PROCESO DE FISURACIÓN DEL HORMIGÓN (TRACCIÓN)

Tras un paréntesis en el tiempo, ya que hace bastante que no publico y un  paréntesis en los posts, con la noticia de los premios dardos, como continuación de las anteriores publicaciones hoy pretendo explicar brevemente cómo se produce la fisuración.

Una de las posibles clasificaciones de las fisuras, diferencia entre las no estructurales (debidas a causas intrínsecas del hormigón) y las estructurales (debidas a los diferentes esfuerzos producidos por la aplicación de las acciones exteriores o de deformaciones impuestas). Nos centraremos en las segundas.

El principal problema que presenta el hormigón, es su escasa resistencia frente a los esfuerzos de tracción, a diferencia de su buen comportamiento frente a la compresión. Debido a ello, la mayoría, por no decir la totalidad, de las fisuras que se producen en el hormigón son debidas a esfuerzos de tracción que el mismo no es capaz de resitir y producen su "rotura". 

Como consecuencia de ésto, hablando de fisuras estructurales, conociendo y entendiendo el proceso de fisuración del hormigón debido a esfuerzos de tracción, entenderemos con mayor facilidad el proceso de fisuración debido a diferentes esfuerzos.

He aquí la razón por la que me centraré en este post en explicar el proceso de fisuración debida a tracción pura de un tirante de longitud L y sección rectangular h x b, provisto de una armadura centrada As.

El comportamiento del tirante sometido a una fuerza axil creciente sigue la ley poligonal (N - ΔL/L) mostrada en la figura. En ella se observan tres fases diferentes: una primera fase sin fisuras, la fase de formación de fisuras y la fase de fisuración estabilizada.

Figura 1. Diagrama axil/deformación unitaria del hormigón armado.

En la fase sin fisuras existe compatibilidad de deformaciones entre el acero y el hormigón en todas las secciones del tirante, es decir, ambos materiales tienen la misma deformación. En esta fase se utiliza la sección homogeneizada Ah=b∙ h + (n-1) As siendo n el coeficiente de equivalencia entre acero y hormigón igual a Es/Ec y esta sección se dice que está en Estado I.

El comportamiento N - ΔL/L (Figura 1) es lineal de pendiente EcAh. 

a) Fase de formación de fisuras: primeras fisuras

Cuando el hormigón, debido a un axil Nf, alcanza una tensión de tracción igual a su resistencia fct, se provoca una fisura en la sección más débil del tirante.

En la sección fisurada, que pasa a estar en Estado II, ha desaparecido el hormigón en tracción. La adherencia no solo se destruye en la fisura sino en una cierta extensión a cada lado de ella. A partir de esa zona la armadura se ancla en el hormigón por adherencia.

Lejos de la fisura las secciones no han modificado su estado (continúan en Estado I). 

En la zona adyacente a la fisura, en una longitud lt a cada lado, las secciones presentan un comportamiento intermedio entre el Estado I y el Estado II (Figura 2).

Figura 2. Ley de deformaciones del acero y el hormigón en el momento en que se produce la fisuración.

En esta fase el gráfico N - ΔL/L de la Figura 1 se vuelve horizontal, ya que, sin necesidad de aumentar la fuerza en el tirante, éste sufre un incremento de elongación ΔL1 como consecuencia de la disminución de rigidez, tanto en la fisura como en zonas cercanas a ella.

Como es lógico, la anchura de fisura es igual a la diferencia entre lo que se ha alargado el acero menos lo que el hormigón ha podido alargarse sin romperse. 

El axil no se ha modificado y, por lo tanto, cualquiera de las secciones en Estado I podrá volver a fisurarse sin necesidad de que aumente el axil.

A medida que aparecen nuevas fisuras, va disminuyendo la zona en Estado I, se producen incrementos de longitud del tirante iguales al primero y cada fisura tiene la misma anchura que la primera. Se seguirán produciendo mientras haya algún tramo de tirante en Estado I, ya que la tensión del hormigón en esa zona sigue teniendo valor fct.

b) Fase de formación de fisuras: última fisura 

Cuando todas las fisuras estén a una distancia menor de 2lt ya no habrá zonas en Estado I en las que el hormigón tenga una tensión igual a fct. En ese instante se acaba la fase de formación de fisuras.

Las leyes de deformaciones del acero y del hormigón del tirante para este caso se muestran en la Figura 3. 

Figura 3. Ley de deformaciones del acero y el hormigón en el estado de formación de fisuras.

En ella se observa que la deformación media del acero tiene un valor mayor que en fases anteriores.

