Fallas Estructurales

FALLAS ESTRUCTURALES Luis A. Godoy Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales Universidad Nacional de Córdoba ¿QUE ES UNA FALLA ESTRUCTURAL? El término “falla estructural” no es tan preciso como podemos imaginar. En sentido restringido, una falla estructural se refiere a un colapso en el cual la estructura se rompe en pedazos. Sin embargo, en la mayoría de los casos el término incluye otras condiciones aparte del colapso, que pueden ser no tan drásticas y aun así llevar a pérdidas grandes. Consideremos lo que dicen los autores sobre esto: “Una falla no necesariamente significa el colapso total, pero también puede aplicarse a una limitación, como cuando una construcción no puede desempeñarse de acuerdo con la intención original” (ASCE, pp. 49). “Para ser más provechosa, la discusión de fallas debe incluir problemas de desempeño que son menos catastróficos. Muchas deficiencias en el desempeño no atentan contra la vida pero conducen a pérdidas económicas significativas para la sociedad” (Carper, 2001, pp. 18). “Una falla de un elemento estructural ocurre cuando cesa de desempeñar su función en forma satisfactoria” (Kaminetzki, 1991, pp. 42). “La falla [de materiales en ingeniería] puede definirse como la incapacidad de una componente de funcionar adecuadamente, y esta definición no implica fractura” (Brooks and Choudhury, 2002, pp. 2). Note que las palabras clave en la mayoría de esos comentarios son “desempeño” y “función”. Nuestra definición operativa será la provista por “ASCE Technical Council on Forensic Engineering”: “Falla es una diferencia inaceptable entre el desempeño esperado y observado”. De acuerdo con esta definición, hay desempeños esperados y observados, y hay diferencias entre ellos. Alguien debe especificar lo que es aceptable y lo que no lo es. A menudo en juicios legales, las partes no se ponen de acuerdo en que es una diferencia aceptable. ¿CUALES SON LAS FORMAS MAS COMUNES DE FALLA? Consideraremos varias formas de fallas estructurales: Colapso: Como se mencionó, aquí una construcción se rompe en partes. ¿Por qué ocurre eso? Una estructura colapsa porque sus resistencias internas no están ya disponibles. Otra forma de decir eso es: La estructura colapsa porque no hay un camino para direccionar las cargas aplicadas hasta los apoyos. Ambos enunciados se refieren a nuestra forma de pensar acerca de la estructura, enfatizando

lo que no pudo lograr la estructura y que ocasionó el colapso. Colapso progresivo: En un colapso progresivo, hay un efecto dominó. Primero colapsa parte de la estructura, a consecuencia de eso, las fuerzas se redireccionan hacia otras partes. Sin embargo, esto ocasiona un nuevo colapso parcial y una nueva redistribución de fuerzas, hasta que no existe un camino alternativo que las cargas pueden seguir en la estructura. Falla funcional: Ocurre cuando el uso normal de la estructura no puede continuar. Por ejemplo, deformaciones excesivas pueden causar que una construcción deba abandonarse, aunque no se prevea una forma de colapso. ¿QUE ES UN ANALISIS DE FALLA? No toda investigación de falla tiene los mismos objetivos y es posible distinguir entre dos áreas generales de trabajo: En una investigación de falla estructural, se espera que el investigador explique las razones detrás de la falla. La pregunta final que debe responder es ¿Por qué? Por ejemplo, ¿Por qué ocurrió esta falla? En una investigación de ingeniería forénsica, el investigador trata de identificar las causas de la falla y aquellos que fueron responsables, de manera que se puedan seguir las acciones legales del caso. La pregunta final que se debe responder es ¿Quién? Por ejemplo, ¿Quién fue responsable de las deficiencias en el diseño estructural? En este trabajo nos concentramos en el primer tipo de investigación. El problema ingenieril es comprender una falla que ya ha ocurrido y la solución a este problema es encontrar una explicación que puede dar razón de la secuencia de eventos que condijeron a la falla. De manera que para resolver un caso de falla debemos buscar explicaciones. ¿Qué dicen los expertos acerca del análisis de falla? “Un análisis de falla puede definirse como el examen de una componente fallada y de la situación de falla con el fin de determinar las causas