Fallas Estructurales Mas Comunes

 

 

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

ENSAYO Fallas estructurales en la construcción

Autor: Mario Rubén Urbina Lavajos

Docente: José Yvan Vargas Bourguet

Moyobamba-Perú 2018

 

ÍNDICE:

 

INTRODUCCIÓN:

En este ensayo se citan y explican los tipos de fallas más importantes que se registran en estructuras de concreto reforzado y mampostería, tras la ocurren ocurrencia cia de eventos sísmicos. Los aquí citados corresponden a eventos sísmicos anteriores en distintas localidades del mundo. Toda la información referida en este ensayo está esencialmente tomada de los apuntes de Comportamiento Estructural en Obra Civil del del Doctor Raúl Serrano Lizaola Liz aola cuya referencia bibliográfica es Serrano, L.R. (2001).

comportamiento sísmico de las estructuras ha requerido de la identificación de “El entendimiento del comportamiento las características que han conducido a las fallas, o bien, a un buen comportamiento estructural, y, también, del análisis de los tipos t ipos de daños y de sus causas” [Serrano, L.R. (2001)].

Por lo general, estas fallas pueden deberse a: Inadecuada da resistencia resistencia al cortante de los entrepisos entrepisos debido a la escasez de elementos elementos tales tales a)  Inadecua como columnas y muros.  b  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 falla de cortante. d)  Grandes esfuerzos esfuerzos en muros de cortante, sin o con aberturas, solos o acoplados. acoplados.

 

coincidencia en planta del centro de masas con el e)  Vibración torsional causada por la falta de coincidencia centro de rigidez. f)  Punzonamiento de la losa de edificios construidos a base de losas planas, g)  Variación brusca de la rigidez a lo largo de la altura del edificio. h)  Golpeteo entre edificios.

Amplificación ación de los desplazamientos desplazamientos en la l a cúspide de los edificios. edificios. i)  Amplific  j)  j)  Grandes esfuerzos de cortante en columnas acortadas por el efecto restrictivo al desplazamiento

causado por elementos no estructurales.

 

DESCRIPCIÓN DE FALLAS MÁS COMUNES EN ESTRUCTURAS DE CONCRETO REFORZADO Y DE MAMPOSTERÍA 4.1 Falla por inadecuada resistencia al 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 insufi insuficient cientee resistencia a carga lateral de los elementos verticales de soporte como son columnas y muros. Las fuerzas de inercia, cuya variación de la base hasta la

cúspide del edificio es

progresivamente creciente, generan fuerzas cortantes

decrecientes decrecie ntes desde la base hasta la cúspide, cúspide, mismas que deben deben ser resistidas resistidas en cada nivel por el conjunto de dichos elementos verticales. De esta forma, es necesaria un área transversal de muros y/o columnas suficiente para resistir adecuadamente las fuerzas cortantes inducidas por el sismo.

En la figura 4.1.1 se muestra un edificio de la ciudad de México antes y después del sismo del 28 de Julio de 1957, cuya magnitud fue de 7.5 grados, y el que causó el colapso debido a la falla por cortante de sus columnas.

 

 

Figura Figu ra 4.1. 4.1.1 1 Antes y después del sismo del 28 de julio de 1957 en México Análogamente, en las figuras 4.12 y 4.13 se ilustran diferentes estructuras de concreto reforzado, antes y después del sismo del 29 de Febrero de 1960, acaecido en la ciudad costera marroquí de Agadir.

Figura 4.1.2 Hotel Saada antes y después del sismo de Agadir

 

 

Figura 4.1.3 Restaurant La Réserve antes y después del sismo de Agadir

4.2 Falla frágil de cortante y tensión diagonal en columnas o en vigas.

Es muy importante que las edificaciones cuenten con una capacidad de deformación suficiente para soportar adecuadamente la solicitación sísmica sin desmeritar, obviamente, su resistencia. Cuando la respuesta sísmica de la edificación es dúctil, se presentan elevadas deformacione deformacioness en compresión debidas a efectos combinados de fuerza axial y momento flector. flector.

