Construcción moderna vs. aberturas en vigas
Estos conductos y tuberías se colocan habitualmente bajo el intradós de la viga y, por razones estéticas, se cubren con un techo suspendido, creando así un espacio muerto. En cada planta, la altura de este espacio muerto se suma a la altura total del edificio en función del número y la profundidad de los conductos.
Por lo tanto, las aberturas en el alma permiten al proyectista reducir la altura de la estructura, especialmente en lo que respecta a la construcción de edificios en altura. En otras palabras, esto conduce a un diseño económico y eficiente.
Concentración de tensiones
La concentración de tensiones se observa en las proximidades de las irregularidades geométricas, como un cambio brusco de sección o las aberturas. Se denominan generalmente entallas. Las entallas crean un aumento local de la tensión nominal. El resultado es un flujo de tensiones desigual a lo largo de la sección transversal. La relación entre la tensión máxima y la nominal se denomina factor de concentración de tensiones. El factor depende de la posición de la carga y de la geometría de la entalla. Los valores solían obtenerse a partir de experimentos. Hoy en día, se utiliza el MEF para determinar el factor de concentración de tensiones.
Aberturas pequeñas vs. grandes en vigas
Aberturas pequeñas
Las aberturas se clasifican como pequeñas o grandes y la mejor posición de la abertura se decide en función de su tamaño. Las aberturas en el alma pueden adoptar diversas formas, como circular, rectangular, romboidal, triangular, trapezoidal e incluso formas irregulares. Sin embargo, las aberturas circulares y rectangulares son las más comunes.
Las aberturas pueden considerarse grandes cuando su diámetro supera 0,25 veces el canto del alma. Cuando la abertura es suficientemente pequeña para mantener el comportamiento de tipo viga (es decir, si se aplica la teoría habitual de vigas), entonces la abertura puede denominarse pequeña.
Si el mecanismo resistente para la flexión pura de la viga no se ve alterado por la abertura, la flexión en el estado límite último no se ve afectada.
Tensión principal en el hormigón y tensión en las barras de armadura para una abertura en el centro del vano
Según la teoría de la elasticidad, la tensión cortante máxima se alcanza en torno al centro de la sección transversal. Debido a la solución no lineal, el CSFM (Método del Campo de Tensiones Compatible) puede observarse en la redistribución de tensiones hacia la zona donde persiste energía suficiente para transferir la carga. Esto significa que las aberturas en las proximidades del apoyo afectan más a la capacidad portante que las aberturas en el centro del vano donde actúa el momento flector máximo.
Tensión principal en el hormigón y tensión en las barras de armadura para tres aberturas en las secciones críticas a flexión y cortante
Aberturas grandes
La presencia de aberturas grandes en vigas de hormigón armado requiere especial atención en la fase de análisis y diseño debido a la reducción tanto de la resistencia como de la rigidez de la viga y a la fisuración excesiva en la abertura debida a la alta concentración de tensiones. En la práctica, las aberturas se sitúan cerca de los apoyos donde predomina el cortante.
Los experimentos han demostrado que una viga con armadura insuficiente y un detallado inadecuado en la zona de la abertura falla prematuramente de forma frágil. Claramente, el mecanismo de fallo consiste en cuatro rótulas, una en cada extremo de los cordones superior e inferior.
Las observaciones experimentales del modo final de fallo desarrollaron un método de análisis para predecir la resistencia última de una viga con una gran abertura rectangular. Se basa en el análisis de carga de colapso en el que los requisitos básicos de equilibrio, plastificación y mecanismo se satisfacen simultáneamente.
Rótulas plásticas y fisuras en las proximidades de las rótulas plásticas
De manera similar a una viga con aberturas pequeñas, la incorporación de una abertura grande en la zona de flexión pura de una viga no afectará a su capacidad a momento, siempre que la profundidad del bloque de tensiones de compresión último sea menor o igual a la profundidad del cordón comprimido y que el fallo por inestabilidad del cordón comprimido se evite limitando la longitud de la abertura, que debe analizarse detalladamente.
Análisis de pandeo, primera forma modal y factor crítico
Resumen
Las aberturas en vigas, muros y losas son el pan de cada día de los ingenieros estructurales. El mundo moderno demanda estructuras transparentes, esbeltas y de gran altura que aportan beneficios tanto desde el punto de vista económico como medioambiental. Una comprensión clara del mecanismo de fallo y su prevención es la esencia para lograr estructuras altas, transparentes y atractivas. Además, también permite ahorrar altura estructural para los conductos, tuberías u otras instalaciones.
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