de la falla. El propósito de un análisis de falla es identificar los mecanismos y causas de la falla y usualmente recomendar una solución al problema” (Brooks and Choudhury, 2002, pp. 2). El costo de cada falla no se reduce a reemplazar la estructura, sino que el costo mayor puede ser la interrupción del servicio que la estructura permitía realizar. Por ejemplo, el colapso estructural de torres de transmisión de alto voltaje donde la interrupción de electricidad afecta a una población grande. ¿CUALES SON LOS PRINCIPALES CONCEPTOS INVOLUCRADOS EN UN ANALISIS DE FALLA? Para llevar a cabo un análisis de falla puede ser de utilidad distinguir entre varios conceptos claves que aparecen. Eso nos permite establecer categorías conceptuales. Mecanismo de falla. Se refiere a las consecuencias de eventos que ocurrieron y que llevaron a la falla o colapso de la estructura. Normalmente esto se describe en forma secuencial. Por ejemplo, “El viento indujo esfuerzos de compresión muy altos en la zona A y esto condujo al pandeo local de esta parte de la estructura”

Modo de falla. Se refiere a la deformada o a la configuración que adopta la estructura al inicio de la falla, o en un estado avanzado o final de la falla. Modos típicos de falla pueden incluir grandes deformaciones, vibraciones con grandes amplitudes, temperaturas altas, etc. Por ejemplo, “Propagación de fractura en modo tipo I”. O “Pandeo localizado del rigidizador” Kaminetzki (1991) clasifica los modos de falla en: pandeo elástico, fractura, deformación plástica, creep, desgaste, corrosión e inestabilidad (falta de equilibrio). Causas de falla. Esta es la razón por la que se inició un modo de falla. Este concepto apunta a alguna deficiencia en el sistema estructural. Por ejemplo, “Con un espesor de 0.25m, la estructura no pudo soportar los vientos fuertes como los que ocurrieron ese día”. Fuentes de las causas de falla. Las estructuras no se construyen a si mismas, así que debe haber una causa por la que la estructura estuvo en una situación vulnerable. Este concepto apunta a una acción humana: que parte del diseño, construcción, mantenimiento u operación fue deficiente de modo que permitió que ocurriera un modo de falla. Por ejemplo, una falla debido a una falencia en la construcción: “El espesor de la cáscara fue especificado correctamente en los documentos de diseño, pero no fue construido de acuerdo a las especificaciones”. O la falla debido a un diseño deficiente: “Las dimensiones de las componentes estructurales A y B no fueron diseñadas apropiadamente de acuerdo a los estándares actuales”. Responsable de una falla. Alguien tomó algunas decisiones equivocadas durante alguna etapa, o tiene responsabilidades en este caso. Este tema es ahora parte del sistema legal y le concierne a los ingenieros forénsicos. Por ejemplo: “La empresa constructora decidió disminuir el espesor debido a que suponía que eso no iba a afectar las rigideces”. Razones detrás de malas decisiones. Este concepto apunta a una acción personal. Por ejemplo, falta de experiencia, negligencia, falta de conocimiento, incompetencia, falla de destrezas de comunicación. LO QUE FALLA ES UN SISTEMA ESTRUCTURAL, NO SIMPLEMENTE UNA ESTRUCTURA Cualquier discusión sobre fallas estructurales debe considerar no solo la estructura, sino también otros subsistemas que en conjunto forman el sistema estructural. Estas componentes incluyen: La estructura. Sin embargo, cuando usted llega al lugar de una falla va a encontrar la construcción en mal estado, porque falló (o quizás colapsó). Entonces ¿qué queremos decir por la estructura? Primero, debemos considerar el diseño original, porque ésta es la información inicial que pueden darnos. Segundo, también precisamos incluir la configuración después del colapso, porque nos indica muchos aspectos sobre el mecanismo de falla. Los cambios en las condiciones estructurales. Probablemente, una estructura que ha fallado, ha experimentado cambios en sus condiciones durante su vida, quizás produciendo cambios en la rigidez o en la resistencia. En algunos casos, esos cambios ocurren debido a problemas de construcción que introducen errores o desviaciones con respecto a la forma o a las condiciones de diseño. En otros casos ocurren cambios con el tiempo, como creep, envejecimiento, degradación de las propiedades. Las cargas. Muy probablemente, una estructura falló bajo condiciones severas de carga, como vientos fuertes, movimientos sísmicos, inundación. Pero debido a que las estructuras se diseñan

