comprobacin de los estados lmite ltimos .................................... 284

5.2 Comprobacin del estado lmite de servicio ..................................... 285

6 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 2867 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 286


Problema Resuelto 12.4: Diseo de una losa mixta ............................ 287

1 DATOS ............................................................................................................. 290

2 VERIFICACIN DE LA CHAPA PERFILADA ................................................ 293

IX

NDICE


11/402

2.1 Estados lmite ltimos .......................................................................... 293


3 COMPROBACIN DE LA LOSA MIXTA ........................................................ 2963.1 Estado lmite ltimo .............................................................................. 296

3.1.1 Carga de clculo ....................................................................... 296

3.1.2 Flexin ........................................................................................ 296

3.1.3 Esfuerzo rasante (mtodo m y k) ............................................ 297

3.1.4 Mtodo de unin semirrgida (parcial) .................................... 297

3.1.5 Cortante vertical ........................................................................ 298

3.1.6 Conclusin con respecto al estado lmite ltimo .................. 299


3.2.1 Clculos de flecha ..................................................................... 299

3.2.2 Comprobaciones ....................................................................... 300

3.2.3 Fisuracin del hormign .......................................................... 300

Leccin 12.8.1: Pilares I .......................................................................... 301

1 INTRODUCCIN ............................................................................................ 304

2 TIPOS DE SECCIONES TRANSVERSALES PARA PILARES MIXTOS ..... 3053 CALIDAD Y SEGURIDAD DE LOS MATERIALES ....................................... 307

4 COLAPSO POR ABOLLADURA ................................................................... 309

5 RESISTENCIA DE SECCIONES TRANSVERSALESA LAS CARGAS AXIALES ........................................................................... 309

6 RIGIDEZ Y ESBELTEZ RELATIVAS ............................................................. 312

7 RESISTENCIA DE LOS ELEMENTOS .......................................................... 314

8 RESTRICCIONES A LA APLICACIN DEL MTODO SIMPLIFICADO

SEGN EL EUROCDIGO 4 ........................................................................ 3169 EL APOYO EN PILARES MIXTOS ................................................................ 317

10 RESUMEN FINAL .......................................................................................... 318

11 BIBLIOGRAFA .............................................................................................. 318

Leccin 12.8.2: Pilares II ......................................................................... 319

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 322

2 GENERALIDADES .......................................................................................... 323

X


12/402

3 ANLISIS DE LOS MOMENTOS FLECTORES ............................................. 324

4 COMPRESIN Y FLEXIN UNIAXIAL .......................................................... 325

5 CURVA DE INTERACCIN PARA COMPRESINY FLEXIN COMPUESTAS ............................................................................ 326

6 COMPRESIN Y FLEXIN BIAXIAL ............................................................. 330

7 INFLUENCIA DE LOS ESFUERZOS CORTANTES ...................................... 331

8 ZONAS DE INTRODUCCIN DE CARGA ..................................................... 333

9 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 335

10 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 335


Problemas Resuelto 12.2: Pilares mixtos .............................................. 337

1 DATOS DE PARTIDA ...................................................................................... 340

1.1 Generalidades ........................................................................................ 340

1.2 Sistema ................................................................................................... 340

1.3 Cargas .................................................................................................... 340

1.4 Seccin transversal .............................................................................. 341

1.5 Recubrimiento de hormign y armadura ............................................ 341

2 SECCIN TRANSVERSAL ............................................................................ 342

2.1 reas ...................................................................................................... 342

2.2 Contribucin de la armadura ............................................................... 342

2.3 Momento de inercia a flexin alrededor del eje Y de la seccin ..... 342

2.4 Momento de inercia a flexin alrededor del eje Z de la seccin ...... 342

3 VALORES BSICOS ...................................................................................... 3433.1 Propiedades de los materiales ............................................................ 343

3.2 Resistencia plstica de la seccin contra cargas axiales ................ 343

3.3 Parmetros d de la seccin transversal ............................................. 344

4 PANDEO ALREDEDOR DEL EJE MENOR DE LA SECCIN ...................... 345

4.1 Cargas de clculo ................................................................................. 345

4.2 Rigidez efectiva ..................................................................................... 345

4.3 Esbeltez asociada ................................................................................. 345

4.4 Resistencia del elemento a cargas axiales ........................................ 345

XI

NDICE


13/402

5 FLEXIN ALREDEDOR DEL EJE MAYOR DE LA SECCIN ...................... 346

5.1 Cargas de clculo ................................................................................. 346

5.2 Rigidez efectiva ..................................................................................... 3465.3 Esbeltez asociada ................................................................................. 346

5.4 Resistencia del elemento a cargas axiales ........................................ 346

5.5 Curva de interacin de la seccin transversal .................................. 347

5.5.1 Generalidades ............................................................................ 347

5.5.2 Determinacin del punto D del trazado poligonal ................. 347

5.5.3 Determinacin de los puntos B y C del trazado poligonal ..... 348

5.5.4 Trazado de la curva de interaccin para

la flexin alrededor del eje mayor ........................................... 3505.6 Momento interno ................................................................................... 351

5.6.1 Distribucin de momentos sin considerar efectosde segundo orden ..................................................................... 351

5.6.2 Valor de clculo del momento flector ..................................... 351

5.7 Resistencia a la compresin y flexin uniaxial ................................. 352

6 VERIFICACIN DEL COMPORTAMIENTO DE LA CONEXINY DEL ESFUERZO RASANTE ....................................................................... 353

6.1 Rasante longitudinal ............................................................................. 3536.2 Resistencia a rasante del perfil metlico ........................................... 354

6.3 Resistencia al esfuerzo rasante de la parte de hormign ................ 356

6.3.1 Tensiones en el rea de contacto............................................. 356

6.4 Introduccin de la carga en el pilar .................................................... 357

6.4.1 Descripcin de la construccin ............................................... 357

6.4.2 Clculo de los conectores ........................................................ 358

Leccin 12.9: Edificios ............................................................................ 361

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 364

2 ACCIN CONJUNTA ENTRE ELEMENTOS ESTRUCTURALESEN EDIFICIOS ................................................................................................. 366

3 COMPONENTES DE EDIFICIOS ................................................................... 367

3.1 Estructuras de forjado .......................................................................... 367

3.1.1 Forjados ..................................................................................... 368

XII


14/402

3.1.2 Disposicin de las viguetas ..................................................... 369

3.1.3 Vigas mixtas .............................................................................. 369

3.1.4 Canto de los elementos estructurales .................................... 3773.1.5 Criterios de estimacin ............................................................ 378

3.2 Sistemas de prtico para resistir cargas horizontales ..................... 378

3.3 Uniones .................................................................................................. 381

4 MTODOS DE MONTAJE .............................................................................. 387

5 DISEO SSMICO ........................................................................................... 389

6 SENSIBILIDAD DINMICA ............................................................................ 390

7 RESISTENCIA AL INCENDIO ........................................................................ 390

8 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 392


Leccin 12.10: Puentes mixtos .............................................................. 393

