VE 9961 | Cálculo a cortante-punzante del pilar interior en losa plana según CSA A23.3

Descripción

Este ejemplo examina el análisis de punzonado de una columna interior según la norma CSA A23.3-19 [1]. La geometría y la carga fueron tomadas de la columna interior C2 del Ejemplo 1 en el "Manual de Diseño de Hormigón CAC - 4ª Edición", páginas 5-13 y 5-14 [2].

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Ejemplo de verificación 9961 | Cálculo de punzonamiento según CSA A23.3

Ejemplo de verificación 9961 | Dimensiones del pilar

Solución analítica:

\(
\)

1. Cálculo de las cantidades geométricas:

Dimensión de la sección circular crítica paralela a la excentricidad:
\(
\mathsf{b_{1} = b + d}
\)
\(
\mathsf{= 600 + 210}
\)
\(
\mathsf{= 810\,mm}
\)
\(
\)
\(
\mathsf{b_{2} = h + d}
\)
\(
\mathsf{= 400 + 210}
\)
\(
\mathsf{= 610 mm}
\)
\(
\)
Longitud de la sección crítica:

\(
\mathsf{b_{o} = 2 \cdot (h + b + 2 \cdot d)}
\)
\(
\mathsf{= 2 \cdot (400 mm + 600 mm + 2 \cdot 210 mm)}
\)
\(
\mathsf{= 2840 mm}
\)
\(
\)

2. Cálculo de la acción:

Los índices "1" y "2" se refieren a los ejes principales en el sistema.

• El subíndice "1" se refiere al eje X global.

• El subíndice "2" se refiere al eje Y global

\(
\)
Por tanto, los siguientes momentos de inercia "polar" resultan en:

\(
\mathsf{J_{c} = 2\left(\dfrac{b_{1}\,d^{3}}{12} + \dfrac{d\,b_{1}^{3}}{12}\right) + 2(b_{2}\,d)\left(\dfrac{b_{1}}{2}\right)^{2}}
\)

\(
\mathsf{J_{1} = 2\left(\dfrac{810 \cdot 210^{3}}{12} + \dfrac{210 \cdot 810^{3}}{12}\right) + 2\left(610 \cdot 210\right)\left(\dfrac{810}{2}\right)^{2}}
\)

\(
= \mathsf{ \; 6.1873875 \times 10^{10}\,mm^{4}}
\)
\(
\)

\(
\mathsf{J_{2} = 2\left(\dfrac{610 \cdot 210^{3}}{12} + \dfrac{210 \cdot 610^{3}}{12}\right) + 2\left(810 \cdot 210\right)\left(\dfrac{610}{2}\right)^{2}}
\)

\(
= \mathsf{ \; 4.0532975 \times 10^{10}\,mm^{4}}
\)
\(
\)

Fuerza de corte reducida debido a la transferencia de carga dentro de la sección circunferencial crítica:

\(
\mathsf{\Delta V_{f} = p \cdot b_{1} \cdot b_{2}}
\)

\(
\mathsf{= 11.6\,kN/m^{2} \cdot 0.810\,m \cdot 0.610\,m}
\)

\(
\mathsf{= 5.73\,kN}
\)
\(
\)

La fuerza de corte reducida se calcula de la siguiente manera:

\(
\mathsf{V_{f,res} = V_{f} - \Delta V_{f}}
\)

\(
\mathsf{= 543.58\,kN - 5.73\,kN}
\)

\(
\mathsf{= 537.85\,kN}
\)
\(
\)

El momento de placa calculado en la primera dirección en el centroide de la sección circular crítica:

\(
\mathsf{ M_{f,1,sl} } = \mathsf{ \; M_{f,1} \; + \; V_{f,res} \; \cdot \; e_{1,sl} }
\)

\(
= \mathsf{ \; 73.40\,kNm \; + \; 537.85\,kN \; \cdot \; 0.0\,mm }
\)

\(
= \mathsf{ \; 73.40\,kNm}
\)
\(
\)

La contribución de las fuerzas de corte excéntricas del momento transmitido en la primera dirección principal:

