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PATOLOGÍA DE LA EDIFICACIÓN 29
DAÑOS A ELEMENTOS ESTRUCTURALES POR ESFUERZO
NORMAL
1.- GENERALIDADES
INTRODUCCIÓN
Como continuación y ampliación a la anterior ficha que sirvió de base o introducción al
tema de las acciones y solicitaciones a las que trabajan los elementos estructurales, vamos a
comenzar analizando con más detalle el esfuerzo normal, estudiando principalmente como
elemento estructural los soportes.
En el cálculo de las estructuras de hormigón armado, primeramente se procede al
análisis de los esfuerzos que actúan sobre la sección de la pieza, considerando el equilibrio
entre las fuerzas y las deformaciones de la estructura, y se calcula así la solicitación a la que
está sometida.
Posteriormente se procede al cálculo de la armadura necesaria según esos esfuerzos o
bien, si partimos de la armadura, se comprueba si la sección es capaz de soportar unos
esfuerzos máximos resistentes mayores que los esfuerzos que actúan sobre la misma.
Las tensiones que actúan en una sección de una pieza son de dos tipos: normales
(perpendiculares a la sección) o tangenciales (contenidas en el plano de la sección).
En la sección se crean 6 esfuerzos:
- tres fuerzas: un axil y dos cortantes
- tres momentos: un torsor y dos flectores.
Fig.1.- Fuerzas que actúan sobre una sección.
Fig. 2.- Momentos que actúan sobre una sección.
CONCEPTOS
Solicitación: conjunto de esfuerzos que actúan sobre una sección.
Solicitación normal o axil (Nx): producida por las fuerzas que van en sentido longitudinal o
perpendicular a la sección de la pieza.
- Si la fuerza va hacia la sección, comprime la pieza: COMPRESIÓN
- Si la fuerza sale de la sección, tira de ella: TRACCIÓN
Solicitación tangencial o cortante (Vy o Vz): producida por las fuerzas paralelas a la sección.
Solicitación torsora (momento torsor Tx): producida por las fuerzas paralelas a la sección y
que no cortan al eje perpendicular a ella y momentos localizados que tengan la dirección del
eje perpendicular a la sección.
Solicitación flectora (momentos flectores My o Mz): producida por las fuerzas
perpendiculares a algún eje contenido en la sección y que no lo corten y momentos localizados
que tengan la dirección de alguno de los ejes contenidos en la sección.
Tensiones normales las originan el axil Nx y los dos flectores My Mz.
Tensiones tangenciales las originan los dos cortantes Vy Vz y el torsor Tx.
PILARES. Son los elementos verticales de las estructuras, pudiendo estar sometidos a
compresión simple (sección sometida a una fuerza normal centrada), compresión compuesta o
flexión compuesta (cuando la sección transversal esté sometida a una fuerza normal y a un
momento flector).
Están constituidos por:
- armadura principal (barras longitudinales) que se encargará de absorber las
compresiones (junto al hormigón) y posibles tracciones y junto con la armadura
transversal evitar la rotura por deslizamientos del hormigón sobre planos inclinados.
- armadura transversal (cercos y estribos), que además se encargan de evitar el
pandeo de las barras longitudinales comprimidas, resistir esfuerzos cortantes y
aumentar la ductilidad (ver concepto en ficha 19 patologías por acciones sísmicas) y
resistencia.
En la práctica es difícil la presencia de compresión simple, ya que el punto de aplicación
del esfuerzo normal suele no coincidir con el punto de aplicación de la resultante de las
compresiones del hormigón y del acero (por una incorrecta ejecución, por ejemplo) por lo que
para el cálculo se recomienda tener en cuenta una excentricidad mínima (2 cm ó h/20 según
artículo 42.2.1 de la EHE) o un aumento, de forma adecuada, de los coeficientes de seguridad.
Generalmente los pilares trabajan a flexocompresión esviada, es decir, la sección está
sometida a una fuerza normal descentrada, por lo que genera momentos flectores (en ambos
ejes, al existir excentricidades respecto a los ejes principales de la sección).
