Causas evaluacion reparacion
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Causas evaluacion reparacion Causas evaluacion reparacion Document Transcript

  • CAPÍTULO IV DESCRIPCIÓN DE FALLAS MÁS COMUNES EN ESTRUCTURAS DE CONCRETO REFORZADO Y DE MAMPOSTERÍAEn este capítulo descriptivo se citan y explican los tipos de fallas más importantes que seregistran en estructuras de concreto reforzado y mampostería, tras la ocurrencia deeventos sísmicos. Los aquí citados corresponden a eventos sísmicos anteriores endistintas localidades del mundo. Toda la información referida en este capítulo estáescencialmente tomada de los apuntes de Comportamiento Estructural en Obra Civil delDoctor Raúl Serrano Lizaola cuya referencia bibliográfica es Serrano, L.R. (2001).“El entendimiento del comportamiento sísmico de las estructuras ha requerido de laidentificación de las características que han conducido a las fallas, o bien, a un buencomportamiento estructural, y, también, del análisis de los tipos de daños y de suscausas” [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
  • 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 cargalateral de los elementos verticales de soporte como son columnas y muros. Las fuerzas deinercia, cuya variación de la base hasta la cúspide del edificio es progresivamentecreciente, generan fuerzas cortantes decrecientes desde la base hasta la cúspide, mismasque deben ser resistidas en cada nivel por el conjunto de dichos elementos verticales. Deesta forma, es necesaria un área transversal de muros y/o columnas suficiente para resistiradecuadamente las fuerzas cortantes inducidas por el sismo.En la figura 4.1.1 se muestra un edificio de la ciudad de México antes y después delsismo del 28 de Julio de 1957, cuya magnitud fue de 7.5 grados, y el que causó el colapsodebido a la falla por cortante de sus columnas. 50
  • Figura 4.1.1 Antes y después del sismo del 28 de julio de 1957 en MéxicoAnálogamente, en las figuras 4.12 y 4.13 se ilustran diferentes estructuras de concretoreforzado, antes y después del sismo del 29 de Febrero de 1960, acaecido en la ciudadcostera marroquí de Agadir. Figura 4.1.2 Hotel Saada antes y después del sismo de Agadir 51
  • Figura 4.1.3 Restaurant La Réserve antes y después del sismo de Agadir4.2 Falla frágil de cortante y tensión diagonal en columnas o en vigas.Es muy importante que las edificaciones cuenten con una capacidad de deformaciónsuficiente para soportar adecuadamente la solicitación sísmica sin desmeritar,obviamente, su resistencia. Cuando la respuesta sísmica de la edificación es dúctil, sepresentan elevadas deformaciones en compresión debidas a efectos combinados de fuerzaaxial y momento flector. Figura 4.2.1 Efecto combinado de carga axial y momento flexionante sobre columna sin y con refuerzo transversalCon solo colocar refuerzo transversal estrechamente separado y bien detallado en laregión de la rótula plástica potencial, puede evitarse que el concreto se astille seguido del 52
  • pandeo por inestabilidad del refuerzo a compresión. Esto implica el detallado de lassecciones para evitar una falla frágil y proporcionar suficiente ductilidad.En las figuras 4.2.2 y 4.2.3 se ilustra el colapso de columnas de planta baja debido aldeficiente confinamiento del núcleo de concreto en su base. Se puede apreciar cómo elconcreto, ante la falta de confinamiento por estribos, se desconcha al abrirse éstosseguido del pandeo lateral del refuerzo longitudinal. Este tipo de falla se origina debido ala gran concentración de esfuerzos que se producen precisamente en los extremos de lascolumnas por las elevadas acciones internas como son carga axial, fuerza cortante ymomento flector, causadas por las fuerzas sísmicas. Muchas estructuras se han colapsadocomo resultado de un inadecuado confinamiento del núcleo de concreto en columnas. Elmismo tipo de falla puede presentarse también en secciones intermedias y superiores delas columnas. El confinamiento del núcleo de concreto evita también la falla por tensióndiagonal producida por fuerza cortante. Este tipo de falla está caracterizado por laformación de grietas inclinadas. 53
  • Figura 4.2.2 Falla por tensión diagonal en columnas con estribos Figura 4.2.3 Falla por tensión diagonal en columna zunchada 54
