Numerical modeling of pull out test
for composite slabs using steel deck
Ing. Melchor López Ávila
Universidad Central de Las Villas, UCLV, Cuba
melchor@uclv.edu.cu, melchor_bia@yahoo.com
(Revista Ingeniería Civil CEDEX [En edición])
Dr. Ing. Carlos A. Recarey Morfa
Dr. Ing. Rafael Larrúa Quevedo
Dr. Ing. Jorge D. Bonilla Rocha
RESUMEN
Se emplean de modo combinado la modelación numérica y los ensayos e instrumentación como patrones de calibración para reproducir el ensayo pull out que se ejecuta a losas compuestas con lámina metálica colaborante (losas mixtas) para determinar la fuerza de cizallamiento longitudinal que se genera en la superficie de contacto entre la lámina metálica y el bloque de hormigón. Se considera modelo elasto- plástico para el acero y modelo de daño plástico para el hormigón. Se hace uso del código comercial ABAQUS/Implicit 6.6 para realizar la simulación virtual de los ensayos pull out. Se define conceptualmente la concepción de la modelación y el proceso de calibración del modelo numérico tomando como base ensayos reales e instrumentación en tiempo real. Se sientan las bases para la realización de un estudio paramétrico del problema y el desarrollo de un método de estimación analítico del cizallamiento longitudinal.
ABSTRACT
Numerical modeling is used to reproduce pull out tests that are carry out at composite slabs in small scale to determine shear longitudinal forces between metallic sheet and concrete slab. Is been considered an elastic- plastic model for the steel and a plastic damage model for the concrete. Is used ABAQUS/Implicit 6.6 Commercial Code to simulate numerically using FEA the pull out test. Is conceptually defined the modeling and the numerical model calibration taking as basis experimental studies. Are established the parametric study basis and an analytic method to estimate longitudinal shear.
INTRODUCCION
Las losas compuestas (losas mixtas)son tipologías estructurales de extendido uso donde se combina el trabajo de una lámina metálica y el bloque de hormigón reforzado que esta soporta (López et al., 2007). Usualmente el fallo estructural está precedido por el deslizamiento del bloque de hormigón sobre la lámina metálica, venciendo la resistencia a cortante longitudinal entre ambos elementos y eliminándose así el trabajo conjunto entre ambos materiales. La adherencia química inicial, la fricción y la interacción mecánica son las componentes principales que conforman la resistencia al cortante longitudinal entre la lámina y el hormigón.
Para caracterizar las losas compuestas (losas mixtas) se efectúan estudios experimentales, cargando tramos simples de losas para cuantificar su fallo a la flexión (EN 1994-1-1, 2004, NRMC 082, 2004, ASTM E8-00b, 2001, CSSBI S3-2002, 2003), o aplicando tracción sobre probetas de un tramo de entrenervio de losa (Figura 1) para cuantificar la resistencia a cortante longitudinal entre el bloque de hormigón reforzado y su lámina portante. A este tipo de ensayo se le denomina “Pull out” (Daniels, 1988, Guex, 2002, Edder, 2003).
La modelación numérica de losas compuestas (losas mixtas) ha sido objeto de varias investigaciones (Widjaja, 1997, Veljkovic, 1998, Schuurman, 2000, Edder, 2003, Abdullah, 2004, Ferrer, 2006, Mistakidis, 2007). De una forma u otra todas intentan simular el efecto de cizallamiento longitudinal entre la superficie portante de la lámina metálica colaborante y el bloque de hormigón. Internacionalmente se han desarrollado varias investigaciones en la temática, entre ellas se destacan Abdullah y Ferrer. Mistakidis, a pesar de ser una de las investigaciones más actuales en la temática, se centra en el estudio de la flexión de los elementos compuestos o mixtos de acero- hormigón.
Abdullah emplea el código comercial ABAQUS/Explicit y una configuración carente de embuticiones. Modela un nervio de la losa en toda su longitud, con elementos finitos tipo placa para la lámina de acero y elementos sólidos 3D para el bloque de hormigón (Abdullah, 2004). La interacción entre las superficies y el aporte de las embuticiones lo simula empleando elementos conectores de rigidez no lineal y conectados nodo a nodo. Estas simplificaciones le impiden efectuar estudios del aporte real debido a la interacción mecánica por la geometría de las embuticiones, así como la distribución local de tensiones en las paredes de las embuticiones y sus proximidades. Con esta forma de modelización del problema no se estudia con fiabilidad el fenómeno de la adherencia química inicial, la fricción y la interacción mecánica entre la lámina el hormigón.
