Comportamiento a flexión de muros resistentes de hormigón armado mediante un modelo de elementos finitos mejorado

Por qué importan muros de hormigón más seguros

Los horizontes urbanos modernos dependen de edificios altos que deben mantenerse en pie cuando el terreno tiembla. En estas estructuras, muros verticales de hormigón grueso actúan como espinas que ayudan a resistir las fuerzas del terremoto. Este artículo explica cómo los ingenieros pueden predecir mejor cómo esos muros se doblan, fisuran y finalmente fallan durante terremotos intensos, usando modelos informáticos más inteligentes. El trabajo es relevante porque modelos más fiables ayudan a los diseñadores a elegir edificios más seguros y económicos sin tener que adivinar ni simplificar en exceso el comportamiento del hormigón bajo esfuerzos extremos.

Cómo protegen los muros de hormigón los edificios altos

Los muros de cortante de hormigón armado son elementos clave que ayudan a los edificios a resistir el movimiento lateral debido al viento y a los terremotos. Las barras de acero dentro del hormigón proporcionan resistencia y ductilidad, mientras que el hormigón soporta compresión. Según su geometría, estos muros pueden fallar de distintas maneras. Los muros esbeltos en edificios altos tienden a doblarse como vigas verticales, con fisuras y aplastamiento concentrados cerca de la base. Muros más cortos y robustos son más propensos a fallar por fisuración diagonal o deslizamiento. Dado que las fallas por flexión en muros esbeltos son comunes en la construcción de rascacielos, este estudio se centra en predecir con mayor precisión ese tipo específico de comportamiento.

Por qué es tan difícil predecir los terremotos

Durante un terremoto, un muro no permanece simplemente elástico y luego se rompe de forma súbita. En cambio, atraviesa varias etapas: primero se fisura, luego las barras de acero fluyen, el hormigón cerca de la base se aplasta y finalmente el muro pierde resistencia. A lo largo de todo el proceso, su rigidez se reduce gradualmente y la deformación se concentra en una pequeña región cerca de la base. Los modelos informáticos tradicionales con frecuencia simplifican demasiado este comportamiento o requieren un enorme esfuerzo computacional. Pueden distribuir el daño de manera poco realista, depender fuertemente de cómo se discretiza el muro en elementos, o estimar mal cuánto se ablanda el muro tras alcanzar la carga máxima. Estas debilidades pueden conducir a diseños inseguros o excesivamente conservadores.

Una forma más inteligente de dividir y ensayar el muro en el ordenador

Los autores proponen un modelo de elementos finitos mejorado integrado en software estándar de análisis estructural. En lugar de tratar el muro como una única articulación en su base, lo dividen en múltiples segmentos apilados a lo largo de su altura. Dentro de cada segmento, la sección transversal se representa por muchas pequeñas “fibras” de hormigón y acero, cada una siguiendo su propia curva esfuerzo-deformación. Dos avances clave hacen que este planteamiento sea más realista. Primero, el modelo de hormigón se ajusta para que la energía requerida para aplastarlo sea consistente con ensayos de laboratorio, independientemente del número de segmentos en que se divida el muro. Esto aborda el problema de la sensibilidad artificial a la malla. Segundo, la rigidez del muro se liga a una curva de cuatro etapas que refleja cómo los muros reales se fisuran, fluyen, alcanzan la resistencia máxima y luego se ablandan, capturando la pérdida gradual de rigidez observada en experimentos.

Comprobación del modelo con muros realmente rotos

Para comprobar su enfoque, los investigadores recopilaron datos de trece muros de hormigón ensayados previamente en nueve laboratorios diferentes. Estos muros abarcaron una amplia gama de tamaños, disposiciones de refuerzo y condiciones de carga representativas del diseño práctico de edificios. En el laboratorio, cada muro se sometió a empujes reversibles hasta la falla para reproducir demandas similares a las sísmicas. El nuevo modelo empleó una carga pushover unidireccional más simple, sin embargo, sus curvas predichas de fuerza en la base frente a desplazamiento en la cima siguieron de cerca los resultados experimentales. Reprodujo características importantes como la rigidez inicial, la resistencia máxima, el ablandamiento postpico y hasta cuánto podían oscilar los muros antes de perder capacidad. Los errores en puntos clave como fisuración, fluencia y carga máxima fueron generalmente pequeños, lo que indica que el modelo sigue el comportamiento real a lo largo de todo el rango de carga.

Qué significa esto para edificios más seguros

En términos sencillos, el estudio muestra que los ingenieros pueden usar un método informático práctico y mejorado para simular cómo los muros altos de hormigón se doblan y degradan durante terremotos fuertes sin recurrir a herramientas excesivamente simplificadas o demasiado complejas. Al vincular el modelo del muro más estrechamente con la forma en que el hormigón realmente se fisura y aplasta, y al hacer que los resultados sean menos sensibles a cómo se divide el muro en elementos, el método proporciona predicciones más confiables. Esto puede apoyar mejores decisiones de diseño y refuerzo sísmico, ayudando a garantizar que las “espinas” de hormigón dentro de nuestros edificios se comporten en el ordenador de manera similar a como lo hacen en terremotos reales.

Cita: Nasr, O., Moustafa, A. & Ghallab, A.H. Flexural behaviour of RC shear wall using enhanced finite element model. Sci Rep 16, 15491 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52257-5

Palabras clave: muros de cortante de hormigón armado, modelización por elementos finitos, comportamiento sísmico, comportamiento no lineal, análisis pushover