Descripción de Fallas en Estructuras
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Descripción de fallas en estructuras de acero
En la figura 68 se detallan las fallas más comunes que puede provocar la
acción de un sismo en una estructura de acero. Se complementa la información
con un esquema y un código por cada falla.
Figura 68. Descripción de fallas en construcciones de acero
Código Elementos Descripción de falla Esquema
0.0! Columnas Columna inclinada o fuera de plomo.
0.0" Columnas Columna que se muestre arqueada.
0.0# Columnas Desgarramiento de la soldadura en la platina
de apoyo.
0.0$ Columnas Deformación de los pernos de ancla%e en el
apoyo de la columna.
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Continuación de la figura 68.
Código Elementos Descripción de falla Esquema
0.0& Columnas Corte de los pernos de ancla%e en el
apoyo de la columna.
0.06 Columnas 'plastamiento de la columna. Falla por
compresión.
0.0( Columnas )andeo en la platina de apoyo y da*o
en el pedestal de apoyo.
0.08 +niones
viga,
columna
-rietas en soldaduras de las uniones
yo en las vigas o columnas.
0.0 +niones
viga,
columna
Deformación en los patines cerca de la
%unta viga,columna.
0.!0 +niones
viga,
columna
)ernos cortados o deformados y defor,
maciones en la placa conectora.
0.!! 'rriostres 'rriostres arqueados o deformados.
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Continuación de la figura 68.
Código Elementos Descripción de falla Esquema
0.!" 'rriostres 'rriostres rotos.
0.!# 'rriostres Desgarramiento de soldaduras
entre columna y platina conectora
yo pernos rotos.
0.!$ /igas Corrimiento o desplaamiento de
los apoyos.
0.!& /igas Corte en pernos y grietas visi1les
en las placas de unión de viga a
columna o pareces de apoyo.
0.!6 /igas Deformación lateral o ala1eo a lo
largo de la viga.
0.!( 'rmaduras 2arras rotas yo desgarramiento
de las soldaduras.
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Continuación de la figura 68.
Código Elementos Descripción de falla Esquema0.!8 'rmaduras )ernos de apoyo rotos o defor,
mados.
0.! 'rmaduras 3ensores del diafragma 4oriontal
rotos o e5cesivamente deforma,
dos.
0."0 -radas Desgarramiento en soldaduras de
unión a elementos de acero.
0."! -radas -rietas en platinas conectoras.
0."" -radas Corte de pernos de ancla%e o
deformaciones en los mismos.
0."# -radas Desgarramiento de soldadura entre
la estructura de gradas y pelda*os.
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Código Elementos Descripción de falla Esquema
0."$ Ca1les Desgarramiento o separación de
los alam1res o torones que lo con,
forman.
0."& Ca1les Ca1les que presenten deforma,
ciones e5cesivas y que manifiesten
una prdida de tensión.
0."6 Ca1les Cone5ión o pieas de unión falla,
das que presenten desgarramien,
to.
ANALISIS DE FALLAS ESTRUCTURALES
El fundamento técnico de esta presentación está basado en el
Análisis de Fallas Estructurales que repercuten en la
Construcción del Elemento.
Se dará una breve presentación sobre los Mecanismo, Modos,
Parámetros Crticos ! Criterios de Falla frecuentes en elementos
estructurales, as como también las Fallas ba"o Car#as Estáticas
referidas a las Fallas de Materiales $%ctiles ! a las Fallas de
Materiales Frá#iles, si#uiendo las &eoras, del Esfuer'o Cortante
Má(imo )&eora de &resca*, de la Ener#a de $istorsión )&eora
de +on Misses* ! de la Fricción nterna )&eora de Coulomb-Mor
$%ctil* para las fallas d%ctiles ! las &eoras del Má(imo Esfuer'o
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/ormal )&eora de 0an1ine* ! de Coulomb-Mor Frá#il para las
fallas frá#iles. 2tra acciones, de la cuales se ablarán en esta
presentación son las 3Fallas por Corte ! &ensión $ia#onal4.
Además de incluir en esta presentación de Análisis de FallasEstructurales, el variable tiempo en los métodos de dise5o
mecánico de estructuras de concreto, presentando un e"emplo
de dise5o por durabilidad de estructuras de concreto.
