Comportamiento resistente y de fallo de juntas horizontales soldadas en estructuras de muros de cortante prefabricados

Por qué importan los edificios prefabricados más seguros

Cada vez se construyen más edificios con grandes paneles de hormigón fabricados en fábrica y ensamblados rápidamente in situ. Este enfoque puede reducir el tiempo de construcción, minimizar residuos y mejorar el control de calidad. Pero en regiones propensas a terremotos surge una gran pregunta: ¿qué tan bien resisten las uniones metálicas que conectan estos pesados elementos de hormigón cuando tiembla la tierra? Este estudio examina en detalle un tipo clave de conexión soldada entre muros y forjados en edificios prefabricados para evaluar cuán resistentes y tolerantes al daño son realmente.

Cómo se ensamblan los edificios modernos

En un edificio tradicional de hormigón, muros y forjados se vierten formando una masa casi continua, por lo que la estructura se comporta como un bloque único. Los edificios prefabricados son distintos: los muros y las losas se fabrican en taller y luego se unen en obra. Esas juntas pasan a ser los “eslabones débiles” que controlan la seguridad y los costes de reparación durante un terremoto. Los ingenieros pueden emplear juntas “húmedas”, que añaden hormigón colado in situ, o juntas “secas”, que dependen de pernos o soldaduras. Las juntas húmedas se comportan de forma más similar al hormigón macizo pero ralentizan la construcción. Las juntas secas son más rápidas y limpias, aunque su comportamiento bajo sacudidas intensas no está tan bien comprendido, especialmente las juntas soldadas que discurren horizontalmente donde los muros se encuentran con los forjados.

Un nuevo enlace soldado entre muros y forjados

Los autores diseñaron un sistema de unión soldada práctico orientado a la construcción real. Placas de acero se incorporan en los cantos de los paneles de muro y de la losa en fábrica. En obra, se suelda una placa de conexión entre estas placas integradas, con armaduras que atenazan las placas hacia vigas y pilares embebidos en el hormigón. Esto crea un “puente” de acero oculto que transmite fuerzas entre el muro superior, el forjado y el muro inferior. Se construyeron dos especímenes a escala real: uno que representa un muro exterior conectado a un forjado por un lado, y otro que representa un muro interior vinculado a forjados por ambos lados. Ambos se montaron en un marco de ensayo y se empujaron de ida y vuelta para imitar los desplazamientos lentos y repetidos provocados por terremotos fuertes.

Qué ocurrió cuando se simuló el temblor

Durante las pruebas, las juntas soportaron fuerzas laterales de aproximadamente 330 kilonewtons —comparables al peso de varios camiones pequeños— antes de que comenzara a disminuir su resistencia. También permitieron desplazamientos superiores de alrededor de 40–44 milímetros manteniendo la mayor parte de la carga, lo que indica buena ductilidad, es decir, capacidad de deformarse sin romperse de forma brusca. Las grietas aparecieron primero en la cara inferior del muro cerca de las placas soldadas, luego se propagaron en diagonal y, finalmente, el hormigón en el borde comprimido del muro se trituró mientras las placas de acero y las armaduras cercanas a la junta alcanzaron fluencia. El patrón de fallo fue una mezcla de corte lateral en la junta y flexión del muro, en lugar de una fractura frágil y súbita. El espécimen que representaba muros interiores, con forjados a ambos lados, mostró una rigidez y resistencia ligeramente mayores que la versión de muro exterior, reflejando una trayectoria de fuerzas más equilibrada.

Exploración interna mediante ensayos virtuales

Para complementar los experimentos de laboratorio, el equipo construyó un modelo informático tridimensional detallado usando el programa de simulación ABAQUS. Emplearon un modelo avanzado de hormigón capaz de capturar fisuración, aplastamiento y pérdida de rigidez bajo cargas repetidas, combinado con un comportamiento del acero simplificado pero realista. Tras calibrar el modelo, encontraron que las curvas esfuerzo‑desplazamiento simuladas, los puntos de mayor tensión y los patrones de grieta coincidían razonablemente con los ensayos: las cargas máximas y de fluencia estaban típicamente dentro del 10–20 por ciento de los valores medidos. Con esta herramienta validada llevaron a cabo experimentos virtuales para ver cómo afectaban el rendimiento la carga vertical sobre el muro (compresión axial) y la geometría del muro (relación fc/h de cortante, shear‑span). Una mayor compresión incrementó la resistencia máxima pero redujo la capacidad de deformación más allá de cierto punto, mientras que muros más altos y esbeltos cambiaron el daño desde un mecanismo dominado por cortante hacia uno dominado por flexión y con menor resistencia.

Qué significa esto para el diseño antisísmico

Para no especialistas, el mensaje clave es que juntas soldadas cuidadosamente detalladas entre muros y forjados prefabricados pueden comportarse de manera sólida bajo cargas tipo sísmicas. Estas juntas no actuaron como costuras frágiles; en cambio, soportaron grandes fuerzas, disiparon energía mediante fisuración controlada y fluencia del acero, y fallaron de forma gradual y observable. El estudio también muestra que los diseñadores deben equilibrar la carga vertical y las proporciones del muro para evitar fallos por aplastamiento por compresión excesiva y preservar la ductilidad. Por último, el modelo informático validado proporciona una herramienta poderosa para perfeccionar los detalles de las juntas y explorar escenarios más extremos, ayudando a los ingenieros a diseñar edificios prefabricados que sean rápidos de construir y más seguros cuando la tierra tiemble.

Cita: Xu, B., Xu, Y. & Zhang, Y. Load-bearing and failure behavior of welded horizontal joints in prefabricated shear wall structures. Sci Rep 16, 10262 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40936-2

Palabras clave: hormigón prefabricado, juntas sísmicas, conexiones soldadas, muros de cortante, ingeniería sísmica