Figura 4.2.1 Efecto combinado de carga axial y momento flexionante sobre columna sin y con refuerzo transversal

Con solo colocar refuerzo transversal tr ansversal estrechamente est rechamente separado y bien detallado en la región de la rótula plástica potencial, puede evitarse que el concreto se astille seguido del

 

pandeo por inestabilidad del refuerzo a compresión. Esto implica el detallado de las secciones para evitar una falla frágil y proporcionar proporcionar suficiente suficiente ductilidad. ductilidad.

En las figuras 4.2.2 y 4.2.3 se ilustra ilustra el colapso colapso de columnas columnas de planta baja baja debido al deficiente deficiente confinamiento del núcleo de concreto en su base. Se puede apreciar cómo el concreto, ante la falta de confinamiento por estribos, estri bos, se s e desconcha des concha al a l abrirse ab rirse éstos és tos seguido del pandeo lateral del refuerzo longitudinal. longitudi nal. Este tipo de falla se origina debido a la gran concentración de esfuerzos que se producen precisamente en los extremos de las columnas por las elevadas acciones internas como son carga axial, fuerza cortante y momento flector, causadas por las fuerzas sísmicas. Muchas estructuras se han colapsado como resultado de un inadecuado confinamiento del núcleo de concreto en columnas. El mismo tipo de falla puede presentarse también en secciones intermedias y superiores de las columnas. El confinamiento confinamiento del núcleo núcleo de concreto evita también la falla por tensión diagonal producida por fuerza cortante. Este tipo de falla está caracterizado por la formación de grietas inclinadas.

 

 

Figura 4.2.2 Falla por tensión diagonal en columnas con estribos

Figura 4.2.3 Falla por tensión diagonal en columna zunchada

 

Como consecuencia del sismo de San Fernando, Estados Unidos, en 1971, las columnas de la planta baja del Edificio de Salud Mental del Hospital Olive View, de solo dos pisos y de concreto reforzado, sufrieron colapso. Todas ellas tuvieron un pobre y muy separado refuerzo transversal transversal que no dió suficiente suficiente confinamiento al concreto y muy poca resistencia a la tensión diagonal. diagonal.

La figura 4.2.4 muestra una de estas columnas, la ccual, ual, al igual que las restantes de este este piso, quedó totalmente desintegrada ocasionando el colapso total del primer piso del edificio.

Figura 4.2.4

Desintegración total de columna de planta baja

 

Aunque menos frecuente que en las columnas, las vigas también suelen fallar por tensión diagonal provocada por la fuerza cortante, así como lo muestra la figura 4.2.5

Figura 4.2.5 Falla por tensión diagonal producida por cortante en vigas

4.3  Falla por adherencia del bloque de unión en las conexiones viga-columna debida deslizamiento de las varillas ancladas o a falla de cortante.

al

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 páneles, entre vigas y columnas en estructuras de marcos, entre columnas y losas planas, y entre columnas y cimentaciones.

La figura 4.3.1 muestra una falla por desconchamiento del concreto debido a un anclaje defectuoso entre viga y columna.

 

 

Figura 4.3.1 Desconchamiento del concreto en unión viga-columna

La falla de una conexión viga-columna debida a la escasez de anclaje del refuerzo de la columna en su unión con el sistema de piso se ilustra en la figura 4.3.2 

Figura 4.3.2 Falla en unión viga-columna por escasez de anclaje

en la conexión de la columna con el sistema de piso

 

 

Figura 4.3.3 Falla por deficiente adherencia en conexión viga-columna y croquis de anclaje a 90º para el desarrollo de la fluencia requerida ante solicitaciones cíclicas propias de la acción sísmica

4.4 Falla frágil en muros de cortante, sin o con c on aberturas, solos o acoplados. acoplados.

En los proyectos estructurales, los muros de cortante son destinados a resistir principalmente los esfuerzos producto producto de las fuerzas horizontales horizontales sísmicas. Ante esta solicitación, solicitación, las fallas que suelen presentarse son so n en su unión con los sistemas de piso, por cortante horizontal o vertical, y por vuelco.

Durante el sismo de San Fernando, California, California, los muros de cortante de los edificios del Centro Médico Indian Hills y del Hospital Holy Cross, presentaron una gran grieta horizontal y desconchamie desconchamiento nto del concreto en su unión con el sistema de piso. La figura 4.4.1 muestra esta situación.