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 396

2 PUENTES MIXTOS TIPOS PRINCIPALES ................................................. 397

3 PRINCIPALES VENTAJAS DE LOS PUENTES MIXTOS .............................. 401

4 ACCIN ESTRUCTURAL ............................................................................... 402

4.1 Zonas de momento flector positivo .................................................... 402

4.2 Zonas de momento flector negativo ................................................... 402

4.2.1 Factores principales a considerar ........................................... 403

4.2.2 Aspectos conceptuales ............................................................ 404

5 CONEXIONES POR ESFUERZO RASANTE ................................................. 408

6 FABRICACIN Y MONTAJE .......................................................................... 4097 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 410

8 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 410

Diapositivas complementarias ............................................................... 411

XIII

NDICE


15/402

ESDEP TOMO 12CONSTRUCCIN MIXTA

Leccin 12.1: Generalidades sobreConstruccin Mixta

1


16/402

3

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Introducir elementos y construccin mixta

de acero y hormign; explicar la accin conjuntade los dos materiales y mostrar la forma en quese utilizan los elementos estructurales, especial-mente en la construccin de edificios.

CONOCIMIENTOS PREVIOS

Leccin 9.2: Clasificacin de las Seccio-nes Transversales

LECCIONES AFINES

Todas las lecciones posteriores del Tomo 12.

RESUMEN

Se introducen los dos materiales comple-

mentarios, acero y hormign armado y se mues-tra la forma en que se consigue una accin mixtaen el caso de losas, vigas y pilares mixtos. El usode la construccin mixta en edificios y puentesse subraya e ilustra mediante varios ejemplostpicos; tambin se comentan sus principalesventajas, comparndolas con estructuras deacero y hormign utilizadas de forma indepen-diente. Se llama la atencin a otros problemasms generales de esta forma de construccincomo: clasificacin de resistencia al incendio,

velocidad de ejecucin, flexibilidad y adecuacinfinal.


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1. INTRODUCCIN

La combinacin ms importante y fre-

cuente de materiales de construccin es la delacero y el hormign, con aplicaciones en edifi-cios comerciales y fbricas de varias plantas, ascomo en puentes. Estos materiales pueden utili-zarse en sistemas estructurales mixtos como,por ejemplo, ncleos de hormign envueltos entubos de acero, as como en estructuras mixtasen las que elementos de acero y hormign tra-bajan conjuntamente.

Estos materiales, aunque esencialmente

diferentes, son totalmente compatibles y comple-mentarios entre s; tienen casi la misma dilata-cin trmica; tienen una combinacin de resis-tencia ideal, ya que el hormign es eficaz a

compresin mientras que el acero lo es a trac-cin. Adems el hormign proporciona protec-cin contra la corrosin y aislamiento trmico alacero a temperaturas elevadas y puede protegerlas secciones delgadas de acero contra abolla-duras y pandeo lateral por torsin.

En los edificios de varias plantas el acerode construccin se utiliza normalmente con hor-mign; por ejemplo, vigas de acero con forjados

de hormign. Lo mismo se aplica a los puentesde carretera, en los que normalmente se prefiereutilizar tableros de hormign. Dependiendo de lascircunstancias, los componentes o partes de laestructura de un edificio debern construirsetotalmente de acero, de hormign armado o teneruna construccin mixta. Sin embargo, es unhecho que los ingenieros cada vez proyectanms sistemas mixtos para producir estructurasms eficaces que las que se conseguiran conproyectos que utilizaran slo uno de dichos mate-

riales. Las primeras dos diapositivas proporcio-nan una impresin de la forma y la medida en que

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Diapositiva 1

Diapositiva 2


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se utiliza la construccin mixta para edificios devarias plantas: La diapositiva 1 muestra la cons-truccin de un edificio comercial en Londres. Ladiapositiva 2 muestra el edificio de una fbricapara la industria automovilstica en Alemania.

Sera necesario aadir que la combina-cin de ncleos de hormign, prticos de aceroy forjados mixtos se ha convertido en el mtodoestndar de construccin para edificios comer-ciales de varias plantas en bastantes pases. Seha avanzado mucho en lugares como, por ejem-plo, Japn, donde el prtico de acero/hormignarmado es el sistema estndar en edificios altos.La razn principal de esta preferencia es que lassecciones y elementos que se muestran en la

diapositiva 3 son los ms idneos para resistircargas repetidas causadas por sesmos, querequieren gran resistencia y ductilidad.

Los edificios con elementos de acero ymixtos experimentaron un renacimiento durantelos aos 80, lo que condujo a una profusin denuevos conceptos constructivos y detallesestructurales.

Los elementos mixtos individuales

como, por ejemplo, las vigas aisladas, pilaresy forjados (figura 1), aunque de un alto nivel de

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INTRODUCCIN

Figura 1 Elementos mixtos para edificios

Diapositiva 3


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calidad y resistencia, tambin suelen ser ca-ros, especialmente en edificios con espaciosreducidos entre pilares, vigas con luces pordebajo de los 9 m y cargas bajas. Por otra par-

te, la construccin de forjados mixtos es muycompetitiva si las luces aumentan hasta 12, 15o incluso 20 m. Sin lugar a duda, existe una

demanda de luces mayores libres de pilarespara edificios de oficinas con objeto de facilitarla planificacin abierta o un mayor nivel de fle-xibilidad en la distribucin, como se muestraen la figura 2.

Otro factor importante a considerar es quela utilizacin de secciones de acero laminado,chapas de acero perfilado y/o elementos mixtosprefabricados acelera la ejecucin. Para obtenerla mxima eficacia y economa, la fabricacin de

las uniones debe ser econmica y fcil de mon-tar en obra.

Muchos expertos opinan que el desarrollofuturo de los edificios de estructura metlicadepende principalmente de la utilizacin demtodos de construccin mixta. Desgracia-damente estos dos importantes materiales deconstruccin, el acero y el hormign, pertenecena industrias diferentes. Dado que estos dos sec-tores compiten entre s, a veces resulta difcilasegurar la ptima utilizacin de estos dos mate-riales.

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Figura 2a Construccin mixta en edificios

Figura 2b Construccin mixta en edificios Figura 2c Construccin mixta en edificios


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La figura 2 muestra tres ejemplos del usode construccin de forjados mixtos utilizandovigas de acero y losas de hormign en edificios:

la figura 2a muestra un edificio tpico de oficinasdistribuidas a ambos lados de un pasillo central,cuyos muros estn definidos por las posiciones

de las pilares internas; la figura 2b muestra unaestructura de grandes luces y libre de pilares quepermite un elevado nivel de flexibilidad; la estruc-

tura que se muestra en la figura 2c tiene unnmero reducido de pilares, con vigas principa-les y secundarias.