  • Como consecuencia del sismo de San Fernando, Estados Unidos, en 1971, las columnasde la planta baja del Edificio de Salud Mental del Hospital Olive View, de solo dos pisosy de concreto reforzado, sufrieron colapso. Todas ellas tuvieron un pobre y muy separadorefuerzo transversal que no dió suficiente confinamiento al concreto y muy pocaresistencia a la tensión diagonal.La figura 4.2.4 muestra una de estas columnas, la cual, al igual que las restantes de estepiso, quedó totalmente desintegrada ocasionando el colapso total del primer piso deledificio. Figura 4.2.4 Desintegración total de columna de planta baja 55
  • Aunque menos frecuente que en las columnas, las vigas también suelen fallar por tensióndiagonal provocada por la fuerza cortante, así como lo muestra la figura 4.2.5 Figura 4.2.5 Falla por tensión diagonal producida por cortante en vigas4.3 Falla por adherencia del bloque de unión en las conexiones viga-columna debidaal deslizamiento de las varillas ancladas o a falla de cortante.Con frecuencia, en las conexiones entre los distintos elementos estructurales se presentanelevadas concentraciones y complejas condiciones de esfuerzos, mismos que hanconducido a distintos y numerosos casos de falla especialmente en las uniones entremuros y losas de estructuras a base de páneles, entre vigas y columnas en estructuras demarcos, entre columnas y losas planas, y entre columnas y cimentaciones.La figura 4.3.1 muestra una falla por desconchamiento del concreto debido a un anclajedefectuoso entre viga y columna. 56
  • Figura 4.3.1 Desconchamiento del concreto en unión viga-columnaLa falla de una conexión viga-columna debida a la escasez de anclaje del refuerzo de lacolumna en su unión con el sistema de piso se ilustra en la figura 4.3.2 Figura 4.3.2 Falla en unión viga-columna por escasez de anclaje en la conexión de la columna con el sistema de piso 57
  • Figura 4.3.3 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 sísmica4.4 Falla frágil en muros de cortante, sin o con aberturas, solos o acoplados.En los proyectos estructurales, los muros de cortante son destinados a resistirprincipalmente los esfuerzos producto de las fuerzas horizontales sísmicas. Ante estasolicitación, 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 delCentro Médico Indian Hills y del Hospital Holy Cross, presentaron una gran grietahorizontal y desconchamiento del concreto en su unión con el sistema de piso. La figura4.4.1 muestra esta situación. 58
  • Figura 4.4.1 Vista de la fachada del Centro Médico Indian Hills Figura 4.4.1 B Acercamiento de daños en muro de cortante de la figura anterior.Fallas similares a las antes mencionadas se pudieron observar en dos edificios deapartamentos en Anchorage, Alaska. El Mt. McKinley y el de la Calle 1200 “L”, ambosde 14 pisos, muy similares entre sí tanto en forma como en el tipo de daño sufridodespués del sismo de Alaska de 1964. Un detalle muy interesante fue que ambos edificios 59
  • 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 murosexteriores de cortante unidos mediante vigas de acoplamiento, mientras que el de la Calle1200 “L”, además de las paredes exteriores, tuvo núcleos de muros de cortante en loscubos de escaleras. En ambos edificios, los muros exteriores presentaron fracturashorizontales en su unión con las losas así como grietas en forma de X por tensióndiagonal en los antepechos. Figura 4.4.2 Grieta y desconchamiento del concreto en muro de cortante y acercamiento del daño del edificio del Hospital Holy CrossEste último tipo de falla es típico en las vigas de acoplamiento y se debe a demandas degran ductilidad y de elevadas fuerzas cortantes como consecuencia de su corta longitud. 60
  • Figura 4.4.3 Daños en fachada norte del edificio Mt. McKinleyFigura 4.4.3 B Vista y acercamiento de daños con falla en X de vigas de acoplamiento en muros de cortante 61
  • Figura 4.4.3 C Daño en fachada norte del edificio de la Calle 1200 “L”, y esquema que ilustra la falla por tensión diagonal en vigas de acoplamiento de muros de cortante.Sin un diseño adecuado para los niveles de ductilidad a flexión y a cortante esperadosante sismos intensos, se pueden presentar fallas por flexión o por cortante en murosestructurales que constituyen la resistencia primaria a fuerzas laterales de edificios.4.5 Falla por vibración torsional causada por la falta de coincidencia en planta delcentro de masas con el centro de rigidez.La asimetría en la distribución en planta de los elementos estructurales resistentes de unedificio causa una vibración torsional ante la acción sísmica y genera fuerzas elevadas enelementos de la periferia del edificio.La vibración torsional ocurre cuando el centro de masa de un edificio no coincide con sucentro de rigidez (Figura 4.5.1). Ante esta acción, el edificio tiende a girar respecto a su 62