Ferrer utiliza el código comercial ANSYS asumiendo un modelo de contacto de fricción rígida de Coulomb, sin adherencia inicial, sin efectos dinámicos y sin tensión tangencial máxima (Ferrer, 2006). Para el acero de la lámina metálica colaborante emplea un modelo multilineal elasto- plástico, y el bloque de hormigón lo simplifica considerándolo como una superficie infinitamente rígida, lo que implica no poder evaluar mecanismos de fallo en el hormigón, como el desgarramiento que se ha observado en estudios experimentales. Este autor aprovecha las simplificaciones que facilita la doble simetría geométrica y de cargas en la probeta del ensayo pull out, así como la simetría longitudinal regida por el patrón cíclico de embuticiones. Modela la lámina con elementos finitos tipo placa con integración reducida, asumiendo el comportamiento de la lámina modelada por su fibra media. La carga aplicada consiste en un desplazamiento longitudinal en la dirección del deslizamiento, impuesto a todos los nodos de cada uno de los bordes transversales de la lámina (Ferrer, 2006). Esta simplificación aparenta no permitir evaluar en toda su magnitud las flexiones que pueden producirse en los bordes de las láminas debido a la aplicación de las cargas con respecto al ensayo real.
En este trabajo se desarrolla un modelo numérico para el código comercial ABAQUS/Implicit que aprovecha las simetrías propuestas por Ferrer, pero presenta la novedad que modela el bloque de hormigón utilizando modelo de daño. En el proceso de modelación de las cargas hay que preproducir el efecto de la tracción y se debe simular el efecto del peso propio del hormigón debido a la posición en que se ejecuta el ensayo (Figura 1). La fuerza de tracción se modela a través de una carga uniformemente distribuida (en área) sobre la cara del bloque de hormigón transversal a la dirección del deslizamiento. La simulación de efecto del peso propio de la lámina y el hormigón se modela con cargas aplicadas lateralmente, las cuales son aplicadas sobre el bloque de hormigón (Figura 1). Tanto la lámina metálica como el bloque de hormigón se modelan geométricamente con elementos finitos sólidos en 3D.
1. INTRODUCCION 2
2. CONCEPTUALIZACIÓN DEL ENSAYO PULL OUT 3
3. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL ESTUDIO EXPERIMENTAL PULL OUT 4
4. MODELACION NUMERICA DEL ENSAYO PULL OUT 5
4.1 ESTUDIOS EXPERIMENTALES PREVIOS 6
4.2 MODELACIÓN GEOMÉTRICA 8
4.3 MODELACIÓN DE LAS CARGAS 10
4.4 MODELACIÓN DE LOS MATERIALES 10
4.5 MODELACIÓN DE LAS CONDICIONES DE CONTACTO 11
4.6 MODELACIÓN DE LAS CONDICIONES DE BORDE 11
5. ESTUDIO DE CALIBRACIÓN Y VALIDACIÓN DEL MODELO 12
5.1 ESTUDIO DE SELECCIÓN DEL TIPO DE ELEMENTO FINITO 12
5.2 ESTUDIO DE DENSIDAD DE MALLA 15
5.3 CALIBRACION DE LOS MODELOS CONSTITUTIVOS 16
6. APLICACIONES AL ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DEL ENSAYO PULL OUT. 18
6.1 INFLUENCIA ENTRE CORTANTE LONGITUDINAL Y LONGITUD DE LA PROBETA 18
6.2 MODELACIÓN DEFINITIVA DEL ENSAYO 19
7. CONCLUSIONES 22
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sábado, 10 de enero de 2009
Estimación de la resistencia al cortante longitudinal en losas compuestas (losas mixtas)
Estimating of longitudinal shear resistance
in composite slabs with steel deck
Ing. Melchor López Ávila
Universidad Central de Las Villas, Cuba.
melchor@uclv.edu.cu, melchor_bia@yahoo.com
(Revista Ingeniería de Construcción [En edición])
Dr. Ing. Rafael Larrúa Quevedo (**),
Dr. Ing. Carlos A. Recarey Morfa (***)
RESUMEN
Utilizando el método de elementos finitos se reproduce numéricamente el ensayo de tracción que usualmente se verifica en probetas de losas compuestas con lámina colaborante (losas mixtas) para estimar la resistencia al deslizamiento por cortante longitudinal entre las superficies de la lámina metálica y el bloque de hormigón. Se asume un modelo elasto- plástico para el comportamiento del acero, y modelo de daño plástico para el hormigón. Para construir la modelación numérica se utiliza el código comercial ABAQUS/Implicit 6.6. Se sientan las bases para la realización de un estudio paramétrico del problema y el desarrollo de un método de estimación analítico del cizallamiento longitudinal.
