Comportamiento a corte de vigas de hormigón de alta resistencia con aberturas circulares bajo exposición al fuego

Por qué importan los huecos en las vigas de hormigón durante un incendio

Los edificios modernos están atravesados por tuberías, cables y conductos ocultos, muchos de los cuales pasan por aberturas practicadas en las vigas de hormigón. Estas aberturas ahorran espacio y simplifican las instalaciones, pero también debilitan la estructura —especialmente en un incendio, cuando el hormigón y el acero se llevan al límite. Este estudio analiza cómo se comportan las vigas de hormigón de alta resistencia con grandes aberturas circulares bajo calor intenso, y cómo dos métodos prácticos de refuerzo pueden ayudarlas a sobrevivir y mantenerse seguras tras un incendio.

Vigas, fuego y grandes huecos redondos

Los investigadores se centraron en el hormigón de alta resistencia, un material valorado por su durabilidad y estructura compacta. Esa misma densidad, sin embargo, lo hace más frágil y proclive a desprendimientos explosivos cuando se calienta. En muchos edificios reales se practican grandes huecos redondos en el alma (la parte central) de estas vigas para permitir el paso de las instalaciones. Cuando la viga está cargada, las fuerzas deben “fluir” alrededor del hueco, concentrando tensiones y favoreciendo la aparición de grietas. En un incendio, las capas exteriores del hormigón se calientan, pierden resistencia y agrietan, lo que altera aún más la forma en que las fuerzas se transmiten por la viga. Comprender este efecto combinado de las aberturas y el fuego es esencial para los ingenieros que deben juzgar si una viga dañada todavía puede soportar cargas, o cómo repararla de la forma más adecuada.

Cómo se realizaron las pruebas

Para abordar este problema, el equipo construyó y ensayó nueve vigas de tamaño idéntico. Una fue una referencia maciza sin hueco. Las demás tenían una única gran abertura circular en el alma, de aproximadamente la mitad de la altura de la viga, situada en una zona crítica a corte cerca del apoyo. Algunas vigas se dejaron sin modificar, otras llevaron fibras de acero mezcladas en el hormigón y un tercer grupo se envolvió localmente con una delgada chaqueta exterior de mallazo y mortero, conocida como ferrocemento. Vigentes seleccionadas se calentaron hasta 500 °C durante una hora mientras soportaban una carga moderada, y luego se enfriaron rápidamente con agua para imitar condiciones de extinción, antes de cargarlas hasta la rotura en flexión y a corte.

Qué hicieron el fuego y los refuerzos a las vigas

Las grandes aberturas circulares tuvieron un impacto dramático. En comparación con la viga maciza de referencia, una viga sin refuerzo con abertura soportó solo alrededor de un tercio de la carga antes de fallar, y se deformó menos al fallo, lo que indica una respuesta más frágil. Cuando esa misma configuración fue expuesta al fuego, su capacidad de corte se redujo hasta en un 68% y las grietas aparecieron pronto y se propagaron rápidamente alrededor de la abertura. Añadir fibras de acero en el hormigón ayudó: fibras al 0,5% y 1,0% en volumen puenteaban las grietas y retrasaron su crecimiento, aumentando ligeramente la carga de fisuración y elevando la carga última tras el incendio hasta aproximadamente un 16%. Las chaquetas de ferrocemento envueltas alrededor de la zona de la abertura también mejoraron el comportamiento. Mantuvieron unido el hormigón agrietado, generaron muchas grietas pequeñas en lugar de pocas anchas y redujeron las flechas en el vano medio. Tras la exposición al fuego, estas chaquetas recuperaron hasta aproximadamente un 14,5% de la capacidad cortante perdida y redujeron las deformaciones en torno a un tercio respecto a la viga dañada y sin refuerzo.

Comprobaciones con gemelos digitales y lecciones de diseño

Más allá del laboratorio, los autores crearon modelos computacionales detallados de las vigas usando análisis por elementos finitos, incorporando propiedades realistas dependientes de la temperatura para el hormigón y el acero. Estos modelos reprodujeron con éxito cómo se deformaban las vigas, cuándo se fisuraban y cómo fallaban finalmente, con diferencias de solo unos pocos puntos porcentuales respecto a los ensayos. Las vigas virtuales se usaron luego para explorar qué ocurre al reducir o aumentar las aberturas y cuando las temperaturas de incendio suben de 400 a 600 °C. Las simulaciones confirmaron que aberturas más grandes y fuegos más calientes reducen drásticamente la resistencia a corte, y que los beneficios del refuerzo son menos pronunciados cuando la abertura se vuelve muy grande.

Qué significa esto para los edificios reales

Para el público no especializado, el mensaje principal es claro: las grandes aberturas redondas en vigas de hormigón de alta resistencia pueden convertirse en puntos débiles graves, especialmente tras un incendio severo. Este estudio muestra que incorporar fibras cortas de acero en el hormigón puede ayudar a que la viga soporte más carga y disipe más energía tras la fisuración, mientras que las chaquetas delgadas de ferrocemento son particularmente eficaces para limitar la flexión y la flecha visible. Junto con modelos computacionales fiables, estos resultados ofrecen a los ingenieros mejores herramientas para juzgar cuándo las vigas dañadas por incendio con aberturas pueden repararse, cuán eficaces son probablemente distintos métodos de reparación y cuándo la sustitución completa es la opción más segura.

Cita: Sedawy, A.E., Beshr, A.A.A. & Mahmoud, I.A. Shear behavior of high-strength reinforced concrete beams with circular openings under fire exposure. Sci Rep 16, 13138 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43162-y

Palabras clave: seguridad estructural ante incendios, hormigón de alta resistencia, aberturas en vigas, refuerzo con fibras de acero, rehabilitación con ferrocemento