CORTANTE Y TENSIÓN DIAGONAL EN EL DISEÑO DE VIGAS DE CONCRETO REFORZADO

Las fallas por cortante de las vigas de concreto reforzado son muy diferentes de las fallas por flexión. Las fallas por cortante ocurren repentinamente, sin previo aviso. Por tanto, las vigas se diseñan para fallar por flexión bajo cargas que son considerablemente menores a aquellas que causarían las fallas por cortante. Por consecuencia, esos miembros fallan dúctilmente. Pueden agrietarse y sufrir grandes deflexiones si se sobrecargan, pero no se desploman como lo harían si la falla por cortante fuese posible. 

La falla a cortante es difícil de predecir en forma exacta. A pesar de la investigación experimental llevada a cabo durante muchas décadas y del uso de herramientas analíticas altamente sofisticadas no se comprende aun completamente. Además, si una viga sin diseño adecuado del refuerzo a cortante  se sobrecarga hasta la falla, se puede presentar un colapso por cortante en forma súbita, sin aviso alguno de peligro. Esto está en fuerte contraste con la naturaleza de la falla a flexión. Para vigas comunes subreforzadas, la falla a flexión se inicia por fluencia gradual del acero a tensión acompañada por agrietamiento obvio del concreto y grandes deflexiones, que dan aviso evidente y la oportunidad de tomar medidas correctivas. A causa de estas diferencias en el comportamiento, por lo general se coloca refuerzo a cortante en las vigas de concreto reforzado para garantizar una falla a flexión antes de que ocurra la falla a cortante en caso de que el elemento se sobrecargue en exceso. 

El cortante horizontal se produce como consecuencia de la flexión, una vez que la viga comienza a flectar (figura 1a) se produce el deslizamiento de las fibras (figura 1b y c) y esto se traduce en un esfuerzo horizontal. Esto es lo típico en una viga homogénea. En las vigas de concreto reforzado el problema comienza de manera análoga, pero es aún más complejo.

La flexión y el cortante se combinan en la viga para crear un estado biaxial de esfuerzos. En la siguiente figura se pueden observar los esfuerzos así generados.

Las trayectorias de los esfuerzos interceptan al eje neutro a 45°, tensión diagonal. Cuando los esfuerzos principales son muy altos y exceden la resistencia a la tracción del concreto, se generan grietas perpendiculares a estas trayectorias. Estas grietas inclinadas son extensiones de grietas a flexión.

Cuando se tienen grandes fuerzas de corte mayoradas Vu , significa que graves grietas van a ocurrir, a menos que se proporcione algún tipo de refuerzo adicional. El acero transversal se suministra en forma de estribos cerrados espaciados a intervalos variables y alternando el gancho de los estribos a lo largo del eje de la viga. El propósito de los estribos es minimizar el tamaño de las grietas por tensión diagonal, reducir su penetración dentro de la zona de compresión y transmitir el esfuerzo por tensión diagonal de un lado de la grieta a otro. 

Para lograr un correcto diseño por corte se presentan las siguientes recomendaciones:

• El comportamiento de los miembros sometidos a flexión y cortante es un problema complejo, tal y como lo demuestran las investigaciones.
• Las fuerzas cortantes por lo general actúan en combinación con otros fenómenos como flexión, carga axial y torsión. Rara vez se presentan solas.
• En las vigas los mecanismos que resisten el cortante actúan en conjunto con la adherencia del concreto con el refuerzo y el anclaje de este último.
• La transmisión del cortante en el concreto se apoya en su resistencia a la compresión y a la tracción, en consecuencia, las fallas por corte son por lo general de carácter frágil.
• El diseñador debe asegurarse de que jamás ocurra una falla por corte, principalmente en los miembros del sistema resistente a sismos, en los que es esencial la ductilidad.
• En investigaciones se ha demostrado el aumento apreciable en la resistencia y ductilidad de los elementos de concreto reforzado con una cuantía importante de acero de confinamiento.
• Un espaciado más pequeño en el acero transversal conduce a un confinamiento más efectivo y soporte lateral al acero longitudinal en las regiones donde se desarrolla la resistencia a la flexión impidiendo el pandeo.
• El refuerzo transversal detallado adecuadamente preserva la integridad y la resistencia, permitiendo el desarrollo de los mecanismos de resistencia al corte.
• El refuerzo no puede impedir el agrietamiento, pero si limitar la apertura de esas grietas y garantizar que se sigan transmitiendo los esfuerzos entre los dos materiales.

MECANISMO RESISTENTE DEL CONCRETO REFORZADO

En una viga de concreto reforzado, el cortante total se resiste mediante la interacción de tres componentes principales:

• Contribución del concreto (Vc): El concreto resiste parte del esfuerzo cortante gracias a su cohesión interna y al efecto de engranamiento de los agregados en las grietas.
• Contribución del acero transversal o estribos (Vs): Los estribos —barras de acero colocadas transversalmente— actúan como “puentes” que interceptan las grietas diagonales, proporcionando resistencia adicional y controlando la apertura de fisuras.
• Contribución del acero longitudinal (Vd): Aunque menor, el acero principal también contribuye indirectamente a resistir el cortante mediante la acción de tensiones diagonales.

El equilibrio entre estos tres componentes garantiza que la viga resista de forma segura las cargas aplicadas sin sufrir fallas frágiles.

CONTROL Y DISEÑO

Las normas estructurales (como el ACI 318 o las Normas COVENIN 1753 y 1756 en Venezuela) establecen procedimientos para el diseño al cortante, definiendo la resistencia mínima de los estribos y el espaciamiento máximo permitido para reducir estos efectos.

El diseño busca que la resistencia total al cortante $V_n = V_c + V_s$ supere la fuerza cortante de diseño $V_u$, aplicando factores de seguridad y control de fisuras.

Además, se recomienda:

• Colocar estribos cerrados o con ganchos en zonas críticas.
• Aumentar la altura útil (d) para mejorar la capacidad al cortante.
• Evitar concentraciones de carga cerca de los apoyos.

CONCLUSIÓN

El cortante y la tensión diagonal generan fallas y representan uno de los aspectos más delicados en el diseño y comportamiento de las vigas de concreto reforzado. Una falla por cortante suele ser repentina, por lo que el diseño adecuado de estribos y el control de las tensiones diagonales son vitales para garantizar estructuras seguras, duraderas y eficientes, especialmente en casos de sismos.

Dominar estos conceptos permite al ingeniero anticipar posibles modos de falla y optimizar el uso del material, logrando estructuras más resistentes y confiables.