Fallas Estructurales en Edificaciones 001

ENSAYO FALLAS EN EDIFICACIONES ______________________________________________________ AUTOR:

 HUANCAS HUANCAS CESAR.  ARTURO SANCHEZ SIPION. ____________________________________________________ ASESOR:

EDULGERIO FERNANDEZ DIAZ ____________________________________ LÍNEA DE INVESTIGACIÓN:

ADMINISTRACIÓN EN LA CONSTRUCCIÓN _____________________________

CHICLAYO – PERÚ 2013

Escuela Profesional de Ingeniería Civil

INDICE INDICE ............................................................................................................................................... 1 INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 2 OBJETIVOS ........................................................................................................................................ 5 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................................. 6

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INTRODUCCIÓN A medida que las ciudades se desarrollan son mayores sus requerimientos de vivienda, transporte y comunicación, lo que se traduce en la necesidad de nueva y más moderna infraestructura. Ante este requerimiento, el ingeniero civil debe estar preparado técnicamente para afrontar los nuevos desafíos con la mayor responsabilidad y preparación posible. En tal sentido, el desarrollo del presente tema de ensayo se torna muy importante porque permite consolidar, reforzar y ampliar los conocimientos básicos de diseño estructural vertidos al estudiante de Ingeniería civil. Los fuertes terremotos acontecidos en las diversas zonas sísmicas de nuestro planeta, han dejado en evidencia la directa relación entre los desplazamientos laterales y el nivel de daño estructural y no estructural presentado en las edificaciones. El termino ingeniería

estructural se aplica a la especialidad de la ingeniería civil que

permite el planeamiento del diseño de las partes que forman el esqueleto resistente de las edificaciones más tradicionales como edificios urbanos, construcciones industriales, puente,

estructuras de desarrollo hidráulico y otras. El esqueleto estructural forma un sistema integrado de partes, denominadas elementos estructurales: vigas, columnas, losas, zapatas de cimentación y otros. A menudo se requiere resolver problemas de elevada complejidad que se resuelven mediante técnicas de elementos finitos que obligan a penetrar en los calculo diferencial e integral de diversas variables, temas de algebra líneal, ecuaciones diferenciales y métodos numéricos. La actividad profesional del ingeniero estructural se inicia con un bosquejo arquitectónico de la futura edificación, en el cual se comienzan a definir las dimensiones generales tanto en planta como en alzado. Compara las alternativas referentes al material básico de construcción: la conveniencia de usar concreto reforzado o pre esforzado, acero, madera, mampostería confinada o reforzada, aluminio u otras posibilidades más recientes. Asimismo define previamente las dimensiones longitudinales y transversales de los elementos estructurales. En la ingeniería estructural de las obras urbanas, el trabajo entre arquitectos e ingenieros resulta a menudo inseparable.

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Definidas las características geométricas preliminares se pasa al proceso de pre dimensionamiento de los elementos estructurales: dimensiones de las vigas y columnas, características de la cimentación, definición de escaleras, muros de contención, posición de ductos de aire acondicionado. Luego se evalúa las cargas que soportara la edificación: cargas muertas que son cargas que no varían dentro de la estructura ni a lo largo del tiempo ; cargas vivas que varían en espacio o en el tiempo, por el ejemplo, el peso de los ocupantes y los muebles. El ingeniero a cargo debe analizar las fuerzas de reacción y deformaciones que del esqueleto resistente debido a las cargas. Para esto muchos ingenieros. Muchos ingenieros disponen de programas computarizados en sus oficinas para la solución de los problemas corrientes. Algunos de los programas empleados tienen capacidades graficas que generan dibujos de las fuerzas internas y deformaciones para muchos estados de carga. Si las fuerzas internas (Torsión, momento flexor y cortante)

obtenidas del análisis resultan compatibles con las resistentes y las

deformaciones se suponen terminada la primera fase del procedimiento. Se pueden cometer errores al confiar demasiado en los resultados automatizados. Si algo falla y no hay quien revise el producto automatizado puede haber consecuencias como pérdidas humanas y de capital. Luego se procede al refinamiento del diseño: se trata de llegar a un modelo que resulte de modo razonable más económico y funcional; al decir razonable queremos decir que se tenga en cuenta la facilidad constructiva de lo que se analiza y se diseña. La fase de elaboración de los planos debe ser ejecutada por ingenieros de alta experiencia buscando que en definitiva los planos contengan lo que se debe de construir. Los planos de construcción deben de ser claros, indicando los materiales a usar, detalles de refuerzo, con las indicaciones precisas de las dimensiones y de las etapas previstas. Además deben de ser elaborados previendo que el constructor no se vea obligado a tomar medidas a escalas ni hacer deducciones. El ingeniero civil maneja diversos materiales en la especialidad estructural. Materiales homogéneos como el acero, la madera, el aluminio. El acero es el de mayor uso en perfiles de grandes dimensiones como los de sección I de alma llena, canal, angulares. Otro material muy utilizado es el resultado de la combinación del acero y el concreto, llamándose concreto reforzado o armado. El ingeniero estructural debe profundizar sus conocimientos sobre el comportamiento de los materiales con los cuales se construyen las edificaciones.

