Problemas constructivos

El esfuerzo rasante. Conexión en los refuerzos de forjados

El esfuerzo rasante. Conexión en los refuerzos de forjados

Una mala costumbre que ya hemos comentado en ocasiones es pretender reforzar un forjado de viguetas de madera o de acero por la simple adición de una capa de hormigón por encima, sin más.

Como explicamos en los artículo Refuerzo de forjados de madera I y II es indispensable que esa capa de hormigón añadida esté conectada firmemente a las viguetas existentes. En caso contrario, no vale para nada más que añadir carga muerta a un forjado que, si necesitaba ser reforzado, lejos de conseguirlo, se sobrecarga y se debilita más todavía.

Pero nunca hemos entrado en la razón mecánica de los conectores que se han de colocar, en general a través de tornillos en madera y de conexiones soldadas en acero. La razón reside en un esfuerzo interno ligado a la flexión llamado rasante, que tiene en cuenta el efecto combinado del momento flector y del cortante. Este esfuerzo rasante, prescindiendo de formulaciones mecánicas, es fácil de ver del siguiente modo.

El esfuerzo rasante. Conexión en los refuerzos de forjados

Supongamos una viga o forjado actuando a flexión, y formados por distintas capas de material (todo el mismo o distinto en cada capa, da igual), pero colocadas una encima de otra sin conexión alguna. En tal caso, todas las capas se deformarán igual y deslizarán unas encima de otras, de modo que en los extremos del vano sucederán corrimientos de unas capas respecto a otras bastante notables. Entonces, todas las capas trabajan aisladas y cada una aporta su capacidad con independencia de las demás, al no estar ligadas entre sí. En la superficie horizontal entre capas hay deslizamientos relativos de una respecto a otra y no hay ninguna tensión paralela a la superficie que las ligue.

El esfuerzo rasante. Conexión en los refuerzos de forjados

Sin embargo, si ligamos unas capas con otras, se obligará a que las juntas horizontales de separación entre capas se deformen arrastrando cada capa a la adyacente. Es decir, estamos corrigiendo a base de un cierto esfuerzo el que una capa pueda deslizar sobre la contigua. Así hacemos que en los extremos del vano ya no queden los corrimientos anteriores, sino que todas las capas se deformen al unísono sin separarse. Pues ese esfuerzo que las mantiene ligadas y obliga a trabajar a todas las capas conjuntamente es el esfuerzo rasante, que es una tensión tangencial horizontal que se desarrolla en la junta entre capas. Cuanto menores sean el cortante y el momento flector, menor será esa tensión tangencial.

El esfuerzo rasante. Conexión en los refuerzos de forjados

Lo malo es que el esfuerzo rasante -la tensión tangencial sumada en todo el ancho de la pieza- suele ser muy alta. Y por lo tanto los materiales por sí mismos en las juntas lo puedan resistir. Ello obliga a disponer algún elemento de ligazón para transmitir por la junta el esfuerzo rasante que las une. Son los llamados conectores -o también conectadores- que insertos en dos capas sucesivas cada cierta distancia, son capaces de hacer de elemento transmisor del rasante de una capa a otra.

El esfuerzo rasante. Conexión en los refuerzos de forjados

Para las uniones entre madera y hormigón suelen emplearse tornillos -los llamados barraqueros- atornillados en la madera y embebidos en el hormigón. Su definición más técnica es tornillos de la serie DIN 571, con aceros de distinta calidad. Estos trabajan como ménsulas empotradas en las distintas capas de material.

El esfuerzo rasante. Conexión en los refuerzos de forjados

En uniones de madera con madera hay veces que la tensión tangencial es baja y la simple cola de carpintería basta para mantener la unión. Cuando no sucede así, se emplean conectores de acero de distintos tipos (tornillos, pasadores, pernos,…) para resistir el esfuerzo rasante. En uniones entre acero y hormigón es común emplear conectores mecánicos -de chapa plegada en forma de L- colocados mediante disparos de pólvora contra el acero, o soldados a este mismo si son del tipo perno de acero embebido en el hormigón. La separación y cantidad de estos tornillos o conectores dependen ya del cálculo preciso del esfuerzo rasante a lo largo de la pieza.

Apoyo de una viga de acero en un muro

A propósito de algunas consultas que hemos recibido en e-struc, analizamos la correcta construcción del apoyo de una viga de acero en un muro de carga.

Cuando calculamos una viga metálica que va a llevar una carga a sus dos extremos, debemos garantizar que la viga es válida, es decir, que es capaz de:

1.- Soportar la carga sin romperse

2.- No deformarse en exceso en el centro del vano

3.- No deformarse en los apoyos

4.- No quebrar el elemento de apoyo

Los dos primeros puntos quedan resueltos con el cálculo a flexión de la viga. Sin embargo, el apoyo de una viga de acero en un muro requiere tener en consideración el problema la transmisión de carga de la viga sobre el muro y la posible concentración de carga en las cabezas de la viga, como en el caso de los cargaderos.