En toda la fase de formación de fisuras no ha crecido el axil: con el axil de fisuración Nfis se han generado todas las fisuras del tirante. Esto significa que, cuando el tirante está sometido a una fuerza exterior, la fase de formación de fisuras puede considerarse instantánea. Dicho de otra forma, el tirante nunca estará en esta fase, sino en la anterior (sin fisuras) o en la siguiente (fisuración estabilizada). Esto no ocurre así cuando sobre el tirante actúa una deformación impuesta.

c) Fase de fisuración estabilizada

Con todas las fisuras formadas, un aumento de la fuerza de tracción provocará un aumento de anchura de las fisuras existentes, y no provocará fisuras nuevas porque no hay longitud de transferencia suficiente como para que el hormigón alcance la tensión fct en ningún punto del tirante. Esto trae las siguientes consecuencias:

• La ley de deformaciones del hormigón no crece y mantendrá la misma forma que tenía en el último instante de la fase anterior.
• El incremento de axil debe ser resistido sólo por el acero y la ley de deformaciones del acero crecerá paralela a la que tenía en el último instante de la fase anterior (línea de puntos en la Figura 4).

Figura 4. Ley de deformaciones del acero y el hormigón en estado de fisuración estabilizada.

La anchura de fisura depende, por un lado, de la deformación (o tensión) del acero en la fisura y, por el otro lado, de la relación de deformaciones (o cargas) entre el instante de fisuración y el instante de cálculo.

El comportamiento axil-alargamiento N - ΔL/L (Figura 1) se mantiene  paralelo a la recta de Estado II porque las deformaciones del hormigón se mantienen constantes. La distancia entre ambas rectas representa la colaboración del hormigón ente fisuras. Este efecto de tenso-rigidez (así se llama en la versión española del Código Modelo) es más conocido por su término inglés tesion stiffening. 

PREMIOS DARDOS

Hoy tengo el placer de informaros de que mi blog ha sido seleccionado para los premios dardos por mi compañera de carrera Irene Sánchez Perna. 

En primer lugar quiero decir que estoy enormemente agradecido a Irene por haberme otorgado este premio y felicitarla por su blog LaVidaSonColores, el cual os recomiendo que visitéis, sobre todo a las chicas!

A continuación paso a otorgar mis premios dardos, no sin antes decir que el orden no tiene nada que ver en la importancia del blog ni mucho menos, si no que se lo merecen todos por igual.

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RIESGOS DERIVADOS DE LA FISURACIÓN

Como continuación del anterior post, hoy os hablo principalmente de los riesgos derivados de la fisuración, que son RIESGO DE CORROSIÓN, RIESGO ESTÉTICO Y RIESGO PSICOLÓGICO.




La durabilidad de una estructura de hormigón es su capacidad para soportar, durante la vida útil para la que ha sido proyectada, las condiciones físicas y químicas a las que está expuesta, y que podrían llegar a provocar su degradación como consecuencia de efectos diferentes a las cargas y solicitaciones consideradas en el análisis estructural.

Entre estos efectos, se encuentra la corrosión de las armaduras. La normativa española del hormigón (EHE 08), nos dice que las armaduras deberán permanecer exentas de corrosión durante todo el período de vida útil de la estructura. 

La armadura embebida en hormigón fabricado con cemento portland se puede mantener exenta de corrosión de forma indefinida, como consecuencia del efecto protector de la alcalinidad que aporta el cemento al hidratarse. Esta protección se pierde al neutralizarse la alcalinidad, bien por efecto de la penetración de dióxido de carbono de la atmósfera a través de los poros del hormigón (carbonatación), o bien por la acción de los iones cloruro. Estos últimos pueden ser aportados por las materias primas del hormigón o penetrar del exterior (por ejemplo, en el ambiente marino).

Los productos de la corrosión, por las condiciones de su formación o por su naturaleza, en ningún caso garantizan la protección ulterior de las armaduras, por lo que el fenómeno corrosivo, una vez iniciado, progresa de manera continua si persiste la causa que lo originó siempre que el contenido de agua en los poros, la temperatura y el aporte de oxígeno sean suficientes. De aquí, la gran importancia que tienen la compacidad y los recubrimientos en la protección de las armaduras del hormigón.

La fisura supone un cambio de acceso a la armadura de los agentes agresivos, en particular del anhídrido carbónico y de los cloruros, enormemente más rápido que la estructura porosa del recubrimiento. 

La creencia de que una fisura representa un riesgo de oxidación localizado en la sección transversal situada en el plano de la fisura, no es cierta. Si no que, como vemos en la figura, la rotura de adherencia que la fisura supone, y el giro del hormigón del recubrimiento separándose de la barra en una cierta zona próxima a la fisura, extienden la corrosión a ambos lados del plano teórico de la fisura.

En líneas generales, para pequeños anchos de fisuras, es más importante para la velocidad de corrosión la reducción del recubrimiento que el ancho de la fisura. La influencia de la abertura de fisura sobre la corrosión de las armaduras puede ser relativamente pequeña, siempre que dicha abertura permanezca dentro de un rango de valores suficientemente bajos. Ello se debe, en gran parte a que presentan tendencia al autosellado, por los productos de la corrosión y depósitos cálcicos. De todas maneras, en las fisuras transversales se dan a veces situaciones de “cicatrización” por relleno con polvo del ambiente. 

Las fisuras longitudinales son, naturalmente, más peligrosas que las transversales, ya que afectan a superficies mucho mayores de la barra y, además, conllevan mayor probabilidad de pérdida del recubrimiento.