 

Figura 4.4.1 Vista de la fachada del Centro Médico Indian Hills

 

Figura 4.4.1 B Acercamiento de daños en muro de cortante de la figura anterior.

Fallas similares a las antes mencionadas se pudieron observar en dos edificios edificios de apartamentos en Anchorage, Anchora ge, Alaska. El Mt. McKinley McKinley y el de la Calle 1200 “L”, ambos de 14 pisos, muy similares entre sí tanto en forma como en el tipo de daño sufrido después del sismo de Alaska de 1964. Un detalle muy interesante fue que ambos edificios

 

fueron construidos en la misma orientación, aunque estaban separados cerca de 1500 15 00 m. Para resistir las fuerzas sísmicas, el edificio Mt. McKinley estuvo diseñado con muros exteriores de cortante unidos mediante vigas de acoplamiento, acoplamiento, mientras que el de la Calle 1200 “L”, además de las paredes exteriores, tuvo núcleos núcleos de muros de cortante cortante en los cubos de escaleras. escaleras. En ambos edificios, edificios, los muros exteriores presentaron fracturas horizontales en su unión con las losas así como grietas en forma de X por tensión diagonal en los antepechos.

Figura 4.4.2 Grieta y desconchamiento del concreto en muro de cortante y acercamiento del daño del edificio del Hospital Holy Cross

Este último tipo de falla es típico en las vigas de acoplamiento y se debe a demandas de gran ductilidad y de elevadas fuerzas cortantes como consecuencia de su corta longitud.

 

  Figura 4.4.3 Daños en fachada norte del edificio Mt. McKinley

Figura 4.4.3 B Vista y acercamiento de daños con falla en X de vigas de acoplamiento acoplamiento

en muros de cortante

 

 

Figura 4.4.3 C Daño en fachada norte del edificio de la Calle 1200 “L”, y esquema que ilustra la falla por tensión diagonal en vigas de acoplamiento de muros de cortante. Sin un diseño adecuado para los niveles de ductilidad a flexión y a cortante esperados ante sismos intensos, se pueden presentar fallas por flexión o por cortante en muros estructurales que constituyen la resistencia primaria a fuerzas laterales de edificios.

4.5 

Falla por vibración torsional causada por la falta de coincidencia en planta del centro de masas

con el centro de rigidez. La asimetría en la distribución en planta de los elementos elementos estructurales resistentes de un edificio causa una vibración torsional ante la acción sísmica y genera fuerzas elevadas en elementos de la periferia del edificio.

La vibración torsional ocurre cuando el centro de masa de un edificio no coincide con su centro de rigidez (Figura 4.5.1). 4.5.1) . Ante esta acción, el edificio tiende a girar respecto a su

 

centro de rigidez, lo que causa grandes incrementos en las fuerzas laterales que actúan sobre los elementos perimetrales de soporte de manera proporcional a sus distancias al centro de rotación.

Figura 4.5.1 Vibración torsional causada por la falta de coincidencia

entre el centro de masa y el centro de rigidez En la planta del edificio de la figura 4.5.2 se observa la presencia de un bloque de concreto asimétri asimétrico co situado en la vecindad de las columnas dando lugar a una concentración de elementos rígidos y a una una consecuente asimetría en planta, situación que fue responsable de la falla en torsión de la columna ante la acción sísmica (Figura 4.5.3).

 

 

Figura 4.5.2 Planta de ubicación de columnas con falla.

Figura 4.5.3 Daño por vibración torsional en columna perimetral

 

4.6 

Falla de edificios a base de losas planas por punzonamiento de la losa

Otro caso de falla de conexión se presenta en edificios de losas planas y se debe a una falla de punzonamie punzonamiento nto producida por los elevados esfuerzos cortantes. En este tipo de falla, los sistemas de piso quedan sin apoyo dando lugar a un colapso total de los mismos manteniéndose de pie solo las columnas (Figura 4.6.1)

Figura 4.6.1 Falla de un edificio a base bas e de losas planas

 por punzon punzonam amie ient ntoo ddee llosa osa

Las falla fallass en las conex conexione ioness generalmente son frágil frágiles, es, por lo que estas zonas deben  proteg  pro tegerse erse con eespec special ial cuidad cuidadoo y di diseñ señars arsee detall detallada adamen mente. te.

 

4.7 

Falla por variación brusca de la rigidez a lo largo de la altura del edificio.