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INTRODUCCIN


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2. ACCIN CONJUNTAEN VIGAS

Las vigas mixtas, sometidasprincipalmente a flexin, constan deun perfil de acero que acta deforma mixta con un ala (o dos) dehormign armado. Los dos materia-les estn interconectados por mediode conectores mecnicos. La prcti-ca europea actual consiste en efec-tuar esta conexin por medio deconectores de espiga, soldadossemi automticamente al ala de

acero, vase la diapositiva 4.La figura 3 muestra varias

secciones transversales de vigamixta en la que el hormign frescose ha vertido in situ sobre un enco-frado de madera. Para las vigas deun solo vano, los momentos flecto-res, ocasionados por la aplicacin de cargas ver-ticales, causan esfuerzos de traccin en la sec-cin de acero y de compresin en la cubierta porel hormign, dando lugar a la utilizacin ptimade cada material. Por lo tanto, las vigas mixtas,incluso con pequeas secciones de acero, tienenaltos niveles de resistencia y pueden soportarcargas pesadas en luces grandes.

Cada uno de los componentes actuar deforma independiente si existe un deslizamientoen la unin entre la seccin de acero y la losa dehormign, tal como se muestra en la figura 4. Si

se elimina, o al menos se reduce, este desliza-miento, la losa y la viga actuarn en conjuntocomo una pieza mixta. El aumento de la resis-tencia resultante depender de la medida en quese impida el deslizamiento. Debe tenerse encuenta que la figura 4 hace referencia a la utili-zacin de conectores de espiga. El nivel deconexin depende principalmente del tipo deconexin por esfuerzo rasante que se haya utili-zado.

Las siguientes definiciones se utilizanpara clarificar las diferencias entre las caracte-rsticas de resistencia y rigidez:

En lo que atae a la resistencia, se distin-gue entre la conexin por esfuerzo rasantecompleta y parcial. La conexin se conside-ra completa cuando la resistencia de la vigamixta se decide en base a su resistencia ala flexin en lugar de a su resistencia hori-zontal al esfuerzo rasante.

La conexin completa o incompleta entre elforjado de hormign y el perfil de acero dalugar a una viga mixta ms o menos rgida.

Dicha conexin incompleta surge cuando seutilizan conectores flexibles como, por ejem-

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Diapositiva 4

Figura 3 Secciones transversales usuales de vigas


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plo, conectores de espiga y se experimentadeslizamiento (desplazamiento relativo) en elplano de unin acero-hormign.

La accin conjunta conlleva ciertas venta-jas. As, una viga mixta tiene una mayor rigi-dez y normalmente una mayor resistencia a

la carga que su equivalente no mixto, vasela figura 5. En consecuencia, generalmentese requiere una seccin de acero ms pe-quea, lo que conlleva un ahorro de materialy de espesores en construccin y, por tanto,una reduccin en la altura de las plantas enedificios y estribos ms bajos en puentes.

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ACCIN CONJUNTA EN VIGAS

Figura 4 Elemento mixto: interaccin entre la viga de acero y la losa de hormign

Figura 5 Comparacin entre vigas de acero y vigas mixtas (ejemplo)


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3. ELEMENTOS MIXTOS

3.1 Vigas MixtasLa figura 3 muestra el uso de las distintas

formas y tipos de vigas de acero (secciones lami-nadas o soldadas) junto con hormign elaboradoin situ.

Se pueden utilizar losas o placas prefabri-cadas de hormign en lugar de forjados de hor-mign vertidos in situ (vase la figura 6). Debe

procurarse una ptima precisin en el detalle ascomo unos cuidadosos procedimientos de cons-truccin y acabado para asegurar un relleno ade-

cuado de los conectores. La figura 6a muestraun sistema que utiliza grandes elementos de pla-cas prefabricadas con juntas longitudinales. Losespacios entre las unidades se rellenarn conmortero en la estructura final, facilitando as unaaccin conjunta con las vigas. Estos sistemasestructurales se introdujeron a principios de losaos 60. En Alemania se han construido de estaforma ms de 100 aparcamientos, universida-des, colegios y oficinas (vase la diapositiva 5).

La utilizacin de forjados prefabrica-

dos reduce las operaciones deconstruccin in situ y evita los traba-jos hmedos. Los elementos sefabrican en taller, mediante encofra-do de acero, para asegurar un altonivel de calidad y pequeas (estric-tas) tolerancias.

La figura 6b muestra elemen-tos de hormign de pequeo espe-sor prefabricados, soportados por elala de la viga de acero. Estos ele-mentos actan como un encofradopermanente cuando el hormign sevierte in situ. Sin embargo, las dis-tancias transversales entre losconectores y el borde del elementode hormign prefabricado puedenser pequeas, lo que hace difcilasegurar un adecuado recubrimien-to de los conectores. La razn prin-cipal de la utilizacin de estas pla-cas delgadas (normalmente con un

grosor de 4-5 cm) es que son fcilesde manipular, casi tanto como laschapas de metal.

La figura 6b muestra tambinuna viga mixta parcialmente recu-bierta, cuyos huecos estn rellenosde hormign. Este tipo de seccinmixta se utiliza a menudo en laactualidad en algunas partes deEuropa para mejorar su nivel de

resistencia al incendio sin necesidadde adoptar medidas adicionales de

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Figura 6 Utilizacin de elementos de hormign prefabricados


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proteccin. El ala inferior de acero se queda sinproteccin.

Sin embargo, la prctica normal en elcaso de edificios comerciales e industriales(vase la diapositiva 6) consiste en construir los

forjados utilizando placas metlicas que incorpo-ran embuticiones o resaltes para facilitar unaaccin conjunta. Es una forma muy econmicade acelerar la construccin y constituye unaparte importante de los sistemas estructuralesmodernos. La placa soporta las cargas desarro-lladas antes y durante el hormigonado y poste-riormente acta de forma conjunta con el hormi-gn vertido in situ. Normalmente se utilizanchapas de acero con perfiles trapezoidales yresaltes (vanse las figuras 7 y 15).

Las vigas mixtas no requieren cimbras oencofrados de madera. Esta ventaja se estudiaen el apartado siguiente junto con dos mtodosdistintos de construccin, apuntalado y sinapuntalar.

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ELEMENTOS MIXTOS

Figura 7 Se usan chapas de acero de diversos perfiles

Diapositiva 5

Diapositiva 6


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3.1.1 Construccin Apuntalada

El rendimiento estructural ser mayor si

se puede asegurar que la losa de hormign y elelemento de acero van a actuar de forma con-junta en todo momento. A este efecto, la seccinmixta debera resistir todas las cargas, incluyen-do el peso muerto de la propia estructura. Puedesatisfacerse este requisito soportando la viga deacero hasta que se haya endurecido el hormi-gn. Este tipo de soporte recibe el nombre deapuntalamiento. El nmero de soportes tempo-rales no necesita ser alto; por lo general unapuntalamiento en los puntos medios y cuartos

del vano es suficiente. Los apuntalamientos sedejan en su sitio hasta que la losa de hormignhaya desarrollado un nivel de resistencia ade-cuado.