para resistir esas acciones ambientales, ellas no deberían ser la única causa de una falla. En caso contrario, estaríamos frente a un diseño deficiente. La localización. En algunos casos, una estructura está localizada en un sitio vulnerable, como en suelo blando o encima de una colina, lo que las hace más vulnerables a acciones externas. A menudo no hay una componente de un subsistema que es completamente responsable del colapso o falla, y muy probablemente sea una combinación de varias componentes del sistema que contribuyen a hacer que la estructura fuera más vulnerable. En una investigación debemos decidir si hay un aspecto predominante en uno de los subsistemas que debería tomarse como punto de partida para construir una hipótesis. No sirve de mucho decir que el viento fue el factor mayor que llevó al colapso de una estructura durante un huracán o tormenta de viento. Cualquiera sabe que el viento debe haber sido parte del sistema. Pero: ¿Hubo deficiencias en el diseño original que podrían ser responsables del comportamiento problemático? ¿Hubo factores que causaron degradación de las propiedades estructurales, como corrosión del acero, fractura temprana? En el colapso de la torre de enfriamiento de Ardeer (ICI, 1973), el viento se acopló con la degradación (debido a errores constructivos que se magnificaron en el tiempo). ¿Estaba localizada de tal forma que las cargas podrían haberse incrementado por efectos topográficos o debido a interferencias con otras estructuras vecinas. ¿HAY UN METODO PARA ENCONTRAR CAUSAS DE FALLAS? ¿Cómo deberíamos llevar a cabo una investigación de falla estructural? ¿Hay un método para llevar a cabo el análisis? ¿Podemos confiar en un método y seguirlo para alcanzar la explicación correcta? Los ingenieros forénsicos creen que hay un método, y más o menos están de acuerdo en lo que es ese método. Un documento de ASCE provee una secuencia de nueve actividades que deberían ser realizadas en una investigación de falla: Planificación de la investigación Interfase con el cliente/Cronograma/Presupuesto Identificación del equipo de investigación Planificación de la operación Observaciones de campo y análisis Búsqueda de documentos Búsqueda bibliográfica Síntesis Desarrollo de una hipótesis Esta propuesta metodológica tiene ventajas: Hay una secuencia de actividades que deberíamos seguir. Por otra parte, tiene desventajas: No se puede asegurar que este método conduzca a la explicación correcta. Los ingenieros forénsicos creen que el método que usan es similar a lo que se conoce como el “método científico”, o sea el método que supuestamente siguen los científicos en sus descubrimientos. Una caracterización de ese método en un libro forénsico (Noon, 2001, pp. 10) dice: “Primero, se hacen observaciones cuidadosas y detalladas. Después, en base a esas observaciones, se formula una hipótesis de trabajo que las explique. Se hacen experimentos u

observaciones adicionales para chequear la habilidad predictiva de las hipótesis de trabajo”.Este procedimiento se denomina “prueba de hipótesis” y se creía que era el método apropiado para llevar a cabo investigación científica durante el primer tercio del Siglo XX. Sin embargo, hay una enorme controversia entre filósofos de la ciencia acerca del papel que desempeña “un método” en la ciencia. Noon (2001) aplica este método científico a la ingeniería forénsica. Nótese que la transferencia de conocimientos desde la ciencia a la investigación forénsica tiene el sesgo del método especifico que se ha elegido para representar la manera que los científicos llevan a cabo su investigación. Nuestra postura es que no hay tal cosa como una “teoría general de fallas estructurales”, y que no hay “un método” para llevar a cabo una investigación y descubrir las causas. Por otra parte, hay una colección de casos que fueron investigados en el pasado y lecciones que hemos aprendido de ellos que son de gran utilidad junto con los principios generales de la mecánica estructural. ¿UNA METODOLOGIA DE INVESTIGACION O UN METODO DE INFORME? El