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Mecánica de fracturas en edificios - Jorge Bernal Capítulo 3: Fuerzas internas.
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“W2 MF FUERZAS INT”
Mecánica de fracturas. Capítulo 3: Fuerzas internas.
Para comprender los principios de la Mecánica de Fractura es necesario conocer el origen y tipo de las fuerzas. En este capítulo estudiamos las fuerzas que se generan dentro de la masa de elementos de la
construcción.
Mecánica de fracturas en edificios - Jorge Bernal Capítulo 3: Fuerzas internas.
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1. Tipos de fuerzas.
1.1 General.
Las fracturas resultan del intercambio de energía elástica, trabajo de
fractura de superficie y disipación. La energía es generada por el trabajo y
éste es función de la fuerza por una distancia; en estos capítulos explicamos
el origen de las fuerzas que generan las energías de fractura. Es extraño, la
mayoría de esas fuerzas no son tenidas en cuenta en el diseño y cálculo es-
tructural. Distinción de las diferentes fuerzas que generan energía de fractu-
ra:
Gravitatorias: peso propio y sobrecargas de uso.
Inerciales: viento y sismo.
Electroquímicas: corrosión y acción química del agua en los mate-
riales de la construcción y en los diferentes tipos de suelo.
Térmicas: de dilatación y contracción.
Bióticas: animales, insectos, plantas.
1.2 Internas y externas.
Las fuerzas internas son las generadas por la masa propia del edifi-
cios; pisos, paredes, estructuras, cubiertas. Por ejemplo las producidas por
diferencias térmicos en alguno de los componentes estructurales o de cierre
del edificio.
Las fuerzas externas son producidas por una o varias de las acciones
que componen el entorno del edificio: viento, sismo, lluvias, nieve. También
actúan las térmicas cuando la dilatación o contracción de los edificios o in-
fraestructuras vecinas actúan sobre el edificio en estudio.
En la imagen se observan las fracturas en la pared producidas por
una expansión de arcillas activas. Arrancan en la región del dintel de la puer-
ta (abajo izquierda) y se extienden inclinadas hacia la derecha. En este caso
el suceso se produce por pérdida de agua en cañerías de sanitarios en la re-
gión izquierda abajo.
En la siguiente imagen las fisuras son provocadas por las fuerzas in-
ternas de masa; el revoque se contrae por evaporación en el tiempo de frague
(arriba al medio). Abajo, a nivel de suelo las fracturas provienen de la ex-
pansión de hierro en corrosión en la viga de hormigón de encadenado.
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Ahora, en este capítulo solo estudiamos las internas y las organiza-
mos en dos grandes partes: las de contracción y expansión.
2. Fuerzas internas: contracción. Estas son las fuerzas internas, que produce la misma masa de la pie-
za. Las fuerzas de contracción generan un estado de tracción dentro del sis-
tema y provoca las llamadas fisuras de contracción. Son fisuras que copian
en forma aproximada, en escala macro las estructura cristalina microscópica.
En los suelos en general forman 120 grados.
La imagen utilizada
como logo es una geografía
de fisuras provocadas por
contracción del suelo al se-
carse. En la imagen de la
izquierda la disposición de
los enlaces atómicos de los
componentes de la arcilla que forman hexágonos.
Estas fuerzas actúan en diferentes elemen-
tos:
Suelos.
Paredes internas y perimetrales.
Pisos.
Revoques.
Hormigón armado (fundaciones, columnas, vigas y losas).
2.1 Contracción de los suelos.
Las arcillas se componen de partículas tan pequeñas que interactúan
en forma electro química con las moléculas de agua. En regiones muy pró-
ximas a la superficie de la partícula el agua deja de ser libre. Queda atraída
por fuerzas eléctricas según los tipos de átomos que se compone la arcilla.
De esa manera la partícula en los procesos de reducción del contenido de
humedad se contrae. El suelo se fisura tanto en forma horizontal como verti-
cal. Este fenómeno de reducción de volumen de la masa de suelo, puede
desestabilizar a las estructuras que se construyan sobre su superficie; porque
hay fuerzas y descensos que es energía que el edificio la disipa con fisuras.
