Estructura tirantes y cadenas en muros: Diseño y funciones

Las estructuras de mampostería a menudo presentan problemas de anclaje entre las paredes. Esto hace que el edificio sea vulnerable a fenómenos de vuelco fuera del plano. Para resolver eficazmente tales críticas estructurales, es posible intervenir utilizando los llamados “tirantes”. Se trata de elementos estructurales constituidos por una barra metálica resistente a tracción denominada “cadena”. Esta viene anclada a las paredes perimetrales mediante elementos de fijación específicos. Además, los tirantes conectan entre sí paredes opuestas, otorgando a la estructura una mayor cohesión y resistencia a las solicitaciones horizontales, como las causadas por eventos sísmicos.

Aquí, examinaremos en detalle el funcionamiento de los tirantes y de las cadenas de mampostería. Ofreceremos una guía práctica sobre cómo diseñar e instalar eficazmente estos dispositivos para el refuerzo de las estructuras de mampostería. Además, ilustraremos los principios fundamentales de su dimensionamiento, los materiales a utilizar y las técnicas de instalación. Esto garantiza una mayor durabilidad y seguridad del edificio.

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¿Qué son los tirantes y las cadenas?

El término “tirantes” se utiliza en la ingeniería estructural para indicar elementos metálicos unidimensionales. Estos comúnmente se realizan en acero, y se emplean para reforzar las estructuras de mampostería que carecen de un adecuado anclaje entre las paredes.

Estos elementos tienen la función de asegurar un comportamiento de caja en las estructuras de mampostería, mediante la interacción de los siguientes componentes:

• la cadena: Elemento principal del tirante. Constituido por una barra de acero con sección transversal circular o rectangular. Atraviesa la estructura para conectar paredes opuestas y prevenir fenómenos de vuelco. La cadena está diseñada para resistir exclusivamente a esfuerzos de tracción;
• el capuchón: Elemento terminal del tirante. Se sitúa en los extremos de la cadena, que funciona por contraste y puede ser del tipo “a estaca” o “a placa”. Esta última puede asumir una forma circular o rectangular según las necesidades estructurales. El capuchón asegura el correcto anclaje del tirante a la mampostería, permitiendo regular la tensión y garantizar la efectividad del refuerzo.

La inserción de tirantes es una técnica de refuerzo estructural muy común para los edificios de mampostería. Esta resulta particularmente efectiva para la adecuación y mejora sísmica. De hecho, los tirantes y las cadenas ayudan a prevenir el vuelco fuera del plano de las paredes y a garantizar el comportamiento de caja del edificio bajo la acción sísmica. Esta solución técnica se considera una de las más efectivas, simples y económicas para intervenir en estructuras de mampostería existentes, tanto de manera provisional como definitiva. En específico, tienen el objetivo de restablecer la estabilidad estructural y garantizar una efectiva puesta en seguridad de las paredes de mampostería.

Tirante de mampostería

¿Cuál es la función de los tirantes en los muros?

Los tirantes desempeñan un papel fundamental en conferir estabilidad y resistencia a las estructuras murarias, previniendo fenómenos de colapso y garantizando un comportamiento adecuado del edificio bajo las diferentes solicitaciones. En concreto, estos elementos son capaces de asegurar las siguientes funcionalidades:

• refuerzo estructural: los tirantes confieren a la estructura un comportamiento de caja y monolítico, que asegura una mayor solidez y resistencia frente a las acciones horizontales causadas por el viento o los terremotos;
• prevención del vuelco: las cadenas contribuyen a mantener en posición vertical las paredes que no están bien conectadas entre sí, evitando fenómenos de vuelco fuera de plano que pueden llevar al colapso de toda la estructura;
• contraste de las presiones: los tirantes ayudan a prevenir eficazmente el desplazamiento o el colapso de los muros sujetos a presiones laterales causadas por elementos empujantes como arcos, bóvedas o techos inclinados;
• mejora de la cohesión: en ausencia de cordones u otros elementos que conecten los forjados a las paredes perimetrales, los tirantes ayudan a incrementar la cohesión general de la estructura y a distribuir mejor las fuerzas, conectando de manera efectiva las diferentes partes que la componen;
• control de los hundimientos: al conferir un comportamiento de caja a la estructura, las cadenas pueden limitar los hundimientos diferenciales de las fundaciones (es decir, los desplazamientos relativos entre diferentes partes estructurales), mejorando la estabilidad general y reduciendo los movimientos entre las diversas partes del edificio.

¿Dónde posicionar los tirantes?