Los productos de corrosión, debido al aumento de volumen que presentan, ejercen  presiones sobre el hormigón, fisurándolo y agrietándolo junto a las armaduras aumentando las vías de entrada de agentes agresivos.

El proceso de corrosión de las armaduras suele afectar más a sus condiciones de adherencia y anclaje que a su sección. El ataque, sin merma sensible de sección total de la barra, reduce drásticamente las corrugas y por tanto la adherencia.

Existen una serie de factores que influyen sobre la corrosión y que son los siguientes:

     • La humedad. Si la humedad relativa no supera el 50%, rara vez se produce corrosión de las armaduras. Por encima de este valor, la corrosión aumenta con la humedad.

     • La combinación de alta humedad relativa con altas temperaturas es especialmente peligrosa. (Costas de zonas cálidas).

    • El nivel de saturación de agua en el hormigón. En estado permanente de saturación del hormigón, no hay aportación de oxígeno al acero y, por lo tanto, no se produce corrosión.

   • La alternancia de ciclos de saturación y secado, cuyos efectos lleguen hasta las armaduras, aumenta considerablemente el riesgo de corrosión.

    • La presencia de cloruros o de otras sustancias corrosivas en la interfaz acero-hormigón acelera el proceso de corrosión.

     • La presencia de corrientes eléctricas parásitas en la armadura acelera fuertemente la corrosión.

Las consecuencias de la corrosión aumentan al reducirse el diámetro de las armaduras y, en este sentido, el proyectista debe considerar cuidadosamente los hechos siguientes:

   a) Fisuras de origen tensional, producidas bien por las acciones permanentes y variables, bien por las deformaciones impedidas, tales como la retracción y la temperatura. Habitualmente se trata de fisuras ortogonales a las armaduras.

     b) Fisuras de origen atensional debidas al incremento de volumen de las barras producido por su oxidación, que ejerce presión sobre el hormigón hasta estallarlo, provocando fisuras paralelas a las armaduras. Estas fisuras son debidas generalmente a la corrosión inicial directa de las armaduras por escasa protección física de las barras (escasez de recubrimiento, elevada porosidad, etc.), o por escasa protección química (bajo contenido de cemento).

     c) Fisuras debidas a otras causas, tales como la retracción plástica o reacciones químicas dentro del hormigón endurecido. 

La experiencia muestra que las fisuras del tipo b) son más frecuentes y más anchas que las del tipo a), y son consecuencia de una escasez de recubrimiento o de una pobre calidad del hormigón de recubrimiento. Una posibilidad para reducir el riesgo de fisuración del tipo a) es emplear diámetros finos y recubrimientos pequeños. El proyectista debe ejercer aquí su buen juicio y darse clara cuenta de que ello puede incrementar el riesgo del tipo b).

Con respecto al riesgo estético, podemos decir que es claro que la fisuración afecta al aspecto de la superficie del hormigón y por lo tanto a su calidad estética. De todas maneras, se puede establecer un ancho de fisura aceptable, dependiendo del edificio del que se trate.

Por último, la reacción de que los usuarios identifiquen la presencia de fisuras en una estructura, con el riesgo de hundimiento de la misma  ha sido poco estudiada, pero existe una teoría que dice que la mayoría de las personas, son capaces de distinguir fisuras de un ancho en décimas de milímetro igual a la distancia del observador a la fisura en metros.

A efectos de responsabilidad, no debiera olvidarse que los métodos de cálculo asocian el ancho máximo de fisura a un nivel de confianza del 95%, es decir que no puede excluirse la posibilidad de algunas fisuras de ancho superior al reglamentario. 

INTRODUCCIÓN A LA FISURACIÓN DEL HORMIGÓN

Hoy publico un extracto de mi trabajo fin de carrera, una monografía que trató sobre la fisuración del hormigón. En este post, trato de dar una visión global de la fisuración del hormigón, pero más concretamente del hormigón estructural.

En primer lugar, cobra vital importancia diferenciar entre fisura y grieta. Existen diversas teorías acerca de la diferencia entre estos dos términos como por ejemplo el espesor, o si la discontinuidad afecta a todo el espesor del elemento o no, pero yo defiendo la teoría de que una fisura, al igual que la grieta es una imperfección lineal más o menos ramificada pero que a pesar de suponer la rotura del monolitismo del material, no supone la discontinuidad global del elemento. Es decir, existe transmisión de esfuerzos a ambos lados de la discontinuidad y por lo tanto el material trabaja de forma conjunta. En cambio en la grieta, la discontinuidad supone que el material trabaja de forma independiente a uno y otro lado de la misma.

El hormigón en masa presenta una buena resistencia a compresión, como les ocurre a las piedras naturales, pero ofrece muy escasa resistencia a tracción, lo que sumado a la reducida tenacidad produce la que puede ser la característica más negativa del hormigón, la fisuración. Debido a ello el hormigón en masa resulta inadecuado  para piezas que hayan de trabajar a flexión o tracción, pero si se refuerza disponiendo barras de acero en las zonas de tracción, el material resultante, hormigón armado, está en condiciones de resistir los distintos esfuerzos que se presentan en las construcciones. 