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OBJETIVOS Los Objetivos que se plantean para el desarrollo del siguiente ensayo son: 

Profundizar los conocimientos acerca de la Ingeniería Estructural.



Conocer la aplicación de la Ingeniería Estructural en la vida cotidiana del

Ingeniero Civil, para su correcta aplicación en su desarrollo profesional. 

Conocer con profundidad los conceptos y materiales usados en las

diferentes estructuras.

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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La Ingeniería Estructural a es un tema amplio que se debe de llegar a profundizar de una manera muy significante a lo largo del recorrido de la formación profesional de un Ingeniero Civil, ya que para un buen y correcto desempeño profesional es muy importante conocer esta rama de la Ingeniería Civil. Además de ser una de las ramas importantes en el Campo de la Ingeniería Civil resulta ser una rama imprescindible en el la formación ya que toda “estructura” depende de un buen estudio de Ingeniería. Es así que a lo largo del desarrollo de la presente vamos a ver la Importancia de la Ingeniería Civil.

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EDIFICACIONES Según Dr. Genner Villareal “el Perú es un país altamente sísmico y según la clasificación mundial le corresponde 9 grados en la escala Mercalli Modificada. Cerca de 18 millones de peruanos viven en zonas sísmicas y están expuestos a las constantes amenazas de ocurrencias de sismos.” Esos nos quieren indicar, que en las investigaciones que se han ido elaborando aún están lejos de resolver el problema. Al mal uso de diseño estructural es por eso que cabe indicar, que en investigaciones sísmicas, aún están lejos de poder resolver el peligro sísmico, el cual se incrementa y al que están expuestos cotidianamente. El entendimiento del comportamiento sísmico de las estructuras ha requerido de la identificación de las características que han conducido a las fallas, o bien, a un buen comportamiento estructural, y, también del análisis de los tipos de daños y de sus causas. Las construcciones en zonas sísmicas se incrementan a diario en nuestro país. En consecuencia, la seguridad estructural tiene un valor importante en el desarrollo nacional. La reducción de los costos, con la consecuente seguridad de las obras en zonas sísmicas es el problema central de la construcción en nuestro país. La razón fundamental en la solución de este problema es la elaboración de metodologías de cálculo sísmico de edificaciones con zapatas aisladas, considerando la real interacción suelo-estructura. Por lo general, estas fallas pueden deberse a: A) Inadecuada resistencia al cortante de los entrepisos debido a la escasez de elementos tales como columnas y muros. B) Grandes esfuerzos de cortante y tensión diagonal en columnas o en vigas. C) Falla por adherencia del bloque de unión en las conexiones viga-columna debida al deslizamiento de las varillas ancladas, o a fallas de cortante. D) Grandes esfuerzos en muros de cortante, sin o con aberturas, solos o acoplados. E) Vibración torsional por la falta de coincidencia en planta del centro de masas con el centro de

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rigidez. F) Punzonamiento de la losa de edificios construidos a base de losas planas. G) Variación bruscas de la rigidez a lo largo de la altura del edificio. H) Golpeteo entre edificios. I) Amplificación de los desplazamientos en la cúspide de los edificios. J) Grandes esfuerzos de cortante en columnas acortadas por el efecto restrictivo al desplazamiento causado por elementos no estructurales.

INADECUADA RESISTENCIA AL CORTANTE DE LOS ENTREPISOS DEBIDO A LA ESCASEZ DE ELEMENTOS TALES COMOCOLUMNAS Y MUROS. El colapso de los edificios se debe generalmente a la insuficiente resistencia a carga lateral de los elementos verticales de soporte como son las columnas y muros. Las fuerzas de inercia, cuya variación de la base hasta la cúspide del edificio es progresivamente creciente, generan fuerzas cortantes decrecientes desde la base hasta la cúspide, mismas que deben ser resistidas en CORTANTE DE LOS ENTREPISOS DEBIDO A LA ESCASEZ DE ELEMENTOS TALES COMO COLUMNAS Y MUROS. El colapso de los edificios se debe generalmente a la insuficiente resistencia a carga lateral de los elementos verticales de soporte como son las columnas y muros. Las fuerzas de inercia, cuya variación de la base hasta la cúspide del edificio es progresivamente creciente, generan fuerzas cortantes decrecientes desde la base hasta la cúspide, mismas que deben ser resistidas en cada nivel por el conjunto de dichos elementos verticales. De esta forma, es necesaria un area transversal de muros y columnas suficiente para resistir adecuadamente las fuerzas cortantes inducidas por el sismo.

