VERIFICACIÓN DE LA CAUSA DEL AGRIETAMIENTO DE LOS PANELES – ESTUDIO DE CASO

Por Jack Robinson, Stewart Hooks, John Lawson, ingeniero civil y de estructuras

Introducción/patrón de agrietamiento

A pesar de los numerosos beneficios que ofrece la construcción tilt-up en edificios comerciales de baja altura, aún hay margen para mejorar el desempeño de estos edificios. Una oportunidad de mejora consiste en minimizar un patrón de agrietamiento indeseado y característico que se observa con frecuencia en los paneles de concreto tilt-up (véase la figura 1), lo que en algunos casos requiere un reparado cosmético considerable (véase la figura 2). Este agrietamiento del concreto puede considerarse inicialmente como algo que no es problemático ni estructural, pero incluso las grietas pequeñas pueden agrandarse y provocar la intrusión de agua y la corrosión de la barra de refuerzo. Como mínimo, estas grietas son preocupaciones estéticas para el propietario o arrendador que potencialmente resultan en costos considerables de reparación y pintura.

Figura 1

Figura 2

Como parte de un proyecto de investigación universitaria, los autores trataron de determinar la causa de este patrón de agrietamiento en la mitad inferior del panel y de presentar un argumento convincente sobre el origen del problema. El trabajo se llevó a cabo en la Universidad Politécnica Estatal de California en San Luis Obispo (Cal Poly), en el Departamento de Ingeniería Arquitectónica.

Históricamente, se han sugerido muchas causas para este patrón de agrietamiento, entre ellas, la colocación de los paneles con un esfuerzo excesivo, una tensión de flexión fuera del plano excesiva, tensión de corte en el plano, un rendimiento deficiente del desmoldeante y tensión de levantamiento, u otros problemas relacionados con la construcción. Sin embargo, para un ingeniero, un puñado de indicadores como la ubicación de la fisura, la dirección, la amplitud y la presencia de fisuras en todo el panel, sugieren que estas fisuras se deben a una restricción de la retracción en la base del panel. A pesar de las juntas de panel espaciadas uniformemente en el sistema tilt-up, la retracción natural del concreto aún puede verse restringida por las uniones con los paneles adyacentes, con la losa de piso adyacente y con los cimientos, lo que impide el movimiento libre.

Caso práctico: Edificio comercial de construcción prefabricada en San Luis Obispo

Figura 3: Patrón de fisuración medido en el estudio de caso

Como parte de este proyecto de investigación, se identificó que un edificio local construido con la técnica tilt-up en San Luis Obispo, California, presentaba este patrón de agrietamiento, y se utilizó en nuestros análisis y modelos computacionales para verificar nuestra hipótesis sobre la causa del agrietamiento. Casi todos los paneles visibles mostraban indicios del patrón de agrietamiento que se estaba investigando. El panel que mostraba el agrietamiento más distintivo se midió con cuatro grietas predominantes registradas utilizando dimensiones en los ejes horizontal y vertical, como se muestra en la figura 3. A continuación, se creó un modelo de computadora de elementos finitos (SAP2000) para predecir de manera independiente si se formarían grietas similares en un panel considerando diferentes condiciones de restricción. Si se predecía el inicio de una grieta, el modelo ayudaría aún más indicando dónde sería probable que apareciera la primera grieta, así como la dirección de recorrido en el panel. Además, era crítico predecir cuándo ocurriría la formación de la grieta y, por lo tanto, fue importante modelar con precisión el comportamiento con el cual el concreto se retrae con el transcurso del tiempo. Esto se logró utilizando la norma ACI 209R para las predicciones de la retracción dependiente del tiempo. Dado que el comportamiento de la retracción del material es similar al de la contracción térmica, el modelo informático de elementos finitos se calibró utilizando un cambio de temperatura simulado.