La adherencia hormigón-acero es el fenómeno básico sobre el que descansa el funcionamiento del hormigón armado como material estructural. Si no existiese adherencia, las barras serían incapaces de tomar el menor esfuerzo de tracción, ya que el acero deslizaría sin encontrar resistencia en toda su longitud y no acompañaría al hormigón en sus deformaciones, con lo que, al fisurarse éste, sobrevendría bruscamente la rotura (salvo que existiese algún mecanismo de anclaje distinto al anclaje por adherencia, cosa extraordinariamente rara). Por el contrario, gracias a la adherencia son capaces las armaduras de trabajar, inicialmente, a la vez que el hormigón; después, cuando éste se fisura, lo hace de forma más o menos regularmente distribuida a lo largo de la pieza en virtud de la adherencia; y la adherencia permite que el acero tome los esfuerzos de tracción manteniendo la unión entre los dos materiales en las zonas entre fisuras. 

Las causas de la fisuración pueden ser muy variadas y la determinación de su origen no siempre es fácil aunque, en general, puede decirse que las mismas causas producen idénticos tipos de fisuras, por ello si estudiamos detenidamente la fisuración producida en el elemento, llegaremos a averiguar el origen de la misma. 

Hay que señalar que las fisuras de amplitud inferior a 0.05mm se consideran como microfisuras y no son perceptibles a simple vista, careciendo por otra parte de importancia salvo en la interrupción que producen del monolitismo e impermeabilidad del hormigón. Las fisuras de amplitud comprendida entre 0.1 y 0.2 mm no suelen ofrecer peligro de corrosión de armaduras en hormigón armado, salvo que se dé la circunstancia de que el medio sea agresivo.

La fisuración aparece en el hormigón cuando se crean en él tensiones, generalmente de tracción, que es incapaz de resistir. Si las causas que crean estas tensiones pueden ser muy variadas, aún lo son más, las que impiden que el hormigón sea capaz de resistirlas y no llegaremos en este caso estudiarlas.

A veces, la fisuración es consecuencia de una acción aislada, en otras ocasiones, lo es de varias acciones combinadas; así, una microfisuración de origen estático puede ser la puerta de entrada de agentes agresivos que corroyendo las armaduras den lugar a una fisuración más enérgica.

Las diversas causas que provocan la fisuración, pueden estar relacionadas, bien con las acciones directas (cargas) o indirectas (asiento de apoyos, temperatura y la retracción de secado, que se producen en el hormigón endurecido), bien con otras razones que, más que con el proyecto, tienen que ver con la ejecución de la estructura o con una dosificación inadecuada. Estas fisuras, relacionadas con la ejecución y la dosificación, son entre otras, las de afogarado o retracción plástica (provocadas en elementos superficiales recién hormigonados); las de asentamiento plástico (paralelas a las armaduras del paramento superior en losas); las relacionadas con movimientos del encofrado; o las que provienen de una fuerte retracción temprana provocada por una excesiva dosificación de cemento (muy usuales en losas de forjado en las que se exige una gran resistencia inicial y, por precaución, se dosifica el hormigón con una excesiva cantidad de cemento que da lugar a un hormigón demasiado frágil).

Por otra parte, un contenido de cemento demasiado bajo, produce un hormigón permeable. Esto plantea un dilema, porque cuando se añade suficiente cemento para conseguir la impermeabilidad necesaria, el hormigón ya es demasiado propenso a fisurarse. Y es que, como dijo irónicamente P. Kumar Mehta (1996), "... más del 75 por ciento de las aplicaciones del hormigón de alta resistencia, han sido con el propósito de obtener durabilidad, no resistencia".

Antiguamente, el problema del hormigón era que no alcanzaba la resistencia suficiente por lo que con el paso del tiempo los fabricantes de cemento, respondiendo a la demanda pública de un cemento de más resistencia y más rápida hidratación, comenzaron a aumentar el silicato tricálcico  y la finura del cemento. Esto sumado a una mayor dosificación de cemento, dio lugar al hormigón frágil que se fisura con facilidad. Así pues, parece que hemos ido demasiado lejos en nuestra búsqueda de la resistencia.

Todas las fisuras relacionadas con la ejecución y la dosificación (que son las más abundantes en estructuras de hormigón), suelen ser superficiales e incontrolables por medio de armadura, siendo frecuente su aparición en fases muy tempranas del proceso de endurecimiento del hormigón. En definitiva, estas fisuras están relacionadas con la fase plástica del hormigón y, por ello, tienen un tratamiento numérico inabordable, debiendo efectuarse el control de su anchura mediante normas de buena práctica constructiva y una correcta dosificación.



Así, podemos establecer la siguiente clasificación de las fisuras que aparecen en el hormigón:

Fisuras no estructurales. Son las producidas en el hormigón, bien durante su estado plástico, bien después de su endurecimiento, pero generadas por causas intrínsecas, es decir debidas al comportamiento de sus materiales constituyentes.