FALLA POR ADHERENCIA DEL BLOQUE DE UNION EN LAS CONEXIONES VIGA-COLUMNA DEBIDA AL DESLIZAMIENTO DE LAS VARILLAS ANCLADAS O A FALTA DE CORTANTE.

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Con frecuencia, en las conexiones entre los distintos elementos estructurales se presentan elevadas concentraciones y complejas condiciones de esfuerzos, mismos que han conducido a distintos y numerosos casos de falla especialmente en las uniones entre muros y losas de estructuras a base de paneles, entre vigas y columnas en estructuras de marcos, entre columnas y losas planas, y entre columnas y cimentaciones.

La vida del hombre se ha visto marcada, a través de la historia por la ocurrencia de sismos y los efectos que ellos producen. De ahí la motivación de estudiar dichos eventos y tratar de mitigarlos. El escenario de pérdidas debido a un terremoto que afecte una ciudad, depende de muchas variables, algunas de las cuales están asociadas al fenómeno mismo (por ej., características del sismo, duración, trayectoria, distancia hipo central, etc.). También existen variables relacionadas con el entorno y ubicación de las edificaciones como tipo y característica de los suelos, topografía, etc. Y otras variables directamente dependientes de las características físicas y dinámicas de las edificaciones existentes como materiales, configuración estructural y otras. Desde este punto de vista, la evaluación del posible escenario de pérdidas por sismo en un centro urbano depende de la amenaza sísmica y de la vulnerabilidad del escenario a dicha amenaza. Específicamente, la obtención de la vulnerabilidad requiere la determinación del grado de susceptibilidad o no de ser afectado por la amenaza. Para escenarios urbanos se debe por lo tanto determinar no solamente el tipo y características de la amenaza potencial sobre la ciudad, sino también la respuesta y el nivel de daño de la misma. AMENAZA SÍSMICA: La estimación de la amenaza sísmica se puede realizar mediante métodos probabilísticos (también existen metodologías determinísticas) teniendo en cuenta variables como:

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- Tipo y características de las fuentes sismo génicas que pueden potencialmente producir sismos que afecten la ciudad y estudios geológicos, sismológicos y geotectónicos aportan información en este contexto. - Sismicidad histórica de la zona. - Aspectos como magnitudes máximas de acuerdo a las fallas y longitudes de ruptura probables. - Distribución espacio-temporal de los sismos en o cerca de la zona a estudiar. - Atenuación de las ondas sísmicas. - Registros acelero gráficos disponibles. Existen en la actualidad metodologías aceptadas para la evaluación de la amenaza sísmica que involucran en mayor o menor grado cada una de las variables o características anteriores. Es importante aclarar en este punto que la intensidad del sismo esperable en el sitio debe ser entendida en términos generales como los valores de aceleración, velocidad, desplazamiento o coordenadas espectrales de cualquier variable que permita inducir sobre la estructura solicitaciones que requieran su respuesta ante ella dinámicamente.

Es por eso que se utiliza programas sofisticados para hacer los análisis sísmicos cómo se comporta la estructura colocando todas las características que tiene el material que se va a usar pero sin dejar en desuso el criterio analítico y pensante que tiene la labor del ingeniero estructural .A continuación mencionaremos algunos programas usados en la actualidad por otros han sido desplazados por no ser tan precisos. Se fundamenta en la aplicación del método de elementos finitos para el cálculo sísmico de edificaciones, así como el uso de los programas SAP2000, LIRA y COSMOS, que cuentan con respaldo internacional en obras y proyectos de gran envergadura.

