FALLA EN ESTRUCTURAS DE CONCRETO
“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” [Serrano, L.R. (2001)].
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 falla de cortante.
d) Grandes esfuerzos en muros de cortante, sin o con aberturas, solos o acoplados.
e)
Vibración
torsional causada por la falta de coincidencia en planta del centro de masas con el 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.
i)
Amplificación de
los desplazamientos en
la cúspide de los
edificios.
Grandes esfuerzos de cortante en
columnas acortadas por el
efecto restrictivo al desplazamiento causado
por elementos no estructurales.
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 insuficiente 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 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 área transversal de muros y/o columnas suficientes 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 4.1.1 Antes y después del
sismo del 28 de julio de
1957 en México
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 deformaciones en compresión debidas a efectos combinados
de fuerza axial y
momento 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 estrechamente 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 suficiente ductilidad.
4.3 Falla por adherencia del bloque de unión en las conexiones viga-columna debida al deslizamiento de las varillas ancladas o a falla de cortante.
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 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
4.4
Falla
frágil en muros de
cortante, sin o con aberturas, solos o acoplados.
En los proyectos estructurales, los muros de cortante son destinados a resistir principalmente los esfuerzos producto de las fuerzas horizontales sísmicas. Ante esta solicitación, las fallas que suelen presentarse son en su unión con los sistemas de piso, por cortante horizontal o vertical, y por vuelco.
Durante el sismo de San Fernando, California, los
muros de cortante de los edificios del Centro Médico Indian
Hills y del Hospital
Holy Cross, presentaron una gran
grieta horizontal y desconchamiento
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 4.4.3 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.
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 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). 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
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
punzonamiento 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
de losas planas por punzonamiento
de losa
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 posible para permitir el paso o estacionamiento vehicular, mientras que los niveles 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 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
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
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
4.9 Falla en columnas de pisos superiores por la amplificación de los desplazamientos en la cúspide de los edificios.
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. Lo anterior fue provocado por la amplificación de las vibraciones 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
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 frágilmente por cortante.
La figura 4.10.1 ilustra la forma en quelos muros divisorios adosados a la columna restringen a ésta hasta dónde llega la altura de ellos. Esto conduce a que la porción libre de la columna adquiera mucho mayor rigidez en comparación de las demás columnas del mismo piso, que no están confinadas ni restringidas, en ninguno de sus lados, por elementos no estructurales, generándose así elevados esfuerzos de corte en la columna corta dando lugar a consecuencias desastrosas.
Figura 4.10.1 Deformación
lateral de columna corta confinada parcialmente por muros
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