Hormigón y Acero

Preguntas sobre comportamiento a cortante en hormigón estructural y respuestas aportadas por modelos mecánicos. El reto del proyecto a cortante basado en prestaciones

Antonio Marí — 2023-04-20

El comportamiento y la resistencia a esfuerzo cortante de estructuras de hormigón armado y pretensado resulta de difícil predicción por los complejos mecanismos resistentes que se movilizan y las distintas formas de rotura que pueden producirse. Ello ha dado lugar a que muchas de las formulaciones simplificadas previamente desarrolladas para cálculo a cortante sean de carácter empírico, sin un claro fundamento teórico y no proporcionen información cualitativa sobre comportamiento estructural, lo que dificulta el proyecto basado en prestaciones. En este artículo se plantean algunas preguntas sobre diseño y comportamiento a cortante, aparentemente sin una respuesta lógica desde el punto de vista prestacional, y se aportan posibles respuestas basadas en la mecánica estructural. Se analizan los fenómenos físicos que determinan el comportamiento a cortante, los mecanismos resistentes que se desarrollan, los parámetros fundamentales que los gobiernan, en qué medida influyen y como son contemplados en algunas formulaciones simplificadas. Se plantea la importancia de los modelos mecánicos y se muestran algunos ejemplos de cómo estos modelos pueden adaptarse de forma natural a múltiples situaciones de proyecto, evaluación y refuerzo de estructuras existentes.

De la evidencia experimental al modelo mecánico y ecuaciones de diseño: La CSCT para el diseño a cortante

Aurelio Muttoni — 2024-02-22

Desde los inicios del hormigón estructural hasta la fecha se han dedicado muchos esfuerzos de investigación a la cuestión del diseño a cortante de elementos sin armadura transversal. Esto ha permitido una serie de avances notables en la comprensión del fenómeno, que en la actualidad se admite como dependiente de un número de mecanismos de transferencia de cortante en el hormigón fisurado, tales como el engranamiento entre los áridos, relacionado con la abertura de fisura y su deslizamiento, la capacidad remanente a tracción del hormigón tras la fisuración, el efecto pasador de las armaduras y la inclinación de la biela comprimida.
En los últimos años, equipos independientes de investigadores han confirmado esto a través de medidas detalladas llevadas a cabo con Correlación de Imagen Digital (Digital Image Correlation) sobre los ensayos realizados, y mediante la integración de las leyes constitutivas que gobiernan la transferencia del cortante. De acuerdo a la realidad física contemplada, se han desarrollado teorías claras y basadas en la ciencia permitiendo a los investigadores, por un lado replicar la respuesta ante el cortante de una manera realista, y por el otro llevar a cabo predicciones más exactas sobre la capacidad resistente de los elementos.
Una de estas teorías, cimentada en datos experimentales y respaldada por la modelización mecánica, es la Teoría de la Fisura Crítica de Cortante (Critical Shear Crack Theory, CSCT por sus siglas en inglés). En este artículo, se reseñan las leyes fundamentales de la teoría, y se relacionan con la respuesta experimental de vigas sometidas a cortante. Basándose en estos principios, se presenta un modelo físico-mecánico con objeto de implementar los conceptos básicos del CSCT. En función de estos resultados, se justifica la pertinencia de definir un criterio para evaluar los fallos de cortante, que se pueda formular de una manera simplificada y adecuada para el diseño. El objetivo de este criterio es conducir a expresiones de diseño coherentes,
lo suficientemente simples como para ser utilizadas en la práctica.
Es especialmente interesante mencionar que el fundamento mecánico del modelo permite reproducir naturalmente fenómenos físicos, tales como los efectos debidos a la deformación del acero pasivo o el efecto de escala, que pueden ser evaluados de una forma exacta teniendo en cuenta la respuesta no lineal de un elemento de hormigón armado posiblemente fisurado. Este planteamiento es coherente con la física subyacente y es considerablemente más general que los llevados a cabo en el pasado, donde las fórmulas empíricas se corregían con un término debido al efecto de escala, para considerar este fenómeno (teniendo como consecuencia que la fórmula no fuera necesariamente consistente o válida fuera de sus rangos de calibración). En base a la evidencia referida, este artículo responde de una manera científica, detallada y transparente a las críticas realizadas por A. A.Dönmez and Z. P. Bažant en relación a las hipótesis de CSCT.

