Comportamiento a carga axial de pilares compuestos dobles sigma de chapa fría rellenos y parcialmente encajados con hormigón

Pilares de edificio más fuertes para estructuras cotidianas

A medida que las ciudades crecen en altura y la construcción se acelera, los ingenieros buscan pilares que no solo sean fuertes y seguros, sino también más rápidos de montar y más respetuosos con el clima. Este estudio examina una nueva forma de fabricar pilares combinando envolventes de acero delgado con un hormigón fluido especial reforzado con fibras de roca volcánica. Los investigadores plantean una pregunta simple con grandes consecuencias para los edificios del futuro: ¿qué configuración de pilar ofrece la mejor combinación de resistencia, tenacidad y menor huella de carbono?

Cómo las envolventes de acero delgado se convierten en pilares resistentes

Los edificios modernos a menudo emplean acero conformado en frío, obtenido al doblar chapas finas hasta darles formas rígidas. Estas piezas ligeras son fáciles de transportar y perfectas para la construcción modular, pero por sí solas pueden arrugarse como una lata cuando se les somete a compresión. Para evitarlo, el equipo construyó pilares emparejando dos secciones de acero en forma de sigma de dos maneras: cerradas cara a cara para formar una caja de acero, y abiertas espalda con espalda con un hueco que puede rellenarse con hormigón. Cada estilo se probó en tres versiones: solo acero desnudo, rellenado o encajado con hormigón autocompactante normal, y rellenado o encajado con un hormigón más avanzado reforzado con pequeñas fibras de basalto.

Un nuevo tipo de hormigón fluido y rico en fibras

El hormigón empleado está diseñado para verterse y extenderse por su propio peso, fluyendo alrededor de esquinas cerradas y armaduras densas sin vibración. Los investigadores mejoraron esta mezcla sustituyendo parte del cemento por ceniza volante y humo de sílice—subproductos industriales que ayudan a compactar la matriz—y añadiendo fibras cortas de basalto hechas de roca volcánica. Al microscopio, estas fibras atraviesan el hormigón endurecido, puenteando microfisuras y adhiriéndose al material circundante. Esta combinación produce una estructura interna más densa que resiste mejor el agrietamiento y se deforma con mayor ductilidad en lugar de fracturarse de forma súbita.

Empujando los pilares hasta la rotura en el laboratorio

Para evaluar el comportamiento de los distintos pilares, el equipo cargó cada espécimen axialmente hasta la falla, registrando cuidadosamente el acortamiento a lo largo de su altura y la flexión lateral. Las versiones de acero desnudo pandeaban pronto, con paredes delgadas pliegándose o torciéndose. Añadir hormigón autocompactante normal más que duplicó la capacidad de carga, porque el núcleo de hormigón ayudaba a sostener la forma del acero mientras el acero confinaba el hormigón. El resultado más destacado fue el pilar cerrado, completamente rellenado con hormigón con fibras de basalto: soportó casi tres veces la carga del pilar de acero vacío y alrededor de un tercio más que la versión con hormigón convencional. También se acortó menos y pudo deformarse mucho más después del rendimiento, mostrando una ductilidad mucho mayor—un margen de seguridad importante durante terremotos o eventos extremos.

Simulaciones, reglas de diseño y huellas de carbono

Los investigadores utilizaron modelos informáticos detallados para reproducir las pruebas de aplastamiento, confirmando que su gemelo digital coincidía estrechamente con las fallas y resistencias observadas. Luego compararon sus mediciones con las predicciones de códigos de diseño estructural indios e internacionales, ajustando fórmulas originalmente formuladas para acero laminado en caliente y hormigón ordinario. El enfoque actualizado predijo de forma fiable la resistencia de los nuevos pilares y se mantuvo ligeramente del lado conservador. Paralelamente, una evaluación del carbono desde la cuna hasta la tumba sumó las emisiones por producción de acero y hormigón, transporte de materiales, construcción, mantenimiento y reciclaje al fin de su vida útil. Aunque añadir hormigón aumenta las emisiones totales frente al acero desnudo, la enorme ganancia en capacidad de carga significa que cada unidad de carbono compra mucho más rendimiento estructural—especialmente en los pilares completamente rellenos y reforzados con fibras.

Equilibrando seguridad y sostenibilidad en los edificios del futuro

En términos prácticos, este trabajo demuestra que envolventes de acero delgado cuidadosamente conformadas, combinadas con un hormigón inteligente y rico en fibras, pueden crear pilares más ligeros, más fuertes y con una falla más gradual que las opciones convencionales, usando menos carbono por unidad de capacidad portante. Los pilares cerrados rellenados con hormigón con fibra de basalto, en particular, ofrecen alta resistencia, mejor control del agrietamiento y el pandeo, y mayor eficiencia a lo largo de su ciclo de vida. Esa combinación de seguridad, durabilidad y menor impacto ambiental los convierte en candidatos prometedores para la próxima generación de edificios modulares de media y gran altura que deben resistir tanto el uso intensivo como un clima cambiante.

Cita: Sharon, R.P.O., Senthilpandian, M. Axial load behaviour of concrete infilled and partially encased cold formed double sigma composite columns. Sci Rep 16, 11497 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39171-6

Palabras clave: pilares compuestos, acero conformado en frío, hormigón con fibra de basalto, hormigón autocompactante, carbono incorporado