Dimensionamiento de Ménsulas de Hormigón

Dimensionamiento de Ménsulas Cortas de Hormigón

El modelo simplificado que se muestra en la figura siguiente puede fallar por los siguientes motivos:

a)      Falla por corte del modelo.

b)      Falla en la sección de empotramiento por falta de transferencia de  corte por fricción.

c)      Falla por alcanzar la tensión de fluencia en la armadura principal A_o.

d)      Falla de anclaje de la armadura principal.

a) Verificación del corte

Siguiendo el reglamento vigente (Código CIRSOC 102) dispone la siguiente expresión para verificar el corte.

              φ .V_n-REQUERIDO ≥ V_u

              V_n-REQUERIDO ≥ V_u/ φ

Donde V_u es el corte ultimo, V_n-REQUERIDO es el corte nominal necesario en la sección y φ es el factor de reducción por corte.

El comportamiento de la ménsulas de hormigón se encuentra controlada principalmente por la resistencia al corte, por lo tanto, para todas las condiciones de diseño el reglamento especifica un solo valor de φ = 0,75 (Código CIRSOC 201, art. 11.9.3.1). El reglamento CIRSOC 201 (art. 11.9.3.2.1) determina que la resistencia nominal al corte (V_n) será la menor de las siguientes expresiones.

V_n ≤ 0.2 f`_c b d

V_n ≤ 5.5 b d

Donde f`_c es la resistencia especifica a la compresión del hormigón (Mpa), b es el ancho de la ménsulas de hormigón y d es la distancia entre las barras de acero.

Por lo tanto tenemos que verificar que se cumpla:

V_n ≥ V_n-REQUERIDO

b) Verificación de la falla en la sección de empotramientos por falta de transferencia de corte por fricción.

En general las disposiciones respecto al corte en el código están relacionadas con evitar las fallas por tracción diagonal, y no se relacionan con el problema de las fallas por transmisión directa de corte. El propósito de las siguientes verificaciones es proporcionar seguridad en el diseño para la sección de empotramiento.

El hormigón no fisurado es relativamente resistente al corte directo; sin embargo, siempre existe la posibilidad de que se forme una fisura en un sitio desfavorable. El procedimiento de diseño para la transferencia de corte por fricción, consiste en suponer que se formara dicha fisura, para entonces dimensionar la armadura a través de la fisura supuesta, para resistir los desplazamientos relativos a lo largo de la misma.

Cuando el corte actúa a lo largo de una fisura ocurre un desplazamiento de una cara de la fisura con respecto a la otra. Cuando las caras de la fisura son ásperas e irregulares, este desplazamiento va acompañado por la separación de las caras fisuradas.

En condiciones ultimas, esta separación es suficiente para llevar a la armadura que cruza la fisura hasta su punto de fluencia. La armadura genera entonces una fuerza de sujeción A_vf f_y a través de las caras fisuras.

El corte extremo aplicado es por lo tanto resistido por la fricción entre las caras de la fisura, por lo resistencia al corte de las protuberancias en las caras de la fisura, y por la acción de la dovela de la armadura que cruza la fisura.

El reglamento establece que: 

                    (Descargar reglamento CIRSOC 201 aquí)

Siendo μ el coeficiente de un hormigón colocado monolíticamente, su valor para este caso es 1.4, f_y es la tensión de fluencia del acero y A_vf es el área de la armadura de corte por fricción.

Por lo tanto es necesario colocar la armadura A_vf de manera horizontal en la ménsula corta a los fines de evitar la falla por transferencia de corte por fricción.

La armadura A_vf estará constituida por la suma de la armadura principal A_s más la armadura de los estribos cerrados A_h.

c) Fluencia de la Armadura Principal A_s

Para determinar la armadura principal debemos primero determinar la armadura necesaria para equilibrar el modelo simplificado de armadura de la figura siguiente.

Ménsula de hormigón - Modelo simplificado

A la armadura principal la dividimos en dos términos

A_s = A_n + A_f

A_n área de la armadura en una ménsula corta para resistir la fuerza de tracción

El reglamento especifica que N_uc ≥ 0.20 V_u a menos que se adopten disposiciones especiales para los esfuerzos de tracción. El esfuerzo de tracción N_uc debe considerarse como sobrecarga en todos los casos.

A_f área de la armadura en una ménsula corta para resistir el momento mayorado

Para el dimensionamiento de las armaduras el reglamento nos fija que la debemos determinar siguiendo los principios generales de flexión (CIRSOC 201 - art. 11.9.3.3).

Descargar reglamento CIRSOC 201 gratis

Por lo tanto con los datos obtenidos ingresamos a la tabla para dimensionado de secciones rectangulares para obtener A_f.

El área de la armadura principal A_s debe ser igual al mayor valor obtenido de las siguientes expresiones.

A_s ≥ A_f + A_n

A_s ≥ (2/3) A_vf + A_n

d) Falla de anclaje de la armadura principal

De acuerdo al modelo simplificado de armadura adoptado, la armadura As es solicitada esencialmente de manera uniforme desde la proyección de la cara de la columna hasta el punto donde se aplica la carga vertical. Debe por lo tanto, estar anclada en su extremo exterior y en la columna de apoyo, de manera que sea capaz de desarrollar su tensión de fluencia.

El reglamento especifica que los métodos de anclaje que se pueden utilizar son:

1)      Soldadura estructural a una barra transversal.

     2)      Doblado de barras principales

Ménsulas de Hormigon

Ménsulas Cortas de Hormigón

Se denominan así aquellas vigas en voladizo en la que la distancia “a”, luz de corte, que va desde la recta de acción de la carga a la sección de empotramiento, resulta menor que la altura útil de la pieza “h”.

Ménsula de hormigón corta

Los usos mas frecuentes de las ménsulas de hormigón cortas son:

a)      Como apoyo de los rieles de sostén de los puentes grúas

b)      Como apoyo de distintos elementos prefabricados.

c)      Articulaciones intermedias de vigas Gerber.

Diversos autores han estudiado y tratado ampliamente este tema tanto mediante análisis fotoelastico, como ensayos de prototipos y últimamente también con el auxilio de métodos numéricos.

Los análisis realizados muestran la siguiente distribución estática de tracción y compresión:

Ménsulas de hormigón - Distribución de líneas de tracción y compresión

Debido a la perturbación producida en el estado de tensiones por la transmisión de la carga “P”, la mayoría de los tubos de fuerza de tracción son horizontales o ligeramente inclinados. Solo unos pocos se inclinan a 45^o como correspondería a una viga de dimensiones corrientes.

Experimentalmente se ha llegado a determinar en las ménsulas de hormigón que las tensiones máximas de tracción son prácticamente contantes en toda la zona que va desde el punto de aplicación de la carga hasta el empotramiento.

Los ensayos realizados muestran que las ménsulas cortas de hormigón en estado de rotura presentan el siguiente cuadro de fisuración.

Fisuración de la ménsula de hormigón

Las fisuras, como se pueden apreciar resultan casi verticales, en coincidencia con lo que se puede deducir de los estudios fotoelásticos. De la descripción efectuada, resultan evidentes algunas conclusiones:

a) Toda la armadura de tracción debe ser recta y de sección uniforme en toda la luz.

b) Resulta contraproducente el doblado de barras.

c) La armadura de alma se coloca como medida de seguridad a la fisuración y debe ser horizontal.

d) Las resultantes de las tensiones principales de tracción y compresión pueden ser representadas mediante el siguiente modelo simplificado de armaduras.

Modelo simplificado de armadura principal de ménsulas de hormigón cortas