            • Estado plástico:
                     - Asiento plástico.
                     - Retracción.
            • Estado endurecido:
                     - Contracción Térmica Inicial.
                     - Retracción Hidráulica.
                     - Fisuración en mapa.

Fisuras estructurales. Son las producidas debido al alargamiento de las armaduras o a las excesivas tensiones de tracción o compresión producidas en el hormigón por los esfuerzos derivados de la aplicación de las acciones exteriores o de deformaciones impuestas.

El diseño de las estructuras de hormigón armado exige garantizar unas adecuadas condiciones de seguridad de éstas, así como unas apropiadas condiciones de servicio. El uso de la estructura puede verse afectado por una fisuración excesiva, deformaciones elevadas, oscilaciones perturbadoras, reducida capacidad frente a fuego, corrosión del acero, etc. Aunque disponemos de muchas herramientas para impedir que se produzcan estos fenómenos, algunos de ellos son inevitables, y lo más que podemos hacer es controlarlos y mantenerlos dentro de límites aceptables.

Es el caso de la fisuración, sin embargo, pese a que se trata de un proceso casi inevitable, debemos diseñar las estructuras limitando la posible abertura máxima de éstas por razones de durabilidad, estanqueidad, estética y para reducir el riesgo de que el usuario identifique la presencia de fisuras en una estructura, con el riesgo de hundimiento de la misma, este riesgo suele denominarse efecto psicológico.

ANÁLISIS ESTRUCTURAL (MEF)

Este post incluye el análisis estructural realizado por el método de los elementos finitos que he introducido en el anterior post y en el que contemplaré las 3 fases del mismo: PREPROCESO, PROCESO Y POSTPROCESO.

PREPROCESO

Esta fase está formada por el establecimiento del modelo, en el que construiremos la “geometría” del problema, creando líneas, áreas o volúmenes a partir de la información gráfica disponible, con la ayuda de un programa de diseño asistido por ordenador (CAD).

A continuación vemos el modelo de la parte estructural a analizar introducida en el programa de análisis mediante elementos finitos.

Podemos apreciar la diferencia entre los dos materiales, por un lado la sillería de la estructura original y por otro el hormigón que conforma el “zunchado” posterior.

Sobre este modelo crearemos la malla de elementos finitos, interesándonos efectuar un mallado más minucioso, con elementos de menor tamaño en aquellos puntos donde se preve que tendremos problemas, concentración de tensiones o simplemente mayor compromiso estructural.

PROCESO

En esta fase del análisis introduciremos las cargas o acciones que actúan en nuestra estructura. Ha llegado el momento de dividir el trabajo, ya que lógicamente no consideraremos las mismas cargas para analizar el efecto producido por las cargas verticales en cubierta, que para evaluar el efecto producido por un incremento de las cargas de viento. Mientras que la carga del peso propio, está presente y es común en ambos casos.

 CARGAS EN CUBIERTA

En este caso, se considera la actuación de cargas verticales regularmente distribuidas en cubierta.

CARGAS DE VIENTO

En este caso, como hemos venido explicando, estudiaremos el efecto que produce un incremento de la presión en un faldón y succión en el opuesto, producidas por el viento.

Observamos en la imagen la presión en el faldón sur de la cubierta (rojo),  y la succión en el faldón norte (azul).

POSTPROCESO

En esta tercera y última fase del análisis, una vez conocidos todos los condicionantes, geometría, materiales, acciones… obtendremos los resultados. Dichos resultados serán mostrados en imágenes y necesariamente volveremos a dividir nuestro análisis en las dos partes ya conocidas.

A la hora de evaluar los resultados, dado que podemos obtener numerosos gráficos, nos centraremos en el de la deformación por ser el que más claramente muestra el comportamiento de la estructura.

Antes de proceder a analizar las hipótesis citadas veremos los gráficos de deformación y de primera tensión principal, de la estructura sometida únicamente a peso propio. 

El gráfico de primera tensión principal proporciona el valor de la tensión que es normal al plano en el que la tensión de corte es cero. La primera tensión principal ayuda a comprender la tensión de elasticidad máxima inducida en la pieza por las condiciones de carga.

PESO PROPIO

Vista isométrica del gráfico de deformaciones 

Gráfico de deformaciones en el pórtico transversal

Isometría de la primera tensión principal

Primera tensión principal en pórtico transversal

La máxima deformación de la estructura, sometida únicamente a peso propio no llega al milímetro. Apreciamos claramente que la zona más sensible a la deformación es la más cercana al presbiterio, donde se forma la cubierta a cuatro aguas, elevada sobre la de dos, que podemos ver en la siguiente imagen.

Por otra parte, en el pórtico transversal como es lógico, debido a los empujes de los arcos, apreciamos como las pilas adquieren un desplome hacia los arcos menores, dado que el empuje ocasionado por el gran arco central es mayor. Este desplome es claramente visible en el templo y éste es su origen. 

