Fisuras en el hormigón: ¿la pesadilla de los ingenieros?

Tantos problemas con la fisuración, cálculos tan complicados, no es de extrañar que alguna vez te hayas preguntado: ¿merece la pena? Gracias a las sofisticadas herramientas disponibles hoy en día, por suerte podemos decir que la respuesta es «¡Sí, merece la pena!».

El hormigón es fantástico en compresión. Eso lo sabemos todos, pero en las estructuras reales, no se puede evitar tener algunas partes en tensión. El refuerzo de acero proporciona mayor resistencia a la tracción y ductilidad. Una estructura de hormigón armado puede resistir bien tanto la tracción como la compresión, suponiendo que la armadura se coloque adecuadamente y su cantidad se elija sabiamente.  

Los estados límites de servicio (ELS) son igual de importantes

Aunque la resistencia en las estructuras puede parecer el parámetro más crítico, nunca podemos omitir los factores de utilidad. Muchas veces, deciden sobre la funcionalidad y usabilidad de un objeto. Unas deformaciones demasiado grandes pueden hacer que una estructura no sólo parezca insegura, sino también difícil de cumplir su función. Del mismo modo, si las grietas superan un determinado límite en cuanto a anchura, la estructura de hormigón se vuelve estéticamente desagradable, y la armadura también se verá sometida a la corrosión.

Las fisuras en el hormigón plantean un reto totalmente distinto para cualquier ingeniero de estructuras que se dedique al diseño del hormigón.. ¿Qué fácil sería todo sin tener que lidiar con las fisuras? Por desgracia, forman y formarán parte de todas las estructuras de hormigón, al menos en un futuro previsible, así que tuvimos que encontrar la forma de ayudar a los ingenieros a calcular las fisuras en su día a día. El objetivo era desarrollar una herramienta capaz de trabajar con estructuras de hormigón de distintas formas y que tuviera en cuenta la posición real de las armaduras, no sólo algunos elementos estructurales predefinidos y simplificados. Los ingenieros están familiarizados con cálculos manuales sencillos para las vigas y pilares básicos, pero las estructuras modernas tienen todo tipo de formas, por lo que las herramientas modernas también tienen que darles una solución para las formas generales. El cálculo del aspecto y la anchura de las fisuras no es una excepción.

Calculando la fisuración en CSFM

Nuestro método innovador, CSFM (Compatible Stress Field Method) que se aplica en IDEA StatiCa Concrete, permite a los ingenieros diseñar estructuras de hormigón de cualquier forma de forma rápida y sencilla, incluido el cálculo de anchos de fisuras.

El estado avanzado del método se basa en la teoría modificada del campo de compresión, la aplicación de la rigidización por tracción y la distinción entre fisuración estabilizada o no estabilizada. De acuerdo con las normas Eurocode y ACI vigentes, realizamos comprobaciones de los estados límite de servicio de los elementos de hormigón, como comprobaciones de la anchura de las fisuras, deformaciones y limitación de tensiones.

Hablemos un poco de cómo funciona nuestro cálculo de fisuras y en qué se basa. Para los interesados en la explicación teórica completa del cálculo y de todo el método, recomendamos la lectura del Theoretical background for IDEA StatiCa Detail.

CSFM diferencia entre el crecimiento de fisuras estabilizada y no estabilizada. Por crecimiento estabilizado de fisuras se entienden fisuras distribuidas uniformemente, por ejemplo, a lo largo del borde inferior de una viga. En el caso de fisuras estabilizadas completamente desarrolladas, se utiliza el Modelo de Cuerda de Tensión (TCM) para calcular la rigidez a tracción.    

El crecimiento no estabilizado de la fisura se considera para las fisuras locales provocadas por discontinuidades geométricas (por ejemplo, regiones en las que cambia la sección transversal, esquinas cóncavas, etc.) y regiones con una baja proporción de armadura. En estos casos, la fisura no se estabiliza y se considera la rigidización por tracción con ayuda del modelo Pull-Out Model (POM).

Pero, ¿qué es el efecto de rigidización por tensión del que tanto se habla? Puede describirse como el efecto del hormigón que actúa en tensión entre las grietas sobre la tensión de la armadura de acero, lo que provoca un aumento de la rigidez.

