Capítulo # 4 Fallas Estructurales.

Profesor: Máximo Miranda

REHABILITACIÓ N DE OBRAS CODIGO DE ASIGNATURA CAPITULO 4 7890 II SEMESTRE 1


2012 4- ELEMENTOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES ESTRUCTURALES. .

4.1 FALLAS CLÁSICAS CLÁSICAS EN ESTRUCTURAS DE ACERO Y CONCRETO En el área de la ingeniería civil es muy frecuente encontrar anomalías durante la cons constr truc ucci ción ón y func funcio iona namie mient nto o de algu alguna na obra obra civi civil. l. Esta Esta anom anomal alía ía,, irregularidad, deterioro o cambio brusco en la configuración inicial que haya sufrido una construcción (edificio, armadura, casa, nave industrial o cualquier otro tipo de obra civil), la denominaremos por ahora y hasta no profundizar en su estudio, como “Falla Estructural”. La presencia de fallas estructurales en la ingeniería civil data de hace miles de años, seguramente desde las primeras obras hechas por el hombre y antes de que se pudiera definir una rama especializada para el estudio de éstas. Es muy frecuente encontrar una infinidad de estas fallas que por ser de muy poco impacto visual o estructural no se les analiza y profundiza en su estudio. Además, uno de los mayores inconvenientes que existen para el desarrollo de este tipo de actividad (elaboración de peritajes estructurales) es la muy escasa informació información n y la poca bibliografía bibliografía que existe para el ejercicio ejercicio de la misma, así como como

la

acen acentu tuad ada a

esca escase sez z

de

expe expert rtos os

estr estruc uctu tura rale les s

debi debida dame ment nte e

capacitados para efectuar los peritajes.

4.1.1 DEFINICIÓN DE FALLA ESTRUCTURAL. El significado de la frase “falla estructural” puede ser asociado a infinidad de significados distintos, entre los que podremos establecer los siguientes (Baeza y Gómez, 1994): 

Desprend Desprendimient imiento o o aplastamie aplastamiento nto de los recubrimien recubrimientos tos en cualquier cualquier parte de la estructura



Pandeos en cualquier componente de una estructura

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

Grietas en elementos estructurales hechos con materiales frágiles



Disminución de las dimensiones originales por efectos de corrosión



Desplaza Desplazamiento mientos s excesivos excesivos en cualquier cualquier componente componente de un sistema sistema estructural



Cual Cualqu quie ierr defe defect cto o en un sist sistem ema a estr estruc uctu tura ral, l, aunq aunque ue no afec afecte te directamente la estabilidad, resistencia, comportamiento, o inclusive que su apariencia no sea alarmante pero sí observable a simple vista.

Para obtener una adecuada definición de “falla estructural” se deberá recurrir a la definición previa de disfuncionalidad, o sea, el mal funcionamiento de la estructura o de cualquiera de sus componentes. Esto se establecerá a partir de ciertas evidencias, tales como: fisuras, desplomes, desprendimientos, etc. Sin emba embarg rgo, o, pued puede e suce sucede derr que que aún aún exis existie tiend ndo o algu alguna na o varia varias s de esta estas s evid eviden enci cias as,, no se trat trate e de un mal mal func funcio iona namie mient nto o estr estruc uctu tura rall sino sino de un “defecto constructivo”. Defecto constructivo se entiende como aquella evidencia debida a una mala práctica constructiva que no afecta el comportamiento de la estructura. Algunos ejemplos de defectos constructivos comunes y que no son considerados como fallas estructurales son: desplomes, deflexiones excesivas aparentes inducidas por la mala alineación de la cimbra, desprendimientos de recubrimientos por mala adherencia, etc. Para establecer plenamente si se trata de una falla estructural o de un defecto cons constr truc ucti tivo vo un expe experto rto debe deberá rá efec efectu tuar ar un estu estudi dio o espe especi cial aliz izad ado, o, que que mediante la aplicación de una metodología compleja decidirá si se trata o no de una falla estructural, salvo en los casos de fallas estructurales obvias como un derrumbe. Ante la necesidad de llamar de cierta forma a las evidencias iniciales hasta que sean calificadas plenamente como fallas estructurales por un perito estructural se propone la utilización del término “falla estructural aparente”, a las evidencias iniciales y solamente llamaremos “falla estructural” a aquellas que después de efectuar un estudio adecuado dejen de ser aparentes y se conviertan en fallas estructurales reales. Por lo tanto, falla estructural se definirá como aquel fenómeno que siendo observable, haya sido generado por un mal o inadecuado funcionamiento de un elemento o sistema estructural; en tanto, defecto constructivo es aquella “falla

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estructural aparente” que no afecta los niveles de seguridad estructural o que no ha sido inducido por un mal funcionamiento de la estructura. En general, el nombre de “falla estructural aparente” será asociado inicialmente a cualquier cualquier problema problema por insignifica insignificante nte que sea éste y podrá justificar justificar o no un estudio detallado de la zona dañada. Para la cual se propondrá posteriormente una solución, que al ser llevada a cabo restaurará los niveles de seguridad estructural sin más problemas que el aumento en el costo, reducción de la eficiencia de la estructura o en el incremento en el tiempo de construcción de la obra (durante la etapa de construcción).

4.1.2 ORÍGENES DE LA FALLA Para toda obra civil que haya pasado por el proceso de diseño estructural, siempre se tendrán tres distintas etapas que son: etapa de proyecto, etapa de construcción y etapa de servicio. En la primera etapa, conocida también como etapa de proyecto estructural, la estructura todavía no existe materialmente. Sin Sin emba embarg rgo, o, esta esta etap etapa a es de gran gran impo import rtan anci cia a porq porque ue la estru estruct ctur ura a es “crea “creada” da” o sea, sea, es conce concebid bida a con con todas todas sus caracte característ rística icas s futura futuras. s. En la segunda etapa, la constructiva, se materializa el proyecto definido en la primera etapa y finalmente, en la última etapa, la de servicio, la obra es puesta en operación o funcionamiento. Las Las falla fallas s estr estruc uctu tura rale les s se pres presen enta tan n por por una una acci acción ón indi indivi vidu dual al o por por la combinación de un conjunto de diversas circunstancias como errores, defectos o imprevisto imprevistos s ocurridos ocurridos durante la etapa de diseño diseño estructura estructural, l, construcc construcción ión u operac operación ión del edific edificio io (condi (condicio ciones nes de servic servicio) io).. Pueden Pueden exist existir ir entonc entonces es,, infinidad de posibles orígenes de fallas estructurales en cualquiera de las tres etapas anteriormente descritas, lo cual se discutirá a continuación.

Etapa de diseño En esta etapa, dependiendo de la calidad del proyecto o proceso de diseño llevado a cabo, existe la posibilidad de que se produzca una gran cantidad de posibles orígenes de fallas producto de una innumerable lista de causas como: falta del conocimiento de los reglamentos de construcción, modelado teórico inadecuado o insuficiente, deficiente análisis de acciones, errores numéricos,

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escasas especificaciones en los planos con fines constructivos, así como la elección de procesos constructivos inadecuados. Existe Existen n obras obras de const construc rucció ción n en las que por increí increíble ble que parez parezca, ca, esta esta primera etapa no es realizada y, sin embargo, no presentan ningún tipo de problema en contraste con las que si se realizó. A las obras que no tuvieron un proceso de diseño estructural y en aquellas que se realizó de una manera deficiente, se les conoce como obras artesanales, en tanto que en las obras en las que sí se realizó el proceso de diseño estructural, se les conoce como obras ingenieriles. En los países de grandes problemas económicos, existe un elev elevad ado o porc porcen enta taje je de obra obras s arte artesa sana nale les, s, en tant tanto o que que en paíse países s muy muy industrializados el porcentaje de obras artesanales es mínimo o nulo.

