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Tesis:

Influencia de la distribución de la carga en la capacidad resistente a cortante en elementos sin armadura transversal : estudio teórico y experimental

  • Autor: PADILLA LAVASELLI, Patricio Sebastián

  • Título: Influencia de la distribución de la carga en la capacidad resistente a cortante en elementos sin armadura transversal : estudio teórico y experimental

  • Fecha: 2009

  • Materia: Ingeniería mecánica, naval y aeronáutica

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

  • Departamentos: MECANICA DE MEDIOS CONTINUOS Y TEORIA DE ESTRUCTURAS

  • Acceso electrónico: http://oa.upm.es/1812

  • Director/a 1º: PÉREZ CALDENTEY, Alejandro

  • Resumen: Resumen A partir de la aparición de la instrucción de hormigón estructural EHE-98, ha surgido una queja generalizada en el ámbito profesional. Dicha queja está fundamentada en que, con la aparición de dicha normativa, algunos elementos que anteriormente se diseñaban sin armadura de cortante, hoy la requieren. Dicho problema afecta a toda la región europea debido a que las expresiones de la EHE-98 están basadas en las propuestas por el Eurocódigo 2. Para estudiar el problema y poder dar una solución al mismo se ha llevado a cabo un análisis para una serie de casos prácticos muy habituales en el ámbito profesional. A partir de este estudio se desprende que en algunos elementos estructurales existen discrepancias entre la práctica profesional y los requisitos de la instrucción vigente. También a partir de este estudio se concluye que el problema no tiene su origen con la aparición de dicha normativa sino más bien en una incorrecta aplicación de la EH- 91. Una vez localizados los elementos y los rangos de cuantías, cantos, luces etc. en donde existen discrepancias y teniendo en cuenta la ausencia de patologías vinculadas a la tracción del alma en dichos elementos, se analiza una posible solución al problema. Para ello inicialmente se verifica si el modelo propuesto por la EHE-98 para la evaluación de la capacidad resistente a cortante es muy conservador. A partir de un análisis exhaustivo de las bases de datos existentes se concluye que la expresión que propone la EHE no es conservadora. Dicho modelo se deriva de un ajuste de resultados experimentales, siendo en su mayoría ensayos de vigas isostáticas con una o dos cargas puntuales alejadas del apoyo una distancia superior a 2.5 d. También se observa que la mayoría de los ensayos se han realizado con cuantías muy superiores a las habituales. Esto se debe a que es muy difícil conseguir una rotura por cortante antes que por flexión en elementos con baja cuantía de armadura longitudinal. Generalmente las estructuras reales están sometidas a cargas uniformemente distribuidas. Además, dichas estructuras son hiperestáticas en la mayoría de los casos. Además el modelo de la EHE no tiene en cuenta la posible influencia del tipo de carga aplicada y tampoco cómo afecta la hiperestaticidad en la capacidad resistente última a cortante. A partir de los estudios y las conclusiones anteriores, se plantea una serie de ensayos con los objetivos siguientes: Estudiar la aparente contradicción entre la teoría y la práctica profesional con objeto de proporcionar al proyectista argumentos que le permitan justificar los usos de la práctica profesional y así evitar diseños que presenten importantes dificultades constructivas Estudiar elementos con baja cuantía de armadura longitudinal. Estudiar el comportamiento de elementos hiperestáticos . Estudiar la influencia de la forma de aplicación de la carga (puntual o distribuida) Finalmente, a partir de los resultados experimentales obtenidos de los ensayos y de campañas similares llevadas a cabo por otros investigadores, se observa que existe una marcada influencia del tipo de aplicación de la carga en la capacidad resistente a cortante. Dicha influencia es tenida en cuenta mediante la propuesta de dos métodos de cálculo. Uno tiene en cuenta dicho efecto a partir de considerar una sección de cálculo a una distancia al apoyo que varía en función de la esbeltez del elemento. El segundo método propone un factor de reducción de la carga en función de la esbeltez del elemento. En cuanto a los ensayos realizados en las vigas hiperestáticas, se observa una sobreresistencia, en los ensayos realizados, con respecto a sus pares isostáticos. Dicho incremento en su capacidad se debe a la interacción momento cortante. Asimismo se propone un método para tener en cuenta la existencia de un punto de momento nulo en el elemento. A partir de las conclusiones anteriores se propone una modificación en la instrucción EHE para compatibilizar el modelo propuesto por la normativa con los usos de la práctica profesional sin atentar contra la seguridad de las estructuras. Summary Ever since the approval of the Spanish code for Structural concrete, EHE-98, designers of concrete structures have complained that suddenly it became necessary to provide stirrups in members traditionally designed without them. This problem affects all of Europe since the model adopted by the Spanish standard is based on the proposal of Eurocode 2. In order to investigate this problem and contribute to shed some light on it, a series of problems common in engineering practice have been analyzed. From this analysis it has become clear that there is a lack of harmony between the current code’s requirement and traditional design and building practice. However, this study also shows that the problem is not really new and was also present before, but was not manifest due to a common error in the application of the previous standard EH-91. With a clear idea of the type of element and the range of reinforcement ratios, slenderness, and so on, in which differences arise, and taking into account the lack of structural pathology associated with shear failure in these elements, the search for a possible solution is undertaken. The first step is to analyze whether or not the standard model is over-conservative. By means of a thorough analysis of the experimental basis behind the standard model it is concluded that this is not the case. The experimental basis of the code model comes from fitting of experimental results dominated by simply supported beams subjected to point loading, the distance from the support to the load being greater than 2.5 times the effective depth of the elements. It is also observed that most tests are carried out using reinforcement ratios very much above the values common in engineering practice, this fact being due to the need of avoiding failure in bending coming before failure in shear is reached. Generally, existing structures are subjected in most cases to uniformly distributed loading and are also in many cases undetermined members. It is therefore the case that the code model is adjusted to tests which do not represent the situation real elements, and makes no allowance for the effects of load distribution or the effects of structural redundancy. Taking as a basis the study described above, a series of tests have been designed in order to achieve the following goals: - Study the apparent contradiction between theory and traditional professional practice in order to provide arguments for designers which might help justify the standing tradition and help avoid uneconomical and hard-to-build designs (such as designing bridge cantilever with stirrups) - Study the behavior of elements with low reinforcement ratios - Study the behavior in shear of undetermined elements - Study the influence of load distribution (point load vs. uniformly distributed loading) From the analysis of the experimental results obtained from the tests performed and from the review of other experimental campaigns carried out by other researchers, the effect of load distribution is clearly identified as a major factor influencing shear resistance of reinforced concrete structures. Two different methods are proposed to model this effect. The first method proposes to verify shear at a distance from the support which is a function of the beam slenderness. The second method introduces a reduction in the value of the shear force which must be resisted by the web of the cross sections, also as a function of the slenderness of the element. Regarding the tests performed on undetermined beams, a clear increase in the resistance is observed as compared to the value measured in otherwise identical simply supported elements. The increased capacity is attributed to differences in the shear —bending interaction. A method is also proposed to analyze this problem as a function of the location of the point of zero bending. Finally a proposal is made to alter the model adopted by the Spanish standard in order to make it compatible with the long standing design tradition.