30.4.13

DAÑOS A ELEMENTOS ESTRUCTURALES POR ESFUERZO CORTANTE

1.- GENERALIDADES
INTRODUCCIÓN
Ya adelantamos en la ficha anterior que producen solicitación cortante las fuerzas contenidas o paralelas a una sección transversal recta, originando tensiones tangenciales o cortantes.
Dada la extensión del tema a tratar, vamos a desglosar esta monografía en dos partes.
En esta primera parte, se analizarán los posibles daños producidos en diferentes elementos estructurales debido a este esfuerzo, mientras que en la segunda parte estudiaremos la prevención y técnicas de reparación más usuales empleadas para paliar este tipo de daños.
Los elementos estructurales principalmente afectados por el esfuerzo cortante, entre otros, y de los que vamos a analizar los daños producidos por el mismo, son:
- Viga: elemento lineal horizontal, normalmente trabaja a flexión y cortante (y dependiendo de sus condiciones de entorno también a torsión).
Las tensiones cortantes puras son difíciles de encontrar pues la cortadura pura suele ir acompañada de fenómenos de flexión (cuando hay momentos flectores siempre se da cortante).
En las piezas de hormigón armado la función, entre otras, de resistir los esfuerzos cortantes la tiene la armadura transversal (cercos o estribos). Una pieza no necesitará armadura de cortante (salvo los mínimos que correspondan) cuando las tracciones que se generen en el alma de sus secciones perpendiculares a las bielas de compresión se encuentren por debajo de la capacidad resistente del hormigón para resistirlas.
Podemos hacer referencia en este punto a los pilares apeados, que a día de hoy se están convirtiendo en elementos de uso cotidiano, usándolos indiscriminadamente en un intento de adaptar la estructura a la distribución y no al revés, como criterio lógico constructivo.
Hablamos de apeos en pilares cuando un soporte acomete a la directriz de una viga sin que exista continuidad inferior directa. Principalmente el cortante va a penalizar la viga (aunque también el punzonamiento, por ejemplo en caso de vigas planas con escuadrías mínimas, esfuerzo que consideraremos en fichas posteriores).

Fig. 1.- Pilares apeados en la última planta de un edificio.

- Pilar: elemento vertical, en el que la rotura por cortante no es frecuente, suele producirse en:
o pilares extremos de última planta de cubierta a los que acometen vigas de grandes luces.
o pilares extremos con poca altura que arrancan de la cimentación y le acometen vigas de grandes luces o pilares cortos que arrancan de muros de contención.
o pilares sometidos a empujes horizontales (tierras, sismo).
o pilares de edificaciones situadas en laderas, por deslizamiento de las tierras.
- Ménsula: elemento en voladizo cargado en su extremo, cuyo vuelo es como máximo igual a su altura. Suele ejecutarse en juntas de dilatación, para evitar realizar otro pilar contiguo.
Al aplicar la carga fuera del eje del pilar se crea una excentricidad que origina un momento. La disposición del estribado en estos elementos ha de ser horizontal.
- Forjado unidireccional: elemento estructural generalmente horizontal y plano que tiene como función principal recoger y transmitir las cargas a vigas o jácenas y de éstas a los elementos verticales, en las diferentes plantas, en el que la transmisión de cargas se lleva a cabo mediante la disposición de viguetas (ya sean semirresistentes o autorresistentes) u otros elementos lineales (placas alveolares, prelosas...) en una dirección. Entre estas es habitual disponer bovedillas ya sean cerámicas, de hormigón o de poliestireno para aligerar el peso del forjado.
- Forjado bidireccional: elemento estructural generalmente horizontal y plano que tiene como función principal recoger y transmitir las cargas de las diferentes plantas a los elementos verticales, en el cual la transmisión de cargas se dispone en dos direcciones perpendiculares entre sí. Existen dos variantes: mediante nervios ortogonales o losas macizas, dependiendo de si se disponen elementos de aligerado o no.
2.- DESCRIPCIÓN Y ORÍGEN DE LOS DAÑOS
VIGAS
Fisuras.
El riesgo de las fisuras por cortante es más elevado cuanto menos armadura transversal exista en la pieza, con una cuantía más elevada se obtiene mayor tiempo de aviso y en ausencia de esta armadura la rotura será inmediata, por lo que se ha de tener muy en cuenta en aquellas piezas, como viguetas, nervios o losas, que no llevan esta disposición de armado.
En las vigas de hormigón armado se distinguen dos tipos de esfuerzo cortante: el producido por excesiva tracción diagonal y el producido por una compresión excesiva de la biela:
o Las primeras fisuras tienen una inclinación entre 45º y 75º hacia el pilar, si no existe un momento flector apreciable o si existe, respectivamente. Son de ancho variable, mayor a nivel de la armadura de tracción (zona central) y que generalmente se cierra al llegar a la cabeza comprimida. Suelen presentarse varias fisuras paralelas pero con una separación apreciable.
o Las producidas por una compresión excesiva son fisuras de 45º con un ancho constante a lo largo de la misma, y en general muy fino (entre los 0,05 y 0,1 mm) que no suelen alcanzar los bordes superior e inferior de la pieza. Suelen aparecer varias paralelas.

Fig. 2.- Fisuras de la derecha: fisuras finas por compresión excesiva de la biela. Fisuras de la izquierda: fisuras de cortante por excesiva tracción diagonal.

Cuando se combinan tensiones de tracción por flexión y tracción diagonal, aparecen fisuras de cortante mezcladas con las de flexión, siendo de ancho variable (mayor a nivel de armadura de tracción) y presentándose en zonas de hormigón fisurado por la acción de momentos flectores.