El contratista del edificio del caso de estudio informó que se utilizaron almohadillas de montaje de lechada cementosa debajo de las juntas de los paneles en lugar de paquetes de cuñas de plástico, lo que podría haber provocado fuerzas de restricción excesivas. Las almohadillas de montaje de lechada se utilizan con frecuencia en algunas partes de Estados Unidos. Se decidió introducir en el modelo computacional una resistencia friccional al movimiento de retracción (restricción) en las esquinas inferiores del panel. Dado que el agrietamiento del concreto se produce debido a los esfuerzos de tensión interna, los lugares donde el modelo computacional predice altos esfuerzos de tensión principal evaluados en cada celda de la malla de elementos finitos son de especial interés. La figura 4
Figura 4: Tensiones principales en el panel
Muestra las tensiones principales más elevadas en azul, tal y como se distribuyen en el panel modelado.

Figura 4: Tensiones principales en el panel

Evaluación de los resultados informáticos

Los resultados del modelo computacional coincidieron casi exactamente con el agrietamiento observado in situ en la mitad inferior del panel tilt-up del caso de estudio. Cuando se producen restricciones excesivas debido a la resistencia friccional de la almohadilla de montaje y/o las conexiones de amarre de la losa y el amarre del cimiento, los esfuerzos de tensión interna superan el módulo de ruptura cerca de la parte inferior del panel, por lo que se predice el agrietamiento. En los paneles de concreto tilt-up, el módulo de ruptura (o punto de agrietamiento) se toma como (7,5 × 2/3 × √(f’c)) o (5 × √(f’c)) debido a la restricción interna provocada por el refuerzo (véase Tilt-Up Today, vol. 15, n.º 2, págs. 12-17). Al predecir el agrietamiento, fue importante comprobar si el modelo de computadora podía predecir la dirección de recorrido de la grieta con exactitud. Al iniciar una grieta en el mismo lugar en el modelo de computadora que en el campo y orientando la dirección de recorrido de la grieta perpendicular a las flechas de tensión principal, las grietas predichas por el modelo son asombrosamente similares a las observaciones en el campo real, como se distingue en las figuras 5, 6, 7 y 8. Esto proporciona pruebas claras de que el agrietamiento en este panel y agrietamientos similares encontrados en otros paneles de tilt-up se deben a restricciones de la retracción del panel en la base. En las figuras 5, 6, 7 y 8, se predice que ocurrirá la parte azul de la grieta dado el comportamiento de propagación de grietas del concreto. La propagación de grietas es el comportamiento por el cual un material continúa agrietándose bajo una tensión significativamente menor que la necesaria para iniciar la grieta. Se especula que la parte en rojo es una extensión de la grieta que ocurre después de que las tensiones iniciales se redistribuyen a medida que avanza el agrietamiento.

 

Figura 5b: Grieta real en el lado izquierdo / Figura 5a: Grieta prevista por el modelo en el lado izquierdo

Figura 6a: Grieta central prevista por el modelo / Figura 6b: Grieta central real

Figura 7a: Grieta 1 derecha según el modelo / Figura 7b: Grieta 1 derecha real

Figura 8a: Grieta derecha prevista por el modelo 2 / Figura 8b: Grieta derecha real

Conclusiones

Existen pruebas suficientes para afirmar que este patrón de agrietamiento objeto de investigación se debe a las restricciones de la retracción del hormigón del panel. El patrón de agrietamiento determinado por el modelo de computadora ofrece una gran concordancia con las grietas reales medidas en el campo. Aunque reducir el potencial de retracción de la mezcla de concreto puede ayudar a aliviar el agrietamiento resultante, puede ser más significativo reducir las fuentes de restricción externa hacia el panel, dando más libertad al movimiento de retracción. Por ejemplo, siempre que sea posible, el uso de paquetes de cuñas de plástico en lugar de almohadillas de montaje con lechada en los extremos de los paneles reducirá significativamente la restricción por fricción. Además, las conexiones entre paneles adyacentes y entre los cimientos y la losa deben analizarse a fondo teniendo en cuenta esta investigación.