Aparecen concentraciones de tensiones en las zonas de las claves de los arcos apuntados, estas tensiones, si toman un valor lo suficientemente importante, son las que producen el fallo o colapso de los arcos apuntados.

Por último, observamos que existen concentraciones tanto en la pila, como en el tímpano que se sitúan bajo la cubierta de cuatro aguas, zona donde hemos dicho que se producía mayor deformación vertical.

INCREMENTO DE CARGAS VERTICALES EN CUBIERTA

Las siguientes imágenes muestran la deformación ocasionada en la estructura, sometida a unas cargas verticales, distribuidas de la manera ya descrita, de valor  del orden de 1000KN.

INCREMENTO DE LAS CARGAS DE VIENTO

 Deformaciones producidas por un incremento de las cargas de viento

Observamos que la deformación de la estructura cambia con respecto a la hipótesis anterior, de hecho como es lógico,ésta se aprecia principalmente en los pórticos transversales, que es en los que actúa la presión/succión, produciendo el desplazamiento de éstos hacia la zona norte ya que se considera que el viento ejerce la presión/succión hacia esa zona.

El valor de la presión y de la succión considerados es del orden de los  100 KN/m², produciendo deformaciones máximas en torno a los 7mm. 

Cabe resaltar que en este caso, al prevalecer la acción impuesta sobre la del peso propio, las tensiones producidas cambian sustancialmente y aparecen puntos de concentración en los pórticos longitudinales, allí donde acometen los transversales. En estos últimos las mayores tensiones aparecen en la zona de los soportes cercana a los apoyos, que hemos considerado empotrados. Siendo el lado sur zona de tracciones debido al desplazamiento hacia el norte de la estructura.

ANÁLISIS ESTRUCTURAL (MEF) (INTRODUCCIÓN)

Hoy os muestro la introducción a un análisis estructural realizado por mí mediante el método de los elementos finitos.

Cabe mencionar que parte de la documentación escrita acerca de la iglesia ha sido extraída del tomo "Comarca de Betanzos II Aranga, Cesuras, Coirós, Curtis, Oza dos Rios e Vilasantar" de la colección "Arquitecturas da provincia de A Coruña", publicada por la diputación provincial de A Coruña en 1997, contando con los directores Fernández Fernández, Xosé y Soraluce Blond, J. Ramón. 

Así como que los supuestos analizados en este caso práctico son inventados y por lo tanto, cualquier parecido con la realidad es pura coincidencia.

El edificio a analizar es la iglesia parroquial de San Nicolás de Cines. Este templo gótico fue construido en el siglo XIV, sobre un antiguo templo mozárabe, antigua iglesia del monasterio de San Salvador de Cis, del que se conservan un capitel de mármol y un modillón. 

Como la iglesia monacal, en su exterior tiene tres portadas. La principal está presidida por un rosetón y una puerta que tiene portada abocinada con pares de columnas, sobre las que descansan arquivoltas apuntadas, que enmarcan el tímpano en el que aparece la figura de San Salvador mostrando las llagas, así como las imágenes de San Benito y San Bernardo. En la fachada norte hay otra portada similar, también con dos pares de columnas para las correspondientes arquivoltas y tímpano en el que se representa una escena de adoración a los Reyes Magos. En el muro oeste se abre también un rosetón, que coincide con el testero de la nave principal.

Las bóvedas que cubren las capillas absidales son nervadas, de las llamadas de abanico, abriéndose en los vanos ventanales apuntados. Los arcos de ingreso en las capillas con apuntados, arrancando de semicolumnas adosadas.

Las naves de la iglesia se cubren con techumbre de madera a dos vertientes, sostenida por arcos apuntados que arrancan de pilares de núcleo cuadrangular, con semicolumnas en los frentes y en los ángulos formando haces.





Junto a la iglesia se encuentra la Rectoral de Cines, relacionada también con el antiguo monasterio y hoy restaurada y rehabilitada como establecimiento de turismo rural.

Como suele ser habitual en edificios de esta edad y construidos con fin religioso, la estructura es de fábrica, en concreto de fábrica de sillares de granito silvestre moreno.


Para llevar a cabo el análisis no se han realizado ensayos que nos permitan determinar con certeza las características y resistencia reales de los materiales, si no que nos basaremos en datos genéricos de cada material.

De esta manera no es tan importante el número exacto, si no el orden de la magnitud y el comportamiento mecánico de la estructura. Por ello y debido a que se debe utilizar un método que contemple la teoría de la elasticidad de sólidos deformables, utilizaremos el  Método de los Elementos Finitos (FEM, siglas en inglés).


Los programas de análisis por elementos finitos permiten obtener soluciones aproximadas de problemas que sean susceptibles de ser representados por un sistema de ecuaciones diferenciales. El término elemento finito resume el concepto básico del método, la transformación de un sistema físico, con un número infinito de incógnitas, a uno que tiene un número finito de incógnitas relacionadas entre sí por elementos de un tamaño finito. En concreto, consiste en la discretización de nuestra estructura en una malla de elementos finitos.