Crítica de la CSCT para los artículos del Código Modelo sobre la resistencia a cortante y su efecto de escala en vigas de hormigón armado

Abdullah Dönmez — 2024-02-22

El efecto de escala de la “Teoría de la Fisura Crítica de Cortante" (“Critical Shear Crack Theory", CSCT por sus siglas en inglés) de Muttoni y colaboradores se aproxima bastante (con diferencias de hasta el 15%) y es asintóticamente idéntica a la ley del efecto de escala energético (“Size Effect Law", SEL), que ha sido ampliamente verificada tanto experimental como teóricamente (y ha sido adoptada por el Código ACI 318 de 2019, para cortante y punzonamiento). No obstante, la deducción y el procedimiento de cálculo de la CSCT ofuscan la mecánica del fallo. En este artículo se demuestra que la CSCT se sustenta en seis hipótesis científicamente insostenibles, que tendrían que ser enseñadas a los estudiantes como si fueran dogmas de fe. Dichas hipótesis hacen que la CSCT no sea fiable para tamaños fuera del rango habitual de ensayos; tanto para vigas con secciones transversales en T, I y cajón, o para vigas continuas. Estas conclusiones están respaldadas por simulaciones de elementos finitos, calibradas experimentalmente, del itinerario de la fisura y de su apertura, de las distribuciones y concentraciones de tensiones durante el fallo, y de la liberación de energía de deformación. Las simulaciones también demuestran que la CSCT es incompatible con el modelo de bielas y tirantes, que está actualizado (en el Código ACI 318 de 2019) para incluir el efecto de escala en la biela de compresión. Por último, se indican deficiencias adicionales de la “Teoría Modificada del Campo de Compresiones" (“Modified Compression Field Theory", MCFT), actualmente integrada en el Código Modelo.

Sobre el cortante en elementos sin estribos y la aplicación de métodos energéticos a la luz de 30 años de observaciones experimentales

Evan C. Bentz — 2024-02-22

En un artículo reciente en Structural Concrete, los autores Dönmez y Bažant explican que las bases teóricas de las ecuaciones del Código Modelo 2010 para el cortante en una dirección y el punzonamiento no están suficientemente fundamentadas a nivel teórico y, en su lugar, deberían utilizar una ley energética de efecto tamaño en su formulación para ajustarse al comportamiento. Para respaldar esta afirmación, se presentaron simulaciones de elementos finitos. En este artículo se cuestiona la hipótesis básica de que un método energético debe gobernar el fallo por cortante de vigas sin estribos. Se demuestra que estas preguntas se basan en el comportamiento de endurecimiento de ensayos de engranamiento de áridos y en la incapacidad de localizar deformaciones de deslizamiento durante el fallo por cortante. Además de estos argumentos teóricos, se realizaron análisis de elementos finitos con un modelo constitutivo energético pero que también trabaja adecuadamente al modelar el engranamiento de áridos, un aspecto que parece estar ausente en los análisis de Dönmez y Bažant. Estos nuevos resultados modelan mejor los resultados de los ensayos y confirman que el engranamiento de áridos es importante para explicar la resistencia al cortante y, por tanto, el efecto tamaño en el cortante en elementos esbeltos. Como tal, cualquier preocupación sobre la seguridad de las ecuaciones de cortante del Código Modelo parece injustificada.

