PATOLOGÍA DE LA EDIFICACIÓN 29 DAÑOS A ELEMENTOS ESTRUCTURALES POR ESFUERZO NORMAL

Transcripción

1 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 (N x ): 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 (V y o V z ): producida por las fuerzas paralelas a la sección. Solicitación torsora (momento torsor T x ): 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 M y o M z ): 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 N x y los dos flectores M y M z.

2 Tensiones tangenciales las originan los dos cortantes V y V z y el torsor T x. 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 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 ).

3 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.

4 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

5 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.

6 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/cm 2 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.

7 Bibliografía: Los pilares: criterios para su proyecto, cálculo y reparación.florentino Regalado Tesoro Hormigón armado I. Álvaro García Meseguer. Hormigón armado Montoya-Meseguer-Morán