Análisis por elementos finitos de una columna de construcción sobre el comportamiento fuera del plano de la pared de acero con relleno dañada

Por qué importan estas paredes en los terremotos

Cuando ocurre un terremoto, los muros de ladrillo o bloque que rellenan los huecos dentro de los pórticos de un edificio suelen recibir el primer impacto. Estos muros “de relleno” suelen considerarse particiones no estructurales, pero en la práctica ayudan a mantener en pie las edificaciones. Este estudio explora una forma nueva y más sencilla de construir las pequeñas columnas verticales empotradas en dichos muros y plantea una pregunta crucial: ¿puede esta construcción simplificada seguir protegiendo el muro —y a las personas en su interior— cuando la vibración desde una dirección provoca una falla fuera del plano, como un libro que cae de una estantería?

Cómo se comportan las paredes ordinarias cuando el suelo se mueve

En muchos edificios modernos, un esqueleto de acero o hormigón se rellena con muros de mampostería. Durante un terremoto, estos muros interactúan con el pórtico de formas complejas. Pueden aumentar la rigidez de toda la estructura y disipar energía, pero también pueden agrietarse y fallar. Una debilidad crítica es la falla fuera del plano, donde el muro se dobla y sobresale lateralmente y puede colapsar hacia el exterior. Observaciones tras terremotos anteriores han mostrado que añadir estrechas “columnas de construcción” verticales dentro del muro puede mejorar en gran medida su estabilidad. Sin embargo, el método habitual —colocar estas columnas in situ con hormigón— requiere varios días de trabajo, encofrados y vibrado cuidadosos, y con frecuencia presenta problemas de calidad.

Una idea de columna más sencilla dentro del muro

Para abordar estos obstáculos prácticos, los autores estudian una columna de construcción prefabricada que se integra con el muro en un único paso simplificado. En lugar de montar encofrados y luego verter y vibrar el hormigón por separado, los operarios insertan bloques prefabricados y armaduras mientras colocan los ladrillos, y luego rellenan huecos con lechada. Este enfoque reduce el período de construcción de un muro de tres días a uno y recorta el coste directo en aproximadamente un 30 por ciento. Ensayos previos mostraron que estas columnas prefabricadas son más flexibles que las tradicionales coladas in situ, lo cual encaja con la idea de diseño deseable de un pórtico fuerte y un muro algo más débil: el pórtico principal permanece seguro mientras el daño se concentra en el relleno reemplazable.

Ensayos virtuales con modelos computacionales detallados

Usando experimentos a escala real previos como referencia, el equipo construyó tres modelos informáticos de alta fidelidad de un pórtico de acero de una planta con un muro de ladrillo: uno sin columna interior, otro con una columna de construcción convencional colada in situ y otro con la nueva versión prefabricada. Modelaron cuidadosamente los ladrillos, la mortero, el pórtico de acero, las barras de refuerzo y las superficies de contacto, y luego simularon ciclos de vibración en el plano (desplazamiento lateral) seguidos de cargas fuera del plano que empujan el muro perpendicular a su superficie. Estas simulaciones reprodujeron características clave observadas en ensayos de laboratorio, incluyendo la formación de grietas diagonales, cómo partes del muro se aplastan o separan y cómo el pórtico y el muro comparten las cargas, lo que da confianza en que los modelos capturan el comportamiento real.

Qué ocurre cuando los muros son empujados fuera del plano

Los resultados muestran que las columnas de construcción cambian sustancialmente cómo el muro se dobla y agrieta bajo carga fuera del plano. En el muro sin columna, la región central se empuja fuertemente hacia afuera y las grietas se extienden en un patrón en forma de X, formando un único arco entre las columnas laterales. Cuando está presente una columna colada in situ, el muro se comporta efectivamente como dos paneles más cortos, cada uno formando su propio arco. Esto reduce el abultamiento lateral en el centro y desplaza las grietas hacia los bordes de la columna. La columna prefabricada produce un comportamiento de dos arcos similar, pero con el daño concentrado más en las juntas entre sus bloques prefabricados, donde la mortero es más vulnerable. En conjunto, ambos tipos de columna limitan el desplazamiento máximo fuera del plano en la región central del muro.

Cuánta resistencia se gana o se pierde

Los números de las simulaciones destacan los compromisos. En comparación con el muro sin ninguna columna interior, la columna colada in situ más que duplica la capacidad de carga fuera del plano, mientras que la columna prefabricada casi la duplica. Ambas también aumentan la ductilidad del muro, permitiéndole deformarse más antes de perder resistencia, y reducen cuánto el daño en el plano debilita el comportamiento fuera del plano. Sin embargo, la columna colada in situ, muy rígida, atrae también fuerzas mayores durante la vibración en el plano, lo que puede conducir a daños localizados mayores cuando el muro es posteriormente empujado fuera del plano. La columna prefabricada, más flexible, tiene un efecto de refuerzo menor en términos numéricos puros, pero limita mejor el desplazamiento y el daño fuera del plano después de que el muro ya se haya agrietado en el plano.

Qué significa esto para una construcción más segura y rápida

Para el público general, el mensaje clave es sencillo: añadir columnas verticales estrechas dentro de muros de relleno de ladrillo los hace mucho menos propensos a abultarse y caer fuera de un pórtico durante o tras un terremoto, y una versión prefabricada bien diseñada puede lograr gran parte de esta protección con una construcción más simple y económica. La columna colada in situ sigue ofreciendo la mayor resistencia bruta, pero la nueva columna prefabricada ofrece un equilibrio prometedor entre seguridad, ductilidad, velocidad de construcción y coste. Dado que este estudio se centra en pórticos de una sola planta y un tipo de muro, se necesita más trabajo antes de aplicar los hallazgos a edificios altos u otros materiales de mampostería. Aun así, la investigación apunta a detalles prácticos y constructibles que podrían ayudar a que los muros ordinarios realicen, de forma discreta, un trabajo que salva vidas cuando el suelo empieza a temblar.

Cita: Wang, Z., Luo, H., Lin, H. et al. Finite element analysis of a constructional column on the out-of-plane performance of the damaged steel frame-infilled wall. Sci Rep 16, 11177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39054-w

Palabras clave: muros de fábrica de mampostería, ingeniería sísmica, columnas de construcción, análisis por elementos finitos, comportamiento fuera del plano