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La masa de suelo superficial, en contacto con la atmósfera es quien
pierde con mayor velocidad la humedad. El suelo de la imagen es residual,
de fondo de una laguna con mucho material orgánico.
En todos los casos de las fuerzas internas de masa de los materiales
de la construcción existen dos tipos generales de fuerzas. Una de ellas es la
provocada por la tensión superficial del agua en los meniscos capilares. Ha-
cen fuerza para cerrar el conducto y provocan en el espacio del material un
estado de tracción.
La otra es cuando el agua pierde su condición de líquido y se trans-
forma en un material viscoso; es el agua libre que cambia por agua adsorbida
en las adyacencias de las micros partículas de arcillas. El agua adsorbida
posee una densidad cercana a los 1,4 g/cm3 y se mantiene cercana a la super-
ficie de la partícula.
El resto del agua actúa libre con todas las cualidades normales; pro-
ducen la llamada presión de poros.
2.2 Contracción de fragüe en hormigón.
Hidratación.
El cemento se hidrata y las cualidades de adherencia y dureza se
producen por la reacción química de las partículas de cemento con el agua
que genera calor. Por cada metro cúbico de hormigón se utilizan en forma
aproximada unos 170 litros de agua para 300 kilos de cemento. En este caso
la relación agua cemento (a/c) sería 0,56.
Sólo el 25 % de esa cantidad de agua es tomada por el cemento para
la hidratación (42 litros), el resto (128 litros) se evapora o queda como agua
libre dentro de la masa de hormigón. Durante la evaporación se forman con-
ductos capilares, al igual que el suelo produce fuerzas hacia el interior, lo
contrae al hormigón. Esta es una de las causas de la contracción. La intensi-
dad depende de variables como cantidad de cemento, agua, tipos de agrega-
dos, tipo de curado, temperatura ambiente.
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Este fenómeno comienza a actuar a una 2 a 6 horas luego del hormi-
gonado. Luego de ese tiempo aparecen las fuerzas internas de retracción que
se originan con el hormigón endurecido, porque los niveles de los capilares
se profundizan aumentando las fuerzas de atracción en el material. Además
están las fuerzas electro químicas que se generan entre las moléculas de agua
y las paredes de las partículas.
Resistencia y coacción.
En el proceso del fragüe del hormigón se superponen dos fenómenos
contrapuestos o contrarios relacionados con las tensiones o esfuerzos inter-
nos. Uno de ellos responde a las tensiones de coacción o retracción que ge-
neran tracción en la masa durante el tiempo de secado. El otro es la resisten-
cia que adquiere la masa con el paso del tiempo.
Esta situación podemos mostrarla con un gráfico. En el eje de las or-
denadas indicamos los valores de ambas tensiones; las de coacción y las de
resistencia. En el eje de las abscisas el tiempo de endurecimiento. La curva
cóncava es la de resistencia cuya pendiente aumenta durante el tiempo de
fragüe, mientras que la curva de coacción es convexa y disminuye su valor
en ese tiempo.
Desde los esfuerzos en el denominado “tiempo de fisura” las tensio-
nes de coacción son superiores a las de resistencia; el material inicia su frac-
tura hasta que se detiene cuando la curva de resistencia supera a la de coac-
ción.
La única prevención a este fisuramiento por contracción es realizar
un cuidadoso curado, de forma tal de evitar la rápida evaporación del agua.
En el caso de curados bajo agua, no se forman los meniscos de fuerza y la
contracción se reduce en forma notable.
2.3 Contracción masa revoques.
Es un proceso similar al del hormigón. Aquí la contracción depende-
rá del tipo de mezcla que se efectúe. Los revoques cuando la evaporación del
agua de mezcla es rápida forma fisuras del tipo “araña” que tienen direccio-
nes caóticas, pero en general las líneas de fisuras forman 120° entre sí. En
una intersección se encuentran tres fisuras.
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Si la evaporación o la pérdida de agua es más rápida que la hidrata-
ción de las partículas de cal o cemento el revoque o mortero “se quema” en
el vocabulario vulgar. En realidad el suceso es una falta de agua para termi-
nar la hidratación de las partículas.