Con frecuencia las plantas bajas de los edificios se construyen dejando el mayor espacio  posibl  pos iblee par paraa per permi miti tirr el paso paso o es esta taci cion onam amie ient ntoo ve vehi hicu cula lar, r, mientr mientras as qu quee los ni nive vele less superiores se construyen mediante sistemas de

marco-muro, estando este último la

mayoría de las veces confinado por el marco proporcionándoles a los pisos superiores una mucho mayor rigidez que la de planta baja.

Esta situación conduce a una concentración concentración de daños en la llamada planta débil del edificio, la cual posee una rigidez mucho menor en comparación con la de los pisos superiores. En la figura 4.7.1 se muestra el e l colapso de un edificio típico de planta débil.

Figura 4.7.1 Falla en planta débil de edificio

La planta baja de este edificio se diseñó con base en un sistema de marcos rígidos y en los pisos superiores se contempló un sistema de muros con lo cual la rigidez en elevación

 

varió, lo que provocó la falla total de la planta baja durante el sismo de El Salvador del 10 de Octubre de 1986.

Un caso muy interesante para analizar es el comportamiento estructural mostrado por el edificio del hospital Olive View como consecuencia del sismo de San Fernando, Estados Unidos, en 1971. El edificio principal (Figura 4.7.2 A), de concreto reforzado, de 5 pisos y sótano, tuvo masas grandes innecesarias, así como discontinuidades significativas en elevación (Figura 4.7.2 B) pues, mientras los cuatro niveles superiores se construyeron de muros de rigidez confinados por marcos rígidos, los dos pisos inferiores se estructuraron mediante marcos rígidos. Todas las columnas en planta baja fueron zunchadas, con excepción de las de esquina, las que se reforzaron con estribos. Como se puede apreciar en la figura B, la forma y el refuerzo de las columnas variaba variaba de un nivel a otro.

Figura 4.7.2 A

 

 

Figura 4.7.2 B

Las discontinuidades en rigidez, resistencia y ductilidad, así como la presencia de masas innecesarias, jugaron un papel importante en la respuesta estructural estructural del edificio ante el sismo. Éste no se colapsó, pero por razones de funcionalidad tuvo que ser demolido ya que las deformaciones permanentes de las columnas de los dos primeros niveles fueron tan grandes (del orden de 75 cm) en el segundo nivel, que la reparación de los daños, tanto estructurales como no estructurales, estructurales, resultaba antieconómica.

Los pequeños y muy separados estribos de la columna de esquina no proporcionaron el confinamiento adecuado al nú núcleo cleo de concreto ni la

resistencia suficiente a tensión

diagonal por cortante. Como resultado, la columna no tuvo ductilidad y falló frágilmente (Figura 4.7.3).

 

 

Figura 4.7.3 Columna de esquina severamente dañada

Figura 4.7.4 Vista del daño general en columnas de primer nivel

 

Cerca de la columna de esquina se encuentra una zunchada (Figura 4.7.3), misma que  perman  per maneci ecióó intact intacta. a. A pesar pesar de la extrem extremaa def deform ormac ación ión plásti plástica ca la column columna, a, ést éstaa no se colapsó y siguió resistien resistiendo do la carga muerta de los cuatro pisos tras la ocurrencia ocurrencia del evento sísmico. Este estupendo comportamiento denota una fantástica ductilidad del elementoo debido a qu element quee el confinamiento confinamiento proporciona proporcionado do por el

zuncho

enormemente la resistencia última y redujo la deformación del núcleo de

incrementó concreto

habiendo, también, proporcionado una elevada resiste resistencia ncia a cortante o tensión diagonal (Figura 4.7.4).

Otro ejemplo distin distintivo tivo de cambio de rigidez a lo largo de la altura, es el diseño del edificio de la figura 4.7.5 B que contempló m muros uros no estructurales en todos los pisos,  peroo dura  per durante nte el proc proceso eso construc constructi tivo vo sol soloo se coloca colocaron ron los de los últ último imoss tre tress nivele niveles, s, por lo que el si sismo smo de Erzincan, Turquía, de 1992, le produjo daño estructural, el cual se concentró en el primer piso, dejando el resto de la edificación totalmente fuera de servicio.

