LA FISURACIÓN COMO ESTADO LIMITE DE SERVICIO
La fisuración es una situación que puede poner fuera de servicio a una estructura, no por colapso, ni por falta de estabilidad, sino por razones funcionales de comodidad, aspecto o durabilidad. Llamada comúnmente ¨serviciabilidad¨. Para evitar fisuración excesiva del concreto deben disponerse las armaduras de tracción de forma que se limite el ancho de las mismas o usar un refuerzo randómico con fibras que inhiban o controlen la formación de las fisuras.
De esta forma se evita que la fisura penetre hasta llegar a la armadura y se puedan producir fenómenos de corrosión. No se debe olvidar que en la zona de tracción el concreto estará siempre fisurado, pero se puede conseguir que estas fisuras sean lo suficientemente pequeñas para no alterar la durabilidad del elemento estructural.
Por tratarse la fisuración de un problema de servicio y no de agotamiento. La fisuración puede afectar a la durabilidad de las estructuras, aunque lo más común es que se vea afectado el aspecto. Este estado límite se comprueba mediante la verificación del denominado ancho de fisura.
La aparición de fisuras en las estructuras de concreto armado o reforzado es algo inherente al material de que están compuestas. Esto es debido a que la deformación del concreto correspondiente a la tensión de fisuración es del orden de 0.1 ‰, mientras que el acero se plastifica para una deformación del orden del 2,0 ‰. Esto quiere decir que en condiciones de servicio, teniendo en cuenta un coeficiente de seguridad frente a cargas externas del orden de 1.4 y un coeficiente de reducción de la resistencia del material de 1.15, el acero trabaja a una deformación del orden de 2,0 ‰ / 1.4 / 1.15 =1.24 ‰, un valor muy superior al de fisuración del concreto. Queda claro entonces que las estructuras de concreto reforzado deben estar fisuradas, al menos en la proximidad de las secciones críticas, para cargas de servicio. Entonces la utilización de armaduras con aceros de alta capacidad resistente requiere que el concreto que las rodea alcance deformaciones importantes superiores a las compatibles con su capacidad resistente a tracción. Superada esa capacidad el concreto falla y se produce la fisuración.
Pretender diseñar una estructura de manera que la máxima deformación del acero no sobrepasa la correspondiente a la de la rotura del concreto a tracción, supondría desperdiciar gran parte de la capacidad resistente de las armaduras. Cuando se desea evitar la fisuración se recurre a soluciones como el concreto pretensado o Postensado, en el caso de los elementos restringidos internamente.
Dada la variabilidad inherente a la fisuración, actualmente el Comité ACI 318 cree que los tres parámetros importantes en la fisuración por flexión son la tensión en el acero, el recubrimiento y la separación de las barras.
Entonces hablando del recubrimiento como parámetro fundamental de la adherencia concreto - acero es uno de los factores más recurrentes a la hora de efectuar patologías por fisuración y se basa en el principio básico del funcionamiento del concreto armado como material estructural por el cual se transmiten los esfuerzos de tracción del concreto al acero, si no existiera dicha adherencia, la armadura se deslizaría sin encontrar resistencia ante cualquier esfuerzo de tracción. Además representa un papel fundamental en el anclaje y traslapo de barras. La adherencia afecta a varios aspectos del comportamiento estructural, no sólo para estados límites últimos, sino también en estados de servicio, en aspectos relacionados por ejemplo con la fisuración y la deformación.
Ilustración 5. Adherencia concreto-acero.
Si revisamos cuales serían los esfuerzos de tensión de adherencia entre el concreto y la armadura encontramos que a partir de los bordes de la grieta, la armadura empieza a anclarse en el concreto a una distancia especifica del plano de la fisura, se transmite entonces a la armadura todo el incremento de fuerza T (T= σs*As) que la armadura ha sufrido al pasar de un estado no fisurado a un estado fisurado, en donde el esfuerzo de la armadura es constante y los esfuerzos de adherencia son nulos, los valores de su longitud y la forma de la curva de deformación son función de muchas variables en especial de la resistencia del concreto, diámetro del acero de refuerzo y características de adherencia del conjunto. Se considera una norma que para garantizar la acción del refuerzo en las estructuras de concreto reforzado es fundamental que tanto el acero como el concreto interactúen adecuadamente en forma conjunta con la debida adherencia que garantice que lo aplicado en la teoría se sustente en la práctica.
En cuanto a pisos industriales y pavimentos rígidos encontramos que las deformaciones excesivas son las causantes de la fisuración en la mayoría de los casos, en términos generales estas son producidas por la sumatoria de las deformaciones bajo carga, deformaciones por fluencia, deformaciones por retracción y por ultimo sumamos las deformaciones debida a la variación térmica. Son hoy el punto que motiva más reclamaciones en la construcción de pisos industriales y pavimentos rígidos, estas se pueden dividir en deformaciones reversibles e irreversibles, instantáneas y diferidas, dependientes o independientes, estas últimas como las termohigrométricas y las de retracción solo por nombrar las más conocidas.