ABSTRACT
Using finite elements method is reproduced numerically pull out test that usually is practice in composite slabs with steel deck to estimate slip resistance due to longitudinal shear forces between steel deck and concrete block surfaces. Is been assume an elastic- plastic model to represent steel behavior, and a plastic damage model for concrete material. To represent numerical modeling is used ABAQUS/Implicit 6.6 commercial code. Basis are been establish to do a parametric study of the problem, and to developing analytic method to calculate longitudinal shear.
in composite slabs with steel deck
Ing. Melchor López Ávila
Universidad Central de Las Villas, Cuba.
melchor@uclv.edu.cu, melchor_bia@yahoo.com
(Revista Ingeniería de Construcción [En edición])
Dr. Ing. Rafael Larrúa Quevedo (**),
Dr. Ing. Carlos A. Recarey Morfa (***)
RESUMEN
Utilizando el método de elementos finitos se reproduce numéricamente el ensayo de tracción que usualmente se verifica en probetas de losas compuestas con lámina colaborante (losas mixtas) para estimar la resistencia al deslizamiento por cortante longitudinal entre las superficies de la lámina metálica y el bloque de hormigón. Se asume un modelo elasto- plástico para el comportamiento del acero, y modelo de daño plástico para el hormigón. Para construir la modelación numérica se utiliza el código comercial ABAQUS/Implicit 6.6. Se sientan las bases para la realización de un estudio paramétrico del problema y el desarrollo de un método de estimación analítico del cizallamiento longitudinal.
ABSTRACT
Using finite elements method is reproduced numerically pull out test that usually is practice in composite slabs with steel deck to estimate slip resistance due to longitudinal shear forces between steel deck and concrete block surfaces. Is been assume an elastic- plastic model to represent steel behavior, and a plastic damage model for concrete material. To represent numerical modeling is used ABAQUS/Implicit 6.6 commercial code. Basis are been establish to do a parametric study of the problem, and to developing analytic method to calculate longitudinal shear.
Losas compuestas. Procedimientos de Ensayo (losas mixtas)
Melchor López Ávila
Ingeniero civil. Puerto Padre, Cuba
melchor_bia@yahoo.com
http://www.monografias.com/trabajos66/losas-compuestas-procedimientos-ensayo/losas-compuestas-procedimientos-ensayo.shtml
ÍNDICE
Resumen 1
Introducción 1
Ensayo de flexión a losas compuestas (losas mixtas) en escala natural 2
Ensayo de tracción a losas compuestas 13
Conclusiones 15
Bibliografía 16
RESUMEN
En este trabajo se describe minuciosamente el procedimiento de ensayo a losas compuestas (losas mixtas) utilizando los modelos experimentales de flexión a escala natural, y de tracción (pull out) a escala reducida. Incluye descripción de las características de las probetas, de los materiales, de los equipos de ensayo, y de los resultados esperados.
INTRODUCCIÓN
El análisis de las losas compuestas (losas mixtas) resulta extremadamente complejo ya que el definir teóricamente su cortante de fallo es tarea arduo engorrosa dado que influyen varias variables que están relacionadas entre sí, como son la altura, forma, orientación y espaciamiento de las embuticiones, así como la geometría y la flexibilidad de la lámina. Para evitar tal complejidad, la estimación del cortante de fallo se realiza generalmente mediante ensayos experimentales
El ensayo más aceptado universalmente es el de flexión a escala natural, en el cual se carga un tramo de losa entre dos apoyos con dos cargas puntuales aplicadas en las dos segundas secciones de las cuartas partes de la luz, en lo que llaman luz de cortante, pues se ha determinado experimentalmente que a esa distancia es que surgen los mayores agrietamientos, que llevan consigo al fallo por cortante longitudinal.
El segundo ensayo más popular es el de pull out o tracción, que consiste en una probeta simétrica de losa compuesta (losa mixta) del ancho de un entrenervios y longitud 300mm, y a la cual se aplica una carga con el objetivo de separar por deslizamiento la lámina metálica y el bloque de hormigón, lo que significaría cuantitativamente la resistencia última al cizallamiento longitudinal.
En este trabajo se describe minuciosamente el procedimiento para cada uno de estos dos modelos experimentales. Incluye la descripción de las características de las probetas, de los materiales, de los equipos de ensayo, y de los resultados esperados.