informe ICI (1973) sobre el colapso de una torre de enfriamiento en Escocia es un buen ejemplo de una investigación muy bien realizada. Pero cuando leemos el informe escrito por el comité de investigación, encontramos lo que los filósofos de la ciencia denominan el “contexto de justificación”, o sea el contexto en el cual todo se explica en la forma más sistemática y lógica y que no necesariamente coincide con la forma en la que se llevó a cabo la investigación durante su desarrollo. Por supuesto, los informes de la investigación de esta torre de enfriamiento siguieron pasos lógicos, que se reportan en los siguientes capítulos: Historia de la construcción (localización, contratos, diseño, construcción) Historia de la estructura en operación (condiciones de viento, fisuración) Condiciones en el momento del colapso Descripción de los restos después del colapso Examen de las posibles causas de falla Conclusiones y recomendaciones Apéndices, incluyendo estudios del material y ensayos de laboratorio, ensayos in-situ de las columnas, cálculos de esfuerzos, etc. La conclusión es que cuando los investigadores informan sobre los hallazgos en un colapso, siguen una secuencia que tiene una lógica cuando se la mira retrospectivamente, pero esto no refleja la manera en la que formularon sus hipótesis. Comprender y explicar una falla estructural es un proceso creativo, y el método no conduce obligadamente a una buena explicación. Esto debe venir de otras fuentes. ¿COMO SE FORMULAN HIPOTESIS DE FALLA? Cuando un experto realiza análisis y cálculos, lo que está tratando de hacer es probar por ejemplo, que los esfuerzos eran demasiado altos en algún punto crítico, la carga alcanzó un nivel de pandeo, los esfuerzos no se pudieron redistribuir. Para hacer eso necesita una hipótesis en primer lugar, una que pueda probar mediante cálculos. Una buena hipótesis debería representar y explicar el modo de falla y conducirnos a las causas de falla. La hipótesis

Debería reflejar el comportamiento objetivo de la estructura. Debería ser posible verificar la hipótesis usando evidencia. No debería reflejar nuestras propias creencias y prejuicios. Nuestro pensamiento subjetivo no debería ser la única razón que apoye una hipótesis. Esas se denominan “hipótesis a priori”. Llegado este momento, nuestra principal preocupación debería ser: ¿Cómo construimos una hipótesis aceptable de trabajo? Veamos que dicen los expertos al respecto: “La experiencia es invalorable en el desarrollo de hipótesis de falla, porque instalaciones de un cierto diseño o construcción tienden a fallar en modos similares” (Bell, 2001, pp. 264). “El conocimiento de causas de falla del pasado establecerían una lista mínima de hipótesis de falla para ser consideradas, que debería ser suplementada a medida que avance la investigación” (ASCE, pp. 60). “La recolección y revisión de trabajos publicados relacionados con el tema de falla proveerá una idea inicial de la falla, asistirá en el desarrollo de un perfil de falla basado en fallas similares, y asistirá en el desarrollo de hipótesis de falla” (ASCE, pp. 48). El documento de ASCE provee comentarios generales sobre el desarrollo de hipótesis, como: “El foco de la investigación no debería ser estrechado demasiado temprano en el trabajo”, o “La investigación no debería estar limitada a las causas de falla aparentemente obvias”. Un método común que se encuentra en la literatura es la analogía. El investigador identifica un caso similar con respecto a las consecuencias y supone que las causas también fueron las mismas. Por eso, la enseñanza en este campo se hace mediante estudio de casos, en lugar de usar principios básicos (Delatte, 2009). Siempre que haya varios investigadores involucrados en un caso, puede usarse el torbellino de ideas (brain storming). Esto aumentaría el número de casos y experiencias previos que pueden recuperarse como candidatos a analogía. Algo que es especial acerca de las fallas estructurales en ingeniería civil es que esas construcciones no son productos manufacturados que se producen en grandes cantidades (como máquinas) o en pequeños números (como grandes aviones), sino que cada diseño es único porque se hace para lugares y condiciones específicos. Esa característica de ser único dificulta la formulación