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Ductilidad estructural

Ductilidad estructural

La capacidad que tienen las estructuras de acero de deformarse sin romperse, permite que sean seguras incluso en caso de terremotos. Descubre más sobre la ductilidad estructural

La ductilidad de los elementos estructurales comunes en construcciones civiles e industriales es un indicador fundamental, aunque no único, para caracterizar la resistencia de estas estructuras ante los efectos de un terremoto. Cuando se habla de toda la estructura, este índice se denomina ductilidad estructural.

De hecho, en zonas con alto riesgo sísmico, la ductilidad estructural adquiere un papel de relevancia, ya que refleja la capacidad de la estructura para resistir, más allá de los límites elásticos, terremotos de alta intensidad. Por lo tanto, veamos cómo el manejo de todos estos aspectos, incluso con la ayuda de un software específico para cálculos estructurales, puede ayudar a los diseñadores a crear estructuras seguras incluso ante eventos sísmicos importantes.

¿Qué es la ductilidad estructural?

La ductilidad estructural se refiere a la capacidad de una estructura, o en general de un material, para deformarse sin romperse o colapsar de manera catastrófica bajo cargas o solicitaciones. En otras palabras, una estructura dúctil puede sufrir deformaciones significativas sin perder su integridad estructural o su capacidad para soportar cargas.

Sin embargo, la ductilidad se manifiesta en dos niveles distintos: la ductilidad estructural local, que se refiere a la capacidad de los elementos individuales de una estructura para deformarse, y la ductilidad estructural global, que se refiere a la capacidad general de la estructura para absorber deformaciones plásticas.

La evaluación de los parámetros de ductilidad debe hacerse en términos de deformación si se refiere al material, en términos de curvatura (o rotación) si se refiere a la sección (o al elemento), y en términos de desplazamiento si se refiere a toda la estructura.

Es importante destacar que unas construcciones con altos niveles de ductilidad en los elementos individuales no corresponden automáticamente con una capacidad igualmente alta de disipación en toda la estructura. Esta capacidad está influenciada por varios factores, como los detalles constructivos, la posición y el número de las articulaciones plásticas y la extensión de la deformación plástica requerida en cada articulación.

Capacidad total de disipación del edificio

Por último, la ductilidad estructural global, representada por la relación entre el desplazamiento último permitido y el desplazamiento en el límite elástico, es esencial para la capacidad total de disipación del edificio. El diseño estructural correcto, orientado hacia un mecanismo de plastificación conocido como «Capacity Design«, tiene como objetivo lograr un alto nivel de ductilidad global, asegurando así una mayor seguridad y resistencia en las construcciones en caso de terremotos.

Materiales estructurales

Materiales como el acero y las aleaciones de aluminio se utilizan frecuentemente en estructuras que requieren ductilidad, como edificios sometidos a cargas sísmicas. Los ingenieros estructurales diseñan estas estructuras teniendo en cuenta la ductilidad para garantizar que puedan soportar las solicitaciones y comportarse de manera segura incluso en situaciones extremas.

Ductilidad y resistencia de las estructuras ante eventos sísmicos

La capacidad de una estructura para resistir un terremoto está estrechamente relacionada con su capacidad para disipar la energía sísmica. Este proceso ocurre solo cuando la estructura entra en una fase post-elástica, generando mecanismos que permiten disipar la energía a través de deformaciones plásticas elevadas concentradas en zonas críticas, conocidas como articulaciones plásticas.

El principio clave en el diseño estructural en zonas sísmicas es que, para resistir sin colapsar a terremotos de alta intensidad, la estructura debe considerar recursos más allá de los límites elásticos. En cambio, si la estructura está diseñada para resistir el terremoto manteniendo una respuesta en fase elástica, carecerá de capacidad disipativa. En este caso, la energía sísmica absorbida durante el movimiento del suelo se acumula como deformación elástica y se devuelve íntegramente durante la fase de descarga, sin dejar deformaciones residuales, fisuras o fenómenos de deterioro.

El diseño de elementos estructurales con rigideces flexo-torsionales elevadas, necesarias para mantener la estructura en fase elástica, resultaría en estructuras sobredimensionadas y poco económicas, especialmente para construcciones comunes. Por consiguiente, el enfoque preferible es desarrollar estructuras resistentes a los sismos capaces de tener una suficiente capacidad de deformación plástica. Esto se logra aprovechando la ductilidad local de las secciones, permitiendo que la estructura absorba y disipe la energía sísmica a través de deformaciones plásticas concentradas en zonas críticas específicas.

Herramientas para el diseño y cálculo de estructuras

Para diseñar una estructura cumpliendo con los Eurocódigos (anejos nacionales), realizar verificaciones de ductilidad, resistencia, deformabilidad, jerarquía de resistencias de barras y nudos, etc., se puede utilizar un software de diseño de conexión en acero.

