24-10-2023 | Publicado por Joaquín Martí
El hormigón es hoy en día el material de construcción más empleado en el mundo por su resistencia, durabilidad, moldeabilidad y coste. Seleccionando bien sus componentes, presenta una alta resistencia a compresión y a la degradación por los agentes ambientales. En posts anteriores ya comentamos su impacto ambiental y los problemas asociados a su posible expansión química. Hoy nos centramos en su fisuración.
A pesar de sus numerosas ventajas, el hormigón adolece de una baja resistencia a la tracción; en elementos estructurales debe reforzarse con barras, cables o fibras que se hagan cargo de las tracciones mientras el hormigón soporta las compresiones.
Las cargas transversales en vigas y placas generan flexiones, cortantes, compresiones y tracciones. En un elemento de hormigón, las zonas traccionadas podrían fallar si no están armadas. Incluso armadas, la fisuración puede afectar a la durabilidad de las armaduras y hasta desencadenar el colapso inmediato. Esto es aplicable tanto con cargas lentas o estáticas como en problemas de dinámica rápida tales como explosiones e impactos. Por tanto, nuestros diseños y sus cálculos de apoyo deben ser capaces de contar con la fisuración.
Para representar el comportamiento del hormigón armado generalmente utilizamos el modelo “damaged plasticity” y definimos las armaduras por medio de elementos viga embebidos en los elementos sólidos en que se ubican; ambos están disponibles en Abaqus. El comportamiento post-pico se caracteriza a través de la energía de fractura.
El ablandamiento de la respuesta estructural que acompaña a la fisuración puede complicar la convergencia al resolver problemas por integración implícita. En esos casos, el problema puede integrarse explícitamente, aplicando la carga lentamente para evitar efectos inerciales espurios. En problemas de dinámica rápida, la integración explícita hubiera sido la opción natural en cualquier caso. El tema de la integración explícita vs implícita ya fue objeto de otro post.
La fisuración y el fallo pueden llevar localmente a deformaciones muy altas en elementos de la malla que ya no llevan ninguna carga. Estos elementos deben eliminarse de la malla usando un criterio adecuado. Ello permite analizar problemas tales como la perforación y los efectos de explosiones.
Hemos modelizado la fisuración del hormigón en todo tipo de situaciones. Algunas estáticas, como la fisuración que las presas pueden experimentar por los efectos térmicos asociados al fraguado. O la fisuración de acrópodos en proyectos costeros. O la fisuración intencionada de una torre de aerogenerador para investigar los efectos en sus prestaciones. O la fisuración de la conexión entre torres de aerogeneradores y sus zapatas. O la posible fisuración del hormigón en torres eólicas flotantes.
También hemos analizado problemas fuertemente dinámicos, como los efectos de explosiones subacuáticas en pilas de puentes. O los producidos por explosiones terroristas en varios puentes singulares y edificios corporativos, que son problemas en los que la fisuración del hormigón juega un papel destacado.
Los tanques de almacenamiento de gas natural licuado (GNL) conllevan múltiples análisis de fisuración. Algunos están motivados por efectos térmicos, como en fuegos externos postulados o en diversas hipótesis de fugas y derrames. Otros están asociados a impactos accidentales de misiles y la deflagración de nubes explosivas, todos los cuales deben tenerse en cuenta en el diseño.
Los mismos problemas se presentan en centrales nucleares, que deben diseñarse considerando amenazas similares, pero que además precisan de un análisis de la respuesta del edificio de contención sometido impactos de avión o a presiones internas progresivamente crecientes en caso de un accidente severo.
La modelización fiable de la fisuración del hormigón es ciertamente una tarea compleja. Pero no es menos cierto que ahora disponemos de herramientas adecuadas para que los ingenieros experimentados puedan acometerla.
