Influencia de las aberturas en el alma en la respuesta cíclica de vigas de acoplamiento de hormigón armado

Por qué importan las pequeñas aberturas en edificios grandes

Los rascacielos modernos en zonas sísmicas suelen apoyarse en pares de muros gruesos de hormigón unidos por vigas horizontales cortas que actúan como fusibles estructurales. Estas vigas deben pivotar y deformarse durante el movimiento para que el edificio pueda disipar energía de forma segura. Al mismo tiempo, arquitectos e ingenieros habitualmente practican huecos en esas vigas para pasar tuberías y cables. Este estudio plantea una pregunta aparentemente simple con grandes implicaciones de seguridad: cuando se recortan aberturas de servicio a través de estos enlaces críticos, ¿cuánto más débiles y frágiles se vuelven, y puede un diseño inteligente del acero dentro del hormigón recuperar esa resistencia perdida?

Cómo protegen las vigas de acoplamiento a las estructuras altas

En muchas torres, los núcleos de ascensores y escaleras se forman mediante dos muros de hormigón paralelos conectados por vigas cortas y profundas llamadas vigas de acoplamiento. Cuando un terremoto desplaza el edificio lateralmente, se espera que estas vigas rindan y se deformen de manera controlada, absorbiendo energía y protegiendo los muros principales de daños severos. En vigas muy cortas, las barras de armadura rectas convencionales tienden a fallar súbitamente por corte de forma frágil. Por ello, los códigos de construcción favorecen disposiciones diagonales de acero que atraviesan la viga en forma de X, las cuales experimentos previos han mostrado más dúctiles y mejores para disipar energía. Sin embargo, los códigos ofrecen solo orientación limitada sobre lo que ocurre cuando las necesidades prácticas obligan a los ingenieros a perforar aberturas rectangulares en estas vigas.

Simular ciclos sísmicos en lugar de romper muchas vigas

Dado que los grandes programas experimentales son costosos, los autores construyeron un modelo numérico tridimensional detallado de vigas de acoplamiento de hormigón armado usando el software de elementos finitos ABAQUS. Primero comprobaron que su modelo podía reproducir ensayos de laboratorio reales en vigas cortas con armaduras convencionales y diagonales bajo cargado monotónico y de vaivén. Las simulaciones capturaron dónde se formaban las grietas, cómo se propagaba el daño y cómo evolucionaban las curvas momento cortante‑vs‑rotación, coincidiendo estrechamente con las resistencias máximas medidas, la degradación y la disipación energética. Con esa validación, simularon doce vigas cortas, todas del mismo tamaño, pero con cuatro disposiciones de acero diferentes y con o sin aberturas rectangulares en el extremo de la viga o en el claro.

Qué ocurre cuando se practican huecos en la viga

El estudio comparó tres estrategias de armado: barras rectas simples (convencional), barras diagonales con confinamiento (confinamiento diagonal) y dos patrones en forma de rombo, para ver cómo cada una resistía las aberturas. En general, las vigas sin aberturas dieron el mejor rendimiento, y las de confinamiento diagonal destacaron: mostraron bucles de histéresis suaves y estables, pérdida de rigidez gradual y la mayor absorción de energía. Introducir una abertura siempre redujo resistencia y ductilidad, pero la ubicación y la forma de la abertura importaron mucho. Las pequeñas aberturas cerca de los extremos de la viga debilitaban las piezas, aunque el confinamiento diagonal limitó la caída de la resistencia al corte a alrededor del 6% y mantuvo gran parte de la capacidad de rotación, mientras que las disposiciones convencionales y romboides se volvieron mucho más frágiles.

Por qué las aberturas en el claro son especialmente peligrosas

Cuando la abertura se colocó en el centro de la viga, la trayectoria diagonal principal de compresión que soporta el corte quedó cortada en dos, y el comportamiento se degradó de forma abrupta. En vigas convencionales con una abertura alta y estrecha, la capacidad al corte cayó aproximadamente un tercio y la rotación máxima más de la mitad, conduciendo a una falla rápida y frágil tras solo unos pocos ciclos de carga. Los patrones romboides también perdieron gran parte de su ductilidad y capacidad de disipación, a veces más del 80%. Incluso en el mejor caso —confinamiento diagonal con una abertura central— se sufrió casi un 50% de pérdida de capacidad de rotación, aunque aún superó a las vigas macizas con disposiciones de acero menos eficaces. Las simulaciones también mostraron que simplemente cambiar las proporciones de la abertura, haciéndola más larga y de menor altura manteniendo la misma área, podía reducir significativamente el daño al mantener más intacta la senda diagonal crítica de hormigón.

Lecciones de diseño para un rendimiento sísmico más seguro

Desde un punto de vista práctico, los hallazgos transmiten mensajes claros. Para vigas de acoplamiento cortas dominadas por el corte, el armado con confinamiento diagonal debería ser la elección por defecto, especialmente cuando las aberturas son inevitables, porque preserva mejor la resistencia, la ductilidad y la disipación de energía. Las aberturas cerca del centro de la viga son mucho más dañinas que las situadas cerca de los extremos porque cortan la principal columna diagonal que resiste el sismo. Si una abertura en el claro es necesaria, debe mantenerse baja en altura, más larga en la dirección de la viga y alejada de las caras para que la trayectoria interna diagonal de carga no quede seccionada. En términos sencillos, el artículo muestra que dónde y cómo se practican huecos de servicio en estos enlaces pequeños pero vitales puede decidir si un edificio alto se dobla y sobrevive a un terremoto —o se agrieta y falla demasiado pronto.

Cita: Ramadan, O.M.O., Elghool, A., Elshafey, N. et al. Influence of web openings on the cyclic response of RC coupling beams. Sci Rep 16, 10475 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42360-y

Palabras clave: vigas de acoplamiento de hormigón armado, rendimiento sísmico, aperturas estructurales, análisis por elementos finitos, ingeniería sísmica