Especialmente en los pilares metálicos, surge el fenómeno de pandeo (las cargas no
siguen el eje de la pieza por lo que experimenta deformaciones en aumento bajo la acción de
las cargas, sin que éstas sean incrementadas) un problema peligroso que deberá tenerse en
cuenta a la hora de su diseño. Para el cálculo de pilares metálicos se aplican las fórmulas
clásicas para obtener las tensiones que solicitan a las secciones, para lo cual se entra con los
esfuerzos mayorados (al axil se le aplica un coeficiente de pandeo ω) y se comprueban que
las tensiones que obtenemos son inferiores a las admisibles garantizadas por el fabricante.
Cuando no existe espacio suficiente para alojar un pilar convencional se puede recurrir a
los soportes compuestos, pilares de hormigón armado y perfiles metálicos en su interior, que
hacen las veces de armadura de compresión. Suelen emplearse perfiles HEB, IPE y 2UPN.
En cuanto a los pilares metálicos compuestos, aquellos formados por piezas simples
empresilladas o triangulados entre sí, han de considerarse como piezas únicas.
Fig. 3.- Soportes compuestos
MUROS. Como variante de los soportes por unidad de superficie nos encontramos con los
muros de sótano, sometido a flexiones (por empujes del terreno) y compresiones (por las
cargas gravitatorias).
ZAPATAS. Las zapatas rígidas, aquellas cuyo vuelo v en la dirección principal de mayor vuelo
es menor o igual que 2 veces su canto, se calcularán a compresión mediante el método de
bielas y tirantes (EHE, artículo 59.2.1).
2.- DESCRIPCIÓN Y ORÍGEN DE LOS DAÑOS
DESCRIPCIÓN
Fisuras
o
Por compresión, en pilares provoca diversas formas de fisuración según la esbeltez
(relación altura / espesor) del mismo y si se coarta o no la dilatación transversal en sus
extremos así como la heterogeneidad del hormigón a lo largo de la pieza, el reparto no
homogéneo de las compresiones, etc.
Son muy peligrosas ya que indican que el pilar se encuentra al borde de su
agotamiento, es decir, que el hormigón está agotando prácticamente su capacidad
resistente y puede traducirse en un colapso inminente.
Pueden aparecer fisuras finas y juntas en la cara de un soporte esbelto, a mitad de su
longitud. Las fisuras de agotamiento tienden a concentrarse en el tercio superior del
pilar, la zona más débil de resistencia y donde suele fallar el estribado, aumentando las
fisuraciones en las cabezas, justo debajo de los forjados.
Fig. 4.- Fisuras de agotamiento en compresión y compresión elevada sin estribado superior.
Las fisuras verticales en los pilares indican colapso inminente por aplastamiento del
hormigón, si estuviera zunchado el pilar saltaría primeramente el recubrimiento,
aunque seguiría resistiendo pero con importantes deformaciones.
Una carga concentrada de compresión puede originar fisuras con directriz paralela a la
carga ya que al aplicarse ésta sobre una sección determinada, tenderá a distribuirse
por la pieza (bielas o compresiones) ocasionando tracciones (tirantes o tracciones) que
provocan la aparición de las fisuras a lo largo de la pieza, teoría de bielas y tirantes.
Fig. 5.- Fisuras verticales de compresión paralelas a la carga.
Si tenemos un pilar ejecutado con hormigones de mala calidad, la rotura comenzará en
la parte superior descendiendo hasta la zona central, puesto que el hormigón de la
cabeza del pilar es algo más débil por las segregaciones que se producen durante el
vertido por un mal vibrado.
o
Por tracción. Se produce debido a la excesiva deformación de los vanos concurrentes
al pilar. Las fisuras son perpendiculares a las barras principales, atravesando la
sección de una parte a otra; suelen situarse donde se emplazan los estribos.
Ampliaremos este punto en la ficha correspondiente a los daños por solicitación
flectora.
o
Por pandeo. En los pilares son
fisuras horizontales en el centro del
soporte.
La rotura es rápida y muy grave.
Suele saltar primeramente el
recubrimiento.