Ilustración 8. Deformaciones en el concreto
En este punto nos interesa saber sobre las deformaciones irreversibles, ya que estas se producen en el estado plástico del material y es allí donde el uso de las fibras cobra relevancia como refuerzo principal en los elementos estructurales, debido a que podemos aprovechar su capacidad residual para soportar las cargas de servicio, su capacidad de deformación debido al incremento de su ductilidad y por ultimo su capacidad inhibidora al momento de restringir el crecimiento y aparición de fisuras.
Ilustración 9. Efectos de la adición de fibra al concreto.
El mecanismo de falla propuesto para las fisuras por deformaciones se centra en que una sección de la losa rebase la resistencia a flexocompresión del concreto, entonces se produce la primera fisura, si se sigue sobrecargando la losa aumentara el número de fisuras en la dicha zona, hasta llegar a un máximo en donde si se sigue sobrecargando la losa, ya no seguirán generándose fisuras sino empezara a aumentar el ancho de las mismas hasta cuando la losa pierde totalmente su serviciabilidad.
Revisemos el comportamiento de las Fibras en fisuras abiertas - Se ha discutido considerablemente sobre el estado y la eficiencia de las fibras que atraviesan una fisura. En el momento de la fisuración las fibras pierden su adherencia al concreto, pero continúan proveyendo resistencia mecánica al arrancamiento.
Esta resistencia posterior a la fisuración es una de las características más importantes del FRC, y puede ser significativa en el caso de las fibras conformadas. Lo que se plantea es que es posible que después de la fisuración las fibras de acero se oxiden y no provean ningún beneficio a largo plazo. Sin embargo, investigaciones realizadas (Schrader y Munch, 1976; ACI 544.2R; ACI 544.3R) muestran que si los anchos de fisura son pequeños [de 0,03 a 0,08 mm (0,001 a 0,003 in.)] las fibras no se corroerán, aún después de años de exposición (Schrader y Munch, 1976; Schupack, 1985), o está el uso de fibras Macrosintéticas o de vidrío, que aunque tiene una capacidad menor al arrancamiento pueden en un momento dado ser la solución.
- H. Rusch, G. Rehm Versuch mit Betanformstahlen. Vetrieb durch Verlag von Wilhem Ernst & Sohn. Berlin 1963.
- A. Beeby – Concrete in the Oceans – Cracking and corrosion. Ciria Underwater engineering Group. Technical Report 1. Cement and Concrete Association. Department of Energy.
- A. Beeby, G.D. Base, J.B. Read, H.P. Taylor. An Investigation of the crack control characteristics of various types of bar in reinforced concrete beams. Cement and Concrete Association. Research report n° 18. Part 1. December 1966.
- A Beedy An Investigation of Cracking in Spanning One-way Slabs. Cement and Concrete Association.
- R. Favre, J.P. jaccound, B. Farra, P. Mivelaz, A; Leclercq Selected Papers dealing with cracking and Tightness of Reinforced Concrete Structures. IBAP. Publication n°143. Enero 1996.
- Calavera. Proyecto y Calculo de Estructuras de Hormigón. Intemac 2000.
- CEB. Durable Concrete Structures. Bulletin d’Information n°183 Mayo 1992.
- R. Favre, J.P. Jaccound, M. Koprna, A, Radojicic. Dimensionnement des structures en Beton. Traite de G enie Civil. Volume 8. Presses Polytechniques et Universitaires Romandes. 1990
- M. Gomez Navarro. Concrete Cracking in the deck of steel-Concrete Composite Bridges. These n°2268 (tesis Doctoral). 2000
- Farra, J.P. Jaccound. Influrnce du beton et de L’armature sur la fissuration des structures en beton. Rapport de essais de tyrants sous deformation impose de courte duree. IBAP.Nov. 1993.
- G. Rehm, R. Elighausen, R. Mallee Rissverhalten von Stahlbetonkorpen bei Zugbeanspruch. Untersuchung Bericht n°75/4 Universidad de Stuttgart. 1976.
- J. Ferry-Borges, J. Arga, E. Lima. Formation of crack in beans with low percentage of reinforcement. Sysposium on bond and crack formation in reinforced concrete. RILEM Stockholm, 1957.
- AENOR. Eurocodigo 2. Proyecto de estructuras de hormigón. Prte 1 Reglas generales y reglas para edificación. 1993.
- CEB. CEB-FIP Model Code 1990. Bulletin d’ information n°213/214 Mayo 1993.
- Comisión Permanente de Hormigón. EHE Instrucción de Hormigón Estructural. Ministerio de Fomento. Secretaria General Técnica. 1999.