Traducido por Lisbel Rueda del artículo original publicado por Wiley en la revista Structural Concrete: Bentz EC, Foster SJ. On shear in members without stirrups and the application of energy-based methods in light of 30 years of test observations. Structural Concrete. 2019; 20: 1481–1489. https://doi.org/10.1002/suco.201900224

Influencia de la variación temporal de la ley de esfuerzos cortantes en la resistencia frente a impacto de vigas de hormigón armado

Gonzalo S.D. Ulzurrun — 2022-11-18

Uno de los escenarios más peligrosos para las estructuras de hormigón armado (HA) es la actuación de cargas de impacto, las cuales puden producirse por causas accidentales o incluso provocadas. La investigación experimental ha demostrado que el tipo de fallo de vigas de HA tiende a ser por cortante, debido o a la formación de un "shear plug" en la zona del impacto o al desarrollo de fisuras de flexión-cortante a lo largo del vano. Para poder entender la resistencia a cortante bajo cargas de impacto, es esencial entender cómo las fuerzas de inercia debidas a las aceleraciones generadas por el impacto causan distribuciones de esfuerzos cortantes y momentos flectores diferentes a las que producen las cargas estáticas. En este artículo, se lleva a cabo una determinación experimental de las leyes de esfuerzos dinámicas y un seguimiento de las fisuras de cortante en vigas de HA sometidas a impacto. Se emplea una técnica de correlación digital de impagen apoyada con cámara de video de alta velocidad de grabación para entender la evolución de los esfuerzos en las secciones críticas, para así discutir la capacidad resistente a cortante de estos elementos en conexión con los diagramas de interacción M-V.

Predicción a largo plazo de la resistencia a cortante de vigas de hormigón armado basada en un modelo mecánico considerando la corrosión de la armadura

Alejandro Frontera — 2024-02-22

La corrosión de los cercos, generalmente con un menor diámetro y recubrimiento, afecta significativamente la resistencia a cortante de los elementos de hormigón armado. Puesto que las roturas a cortante pueden provocar colapsos de carácter frágil, es necesario evitarlas durante toda la vida útil de la estructura. El Compresion Chord Capacity Model (CCCM, modelo de capacidad de la cabeza comprimida) es un modelo mecánico que ha sido extendido recientemente para predecir la resistencia a cortante de elementos dañados por los efectos de la corrosión. Este trabajo combina la capacidad del modelo mecánico con los dos modelos de deterioro incluidos en el nuevo Código Estructural para evaluar la resistencia a cortante a largo plazo, permitiendo considerar tanto la corrosión por carbonatación como la inducida por iones cloruro. Finalmente, en el artículo se lleva a cabo un análisis paramétrico para explorar el efecto de los parámetros más influyentes en la degradación de la resistencia a cortante según los modelos utilizados y en función de diferentes clases de exposición.

Traducido por Antoni Cladera del artículo original publicado por Wiley en la revista Structural Concrete: Frontera A, Cladera A. Long-term shear strength of RC beams based on a mechanical model that considers reinforcing steel corrosion. Structural Concrete. 2023; 24(1): 25–40. https://doi.org/10.1002/suco.202200428

Influencia de la plastificación del armado a flexión en la resistencia a cortante de las vigas de hormigón armado con y sin armadura de cortante

Andrea Monserrat López — 2022-11-18

Las estructuras hiperestáticas, tales como las vigas continuas, permiten la redistribución de esfuerzos internos, de forma que, tras la plastificación de la armadura de flexión, el esfuerzo cortante y la deformación pueden aumentar con el incremento de las cargas aplicadas, siendo posible alcanzar roturas por cortante incluso después de agotar la capacidad resistente por flexión de la estructura.
En este artículo se presenta un extenso programa experimental constituido por 30 ensayos de cortante (15 ensayos de voladizo y 15 ensayos de vigas continuas) llevado a cabo para evaluar la resistencia a cortante de vigas de hormigón armado con y sin armadura de cortante, algunas de ellas diseñadas para fallar a cortante tras la plastificación de la armadura de flexión. El principal objetivo de este estudio experimental era analizar la influencia del desarrollo de grandes deformaciones de flexión en la resistencia a cortante.
Durante los ensayos, se empleó la Correlación Digital de Imágenes (DIC) para obtener medidas de deformación superficiales. Estas medidas permitieron analizar la evolución de las deformaciones en la superficie de hormigón para obtener la rotación de las rótulas plásticas y hacer un seguimiento del desarrollo y la cinemática de la fisura crítica de cortante con el objetivo de obtener, considerando los modelos constitutivos adecuados, la contribución a la resistencia de los distintos mecanismos de transferencia de cortante.
El análisis de los resultados confirmó la reducción de la componente de la resistencia a cortante proporcionada por el hormigón con el aumento de la rotación de flexión, tanto en los especímenes con armadura de cortante como sin ella. Además, esta componente de la resistencia a cortante resultó menor cuanto mayor era cuantía de armadura de cortante. Los resultados se compararon con los valores de resistencia propuestos por distintos códigos de diseño, mostrando que estas formulaciones no capturan adecuadamente la reducción de resistencia a cortante causada por la deformación plástica. El método simplificado que se propone para el cálculo de la resistencia a cortante de las rótulas plásticas considerando la demanda de rotación plástica predice resultados coherentes respecto a los obtenidos experimentalmente.

