CAPÍTULO IV DESCRIPCIÓN DE FALLAS MÁS COMUNES EN ESTRUCTURAS DE CONCRETO REFORZADO Y DE MAMPOSTERÍA

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1 CAPÍTULO IV DESCRIPCIÓN DE FALLAS MÁS COMUNES EN ESTRUCTURAS DE CONCRETO REFORZADO Y DE MAMPOSTERÍA En este capítulo descriptivo se citan y explican los tipos de fallas más importantes que se registran en estructuras de concreto reforzado y mampostería, tras la ocurrencia de eventos sísmicos. Los aquí citados corresponden a eventos sísmicos anteriores en distintas localidades del mundo. Toda la información referida en este capítulo está escencialmente tomada de los apuntes de Comportamiento Estructural en Obra Civil del Doctor Raúl Serrano Lizaola cuya referencia bibliográfica es Serrano, L.R. (2001). 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. 49

2 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. j) 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 suficiente para resistir adecuadamente las fuerzas cortantes inducidas por el sismo. En la figura 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. 50

3 Figura Antes y después del sismo del 28 de julio de 1957 en México Análogamente, en las figuras 4.12 y 4.13 se ilustran diferentes estructuras de concreto reforzado, antes y después del sismo del 29 de Febrero de 1960, acaecido en la ciudad costera marroquí de Agadir. Figura Hotel Saada antes y después del sismo de Agadir 51

4 Figura Restaurant La Réserve antes y después del sismo de Agadir 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 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 52

5 pandeo por inestabilidad del refuerzo a compresión. Esto implica el detallado de las secciones para evitar una falla frágil y proporcionar suficiente ductilidad. En las figuras y se ilustra el colapso de columnas de planta baja debido al deficiente confinamiento del núcleo de concreto en su base. Se puede apreciar cómo el concreto, ante la falta de confinamiento por estribos, se desconcha al abrirse éstos seguido del pandeo lateral del refuerzo longitudinal. Este tipo de falla se origina debido a la gran concentración de esfuerzos que se producen precisamente en los extremos de las columnas por las elevadas acciones internas como son carga axial, fuerza cortante y momento flector, causadas por las fuerzas sísmicas. Muchas estructuras se han colapsado como resultado de un inadecuado confinamiento del núcleo de concreto en columnas. El mismo tipo de falla puede presentarse también en secciones intermedias y superiores de las columnas. El confinamiento del núcleo de concreto evita también la falla por tensión diagonal producida por fuerza cortante. Este tipo de falla está caracterizado por la formación de grietas inclinadas. 53

6 Figura Falla por tensión diagonal en columnas con estribos Figura Falla por tensión diagonal en columna zunchada 54

7 Como consecuencia del sismo de San Fernando, Estados Unidos, en 1971, las columnas de la planta baja del Edificio de Salud Mental del Hospital Olive View, de solo dos pisos y de concreto reforzado, sufrieron colapso. Todas ellas tuvieron un pobre y muy separado refuerzo transversal que no dió suficiente confinamiento al concreto y muy poca resistencia a la tensión diagonal. La figura muestra una de estas columnas, la cual, al igual que las restantes de este piso, quedó totalmente desintegrada ocasionando el colapso total del primer piso del edificio. Figura Desintegración total de columna de planta baja 55

8 Aunque menos frecuente que en las columnas, las vigas también suelen fallar por tensión diagonal provocada por la fuerza cortante, así como lo muestra la figura Figura Falla por tensión diagonal producida por cortante en vigas 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 páneles, entre vigas y columnas en estructuras de marcos, entre columnas y losas planas, y entre columnas y cimentaciones. La figura muestra una falla por desconchamiento del concreto debido a un anclaje defectuoso entre viga y columna. 56

9 Figura Desconchamiento del concreto en unión viga-columna La falla de una conexión viga-columna debida a la escasez de anclaje del refuerzo de la columna en su unión con el sistema de piso se ilustra en la figura Figura Falla en unión viga-columna por escasez de anclaje en la conexión de la columna con el sistema de piso 57

10 Figura Falla por deficiente adherencia en conexión viga-columna y croquis de anclaje a 90º para el desarrollo de la fluencia requerida ante solicitaciones cíclicas propias de la acción sísmica 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 muestra esta situación. 58

11 Figura Vista de la fachada del Centro Médico Indian Hills Figura B Acercamiento de daños en muro de cortante de la figura anterior. Fallas similares a las antes mencionadas se pudieron observar en dos edificios de apartamentos en Anchorage, Alaska. El Mt. McKinley y el de la Calle 1200 L, ambos de 14 pisos, muy similares entre sí tanto en forma como en el tipo de daño sufrido después del sismo de Alaska de Un detalle muy interesante fue que ambos edificios 59

12 fueron construidos en la misma orientación, aunque estaban separados cerca de 1500 m. Para resistir las fuerzas sísmicas, el edificio Mt. McKinley estuvo diseñado con muros exteriores de cortante unidos mediante vigas de acoplamiento, mientras que el de la Calle 1200 L, además de las paredes exteriores, tuvo núcleos de muros de cortante en los cubos de escaleras. En ambos edificios, los muros exteriores presentaron fracturas horizontales en su unión con las losas así como grietas en forma de X por tensión diagonal en los antepechos. Figura Grieta y desconchamiento del concreto en muro de cortante y acercamiento del daño del edificio del Hospital Holy Cross Este último tipo de falla es típico en las vigas de acoplamiento y se debe a demandas de gran ductilidad y de elevadas fuerzas cortantes como consecuencia de su corta longitud. 60

13 Figura Daños en fachada norte del edificio Mt. McKinley Figura B Vista y acercamiento de daños con falla en X de vigas de acoplamiento en muros de cortante 61