De esta manera,  conseguiremos analizar nuestra estructura obteniendo resultados aproximados del comportamiento mecánico de la misma. Entendiendo por estructura las pilastras como elementos verticales y los arcos apuntados como elementos de transmisión de esfuerzos en horizontal.


A pesar de no ser así, consideraremos que la fábrica con las piezas que la conforman, poros y juntas, es un material continuo y homogéneo que se comporta igual en todos los puntos. Esto es lo que se denomina macromodelización y nos basta para el alcance de este análisis.


PARTES A ANALIZAR


La iglesia, si nos olvidamos de la cabecera tripartita, está formada por una gran nave principal y una pequeña adosada en el lado del evangelio. La nave principal, como podemos ver en la planta de la derecha, está formada principalmente, por los muros perimetrales y 4 pórticos que se cruzan 2 a 2. Que serán objeto del análisis, ya que los principales problemas en este tipo de edificios surgen de los empujes horizontales de los arcos, difíciles de contrarrestar.




Es importante destacar que en una rehabilitación de la  cubierta, se ha hecho un recrecido superior de hormigón de unos 30cm de los pórticos a analizar, a modo de zuncho. La idea de este recrecido es que funcione cercando la estructura y ayudando a la trabazón entre piezas, evite que los pórticos se abran. Es complicado tener en cuenta este efecto de cercado en el análisis mediante MEF, pero de todas maneras, introduciremos este recrecido superior de hormigón, para obtener los resultados más reales posibles.

Mediante el análisis que realizaremos, descubriremos el efecto producido en nuestra estructura por el incremento de las cargas verticales en cubierta.

Así como el efecto producido en nuestra estructura por un incremento de las cargas de viento, provocando presión en un faldón y succión en el contrario. Como suele ser habitual en la provincia de A Coruña, consideraremos que el viento presiona los faldones de la zona sur, de los pórticos con dirección N-S, y succiona los faldones de la zona norte, de los mismos pórticos.

Para el desarrollo del análisis contemplaremos 3 fases, preproceso, proceso y postproceso, como suele ser habitual en la utilización de este tipo de métodos y que veremos en próximos posts.

PANELES DE YESO RETENEDORES DE ENERGÍA

Hoy os muestro una noticia publicada en www.construarea.com en la que nos dice, que investigadores del grupo de Construcción y Tecnologías Arquitectónicas de la ETS de Arquitectura de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), han patentado paneles de yeso capaces de almacenar energía térmica que pueden reducir hasta un 40% el consumo energético del edificio.

La investigación del grupo de Construcción y Tecnologías Arquitectónicas de la ETS de Arquitectura de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) se basa en la incorporación de materiales de cambio de fase, PCMs (del inglés, Phase Change Materials), a los paneles. Este nuevo elemento constructivo es capaz de almacenar, en 1,5 cm de espesor, cinco veces la energía térmica de un panel de yeso convencional con el mismo espesor. Así, logra mantener la temperatura del local donde se instala en el rango de confort (20-30 ºC) sin necesidad de sistemas de climatización. Además, el plazo de amortización de la inversión es corto, entre uno y dos años.

Los paneles, de apariencia similar a los de yeso, combinados con estrategias pasivas (soleamiento, ventilación natural,…) reducen el consumo energético de los edificios hasta en un 40%, lo que contribuye a paliar el problema de la crisis energética, especialmente en España donde importamos el 80% de ella.

MATERIALES

Los PCMs son sustancias que almacenan o liberan energía térmica, en forma de calor latente. Durante el día, los “excedentes energéticos” (procedentes de la radiación solar, electrodomésticos, usuarios,…) favorecen su licuado, evitando el sobrecalentamiento del local. Durante la noche, cuando la temperatura exterior baja, se solidifican liberando la energía acumulada en el ambiente, evitando el subenfriamiento. El efecto es el de un muro grueso y pesado de gran inercia térmica. Son muchas las aplicaciones de los PCMs en diversos campos (sanitario, botánico, deportivo…). En construcción, desde inicios de los años 80, se investiga para integrarlos en diferentes elementos constructivos (hormigón, yeso, cerámica, vidrio…). Para el desarrollo del nuevo material, los investigadores de la UPM eligieron el yeso dada su disponibilidad, profusa utilización en la edificación y bajo coste, así como la facilidad de integración de nuevos aditivos. Además, su posición es siempre del lado interior del aislamiento, lo que asegura un aprovechamiento de su capacidad teórica de almacenamiento térmico de un 90-95% (capacidad térmica útil), frente a un aprovechamiento del 10-15% que se consigue cuando se coloca al exterior del aislamiento.

CERCHA-PUENTE DE ESPAGUETI

El post de hoy, a pesar de breve, espero que resulte entretenido. Se trata de una práctica especial que hemos realizado  Alberto González Fariña, Álvaro Núñez Navarro, Saúl Muñiz Eiras y yo, para la asignatura Estructuras I y II de Arquitectura técnica.

La práctica consistió en elaborar una cercha-puente de espagueti para salvar una luz de 60cm.