Etapa de construcción La etapa de construcción es la materialización de la etapa de diseño. Muchas de las las falla fallas s que que en esta esta etap etapa a se pres presen enta tan n son son indu induci cida das s por por la poca poca información aportada por la etapa de diseño, la deficiente supervisión de obra que que se pres presen enta ta en much muchos os caso casos s como como cons consec ecue uenc ncia ia de la situ situac ació ión n económica del país, la poca calidad de los materiales que se adquieren al tratar de abaratar los costos al máximo e inclusive se pueden tener fallas inducidas por la mala calidad de la mano de obra. Otros problemas que frecuentemente se presentan en la construcción son el empleo de procedimientos constructivos inadecuados, la mala interpretación de la información del proyecto estructural como consecuencia de la poca o nula relación entre el diseñador o calculista y el constructor entre muchas más.

Etapa de operación Las dos etapas anteriormente tratadas para una obra civil, son por lo general de muy muy poca poca dura duraci ción ón si se les les comp compar ara a con con la terc tercer era a etap etapa a que que es la operación o funcionamiento de la obra; aunque existen obras que solo duran en operación muy poco tiempo, principalmente por la presencia de acciones no consideradas durante la etapa de proyecto, lo normal es que las obras civiles tengan una larga vida útil, normalmente de varias décadas. En paíse países s muy desarrol desarrollad lados os,, con con una fuerte fuerte cultur cultura a hacia hacia los seguro seguros, s, el concepto de vida útil de un edificio es una cosa bien definida, procediéndose a 5


la demolición del edificio al vencerse el plazo de vida útil establecido en la póliz póliza a del del segu seguro ro.. Adem Además ás,, una una grav grave e defi defici cien enci cia a que que tiene tienen n los los país países es subdesarrollados es la baja cultura hacia las labores de mantenimiento que debe debe dárs dárse ele a los los edifi dific cios ios y en gene genera ral, l, en cualq ualqui uie er obra bra civil ivil el mant manten enimi imien ento to de la estru estruct ctur ura a ocup ocupa a el últim último o luga lugarr en las las prio priorid ridad ades es asig asigna nada das s resp respec ecto to al mant manten enimi imien ento to de otro otros s sist sistem emas as tale tales s como como el mecánico, el eléctrico, etc. Una gran parte de los defectos o fallas que se presentan en edificios u obras civiles son causadas por el inadecuado funcionamiento al que es sometido, ya que en muchos casos el edificio, estructura o elemento estructural es diseñado para resistir condiciones muy diferentes que a las que realmente se les somete; tal tal es el caso caso de camb cambia iarr el dest destin ino o de un edif edific icio io de depa depart rtam amen ento tos s habita habitacio cional nales es por por el de un edific edificio io indust industria rial, l, en donde donde las losas losas,, muros muros y cimentación tendrán mayores cargas. También cabe mencionar en esta etapa, que el mantenimiento que se aplica a la estructura es de gran importancia para prevenir las fallas más comunes como corrosión y deterioro de los elementos expuestos a agentes agresivos. Aquí se quiere señalar que todas las etapas que se llevan a cabo desde la conc concep epci ción ón de una una obra obra hast hasta a que que sea sea cerr cerrad ada a o demo demolid lida a son son de gran gran importancia en la aparición y detección de alguna falla; se debe de tomar en cuenta para esto último, la acción de fuerzas de naturaleza accidental como la presencia de algún fenómeno meteorológico, sísmico o provocado por alguna acci acción ón no prev previs ista ta en el proy proyec ecto to estr estruc uctu tura rall tale tales s como como vibra vibraci cion ones es o explosiones cercanas al lugar. Tamb Tambié ién n, en esta sta últi última ma eta etapa es posib sible que que se man manifie ifiest ste en fall falla as estructurales que tuvieron su origen en la etapa de proyecto o en la etapa de ejecución y, aún más, es posible que la combinación de alguna causa originada en la primera etapa con otra causa originada en la l a segunda etapa, conduzcan a algun alguna a falla falla estruc estructura turall durant durante e la terce tercera ra etapa; etapa; tal sería sería el caso caso de una sección transversal de un elemento sometido a flexión concebido en el proceso de diseño diseño con con muy escasas escasas dimens dimension iones es en su secci sección ón transv transvers ersal al y que durante su construcción se le reduzca aún más su sección transversal por algún algún defecto, defecto, y que, que, finalm finalment ente e falle falle al recibi recibirr una carga carga que la deje deje sin

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reserv reservas as de resist resistenc encia. ia. Se podría podrían n citar citar muchos muchos ejemplo ejemplos s reales reales de ésta ésta situación.

4.1.3 DETECCIÓN DE LAS FALLAS ESTRUCTURALES La detec detecció ción n de fallas fallas estru estructu ctural rales es no es trabaj trabajo o exclu exclusiv sivo o de una sola sola persona en especial y por lo general, son detectadas de modo accidental. Las prime primera ras s pers person onas as en dars darse e cuen cuenta ta de la ocur ocurre renc ncia ia de algú algún n prob proble lema ma estructural son los propios usuarios de las edificaciones o construcciones, si éstas se presentan durante la fase de servicio u operación, y casi nunca le presta prestan n al princi principio pio la import importan ancia cia requer requerida ida debido debido a que ellos ellos emiten emiten su propia justificación al problema o piden la opinión de personas conocidas sin acud acudir ir a una una pers person ona a espe especi cial aliz izad ada. a. Sola Solame ment nte e acud acuden en a una una pers person ona a especializada cuando su vida se ve en situación de peligro; un ejemplo sería el caso de la aparición de una flecha excesiva en alguna viga o la aparición de fisuras de gran magnitud en muros y losas perfectamente observables por mencionar algunas. Como se ha mencionado anteriormente, las fallas no solamente se presentan durante la etapa de servicio sino que es muy común que ocurran durante el proceso constructivo; las personas que detectan estas fallas son los propios albañiles o residentes de la obra, los cuales casi siempre tenderán a repararla precipitadamente de una manera inadecuada por temor a ser señalados como responsables. Por lo que, la falla no es reportada y estudiada con detalle. Muchas de las fallas que se presentan en esta etapa son consecuencia directa del proyec proyecto to de diseño diseño,, pero pero en muchos muchos casos casos son son conse consecue cuenci ncias as de un proced procedimi imient ento o const construc ructiv tivo o inadec inadecuad uado o o inclus inclusive ive por la combin combinaci ación ón de causas pertenecientes a ambas etapas como se ha señalado. La detección inicial de la falla es un evento o conjunto de eventos que pueden tene tenerr gran gran infl influe uenc ncia ia en el trat tratam amie ient nto o futu futuro ro que que se le dará dará a la fall falla a estruc estructur tural. al. Si el fenóme fenómeno no que causa causa la falla falla es de natura naturalez leza a progre progresiv siva a existirá el peligro de que la falla incremente rápidamente su gravedad y su peligrosidad poniendo en riesgo la integridad física de los usuarios; en este caso, caso, la pronti prontitud tud con que se atienda atienda a la falla falla será será de gran import importanc ancia. ia. Exis Existe ten n otro otros s caso casos s de falla fallas, s, las las de tipo tipo súbi súbito to,, en las las que que no exis existe te la posi posibi bili lida dad d de que que la falla falla sea sea dete detect ctad ada a hast hasta a que que una una parte parte o toda toda la 7


