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.

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Barreras de vapor bajo placas de concreto

Aunque su uso puede ser común, es importante que al especificar las barreras se contemplen las variables físicas que pueden alterar el comportamiento de las losas de concreto; algunos diseñadores requieren una capa de arena o una base triturada encima de la barrera de vapor, otros insisten en que debe ser colocada directamente bajo la losa, finalmente otros deciden simplemente no colocarla.

Tecnología básica del alabeo presentado en las losas de concreto

El alabeo es una distorsión o deformación que sufre una losa tomando una forma curvada hacia arriba o hacia abajo encorvando sus bordes, (el término curvatura se utiliza para referirse a una deformación vertical de la losa causada por las diferencias de contenido de humedad y la contracción asociada). El término deformación en este caso se utiliza para referirse a deflexiones ascendentes verticales causada por diferencias de temperatura entre la parte superior y La superficies inferiores de la losa). Esta distorsión puede levantar los bordes de la placa respecto a su base. En la práctica, una medida de deflexión vertical en una losa es debida a la  combinación de variación de temperatura y las diferencias de humedad, por lo que la resultante es una desviación conocida como curvatura de la losa, alabeo o curling.

El concreto, como muchos materiales de construcción, no es dimensionalmente estable cuando se somete a cambios en el contenido de humedad. Las  losas se  secan  desde la superficie hacia abajo, el gradiente de humedad a través de la losa conduce a una contracción diferencial. La carbonatación se suma a la contracción de superficie, pero puede reducirse mediante el uso de revestimientos superficiales, selladores y endurecedores.

Si las técnicas de acabado utilizadas causan que  la pasta de cemento y el agregado fino se concentre en la superficie, la contracción diferencial puede agravarse.

La causa básica de alabeo es la contracción diferencial que se origina cuando la superficie se seca y el núcleo todavía se encuentra en estado plástico. Esta contracción también puede ser incrementada por la carbonatación del concreto en la superficie, en mezclas de concreto ricos en cemento, también puede ser por la desecación interna (contracción autógena) que producen los hidratos de la pasta de cemento.

Los factores que afectan la magnitud del alabeo  en una losa son determinados por la humedad relativa y el gradiente de humedad en la losa. Estos incluyen el material de base, las características de la mezcla, el manejo del concreto y las condiciones en servicio después de la construcción. Cuando la pérdida de humedad es mayor y la contracción ocurre cerca de la superficie expuesta  del concreto comparado con el inferior de la losa se generara un gradiente de contracción el cual aplica un momento que alabea  la losa. Si el momento de alabeo es mayor que aquel producido por el peso propio de la losa más cualquier carga aplicada, la losa se desviará hacia arriba o se alabeara.

Reportes de pruebas hechas a especímenes de concreto demuestran que la perdida de humedad es significativa en los 50mm (5 cms) superiores aproximadamente. El concreto mas allá de este punto trata de mantener una humedad relativa alta (>80%).

Las losas delgadas o los toppins son los mas susceptibles de alabearse por su deficiencia de masa y el incremento de los efectos de contracción por secado, bajo estas condiciones la losa es incapaz de resistir el momento de alabeo.

La profundidad de secado generalmente representa el mayor porcentaje del espesor de la losa o volumen del concreto, para placas no adheridas el mínimo espesor para controlar el alabeo es según las recomendaciones del ACI 302  de 75mm, así como contemplar espaciamientos de juntas más cortas.

En general, la longitud del voladizo generado por efecto de la curvatura  es de aproximadamente 10% de la  longitud losa (medido entre las juntas), esto en las juntas de construcción (o de las juntas de control sawcut), y alrededor del 20% en juntas sin ninguna transferencia de carga. Sin embargo, estos valores son también una función de la distancia entre las juntas, las propiedades del concreto, espesor  de la losa y la rigidez de la base. Normalmente el alabeo en las esquinas es aproximadamente entre 3mm y 6 mm, aunque esta deformación vertical en la losa puede alcanzar hasta 25 mm.

Entre losas adyacentes las áreas típicamente afectadas son aquellas comprendidas entre 600 a 1500 mm de los bordes libres de la losa.

El alabeo inmediato de una losa es mas frecuentemente de lo que se cree y esta relacionado con un pobre curado y un secado rápido de la superficie;  y es que en las placas una exudación y un curado pobre, tienden a producir un concreto en la superficie con mayor riesgo de contracción por secado que el concreto en la parte inferior de la misma. La exudación se acentúa en placas sobre polietileno o mezclas colocadas encima de placas existentes de concreto; y las diferencias de contracción de la parte superior con respecto a la parte inferior en estos casos son mayores que para las placas sobre bases absorbentes. Las placas delgadas con espaciamientos muy largos de las juntas tienden a incrementar el alabeo. Por esta razón, las losas de remate no adheridas a losas existentes necesitan tener un espaciamiento de junta bastante menor.