Fig. 6.- Fisuras por pandeo
ORIGEN
Las fisuraciones provocadas por los esfuerzos de compresión, principalmente se deben a las
siguientes causas:
-
-
Dimensionado incorrecto:
o secciones insuficientes
o armadura insuficientes
Mala selección de los materiales: hormigones de mala calidad
Aumento de luces de vanos o crujías no contempladas en los cálculos (viguetas o vigas
de luces superiores a las previstas) o entradas en carga prematura
Ejecución incorrecta: estribos caídos o inexistentes
Movimientos no considerados en el cálculo que provocarían momentos excesivos en
pilares muy rígidos (asientos diferenciales en la cimentación, sismo, viento, empujes...)
EL pandeo, particularmente, se origina, entre otros, por los siguientes factores:
- imperfecciones constructivas
- flexiones adicionales no previstas
- materiales imperfectos
- fallos en la alineación de cargas
3.- PREVENCIÓN Y REPARACIÓN DE DAÑOS
PREVENCIÓN
Las piezas de hormigón en masa que se encuentran sometidas a compresión simple
tienen una capacidad resistente muy limitada, por la posibilidad de que se produzca una rotura
oblicua por deslizamiento del hormigón según planos que forman 37º con el eje del pilar, por lo
que para evitar esta rotura se han de disponer armaduras longitudinales mínimas y cercos o
estribos.
Las armaduras longitudinales tendrán un diámetro ≥ 12 mm situándose en las
proximidades de las caras del pilar, se dispondrá una barra en cada esquina de la sección (en
secciones circulares, mínimo 6 barras). La separación máxima entre dos barras de la misma
cara no será superior a 35 cm y aquellas barras que disten más de 15 cm unas de otras serán
arriostradas mediante cercos o estribos. Se deberá tender al diseño de pilares con armados
simétricos por cara.
Los pilares pueden estar sometidos a momentos importantes alternativos por ejemplo
bajo la acción del viento o el sismo, que hacen que necesite armadura de tracción.
A veces para aumentar la resistencia a compresión de las piezas de hormigón armado
se dispone un zunchado helicoidal de acero o cercos a pequeñas separaciones lo que acorta
las deformaciones transversales y se aumenta la resistencia de la pieza al crearse fuertes
compresiones radiales.
En zonas sísmicas es conveniente aumentar las armaduras, duplicando el estribado en
arranque y cabeza de los pilares, sin que dificulte el correcto vertido y vibrado del hormigón,
para una mayor eficacia estructural.
Para el retranqueo de las caras de los pilares, debe tenerse en cuenta que no se
introduzcan excentricidades que originen momentos adicionales a los momentos de flexión que
proporcionan las vigas y forjados en los nudos.
En pilares compuestos, es aconsejable dejar unos 5 cm entre perfiles y estribos para
evitar coqueras durante el hormigonado, en caso de considerar momentos pequeños (pilares
interiores de edificios) los perfiles se consideran como armadura. Se debe tener especialmente
en cuenta el pandeo.
Los pilares metálicos al estar afectados más directamente por el fenómeno de pandeo
son más complejos, ya que ha de tenerse presente en su diseño y cálculo, debiendo considerar
perfiles con una esbeltez (relación altura / espesor) inferior a 200.
En caso de pilares metálicos compuestos por piezas simples en contacto se
recomiendan soldaduras continuas, que ofrecen mayor durabilidad a la pieza, en caso de
disponer de soldadura discontinua la separación entre los extremos de ésta debe ser menor o
igual que 30 cm o que 15 veces el espesor mínimo de la pieza simple y cumplir las longitudes
de los cordones de soldadura determinadas. Si los pilares están compuestos por presillas de
chapas y perfiles los enlaces deberán cumplir requisitos básicos tales como: número de tramos
en que se divide el pilar mayor o igual a 3 con una longitud similar menor que 50 veces el radio
de giro de las piezas simples, la disposición y dimensiones de los enlaces se mantendrán
constantes, etc...