estructura se colapsa repentinamente en forma catastrófica. En ciertos casos, como las fisuras de elementos de concreto armado expuestas a ambientes agresivos, la demora en la reparación de las fisuras conducirá a la aparición e incremento de corrosión en el acero de refuerzo, agravándose mucho más la falla estructural. En cualquier caso, la pronta atención de la falla estructural, por expert expertos os debida debidamen mente te entren entrenado ados s y calific calificado ados s propic propiciar iará á una adecu adecuada ada restauración de los niveles de seguridad estructural originales en la estructura o en parte de ella. La detección de ciertas fallas no siempre es tarea fácil dado que muchas de las fallas no se presentan de un modo simple, en forma de fisuras o deflexiones excesivas, sino que se presentan de manera compleja en el comportamiento general de una estructura, aquí se requiere entonces de la interpretación de un ingeniero especializado en el estudio y tratamiento de las fallas estructurales. Una vez vez detect detectada ada presun presunta ta la falla falla por cualq cualquie uierr perso persona, na, lo desea deseable ble es llam llamar ar a la brev breved edad ad posi posibl ble, e, a una una pers person ona a espe especi cial aliz izad ada a en fall fallas as estructurales con el fin de que ésta realice un estudio y exprese su opinión acerca de la naturaleza así como de la gravedad de la falla. A esta persona se le cono conoce cerá rá con con el nomb nombre re de perit perito o estr estruc uctu tura ral, l, quie quien n con con base base en su experiencia y conocimientos especializados sobre fallas estructurales, así como con la ayuda de la metodología adecuada para el estudio de la falla, propondrá los métodos más adecuados para efectuar las reparaciones. El perito estructural estará a cargo de la evaluación de la estructura completa y de la detección de todas las anomalías existentes en una edificación, mas no será el responsable de la restauración de ésta, a menos que se comprometa específicamente a ello. La situación común es que después de una minuciosa revisión del edificio, el perito estructural asuma la responsabilidad total sobre la seguridad de todo el edificio, para lo cual, deberá dimensionar el estudio de tal forma forma que que incl incluy uya a sond sondeo eos s exha exhaus usti tivo vos s y aún aún la supe superv rvis isió ión n estru estruct ctur ural al personal del proceso de reconstrucción o reforzamiento adicional.

4.1.4 CONSECUENCIAS DE LAS FALLAS ESTRUCTURALES Las consecuencias que traen consigo las fallas estructurales las clasificaremos en dos categorías como se muestra a continuación:

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a) Consecuencias inmediatas. Son las que sucede suceden n instan instantán táneam eament ente e al ocurrir la falla en las edificaciones, tales como: – Lesiones a usuarios usuarios o al personal constructor del edificio – Pérdidas económicas económicas para los propietarios o arrendadores arrendadores del edificio u obra – Suspensión de los trabajos trabajos de construcción – Reducción en los niveles niveles de seguridad reales de la estructura estructura – Vibraciones excesivas excesivas en losas, rampas u otros elementos elementos – Deflexiones excesivas excesivas que generan mala apariencia apariencia – Fisuras que afecten afecten psicológicamente a los usuarios – Sentimiento de inseguridad en los usuarios del edificio por la rehabilitación o reparación del mismo – Ruptura de cristales, muros divisorios o instalaciones por excesivos desplazamientos – Complicación de trámites o cancelación de permisos por autoridades municipales – Retrasos en tiempo de ejecución o en la terminación un edificio y su correspondiente multa – Etc.

b) Consec Consecuen uencia ciass a largo largo plazo plazo.. Son Son aque aquell llas as que que no se apre apreci cian an al moment momento o de ocurr ocurrir ir la falla falla y aparec aparecen en o se distin distingue guen n despu después és de cierto cierto tiempo transcurrido después de la falla, tales como: – Reducción del costo del del edificio – Reducción de la vida útil (durabilidad) (durabilidad) del edificio – Incremento del deterioro o daño – Deterioro de la funcionalidad del edificio edificio – Deterioro de la apariencia.

4.1.5 LA ELEBORACIÓN DEL PERITAJE ESTRUCTURAL La definición de una falla en una estructura o edificio no es fácil ya que requiere de la participación de un experto en ingeniería estructural o materiales, cuya función esencial es: 1) Establecer el tipo de falla y su nivel de gravedad 2) Encontrar las causas que la originaron 3) Proponer la solución 9


Es necesario que las funciones del experto sean ejecutadas en este orden, ya que si no se establecen primero las causas reales que originaron las fallas y se propone alguna medida correctiva al problema, existe una alta probabilidad de que el problema reaparezca o se agrave hasta niveles peligrosos, entendiendo por esto, que exista una alta probabilidad de lesiones ó pérdidas de vida de los usuarios del edificio. Hasta ahora no existe algún método automático o instrumentado que permita defin definir ir las las caus causas as de una una fall falla a o que que prop propon onga ga la solu soluci ción ón.. Ya que que sin sin participación de una mente humana debidamente entrenada no será posible definir el tipo de falla y su nivel de gravedad, establecer las causas y proponer sus soluciones. Podrán existir instrumentos muy especializados y sofisticados para establecer características físicas y químicas de los materiales pero sin la intervención del cere cerebr bro o huma humano no,, el cual cual debe deberá rá pose poseer er cier cierto tos s atri atribu buto tos s tale tales s como como,, conocimien conocimiento, to, experienc experiencia, ia, manejo manejo de metodologí metodologías, as, etc, no se podrá realizar realizar adecuadamente el estudio de una falla estructural llamado también estudio de patología estructural. El estudio de una falla estructural y su presentación en forma escrita, verbal, mixt mixta a o gráf gráfic ica, a, esqu esquem emát átic ica a o incl inclus uso o simu simula lada da entr entre e otra otras s posi posibl bles es combinaciones constituye el peritaje estructural Una característica particular del peritaje estructural es que para cada caso en especial se requiere generar o crear una metodología específica de tal suerte que generar la metodología es la parte más difícil en la elaboración de un perita peritaje je estruc estructur tural. al. En forma forma simple simple un perita peritaje je estru estructu ctural ral es la opinió opinión n personal de un experto en ingeniería estructural existiendo la posibilidad de que esta opinión sea errónea.

4.1.6 PRINCIPALES TIPOS DE FALLAS ESTRUCTURALES Colapsos de Estructuras A continuación se describen un cierto número de fallas específicas en elementos de concreto y acero. Primeramente se mencionarán algunas fallas que fueron colapsos totales o parciales y finalmente se hará una discusión esqu esquem emát átic ica a de algu alguno nos s tipo tipos s de falla fallas s comu comune nes s que que se pres presen enta tan n con con

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frecuencia como grietas de anchura importante en elementos de concreto y mampostería.

Figura 1.- Colapso de silos para almacenaje de granos En la figura 1 se muestra una batería de ocho silos de concreto y cuatro intersilos. Los silos tenían una altura de 40m y un diámetro exterior de 7 m aproximadamente. Los silos fueron construidos en la década de los setentas en la Ciudad de Mérida. Estos silos fueron diseñados solamente ante esfuerzo, no se revisó ni se controló el agrietamiento por tensión radial y se hizo el diseño con la condición de que los intersilos solamente se podían utilizar si los silos se encontraban totalmente llenos. A consecuencia de este diseño deficiente se originaron grietas verticales por donde siempre existían fugas. Finalmente, los silos colapsaron al presentarse una fuga en uno de los silos, la cual no pudo ser ser cont contro rola lada da,, ocas ocasio iona nand ndo o el vaci vaciad ado o de uno uno de los los silo silos s mien mientr tras as los los intersilos se encontraban llenos. Esta condición de carga ocasionó la ruptura de la pared del intersilo golpeando el contenido del intersilo la pared de los silos extremos provocando el colapso parcial de toda la batería; se perdieron dos silos y un intersilo. Es impo import rtan ante te reca recalc lcar ar que que en esa esa déca década da se le dió dió más más impor importa tanc ncia ia al procedimiento constructivo que al diseño y todas las baterías de silos de esa época época tuvier tuvieron on como como defect defecto o genéti genético co el no poder poder soport soportar ar las tensio tensiones nes radiales y la consecuente aparición de las grietas.

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Figura 2.- Falla cimentación por licuación de arenas

En la figura 2 se presenta una obra de dos niveles que se utilizó como oficinas de la empresa constructora encargada de la construcción del puente de Ciudad del Carmen. La obra es de dos niveles y se encuentra en la arena de playa a la orilla de la Laguna de Términos. Durante un norte, con una fuerte descarga de lluvia se hundió prácticamente todo el primer nivel. La arena de playa es un material 100% friccionante sin cohesión y la fricción entre grano y grano se puede romper de dos formas, mediante vibración o mediante el paso de un fluido como aire o agua a través de los granos de arena. En este caso fue el agua la que rompió la fricción entre los granos y se presentó el fenómeno conocido como licuación de arenas, es decir el suelo se comporta como un líquido. Se puede suponer que la obra no se hundió completamente porque ésta tenía un cierto volumen aire atrapado lo que produjo la flotación de la parte que se ve o porque la cimentación alcanzó el nivel freático o un estrato rocoso.