Distintos mtodos constructivos producenestados de tensin, distribuciones de esfuerzosy deformaciones por flexin bajo condiciones deservicio, diferentes. Sin embargo, las vigas mix-tas cargadas hasta el lmite de su resistenciacolapsan al alcanzar un determinado momentoflector (asumiendo que se impide la inestabilidadlocal), independientemente de que se haya utili-zado un mtodo constructivo con o sin apuntala-miento. Su resistencia a la flexin se puede cal-cular fcilmente por medio del diagramarectangular de tensin, lo que se describe a con-tinuacin.

3.1.2 Resistencia de la Seccin

Una forma tpica de construccin mixta

consiste en una losa conectada a elementos deacero paralelos. El sistema estructural es, por lotanto, una serie de vigas en forma de T, inter-conectadas, con alas anchas y de poco canto dehormign, como se muestra en la figura 2. Eneste sistema, el espesor del ala puede no ser deltodo efectivo para resistir la compresin, debidoal efecto conocido como desfase de cortante.Este fenmeno, que se tiene en cuenta utilizandola anchura efectiva, se explica ms adelante.

Normalmente, no es necesario tener encuenta las abolladuras en la seccin de acero

en vigas mixtas sobre dos soportes, ya que elala a compresin va conectada a la losa de hor-mign por medio de conectores y la zona del

alma que sufre compresin es normalmentepequea. Sin embargo, en el caso de conexinparcial, la zona comprimida del alma es mayor.En este caso, existe, al menos tericamente, laposibilidad de que pueda producirse abolladuraen el alma de una viga compuesta o en un alacon un saliente ancho fuera del alcance de losconectores.

Las dimensiones de la mayor parte de lassecciones de las vigas de acero en edificios per-

miten la aplicacin del anlisis plstico a la sec-cin transversal de vigas mixtas. El clculo delmomento lmite de resistencia es, por lo tanto,una aplicacin del diagrama rectangular de ten-siones asumiendo que los perfiles de acero per-tenecen a la clase 1 o 2.

3.1.3 Vigas y Losas Continuas

Muchas vigas mixtas en edificios son -desde el punto de vista del clculo esttico-vigas continuas sobre soportes simples. Laslosas de hormign tambin suelen ser continuas,ya que no tienen uniones. Las vigas continuastienen, en comparacin con las vigas de un solovano, las ventajas siguientes:

una mayor resistencia a la carga debido a laredistribucin de los momentos flectores

una mayor rigidez

una seccin menor de acero para resistir lamisma carga

Por otra parte, la continuidad puede com-plicar el clculo, especialmente en lo que ataeal pandeo lateral por torsin y la abolladura enzonas de momentos negativos. La abolladura delacero puede reducir la resistencia a la flexin pordebajo del momento plstico a menos que sesatisfagan ciertas limitaciones a las proporcionesde anchura/altura de los elementos que confor-

man la seccin. En base a estas proporciones,las secciones de acero se agrupan en las clases

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1 a 4: Las secciones de la clase 1 permiten unanlisis plstico global, utilizando redistribucinde momentos, lo que les proporciona un proyec-

to muy econmico; las secciones de la clase 2permiten un clculo plstico del momento deresistencia pero no su redistribucin. Las seccio-nes laminadas en caliente corresponden a lasclases 1 o 2 en casi todos los casos, por lo queel pandeo local no constituye un problema parasu uso.

Cuando no haya uniones debern sumi-nistrarse armaduras contra la fisuracin adecua-damente proporcionadas en la losa de hormign

sobre los apoyos interiores. La armadura del hor-mign aumentar de forma sustancial la resis-tencia a la flexin en estas zonas de momentonegativo si posee un nivel suficiente de ductili-dad.

3.2 Conexiones por Esfuerzorasante

Se utilizan conectores para desarrollar laaccin conjunta entre las vigas de acero y elhormign. Esta conexin se proporciona princi-palmente para resistir el esfuerzo rasante longi-tudinal y recibe el nombre de desfase de cor-tante.

La figura 8 muestra varios tipos de conec-tores. Deben satisfacer un nmero de requisitos,tal como sigue:

deben transferir el esfuerzo rasante directoa su base

deben crear un enlace de traccin con elhormign

deben ser econmicos de fabricar y repa-rar

En los pases industrializados, el conectorms comn es el de espiga. ste se puede sol-dar semiautomticamente (vase la diapositiva4) al ala superior, directamente en taller o a tra-

vs de chapas finas de acero galvanizado in situ(vase la figura 8a).

Los conectores fijados por disparo, que semuestran en la figura 8b, se utilizan como alter-nativa para chapas metlicas cuando no hay

suficiente energa elctrica disponible in situ.Estos conectores tienen la ventaja de que sepueden utilizar pistolas modificadas de cartu-chos en lugar del equipo especial que se requie-re normalmente para la ejecucin de complejostrabajos de soldadura a travs de chapas.

En el caso de losas prefabricadas de hor-mign, se han utilizado algunas veces pernospretensados de alta resistencia para conectardichos elementos a las vigas (vase la figura 8c).

Este tipo de conexin ha sido utilizado, por ejem-

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ELEMENTOS MIXTOS

Figura 8 Conectores (ejemplos)


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plo, en aparcamientos temporales, ya que puededesmontarse (aunque todos los aparcamientosde este tipo estn siendo utilizados de forma per-

manente en la actualidad).

El comportamiento y resistencia de losconectores de espiga y de otros conectores secomprueba por medio de ensayos de corte yadherencia. Estas pruebas producen curvas decarga-deslizamiento como las que se muestranen la figura 9 para conectores de espiga. Estncaracterizados por una alta rigidez a bajos nive-les de carga (bajo condiciones de servicio) y porgrandes deformaciones a altos niveles de carga,

hasta el punto de rotura. Este comportamientodctil posibilita la redistribucin de los esfuerzosrasantes en el plano de unin entre acero y hor-mign y permite una conexin semirrgida poresfuerzo rasante. Adems, los conectores deespiga pueden espaciarse uniformemente a lolargo de la longitud de la viga entre seccionestransversales crticas.

Las vigas mixtas se proyectan a menudoasumiendo que la viga de acero sin apuntalarsoporta el peso del acero y del hormign frescoms las cargas de montaje. Por razones de eco-

noma podra decidirse, por lo tanto, proporcio-nar slo el nmero de conectores que sea nece-sario para desarrollar una accin conjunta sufi-

ciente para soportar las cargas que se apliquenposteriormente. Este enfoque conduce a unnmero menor del que se requerira para alcan-zar el nivel mximo de resistencia a la flexin dela viga mixta. La utilizacin de esta conexinsemirrgida por esfuerzo rasante conlleva unnivel inferior de resistencia y rigidez.

