Evaluación del rendimiento y valoración normativa de pilares CFST de núcleo macizo y doble envoltura con distintas configuraciones de acero

Pilares de edificio más resistentes para ciudades más seguras

Las ciudades modernas dependen de edificios altos, puentes y torres que deben soportar de forma segura enormes cargas verticales y resistir terremotos o impactos. Los ingenieros buscan constantemente diseños de pilares que no solo sean más resistentes, sino también más dúctiles—es decir, capaces de doblarse y deformarse sin colapsar de forma súbita. Este estudio analiza un nuevo tipo de pilar compuesto hecho de tubos de acero rellenos de hormigón, dispuestos en una “envoltura” doble alrededor de un núcleo macizo de hormigón. Al comparar varias formas y configuraciones, los investigadores muestran cómo pequeños cambios en la geometría pueden producir grandes ganancias en resistencia, estabilidad y capacidad de recuperación.

Cómo son estos nuevos pilares compuestos

Los pilares estudiados pertenecen a una familia denominada tubos de acero rellenos de hormigón, donde un tubo hueco de acero se llena completamente con hormigón para que ambos materiales actúen de forma conjunta. El equipo se centró en una variante más reciente: pilares de doble envoltura con núcleo macizo. En estos hay un tubo de acero exterior y un segundo tubo interior, con todo el espacio intersticial e interior lleno de hormigón—sin vacíos. Los tubos pueden ser cuadrados o circulares, y combinarlos de distintas maneras (cuadrado–cuadrado, circular–circular o mixto) cambia el comportamiento del pilar bajo carga. Cada pilar experimental era corto y rechoncho, de unos 41 centímetros de altura, una escala que pone de relieve cómo la sección transversal y la disposición de materiales controlan el modo en que las fuerzas atraviesan el pilar.

Cómo se realizaron los ensayos

Se construyeron ocho especímenes distintos usando hormigón convencional y tubos de acero de pared delgada. Algunos solo tenían tubos de acero sin hormigón, otros tenían un único tubo relleno de hormigón, y otros usaban la nueva disposición de doble envoltura con núcleo macizo, con tubo interior y exterior. Tras el moldeo y el curado, cada espécimen se colocó en una gran máquina de ensayos y se comprimió axialmente—en dirección longitudinal—hasta alcanzar su capacidad y sufrir deformaciones significativas. Durante la carga, los investigadores midieron cuánto se acortaban los pilares, cuál era su rigidez inicial y cuánta deformación adicional podían tolerar después de alcanzar la resistencia máxima. También registraron con detalle cómo y dónde se produjo el pandeo del acero y el aplastamiento del hormigón.

Por qué las envolturas exteriores circulares ganan la contienda de resistencia

Los resultados mostraron un patrón claro: los pilares circulares fueron generalmente más resistentes y más dúctiles que los cuadrados. Un tubo de acero circular distribuye el esfuerzo de forma uniforme alrededor de su perímetro, lo que ayuda a confinar el hormigón interior y retrasa el pandeo local del acero. Por ejemplo, un tubo circular hueco soportó una carga mucho mayor que un tubo cuadrado hueco, y un tubo circular relleno de hormigón superó notablemente a su homólogo cuadrado relleno. La ventaja fue aún más pronunciada en los pilares de doble envoltura. Configuraciones con tubos exteriores circulares, incluso usando menos acero, soportaron cargas mayores y se deformaron con más suavidad que las de tubo exterior cuadrado. Su fallo implicó una expansión radial relativamente uniforme y un aplastamiento gradual del núcleo, en lugar de quiebres bruscos, abultamientos tipo “pie de elefante” o pandeos locales repentinos.

Qué aportan las dobles envolturas y los núcleos macizos

Agregar un segundo tubo de acero interior y un núcleo macizo de hormigón incrementó notablemente el rendimiento respecto a los pilares de una sola envoltura. Los mejores especímenes de doble envoltura fueron aproximadamente un 56 por ciento más resistentes que sus homólogos de envoltura simple hechos con materiales similares. El tubo interior ayuda a restringir el hormigón y respalda el tubo exterior desde dentro, mientras que el núcleo macizo evita zonas débiles y asegura que la carga se transfiera de manera fluida a través de toda la sección. En algunos casos, las configuraciones circulares de doble envoltura alcanzaron casi el doble de la resistencia prevista por reglas de diseño habituales, lo que indica que las normas actuales son conservadoras para estos diseños avanzados. Para explorar esto de forma más sistemática, los autores entrenaron una red neuronal artificial sencilla usando datos geométricos y de materiales para predecir la resistencia del pilar, y coincidió muy de cerca con los resultados experimentales, apuntando a una herramienta de diseño útil una vez que haya más datos disponibles.

Qué significa esto para los edificios del futuro

Para un público no especializado, el mensaje principal es sencillo: escogiendo con cuidado la forma y la estratificación de los tubos de acero y el hormigón, los ingenieros pueden crear pilares mucho más resistentes y tolerantes que los diseños tradicionales. Los pilares de doble envoltura con núcleo macizo y tubo exterior circular, en particular, combinan alta resistencia, rigidez y ductilidad, por lo que resultan atractivos para rascacielos, regiones sísmicas y estructuras que deben absorber impactos sin fallos catastróficos. Aunque los códigos de diseño actuales subestiman su capacidad y se necesitan más ensayos, este trabajo muestra una vía clara hacia soportes estructurales más esbeltos, seguros y eficientes en el entorno construido del mañana.

Cita: Neelamegam, P., Kanchidurai, S., Ganga, V. et al. Performance evaluation and codal assessment of double-skinned solid-core CFST columns with varying steel configurations. Sci Rep 16, 14477 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45278-7

Palabras clave: tubos de acero rellenos de hormigón, pilares de doble envoltura, resistencia estructural, diseño sísmico, materiales de construcción