Estudio de la distribución del esfuerzo cortante entre distintos mecanismos resistentes en un elemento de hormigón armado sin armadura transversal

Alejandro Pérez Caldentey — 2023-07-11

Este artículo explora cómo se distribuye el esfuerzo cortante entre los tres mecanismos principales de resistencia a cortante: resistencia del cordón comprimido, engranamiento de los áridos y efecto pasador. Los modelos de resistencia a cortante dominantes en la actualidad, la teoría de la fisura crítica (Muttoni et al. [1]) y la teoría del campo de compresiones (Collins et al. [2]), sostienen que el principal mecanismo de resistencia a cortante es el engranamiento de los áridos, mientras que estudios más recientes (Marí et al. [3]), sostienen que el principal mecanismo de resistencia es la capacidad a cortante de la cabeza comprimida.

En este trabajo se utiliza un modelo de elementos finitos para estudiar un ensayo realizado en la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) para tratar de asignar la fuerza cortante a los diferentes mecanismos de cortante para diferentes escalones de carga y dilucidar qué es lo que finalmente provoca el fallo de la estructura. Los resultados muestran que a medida que se incrementa la carga aumenta la parte relativa del esfuerzo cortante que toma el cordón comprimido no fisurado hasta que finalmente se alcanza el fallo por cortante cuando el esfuerzo principal de tracción en la zona situada cerca de la carga, pero hacia el apoyo alcanza la resistencia a tracción del hormigón, generando una fisura que precipita el fallo de la viga.

Hacia el desarrollo de una formulación para la obtención de la resistencia a cortante de vigas compuestas de hormigón

Lisbel Rueda-García — 2023-01-23

En el diseño y evaluación de vigas prefabricadas de hormigón con una losa superior hormigonada in situ, es decir, vigas compuestas de hormigón, los ingenieros siguen enfrentándose en la práctica a problemas no resueltos relacionados con el cortante, como la contribución de la losa a la resistencia a cortante, la resistencia del hormigón que se ha de considerar en las formulaciones de cortante o la influencia de la interfaz entre hormigones en el comportamiento a cortante. En la presente investigación se han realizado 69 ensayos a cortante en vigas monolíticas y compuestas, de sección rectangular o en T, con o sin armadura transversal y con diferentes calidades de los hormigones, para analizar experimentalmente las cuestiones mencionadas anteriormente. El estudio de los mecanismos de transferencia de cortante condujo a la formulación de un modelo para explicar los resultados observados. A partir de este modelo, se ha desarrollado una formulación para predecir la resistencia a cortante en vigas compuestas de hormigón con armadura de cortante, la cual se ha verificado con los resultados experimentales de esta investigación y 24 ensayos adicionales de la literatura. Esta formulación proporciona resultados precisos comparados con las formulaciones de resistencia a cortante de los códigos actuales EC2, MC-10 y ACI 318-19. El modelo propuesto sienta las bases para el futuro desarrollo de una formulación fácil de usar para el cálculo de la resistencia a cortante de vigas compuestas de hormigón.