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Figura 3a.- Colapso de los volados de una plaza comercial

Figura 3b.- Colapso de los volados de una plaza comercial

En las figuras 3a y 3b se presentan los colapsos de ambos volados de un centro comercial a punto de ser inaugurado y puesto en servicio en la Ciudad de Mérida. Los volados tenían una longitud de 2 m. A pesar de ser de una misma edificación los volados se construyeron de dos maneras distintas. Del lado derecho se tenían viguetas 12-5 en voladizo sin ninguna viga de concreto de refuerzo, mientras que del lado izquierdo el volado se lograba con vigas de concreto reforzado separadas a cada 4 m sobre las cuales se apoyaban las vigu viguet etas as.. Enci Encima ma de ambo ambos s vola volado dos s exis existí tían an pret pretile iles s y teja tejas s en plan planos os inclinados apoyados sobre prelosas de concreto. El colapso ocurrió durante una lluvia muy fuerte durante la cual el agua se acumuló en los techos que formaban piletas. Ambos tipos de volados se colapsaron simultáneamente ante momento negativo, el colapso simultaneo de ambos volados fue puramente casual casual como como consec consecuen uencia cia de que ambos ambos sistem sistemas as estru estructu ctural rales es fueron fueron inadecuados. El sistema estructural del lado derecho no presentaba ningún tipo de refuerzo longitudinal de acero ante momento negativo en la parte superior, mientras que del lado izquierdo fue insuficiente, como se muestra (ver figura 3

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Figura 4.- Colapso del techo de una tienda comercial

En la figura 4 se muestra el colapso de un techo de losa–acero de un almacén en Mérida. La estructura constaba de muros de bloques huecos de concreto vibrocomprimido, columnas de concreto reforzado y trabes metálicas gemelas y paralelas con forma de armadura. El colapso sobrevino a consecuencia de un sobrepeso ocasionado por la acumulación de agua en la azotea durante una lluvia fuerte. Sin embargo, es importante recalcar que éste no fue un factor decisivo como causa del colapso, sino la mala soldadura aplicada en la trabe en los elementos de acero. Aunque la soldadura de los elementos de la trabe con forma de armadura era de mala calidad en toda su longitud, la falla se presentó en las placas de unión al centro del claro, lugar donde se presenta el momento máximo como se observa en la figura 4.

Figura 5.- Colapso de la techumbre de un graderío

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En la figura 5 se muestra el volteamiento de toda la cubierta de un graderío de futbol soccer ocurrido durante el Huracán “ISIDORO” en Motul, Yucatán . Esta falla es muy interesante ya que consistió en el volteamiento a 180º de las trabelosas trabelosas de concreto concreto reforzado reforzado que estaban estaban asentadas asentadas sin anclaje anclaje sobre mar marcos

paralel lelos.

Las

trabelos losas

plegadas

tenían ían

una

lon longitud

aproximadamente de 8 metros con 5 cm de espesor y estaban plegadas en la dire direcc cció ión n corta corta.. Las Las trab trabel elos osas as en cues cuestió tión n a pesa pesarr de su peso peso fuer fueron on levantadas y volteadas por el viento huracanado, hacia el piso posterior al graderío; algunas trabelosas giraron 180º y otras 360º. Es importante recalcar que estamos acostumbrados al volteamiento de una cubierta liviana y en este caso la cubierta era de tipo pesada, por lo que no existía ningún elemento de sujeción entre la trabelosa y los soportes. Además, los constructores confiaban en el peso peso propio propio de la trabel trabelosa osa para resist resistir ir los vientos vientos meteó meteórico ricos. s. La configuración geométrica inclinada del graderío y las trabelosas produjeron el embudo de captura del viento ejerciendo el empuje necesario para levantar y voltear las trabelosas.

Figura 6.- Colapso parcial de la techumbre de un graderí En la figu figura ra 6 se pres presen enta ta el cola colaps pso o parc parcia iall una una de tech techum umbre bre livia liviana na perteneciente a un graderío y que consistía en columnas de concreto reforzado y armaduras en volado que soportaban los polines y las láminas metálicas ondula onduladas das.. Estas Estas column columnas as fueron fueron reforz reforzada adas s 6 meses meses antes antes del paso paso del huracán “ISIDORO” por varios motivos, ya que en su parte superior sobre el grad grader erío ío,, pres presen enta taba ban n grie grieta tas s hori horizo zont ntal ales es indu induci cida das s por por la flex flexió ión n ante ante momento negativo producto del peso propio de la techumbre liviana. Además, la cuantía de refuerzo longitudinal de las columnas era mucho menor a la cuantía mínima establecida en los reglamentos de construcciones y la conexión entre la armadura y la columna parecía muy vulnerable ante viento meteórico.

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Se propuso que las columnas fueran reforzadas exteriormente con 4 ángulos metálicos, uno en cada esquina de cada columna, y unidos entre sí por soleras con configur configurac ación ión de celos celosía ía triang triangula ularr en toda toda la longit longitud ud de la column columna. a. Adicionalmente, se reforzó la unión viga-columna con ángulos en posición inclinada en forma de “pie de amigo”. El refuerzo de algunas columnas fue construido en forma deficiente, ya que solamente abarcó la parte superior de las columnas por la existencia de un muro. Adicionalmente, en toda la longitud de la columna se empleó una soldadura con muchos defectos tales como escoria incluida, forma de gota, partes sin unión etc. El colapso ocurrió por volteamiento de la cubierta exterior consecuencia de la fractura de algunas columnas en la zona donde terminaba el refuerzo. La falla se presentó en esta zona por coincidir con la sección con menor resistencia a flexión, como consecuencia de una deficiente ejecución de la propuesta de reforzamiento.

Figura 7.- Colapso de la techumbre liviana de un graderío

En la figura 7 se muestra la falla de una cubierta de graderío con una estructura básica formada por 3 marcos de rodilla unidos entre sí por polinería y una cubierta metálica de láminas. La falla fue por volteamiento hacia atrás del volado volado dando la impres impresión ión que la forma forma inclin inclinada ada del grader graderío ío cambio cambio la dirección del viento. El primer marco colapsado y que sirvió de detonante para generalizar la falla de toda la estructura fue el marco central el cual presentaba el doble de área tributaria expuesta al viento que los marcos extremos. La falla directa fue por pérdida de la adherencia de las anclas en el dado de cimentación, porque no se apreciaron fallas en la unión de las barras de anclaje con la l a placa base ni en

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la placa base con la columna. Las anclas que fallaron eran de acero de ¾” de diámetro así como el espesor de la placa base y se desconocía longitud de anclaje de las barras así como las características de su doblez, si es que lo tenía. Esta columna central se mantuvo sin daño mientras que las columnas laterales extremas sufrieron falla por flexo-torsión al ser deformadas por la polinería que unía el marco central con los marcos extremos.

Figura 8.- Falla de una nave industrial por acción del viento

En la figura 8 se presenta una nave de marcos de acero con techumbre basada en polines y láminas. La nave estaba confinada con dos mamparas de lámina laterales verticales y dos muros de bloques de concreto. La altura de la nave era de 6 m y todas las columnas metálicas y las vigas eran de sección muy reducida respecto a su largo. El colapso de la nave casi total con desplome de las columnas y muros se debió a la inexistencia de trabes metálicas de rigidez. Al parecer se supuso que la polinería proporcionaba la estabilidad lateral en el sentido perpendicular a los marcos, la cual fue insuficiente ante la acción de las presiones producidas por el viento huracanado.

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Figura 9.- Colapso de una mampara

En la figura 9 se muestra una mampara utilizada como anuncio panorámico de 15m de altura. Se puede apreciar que el colapso se debió al deterioro por corrosión de la soldadura del acartelamiento con la placa base, adicionalmente se perd perdie iero ron n algu alguna nas s tuer tuerca cas s de las las ancl anclas as lo que que dobl dobló ó la plac placa a base base.. Finalmente, se presentó el desgarramiento del tubo en la parte a tensión y el pandeo local del tubo en la zona a compresión producto de la fl exión en la base del tubo del pedestal de la mampara.