El propósito de esta presentación es básicamente el reunir los
conocimientos de investi#aciones en fallas frecuentes en las
estructuras ba"o diferentes criterios inclu!endo el tema de
$ise5o por durabilidad de materiales publicado a la feca !
transferirlos para desarrollar un 6modelo de durabilidad7 al
dise5o estructural de concreto.
DEFINICION
8. 3Falla es una condición no deseada que ace que el
elemento estructural no desempe5e una función para la cual
e(iste.4
9. 3Falla es la pérdida de función de un elemento tanto por
deformación ):uencia* como por separación de sus partes
)fractura*.
;. <na falla no necesariamente produce colapso o catástrofe,
pero sin embar#o, para el n#. Civil o Arquitecto del área
de nspección, distin#uen dos tipos de Fallas=
A* Fallas Catastró>cas caracteri'adas por ser completas !
repentinas. ?
@* Fallas por $e#radación, cu!a caracterstica principal es la
de ser #raduales ! parciales. Por ello, el n#. Civil como el
Arquitecto del área de nspección pre>eren de>nir el término
3Conservación de Estructura4 que el término 3Falla4.
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. 3Conservación de Estructura4 como el con"unto de
2peraciones ! traba"os necesarios para que la obra se
manten#a con las caractersticas funcionales, resistentes e
incluso con las estéticas ori#inales con las que fue pro!ectada
! construidas4. $ividiendo este con"unto de 2peraciones !
traba"os en tres fases=
.8 nspección
INTRODUCCION
Bos mecanismos de Falla dependen de la estructura
microscópica del material ! de la forma de sus enlaces
atómicos.
Para predecir Ba falla de materiales ba"o car#as estáticas por
e"emplo ! poder acer dise5os de elementos de máquinas
con>ables, se an desarrollados varias teoras para #rupos de
materiales, basándose en observaciones e(perimentales.
presentan con"untamente con la :e(ión, no son acciones
aisladas, se a comprobado que la falla por corte ! tensión
dia#onal es de carácter más violenta que la falla por :e(ión !
por esta ra'ón se sobre dise5a por corte, de modo que alcance
la resistencia %ltima por :e(ión primero que por corte.
En la otra cara del estudio se mencionará brevemente en esta
presentación, la falla producida debido a la durabilidad que
tienen las estructuras con respecto al tiempo.
En el a5o 8DD, se propuso una metodolo#a más completa
sobre el tema de dise5o por durabilidad, en un reporte técnico
de la 0ilem de Bondres / 8, llamado 3$urabilit!
$esi#n of Concrete Structures4.
G Mecanismo de falla.
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Plasticidad,
Fractura,
Fati#a,
$espla'amientos,
Creep ! Corrosión.
1.- Plasticidad
Manifestación= mecanismos, #randes deformaciones son
posibles.
2ri#en= estructura microscópica )i.e. desli'amiento de
cristales*.
Plasticidad local= redistribución de tensiones a 'onas con
menores tensiones.
Materiales d%ctiles= capaces de desarrollar deformaciones
#randes.
Propa#ación de plasticidad= Fluencia de una parte
considerable del ob"eto estructural.
Caracteri'ación= Bmite de :uencia, super>cies de :uencia,
strain ardenin#.
Factores que in:u!en= Procesos de car#aHdescar#a, ritmo
de car#a, estados
Mult ia(iales, temperaturas altas.
Modelos= constitutivas no lineales, cinemáticas lineales.
2.- Fractura
Manifestación= Se rompe el material antes de tener
deformaciones #randes.
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2ri#en= $efectos locales en el material a nivel micro
estructural.
Fractura repentina en materiales 3frá#iles4= rocas, fundición,
etc.
Fractura de materiales= Id%ctilesI con defectos )>suras,
concentración de tensiones, ranuras, etc.*. En materiales
d%ctiles puede aber rotura frá#il.
Propa#ación de >suras= e(tensión de una >sura de manera
continuada. nestabilidad de >suras.
Modo de falla= niciación de super>cies interiores. Separación
de la estructura en partes.
Factores que in:u!en= ba"as temperaturas, car#as dinámicas,
abilidad del material para absorber ener#a.