Comportamiento del hormigón reforzado con fibras de acero conforme a la teoría de corte-fricción

Alvaro Picazo — 2023-03-15

La cuantía del refuerzo tradicional de barras de acero en el hormigón armado se puede reducir mediante la adición de fibras. Este tipo de hormigón, con fibras de acero, se denomina hormigón reforzado con fibras de acero (HRFA) y permite la eliminación total o parcial de la armadura ante esfuerzos cortantes. Diferentes normativas consideran la capacidad estructural de las fibras de acero, para cualquier tipo de esfuerzo, en función de valores de resistencias residuales a flexión. No parece adecuado emplear estas resistencias para dimensionar el HRFA frente a solicitaciones de cortante, por lo que se desarrolló la presente investigación y se analizaron dos HRFA, solicitados a cortante, comparándolos con su estudio teórico en relación a la teoría de corte-fricción. Las fibras de acero cosen las fisuras impidiendo se desarrollen libremente, aumentando el rozamiento entre las caras de la discontinuidad. La parte experimental desarrolló ensayos de corte directo tipo “push-off” complementados con técnica de vídeo-extensometría para obtener las variaciones de deslizamiento y abertura de fisura. Se puede indicar que, en el estado post-fisuración, las fibras son las que gobiernan el comportamiento del material y que los resultados del modelo analítico son muy similares a los hallados en la campaña experimental para deslizamientos de hasta algo más de 4 mm.

Revisión del estado del arte sobre el uso de fibras sintéticas como refuerzo a cortante en elementos de hormigón

F. Ortiz Navas — 2023-03-16

El fallo por cortante se considera uno de los modos de fallo más críticos en las estructuras de hormigón, especialmente para aquellos elementos sin armadura de cortante. En los últimos sesenta años, la comunidad científica ha mostrado mucho interés por resolver este problema. De hecho, desde los años 80, se ha explorado el uso de fibras dispersas en la matriz como refuerzo a cortante, como alternativa al refuerzo tradicional. Varias investigaciones han demostrado que la adición de fibras en proporciones correctas, mejora el comportamiento a cortante en elementos de hormigón con y sin refuerzo a cortante. La mayor parte de estos conocimientos se han realizado con fibras de acero. Sin embargo, también se han introducido fibras macrosintéticas para aplicaciones estructurales en el hormigón. Algunas publicaciones recientes han informado de casos de estudio exitosos de uso de fibras macrosintéticas como refuerzo a cortante en elementos estructurales. Dentro de este marco, el presente trabajo tiene como objetivo revisar la literatura existente sobre el uso de fibras sintéticas como refuerzo al corte en elementos estructurales de hormigón.

Estudio numérico del comportamiento a cortante de vigas de hormigón de ultra altas prestaciones

Antonio Martínez-de-la-Concha — 2023-05-18

En las últimas décadas, los estudios experimentales y numéricos sobre el hormigón reforzado con fibras de acero han demostrado que un contenido y una distribución adecuados de las fibras en la matriz pueden mejorar la resistencia del hormigón tras la fisuración. Aunque existe una amplia base de datos de ensayos experimentales y numéricos a cortante de vigas de hormigón reforzado con fibras de acero, no se dispone de muchos datos de ensayos y modelos numéricos para vigas de hormigón reforzado con fibras de acero con armadura transversal tradicional a cortante (estribos). En este trabajo se analiza el comportamiento a cortante de vigas de hormigón de ultra altas prestaciones reforzado con fibras, utilizando el modelo de daño plástico desarrollado en Abaqus. Para ello, previamente se realiza un estudio comparativo mediante un ensayo experimental disponible en la literatura para validar el modelo de elementos finitos con armaduras convencionales. A continuación, se analiza el comportamiento a cortante de diferentes hormigones de ultra altas prestaciones sin refuerzo de fibras, con adición de fibras rectas de acero de 13 mm, con fibras de extremos conformados de acero de 30 mm, y una mezcla al 50% de fibras de acero de 13 y 30 mm.