Figura 10.- Colapso de una techumbre en forma de paraguas

En la figu figura ra 10 se mues muestra tra una tech techum umbr bre e en forma forma de para paragu guas as con con 4 columnas.

La

techumbre

fue

desempotrada

y

volteada

180º.

El

desemp desempotr otrami amient ento o se debió debió exclus exclusiva ivamen mente te a la falla falla de sus anclaj anclajes es que consistían en 4 barras de ¾” de diámetro. Obsérvense en las fotografías lo 18


delga delgado do de la placa placa base base respec respecto to al diámet diámetro ro del pedesta pedestall y el pequeñ pequeño o diámetro de las cuatro anclas respecto a la placa base.

4.1.7 Grietas en elementos En las figuras siguientes se muestran esquemáticamente los elementos de una estr estruc uctu tura ra con con grie grieta tas s impo import rtan ante tes, s, esta estas s grie grieta tas s han han sido sido ampl amplia ia ment mente e estu estudi diad adas as por por inve invest stig igad ador ores es dura durant nte e much muchos os años años por por lo que que se han han estableci establecido do plenamente plenamente sus causas. causas. Adicional Adicionalmente mente,, varias varias fallas fallas clásicas clásicas pueden ser aplicables a una infinidad de estructuras diferentes con sus debidas consideraciones. En la figura 11 se muestra un muro de mampostería de bloques huecos de concre concreto to vibroc vibrocomp omprimi rimido dos s perten pertenec ecien iente te a una bodega bodega estruc estructur turada ada con marc marco os de acero a dos agua guas de un solo cla claro y muros uros late latera rale les s de mampostería. Los muros laterales están ubicados entre las columnas de la estruc estructur tura a de acero acero y poseen poseen una cimen cimentac tación ión consis consisten tente te en una zapata zapata corrida corrida de mampo mamposte stería ría de piedra piedras s natura naturales les que despla desplanta nta en un estra estrato to rocoso sano. Las Las grieta grietas s mostra mostradas das en la figura figura 11 tienen tienen distint distinta a trayec trayector toria, ia, direc direcció ción, n, ancho, se presentan en una sola cara o en ambas caras y cada una de ellas fue fue caus causad ada a por por un fenó fenóme meno no dist distin into to.. Para Para esta establ blec ecer er las las caus causas as que que originaron cada una de las grietas es indispensable obtener en sitio todas las caracterís características ticas de cada grieta y posteriorme posteriormente nte tratar de asociarlas asociarlas con las causas posibles. Las características de las grietas son: ubicación, dirección, long longit itud ud,, anch ancho, o, prof profun undid didad ad,, el punt punto o de inic inicio io,, el punt punto o de avan avance ce,, la velocidad de propagación.

19


Figura 11. Marco de acero a dos aguas con un solo claro

Las posibles causas de la grieta tipo A pueden ser: 

Presencia de interfase entre los materiales m ateriales acero y mampostería



Movimientos horizontales sobre el eje longitudinal del m uro



Torsión de la columna



Contracción de la mampostería



Carencia de la rigidez horizontal (elemento de liga)



Cambios volumétricos debidos a variaciones de temperatura ambiental



Carencia de elementos confinantes en la mampostería



Anclajes insuficientes entre las columnas de acero y los castillos de concreto

  

Conexión inadecuada entre columna de acero y bloques huecos Acción lateral severa Varias más.

Las posibles causas de la grieta tipo B pueden ser: 

Asentamientos diferenciales diferenciales en la mampostería



Tensión diagonal por carencia de confinamiento adecuado en el muro



Hundimientos de la zapata de la columna



Flexión lateral de la columna



Impacto de algún objeto



Vibraciones del subsuelo

20




Pegado deficiente de los bloques

Las posibles causas de la grieta tipo C pueden ser: 

Flexión del muro fuera del plano



Flexión del muro de la zapata corrida por inadecuado soporte



Hundimientos diferenciales de la zapata corrida



Hundimientos de las zapatas de los marcos



Falla de las zapatas por rotación



Excentricidad en la zapata corrida



Inadec Inadecua uada da limpie limpieza za entre entre mampos mamposter tería ía de zapata zapata corrid corrida a y estrat estrato o rocoso



Pérdida del soporte de la zapata por excavación de una zanja paralela a la zapata.

Las posibles causas de la grieta tipo D pueden ser: 

Contracción de la mampostería



Empleo de bloques con exceso de áridos finos



Carencia de elementos confinantes

 

Aplicación de fuerzas fuerzas fuera del plano principal del muro Empuje del viento fuera del plano principal del muro.

Las posibles causas de la grieta tipo E pueden ser: 

Deficiencia de rigidez horizontal en la parte superior del muro



Carencia de cadena superior de confinamiento



Carencia de trabe de liga

 

Anclaje inadecuado inadecuado de los castillos a la columna de acero acero Flexión local de la columna en el plano fuerte del muro y en el débil.

Las posibles causas de la grieta tipo F pueden ser: 

Acción lateral reversible debidas debidas a viento o sismo



Vibración maquinaria



Peso vehicular intenso

21




Impacto vehicular.

Las posibles causas de la grieta tipo G pueden ser: 

Falla de la zapata corrida por asentamiento vertical



Hundimientos diferenciales de zapatas aisladas.

Las posibles causas de la grieta tipo H pueden ser: 

Secado violento del recubrimiento



Contracción diferencial parcial del muro.

Como puede observarse para un mismo tipo de grieta existen varias posibles causas y solamente con la asociación directa de las características de una grieta con una causa en particular, mediante la ayuda de la lógica más rigurosa y el sent sentid ido o comú común, n, se podr podrá á esta establ blec ecer er como como caus causa a verd verdad ader era a la más más probable.

Es

impo mportante

mencion ionar

que

la

parte rte

med medular

para

el

establecimiento de las causas es una de las características inherentes a la mente humana. A continuación se mencionan mencionan las causas de distintos distintos tipos de agrietamientos en algunos elementos de concreto reforzado y presforzado. La intención de esta descripción es que el lector mediante una inspección inspección visual pueda pueda relacionar algunos tipos de agrietamientos con su causa directa. En la figura 12 se presentan algunos agrietamientos comunes en elementos de concreto reforzado. Las grietas tipo A se deben a flexión simple del elemento y pueden variar desde algunas cuantas grietas de ancho insignificante hasta una gran gran dist distri ribu buci ción ón con con anch ancho o apre apreci ciab able. le. Las Las grie grieta tas s tipo tipo B se debe deben n al aplastamiento del concreto en la parte superior de la viga y es común en elementos con cuantías de acero superiores a la cuantía de acero balanceada. La grieta tipo C es una grieta debida a la pérdida de adherencia del refuerzo longitudinal cerca del apoyo y se debe a un dimensionamiento incorrecto del anclaje o una escasez de refuerzo transversal cerca del anclaje. La grieta tipo D es una grieta clásica por efectos de cortante junto con flexión y se presenta en el alma de la viga, se debe al exceso de fuerzas de tensión diagonal en el concreto. La grieta tipo E es una grieta por torsión y sus principales causas son

22


el error de dimensionamiento de las secciones de concreto, una escasa cuantía de refuerzo longitudinal y transversal, o una ubicación inadecuada del refuerzo.

Las grietas tipo F y G son grietas debidas a momentos no considerados en el diseño inducidos por la carga o por una escasez de estribos horizontales en la ménsula. La grieta tipo H es producto de la aplicación de la carga demasiado cerca del borde, donde la el refuerzo no es capaz de confinar la sección de concreto. Finalmente, las grietas tipo I son grietas debidas a esfuerzos altos de compresión del concreto.