Podra resultar imposible evitar la cone-xin semirrgida por esfuerzo rasante cuando seconstruye una losa con chapa metlica. El nme-

ro de conectores fijados a la viga de acero podraquedar limitado por la restriccin de slo podercolocarlos en los nervios de la chapa de aceroperfilado.

3.3 Uniones Viga-Pilar

Pueden utilizarse tcnicas altamentedesarrolladas de conexin para unir elementosestructurales de acero entre s. Las considera-ciones baratas requieren, sin embargo, que lasuniones sean econmicas de fabricar y fciles de

realizar in situ. Muchosestudios indican que laeconoma y efectividad delas estructuras mixtas pue-den mejorarse si se reco-noce en su proyecto elgrado de continuidad pro-porcionado por unionesnominalmente sencillas.

En las estructurasmixtas de acero y hormi-gn, sin embargo, puedeproporcionarse un nivelsignificativo adicional derigidez y resistencia colo-cando barras continuas dearmadura en la losa cercade los pilares, debido a queel principal factor quegobierna el comportamien-

to de las uniones es laaccin de la losa.

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Figura 9 Conectores de espiga bajo ensayos de cortadura


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Este efecto puede aumentarse medianteuna secuencia especial de construccin y hormi-gonado, como sigue: durante el hormigonado la

seccin de acero acta como una viga de unsolo vano; la viga debera estar conectada alpilar de acero por medio de dos angulares en elalma o mordazas entre alas con o sin perfilesangulares en el alma; una vez se ha endurecidoel hormign (asumiendo que no tiene unionescomo se muestra en la figura 10c) pasa a serconsiderado como una viga continua que sopor-ta las cargas adicionales aplicadas. Siguiendoesta secuencia de construccin, la redistribucinrequerida del momento flector no es muy amplia

y puede reducirse la rotacin plstica de formasignificativa. Adems, el proyectista puede tomarla decisin de utilizar o no suplementos de ajus-te entre el ala de compresin de acero y el pilar,

en funcin principalmente del momento plsticode la unin.

La figura 10 compara uniones simples,mixtas, rgidas y semirrgidas. La construccinsin elementos de ajuste, que se muestra en lafigura 10c, es coherente con el creciente intersen prticos de acero conectados de forma flexi-ble (semirrgidos) con simples detalles construc-tivos que aceleran el montaje. Se propone quedeberan conseguirse los siguientes criterios:

antes del hormigonado, las uniones deber-an comportarse de forma parecida a una

rtula. las uniones deberan ser rgidas y tener un

comportamiento elstico hasta un valor pre-viamente determinado delmomento.

las uniones deben poderresistir el momento plsti-co con una adecuada rota-cin plstica.

Las uniones de viga apilar en edificios altos requierensoluciones algo diferentes.Hasta hace poco estos sistemasestructurales empleaban slouniones simples por cortanteentre los elementos estructura-les de acero y los de hormignarmado. Sin embargo, tambindeberan considerarse estructu-ras mixtas construidas mediante

un montaje inicial de un prticode pilares ligeros de acero yvigas de celosa de alto canto.Los pilares de acero se recu-bren posteriormente con hormi-gn armado.

3.4 Pilares Mixtos

Hay tres tipos principales

de pilares mixtos en uso, vasela figura 11:

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ELEMENTOS MIXTOS

Figura 10 Uniones en la construccin mixta


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pilares de acero recubiertos de hormign(a)

tubos de acero rellenos de hormign (c y d)y

pilares de seccin laminada recubiertosparcialmente con hormign (b).

En el clculo de la resistencia de estos

pilares se asume una completa conexin sindeslizamiento alguno en el plano de unin entreel acero y el hormign. En realidad deberanobservarse todas las deficiencias de linealidadgeomtrica y fsica de los diferentes materiales.Sin embargo, solo es posible satisfacer estosrequisitos utilizando mtodos numricos de an-lisis completos y software informtico. La cone-xin completa asumida permite la definicin depropiedades de seccin y de relaciones de rigi-dez y esbeltez para toda la seccin transversal

no homognea. Se necesita esta informacinpara determinar la resistencia a las cargas,

incluidos los efectos de esbeltez o P-. ElEurocdigo 4 proporciona mtodos simplifi-cados de clculo para su utilizacin prcti-

ca. En lugar de curvas ms precisas depandeo, el Eurocdigo 4[1] ha adoptado lascurvas europeas de pandeo a, b y c origi-nalmente establecidas para pilares deacero no revestido.

Debe garantizarse una conexincompleta mediante la utilizacin de unio-nes mecnicas. Deben realizarse unio-nes al menos en los extremos de los pila-res y donde acten las cargas o los

esfuerzos. Estas uniones han de distri-buirse sobre toda la seccin transversal.Los conectores pueden ser de espiga,pletinas superiores e inferiores, mnsu-las adecuadas, cartelas verticales deunin, cabezales de conectador u otrosmedios estructurales.

Los pilares recubiertos de hormignpresentan la ventaja de que satisfacen losrequisitos de resistencia al incendio sin pro-teccin adicional alguna. Adems, puedenreforzarse con facilidad mediante la inser-

cin de armadura en la capa de hormign. Nopresentan, sin embargo, una superficie accesiblede acero estructural para la fijacin posterior deuniones ni para tratamiento atractivo de superfi-cies. En el caso de pilares recubiertos prefabri-cados, las secciones de acero se fabrican entaller e incluyen todas las soldaduras, pletinas deconexin y otros elementos necesarios de suje-cin. Estos pilares de acero (los ms largos tie-nen una longitud de hasta 30 m) pueden trans-

portarse despus a otro taller donde se realiza elhormigonado. Los pilares ya terminados puedentransportarse a obra una vez ha fraguado elrecubrimiento.

Tambin se utilizan los tubos de acerorellenos de hormign. Los tubos se rellenangeneralmente de hormign de alto nivel de resis-tencia, con un ndice de resistencia (ensayo bra-sileo) de 45 a 55 N/mm2. Estos ndices deresistencia se encuentran, sin embargo, muy por

debajo de los recientemente desarrollados enNorteamrica.

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Figura 11 Secciones transversales usuales de pilares mixtos


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Si los esfuerzos de las vigas del forjado setransfieren por medio de pletinas verticales deconexin, dichas pletinas se colocan a lo largo

del tubo y estn soldadas en ambos lados. Estasoldadura garantiza que los dos componentes, eltubo de acero y el ncleo de hormign, sean car-gados directamente sin un nivel excesivo de des-lizamiento en la unin entre el acero y el hormi-gn. El ncleo de hormign debe reforzarselongitudinalmente de forma que satisfaga elnecesario ndice de resistencia al incendio. Sinembargo, en muchos casos resulta imposibleaprovechar toda la resistencia del pilar.