Ingeniero civil. Puerto Padre, Cuba
melchor_bia@yahoo.com
http://www.monografias.com/trabajos66/losas-compuestas-procedimientos-ensayo/losas-compuestas-procedimientos-ensayo.shtml
ÍNDICE
Resumen 1
Introducción 1
Ensayo de flexión a losas compuestas (losas mixtas) en escala natural 2
Ensayo de tracción a losas compuestas 13
Conclusiones 15
Bibliografía 16
RESUMEN
En este trabajo se describe minuciosamente el procedimiento de ensayo a losas compuestas (losas mixtas) utilizando los modelos experimentales de flexión a escala natural, y de tracción (pull out) a escala reducida. Incluye descripción de las características de las probetas, de los materiales, de los equipos de ensayo, y de los resultados esperados.
INTRODUCCIÓN
El análisis de las losas compuestas (losas mixtas) resulta extremadamente complejo ya que el definir teóricamente su cortante de fallo es tarea arduo engorrosa dado que influyen varias variables que están relacionadas entre sí, como son la altura, forma, orientación y espaciamiento de las embuticiones, así como la geometría y la flexibilidad de la lámina. Para evitar tal complejidad, la estimación del cortante de fallo se realiza generalmente mediante ensayos experimentales
El ensayo más aceptado universalmente es el de flexión a escala natural, en el cual se carga un tramo de losa entre dos apoyos con dos cargas puntuales aplicadas en las dos segundas secciones de las cuartas partes de la luz, en lo que llaman luz de cortante, pues se ha determinado experimentalmente que a esa distancia es que surgen los mayores agrietamientos, que llevan consigo al fallo por cortante longitudinal.
El segundo ensayo más popular es el de pull out o tracción, que consiste en una probeta simétrica de losa compuesta (losa mixta) del ancho de un entrenervios y longitud 300mm, y a la cual se aplica una carga con el objetivo de separar por deslizamiento la lámina metálica y el bloque de hormigón, lo que significaría cuantitativamente la resistencia última al cizallamiento longitudinal.
En este trabajo se describe minuciosamente el procedimiento para cada uno de estos dos modelos experimentales. Incluye la descripción de las características de las probetas, de los materiales, de los equipos de ensayo, y de los resultados esperados.
Un nuevo sistema de diseño de embuticiones en láminas de acero para maximizar resistencia de losas compuestas (losas mixtas)
En Revista Ingeniería de Construcción
Pontificia Universidad Católica de Chile
www.scielo.cl/pdf/ric/v22n3/art01.pdf
Datos de los Autores
Ing. Melchor López Ávila
Ingeniero Civil. Especialista Estructural, Puerto Padre, Cuba
E-mail: melchor@metunas.co.cu, melchor@uclv.edu.cu, melchor_bia@yahoo.com
Dr. Ing. Rafael Larrúa Quevedo, Dr. Ing. Carlos A. Recarey Morfa
Resumen
Se presenta un resumen de algunos de los principales antecedentes históricos en el análisis de las losas compuestas con láminas metálicas colaborantes (losas mixtas) sometidas a flexión, así como de los principales métodos de diseño, instrumentación y ensayo aceptados por las distintas normas internacionales. Se analizan cada uno de los parámetros fundamentales que influencian el comportamiento estructural de las losas compuestas (losas mixtas), y a partir del estudio numérico de estos se propone un método de optimización del sistema de embuticiones, implementado en hojas de cálculo, con el cual es posible estimar una resistencia a esfuerzos cortantes para las láminas de perfilado abierto y entregando los resultados de los parámetros más importantes, y que empleándolos en forma comparativa es posible determinar el sistema de embuticiones óptimo a incluir en una lámina de perfilado abierto. Aplicando el método propuesto obtuve un sistema de embuticiones tecnológicamente posible y con un coste mínimo de inversiones para una línea industrial de láminas de perfilado abierto.
Abstract
A summary is presented with the main historical background in the analysis of the composite slabs with steel sheets subjected to flexion, as well as of the main methods of design, instrumentation and tests accepted by different International Standards. Are analyzed the fundamental parameters that influence the structural behaviour of the composite slabs, and with a numeric study an analytical optimization method of the embossments system, is proposed and implemented in a spread sheet, is possible to estimate the shear resistance of open web sheets and by comparing them, is possible to determine the better embossments system to include in a open web sheet. Applying the proposed method a technologically possible embossments system can be obtained with a minimum cost for an industrial line of open web sheets.
Introducción
Los métodos de diseño para losas compuestas con láminas metálicas colaborantes (losas mixtas) consisten regularmente en ensayos a escala natural, y posteriormente empleando métodos semiempíricos se determinan coeficientes que caracterizan el diseño de la losa compuesta (losa mixta) con el tipo de lámina metálica o steel deck específico con que se ejecutó la prueba experimental.