2.4 Contracción por disminución temperatura.
Todos los materiales sufren variación de su volumen con los dife-
renciales de temperatura. En el caso de las paredes, hormigón o acero, el
coeficiente térmico es bastante similar. El coeficiente da una medida de la
longitud de contracción por grado de variación de temperatura. Para tener
una idea los materiales de la construcción (excepto la madera) varían unos
1,5 mm por cada 100 metros de longitud y por grado centígrado.
Esto significa que una variación de temperatura que en nuestra re-
gión puede alcanzar el gradiente de 30°C la pieza (fachadas de viviendas o
pavimentos) en una longitud de 100 metros se contrae 45 mm (4,5 cm). Las
fuerzas que produce la contracción son superiores a la resistencia de los ma-
teriales y terminan por fracturarlos. Esto se observa en las veredas y facha-
das de las viviendas.
2.5 Contracción de la madera.
La madera durante su secado también pierde agua contenida entre
sus moléculas, se acrecientan las fuerzas de adherencia y la madera reduce
su volumen. El problema de algunas maderas es la contracción diferencial.
En ese caso, los cabios, las correas o las tablas se doblan.
3. Fuerzas internas: expansión. En general es el proceso inverso de la contracción, pero no en todos
los casos.
3.1 Expansión de suelos.
En los suelos el fenómeno es totalmente distinto. Aquí no hay proce-
sos de fuerzas capilares. En realidad existe una reacción electro química. Las
moléculas de agua que llegan a la superficie de las partículas son tomadas
por las fuerzas eléctricas y forman capas que aumentan el volumen de cada
partícula. Con esto el suelo sufre una expansión, un notable aumento del
volumen.
3.2 Expansión en el hormigón por aumento humedad.
El hormigón que ha sido curado y durante años permanece expuesto
al clima libre, los poros capilares pierden gran parte de su contenido de agua
pero el fenómeno de fuerzas capilares aún subsiste.
Si a ese hormigón lo sumergimos en agua, ésta entra por los poros y
llega hasta los profundos meniscos que aún ejercen fuerzas de contracción.
Una vez en contacto del agua de menisco con el agua externa se equilibran
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las fuerzas y se anulan las componentes radiales de contracción. En este caso
el hormigón sufre una expansión por saturación de los poros.
3.3 Expansión del hormigón por corrosión acero.
Hay que diferenciar la oxidación de la corrosión. El hierro, las barras
que habitualmente se utilizan en el hormigón armado poseen el color marrón
característico de una oxidación. Esto es bueno, es favorable para la adheren-
cia entre la pasta de cemento (capa pasivadora) y la superficie de las barras.
Incluso las partículas de óxido se mezclan con las de cemento para generan
una lámina que protege al hierro con alta alcalinidad (pH mayor de 12).
En la imagen superior la expansión producida por la corrosión de las
armaduras provocó el desprendimiento de parte de la masa de hormigón. La
corrosión se produce cuando se forma un ánodo y cátodo en la superficie de
la barra y comienza un proceso de reducción del hierro. Es el inicio de la
corrosión. En esta reacción aumenta el volumen de la barra por las capas
hierro descompuesto. Ese incremento de volumen es una expansión que ter-
mina fisurando al hormigón que lo rodea.
3.4 Expansión por aumento temperatura.
Explicamos en puntos anteriores la contracción por reducción de
temperatura. Aquí el proceso es contrario, hay una expansión, un aumento de
volumen. Si bien se lo puede explicar de la misma manera que la contrac-
ción, hay que tener en cuenta que el esfuerzo que se produce en los materia-
les de la construcción son inversos. Si hay confinamiento en el suceso de
contracción habrá esfuerzos de tracción, mientras en el de expansión existirá
compresión.
Si bien las paredes de ladrillos cerámicos y el hormigón poseen re-
sistencias muy bajas a la tracción y elevadas a la compresión, hay situacio-
nes como las mostradas en las imágenes que siguen, donde por falta de man-
tenimiento de juntas de dilatación, el pavimento se quiebra, se fractura.
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3.5 Expansión de la madera.
En estos casos la expansión viene acompañada de una descomposi-
ción de la madera. El agua se mete entre sus fibras y terminan afectando su
calidad y vida útil.
