Comportamiento y modos de falla de elementos sujetos a flexión simple

En este post se describirán el comportamiento de elementos sujetos a flexión simple y el efecto de las principales variables de una manera muy somera con el objeto de poder visualizar mejor más adelante el efecto producido por la flexión al actuar simultáneamente con una carga axial en un elemento sometido a flexocompresión.

Para poder entender mecanismo de faìla de un elemento de concreto con refuerzo de tensión, en la figura 1 se muestra la gráfica carga de flexión de un elemento con un porcentaje de acero usual en la prác tica. Al empezar a cargar el comportamiento de la pieza es esencialmente elástico y toda la sección contribuye a resistir el momento exterior. Cuando la tensión en la fibra más esforzada de alguna sección excede la resistencia del concreto a ia tensión, empiezan a aparecer  grietas. A medida que se incrementa la carga, estas grietas aumentan en número, en longitud y en abertura. Se puede observar muy claramente la zona de la pieza sujeta a tensión, en la que se presentan las grieta y la zona sujeta a compresión.

A partir de la aparición de las primeras grietas el comportamiento espécimen ya no es elástico y las defïexiones no son proporcionales a las cargos. En las regiones agrietadas, el acero toma prácticamente toda la tensión. En esta etapa, el esfuerzo en el acero aumente hasta que alcanza su valor de fluencia. Desde el momento en que el acero empieza a fluir, la deflexión crece en forma considerable, sin que apenas aumente la carga. Esto es, la resistencia del elemento es solo ligeramente mayor que la carga que produce la fluencia del acero. Los primeros sintomas de la fluencia del acero son un incremento notable en la abertura longitud de las grietas y un quiebre marcado en la curva carga-deflexión.

A medida que aumenta la longitud de las grietas, la zona de compresión se va reduciendo. hasta que concreto en esta zona es incapaz de tomar la compresión y se eplasta. El primer indicio del aplastamiento es el desprendimiento de escamas en zona de compresión. Cuando esto ocurre, la carga disminuye con mayor ó menor rapidez, dependiendo de la rigidez del sistema de aplicación de la carga, hasta que se produce colapso final.

Según cantidad de acero longitudinal con que está reforzada la pieza, éste puede fluir no antes de que se alcance la carga máxima.

Cuando el acero fluye, el comportamiento del miembro es düctil; es declr, se producen deflexiones considerables antes del colapso final, tal como se muestra en la figura 1. En este caso se dice que el elemento es subreforzado. Por otra parte, si la cantidad de acero longitudinal de tensión es grande, éste no fluye antes del aplastamiento y se dice entonces que elemento es sobrereforzado; si el elemento alcanza su resistencia precisamente cuando acero ,empieza fluir se dice que el elemento es balanceado (falla balanceada).

En Ia figura 2 se presentan los esquemas de agrìetamiento correspondientes a vigas con diferentes porcentajes de acero. En el caso de un elemento sobrereforzado, la zona de aplastamiento del concreto es mayor que en caso de otro subreforzado. Las grietas del primero sonde longitud y abertura mepores.

En la figura 2 se muestra la variación en el comportamiento de los elementos que tienen distintos porcentajes de acero. Cada curva de trazo lleno representa la carga de flexión de un elemento reforzado con una cantidad diferente de acero de tensión, desde una viga de concreto simple hasta otra con porcentaje muy alto de acero del orden del 7%. Se puede observar de inmediato el efecto de la cantidad y distribución del acero longitudinal.

Un elemento de concreto simple (curva A) aìcanza su resistencia y falla al agrietarse el concreto en la fibra más tensada, con una deflexión muy pequeña. La falla es repentina, de tipo frágil.

El adicionar refuerzo ìongitudinal en cantidades muy pequeñas hace que la capacidad dei miembro aumente al mismo tiempo que su deflexión en la falla (curva B), En las primeras etapas de carga, el comportamiento es muy parecido al de un elemento de concreto simple. Una vez agrietado el concreto, la tensión en el acero se incrementa rlpidamente al aumentar la carga, hasta que el refuerzo se fractura.

Este tipo de falla ocurre en elementos con porcentajes muy pequeñas de acero, del orden de 0.1% 6 menor. La falla, como se ve, es frágil y se produce a una deflexiôn pequeña.

Las curvas C y D son tipicas de eìementos con porcentajes usuales de acero de tensión (de 0.5 a 2%). Se puede observar que la resistencia y la deflexión substancialmente mayores que en ias curvas A y B.

Ahora bién, si se aumenta apreciablemente el porcentaje de acero, el elemento se convierte en sobre reforzado, curva F.

La resistencia aumenta, pero la deflexiön a la falìa disminuye.

Si además de acero de tensión, existe acero longitudinaì en la zona de compresión, su efecto en las gráficas carga-defïexión del eìemento se muestra con lineas de trazo interrumpido para dos casos. El efecto principal del acero de compresión es aumentar notablemente ductilidad; la adición de acero de compresión en cantidad suficiente a un elemento sobre reforzado puede hacer que éste se convierta en sobreforzado, aumentando su ductiìidad y resistencia; al lograr que el acero de tensión desarrolle su esfuerzo de fluencia. Este efecto se muestra cualitativamente en las curvas F y G de la figura 2.

La adición de refuerzo de compresión a un elemento sobreforzado aumenta su ductilidad. pero su resistencia permanece prácticamente constante, ya que ésta regida por la tensión en el acero (curvas D y E).

Es muy importante recalcar que Ia ductilidad que se logra con la adición de acero de compresión no se obtiene si éste no está adecuadamente restringido por medio de refuerzo transversal (estribos), ya que de otro modo, para compresiones muy altas y cuando hay poco recubrimiento. acero de compresión puede pandearse, lo que causaría un colapso súbito.