Figura 4.7.5 A Plantas del edificio

 

 

Figura 4.7.5 B Evidencia de la concentración de daño en piso débil

4.8 

Falla por golpeteo entre edificios.

Si no existe una separación suficiente entre edificios adyacentes, su manera distinta de vibrar ante la solicitación sísmica conduce al golpeteo entre ellos produciéndoles severos daños. En la figura 4.8.1 se tiene el caso de la falla de un edificio por golpes en la junta de construcción por la acción del sismo de Tokachi-Oki, Japón.

Figura 4.8.1 Falla por golpeteo en la junta entre edificios adyacentes

Este tipo tipo de fa falla lla puede ser más grave cua cuando ndo los ccuerpos uerpos adyacentes adyacentes no coinciden en la altura de sus entrepisos, ya que las losas de uno pueden golpear las partes intermedias de

 

las columnas del otro. Así lo muestra la figura 4.8.2 de un edificio de la ciudad de México en el sismo de septiembre de 1985.

Falla debida al golpeteo entre edificios adyacentes adyacentes que no coincide coincidenn en altura sus entrepisos

Figura 4.8.2

4.9 

Falla en columnas de pisos superiores desplazamientos en la cúspide de los edificios.

por

la

amplificación

de

los

Al propagarse las vibraciones inducidas por el sismo desde la base hasta la cúspide de los edificios, se presentan amplificaciones de la vibración a lo largo de su altura, que se acentúan en sus niveles superiores, principalmente en edificios altos, lo que conduce a una elevada concentración de acciones internas que provocan el colapso de una parte del edificio a partir de determinada altura.

En la figura 4.9.1 se aprecia el colapso que sufrieron los niveles superiores de la mansión Charaima, de once pisos, de los cueles solo siete quedaron en pie debido al sismo del 29 de Julio de 1967 en Venezuela Venezuela.. Lo anterior fue provocado por la amplificación amplificación de las

 

vibraciones vibracion es de los pisos superiores respecto a los inferiores. Este fenómeno es conocido como resonancia local o chicoteo.

Figura 4.9.1 Colapso de los niveles superiores de un edificio de 11 pisos

Algunos autores atribuyen este tipo de colapso a la unión de concreto nuevo nu evo con viejo tras la interrupc interrupción ión del colado durante el pproceso roceso constructivo.

4.10 

Falla frágil de cortante en columnas acortadas por el efecto restrictivo al desplazamiento causado por elementos no estructurales.

La interacción entre elementos no estructurales, tales como

muros divisorios

de

mampostería, y las columnas de marcos de concreto, provoca concentraciones de fuerza cortante en los extremos libres de las columnas, mismas que tienden a fallar fragilmente  por cortan cortante. te. La figura figura 4.10.1 ilustra la forma en que los m muros uros divisorios divisorios adosados a la columna restringen restring en a ésta hasta donde llega la altura ddee ellos. Esto conduce a que la porción libre

 

de la columna adquiera mucho mayor mayor rigidez en comparación de las demás columnas del mismo piso, que no están confinadas nnii restringidas, en en ninguno de sus lados, por elementoss no estructurales, elemento estructurales, generándose así elevados esfuerzos de corte en la columna corta dando lugar a consecuencias consecuencias desastro desastrosas. sas.

Figura 4.10.1 Deformación lateral de columna corta confinada parcialmente por muros

Ante la insuficie insuficiente nte ductilidad ductilidad de la columna acortada, la falla se genera por tensión diagonal producida por elevados esfuerzos cortantes y es más frágil respecto a la de las columnas no restringidas parcialmente debido a que su longitud deformable es mucho menor.. Esta situación pu menor puede ede evitarse si se deja suficiente separación entre la columna y el muro de relleno para que así ésta se deforme libremente libremente durante la solicitación solicitación sísmica. sísmica.

En las siguient siguientes es figuras 4.10.2 a 4.10.4 se ilustra ilustra este tipo de falla falla en columnas columnas acortadas en su altura por la presencia de antepechos y muros divisorios.

 

 

Figura 4.10.2 Falla por tensión diagonal en columna acortada por antepechos

Figura 4.10.3 Falla por incremento de fuerza cortante en columna corta

 

 

Figura 4.10.4 Falla en columna corta restringida en sus extremos por antepechos