Fig. 3.- Fisuras anteriores por esfuerzo cortante, combinado con momentos flectores de cierta entidad.

En el caso de cargas concentradas, debido a la excesiva tracción diagonal junto con el efecto local de la transmisión de la carga, aparecen fisuras de 45º, a nivel de armadura de tracción, que luego se curva dirigiéndose hacia la carga concentrada. Tienen un ancho máximo variable a nivel de armadura de tracción, reduciéndose al llegar a la cabeza comprimida.
Las vigas que no disponen de cercos anclados suficientemente al tender a salirse del hormigón rompen la esquina de la pieza, apareciendo por tanto la esquina partida cerca del apoyo, siendo más acusado cuando todos los estribos se han anclado a la misma barra longitudinal.
En vigas planas, vigas cuyo canto es igual al espesor del forjado que adquieren su resistencia aumentando su anchura y cargándose de unas cuantías de acero muy elevadas, pueden aparecer fisuras longitudinales en la parte superior y en medio de las mismas.


Fig. 4.- Fisuras a cortante en vigas.

En general, el origen de la insuficiente resistencia a cortante en las vigas puede ser:
- Colocación de estribos de menor diámetro y a mayores separaciones de las necesarias.
- Ejecución de estribos de dos ramas cuando deberían ser de cuatro.
- Colocación de cercos sin cerrar o con escasa longitud de anclaje.
- Viga de menor dimensión que la indicada.
- Hormigón de menor resistencia que el estimado en los cálculos.
- Aplicación de una sobrecarga mayor a la estructura por cambio de uso del edificio.
- Cálculo erróneo.
FORJADOS UNIDIRECCIONALES
Hundimiento instantáneo.
En un forjado el esfuerzo cortante es absorbido por el hormigón y la armadura transversal de las viguetas, pero si ésta no existe el esfuerzo lo deberá asumir solamente el macizado de hormigón dispuesto y si supera su resistencia, se produce la rotura frágil.
El origen de este daño se encuentra en:
- cargas excesivas o sobrecargas no consideradas
- empleo de hormigones de menor resistencia
- no empleo de armadura transversal
- luces superiores a las empleadas en cálculo
- secciones insuficientes

Fig. 5.- Hundimiento de forjado.

MÉNSULAS
Fisuras
Son finas y con tendencia a los 45º llegando a seccionar el elemento. Se producen por escasez de armadura transversal, mala colocación de la misma o por una sección insuficiente.
FORJADOS RETICULARES
Rotura.
Los nervios que llegan al ábaco, si no tienen armadura transversal, al ser estas secciones las que están sometidas a la concentración de tensiones tangenciales más importantes, pueden romper por cortante, siendo la rotura a 45º.
Difícilmente se puede observar, por ser corto el tiempo de aviso.
Se debe a la omisión de la armadura transversal, empleo de hormigón de menor resistencia, defectos de mal vibrado o por aplicar cargas mayores a las previstas.
PILARES
Fisuras / Rotura
Las fisuras comienzan en el centro de la pieza, progresa por sus dos extremos llegando a unir el apoyo con la carga, dividiendo en dos partes el elemento (puede llegar a ser un proceso instantáneo, por lo que es muy peligroso).
No es frecuente. En los casos comentados en el párrafo anterior los pilares están sometidos a tensiones tangenciales apareciendo fisuras inclinadas, con tendencia a los 45º, en las dos caras opuestas, desplazándose una parte del pilar sobre la otra cuando el estado es muy avanzado.
En casos muy aislados, las fisuras se manifiestan con rotura inclinada con aproximación a los 60º, en hormigones muy secos con resistencias muy altas.
En terrenos con mucha pendiente en los que se producen deslizamientos debido al desplazamiento de las zapatas y por tanto de los pilares, se producen fuertes momentos y cortantes, produciéndose la rotura, con una inclinación aproximada de 55º , debiendo solucionarlo cuanto antes para frenar el avance de los daños que incluso puede dar lugar a la ruina del edificio.
El origen de los daños en pilares producidos por este esfuerzo suele ser:
- asientos del terreno
- deslizamientos del terreno
- cargas excesivas o sobrecargas no consideradas
- empleo de hormigones de menor resistencia
- no empleo de armadura transversal
- luces superiores a las empleadas en cálculo
- secciones insuficientes
MUROS
Fisuras / Rotura
Los muros han de calcularse a esfuerzo cortante. La fábrica de ladrillo rompe fácilmente por su escasa resistencia a esta solicitación. Debido a empujes parciales se presentan fisuras en vertical y en horizontal, cerradas y en distintos planos. Estas fisuras se deben a una sección insuficiente para soportar el esfuerzo cortante o la aplicación de carga excesiva.
En el caso de muros de contención de fábrica de bloques, debido al poco peso y a la falta de resistencia a cortante de la misma, por el empuje de las tierras que contiene, romperá con una grieta cerrada en horizontal en distintos planos, desplazándose la parte superior.

Fig. 5.- Desplazamiento de la parte superior del muro de contención ejecutado con bloques.

Cuando se trata de muros con puntera, si el axil del pilar que apoya sobre el muro es elevado y la puntera tiene poco espesor romperá por cortante, quedando una parte del cimiento inutilizada y la otra parte sometida a tensiones muy elevadas, lo que plantearía una situación de alto riesgo. Si el muro es de poca altura y escasa armadura horizontal, puede producirse la rotura con tendencia a los 45º.