REPARACIÓN
Al enfrentarnos a un problema de patología estructural para determinar el grado de
reparación o restauración de la misma se distinguirán 2 casos:
- se ha producido un aumento del estado de cargas
- se ha producido una minoración de la capacidad mecánica del elemento.
Si no es posible conseguir la reposición completa de la capacidad original y al mismo tiempo, la
sustitución total no es una opción aceptable deberá reducirse la sobrecarga aplicable a la
estructura.
Si tras las comprobaciones pertinentes fuera necesario proceder a reparar el pilar
afectado, se procederá a su refuerzo:
Los sistemas de refuerzo empleados en la actualidad para devolver al pilar la
capacidad resistente junto con el coeficiente de seguridad fijado previamente para que
absorba los esfuerzos de servicio que puedan solicitarlo durante su vida útil, se basan en unos
elementos verticales que resisten la carga vertical y unos elementos transversales de zunchado
que refuerzan y permiten transmitir parte de las cargas, o la totalidad, a los elementos
verticales dispuestos. Son los:
-
encamisados metálicos
encamisados de hormigón
encamisados con resinas o fibras (de carbono de carbono de alta resistencia, etc)
Los encamisados de hormigón consisten en adosar armaduras verticales y estribos, más o
menos juntos según el grado de zunchado que se desee aportar, debiéndose asegurar la
adherencia del hormigón añadido (que tendrá un espesor de unos 5 – 10 cm) mediante una
preparación previa de las superficies del pilar afectado.
Fig. 7.- Recrecidos de hormigón, con armaduras verticales y transversales.
El hormigón o mortero de reparación que se emplea en los recrecidos de hormigón
puede realizarse mediante un encofrado perimetral alrededor del pilar. Se vierte el hormigón a
través de un hueco realizado en el forjado superior o por un lateral, para lo cual manualmente
deberá acabarse el recrecido en su parte superior.
También pueden emplearse angulares en las esquinas de los pilares que pueden estar
zunchados contra el pilar mediante presillas transversales. Este refuerzo también (como el de
hormigón) permite trabajar al pilar vertical y transversalmente, pudiendo llevarse hasta el punto
de hacerle trabajar tan sólo transversalmente (también si se zuncha mediante un tubo
metálico).
Se debe conseguir la transmisión adecuada de las cargas del pilar superior al que se
quiere reforzar y de éste al pilar inferior, por lo que normalmente se deberán prolongar los
refuerzos por encima y por debajo de pilar afectado (debiendo calcularse y comprobarse los
efectos que produciría en las zonas afectadas: punzonamiento), sobre todo si está sometido a
momentos importantes. En caso de estar sometido a compresión es posible reforzarlo de forma
aislada sin prolongar los refuerzos.
La anchura del refuerzo debe ser lo más pequeña posible para minimizar los problemas
de cortadura en la transmisión de esfuerzo.
Los refuerzos verticales aislados deben completarse con refuerzos de zunchado
transversal en las proximidades de los forjados, lo que evitará la rotura de recubrimientos y
aumentará su eficacia.
Si la diferencia entre el hormigón base y el hormigón aportado no supera los 75 Kp/cm2
los esfuerzos se reparten por igual. A medida que aumenta la diferencia van tomando más
carga los refuerzos.
En pilares reforzados aisladamente éstos pueden zuncharse en cabeza y pie en caso
de preverse problemas de punzonamiento, y soldar a los collarines del zunchado las barras
verticales de recrecido de hormigón y no retacar éste contra los forjados.
En pilares reforzados mediante angulares y presillas, sometidos a momentos de gran
entidad, se generan tracciones en las armaduras por lo que éstas se soldarán a los angulares
de esquina y traspasarán el forjado. Se debe asegurar un buen contacto y apoyo de los
angulares y presillas contra el pilar afectado, por lo que se deberá tratar la superficie del mismo
para mejor la adherencia.
Bibliografía:
“Los pilares: criterios para su proyecto, cálculo y reparación”.Florentino Regalado Tesoro
“Hormigón armado I”. Álvaro García Meseguer.
“Hormigón armado “ Montoya-Meseguer-Morán