En pisos industriales, las juntas espaciadas muy cerradamente pueden no ser muy aconsejables ya que un número elevado de juntas presentara también mayores problemas de mantenimiento. No obstante, esto debe balancearse contra la probabilidad de fisura aleatoria intermedia e incremento de alabeo en las juntas.

Algunas veces se ha observado que los espesores en las losas  de concreto cumplen por criterios de resistencia por efectos de las cargas de servicio, pero presentan importantes deformaciones en las esquinas, dando lugar a problemas de nivel y hasta fisuras de esquina, por esto a los diseños deben asegurar una correcta modulación en donde  se modelen y se cuantifiquen estos efectos.

Los factores que pueden minimizar el alabeo son:

Concreto: Reducir la contracción por secado del concreto tiene un impacto en la contracción diferencial debida a un secado no uniforme , los materiales que constituyen el concreto, sus proporciones en la mezcla y el agua total que contiene el concreto son algunos de los factores que pueden afectar la contracción por secado.

Espesor de la losa: El alabeo se reduce aumentando el espesor de la losa, se ha logrado una reducción en la deformación por alabeo  del 50% cuando el espesor de la losa pasa de 150mm a 200mm en su espesor.

Reforzamiento: Una forma de reducir el alabeo en una losa es colocando generosamente refuerzo, este refuerzo debe ser localizado en el 1/3 superior de la losa donde la mayor contracción tiene efecto. Otra forma de reducir el alabeo es con el uso de fibras como refuerzo estructural, ya que estas amarran de forma tridimencional el núcleo del concreto restringiendo parcialmente su movimiento. Las mallas electrosoldadas realmente hacen muy poco para reducir la deflexión por alabeo, el postensado puede ser usado para inducir momentos en la placa que se oponen al momento por alabeo y de esta forma reducir o eliminar el efecto.

Base o sub base de apoyo: El material de soporte de la losa base o sub base, puede influir en el alabeo de las losas, bases densas con poca absorción generan un entorno húmedo que no solo previene el secado sino que puede lograr una pequeña expansión del concreto.

Interface Plástica: El uso de barreras de vapor bajo la losa previene el secado de la base de la losa, incrementado el gradiente de humedad  y por lo tanto el potencial de alabeo.

Espaciamiento entre juntas: Entre menor sea el espacio entre juntas, menor será el esfuerzo por albeo de la losa. El ACI sugiere un valor de 24 a 36 veces el espesor de la losa, con una separación máxima de 5,5 mts. Adicional al espaciamiento se debe tener mucho cuidado con la junta como tal, su capacidad de transferencia de carga y su capacidad de reducir el alabeo restringiendo el movimiento ascendente de los lados de la placa.

Curado: Curar siempre es beneficioso y si es con agua mejor porque  garantiza que la humedad en el concreto se mantendrá minimizando o retrasando el secado. El uso de membranas o compuestos de curado resulta en una lenta y gradual perdida de humedad, esto le dará a la placa el suficiente tiempo para permitir que en la placa algún creep o fluencia tenga lugar, reduciendo el máximo movimiento por alabeo.

Peso: Si el peso de la estructura apoyada en la placa es adecuada esta generara un momento resistente mayor que el inducido por el momento de alabeo, previniendo de esta forma su deformación. Hay que identificar que la carga de servicio se presenta generalmente cuando el concreto tiene al menos 28 días, sin embargo el alabeo inicia desde su construcción.

Aumento del espesor de la losa en los bordes: Esta opción esta contemplada en el ACI 360R, y consiste en aumentar el espesor de la losa en los bordes en un 50% con una pendiente gradual de 1/20, aunque esta opción aumente el peso en los bordes y reduzca los efectos por secado aumentando el volumen de concreto en la practica la reducción del alabeo es mínimo y no  es tan practico de lograr pues generaría una restricción al  movimiento de la losa con una alta posibilidad de fisuración.

Creep o fluencia en el concreto: El creep puede ser definido como un aumento o reducción de la longitud de un elemento en concreto cuando es sometido a un esfuerzo de tensión sostenido producto de una condición de carga. En el tiempo el creep dado por la carga del concreto puede considerablemente reducir el efecto inicial del alabeo de la losa.

Medio ambiente: Ambientes con humedades relativas bajas promueven el aumento de secado en las losas, por lo tanto el momento por alabeo aplicado.