Con el fin de explicar adecuadamente las funciones previamente ilustradas, es fundamental garantizar tanto un adecuado dimensionamiento de los tirantes como su correcta colocación, respondiendo a necesidades específicas de carácter estático y estructural. En particular:

• en planta, los tirantes deben ser posicionados en adyacencia a los muros de espina, es decir, a los muros ortogonales a las paredes perimetrales a las cuales los tirantes están anclados. Esto se debe a que los muros de espina funcionan como elementos de contraste respecto a la compresión ejercida por el tiro de las cadenas sobre la estructura. La cercanía a los muros de espina permite a los tirantes «descargar» correctamente las fuerzas de tracción generadas, evitando que estas vayan a solicitar de manera excesiva e incontrolada las paredes perimetrales;
• en elevación, los tirantes deben ser instalados al nivel de los forjados, justo por debajo del intradós del forjado. De este modo, incluso el forjado, si está dotado de una losa rígida, contribuirá a contrarrestar las fuerzas de tracción ejercidas por los tirantes. Esta colocación permite, por tanto, aprovechar al máximo la contribución estructural ofrecida por los forjados, obteniendo así un mejor comportamiento estático general de la estructura.

Correcta colocación de tirantes

6 pasos para la instalación de los tirantes

Para garantizar una consolidación estructural efectiva, la instalación de los tirantes debe llevarse a cabo a través de una serie de pasos fundamentales. A continuación, las indicamos:

1. posible preconsolidación de la mampostería: si las paredes afectadas por la intervención están deterioradas o presentan una baja resistencia, es necesario primero proceder con inyecciones de material consolidante (como mortero cementoso o resinas), con el fin de reforzar la mampostería y garantizar un adecuado anclaje para los tirantes;
2. realización de agujeros en las paredes: la fase siguiente consiste en practicar agujeros pasantes a través de las paredes a reforzar, con un diámetro adecuado, para permitir la posterior inserción de las cadenas;
3. inserción de los tirantes: una vez preparados los agujeros, se procede a la inserción de las cadenas dentro de las paredes. Estas pueden estar constituidas por barras metálicas o por cables de acero debidamente dimensionados;
4. creación del bulbo de anclaje: para asegurar un efectivo bloqueo de los tirantes dentro de los agujeros, se inyecta a presión material cementoso o resinoso, que crea un bulbo de anclaje en el extremo del tirante;
5. fijación de las placas de anclaje: en los extremos de los tirantes se fijan las placas metálicas, que permiten distribuir las fuerzas de tracción sobre la superficie de la pared y contrarrestar la acción de tiro;
6. tensado de los tirantes: la última fase prevé la aplicación de la tensión deseada a los tirantes, generalmente obtenida mediante el apriete de tuercas roscadas.

¿Cómo diseñar los tirantes?

Para diseñar un tirante de manera que impida el cinematismo de vuelco de una pared de mampostería, se utiliza el procedimiento del análisis cinemático lineal. Los pasos son los indicados a continuación:

1. identificación del cinematismo de vuelco: se identifica el tipo de cinematismo de vuelco (simple o compuesto) que podría ocurrir en la pared de mampostería;
2. aplicación del principio de trabajos virtuales: se aplica el principio de trabajos virtuales considerando el equilibrio de los momentos de vuelco (Mr) y estabilizantes (Ms). Los primeros son causados por las cargas externas que tienden a hacer volcar la pared (como las sísmicas). Los segundos son debidos a la acción de los tirantes y al peso propio de la estructura que tienden a mantener la pared en posición;
3. determinación del multiplicador de activación del mecanismo α₀: estableciendo el equilibrio de momentos se obtiene el multiplicador α₀, que representa la aceleración horizontal que determina la activación del mecanismo de vuelco;
4. comparación con la máxima aceleración en el suelo esperada: el valor α₀ se compara con la máxima aceleración en el suelo prevista para el estado límite considerado, de acuerdo la normativa técnica. Si α₀ resulta inferior a este valor, es necesario dimensionar el tirante para evitar el vuelco fuera de plano de la pared;
5. determinación del tiro necesario: se redefine el equilibrio de momentos considerando también el momento estabilizante debido al tiro T de la cadena metálica. Este último será la variable a determinar y su valor se calculará imponiendo la igualdad entre el momento estabilizante y el momento de vuelco, asignando al multiplicador α el valor de la aceleración sísmica esperada en el suelo;
6. distribución del tiro en los tirantes: se divide este valor por el número de tirantes a instalar en la pared, y se obtiene el tiro asociado a cada cadena individual (T_c);
7. dimensionamiento de la sección de la cadena: determinado el valor del tiro T_c de cada tirante, se procede a su dimensionamiento a tracción, asegurándose de que la cadena pueda soportar tal fuerza.

Conclusión

La verificación de un tirante de acero consiste en comparar la resistencia a tracción de la cadena con la solicitación axial de tracción que actúa sobre ella. Sin embargo, esta no es la única verificación a realizar. También es necesario considerar la resistencia al corte de la pared según los posibles mecanismos de rotura entre otras verificaciones.

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