3.5 Secciones de AceroParcialmente Recubiertas

Las secciones de acero parcialmenterecubiertas, para vigas y pilares constituyenun progreso interesante en los ltimos 10aos. La caracterstica ms importante dedicha seccin es su inherente alto nivel deresistencia al incendio. Esto se debe al hechode que el hormign impide que las piezasinternas de acero - tanto el acero estructuralcomo las barras de armadura - se calientencon una rapidez excesiva. La figura 12 mues-tra dos vigas mixtas parcialmente recubiertas(en el lateral derecho) comparadas con la pro-teccin convencional al incendio mediantetablas. La diapositiva 7 muestra una construc-

cin tpica de forjado mixto en la que se utili-zan secciones parcialmente recubiertas; enella no es necesario utilizar proteccin adicio-nal contra el incendio para vigas y forjados.

Las piezas de hormign se fabrican enun taller o in situ con anterioridad a su monta-je. Este procedimiento permite una rpidaconstruccin utilizando elementos mixtos pre-fabricados. Debera reforzarse el hormignentre las alas utilizando estribos y barras lon-

gitudinales y debera asimismo sujetarseal alma utilizando conectores de espiga,barras soldadas o barras fijadas a travsde huecos.

Adems de la mayor resistencia alfuego, esto contribuye a impedir el alabeo yla abolladura del alma de acero y a aumen-tar de forma significativa la resistencia de laviga de acero al pandeo lateral por torsin.Estas vigas tambin poseen una mayor rigi-dez a cortante vertical y a flexin, lo queproduce una reduccin de su flecha final.Tienen un aspecto muy macizo, comopuede comprobarse en la figura 13 y estncaracterizadas por su ala inferior libre, a la

que se pueden fijar conductos u otros servi-cios y elementos.

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ELEMENTOS MIXTOS

Figura 12 Vigas mixtas resistentes al incendio

Figura 13 Vigas parcialmente recubiertas


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3.6 Losas Mixtas

En la construccin de forjados, la utiliza-

cin de losas slidas de hormign armado seest viendo sustituida cada vez ms por chapasmetlicas perfiladas (vase la figura 14). Lasmodernas chapas de acero perfilado con resal-tes o embuticiones actan como un encofradopermanente durante el hormigonado y como unaarmadura contra la traccin una vez se ha endu-recido el hormign. En esta fase final la losamixta consiste en una chapa perfilada de acero yun elemento superior de hormign que estninterconectados de forma que puedan resistir los

esfuerzos de cortante horizontales en la uninacero-hormign. Debe impedirse, completa oparcialmente, el deslizamiento (desplazamientorelativo) en la unin, as como la separacin ver-tical entre la chapas de acero y la capa superiorde hormign.

La accin conjunta requerida puede con-seguirse de varias formas (vase la figura 15).Para permitir la posible utilizacin de la granvariedad de productos actuales y futuros en elmercado, el Eurocdigo 4 permite usar los mto-dos siguientes de consecucin de esfuerzorasante:

a. interconexin mecnica proporcionada porla forma del perfil (resaltes o embuticiones).

b. interconexin por roza-miento mediante la utili-zacin de perfiles conforma reentrante.

c. anclaje proporcionadopor esprragos solda-dos o conectores fi-jados por disparo.

d. anclajes mediante de-formacin de los nerviosen el extremo de la cha-pa en combinacin con(b).

Es indudable que eluso de chapas de acero

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Diapositiva 7

Figura 14 Utilizacin de chapas perfiladas en una estructura de forjado


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perfilado acelera el proceso de construccin.Tambin se utilizan a menudo con hormign lige-ro para reducir la carga muerta de los forjados

En el Reino Unido, por ejemplo, el uso de hormi-gn ligero constituye una prctica comn en edi-ficios comerciales.

Las losas mixtas estn soportadas porvigas de acero, que normalmente actan deforma conjunta con ella. El espaciado de lasvigas y, por lo tanto, la luz de la losa, depen-

de del mtodo de construccin, tal comosigue:

si el espaciado de las vigas es de unos 2,50m, no ser necesario proveer apuntala-miento temporal alguno durante el procesode hormigonado de la losa. En cuyo caso, lafase de construccin controla el proyecto dela chapa metlica. En la fase final, una vezse ha endurecido el hormign, las tensionesen la losa mixta son muy bajas, dada su

reducida luz. Para estosforjados se utilizan muy amenudo chapas trapezoi-

dales de acero con un nivellimitado de ductilidad yresistencia al cortante hori-zontal. Tienen el menorpeso de acero por metrocuadrado de superficie deforjado.

Para otros tipos de forja-do en los que el espacia-do de las vigas es muchomayor ser necesario uti-lizar apuntalamiento parasoportar la chapa metli-ca durante la operacinde hormigonado. La losamixta final sufre un altonivel de tensin debido ala mayor luz. Este estadofinal puede condicionarel proyecto. En este casolas chapas de acerorequerirn un buen nivel

de adhesividad y resis-tencia a cortante. Amenudo se utilizan perfi-les con resaltes, lo queproduce un mayor pesode acero por metro cua-drado de superficie cons-truida.

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ELEMENTOS MIXTOS

Figura 15 Formas usuales de interconexin en losas mixtas


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4. CONSTRUCCINDE FORJADOS MIXTOS

La construccin de forjados mixtos es esen-cialmente una superposicin de elementos estruc-turales unidireccionales. Las losas se disponenentre las vigas secundarias que, a su vez, se dis-ponen transversalmente entre las vigas principa-les. Estas ltimas a su vez se sitan sobre los pila-res (vase la figura 16, diapositivas 1 y 2.) Esteconjunto de direcciones de carga conduce a parri-llas rectangulares, con grandes luces en al menosuna direccin (hasta 12, 15 e incluso 20 m). Hastalos 15 m se utilizan principalmente secciones lami-

nadas, mientras que a partir de los 12 m las vigascompuestas, vigas de alma discontinua o cerchasmixtas tienden a ser ms econmicas.

Durante la vida de un edificio deben espe-rarse cambios en su utilizacin. Aunque muchos deestos cambios afectan a los requisitos de servicio,otros afectarn principalmente a la distribucin. Lamejor forma de maximizar la flexibilidad de la distri-bucin es minimizando el nmero de pilares. Lafigura 2 muestra ejemplos tpicos de formas en que

las vigas principales de luz mayor pueden contribuira reducir o eliminar pilares intermedios. Estas vigasde vano amplio pueden llegar a ser de tanto cantoque los servicios slo puedan acomodarse propor-cionando huecos en las almas principales (vase lafigura 17). Podra ser necesario aportar una mayorrigidez alrededor de los huecos, especialmente en

la presencia de esfuerzos cortantes ver-ticales muy importantes.

En la figura 18 se muestranotros mtodos para incorporar servi-cios dentro del canto. Una alternativaadicional es la posibilidad de achafla-nar las vigas cerca de sus extremos.

En el caso de losas de mayor luz,el proyectista debera tener en conside-racin el grado de susceptibilidad de la

estructura del forjado a las vibraciones.El parmetro normalmente asociadocon este efecto es la frecuencia naturaldel forjado: cuanto ms baja sea estafrecuencia natural ms responder laestructura dinmicamente a las vibra-ciones inducidas por sus ocupantes.