de hipótesis de naturaleza general para identificar las causas de falla. Parecería que la única fuente de identificación de causas es el conocimiento de casos previos. Sin embargo, los expertos no confían sus experiencias pasadas de manera ciega. El colapso de la torre de enfriamiento de Ardeer en Escocia es un buen ejemplo en esa dirección. El colapso ocurrió unos años después que varias torres colapsaran en la Estación Ferrybridge en Inglaterra, de manera que el colapso de Ardeer se benefició del estudio detallado de Ferrybridge. Las hipótesis de trabajo incluidas en la investigación de Ferrybridge fueron también incluidas en el caso de Ardeer (mediante analogía); sin embargo, se encontró que la causa principal del colapso de Ardeer no había sido siquiera considerado en el caso anterior. Así, la analogía fue solo útil para producir una lista inicial de hipótesis, pero no fue adecuada para identificar la causa del nuevo colapso. ¿SE PUEDE PROBAR UNA HIPOTESIS? La reconstrucción de una falla estructural sería algo así:

* Se propone una hipótesis de trabajo (basada en la evidencia disponible) * La hipótesis se pone a prueba mediante realizar una predicción. Se considera que una hipótesis es una reconstrucción completa cuando: Da cuenta de todas las observaciones verificadas. Predice la existencia de evidencia adicional no conocida anteriormente. Así, necesitamos evidencia para apoyar una hipótesis. La evidencia puede provenir de observaciones estructurales, ensayos de materiales, análisis estructural, entrevistas con testigos, etc. Noon (2001, pp. 12) afirma que parte de la evidencia generalmente se destruye durante la falla estructural. También acciones humanas posteriores a la falla pueden cambiar el escenario original, alterando evidencia y aumentando la confusión. ¿COMO RESOLVEMOS UN ROMPECABEZAS? La mayoría de las personas resuelven rompecabezas en alguna etapa de sus vidas. Para resolverlo, ¿formulamos una hipótesis sobre la imagen general que va a resultar? La respuesta es no: resolver rompecabezas no es acerca de probar hipótesis, sino sobre encajar piezas (o información), poner juntos grupos de piezas hasta que emerge la imagen global. Algunos autores forénsicos describen su trabajo creativo de esta manera: “En el comienzo de un caso, los hechos y la información disponible son como piezas de un rompecabezas que se encuentran desparramados en el piso: una pieza aquí, otra allá y quizás una que se ha deslizado misteriosamente debajo del refrigerador. Al inicio las piezas se conectan de manera simple, se reúnen, y se colocan en una mesa. Después cada pieza se ajusta con las otras piezas hasta que unas cuantas piezas encajan entre sí. Cuando varias piezas encajan, comienza a aparecer una parte de la figura. Eventualmente, cuando todas las piezas encajan entre ellas, se resuelve el rompecabezas y se puede ver la figura (Noor, 2001, pp. 2-3). Esta es una metodología en la que no es necesario explicitar hipótesis. El enfoque cognitivo para resolver el problema es muy diferente y requiere encajar piezas de información diversa. REFERENCIAS Bell, G. (2001), Chapter 8 in: K. Carper (Ed.), Forensic Engineering, Second Ed., CRC Press, Boca Raton, FL. Brooks, C. R. & Choudhury, A. (2002), Failure Analysis of Engineering Materials, McGraw-Hill, New York. Carper, K. L. (Ed.) (2001), Forensic Engineering, Second Ed., CRC Press, Boca Raton, FL. Delatte, N. (2009), Beyond Failure: Forensic case studies for civil engineers, ASCE Press, Reston, VA. ICI (1973), Report of the Committee of Inquiry into the Collapse of the Cooling Tower at Ardeer Nylon Works, Ayrshire on Thursday, 27th September 1973, Imperial Chemical Industries, Petrochemicals Division, London. Kaminetzky, D. (1991), Design and Construction Failures, McGraw-Hill, New York. Lewis, G. L. (Ed.) (2003), Guidelines for Forensic Engineering Practice, ASCE Press, Reston, VA. Moncarz, P. D., Griffith, M., and Noakowski, P. (2007), Collapse of a reinforced concrete dome in a wastewater treatment plant digester tank, ACE Journal of the Performance of Constructed Facilities, vol. 21 (1), pp. 4-12. Noon, R. K. (2001), Forensic Engineering Investigation, CRC Press, Boca Raton, FL. Ratay, R. T. (2000), Forensic Structural Engineering Handbook, McGraw Hill, New York.