Modelo 3D estructura de acero

Modelo 3D estructura de acero

El uso de software específico te ayuda a evitar graves errores de diseño y a cumplir plenamente con todas las verificaciones de los Eurocódigos vigentes. Además, es un soporte valioso para realizar análisis rápidos en cada aspecto del proyecto y para estudiar en detalle incluso estructuras complejas con cerchas, diagonales, nudos, etc.

En este video te muestro las capacidades y el soporte que puede ofrecer un software para el cálculo estructural de acero.

Ductilidad del concreto y del acero

La ductilidad del concreto y del acero es un concepto fundamental en el diseño estructural, especialmente en entornos sísmicos. Examinemos la ductilidad de ambos materiales, ilustrando los gráficos tensión/deformación asociados.

Concreto

El diagrama tensión-deformación del concreto generalmente se divide en dos fases principales: elástica y plástica.

Fase Elástica

  • comienza con una fase elástica, donde el esfuerzo (tensión) es proporcional a la deformación;
  • al alcanzar el límite elástico, el concreto comienza a comportarse de manera plástica.

Fase Plástica

  • el concreto continúa deformándose plásticamente con el aumento del esfuerzo;
  • se alcanza el punto de ruptura, donde el concreto cede y la deformación continúa sin aumentar el esfuerzo.

La ductilidad del concreto está influenciada por la relación entre la deformación última y la deformación en el límite elástico. Cuanto mayor sea esta relación, mayor será la ductilidad del concreto.

Acero

El comportamiento del acero es considerablemente más dúctil que el del concreto. Su gráfico tensión/deformación muestra:

Fase Elástica:

  • durante esta fase, el material sufre deformaciones elásticas reversibles. Esto significa que, si se elimina la carga, el material vuelve a su forma original sin deformaciones permanentes. La pendiente de la curva en esta fase representa el módulo de Young, que mide la rigidez del material;
  • al alcanzar el límite elástico, el acero inicia la fase de cedencia plástica. Es el punto en el que el material comienza a deformarse plásticamente, es decir, la deformación se vuelve permanente incluso después de eliminar la carga. La tensión en este punto se llama «tensión de cedencia».

Fase Plástica:

  • después de la cedencia, el acero sufre deformaciones plásticas significativas sin un aumento significativo de la tensión. La pendiente de esta fase se llama «módulo de fluencia» y está asociada a la deformación plástica;
  • la deformación continúa hasta que se alcanza el punto de ruptura, pero a diferencia del concreto, el acero ofrece una capacidad significativa de deformación plástica sin una ruptura inmediata. La tensión máxima alcanzada antes de la ruptura se llama «tensión de ruptura».
Gráfico tensión admisible acero

Gráfico tensión admisible acero

La ductilidad del acero se indica por la relación entre la deformación última y la deformación en el límite elástico. Gracias a este comportamiento plástico, el acero ofrece una capacidad significativa para disipar energía durante eventos sísmicos.

En resumen, la ductilidad del concreto y del acero es esencial para asegurar que las estructuras puedan soportar cargas sísmicas mediante deformaciones plásticas sin colapsar catastróficamente. El diseño sísmico busca aprovechar la ductilidad de ambos materiales para maximizar la capacidad de absorber y disipar la energía sísmica.

El acero, por lo tanto, no llega inmediatamente a la ruptura, pero gracias a su ductilidad puede disipar la energía sísmica mediante su capacidad de deformarse. Sin embargo, hay algunas situaciones extremas que hacen que el acero adopte un comportamiento «frágil», veamos cuáles son.

Situaciones en las cuales el Acero adopta un comportamiento «frágil»

La ruptura frágil del acero es un tipo de ruptura que ocurre sin una deformación plástica significativa previa, y el material pasa del estado elástico al estado de ruptura sin signos evidentes de advertencia. Este comportamiento contrasta con la ruptura dúctil, donde el material sufre deformaciones plásticas significativas antes de la ruptura.

Estas son las principales causas asociadas a la ruptura frágil del acero:

Esfuerzos de tracción elevados

La ruptura frágil está frecuentemente asociada a esfuerzos de tracción elevados, especialmente en presencia de grietas o defectos microestructurales.

Bajas temperaturas

La ruptura frágil es más probable a bajas temperaturas. Expuesto a bajas temperaturas, la tenacidad del acero puede disminuir, favoreciendo la ruptura sin una deformación plástica significativa.

Presencia de defectos estructurales

La presencia de defectos estructurales como inclusiones, grietas o impurezas puede promover la ruptura frágil. Estos defectos pueden servir como puntos de inicio para la propagación de fracturas.

Alta velocidad de carga

Cargas aplicadas rápidamente o de manera repentina pueden favorecer la ruptura frágil. Esto se conoce como ruptura frágil dinámica.

Conclusión

La comprensión de la ruptura frágil es esencial para evitar fallos estructurales en situaciones donde este modo de ruptura podría ser problemático, por ejemplo, en condiciones de baja temperatura o ante solicitaciones tensionales elevadas e imprevistas.

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