Por esta razn los forjados (ovigas) se proyectan normalmente paraque tengan una frecuencia natural no

inferior a 3 Hz y, en el caso de forjadosque pudieran estar sujetos a actividades

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Figura 16 Estructuras de forjados mixtos (ejemplos)

Figura 17 Grandes aperturas rigidizadas en elalma


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de grupos rtmicos, no inferior a 4 Hz. Un enfoquealternativo ms preciso consistira en estimar elcomportamiento vibratorio probable y establecerlos criterios de aceptacin a partir de aqu, tenien-do en cuenta la reaccin humana a las vibraciones.

En resumen, la construccin de forjadosmixtos utilizada para edificios comerciales y otros

edificios de varias plantas ofrecen las siguientesventajas principales al proyectista y al cliente:

velocidad y simplicidad de construccin (cha-pas metlicas, uniones sencillas de acero).

una construccin ms ligera que la de losedificios tradicionales de hormign (acero yhormign ligero, elementos estructuralesesbeltos de pequeas dimensiones).

menos construccin in situ (elementosestructurales y de acero prefabricados).

consecuencias de tolerancias muy reducidas(estrictas) mediante la utilizacin de elemen-tos de acero fabricados bajo condiciones con-troladas de taller, de acuerdo con procedi-mientos de calidad previamente establecidos.

Las vigas mixtas se proyectan utilizandomtodos de clculo plstico y la teora de conexin

parcial, combinando el acero y el hormign conexcelentes resultados. Para obtener la mayor venta-ja de esta forma de construccin es necesario inte-grar la planificacin y el proyecto desde el principio.La implicacin de jefes de obra con experienciadesde las fases iniciales ayudar a evitar problemasposteriores. Con este enfoque cuidadosamente pla-nificado se pueden ejecutar de forma simultneaoperaciones diferentes como, por ejemplo, el mon-taje de elementos de acero, chapas metlicas y sol-dadura de conectores, hormigonado, proteccin

contra incendio, recubrimiento, trabajos de fachada,servicios y acabados en plantas diferentes.

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CONSTRUCCIN DE FORJADOS MIXTOS

Figura 18a-c Diferentes mtodos de incorporar los servi-cios dentro de la altura de la estructura

Conector RefuerzoConector

Trozo de viga soldadapor el ala inferior

Zona para instalaciones

Viga mixta secundaria

(d) Viga para paso de instalaciones

Vigas secundariasConductos principales

Conductos de distribucin

(e) Solucin con vigas paralelas

Conectores

Vigas mixtas secundarias

(f) Vigas reforzadas

Figura 18d-f Diferentes mtodos de incorporar los ser-vicios dentro de la altura de la estructura


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5. PUENTES MIXTOS

Los puentes mixtos de luz media se cons-

truyen normalmente utilizando vigas compuestasde acero, soldadas y ensambladas, y un tablerode hormign armado, tal como se muestra en lafigura 19. Las vigas en cajn (vase la figura 20),que tienen un aspecto ms atractivo pero queson ms caras, se utilizan con menor frecuencia.Para las luces ms reducidas, desde 20 hasta 35m, las secciones de acero laminado son mspopulares. stas pueden utilizarse con un table-ro de hormign o encastradas en hormign (alasuperior y alma). La diapositiva 8 proporciona

una ilustracin de secciones laminadas que sepueden fabricar curvadas si hiciera falta.

Desde los aos 50 se han fabricado variospuentes de carretera, de gran luz, continuos ymixtos. Durante los aos inmediatamente poste-riores a la Segunda Guerra Mundial el acero eramuy caro, por lo que se aprovechaban las seccio-

nes transversales mixtas ligeras para ahorrar cos-tes en materiales. Las secciones de hoy en dason ms compactas y ms simples y no tienentantas vigas secundarias, anclajes y rigidizadores.Esta forma de estructura ahorra costes de manode obra en el taller as como en la propia obra.

Dada la naturale-za asimtrica de la sec-cin transversal, la re-traccin del hormignsiempre causa compre-sin y flexin positiva enla seccin de acero, loque conduce a flechasmayores.

En la construc-cin apuntalada, la com-presin del ala de hormi-gn causada por el peso

propio de la viga causadeformaciones por fluencia. Elhormign produce compresin ylas tensiones y esfuerzos se dis-tribuyen entonces desde el ala dehormign a la viga de acero ysta debe, por lo tanto, resistiruna proporcin mayor de la carga.Esta redistribucin conlleva tam-bin mayores flechas.

Una forma sencilla decontrolar los efectos de fluencia y

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Figura 19 Seccin transversal tpica de un puente mixto de vigas compuestas para luces medias

Figura 20 Puente mixto de seccin hueca

Diapositiva 8


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retraccin es reduciendo la rigidez del hormignmediante la aplicacin de los correspondientescoeficientes de reduccin n. Estos factores n

dependen no slo de la duracin y del tiempo decarga despus del hormigonado, sino tambinde las propiedades de la seccin transversal y delas condiciones ambientales. Este procedimientono se aplica para vigas en edificios, donde serequiere una menor precisin.

En el estado ltimo las deformacionesplsticas causadas por la carga son muchomayores que las causadas por la fluencia y la

retraccin, por lo que se pueden despreciarstas ltimas.

Las consideraciones de clculo de lospuentes mixtos se comentan con mayor detalleen la leccin 12.10.

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PUENTES MIXTOS


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6. RESUMEN FINAL1. La construccin mixta, especialmente la que

utiliza chapas de acero perfilado, permite

mantener un ritmo rpido de construccin.2. El peso del acero en la construccin mixta

es significativamente inferior al que tendr-an los mismos materiales si se utilizarande forma independiente.

3. No es necesario utilizar andamiaje y enco-frado, costoso, ya que la viga de aceropuede soportar su propio peso y del hor-mign, por s sola o con la ayuda de algu-nos elementos provisionales de apuntala-

miento. El encofrado de madera puedesustituirse por elementos de hormign pre-fabricado o chapas de acero perfilado.

4. Las ventajas anteriormente relacionadasconstituyen un poderoso argumento parala utilizacin de vigas mixtas en edificios.Son ms significativas, sin embargo, paraluces medias a grandes que para cortas.

5. La desventaja principal de la construccinmixta es la necesidad de proporcionarconectores en la unin acero-hormign.

6. Otra pequea desventaja es que su pro-yecto y construccin son algo ms compli-cados que otros mtodos. Esta desventajaes especialmente relevante para estructu-ras continuas y puentes. Sin embargo, seve compensada por las ventajas significa-tivas que se pueden obtener.

7. BIBLIOGRAFA

[1] Eurocdigo 4: Design of Composite Steel

and Concrete Structures: ENV 1994-1-1: Part1.1: General rules and rules for buildings, CEN(en imprenta).