Caracteri'ación= 0esistencia a fractura )fracture tou#ness*,
lon#itud critica.
Modelos= deformaciones plásticas peque5as.
3.- Fatiga
Manifestación= Fractura pro#resiva.
Causa= Estados tensiónales repetidos o cclicos.
Falla sin aviso previo visual.
Factores que in:u!en= concentración de tensiones, cambios
abruptos de sección, >suras, etc.
Caracteri'ación= /%mero de ciclos lmite, resistencia a la fati#a.
$espla'amientos instantáneos
2ri#en= esbelte' del ob"eto estructural.
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Modo 8= $espla'amientos #randes con equilibrio estable.
Modo 9= Pandeo )equilibrio inestable*, falla en la forma
estructural. /o se consideran aqu fallas por modos de pandeo,
que están dominados por la #eometra ! no por el material.Modo ;= +ibraciones.
Consecuencias= 0uido, #olpes entre partes que se mueven,
#randes despla'amientos transitorios.
Modelos= constitutivas elásticas, cinemáticas no lineales.
0educción de despla'amientos= modi>cación de la forma,
redimensionar secciones. /o in:u!e tanto cambiar el material.
Factores que in:u!en= relaciones #eométricas.
Consecuencias= problemas operativos, colapso, inse#uridad del
usuario.
4.- Cr!
Manifestación= $espla'amientos diferidos en el tiempo.
2ri#en= en metales ! cerámicos ocurre una difusión de
vacancias, con cambio de forma en los #ranos. $esli'amiento
de #ranos, formación de cavidades a lo lar#o de los bordes de
#ranos.
Causa= tensiones actuando durante tiempos lar#os.
Factores que in:u!en= temperaturas, Problemas de material
Corrosión
Manifestación= Pérdida de material en el espesor de un
elemento.
0educción de dimensiones de una sección.
2ri#en= acción qumica o ambiental.
Factores que in:u!en= a#resividad del medio.
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Cambios en el material pueden modi>car el modo de falla.
E"emplo= refor'ar un puente con material compuesto refor'ado
con >bras puede cambiar un modo de falla :e(ional por una en
compresión, que es mas frá#il.
ESCABAS E/ EB ES&<$2 E/ FABBAS E/ MA&E0ABES
Este >ca trata de fallas en el nivel de macro estructura ! en
al#unos casos debe
referirse a la micro estructura del material.
Sur#en interro#antes sobre=
JKasta dónde se puede considerar que la materia es un medio
continuo, siendo que
varios órdenes de ma#nitud por deba"o de las medidas de una
macro estructura a! #ranos del material, >bras, etc.L
JCómo se compatibili'a la idea de tensor de tensiones, para el
que se toma limite en un medio continuo, con la de un ob"etoque en cada nivel de consideración presenta aspectos
diferentesL
Macro estructura=
Entre 8 m ! 8 N N NO )automóviles, aviones, edi>cios,
infraestructura civil, etc.*.
0elaciones debidas a elasticidad, plasticidad
Micro estructura=
Estructuras ! componentes estructurales entre 8QNR m ! 8QN;
m )micrones*.
M2$2S $E FABBA E/ EBEME/&2S ES&0<C&<0ABES MAS
F0EC<E/&ES
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Formaciones caractersticas del material que lo de>nen en
escalas de R a 9R m= #ranos en aleaciones metálicas, fibras
de compuestos. 0elaciones fenomenoló#icas, actualmente
modelación de la micro estructura.
/ano estructura.
8Q-D m, átomos. El nivel de nano estructura es estudiado
ma!ormente por fsicos ! qumicos. Ba nano-tecnolo#a intenta
dise5ar materiales en el nivel atómico.
Por otro lado la teora de falla se divide en dos #randes #rupos=
8. Falla de Materiales $%ctiles.
En los materiales d%ctiles la falla se presenta cuando el
material empie'a a :uir.
)Falla por $eformación*.
9. Falla de Materiales Frá#iles.
En los materiales frá#iles la falla se presenta cuando el
material se dis#re#a !Ho
sufre de separación de sus partes. )Falla por Fractura*.
Ba Falla de materiales d%ctiles se estudia por las si#uientes
teoras entre otras=
8.8. &eora del Esfuer'o Cortante Má(imo.