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El fundamento técnico de esta presentación está basado en el Análisis de Fallas Estructurales que repercuten en la Construcción del Elemento. Además de incluir en esta presentación de Análisis de Fallas Estructurales, el variable tiempo en los métodos de diseño mecánico de estructuras de concreto, presentando un ejemplo de diseño por durabilidad de estructuras de concreto. El propósito de esta presentación es básicamente el reunir los conocimientos de investigaciones en fallas frecuentes en las estructuras bajo diferentes criterios incluyendo el tema de Diseño por durabilidad de materiales publicado a la fecha y transferirlos para desarrollar un ‘modelo de durabilidad’ al diseño estructural de concreto. “Falla es una condición no deseada que hace que el elemento estructural no desempeñe una función para la cual existe.” “Falla es la pérdida de función de un elemento tanto por deformación (fluencia) como por separación de sus partes (fractura). Una falla no necesariamente produce colapso o catástrofe, pero sin embargo, para el Ing. Civil o Arquitecto del área de Inspección, distinguen dos tipos de Fallas. A) Fallas Catastróficas caracterizadas por ser completas y repentinas. B) Fallas por Degradación, cuya característica principal es la de ser graduales y parciales. Por ello, el Ing. Civil como el Arquitecto del área de Inspección prefieren definir el término “Conservación de Estructura” que el término “Falla”. “Conservación de Estructura” como el conjunto de Operaciones y trabajos necesarios para que la obra se mantenga con las características funcionales, resistentes e incluso con las estéticas originales con las que fue proyectada y construidas”. Dividiendo este conjunto de Operaciones y trabajos en tres fases: Inspección, evaluación, mantenimiento. Los mecanismos de Falla dependen de la estructura microscópica del material y de la forma de sus enlaces atómicos. Para predecir La falla de materiales bajo cargas estáticas por ejemplo; y poder

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hacer diseños de elementos de máquinas confiables, se han desarrollados varias teorías para grupos de materiales, basándose en observaciones experimentales. Se mencionaran las Fallas por Corte y por Tensión Diagonal, las cuales se presentan conjuntamente con la flexión, no son acciones aisladas, se ha comprobado que la falla por corte y tensión diagonal es de carácter más violenta que la falla por flexión; y por esta razón se sobre diseña por corte, de modo que alcance la resistencia última por flexión primero que por corte. COMO RECONOCER DAÑOS SIMPLES Y DAÑOS ESTRUCTURALES: Consideraciones generales: Los sismos someten a las edificaciones a distintas fuerzas para las cuales pueden estar o no preparados. De esta forma pueden generar daños estruturales y daños no estructurales, que pueden ser peligrosos para los ocupantes. El primero compromete el esqueleto del inmueble puede provocar derrumbes parciales o totales, y el segundo, por caída de materiales. Generalmente después de un sismo se suceden varias réplicas. Aun siendo de menor magnitud, éstas actúan sobre estructuras o materiales que han sido deteriorados o están inestables, por lo cual es muy importante hacer una revisión de la edificación.

Revisión externa: Lo primero es revisar el hundimiento y la inclinación del inmueble. El inmueble no debe estar hundido, pues indica que el suelo no es resistente. De la misma forma no deben haber grietas grandes en el terreno o movimiento del suelo. Tampoco debe estar inclinado. Para revisar la inclinación se ata un objeto pegado a un cordel en la parte más alta del muro, y el cordel cae. En un muro de 2,3 mts de alto la inclunación no debiera ser mayor a 4 mm. Si la inclinación es mayor, se debe abandonar el inmueble hasta que sea revisado, sobre todo si es de más de un piso.

-Revisión interna: Si la inclinación no presenta problemas, se procede a revisar el interior del inmueble. Es importante saber que hay elementos diseñados para soportar el peso de las estructuras y otros que sólo sirven para aislaciones o separaciones estéticas. Los elementos estructurales importantes son los muros, losas, columnas y vigas de hormigón

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armado que la mayoría de las casas tiene. Estos elementos no deben estar alterados. Si lo están, transforman la vivienda en insegura en diferentes grados. Los elementos no estructurales son los tabiques que pueden ser de yeso, volcanita u otros. En caso que no tengan elementos de hormigón armado, hay que diferenciar entre casas de albañilería, adobe, madera u otros (ver más adelante).

INMUEBLES DE HORMIGON: Los tabiques suenan huecos al golpear la pared con los nudillos, los muros son sólidos, se notan “rellenos” al golpear. Las grietas en tabiques no importan pues no sostienen nada y no revisten ningun problema para la estabilidad de la estructura. Es imporante saber que es normal que se agrieten, pues ayudan al edificio a disipar la energía. De la misma forma tampoco importan las grietas verticales u horizontales en un muro en donde se divide en muro sólido y tabique, ésto es debido a la diferencia de flexibilidad de los materiales. Para comprobar ésto, golpear con los nudillos o con un martillo (knock knock) a cada lado de la grieta, a 2 cm. A un lado debiera sonar hueco y al otro no. Aún así, si las grietas son muy pronunciadas, es recomendable no habitar junto a ellas. Las réplicas pueden hacer caer el material y dañar a los presentes. Esta misma precaución debe tomarse con otros elementos de fachada que se vean en peligro de derrumbe, como vidrios, chimeneas, techos falsos o balcones.