¿Por qué se puede deformar la viga en el apoyo?

Porque sobre su cabeza haya una carga concentrada. Si se trata de un perfil abierto, tipo IPE o HEB, esta carga puede provocar dos efectos:

  1. Pandeo del alma. El alma de la viga trabaja como un pequeño pilar, con una gran esbeltez. Está sometido a una fuerte compresión y puede doblarse.

  2. Deformación de las alas de la viga. Si imaginamos la parte de viga que apoya sobre el muro, las alas son dos voladizos que parten del alma. Una carga excesiva puede hacerlos deformarse.

Apoyo de una viga de acero en un muro. E-struc, cálculo de estructuras.

¿Cómo se evita esta deformación?

La colocación de un rigidizador soldado al alma y a las alas en el apoyo suele ser suficiente para impedir tanto el pandeo como la deformación.

Esta es la razón de que, en los planos de detalle, aparezcan estas pletinas soldadas.

Apoyo de una viga de acero en un muro. E-struc, cálculo de estructuras.

¿Por qué se puede quebrar el muro de apoyo?

Cuando la viga de acero se apoya en un muro de carga de mampostería o ladrillo estamos haciendo coincidir dos materiales estructurales de muy diferentes características. Así, el acero es mucho más resistente que la mampostería. Entonces, la carga de la viga se transmite por un área muy pequeña. El muro casi siempre es más ancho que el ala de la viga. Debido a lo anterior, es fácil que el muro no resista la tensión que le va a producir la viga. Por lo tanto, es necesario hacer una buena transmisión de la carga, repartiéndola sobre el apoyo. Es sobre la totalidad de la sección del muro sobre la que hemos calculado la tensión del apoyo. Por lo tanto no podemos llevarla a un área menor de muro.

¿Cómo realizar el apoyo correctamente?

Bueno, ya tenemos un poco de mortero en el dado de apoyo. El mortero nos va a garantizar que el contacto entre el perfil y la fábrica es completo. El apoyo de una viga de acero en un muro suele resolverse así, sin más. Sin embargo así no se garantiza que la tensión admisible sea mayor que la de la carga del perfil. Por esta razón colocaremos una chapa de acero. Al soldar la viga se reparte en todo el ancho del muro la carga concentrada en el ala. Para la fijación de la chapa en el dado se colocan redondos soldados. Lo anterior asegura que no haya deslizamiento de la chapa sobre el hormigón.

Apoyo de una viga de acero en un muro. E-struc, cálculo de estructuras.

Ésta es la forma correcta y completa. Así la veremos en los detalles para un apoyo de una viga de acero en un muro de e-struc. Es válida en los cargaderos, los apoyos de cerchas metálicas y en general en cualquier elemento estructural metálico que vaya sobre fábrica.

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Reparación de grietas en muros de fábrica

Reparación de grietas en fábrica. Cálculo de barras de cosido. e-struc

Analizaremos en este post el diagnóstico y el cálculo para la reparación de grietas en muros de fábrica, en el caso concreto de unas grietas originadas en el recubrimiento con fábrica de pilares de hormigón.

En los testeros de un edificio en altura, en los que hay dos celosías de hormigón prefabricado era necesario la reparación de grietas verticales, entre otras actuaciones sobre el mismo.

Reparación de grietas en fábrica. Cálculo de barras de cosido. e-struc

Examinada la documentación, se vio que las fisuras obedecían a un recubrimiento deficiente de los pilares de hormigón, que, al dilatar por cambios de temperatura, habían quebrado la fábrica, demasiado ajustada y sin una lámina de separación física.

Reparación de grietas en fábrica. Cálculo de barras de cosido. e-struc

Como puede verse en la planta, dos pilares flanquean los laterales del hueco con celosía, y junto a ellos se abre la grieta, en esquina de la vuelta de la fábrica contra la celosía.

En la memoria del proyecto se describió así el estado de estos muros: “Los testeros del edificio principal son de ladrillo visto. El material está sucio y hay una fisura en la fachada este que discurre junto a los huecos verticalmente. Se propone la limpieza y el atado de los elementos fisurados al resto de la fachada.”

Reparación de grietas en fábrica. Cálculo de barras de cosido. e-struc

¿Cómo se aborda la reparación de grietas en muros de fábrica? Este es un caso concreto, y sin embargo el modo de operar es bastante genérico en el caso de grietas abiertas por tracción en el plano del muro. Otro tipo de grietas, como veíamos en el artículo sobre muros de contención se han de tratar de otra forma.

Se trata de aprovechar las llagas horizontales de la fábrica para introducir unas varillas de acero que, tomadas con mortero, sean capaces de resistir esta tensión de rotura. Pero, ¿cuantas varillas, de qué diámetro, qué longitud es necesario solapar a cada lado de la grieta?