  • centro de rigidez, lo que causa grandes incrementos en las fuerzas laterales que actúansobre los elementos perimetrales de soporte de manera proporcional a sus distancias alcentro de rotación. Figura 4.5.1 Vibración torsional causada por la falta de coincidencia entre el centro de masa y el centro de rigidezEn la planta del edificio de la figura 4.5.2 se observa la presencia de un bloque deconcreto asimétrico situado en la vecindad de las columnas dando lugar a unaconcentración de elementos rígidos y a una consecuente asimetría en planta, situaciónque fue responsable de la falla en torsión de la columna ante la acción sísmica (Figura4.5.3). 63
  • Figura 4.5.2 Planta de ubicación de columnas con falla.Figura 4.5.3 Daño por vibración torsional en columna perimetral 64
  • 4.6 Falla de edificios a base de losas planas por punzonamiento de la losaOtro caso de falla de conexión se presenta en edificios de losas planas y se debe a unafalla de punzonamiento producida por los elevados esfuerzos cortantes. En este tipo defalla, los sistemas de piso quedan sin apoyo dando lugar a un colapso total de los mismosmanteniéndose de pie solo las columnas (Figura 4.6.1) Figura 4.6.1 Falla de un edificio a base de losas planas por punzonamiento de losaLas fallas en las conexiones generalmente son frágiles, por lo que estas zonas debenprotegerse con especial cuidado y diseñarse detalladamente. 65
  • 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 espacioposible para permitir el paso o estacionamiento vehicular, mientras que los nivelessuperiores se construyen mediante sistemas de marco-muro, estando este último lamayoría de las veces confinado por el marco proporcionándoles a los pisos superioresuna mucho mayor rigidez que la de planta baja.Esta situación conduce a una concentración de daños en la llamada planta débil deledificio, la cual posee una rigidez mucho menor en comparación con la de los pisossuperiores. En la figura 4.7.1 se muestra el colapso de un edificio típico de planta débil. Figura 4.7.1 Falla en planta débil de edificioLa planta baja de este edificio se diseñó con base en un sistema de marcos rígidos y enlos pisos superiores se contempló un sistema de muros con lo cual la rigidez en elevación 66
  • varió, lo que provocó la falla total de la planta baja durante el sismo de El Salvador del10 de Octubre de 1986.Un caso muy interesante para analizar es el comportamiento estructural mostrado por eledificio del hospital Olive View como consecuencia del sismo de San Fernando, EstadosUnidos, en 1971. El edificio principal (Figura 4.7.2 A), de concreto reforzado, de 5 pisosy sótano, tuvo masas grandes innecesarias, así como discontinuidades significativas enelevación (Figura 4.7.2 B) pues, mientras los cuatro niveles superiores se construyeron demuros de rigidez confinados por marcos rígidos, los dos pisos inferiores se estructuraronmediante marcos rígidos. Todas las columnas en planta baja fueron zunchadas, conexcepción de las de esquina, las que se reforzaron con estribos. Como se puede apreciaren la figura B, la forma y el refuerzo de las columnas variaba de un nivel a otro. Figura 4.7.2 A 67
  • Figura 4.7.2 BLas discontinuidades en rigidez, resistencia y ductilidad, así como la presencia de masasinnecesarias, jugaron un papel importante en la respuesta estructural del edificio ante elsismo. Éste no se colapsó, pero por razones de funcionalidad tuvo que ser demolido yaque las deformaciones permanentes de las columnas de los dos primeros niveles fuerontan 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 elconfinamiento adecuado al núcleo de concreto ni la resistencia suficiente a tensióndiagonal por cortante. Como resultado, la columna no tuvo ductilidad y falló frágilmente(Figura 4.7.3). 68
  • Figura 4.7.3 Columna de esquina severamente dañadaFigura 4.7.4 Vista del daño general en columnas de primer nivel 69
