Investigación experimental y numérica del comportamiento a compresión axial de muros de hormigón armados con GFRP bajo cargas concéntricas y excéntricas

Por qué importan los muros de hormigón más seguros

Muchas estructuras cotidianas, desde torres de viviendas hasta puentes costeros, dependen de muros gruesos de hormigón para soportar el peso del edificio y resistir viento, oleaje y terremotos. Estos muros suelen llevar barras de acero ocultas en el interior del hormigón. Con el tiempo, sin embargo, el acero puede corroerse, especialmente en ambientes salinos o químicamente agresivos, lo que debilita la estructura y acorta su vida útil. Este estudio explora si las barras de fibra de vidrio, que no se oxidan, pueden reemplazar de forma segura al acero dentro de esos muros sin sacrificar en exceso la resistencia o la seguridad.

Del acero oxidado a las fibras de vidrio sin óxido

En el interior de un muro de hormigón armado, las barras ocultas son tan importantes como el propio hormigón. Las barras de acero tradicionales son fuertes y dúctiles, lo que significa que pueden deformarse antes de romperse, pero son vulnerables a la corrosión cuando el agua y las sales llegan a ellas a través de grietas. Las barras de polímero reforzado con fibra de vidrio (GFRP) ofrecen un intercambio distinto: son ligeras, resistentes a la tracción e inmunes al óxido, pero tienen una rigidez diferente y fallan de forma más frágil. Los códigos de diseño actuales suelen considerar que estas barras de fibra de vidrio aportan poco o nada en compresión, porque su comportamiento en muros comprimidos no se comprende completamente. Los autores se propusieron cubrir esta laguna probando muros de hormigón con barras GFRP frente a muros idénticos con barras de acero.

Cómo se construyeron y ensayaron los muros

El equipo moldeó seis probetas de muro abatidas de aproximadamente un metro de altura y 15 centímetros de espesor usando una mezcla de hormigón de alto rendimiento. Cada muro tenía una malla de barras internas dispuestas vertical y horizontalmente. Se variaron dos variables principales: el tipo de armadura (acero o GFRP) y la forma de aplicar la carga. En un grupo, la carga compresiva vertical se aplicó directamente por el centro del muro, simulando un peso uniforme desde arriba. En el segundo grupo, la misma carga se desplazó fuera del centro, introduciendo flexión además de compresión, lo que se aproxima a muchas situaciones reales. Sensores midieron cómo se acortaban, doblaban, agrietaban y, finalmente, fallaban los muros, mientras los investigadores registraban tanto la primera grieta visible como la carga última que cada muro pudo soportar.

Qué ocurrió cuando se cargaron los muros

Los muros con barras GFRP soportaron una carga vertical algo menor que sus contrapartes de acero, pero se comportaron de manera estable y predecible. Bajo carga concéntrica, sustituir acero por GFRP redujo la carga máxima que los muros podían soportar en aproximadamente un 11 a 13 por ciento. Bajo carga excéntrica, la pérdida osciló entre alrededor del 6 y el 14 por ciento. Al mismo tiempo, los muros reforzados con GFRP mostraron razones de ductilidad ligeramente superiores, una medida de cuánto pueden deformarse después del primer ablandamiento serio antes de fallar. Los muros armados con acero tendieron a fallar por aplastamiento y desprendimiento del hormigón cerca del borde comprimido tras el fluencia del acero, mientras que los muros con GFRP desarrollaron grietas más uniformemente distribuidas y luego fallaron de manera más brusca cuando las barras de fibra de vidrio se rompieron. La energía que cada muro pudo absorber antes de fallar, calculada a partir del área bajo la curva carga-deformación, fue mayor para las probetas armadas con acero pero aun así significativa para las reforzadas con GFRP.

Modelos informáticos que reproducen grietas reales

Para comprobar si los ingenieros pueden confiar en herramientas de simulación avanzadas en lugar de ensayar en laboratorio cada tipo de muro, los autores construyeron modelos computacionales detallados de los muros usando una técnica llamada análisis no lineal por elementos finitos. En este entorno virtual, se permitió que el hormigón se agrietara y aplastara, mientras que las barras embebidas de acero o GFRP soportaban tracción y compresión según sus propiedades medidas. Cuando los muros simulados se cargaron de forma concéntrica o excéntrica, las cargas últimas predichas, los cambios de rigidez y los patrones de grietas concordaron estrechamente con los experimentos, con diferencias en resistencia generalmente por debajo de alrededor del 12 por ciento. El estudio también comparó los resultados experimentales con varias fórmulas de diseño y métodos de códigos existentes, mostrando que algunas directrices tienden a sobreestimar la capacidad de los muros reforzados con GFRP y sugiriendo un factor de corrección simple para mejorar la exactitud.

Qué implica esto para los edificios futuros

Para un público no especialista, el mensaje clave es que los muros de hormigón reforzados con barras de fibra de vidrio pueden ofrecer una alternativa viable y libre de óxido al acero, especialmente en entornos agresivos como zonas costeras e instalaciones industriales. Estos muros ceden una porción moderada de su capacidad portante y de absorción de energía, pero mantienen una respuesta post-agrietamiento estable y una ductilidad aceptable, al tiempo que evitan el daño a largo plazo asociado con la corrosión del acero. Con un diseño cuidadoso que tenga en cuenta su resistencia algo inferior, y con la ayuda de modelos computacionales validados, los muros de hormigón reforzados con GFRP podrían ayudar a los ingenieros a construir estructuras más duraderas y sostenibles que requieran menos mantenimiento a lo largo de su vida útil.

Cita: El-Sayed, T.A., Ibrahim, M.M., Shanour, A.S. et al. Experimental and numerical investigation of the axial compressive behavior of GFRP-reinforced concrete walls under concentric and eccentric loading. Sci Rep 16, 15338 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52146-x

Palabras clave: Hormigón reforzado con GFRP, comportamiento a compresión axial, muros estructurales, refuerzo resistente a la corrosión, modelado por elementos finitos