23


En la figura 13 se presentan algunos tipos de grietas características en los elementos de concreto presforzado. Las grietas tipo A, B y C se presentan en elementos de concreto presforzado con forma de doble “T” (trabelosas). La grieta tipo A es consecuencia de un insuficiente confinamiento del concreto en la zona de transmisión de los torones, una fuerza de pretensado excesiva, una excesiva adherencia de los torones, una distribución inadecuada de los torones o una transferencia de esfuerzos brusca. La grieta tipo B aparece en la planta de fabr fabric icac ació ión n de la piez pieza a dura durant nte e la tran transf sfer eren enci cia a del del pree preesf sfue uerz rzo o al presentarse una fricción excesiva del apoyo del alma en el fondo del molde. La grieta tipo C se presenta cuando el concreto tiene una insuficiente i nsuficiente resistencia. Las grietas tipo D, E, F, y G son características de elementos de concreto pres presfo forz rzad ado o con con secc secció ión n tran transv sver ersa sall en forma forma de “I”. “I”. La grie grieta ta tipo tipo D se presen presenta ta como como consec consecuen uencia cia del del uso de una relac relación ión aguaagua-cem cement ento o alta, alta, exce exceso so de fino finos s en la aren arena a o del del empl empleo eo de pequ pequeñ eños os espe espeso sore res s de recubrimientos. La grieta tipo E se presenta cuando existe una concentración excesiva de torones en el patín inferior, una insuficiente cuantía de estribos o un concre concreto to de escasa escasa resist resistenc encia. ia. Las Las grieta grietas s tipo F aparec aparecen en duran durante te el transporte de las piezas y es consecuencia de una inadecuada ubicación de los puntos de izaje de la pieza. Las grietas tipo G aparecen solamente de un lado de la pieza y es consecuencia de una distribución no simétrica de l os torones. Algunos puntos importantes que se deben de tener en cuenta durante la inspección de las grietas en los elementos de concreto son:

24


a) El punto de propagación de la grieta siempre será el extremo con ancho menor y el punto de inicio siempre será el extremo de ancho mayor. b) Si la grieta está inclinada 45 grados en una sola dirección se debe a la tensión diagonal originada por algún fenómeno de cortante c) Si las grietas son inclinadas en ambas direcciones a 45 grados se debe a una acción lateral reversible. d) Si la grieta es vertical atraviesa toda la altura de la sección transversal, es de igual ancho en ambos extremos, aparece en ambas caras y se localiza en la parte central, a tercios o cuartos de la longitud del claro del elemento entonces la causa es la contracción del material.

4. 4.1. 1.88 CONC CONCE EPTOS PTOS BÁSI BÁSICO COS S DEL DEL REFU REFUER ERZO ZO O REPA REPARA RACI CIÓN ÓN DE ESTRUCTURAS Una vez establecidas las causas de una falla estructural o deficiencia en la estructura se deberá proponer la solución más adecuada; para lograr esto se emplea uno de los siguientes caminos: a) Subsanar una deficiencia mediante la adición de elementos externos b) Sustitución del elemento fallado c) Inclusión de material de relleno en la grieta, siempre y cuando la grieta no sea progresiva d) Aumento de las dimensiones transversales del elemento e) Adición de materiales más resistentes f) Colocación de recubrimientos no estructurales.

Es importante recalcar en la obtención de una propuesta para subsanar una deficiencia si se busca reforzar o reparar una estructura. La diferencia entre refuerzo de estructuras existentes y reparación de estructuras y el significado de reserva de resistencia se presentan en las siguientes definiciones:

Refuerzo de Estructuras Existentes. Existentes. Es el conjunto de acciones (proyecto, adaptación, diseño, construcción, supervisión y monitoreo) orientadas hacia la adición de elementos y sistemas estructurales a la estructura original con el fin de aumentarle sus reservas de resistencia estructural original.

25


Reparación Reparación de Estructuras Estructuras.. Es el conjun conjunto to de accio acciones nes que que tienen tienen como como finalidad devolver, parcial o totalmente, a una estructura o elemento dañado o débil la misma capacidad resistente exigida en el proyecto original y si es preciso mejorar su durabilidad. Para establecer si una estructura se debe reparar o reforzar habrá que analizar las condiciones de servicio a las que estará sujeta y con base en las futuras solicitaciones se hará un análisis de la reserva de resistencia. Reserva de resistencia. resistencia. Es la diferencia entre las resistencias reales y las resistencias teóricas, para cada elemento o sistema estructural, valuables para diversos parámetros y fenómenos (flexión, flecha admisible, pandeo, etc. )

Sola Solame ment nte e para para unos unos cuan cuanto tos s caso casos s aisl aislad ados os es posi posibl ble e cono conoce cerr las las Resistencias Reales “Rreales” Rreales” de los elementos y sistemas estructurales, tales como: 

Extracción de anclas



Penetración de pilotes



Prueba de carga gravitatoria en losas y vigas



Succiones o presiones en elementos de fachada



Vibración de cimentación u otros elementos



Flecha admisible en elementos delgados



Prueba de carga vehicular en puentes



Vibración dinámica en edificios.

Aun cuando no es posible conocer en todos los casos las resistencias reales (Rreal ) de los elementos y sistemas estructurales mediante experimentos, el reconocer la existencia de las mismas resulta de gran utilidad ya que permiten considerar la existencia de las Reservas de Resistencia (RR (RR ). ). La Resist Resistenc encias ias Teóric Teóricas as de los elemen elementos tos y sistem sistemas as estru estructu ctural rales es son son aquellas obtenidas mediante la aplicación de modelos teóricos durante la Etapa de Proyecto del edificio (Proyecto Estructural) Las Reservas de Resistencia “RR “RR ” de un elemento o de un sistema surgen en forma natural durante el proceso de diseño estructural. Algunos ejemplos de los orígenes de estas reservas de resistencia son.

26


a) Al redondear la cuantía del refuerzo principal (por flexión b) Al cerrar más la separación de los estribos c) En los traslapes de las barras en las juntas o nudos. d) En los excedentes de las dimensiones de los elementos estructurales e) En los excedentes de resistencia de los materiales empleados Esfuerzo de fluencia, “fy” Modulo de elasticidad, “Ec” Resistencia del concreto a la compresión, “f´c” “f´ c” f) Con el empleo de los factores de seguridad o en los factores de carga g) En los valores numéricos asignados a las cargas vivas que en realidad son variables aleatorias si se hacen conservadoramente. h) En la asignación de valores numéricos para los pesos volumétricos de los materiales si se hacen conservadoramente. i) En los factores de seguridad aplicados en los estudios de geotecnia, a la capacidad del suelo j) En el modelado de las condiciones condiciones de apoyo de la estructura estructura 

Empotramientos



Articulaciones



Apoyos elásticos

k) En el modelado del tipo de carga. l) Al estandarizar el diseño de los elementos

4.2 DAÑOS POR ESFUERZO NORMAL EN SOPORTES Vamos a comenzar analizando con más detalle el esfuerzo normal, estudiando principalmente como elemento estructural de los soportes. En el cálculo de las estructuras de hormigón armado, primeramente se procede al análisis de los esfuerzos que actúan sobre la sección de la pieza, considerando el equilibrio entre las fuerzas y las deformaciones de la estructura, y se calcula así la solicitación a la que está sometida. Posteriormente se procede al cálculo de la armadura necesaria según esos esfuerzos o bien, si partimos de la armadura, se comprueba si la

27


secció sec ción n es capaz capaz de so sopor portar tar unos unos esfuer esfuerzos zos má máxim ximos os res resist istent entes es mayores que los esfuerzos que actúan sobre la misma. Las tensiones que actúan en una sección de una pieza son de dos tipos: normales (per (perpe pend ndic icul ular are es a la se secc cció ión) n) o tangenciales (contenidas en el plano de la sección). En la sección se crean 6 esfuerzos: -

tres fuerzas: un axil y dos cortantes

-

tres momentos: un torsor y dos flectores.

Fig.1.- Fuerzas que actúan sobre una sección. sobre una sección.

Fig. 2.- Momentos que actúan

CONCEPTOS Esfuerzos normal o axil (Nx): producida por las fuerzas que van en sentido longitudinal o perpendicular a la sección de la pieza. -

Si la fuerza va hacia la sección, comprime la pieza: COMPRESIÓN

-

Si la fuerza sale de la sección, tira de ella: TRACCIÓN

Cortante tangencial (Vy o Vz): producida por las fuerzas paralelas a la sección.

