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FALLAS ESTRUCTURALES

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ANALISIS DE FALLAS ESTRUCTURALES

A los efectos de la mecánica de materiales, usaremos una definición funcional de falla (Muchos autores prefieren hablar de estado limite).

FALLA:Es una condición no deseada que hace que el elemento estructural no desempeñe una función para la cual existe. Una falla no necesariamente produce colapso o catástrofe.

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• Mecanismo de falla, es el proceso o secuencia que ocurre en el elemento estructural cuando falla. Puede haber un mecanismo de falla o varios que se acoplan. Ejemplos: mecanismo de pandeo, mecanismo de fractura.

• Modo de falla, es la configuración (geométrica) que adopta el elemento estructural cuando falla. Ejemplos: Modo de fractura, modo local de pandeo.

• Parámetro crítico, es un indicador asociado a la falla. Se usan indicadores, como tensión, deformación, desplazamiento, carga, número de ciclos de carga, energía, etc. Ejemplo: carga critica de pandeo, número de ciclos de fatiga.

• Criterios de falla, permiten predecir el modo de falla. Ejemplos:criterio de plasticidad de von Mises, criterio energético de estabilidad.

MODOS DE FALLA FRECUENTES EN ELEMENTOS ESTRUCTURALES

Los modos de falla más frecuentes son:- Plasticidad- Fractura- Fatiga- Desplazamientos- Creep- Corrosión.

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PLASTICIDAD

• Manifestación: mecanismos, grandes deformaciones son posibles.

• Origen: estructura microscópica (i.e. deslizamiento de cristales).

• Plasticidad local: redistribución de tensiones a zonas con menores tensiones. Materiales dúctiles, capaces de desarrollar deformaciones grandes.

• Propagación de plasticidad: Fluencia de una parte considerable del objeto estructural.

• Caracterización: Límite de fluencia, superficies de fluencia, strain hardening.

• Factores que influyen: Procesos de carga/descarga, ritmo de carga, estados multiaxiales, temperaturas altas.

• Modelos: constitutivas no lineales, cinemáticas lineales

FRACTURA

• Manifestación: Se rompe el material antes de tener deformaciones grandes.

• Origen: Defectos locales en el material a nivel microestructural.

• Fractura repentina en materiales “frágiles”: rocas, fundición, etc.

• Fractura de materiales "dúctiles" con defectos (fisuras, concentración de tensiones, ranuras, etc.). En materiales dúctiles puede haber rotura frágil.

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FRACTURA

• Propagación de fisuras: extensión de una fisura de manera continuada. Inestabilidad de fisuras.

• Modo de falla: Iniciación de superficies interiores. Separación de la estructura en partes.

• Factores que influyen: bajas temperaturas, cargas dinámicas, habilidad del material para absorber energía.

• Caracterización: Resistencia a fractura (fracture toughness), longitud critica.

• Modelos: deformaciones plásticas pequeñas.

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FATIGA• Manifestación: Fractura progresiva.• Causa: Estados tensionales repetidos o cíclicos.• Falla sin aviso previo visual.• Factores que influyen: concentración de tensiones, cambios abruptos

de sección, fisuras, etc.• Caracterización: Número de ciclos límite, resistencia a la fatiga.

DESPLAZAMIENTOS INSTANTÁNEOS

Origen: esbeltez del objeto estructural.

Modo 1: Desplazamientos grandes con equilibrio estable.

Modo 2: Pandeo (equilibrio inestable), falla en la formaestructural. No se consideran aquí fallas por modos de pandeo, que están dominados por la geometría y no por el material.

Modo 3: Vibraciones. Consecuencias: ruido, golpes entre partes que se mueven, grandes desplazamientos transitorios.

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CREEP• Manifestación: Desplazamientos diferidos en el tiempo.• Origen: en metales y cerámicos ocurre una difusión de vacancias, con cambio

de forma en los granos. Deslizamiento de granos, formación de cavidades a lo largo de los bordes de granos.

• Causa: tensiones actuando durante tiempos largos.• Factores que influyen: temperaturas, Problemas de material.

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CORROSIÓN• Manifestación: Pérdida de material en el espesor de un elemento.