8. BIBLIOGRAFA ADICIONAL

1. Bode, H., Verbundbau, Werner-Verlag,Dsseldorf 1987.

2. Johnson, R.P., Composite Construction 1 and 2.

3. Hart, F., Henn, W., Sontag, H., Multi-StoreyBuildings in Steel, Second Edition, Collins,London 1985.

4. Lawson, R.M., Design of Composite Slabsand Beams with Steel Decking, SCI-Publication055, 1989.

5. Bucheli, P., Crisinel, M., Verbundtrger imHochbau, Schweizerische Zentalstelle furStahlbau (SZS), Zrich 1982.

6. Muess, H., Verbundtrager im Stahlhochbau,Verlag Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin/Mnchen/Dsseldorf 1973.

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ESDEP TOMO 12CONSTRUCCIN MIXTA

Leccin 12.2: Comportamiento de Vigas

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OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Describir el comportamiento bsico de

vigas mixtas incluyendo una descripcin geom-trica de una viga tpica, su construccin y lasrelaciones de tensin y deformacin plstica quese desarrollan bajo carga.

CONOCIMIENTOS PREVIOS

Leccin 9.8.2: Vigas Arriostradas

Leccin 12.1: Generalidades sobre Cons-

truccin Mixta

LECCIONES AFINES

Leccin 12.3: Vigas de un Solo Vano

Lecciones 12.4: Vigas Continuas

Lecciones 12.5: Diseo para Estados L-mite de Servicio

Lecciones 12.6: Uniones por esfuerzoRasante

RESUMEN

Las vigas mixtas se definen segn la

seccin de acero, la losa de hormign y losconectadores utilizados en el forjado tipo deun edificio. Se hace un breve resumen delcomportamiento del material de cada uno delos componentes y se hace referencia a lanaturaleza esbelta de la seccin de acero y alas propiedades anistropas de la losa de hor-mign. Se describe el comportamiento estruc-tural de una viga mixta tpica, en tres fases,con respecto a la deformacin unitaria y ten-sin de cada elemento componente: en primer

lugar, bajo cargas bajas que provocan unaconexin completa y una respuesta elsticalineal; en segundo lugar, cuando hay un cier-to deslizamiento bajo una carga mayor y, final-mente, cuando los materiales alcanzan losniveles de tensin que provocan su agota-miento. La construccin con y sin apuntala-miento da lugar a diferentes comportamientosde viga, que se describirn. La conexin par-cial tambin se explica en trminos cualitati-vos. La leccin concluye con un resumen delas limitaciones que el ingeniero debe teneren cuenta al calcular vigas mixtas.


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1. INTRODUCCIN

Esta leccin describe, en trminos gene-

rales, el comportamiento de la forma ms comnde elemento mixto: la viga mixta. Al hacerlo, serposible explicar muchos de los problemas aso-ciados con el anlisis y proyecto de otros ele-mentos como, por ejemplo, los pilares y laslosas. Por todo ello, la leccin forma una basesobre la que construir una comprensin del com-portamiento de los elementos mixtos.

Despus de una descripcin general deuna viga mixta se facilita una ms detallada de

los elementos que la componen y de su compor-tamiento estructural individual. La accin estruc-tural se describe con referencia a la deformacinunitaria y a la tensin resultante. Se traza el pro-ceso de deformacin en una viga mixta tipo, bajouna carga creciente, hasta su agotamiento.

La forma en que se construyen las vigasmixtas puede alterar su resistencia a las car-gas aplicadas. Por esta razn resulta esencial

proyectar vigas mixtas teniendo en cuentatanto su construccin como sus condicionesde servicio. Tambin es posible proyectar unviga para conexin semirrgida de forma quecada condicin es igualmente crtica. Se facili-ta una definicin de la conexin semirrgida yse exponen breves razones que justifican elrequisito de proyecto en dos fases. Los vanossimples constituyen una forma comn de viga,por lo que se explica su comportamiento.Tambin se introduce el comportamiento de

vigas continuas.Finalmente se proporciona un resumen

de los criterios de clculo de vigas mixtas. Estoscriterios se desarrollan en mayor detalle en lec-ciones posteriores.

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2. COMPORTAMIENTODE LOSCOMPONENTES

Dado que una viga mixta estcompuesta de tres componentes(vase la figura 1), resulta necesariorevisar el comportamiento de cadauno de ellos antes de poder descri-bir el comportamiento general delconjunto.

Bajo tensin y compresin, elacero se comporta de forma lineal-

mente elstica hasta que la primerafluencia del material tiene lugar. Apartir de ese momento se deformade forma plstica hasta que se pro-duce su endurecimiento por defor-

macin plstica. Este comportamiento se mues-tra en forma de diagrama en la figura 2a, juntocon la idealizacin del comportamiento del aceroque se asume para el clculo. En general, lamayor parte de la seccin de acero se encuentraa traccin debido al efecto de la flexin pormomento positivo, por lo que la abolladura de lassecciones esbeltas no constituye un problema.Sin embargo, en vigas continuas, porciones sig-nificativas de la seccin de acero se ven someti-das a compresin, por lo que es necesario con-siderar el efecto de la abolladura. Este tema sedesarrollar en las lecciones 12.4.1 y 12.4.2.

El comportamiento del hormign es mscomplejo. Deben considerarse dos situacionesdistintas. El hormign a compresin sigue una

curva de tensin/deformacin plstica no lineal.Este comportamiento se muestra en la figura 2bjunto con las simplificaciones que se utilizan enel clculo. El diagrama de tensin parablico seutiliza a menudo en el clculo de hormign arma-do, pero normalmente se asume el modelo rec-tangular en el clculo de vigas mixtas. El com-portamiento no lineal del material provoca unarespuesta no-elstica en la estructura. El hormi-gn sometido a traccin se fisura a cargas muybajas y normalmente se asume en el clculo que

el hormign no tiene resistencia alguna a la trac-cin.

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COMPORTAMIENTO DE LOS COMPONENTES

Figura 1 Una tpica estructura de forjado; se muestra unaviga mixta idealizada como elemento aislado

Figura 2a Propiedades mecnicas del acero


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El comportamiento de lasuniones (vase la figura 2c) sedesarrollar en detalle en la lec-

cin 12.6.1. Aqu bastar esta-blecer que tambin es un com-ponente no lineal. Este compor-tamiento contribuye a la com-plejidad del clculo.

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Figura 2b Propiedades mecnicas del hormign

Figura 2c Propiedades mecnicas de conectores


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3. DESCRIPCIN DE UNAVIGA MIXTA SIMPLEMENTEAPOYADA

3.1 Generalidades

Las vigas mixtas estn compuestas poruna losa de hormign armado prefabricado omixta ubicada entre secciones de acero y conec-tada a ellas. La figura 1 muestra una disposicintpica. Los elementos de acero a menudo reci-ben, errneamente, e

tomo 12 itea construccion mixta

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comportamiento de vigas

vigas mixtas continuas

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vigas mixtas apuntaladas

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