Momento torsor Tx : producida por las fuerzas paralelas a la sección y que no cortan al eje perpendicular a ella y momentos localizados que tengan la dirección del eje perpendicular a la sección. ida por las fuerzas Momentos tos flec lector tores My o Mz: producida perpendiculares a algún eje contenido en la sección y que no lo corten y momentos localizados que tengan la dirección de alguno de los ejes contenidos en la sección.

Tensiones normales las originan el axil Nx y los dos flectores My Mz.

28


Tensiones tangenciales las originan los dos cortantes Vy Vz y el torsor Tx.

PILARES. Son los elementos verticales de las estructuras, pudiendo estar sometidos a compresión simple (sección sometida a una fuerza normal centrada), compresión compuesta o flexión compuesta (cuando la se secc cción ión tran transv sver ersa sall es esté té so some metid tida a a una una fuer fuerza za norm normal al y a un momento flector).

Están constituidos por: - armadura principal :que se encargará de absorber las compresiones (junto al hormigón) y posibles tracciones y junto con la armadura transv transvers ersal al evitar evitar la rotura rotura por desliza deslizamie miento ntoss del hormi hormigón gón sobre sobre planos inclinados. -

armadura armadura transversal: transversal:

que que adem además ás se enca encarg rgan an de evita evitarr el

pandeo pandeo de las barras barras longitudina longitudinales les comprimid comprimidas, as, resistir resistir esfuerzos esfuerzos cortantes y aumentar la ductilidad y resistencia. En la práctica es difícil la presencia de compresión simple, ya que el punto de aplicación del esfuerzo normal suele no coincidir con el punto de aplicación de la resultante de las compresiones del hormigón y del acero, por una incorrecta ejecución.(coeficientes de seguridad) Genera Generalme lmente nte los pilare pilaress trabaj trabajan an a flexocompresión , es decir, ir, la sección está sometida a una fuerza normal descentrada, por lo que genera momentos flectores (en ambos ejes, al existir excentricidades respecto a los ejes principales de la sección). Especialmente en los pilares metálicos, surge el fenómeno de pandeo pandeo (las cargas no siguen el eje de la pieza por lo que experimenta deformaciones en aumento bajo la ac acci ción ón de las las ca carg rgas as,, sin sin que que és ésta tass se sean an incr increm emen enta tada das) s) un problema peligroso que deberá tenerse en cuenta a la hora de su diseño. Para el cálculo de pilares metálicos se aplican las fórmulas clásicas para obtener las tensiones que se solicitan a las secciones, y se comprueban que las tensiones que obtenemos son inferiores a las admisibles garantizadas por el fabricante. Cuando no existe espacio suficiente para alojar un pilar convencional se puede puede recurr recurrir ir a los soport soportes es co comp mpues uesto tos, s, pilares pilares de hormig hormigón ón 29


armado y perfiles metálicos en su interior, que hacen las veces de armadura de compresión. Suelen emplearse perfiles WF, Canales, etc. En cuanto a los pilares metálicos compuestos, aquellos formados por piezas piezas simple simpless o triang triangula ulados dos entre entre sí, han de conside considerar rarse se como como piezas únicas.

Fig. 3.- Soportes compuestos compuestos

4.2 - DESCRIPCIÓN Y ORÍGEN DE LOS DAÑOS Porr co comp mpre resió sión, n, en pilar pilares es prov provoc oca a dive divers rsas as form formas as de Fisuras: Po fisuración según la esbeltez (relación altura / espesor) del mismo y si se coarta o no la dilatación transversal en sus extremos así como la heterogeneidad del hormigón a lo largo de la pieza, el reparto no homogéneo de las compresiones. Son muy peligrosas ya que indican que el pilar se encuentra al borde de su ago agotam amie ien nto, to, es deci decir, r, que el horm hormig igó ón es esttá ago agotand ando prác prácti tica came ment nte e su ca capa paci cida dad d resis resiste tent nte e y pued puede e trad traduc ucirs irse e en un colapso inminente. Pueden aparecer fisuras finas y juntas en la cara de un soporte esbelto, a mitad itad de su lon longit gitud. ud. La Lass fisu fisura rass de ago agotam amie ient nto o tie tiende nden a conc co ncen entr trar arse se en el terc tercio io supe superi rior or del del pila pilar, r, la zona zona má máss débi débill de resistencia y donde suele fallar el estribado, aumentando las fisuraciones en las cabezas, justo debajo de los forjados.

30


Fig. 4.- Fisuras de agotamiento en compresión y compresión elevada sin estribado superior.

Las fisura fisurass vertic verticale aless en los pilares pilares indica indican n co colaps lapso o inmine inminente nte por por aplast aplastam amient iento o del hormi hormigón gón,, si estuvi estuviera era zuncha zunchado do el pilar pilar saltarí saltaría a primeramente el recubrimiento, aunque seguiría resistiendo pero con importantes deformaciones. Una Una ca carg rga a co conc ncen entr trad ada a de co comp mpre resió sión n pued puede e origi origina narr fisur fisuras as co con n directriz paralela a la carga ya que al aplicarse ésta sobre una sección determinada,

tenderá

a

distribuirse

por

la

pieza

(bielas

o

compre compresio siones nes)) oc ocasio asionan nando do tracci traccione oness (tiran (tirantes tes o tracci traccion ones) es) que provocan la aparición de las fisuras a lo largo de la pieza, teoría de bielas y tirantes.

Fig. 5.- Fisuras verticales de compresión paralelas a la carga.

Si tenemos un pilar ejecutado con hormigones de mala calidad, la rotura comenzará en la parte superior descendiendo hasta la zona central, puesto que el hormigón de la cabeza del pilar es algo más débil por las segregaciones que se producen durante el vertido por un mall vibr ma vibrado ado

o

por por trac traccción. ión. Se pro produc duce deb debido ido a la exc exces esiv iva a

defo deform rmac ació ión n de los los vano vanoss co conc ncur urre rent ntes es al pila pilar. r. La Lass fisu fisura rass so son n 31


perpendiculares a las barras principales, atravesando la sección de una parte a otra; suelen situarse donde se emplazan los estribos. En los pilares son fisuras horizontales en el centro del soporte. La rotura es rápid ápida a y muy grave. ve. Suele saltar prime imeramente el recubrimiento.

Fig. 6.- Fisuras por pandeo

ORIGEN Lass fisu La fisura raci cion ones es prov provoc ocad adas as por por los los es esfu fuer erzo zoss de co com mpres presió ión, n, principalmente se deben a las siguientes causas: -

Dimension Dimensionado ado incorrecto incorrecto::

o

secciones secciones insuficientes insuficientes

o

armadura

insuficientes -

Mala selección de los materiales: hormigones de mala calidad

-

Aumento de luces de vanos o crujías no contempladas en los cálculos

(viguetas o vigas de luces superiores a las previstas) o entradas en carga prematura -