\(
\mathsf{ \gamma_{v,1} } = \mathsf{ \; 1 \; - \dfrac{1}{1 \; + \; \left( \dfrac{2}{3} \right) \; \cdot \; \sqrt{\dfrac{b_{1,1}}{b_{2,1}}}} }
\)
\(
\)
\(
= \mathsf{ \; 1 \; - \dfrac{1}{1 \; + \; \left( \dfrac{2}{3} \right) \; \cdot \; \sqrt{\dfrac{810\,mm}{610\,mm}}} }
\)

\(
= \mathsf{ \; 0.434460}
\)
\(
\)

El componente del momento transmitido por fuerzas de corte excéntricas en la segunda dirección principal:

\(
\mathsf{ M_{f,2} } = \mathsf{ \; M_{f,2} \; - \; V_{f,res} \; \cdot \; e_{2,sl} }
\)

\(
= \mathsf{ \; -34.90\,kNm \; - \; 537.85\,kN \; \cdot \; 0.0\,mm }
\)
\(
= \mathsf{ \; -34.90\,kNm}
\)
\(
\)

Con la fracción del momento de placa calculado en la segunda dirección, que es absorbido por el soporte
\(
\mathsf{ \gamma_{v,2} } = \mathsf{ \; 1 \; - \dfrac{1}{1 \; + \; \left( \dfrac{2}{3} \right) \; \cdot \; \sqrt{\dfrac{b_{1,2}}{b_{2,2}}}} }
\)
\(
\)
\(
= \mathsf{ \; 1 \; - \dfrac{1}{1 \; + \; \left( \dfrac{2}{3} \right) \; \cdot \; \sqrt{\dfrac{610\,mm}{810\,mm}}} }
\)

\(
= \mathsf{ \; 0.366502}
\)
\(
\)

Tensión de corte debido a la fuerza de corte reducida:

\(
\mathsf{\nu_{fv} = \dfrac{V_{f,res}}{b_{o} \cdot d}}
\)

\(
\mathsf{\nu_{fv} = \dfrac{537.85\,kN}{2.840\,m \cdot 0.210\,m}}
\)

\(
\mathsf{\nu_{fv} = 0.9040\,MPa}
\)
\(
\)

La tensión de corte máxima aplicada se calcula de la siguiente manera:

\(
\mathsf{
\nu_{f}
=
\nu_{fv}
- \dfrac{\gamma_{v,1} \cdot M_{f,1,sl} \cdot e_{1}}{J_{1}}
+ \dfrac{\gamma_{v,2} \cdot M_{f,2,sl} \cdot e_{2}}{J_{2}}
}
\)
\(
\mathsf{
= \; 0.9040\,MPa
\; - \;
\dfrac{0.434460 \cdot 73.40\,kNm \cdot (-405\,mm)}{6.1873875 \times 10^{10}\,mm^{4}}
\; + \;
\dfrac{0.366502 \cdot (-34.90\,kNm) \cdot (-305\,mm)}{4.0532975 \times 10^{10}\,mm^{4}}
}
\)
\(
\mathsf{
= 1.204\,MPa
}
\)

\(
\)

3. Cálculo de la resistencia:

Proporción del lado largo al lado corto del soporte:

\(
\mathsf{ \beta_{c} } = \mathsf{ \; \dfrac{max\left( b, \; h \right)}{min\left( b, \; h \right)} }
\)

\(
= \mathsf{ \; \dfrac{max\left( 0.600\,m, \; 0.400\,m \right)}{min\left( 0.600\,m, \; 0.400\,m \right)} }
\)
\(
= \mathsf{ \; 1.50}
\)
\(
\)

Resistencia al punzonado de la losa sin refuerzo a cortante según 13.3.4.1 (a):

\(
\mathsf{ \nu_{c(a)} } = \mathsf{ \; \left( 1 \; + \; \dfrac{2}{\beta _{c}} \right) \; \cdot \; 0.19\; \cdot \; \lambda \; \cdot \; \Phi _{c} \; \cdot \; min\left( \sqrt{f'_{c}}, \; f'_{c,max} \right) }
\)
\(
= \mathsf{ \; \left( 1 \; + \; \dfrac{2}{1.50} \right) \; \cdot \; 0.19\; \cdot \; 1.00\; \cdot \; 0.65\; \cdot \; min\left( \sqrt{25.00\,MPa}, \; 8.00\,MPa \right) }
\)
\(
= \mathsf{ \; 1,441\,MPa}
\)
\(
\)