La confección de los nudos no contaba con una premisa inicial por parte del profesor (Manuel Muñoz), sino que la elección del sistema o material de unión entre  "barras", fue decisión de los alumnos. 

En nuestro caso, optamos por la cola termofusible debido a la facilidad constructiva y la buena adherencia que ofrecía. Así como la escasa rigidez, lo cual ayudó a que los espagueti no rompieran tan fácilmente. De manera que al permitir las deformaciones de los nudos, conseguimos que los espagueti trabajaran a esfuerzos lo más centrados posible, bien de tracción (más beneficiosa) o compresión.

Por último, la cercha-puente fue sometida a una prueba de carga con el fin de evaluar, de toda la clase, cuál soportaría más carga (colgada) y cuál alcanzaría una mayor relación carga/peso propio.

La nuestra (gr. 18), resultó ser la cercha-puente que soportó la mayor carga de clase, alcanzando nada menos que los 4653gr.

A continuación os dejo el vídeo en el que podéis ver el proceso de rotura de las diferentes cerchas realizadas por los alumnos de la clase. (La nuestra es la última).

VIVIENDA UNIFAMILIAR MODULAR

El post de hoy, recoge parte del trabajo final de curso de la asignatura "Dibujo II" de Arquitectura Técnica, realizado por mí y por Manuel Mosquera Seijo.

Se trata del proyecto de una una vivienda unifamiliar aislada, construida mediante la superposición y yuxtaposición de módulos realizados con materiales ligeros, de 2,7m x 6,0m, de manera que puedan ser transportados en camión, sin necesidad de transporte especial. 

El objetivo principal de la vivienda, es la posibilidad de construir la mayor parte de la misma en taller, para después transportar los módulos al tajo y realizar allí su montaje. Con la intención de reducir así los costes y períodos de construcción, sin penalizar la calidad.

La vivienda está formada por planta baja y planta alta según los siguientes planos. En las que se busca satisfacer todas las necesidades con el menor número de módulos, resolviendo el porche con la disposición de un módulo en voladizo y albergando el garaje bajo la terraza superior. Así, la superficie habitable de la planta superior, supera a la inferior, siendo el 56% y 44% respectivamente. 

PLANTA BAJA

PLANTA ALTA 

Por otra parte, cabe destacar que se consigue resolver ambas plantas con la misma distribución de módulos, lo que facilita considerablemente la unión  entre ellos. 

La unión vertical entre módulos queda garantizada al soldar la estructura portante del módulo superior con el inferior, que ya viene preparado de taller para tal acción.

La unión horizontal se resuelve mediante el "machihembrado" entre soportes. Para ello se realiza una caja y espiga que se asegura con un pasador de cabeza plana, que quedará enrasado.

Tras hormigonar la cimentación, única fase constructiva que se realiza en obra, consistente en una losa maciza con plintos o macizos, en los que se anclarán los módulos de planta baja, ya podemos iniciar el montaje. Con la esperanza de que se finalice el mismo y por lo tanto se podrá entrar a vivir  en un período máximo de 2 meses.

Los apoyos articulados permiten la libre dilatación de las vigas mientras que el movimiento de los módulos se impide mediante perpendicularidad entre ejes de giro.

La estructura portante vertical se compone de soportes metálicos tubulares cuadrados, de 10x10 cm y espesor 8mm. 

El cerramiento de fachada está  formado por  muros de tablero fenólico hpl (marino) de 5cm de espesor, fijados mecánicamente a los soportes metálicos de 10x10cm  y a unos soportes complementarios de 5x5cm con intereje de 40cm. Dichos soportes complementarios dispondrán de aislamiento térmico intermedio a base de lana de roca mediante panel semirrígido, espesor 30 mm e incluso en su interior a base de poliuretano proyectado, a continuación se deja una cámara de aire. Por último se dispondrán dos planchas de 12mm de espesor de cartón-yeso fijado a los soportes complementarios mediante perfiles conformados omega, en la cara exterior de la hoja interior se dispondrá una barrera de vapor con el objeto de evitar las condensaciones en la cámara de aire. 

Las vigas están formadas por el mismo perfil que los soportes, cerrando paños de forjado metálico.

Los forjados son unidireccionales formados por viguetas metálicas, de perfil tubular cuadrado 5x5cm y 8mm de espesor, con un intereje de  44cm. y aislamiento a base de poliuretano proyectado entre las mismas. Sobre dichas viguetas se dispone un tablero fenólico de 5cm de espesor sobre el cual se aloja un serpentín de tubo de cobre ø 2cm en el recrecido de mortero M16, que conforma la calefacción de suelo radiante. A continuación se extiende una lámina de protección de 1.2mm. 

Sobre dicho forjado irá solado en las zonas húmedas con su correspondiente mortero de agarre o bien suelo laminado sobre lamina de espuma de polietileno. 

Por último decir que los puentes térmicos en los soportes y vigas de fachada, se resuelven mediante la disposición de una lámina de composite tipo "Alucobond", que alberga el aislamiento térmico.