Reducción de dimensiones de una sección.• Origen: acción química o ambiental.• Factores que influyen: agresividad del medio.

ESCALAS EN EL ESTUDIO EN FALLAS EN MATERIALES

Las fallas en el nivel de macro estructura y en algunos casos debe referirse a la micro estructura del material.

Surgen interrogantes sobre: ¿Hasta dónde se puede considerar que la materia es un medio continuo, siendo que varios órdenes de magnitud por debajo de las medidas de una macro estructura hay granos del material, fibras, etc.?

¿Cómo se compatibiliza la idea de tensor de tensiones, para el que se toma limite en un medio continuo, con la de un objeto que en cada nivel de consideración presenta aspectos diferentes?

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Macro estructura:estructuras y componentes estructurales. Entre 10 m y 10-1 m >>> (automóviles, aviones, edificios, infraestructura civil, etc.).Relaciones debidas a elasticidad, plasticidad.

Micro estructura: entre 10-5 m y 10-3 m (micrones),Formaciones características del material que lo definen en escalas de 50 a 250 μm: granos en aleaciones metálicas, fibras de compuestos. Relaciones fenomenológicas, actualmente modelación de la micro estructura.

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Nano estructura, 10-9 m, átomos. El nivel de nanoestructura es estudiado mayormente por físicos y químicos. La nano-tecnología intenta diseñar materiales en el nivel atómico.

PRINCIPALES CAUSAS DE FALLAS EN EDIFICACIONES SOMETIDAS A ACCIONES SISMICAS

Enfocaremos algunos detalles de factores adversos que se manifiestan en las edificaciones cuando ocurre un sismo y que de haberlos tomado en cuenta quien fuera: Arquitecto, constructor, estructuralista, propietario, se hubiera evitado el colapso de dicha edificacion y los agravantes colaterales como: Perdidas de vidas, heridos, perdidas monetarias y hasta las penas y sufrimientos que estos sucesos acarrean a los seres humanos.

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Los factores que enumeraremos a continuación debieran ser tomados en cuenta a la hora del Diseno Sismorresistente pero no todas las personas que nos dedicamos a esta actividad tenemos la costumbre de leer y actualizarnos y los contratantes que generalmente son el propietario, el constructor o el arquitecto presuponen que todos estamos "actualizados".

Entre las causas mas comunes que facilitan el fallo y hasta el desplome de las edificaciones estan:

1.EFECTO DE COLUMNA CORTA:

Una columna que va de entrepiso a entrepiso pero al adosarsele un pequeno e "insignificante" muro generalmente de ventana, este ultimo confina y golpetea lateralmente la parte mas baja de la columna y ella falla por cortante de manera fragil. La solucion es desconectar o no unir el muro con la columna y colocar un sellante en la junta.

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2. CONFINAMIENTO (ESTRIBOS O AROS) DEFICIENTE EN COLUMNAS: Esto ocurre generalmente cerca de la union con la viga por lo que se pierde el recubrimiento empujado por el acero longitudinal que se arquea o pandea hacia afuera.

3.-MALA CONEXION ENTRE ELEMENTOS ESTRUCTURALES.Como ejemplo tenemos los vuelcos que han ocurrido por mala conexion entre cabezales de pilotes y pilotes, tambien entre losas sin vigas y columnas.

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4.-CONFIGURACIÓN INADECUADA YA SEA EN PLANTA O ELEVACIÓN.

5.-GOLPETEO ENTRE EDIFICIOSdebido a que no se tomo en cuenta los posibles desplazamientos de cada cual durante el sismo para alejarlos en la construcción.

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6.-APARICION DE EFECTOS TORSIONANTES EN LOS ENTREPISOS debido a que se idealizo como diafragma rigido (que solo se mueve en traslacion) pero que se manifesto con efectos torsionales. Esto ocurre muy a menudo y es que a la mayoria de los estructuralistas no se les enseno que es un diafragma rigido y cuando se convierte en flexible.

Diafragma flexibleExisten otros efectos como el del caso de viaductos construidos con una sola columna, etc. pero solo queriamos advertir de estas causas de fallas que ya han sido identificadas hace varias decadas y sin embargo aun no son tomadas en cuenta por la gran mayoria de los estructuralistas.