Cómo determinar la causa de las grietas en los paneles: un caso práctico

Por Jack Robinson, Stewart Hooks, John Lawson PE, SE

Introducción/Patrón de fractura

A pesar de la multitud de beneficios que ofrece la construcción con paneles prefabricados de concreto (tilt-up) en edificios comerciales de baja altura, aún hay margen de mejora en el rendimiento de estos. Una oportunidad de mejora es minimizar un patrón particular de agrietamiento indeseable que a menudo se observa en los paneles de concreto tilt-up (Ver Figura 1), el cual en algunos casos requiere un importante parcheo cosmético (Ver Figura 2). Este agrietamiento del concreto puede aparecer inicialmente como algo inofensivo y no estructural, pero incluso las grietas pequeñas pueden erosionarse y provocar infiltración de agua y corrosión de las barras de refuerzo. Como mínimo, estas grietas son un problema estético para el propietario o inquilino, lo que podría generar costos significativos de pintura/reparación.

Figura 1

Figura 2

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

Históricamente, ha habido muchas causas sugeridas para este patrón de agrietamiento, que incluyen endurecer demasiado las placas, tensión excesiva de flexión fuera del plano, tensión de corte en el plano, mal rendimiento del rompedor de adherencia y tensiones de levantamiento, u otros problemas relacionados con la construcción. Sin embargo, para un ingeniero, un puñado de indicadores como la ubicación, dirección, amplitud del agrietamiento y el agrietamiento completo de la placa, sugieren que estas grietas se deben a la restricción de la retracción en la base de la placa. A pesar de las juntas de placa espaciadas regularmente en la construcción tilt-up, la retracción natural del concreto aún puede ser restringida por amarres a placas adyacentes, a la losa de piso adyacente y a la cimentación, evitando movimientos libres.

Estudio de Caso – Edificio Comercial Tilt-Up en San Luis Obispo

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

Como parte de este proyecto de investigación, se identificó un edificio local construido con el método «tilt-up» en San Luis Obispo, California, que presentaba este patrón de agrietamiento, y se utilizó en nuestros análisis y modelos computacionales para verificar nuestra hipótesis sobre la causa de las grietas. Casi todos los paneles visibles mostraban signos del patrón de agrietamiento que se estaba investigando. El panel que presentaba las grietas más distintivas se midió registrando cuatro grietas predominantes utilizando las dimensiones en los ejes horizontal y vertical, tal como se muestra en la Figura 3. A continuación, se creó un modelo computacional de elementos finitos (SAP2000) para predecir de manera independiente si se formarían grietas similares en un panel dadas diversas condiciones de restricción. Si se predecía el inicio de una grieta, el modelo ayudaría además a indicar dónde era probable que apareciera la primera grieta, así como su dirección de propagación a través del panel. Además, era fundamental predecir cuándo se produciría la formación de grietas, por lo que era importante modelar con precisión el comportamiento de contracción del hormigón a lo largo del tiempo. Esto se logró utilizando la norma ACI 209R para las predicciones de contracción dependientes del tiempo. Dado que el comportamiento de contracción del material es similar al de la contracción térmica, el modelo computacional de elementos finitos se calibró utilizando un cambio de temperatura simulado.

El contratista del edificio del estudio de caso informó que se utilizaron almohadillas de fraguado de lechada cementosa debajo de las juntas de los paneles en lugar de cuñas de plástico, lo que podría haber causado fuerzas de restricción excesivas. Las almohadillas de fraguado de lechada se usan con frecuencia en algunas partes de los Estados Unidos. Se decidió introducir en el modelo computacional una resistencia por fricción al movimiento de contracción (restricción) en las esquinas inferiores de los paneles. Dado que la fisuración del concreto se produce debido a tensiones internas de tracción, lo de principal interés son las ubicaciones donde el modelo computacional predice altas tensiones principales de tracción evaluadas en cada espacio de la malla de elementos finitos. La Figura 4 ilustra las altas tensiones principales de tracción en azul tal como se distribuyen en el panel modelado.

Figura 4: Tensiones principales en el panel

Evaluando los resultados de la computadora

Los resultados del modelo computacional coincidieron casi exactamente con las grietas observadas en el campo en la mitad inferior del panel de hormigón prefabricado del estudio de caso. Cuando se produce una restricción excesiva debido a la resistencia a la fricción de la base de asentamiento y/o a las conexiones de los tirantes de cimentación y de losa, las tensiones internas de tracción superan el módulo de rotura cerca de la parte inferior del panel, por lo que se prevé la aparición de grietas. En los paneles de concreto tilt-up, el módulo de ruptura (o punto de fisuración) se toma como (7,5 × 2/3 × √(f’c)) o (5 × √(f’c)) debido a la restricción interna causada por el refuerzo (véase Tilt-Up Today, vol. 15, n.º 2, pp. 12-17). Dado que se preveían fisuras, era importante comprobar si el modelo informático podía predecir con precisión la dirección de propagación de las mismas. Al iniciar una fisura en la misma ubicación en el modelo computacional que en el campo y orientar la dirección de propagación de la fisura perpendicularmente a las flechas de tensión principal, las fisuras predichas por el modelo son notablemente similares a las observaciones reales en el campo, como se ve en las Figuras 5, 6, 7 y 8. Esto proporciona una fuerte evidencia de que las fisuras en este panel y fisuras similares encontradas en otros paneles tilt-up se deben a restricciones de contracción del panel en la base. En las Figuras 5, 6, 7 y 8, se predice que la parte azul de la fisura se producirá dado el comportamiento de propagación de las fisuras del hormigón. La propagación de fisuras es el comportamiento por el cual un material continúa agrietándose bajo una tensión significativamente menor que la necesaria para iniciar la fisura. Se teoriza que la parte en rojo es una extensión de la fisura que ocurre después de que las tensiones iniciales se redistribuyen a medida que se producen nuevas fisuras.

Figura 5a: Grieta izquierda predicha por el modelo / Figura 5b: Grieta izquierda real

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

Conclusiones

Existe evidencia suficiente para afirmar que este patrón de fisuras bajo investigación se debe a la restricción de retracción del concreto del panel. El patrón de fisuras determinado a partir del modelo computacional proporciona una coincidencia cercana con las grietas reales medidas en el campo. Si bien reducir el potencial de retracción de la mezcla de concreto puede ayudar a aliviar las fisuras resultantes, puede ser más importante reducir las fuentes de restricción externa al panel, lo que permite una mayor libertad de movimiento por retracción. Cuando sea posible, por ejemplo, el uso de empaques de plástico en lugar de lechadas de fraguado en los extremos de los paneles reducirá significativamente la restricción por fricción. Adicionalmente, las conexiones entre paneles adyacentes y entre la cimentación y la losa deben ser consideradas teniendo en cuenta esta investigación.

Acerca de los autores

Jack Robinson y Stewart Hooks se graduaron recientemente con una Licenciatura en Ingeniería Arquitectónica de la Universidad Politécnica Estatal de California en San Luis Obispo. Su asesor de investigación, John Lawson, es Ingeniero Estructural con licencia en California y Arizona, y Profesor Asociado en Ingeniería Arquitectónica en la Universidad Politécnica Estatal de California en San Luis Obispo.