14 Figura 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. Sin un diseño adecuado para los niveles de ductilidad a flexión y a cortante esperados ante sismos intensos, se pueden presentar fallas por flexión o por cortante en muros estructurales que constituyen la resistencia primaria a fuerzas laterales de edificios. 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 62

15 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 Vibración torsional causada por la falta de coincidencia entre el centro de masa y el centro de rigidez En la planta del edificio de la figura se observa la presencia de un bloque de concreto asimétrico situado en la vecindad de las columnas dando lugar a una concentración de elementos rígidos y a una consecuente asimetría en planta, situación que fue responsable de la falla en torsión de la columna ante la acción sísmica (Figura 4.5.3). 63

16 Figura Planta de ubicación de columnas con falla. Figura Daño por vibración torsional en columna perimetral 64

17 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 Falla de un edificio a base de losas planas por punzonamiento de losa Las fallas en las conexiones generalmente son frágiles, por lo que estas zonas deben protegerse con especial cuidado y diseñarse detalladamente. 65

18 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 se muestra el colapso de un edificio típico de planta débil. Figura 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 66

19 varió, lo que provocó la falla total de la planta baja durante el sismo de El Salvador del 10 de Octubre de Un caso muy interesante para analizar es el comportamiento estructural mostrado por el edificio del hospital Olive View como consecuencia del sismo de San Fernando, Estados Unidos, en El edificio principal (Figura A), de concreto reforzado, de 5 pisos y sótano, tuvo masas grandes innecesarias, así como discontinuidades significativas en elevación (Figura B) pues, mientras los cuatro niveles superiores se construyeron de muros de rigidez confinados por marcos rígidos, los dos pisos inferiores se estructuraron mediante marcos rígidos. Todas las columnas en planta baja fueron zunchadas, con excepción de las de esquina, las que se reforzaron con estribos. Como se puede apreciar en la figura B, la forma y el refuerzo de las columnas variaba de un nivel a otro. Figura A 67

20 Figura B Las discontinuidades en rigidez, resistencia y ductilidad, así como la presencia de masas innecesarias, jugaron un papel importante en la respuesta estructural del edificio ante el sismo. Éste no se colapsó, pero por razones de funcionalidad tuvo que ser demolido ya que las deformaciones permanentes de las columnas de los dos primeros niveles fueron tan grandes (del orden de 75 cm) en el segundo nivel, que la reparación de los daños, tanto estructurales como no estructurales, resultaba antieconómica. Los pequeños y muy separados estribos de la columna de esquina no proporcionaron el confinamiento adecuado al núcleo de concreto ni la resistencia suficiente a tensión diagonal por cortante. Como resultado, la columna no tuvo ductilidad y falló frágilmente (Figura 4.7.3). 68

21 Figura Columna de esquina severamente dañada Figura Vista del daño general en columnas de primer nivel 69

22 Cerca de la columna de esquina se encuentra una zunchada (Figura 4.7.3), misma que permaneció intacta. A pesar de la extrema deformación plástica la columna, ésta no se colapsó y siguió resistiendo la carga muerta de los cuatro pisos tras la ocurrencia del evento sísmico. Este estupendo comportamiento denota una fantástica ductilidad del elemento debido a que el confinamiento proporcionado por el zuncho incrementó enormemente la resistencia última y redujo la deformación del núcleo de concreto habiendo, también, proporcionado una elevada resistencia a cortante o tensión diagonal (Figura 4.7.4). Otro ejemplo distintivo de cambio de rigidez a lo largo de la altura, es el diseño del edificio de la figura B que contempló muros no estructurales en todos los pisos, pero durante el proceso constructivo solo se colocaron los de los últimos tres niveles, por lo que el sismo de Erzincan, Turquía, de 1992, le produjo daño estructural, el cual se concentró en el primer piso, dejando el resto de la edificación totalmente fuera de servicio. Figura A Plantas del edificio 70

23 Figura B Evidencia de la concentración de daño en piso débil 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 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 Falla por golpeteo en la junta entre edificios adyacentes Este tipo de falla puede ser más grave cuando los cuerpos adyacentes no coinciden en la altura de sus entrepisos, ya que las losas de uno pueden golpear las partes intermedias de 71

24 las columnas del otro. Así lo muestra la figura de un edificio de la ciudad de México en el sismo de septiembre de Figura Falla debida al golpeteo entre edificios adyacentes que no coinciden en altura sus entrepisos 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 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 72

25 vibraciones de los pisos superiores respecto a los inferiores. Este fenómeno es conocido como resonancia local o chicoteo. Figura Colapso de los niveles superiores de un edificio de 11 pisos Algunos autores atribuyen este tipo de colapso a la unión de concreto nuevo con viejo tras la interrupción del colado durante el proceso constructivo 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 fragilmente por cortante. La figura ilustra la forma en que los muros divisorios adosados a la columna restringen a ésta hasta donde llega la altura de ellos. Esto conduce a que la porción libre 73

26 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 Deformación lateral de columna corta confinada parcialmente por muros Ante la insuficiente ductilidad de la columna acortada, la falla se genera por tensión diagonal producida por elevados esfuerzos cortantes y es más frágil respecto a la de las columnas no restringidas parcialmente debido a que su longitud deformable es mucho menor. Esta situación puede evitarse si se deja suficiente separación entre la columna y el muro de relleno para que así ésta se deforme libremente durante la solicitación sísmica. En las siguientes figuras a se ilustra este tipo de falla en columnas acortadas en su altura por la presencia de antepechos y muros divisorios. 74

27 Figura Falla por tensión diagonal en columna acortada por antepechos Figura Falla por incremento de fuerza cortante en columna corta 75

28 Figura Falla en columna corta restringida en sus extremos por antepechos 76