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PROYECTO HORVITAL SP4: Estudio del efecto tamaño en la modelizacion del esfuerzo cortante en estructuras de hormigón.

¿En qué consiste una rotura por esfuerzo cortante?

Imaginemos que, para cruzar un río, un excursionista apoya un tronco no muy grueso sobre rocas en las dos orillas de opuestas. A medida que se acerque al centro del tronco el explorador notará como se comba su puente, e incluso puede llegar a romperse si la madera no es lo suficientemente resistente. Este fenómeno se denomina rotura a flexión, y es la imagen más habitual que nos viene a la mente si pensamos en la rotura de una viga.

Figura 1.- Rotura a flexión, con fisuras verticales en la cara inferior del centro de la viga

Existen, sin embargo, otras formas de rotura. Una de ellas, de la que se ocupa este proyecto, es el fallo por esfuerzo cortante. Al contrario que la rotura a flexión, que suele aparecer en el centro de la viga, las roturas por cortante tienden a manifestarse cerca de los apoyos o cuando hay cargas elevadas muy concentradas en un punto. Además, la deformación en el momento de la rotura es muy reducida: es posible que no se pueda percibir a simple vista la curvatura que sí se aprecia en muchas roturas a flexión.

Figura 2.- Rotura a cortante, con poca deformación y fisuras diagonales

¿Qué es el efecto tamaño? ¿Por qué es importante su estudio?

A la hora de diseñar elementos estructurales, los ingenieros tenemos en cuenta todos los posibles modos de fallo. Sin embargo, no somos capaces de predecir cada uno de ellos con igual precisión. Hoy en día, es mucho más sencillo pronosticar el valor de carga que producirá una rotura a flexión en una viga de hormigón armado que el valor que producirá una rotura a cortante. Esto es porque el modelo de cálculo (la imagen física y matemática que nos permite representar la realidad con números y gráficos en un papel) de flexión es más preciso que el modelo de cálculo que usamos para el cortante, en el que intervienen fenómenos más complejos.

Uno de los fenómenos peor representados en los modelos de cálculo de rotura a cortante es el efecto tamaño. Con el paso del tiempo, se ha descubierto que las fórmulas que se suelen emplear predicen con peor exactitud la rotura a cortante en elementos grandes que en elementos pequeños. Es más: las fórmulas sobreestiman la capacidad de los elementos grandes, es decir, se predicen cargas de rotura que las vigas grandes no llegan a alcanzar, lo que puede resultar muy inseguro.

Para evitar riesgos, la solución práctica consiste en sobredimensionar, es decir, aumentar la cantidad de material resistente (hormigón y acero) por encima de lo que nos indican los cálculos, y hacerlo de acuerdo a evidencias experimentales que, por la dificultad y coste de los ensayos, son escasos. En la actualidad queremos evitar el uso excesivo de recursos naturales y limitar la huella de carbono, así que esta solución se antoja poco sostenible.

Un mejor conocimiento del efecto tamaño nos permite hacer dos cosas:

  1. Reducir el uso de materiales y energía en nuevas estructuras.
  2. Predecir con fidelidad la capacidad resistente de estructuras ya construidas, lo que abre la puerta a su rehabilitación o su adaptación a nuevos usos en vez de su demolición y construcción de una nueva.

Cómo estudiar el efecto tamaño: el proyecto HORVITAL-SP4

Uno de los motivos por los que no se conoce bien la influencia del efecto tamaño es su misma naturaleza: para aprender sobre él, es necesario comparar roturas en elementos reducidos con elementos a gran escala.

Existe mucha información sobre roturas a cortante en determinados rangos: vigas de entre 30 cm y 50 cm de canto («altura» de la viga). Estos son los tamaños más manejables en laboratorios: hay que tener en cuenta que según aumenta el tamaño de la viga, es necesario más espacio, más capacidad de transporte (llegando incluso a usarse puentes grúa) y, sobre todo, equipos de laboratorio que permitan aplicar las enormes cargas necesarias para llevar las vigas hasta la rotura.