Resumen:

Los materiales granulares de base, permiten el drenaje de agua en exceso de la mezcla de concreto mediante el movimiento capilar, permitiendo también  el ingreso de aguas del  subsuelo hasta la superficie inferior de la losa. Debido a este movimiento de aguas, se ha convertido en algo común establecer una interface de polietileno como barrera impermeable en la base antes de colocar la losa de concreto. Aunque la hoja de polietileno puede impedir que el agua entre por la cara inferior de la losa, también evita que el agua de exceso de la mezcla de concreto  drene, lo que agrava el alabeo. Aun cuando los trabajadores perforen la barrera para estimular el drenaje, la hoja de polietileno disminuye la fricción entre la base y la losa, pero la contracción general de la losa tiende a aumentar. Cuando el concreto está en contacto con la base de apoyo es recomendable humedecer la base de soporte de tal forma que no haya pérdida importante de agua de manejabilidad  en la mezcla de concreto.

En cuanto a la mezcla de Concreto en general podemos decir que características como relación (a / c), el tipo de cemento, el tipo de agregado, los tipos de aditivos, el contenido de cemento y la temperatura de la mezcla afectan  la tasa de contracción del hormigón.

Mezclas de concreto con un alto contenido de cemento y una relación agua / cemento (a / c)  muy baja (menos de 0,30) son propensos a desarrollar importantes contracciones autógenas.

Mezclas con relaciones (a / c) demasiado altas contienen una cantidad excesiva de agua libre, lo que aumenta la porosidad y da como resultado una  contracción total alta.
La contaminación del agregado o el uso de agregado que es susceptible a la expansión y contracción pueden causar serios problemas de contracción en todas las mezclas de concreto. Es importante incorporar el contenido máximo posible total de agregado grueso con el fin de mantener la porción de pasta de cemento de la mezcla al mínimo, manteniendo al mismo tiempo trabajabilidad aceptable para la facilidad de colocación.
La rápida evaporación del agua en la superficie de la losa estimula la contracción diferencial. El exceso de acabado superficial de la losa por exceso de allanado con el fin  producir una superficie densa y resistente a la abrasión puede causar que la pasta de cemento se acumule en la superficie y desplacen  las partículas más grandes de agregados que tenderán a  hundirse, lo que resulta en un alabeo debido a una tasa de contracción mayor en la superficie.

El curado inadecuado intensifica la contracción diferencial si la superficie se deja secar demasiado rápido.

Necesidad de minimizar el alabeo: Se hace cada vez más importante reducir al mínimo el alabeo en las losas de concreto adoptando tolerancias más estrictas. Mientras las deformaciones por alabeo están  usualmente dentro de las tolerancias permitidas, para aplicaciones de pisos industriales estas tolerancias pueden ser fácilmente excedidas.

Para losas adyacentes y con tráfico bajo, un límite adecuado de escalonamiento puede ser de 5mm, en zonas de tráfico intenso estas deformaciones pueden ocasionar bombeo del material fino llevando la esquina alabeada a un fallo por erosión. Suprenant y Malisch en su informe sobre comportamiento de las losas afirman que para pisos industriales  sujetos a cargas dinámicas (montacargas rueda dura - trilaterales), la deformación por alabeo en los lados de la losa deben ser menores o iguales a 0,25mm para considerarse aceptables. Si el alabeo esta entre 0,4 y 0,8 mm o mayores se consideran graves y suficientes para causar un deterioro entre tres a cuatro veces más rápido que lo normal.

Cuando la losa se encuentra entre 0,25 y 0, 4 mm de deformación por alabeo, la losa se encuentra en una zona de incertidumbre o zona gris en donde se pueden hacer reparaciones dependiendo del uso específico de la losa, La decisión de reparar una losa de piso se hace con base en el rendimiento futuro esperado de las losas  y el costo-efectividad de la reparación.

La edad de la losa y el movimiento medido del borde de la losa en conjunto cuando  un montacargas pasa indicaran  si una reparación es apropiada o no. De igual forma  es importante aclarar que la magnitud de la deformación por alabeo en el tiempo disminuye. La siguiente pregunta es cuando debo hacer una reparación por alabeo, para responder esto debemos establecer si todavía la losa esta desarrollando el alabeo ya que este puede tardar algunos meses en estabilizarse, si la reparaciones tiene efecto durante este periodo el problema puede agravarse, así mismo el método de reparación puede variar  dependiendo si La losa esta seca, en proceso de secado o tiene potencial para ciclos de humedecimiento y secado.

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