Las grietas son importantes cuando están en elementos o muros estructurales.Cómo se reconoce un muro estructural?: Conviene buscar el plano estructural del inmueble, ahí sale claro. Estos planos normalmente están en la municipalidad. Si no se tiene este plano, de forma general fíjese en lo siguiente: Casas de concreto: Las columnas, vigas, muros y losas de entrepiso. En edificios: Además de los anteriores, muros que rodean los ascensores y separan departamentos. Las vigas y columnas no deben estar dañadas pues son los elementos que sostienen la estructura. Si están dañadas, el daño puede ser de rajaduras o grietas del concreto o a exposición del fierro. Si el fierro se ve, indica daño muy severo, sobretodo si están cortados o doblados. En el caso de una casa de un piso, es conveniente no habitar la zona cercana a la falla, si es de más de un piso o edificio, es recomendable abandonar el inmueble hasta que sea revisado. En caso de que no se vea

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fierro a simple vista pero haya una grieta importante, es conveniente revisar con un alfiler a traves de la grieta si el fierro está expuesto. Tampoco es bueno si una columna presenta grietas horizontales en los extremos superior e inferior. En los muros estructurales las grietas diagonales son las más peligrosas. Una grieta con forma de X necesita una revisión urgente. Este tipo de daño suele ser reparable, a diferencia de los problemas en los enfierrados. Los muros estructurales pueden agrietarse en diferentes magnitudes. Una grieta menor a 2 mm suele no es peligrosa a menos que sea generalizada, en ese caso pedir una evaluación. Si la grieta es de entre 2 mm y 5 mm se recomienda reparar la grieta rellenándola. Si es generalizada en muchos lugares de la casa, se recomienda no habitarla hasta que sea revisada. Si es de 5 mm a 1 cm, se recomienda no habitar la zona de la casa cercana al daño, y ver si se puede reparar inmediatamente. En caso que la grieta sea mayor a 1 cm, se recomienda abandonar el inmueble hasta que sea revisado. En las losas de los techos vean si hay grietas oblicuas o diagonales desde las esquinas hacia el centro, eso es también mala señal, pero son fácilmente reparables. Si las grietas o fisuras en las losas del techo son paralelas a las ventanas, vigas o cadenas, entonces puede ser estuco, y no representa daño. En el caso de losa radiante, esta suele no estar en elementos estructurales. En el caso de edificios, es imprescindible revisar las cajas de los ascensores, los primeros 5 pisos y los primeros dos subterráneos. Cualquier daño en esos pisos o en los muros de los ascensores debe ser revisado urgentemente. Si hay grietas diagonales en los muros de los ascensores o columnas de los subterráneos y 5 primeros pisos, es conveniente evacuar el edificio de inmediato. En cualquier otro caso, es necesario llamar a una evaluación lo antes posible. Las grietas en los muros perimetrales que no comprometan otras estructuras como columnas, no son señal de daño estructural porque no están pensadas para resistir el peso del edificio, solo son muros para espacios. Pero deben ser reparados.

CASAS DE ALBAÑILERIA Y ADOBE: Para las casas de albañilería en general se debe tener las mismas consideraciones que para inmuebles de hormigón, en cuanto a daño de vigas, columnas o tamaño de grietas en muros. Es importante notar que si los muros de albañilería están bien hechos, las grietas debieran ser verticales y a cierta distancia de los extremos. Si hay grietas diagonales, indica que el muro no ha

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soportado bien las fuerzas horizontales y debe ser reparado. En el caso de casas de ladrillo tipo princesam tampoco deben haber grietas en las esquiñas, pues es donde suele estar la armadura. En el caso de casas de adobe, éste suele ser rígido y no resistir bien los distintos tipos de fuerzas que provoca un terremoto. Más aún, es importante mantener en cuenta para futuras réplicas que a diferencia de otros materiales, el adobe no se deforma antes de colapsar, sino lo hace de forma repentina. Es por lo anterior que siempre deben considerarse vulnerables sísmicamente. Si los muros tienen fisuras menores a 0,5 mm (medio milímetro) habitar con precaución y reparar las fisuras posteriormente. Si los muros tienen fisuras mayores a medio milímetro evitar habitar la zona de la casa involucrada, si la situación es general no habitar la casa. En el caso de casas de madera, se recomienda no habitar la casa si se ven roturas en vigas o columnas, o si hay daños en más del 20% de los muros de la casa.

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