Ejecución incorrecta: estribos caídos o inexistentes Movi Movimi mien ento toss no co cons nsid ider erad ados os en el cá cálc lcul ulo o que que pro provoca vocarí rían an

momentos excesivos en pilares muy rígidos (asientos diferenciales en la cimentación, sismo, viento, empujes...) EL pandeo, particularmente, se origina, entre otros, por los siguientes factores: -

imperfecciones constructivas

-

flexiones adicionales no previstas

-

materiales imperfectos

-

fallos en la alineación de cargas

4.3 - PREVENCIÓN Y REPARACIÓN DE DAÑOS

32


4.3.1 PREVENCIÓN Las pieza Las piezass de horm hormig igón ón en masa masa que que se encu encuen entr tran an so some metid tidas as a compresión simple tienen una capacidad resistente muy limitada, por la posibilidad de que se produzca una rotura oblicua por deslizamiento del hormigón según planos que forman 37º con el eje del pilar, por lo que para evita itar esta rotura se han de disp isponer armaduras longitudinales mínimas y cercos o estribos. Lass arm La armadu aduras ras long longit itud udin inal ale es ten tendrá drán un diám diáme etro tro ≥ 12 mm situándose en las proximidades de las caras del pilar, se dispondrá una barra en cada esquina de la sección (en secciones circulares, mínimo 6 barras). La separación máxima entre dos barras de la misma cara no será superior a 35 cm y aquellas barras que disten más de 15 cm unas de otras otras se serán rán arrios arriostra tradas das me media diante nte cercos cercos o estribo estribos. s. Se deberá deberá tender al diseño de pilares con armados simétricos por cara. Loss pila Lo pilare ress pue pueden es esttar so som metido tidoss a momento ntos impo import rtan ante tess alternativos por ejemplo bajo la acción del viento o el sismo, que hacen que que nece necesi site te arma armadu dura ra de trac tracci ción ón.. A vece vecess para para aume aument ntar ar la resistencia a compresión de las piezas de hormigón armado se dispone un zunchado helicoidal de acero o estribos a pequeñas separaciones lo que acorta las deformaciones transversales y se aumenta la resistencia de la pieza al crearse fuertes compresiones radiales. En zonas sísmicas es conveniente aumentar las armaduras, duplicando el estribado en arranque y cabeza de los pilares, sin que dificulte el corr co rrec ecto to vert vertido ido y vibr vibrad ado o del del horm hormigó igón, n, para para una una ma mayo yorr efic eficac acia ia estructural. Para el retranqueo de las caras de los pilares, debe tenerse en cuenta que que no se intr introd oduz uzccan exce excent ntri rici cida dade dess que que orig origin inen en momen omento toss adicionales a los momentos de flexión que proporcionan las vigas y forjados en los nudos. En pilares compuestos, es aconsejable dejar unos 5 cm entre perfiles y estrib estribos os para para evitar evitar comejen comejen durant durante e el hormi hormigon gonado ado,, en cas caso o de conside considerar rar momen momento toss pequeñ pequeños os (pilare (pilaress interio interiores res de edific edificios ios)) los perfiles se consideran como armadura. Se debe tener especialmente en cuenta el pandeo. 33


Loss pila Lo pilare ress me metá tálic licos os al es esta tarr afec afecta tado doss más dire direct ctam amen ente te por por el fenó fenóm meno eno de pand pandeo eo so son n más co com mplej plejo os, ya que que ha de tene teners rse e presente en su diseño y cálculo, debiendo considerar perfiles con una esbeltez (relación altura / espesor) inferior a 200. En ca caso so de pila pilare ress me metá táli lico coss co com mpues puesto toss por por piez piezas as sim simples ples en contac contacto to se recom recomiend iendan an sol soldad dadura urass co contin ntinuas uas,, que ofrece ofrecen n ma mayor yor durabilidad a la pieza, en caso de disponer de soldadura discontinua la separación entre los extremos de ésta debe ser menor o igual que 30 cm o que 15 veces el espesor mínimo de la pieza simple y cumplir las longitudes de los cordones de soldadura determinadas.

4.3.2 REPARACIÓN Al enfrentarnos a un problema de patología estructural para determinar el grado de reparación o restauración de la misma se distinguirán 2 casos: -

se ha producido un aumento del estado de cargas se ha prod produc ucido ido una una mino minorac ració ión n de la ca capa pacid cidad ad me mecá cánic nica a del del

elemento. Si no es posible conseguir la reposición completa de la capacidad orig origina inall y al mism mismo o tiem tiempo po,, la sust sustitu ituci ción ón tota totall no es una una opci opción ón aceptable deberá reducirse la sobrecarga aplicable a la estructura. Si tras tras las las co comp mpro roba baci cion ones es pert pertin inen ente tess fuer fuera a nece necesa sario rio proc proced eder er a reparar el pilar afectado, se procederá a su refuerzo: Los sistemas de refuerzo empleados en la actualidad para devolver al pilar la capacidad resistente junto con el coeficiente de seguridad fijado previamente para que absorba los esfuerzos de servicio que puedan solicitarlo durante su vida útil, se basan en unos elementos verticales que que resi resist sten en la ca carg rga a vert vertic ical al y unos unos elem elemen ento toss tran transv sver ersa sale less de zunchado que refuerzan y permiten transmitir parte de las cargas, o la totalidad, a los elementos verticales dispuestos. Son los: -

encamisados metálicos

-

encamisados de hormigón

34


-

encamisados con resinas o fibras (de carbono de carbono de alta

resistencia, etc) Loss enca Lo encam misad isado os de horm hormig igón ón co cons nsis iste ten n en ado adosa sarr arm armadur aduras as verticales y estribos, más o menos juntos según el grado de zunchado que se desee aportar, debiéndose asegurar la adherencia del hormigón añadido (que tendrá un espesor de unos 5 – 10 cm) mediante una preparación previa de las superficies del pilar afectado.

Fig. 7.- Recrecidos de hormigón, con armaduras verticales y transversales.

El hormigón o mortero de reparación que se emplea en los recrecidos de horm hormigó igón n pued puede e reali realiza zars rse e me medi dian ante te un enco encofr frad ado o perim perimet etra rall alre alrede dedo dorr del del pila pilar. r. Se vie vierte rte el horm hormig igón ón a trav través és de un huec hueco o real realiz izad ado o en el forj forjad ado o super uperio iorr o por por un lat lateral eral,, para para lo cual cual manualmente deberá acabarse el recrecido en su parte superior. También También pueden pueden emplearse emplearse angulares angulares en las esquinas esquinas de los pilares pilares que que pued pueden en es esta tarr zunc zuncha hado doss co cont ntra ra el pila pilarr media ediant nte e pres presil illa lass transversales. Este refuerzo también (como el de hormigón) permite trabajar al pilar vertical y transversalmente, pudiendo llevarse hasta el punto de hacerle trabajar tan sólo transversalmente (también si se

35


zuncha mediante un tubometálico). Se debe conseguir la transmisión adecuada de las cargas del pilar superior al que se quiere reforzar y de éste al pilar inferior, por lo que normalmente se deberán prolongar los refu refuer erzo zoss por por encim ncima a y por por deba debajo jo de pila pilarr afec afecta tado do (deb (debie iend ndo o calcu ca lcula lars rse e y co comp mpro roba bars rse e los los efect efectos os que que prod produc ucir iría ía en las las zona zonass afectadas: punzonamiento), sobre todo si está sometido a momentos impo import rtan ante tes. s. En ca caso so de es esta tarr so some metid tido o a co comp mpre resió sión n es posi posible ble reforzarlo de forma aislada sin prolongar los refuerzos. La anch anchur ura a del del refu refuer erzo zo debe debe se serr lo más pequ pequeñ eña a posi posibl ble e para para minimizar los problemas de cortadura en la transmisión de esfuerzo. Los refuerzos verticales aislados deben completarse con refuerzos de zunc zuncha hado do tran transv sver ersa sall en las prox proxim imid idad ades es de los los forj forjad ados os,, lo que que evita evitará rá la rotu rotura ra de recu recubr brim imien iento toss y aume aument ntar ará á su efic eficac acia ia.. Si la diferencia entre el hormigón base y el hormigón aportado no supera los 75 Kp/cm2 los esfuerzos se reparten por igual. A medida que aumenta la diferencia van tomando más carga los refuerzos. En pilares reforzados aisladamente éstos pueden zuncharse en cabeza y pie en caso de preverse problemas de punzonamiento, y soldar a los collarines del zunchado las barras verticales de recrecido de hormigón y no retacar éste contra los forjados. En pilares pilares reforz reforzado adoss me median diante te angula angulares res y presill presillas, as, someti sometidos dos a momentos de gran entidad, se generan tracciones en las armaduras por lo que éstas se soldarán a los angulares de esquina y traspasarán el forjado. Se debe asegurar un buen contacto y apoyo de los angulares y presillas contra el pilar afectado, por lo que se deberá tratar la superficie del mismo para mejor la adherencia.

36

Capítulo # 4 Fallas Estructurales.

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