Resistencia al punzonado de la losa sin refuerzo a cortante según 13.3.4.1 (b):
\(
\mathsf{ \nu_{c(b)} } = \mathsf{ \; \left( \dfrac{\alpha_{s} \; \cdot \; d}{b_{o}} \; + \; 0.19 \right) \; \cdot \; \lambda \; \cdot \; \Phi _{c} \; \cdot \; min\left( \sqrt{f'_{c}}, \; f'_{c,max} \right) }
\)
\(
= \mathsf{ \; \left( \dfrac{4.00 \; \cdot \; 210\,mm}{2.840\,m} \; + \; 0.19 \right) \; \cdot \; 1.00 \; \cdot \; 0.65 \; \cdot \; min\left( \sqrt{25.00\,MPa}, \; 8.00\,MPa \right) }
\)
\(
= \mathsf{ \; 1.579\,MPa}
\)

Resistencia al punzonado de la losa sin refuerzo a cortante según 13.3.4.1 (c):
\(
\mathsf{ \nu_{c(c)} } = \mathsf{ \; 0.38\; \cdot \; \lambda \; \cdot \; \Phi _{c} \; \cdot \; min\left( \sqrt{f'_{c}}, \; f'_{c,max} \right) }
\)
\(
= \mathsf{ \; 0.38\; \cdot \; 1.00\; \cdot \; 0.65\; \cdot \; min\left( \sqrt{25.00\,MPa}, \; 8.00\,MPa \right) }
\)
\(
= \mathsf{ \; 1,235\,MPa}
\)
\(
\)

Resistencia mínima al punzonado de la losa sin refuerzo a cortante:
\(
\mathsf{ \nu_{c} } = \mathsf{ \; min\left( \nu_{c(a)}, \; \nu_{c(b)}, \; \nu_{c(c)} \right) }
\)
\(
= \mathsf{ \; min\left( 1,441\,MPa, \; 1,579\,MPa, \; 1,235\,MPa \right) }
\)
\(
= \mathsf{ \; 1,235\,MPa}
\)

\(
\mathsf{ \nu_{r} } = \mathsf{ \; \nu_{c} }
\)
\(
= \mathsf{ \; 1.235\,MPa}
\)
\(
\)

4. Comparación de la acción y la resistencia:

\(
\mathsf{\eta_{13.3.4} = \dfrac{\nu_{f}}{\nu_{r}}}
\)

\(
\mathsf{\eta = \dfrac{1.204\,MPa}{1.235\,MPa}}
\)

\(
\mathsf{\eta \approx 0.975}
\)

\(
\mathsf{\eta = 0.975 \;\leq\; 1 \quad \Rightarrow \quad \text{Prueba cumplida}}
\)

No se requiere la introducción de un refuerzo a cortante.
\(
\)

Resultados

Los resultados de RFEM 6 se presentan a continuación.

Ejemplo de verificación 9961 - Resultados detallados del análisis de punzonamiento en RFEM 6

Los resultados de RFEM 6 se comparan con los resultados de referencia a continuación.

\(
\)

VE 9961 - Relación de cálculo

Evaluación

Los resultados de RFEM 6 concuerdan muy bien con la solución de referencia.

RFEM 6 calcula valores ligeramente inferiores (aproximadamente 2%) para el momento polar de inercia que el cálculo manual. RFEM 6 calcula el momento polar de inercia según ACI 421.1R.

El enfoque en ACI 421.1 es aplicable a geometrías circulares generales y es muy adecuado para una solución de software.

A diferencia de la fórmula analítica, que solo se aplica a secciones circulares rectangulares, ACI 421.1R descuida el componente de inercia \(\mathsf{\dfrac{b\,d^{3}}{6}}\).

El menor momento polar de inercia según ACI 421.1R resulta en un enfoque conservador para el diseño de punzonado.