Reparación de grietas en fábrica. Cálculo de barras de cosido. e-struc

¿Cómo calcularlo?

  1. Determinar la tensión de rotura de la fábrica en tracción. (CTE o ensayo ad hoc)
  2. Establecer la sección de acero, de acuerdo con el dato anterior, y comprobar que se puede introducir en el tendel, de manera que en el ancho pueda colocarse la varilla y suficiente cantidad de mortero para asegurar el contacto
  3. Calcular la longitud de varilla necesaria para que el esfuerzo sea transmitido por el mortero al perímetro de la varilla gracias a la adherencia entre mortero-varilla y mortero-fábrica

Casi siempre, al ser la tensión de rotura del ladrillo en tracción muy baja, la longitud y la cantidad de varillas es bastante razonable, de modo que la reparación es sencilla, y la longitud suele ser la mínima por norma (CTE-SE-F, ver en fábrica armada).

En nuestro caso, según la tabla 4.6 del CTE-SE-F, la tensión en flexotracción horizontal (para roturas verticales) es de 0,2 N/mm2.

La tensión anterior, por el fondo de la fisura y por la distancia entre cosidos:

0,2 x120 x 3 x 70=5040 N (pues es un cosido cada tres hiladas de 70 mm).

Como es una sobrecarga, se multiplica por coeficiente de seguridad de 1,5:

1,5 x 5040=7560 N.

La tensión de cálculo del acero es:

Fyd= 500/1,15 N/mm2=460 N/mm2

El área de acero necesaria es:

7560 N/460 N/mm2=16 mm2.

La más pequeña es de 6 (28 mm2 de sección), pero como es muy pequeña y cabe la de 8 en la junta, se coloca del 8 (50 mm2 de sección)

Desde el punto de la fisura es necesario que la barra de prolongue para disipar la fuerza en la masa de fábrica a través del mortero. La resistencia característica por adherencia (tabla 4.3 del CTE-SE-F, para acero con mortero confinado entre piezas) es de 2N/mm2. La resistencia de cálculo se calcula aplicando el coeficiente de seguridad (1,5):

2/1,5=1,33 N/mm2

Si la fuerza a disipar es de 8640 N, la superficie es:

7560/1,33=5684 mm2,

La superficie a través de la que se disipa la fuerza es el perímetro por la longitud de la barra. El perimetro de un redondo del 8 es:

px8= 25,13 mm

Por lo tanto la longitud necesaria, a ambos lados de la barra es:

5684/25,13=226 mm.

Como están doblados, se puede reducir la longitud por 0,7.

226x 0,7= 158 mm a cada lado de la fisura

Reparación de grietas en fábrica. Cálculo de barras de cosido. e-struc

Finalmente, en el caso que nos ocupa, se especificó en la Memoria del proyecto la siguiente indicación respecto a esta reparación de grietas en muros de fábrica:

2. Atado de las grietas existentes en la hoja exterior de fábrica de ladrillo cara vista mediante la apertura de tendeles cada 3 hiladas con la aportación y colocación de varilla de acero corrugado de diámetro del 8 recibido con resinas epoxídicas y con entregas de 16cm a cada lado de la grieta. Posterior relleno de los tendeles mediante mortero de cemento de similares características a los existentes.”

Reparación de grietas en fábrica. Cálculo de barras de cosido. e-struc

En la obra no fue fácil hacer la reparación, pues la grieta no era del todo vertical, había saltos en las juntas horzontales y desvíos de la apertura, y había que grifar las varillas en diferentes puntos para hacer el ángulo de la vuelta.

Reparación de grietas en fábrica. Cálculo de barras de cosido. e-struc

Fue necesario colocar algunas varillas más, a la vista de una ejecución equivocada, pues no se cumplían los 16 cm a ambos lados de la grieta, como se puede apreciar en esta imagen, y una vez colocadas de forma incorrecta, en vez de extraerlas y volverlas a colocar se aprovecharon las llagas libre para hacer la reparación correcta. En la imagen se ve la fisura del muro ya reparada y las barras nuevas colocadas en los tendeles, con las longitudes correctas.

Reparación de grietas en fábrica. Cálculo de barras de cosido. e-struc

Siempre antes de abordar estas reparaciones ha de comprobarse que no existe un problema adicional que pueda reabrir la fisura ya cosida.

Reparación de grietas en fábrica. Cálculo de barras de cosido. e-struc

Fisuras en el apoyo de viguetas en muros

Fisuras bajo viguetas por apoyo incorrecto sobre muro de carga

La falta de un contacto correcto entre el muro de carga y la vigueta es la causa de la aparición de fisuras en el apoyo de viguetas en muros.

Aunque el esfuerzo transmitido por una vigueta sobre un muro no es de demasiada entidad, que la transmisión de la carga se realice de un modo correcto es fundamental para evitar fisuras en éste.

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