Para las empresas productoras de láminas, el desarrollar un nuevo prototipo o producto resulta entonces extremadamente costoso, puesto que se tendría que recurrir primeramente a la producción de la lámina tipo con el sistema de embuticiones que esta tendría, para con este producto experimental realizar los ensayos a escala natural y verificar entonces si resulta competitivo o no.
Evidentemente, estos métodos resultan bastante caros e inexactos en cuanto a determinar el sistema de embuticiones óptimo a practicar en una lámina metálica lisa que se pretenda transformar en lámina colaborante o steel deck, lo cual dificulta la creación de nuevos productos con la máxima eficiencia estructural posible.
En el presente trabajo proponemos un método completamente analítico con el cual es posible determinar el sistema de embuticiones óptimo a practicar en una lámina metálica de perfilado abierto para que ésta pueda utilizarse con fines colaborantes en las losas compuestas (losas mixtas), así como su aplicación en la creación de un nuevo producto a partir de la tecnología existente en Cuba para producir láminas grecadas trapezoidales.
Pontificia Universidad Católica de Chile
www.scielo.cl/pdf/ric/v22n3/art01.pdf
Datos de los Autores
Ing. Melchor López Ávila
Ingeniero Civil. Especialista Estructural, Puerto Padre, Cuba
E-mail: melchor@metunas.co.cu, melchor@uclv.edu.cu, melchor_bia@yahoo.com
Dr. Ing. Rafael Larrúa Quevedo, Dr. Ing. Carlos A. Recarey Morfa
Resumen
Se presenta un resumen de algunos de los principales antecedentes históricos en el análisis de las losas compuestas con láminas metálicas colaborantes (losas mixtas) sometidas a flexión, así como de los principales métodos de diseño, instrumentación y ensayo aceptados por las distintas normas internacionales. Se analizan cada uno de los parámetros fundamentales que influencian el comportamiento estructural de las losas compuestas (losas mixtas), y a partir del estudio numérico de estos se propone un método de optimización del sistema de embuticiones, implementado en hojas de cálculo, con el cual es posible estimar una resistencia a esfuerzos cortantes para las láminas de perfilado abierto y entregando los resultados de los parámetros más importantes, y que empleándolos en forma comparativa es posible determinar el sistema de embuticiones óptimo a incluir en una lámina de perfilado abierto. Aplicando el método propuesto obtuve un sistema de embuticiones tecnológicamente posible y con un coste mínimo de inversiones para una línea industrial de láminas de perfilado abierto.
Abstract
A summary is presented with the main historical background in the analysis of the composite slabs with steel sheets subjected to flexion, as well as of the main methods of design, instrumentation and tests accepted by different International Standards. Are analyzed the fundamental parameters that influence the structural behaviour of the composite slabs, and with a numeric study an analytical optimization method of the embossments system, is proposed and implemented in a spread sheet, is possible to estimate the shear resistance of open web sheets and by comparing them, is possible to determine the better embossments system to include in a open web sheet. Applying the proposed method a technologically possible embossments system can be obtained with a minimum cost for an industrial line of open web sheets.
Introducción
Los métodos de diseño para losas compuestas con láminas metálicas colaborantes (losas mixtas) consisten regularmente en ensayos a escala natural, y posteriormente empleando métodos semiempíricos se determinan coeficientes que caracterizan el diseño de la losa compuesta (losa mixta) con el tipo de lámina metálica o steel deck específico con que se ejecutó la prueba experimental.
Para las empresas productoras de láminas, el desarrollar un nuevo prototipo o producto resulta entonces extremadamente costoso, puesto que se tendría que recurrir primeramente a la producción de la lámina tipo con el sistema de embuticiones que esta tendría, para con este producto experimental realizar los ensayos a escala natural y verificar entonces si resulta competitivo o no.
Evidentemente, estos métodos resultan bastante caros e inexactos en cuanto a determinar el sistema de embuticiones óptimo a practicar en una lámina metálica lisa que se pretenda transformar en lámina colaborante o steel deck, lo cual dificulta la creación de nuevos productos con la máxima eficiencia estructural posible.
En el presente trabajo proponemos un método completamente analítico con el cual es posible determinar el sistema de embuticiones óptimo a practicar en una lámina metálica de perfilado abierto para que ésta pueda utilizarse con fines colaborantes en las losas compuestas (losas mixtas), así como su aplicación en la creación de un nuevo producto a partir de la tecnología existente en Cuba para producir láminas grecadas trapezoidales.
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