Teniendo en cuenta que en el TCM la rigidización a tracción depende de la superficie de armadura y de su asignación a cada barra o capa de armadura, la determinación de la superficie de hormigón pertinente (mutuamente actuante) bajo tensión efectiva es crítica. Por este motivo, implementamos una identificación espacial automática de la superficie de hormigón efectiva correspondiente que actúa mutuamente en tensión para una configuración de armadura arbitraria.

Distancia de la fisura

La distancia máxima entre fisuras se estabiliza en un valor en el que la tensión en el hormigón entre dos fisuras vecinas no alcanza el valor de tensión del estado límite de iniciación de la fisura. De este modo, se pone fin al crecimiento de nuevas fisuras.

Por otro lado, el Modelo Pull-Out analiza el comportamiento de fisuras individuales sin considerar la interacción mecánica entre otras fisuras. Desatiende el comportamiento del hormigón en tensión y asume el mismo comportamiento idealmente rígido-plástico en cohesión utilizado en el Modelo de Cuerda de Tensión. Dado que el espaciado entre fisuras no se conoce para un patrón de fisura no completamente desarrollado, la deformación media se calcula para cualquier nivel de carga sobre la distancia entre puntos con deslizamiento cero cuando la barra de refuerzo alcanza su resistencia a tracción en la fisura.

Ancho de fisura

La anchura de la fisura es una condición esencial para el estado límite de servicio. 

El cálculo del ancho de fisura se realiza para la carga permanente. Se dispone de dos modelos principales, como se ha descrito anteriormente, el modelo de crecimiento de fisura estabilizado y el modelo de crecimiento de fisura no estabilizado. Ambos modelos dependen del tipo de armadura, de la relación de armadura calculada automáticamente y, posteriormente, de la rigidez a tracción de cada elemento 1D individual utilizado para modelar la armadura.  

La anchura de una fisura perpendicular a la orientación de la armadura «wb» se calcula basándose en los modelos mencionados anteriormente mediante la rigidización por tracción utilizando la integración de la deformación sobre la armadura. Para las regiones con crecimiento de fisura estabilizado, se calculan los valores medios de la deformación de la armadura y se integran sobre la distancia media de la fisura. En el caso de crecimiento de fisura no estabilizado, la anchura «wb» se calcula basándose en la tensión máxima en la armadura, que en este caso es más fiable que la deformación media.

Se observan situaciones especiales en las esquinas cóncavas de las estructuras calculadas. En este caso, la esquina predetermina la posición de una única fisura que se comporta de forma no estabilizada antes de que se desarrollen fisuras adyacentes adicionales. Estas fracturas adicionales suelen desarrollarse después del intervalo de servicio, lo que justifica el cálculo de las anchuras de fisura en dicha región como si fueran no estabilizadas.

En resumen

IDEA StatiCa Concrete es una herramienta para la evaluación segura de estructuras de hormigón, incluyendo el cálculo de fisuras. 

Por supuesto, este enfoque no puede predecir la posición exacta de futuras fisuras en estructuras reales, pero aun así produce resultados relevantes que pueden compararse con los valores exigidos por la norma. Naturalmente, el método no permite la evaluación de grietas en zonas de hormigón en las que la armadura está completamente ausente. Es posible diseñar y comprobar estructuras de hormigón armado de cualquier forma en un plazo de tiempo razonable.

El método de cálculo del CSFM se ha probado y verificado exhaustivamente. Más información sobre las verificaciones en este artículo sobre la verificación de elementos estructurales o en el Theoretical background para verificación de acuerdo con Eurocódigo. 

El CSFM es un método transparente que proporciona al ingeniero estructural un control sobre el comportamiento de la estructura. Para saber más sobre el método y su aplicación, vea nuestro webinar sobre Reinforced concrete design via CSFM.

Pruébelo GRATIS

Siéntase libre de validar CSFM y su uso para el cálculo de FISURAS en estructuras de hormigón por sí mismo. Pruebe nuestra última versión de IDEA StatiCa Concrete durante 14 días totalmente GRATIS. Y por supuesto, ¡háganos saber su opinión! Siempre estamos dispuestos a escuchar su experiencia.