&ambién conocida como &eora de &resca, que establece
3Tue la :uencia del material
se produce por el esfuer'o cortante4.
Ba &eora dice= 3Ba falla se producirá cuando el esfuer'o
cortante má(imo absoluto en
la pie'a sea i#ual o ma!or al esfuer'o cortante má(imo
absoluto de una probeta
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sometida a un ensa!o de tensión en el momento que se
produce la :uencia4.
8.9. &eora de la Ener#a de $istorsión.
&eora propuesta por 0. +on Misses al observar que los
materiales ba"o esfuer'os
idrostáticos soportan esfuer'os ma!ores que sus
esfuer'os de :uencia ba"o otros
estados de car#a.
Ba &eora dice= 3Ba falla se producirá cuando la ener#a de
distorsión por unidad de
volumen debida a los esfuer'os má(imos absolutos en el
punto critico sea i#ual o
ma!or a la ener#a de distorsión por unidad de volumen de
una probeta en el ensa!o
de tensión en el momento de producir la :uencia4.
8.;. &eora de Coulomb-Mor $%ctil.
Conocida también como la &eora de la Fricción nterna.
Esta teora tiene en cuenta que el esfuer'o de :uencia a
tensión es diferente al
esfuer'o de :uencia a compresión.
Ba &eora se basa en los ensa!os de &ensión ! Compresión, !establece que en el
plano $eformación vs Corte, la lnea tan#ente a los crculos
de Mor de los ensa!os
de tensión ! compresión al momento de la :uencia es la
locali'ación de la falla para
un estado de esfuer'os en un elemento.
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Ba Falla de materiales frá#iles se estudia por las si#uientes
teoras entre otras=
9.8. &eora del Má(imo esfuer'o /ormal.
Esta teora enunciada por U. 0an1ine dice= 3Ba falla se
producirá cuando el esfuer'o
normal má(imo en la pie'a sea i#ual o ma!or al esfuer'o
normal má(imo de una
probeta sometida a un ensa!o de tensión en el momento
que se produce la fractura4.
9.9. &eora de Coulomb-Mor Frá#il.
Esta teora se deriva de forma similar a la teora Coulomb-
Mor $%ctil solo que, al
tratarse de materiales frá#iles, se tiene en cuenta las
resistencias %ltimas del
material a tensión ! compresión en lu#ar de los esfuer'os
de :uencia.
ES&<$2 $E C20&E ? $E &E/S2/ $AV2/AB
Consideremos una vi#a de sección rectan#ular )Ensa!o*,
simplemente apo!ada, con dos car#as concentradas, aplicadas
simétricamente.
Ba falla de la vi#a se puede presentar de tres maneras=
G Falla por Fle(ión.
G Falla por Compresión por Corte.
G Falla por &ensión $ia#onal.
En la 3Falla por Fle(ión4 predomina los esfuer'os debidos a
momentos actuantes, las #rietas se inician en la parte
traccionada ! pro#resan de aba"o acia arriba, verticalmente.
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Ba Falla se produce por aplastamiento del concreto en la 'ona
comprimida.
En la 3Falla por Compresión por Corte4, las #rietas se
ori#inan inicialmente debido a la 3Falla por Fle(ión4, sedesarrollan acia arriba asta un punto donde se detienen al
aumentar la car#a, aparecen #rietas inclinadas, unas como
continuación de las #rietas producto de la 3Falla por Fle(ión4 !
otras #rietas aisladas que aparecen a la mitad de la altura de la
vi#a, si se si#ue aumentando la car#a, las #rietas inclinadas
pro#resan en dirección al centro del tramo )acia arriba* ! en
dirección de los apo!os )acia aba"o*.
Ba Falla se produce cuando el concreto se aplasta en la
'ona de compresión, "ustamente encima de la ma!or #rieta
inclinada. Esta Falla es más frá#il que la producida por :e(ión.
Ba 3Falla por &ensión $ia#onal4 es similar a la 3Falla por
Compresión por Corte4, pero las #rietas inclinadas aparecen
s%bitamente, provocando el colapso de la vi#a. $ebido a esto,
la 3Falla por &ensión $ia#onal4 es mas peli#rosa que la 3Falla
por Compresión por Corte4, por ser esta más violenta.