  • Cerca de la columna de esquina se encuentra una zunchada (Figura 4.7.3), misma quepermaneció intacta. A pesar de la extrema deformación plástica la columna, ésta no secolapsó y siguió resistiendo la carga muerta de los cuatro pisos tras la ocurrencia delevento sísmico. Este estupendo comportamiento denota una fantástica ductilidad delelemento debido a que el confinamiento proporcionado por el zuncho incrementóenormemente la resistencia última y redujo la deformación del núcleo de concretohabiendo, 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 deledificio de la figura 4.7.5 B que contempló muros no estructurales en todos los pisos,pero durante el proceso constructivo solo se colocaron los de los últimos tres niveles, porlo que el sismo de Erzincan, Turquía, de 1992, le produjo daño estructural, el cual seconcentró en el primer piso, dejando el resto de la edificación totalmente fuera deservicio. Figura 4.7.5 A Plantas del edificio 70
  • Figura 4.7.5 B Evidencia de la concentración de daño en piso débil4.8 Falla por golpeteo entre edificios.Si no existe una separación suficiente entre edificios adyacentes, su manera distinta devibrar ante la solicitación sísmica conduce al golpeteo entre ellos produciéndoles severosdaños. En la figura 4.8.1 se tiene el caso de la falla de un edificio por golpes en la juntade construcción por la acción del sismo de Tokachi-Oki, Japón. Figura 4.8.1 Falla por golpeteo en la junta entre edificios adyacentesEste tipo de falla puede ser más grave cuando los cuerpos adyacentes no coinciden en laaltura de sus entrepisos, ya que las losas de uno pueden golpear las partes intermedias de 71
  • las columnas del otro. Así lo muestra la figura 4.8.2 de un edificio de la ciudad deMéxico en el sismo de septiembre de 1985. Figura 4.8.2 Falla debida al golpeteo entre edificios adyacentes que no coinciden en altura sus entrepisos4.9 Falla en columnas de pisos superiores por la amplificación de losdesplazamientos en la cúspide de los edificios.Al propagarse las vibraciones inducidas por el sismo desde la base hasta la cúspide de losedificios, se presentan amplificaciones de la vibración a lo largo de su altura, que seacentúan en sus niveles superiores, principalmente en edificios altos, lo que conduce auna elevada concentración de acciones internas que provocan el colapso de una parte deledificio a partir de determinada altura.En la figura 4.9.1 se aprecia el colapso que sufrieron los niveles superiores de la mansiónCharaima, de once pisos, de los cueles solo siete quedaron en pie debido al sismo del 29de Julio de 1967 en Venezuela. Lo anterior fue provocado por la amplificación de las 72
  • vibraciones de los pisos superiores respecto a los inferiores. Este fenómeno es conocidocomo resonancia local o chicoteo. Figura 4.9.1 Colapso de los niveles superiores de un edificio de 11 pisosAlgunos autores atribuyen este tipo de colapso a la unión de concreto nuevo con viejotras la interrupción del colado durante el proceso constructivo.4.10 Falla frágil de cortante en columnas acortadas por el efecto restrictivo aldesplazamiento causado por elementos no estructurales.La interacción entre elementos no estructurales, tales como muros divisorios demampostería, y las columnas de marcos de concreto, provoca concentraciones de fuerzacortante en los extremos libres de las columnas, mismas que tienden a fallar fragilmentepor cortante.La figura 4.10.1 ilustra la forma en que los muros divisorios adosados a la columnarestringen a ésta hasta donde llega la altura de ellos. Esto conduce a que la porción libre 73
  • de la columna adquiera mucho mayor rigidez en comparación de las demás columnas delmismo piso, que no están confinadas ni restringidas, en ninguno de sus lados, porelementos no estructurales, generándose así elevados esfuerzos de corte en la columnacorta dando lugar a consecuencias desastrosas. Figura 4.10.1 Deformación lateral de columna corta confinada parcialmente por murosAnte la insuficiente ductilidad de la columna acortada, la falla se genera por tensióndiagonal producida por elevados esfuerzos cortantes y es más frágil respecto a la de lascolumnas no restringidas parcialmente debido a que su longitud deformable es muchomenor. Esta situación puede evitarse si se deja suficiente separación entre la columna y elmuro de relleno para que así ésta se deforme libremente durante la solicitación sísmica.En las siguientes figuras 4.10.2 a 4.10.4 se ilustra este tipo de falla en columnas acortadasen su altura por la presencia de antepechos y muros divisorios. 74
  • Figura 4.10.2 Falla por tensión diagonal en columna acortada por antepechos Figura 4.10.3 Falla por incremento de fuerza cortante en columna corta 75
  • Figura 4.10.4 Falla en columna corta restringida en sus extremos por antepechos 76