El proyecto HORVITAL es un proyecto financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación en el que participan la Universidade da Coruña (UDC), la Universidad Politécnica de Valencia (UPV), la Universitat de les Illes Balears (UIB) y la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), coordinado por esta última, destinado a profundizar en diferentes aspectos de las estructuras de hormigón para la extensión de su vida útil. El subproyecto SP4, desarrollado por el equipo de la UDC, tiene como misión específica profundizar en el efecto tamaño. Para ello, se han fabricado una serie de vigas de gran tamaño, divididas en tres series (S, M, L) por sus siglas en inglés (Small, Medium, Large):

  • Serie S: 5 vigas de 6.00 m de longitud, 1.00 m de canto y 0.24 m de ancho.
  • Serie M: 3 vigas de 9.00 m de longitud, 1.50 m de canto y 0.24 m de ancho.
  • Serie L: 2 vigas de 12.00 m de longitud, 2.00 m de canto y 0.24 m de ancho.

Se utilizan múltiples muestras de un mismo tamaño porque, además de las dimensiones, se varía la configuración de la armadura de acero que se encuentra en el interior de la viga.

Algunos de los ensayos planteados en el proyecto son singularidades internacionales:

  • La viga de la serie L sin armadura transversal (barras verticales) es la viga sin armadura más grande del mundo ensayada a cortante en un laboratorio.
  • La viga de la serie L con armadura transversal, que se romperá en público el 29 de enero de 2020, es la viga con armadura transversal más grande ensayada a cortante en un laboratorio europeo.
  • Algunas de las vigas de todas las series se repararán exteriormente con Polímeros Reforzados con Fibra de Carbono y se volverán a ensayar. Otras se reforzarán exteriormente con Aleaciones con Memoria de Forma. En ambos casos, serán las vigas reforzadas más grandes del mundo ensayadas en un laboratorio.

En las fotos 3, 4 y 5 se muestran algunos detalles del ensayo de una viga de la serie M.

Figura 3.- Preparación del ensayo de una viga de la serie M del proyecto HORVITAL-SP4
Figura 4.- Fisuras de cortante previas a la rotura en una viga de la serie M
Figura 5.- Fallo por cortante de una viga de la serie M. Carga de rotura: 114.7 T

El concurso HORVITAL del Grupo de Construcción gCONS

La predicción de la resistencia a cortante es uno de los temas abiertos más importantes en el ámbito del hormigón estructural. Muchos grupos de referencia a lo largo del mundo investigan en este tema. Además del modelo desarrollado por el equipo de Antonio Marí en la UPC objeto del proyecto HORVITAL, otros equipos de referencia que trabajan en este tema son el de Vecchio y Collins en la University of Toronto, el de Zdenek P. Bažant en la Northwestern University de Illinois o el de Aurelio Muttoni en la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. Aunque parezca sorprendente, estos diferentes equipos mantienen en ocasiones un encendido debate que se pone de manifiesto en la literatura científica y en los congresos.

Puesto que los ensayos de HORVITAL son singulares, el equipo gCONS de la Universidade da Coruña ha decidido lanzar un reto científico. Se han publicado los datos básicos del último ensayo sobre vigas de la serie L, de gran tamaño, y todos los especialistas que lo deseen pueden enviar sus predicciones. Los detalles se encuentran en la siguiente web:

http://www.gcons.udc.es/contest-horvital/

Figura 6.- Cabecera del concurso HORVITAL

El número de participantes exacto no se sabrá hasta el último momento, pero consta que están trabajando en el problema investigadores, expertos desarrolladores de software e incluso estudiantes de todo el mundo. Las propuestas recibidas se recopilarán y publicarán (con permiso de los participantes) para uso de la comunidad científica.

PARA MÁS INFORMACIÓN:

Detalles sobre el concurso y el proyecto:

http://www.gcons.udc.es/contest-horvital/

Contacto:

Fernando Varela Puga (f.varela.puga@udc.es)
Manuel F. Herrador (mherrador@udc.es)
Fernando Martínez-Abella (fmartinez@udc.es)