Integridad estructural y falla

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La integridad y falla estructural es un aspecto de la ingeniería que trata de la capacidad de una estructura para soportar una carga estructural diseñada (peso, fuerza, etc.) sin romperse e incluye el estudio de fallas estructurales pasadas para prevenir fallas en diseños futuros.

La integridad estructural es la capacidad de un elemento (ya sea un componente estructural o una estructura compuesta por muchos componentes) de mantenerse unido bajo una carga, incluido su propio peso, sin romperse ni deformarse excesivamente. Garantiza que la construcción realizará su función diseñada durante un uso razonable, durante el tiempo que dure su vida útil prevista. Los artículos se construyen con integridad estructural para evitar fallas catastróficas , que pueden provocar lesiones, daños graves, muerte y/o pérdidas monetarias.

El fallo estructural se refiere a la pérdida de integridad estructural o la pérdida de capacidad estructural de carga , ya sea en un componente estructural o en la estructura misma. El fallo estructural se inicia cuando un material se somete a una tensión que supera su límite de resistencia , lo que provoca fracturas o deformaciones excesivas ; un estado límite que debe tenerse en cuenta en el diseño estructural es la resistencia a la rotura máxima. En un sistema bien diseñado, un fallo localizado no debería provocar el colapso inmediato o incluso progresivo de toda la estructura.

La integridad estructural es la capacidad de una estructura de soportar una carga prevista sin fallar debido a fracturas, deformaciones o fatiga. Es un concepto que se utiliza a menudo en ingeniería para producir elementos que cumplan con los propósitos para los que fueron diseñados y sigan funcionando durante la vida útil deseada .

Para construir un elemento con integridad estructural, un ingeniero debe considerar primero las propiedades mecánicas de un material, como tenacidad , resistencia , peso, dureza y elasticidad, y luego determinar el tamaño y la forma necesarios para que el material resista la carga deseada durante una larga vida útil. Dado que los elementos no pueden romperse ni doblarse excesivamente, deben ser rígidos y resistentes. Un material muy rígido puede resistir la flexión, pero a menos que sea lo suficientemente resistente, puede tener que ser muy grande para soportar una carga sin romperse. Por otro lado, un material altamente elástico se doblará bajo una carga incluso si su alta tenacidad evita la fractura.

Además, la integridad de cada componente debe corresponder a su aplicación individual en cualquier estructura portante. Los soportes de los puentes necesitan una alta resistencia a la fluencia , mientras que los pernos que los sostienen necesitan una buena resistencia al corte y a la tracción . Los resortes necesitan una buena elasticidad, pero las herramientas de torneado necesitan una alta rigidez. Además, toda la estructura debe ser capaz de soportar su carga sin que sus eslabones más débiles fallen, ya que esto puede poner más tensión en otros elementos estructurales y provocar fallas en cascada . ^{[1] [2]}

La necesidad de construir estructuras con integridad se remonta a la historia registrada. Las casas debían ser capaces de soportar su propio peso, además del peso de sus habitantes. Los castillos debían estar fortificados para soportar los ataques de los invasores. Las herramientas debían ser lo suficientemente fuertes y resistentes para hacer su trabajo. Sin embargo, la ciencia de la mecánica de fracturas tal como existe hoy no se desarrolló hasta la década de 1920, cuando Alan Arnold Griffith estudió la fractura frágil del vidrio.

A partir de la década de 1940, los infames fallos de varias tecnologías nuevas hicieron necesario un método más científico para analizar los fallos estructurales. Durante la Segunda Guerra Mundial, más de 200 barcos de acero soldado se partieron por la mitad debido a la fractura frágil, causada por las tensiones creadas por el proceso de soldadura, los cambios de temperatura y por las concentraciones de tensión en las esquinas cuadradas de los mamparos. En la década de 1950, varios De Havilland Comet explotaron en pleno vuelo debido a las concentraciones de tensión en las esquinas de sus ventanas cuadradas, lo que provocó la formación de grietas y la explosión de las cabinas presurizadas. Las explosiones de calderas , causadas por fallos en los tanques de calderas presurizadas, fueron otro problema común durante esta era y causaron graves daños. El aumento del tamaño de los puentes y los edificios provocó catástrofes y pérdidas de vidas aún mayores. Esta necesidad de construir construcciones con integridad estructural condujo a grandes avances en los campos de las ciencias de los materiales y la mecánica de fracturas. ^{[3] [4]}

Las fallas estructurales pueden deberse a muchos tipos de problemas, la mayoría de los cuales son exclusivos de diferentes industrias y tipos de estructuras. Sin embargo, la mayoría se pueden atribuir a una de cinco causas principales.

• La primera es que la estructura no sea lo suficientemente fuerte y resistente para soportar la carga, ya sea por su tamaño, forma o elección del material. Si la estructura o el componente no es lo suficientemente fuerte, puede producirse una falla catastrófica cuando la estructura se somete a una tensión que supere su nivel crítico.
• El segundo tipo de falla es la causada por fatiga o corrosión, causada por la inestabilidad en la geometría, el diseño o las propiedades del material de la estructura. Estas fallas generalmente comienzan cuando se forman grietas en los puntos de tensión, como esquinas cuadradas o agujeros de pernos demasiado cerca del borde del material. Estas grietas crecen a medida que el material se somete a tensiones y descargas repetidas (carga cíclica), y finalmente alcanzan una longitud crítica y hacen que la estructura falle repentinamente en condiciones de carga normales.
• El tercer tipo de falla es causado por errores de fabricación, como la selección incorrecta de materiales, el dimensionamiento incorrecto, el tratamiento térmico inadecuado , la falta de cumplimiento del diseño o la mano de obra de mala calidad. Este tipo de falla puede ocurrir en cualquier momento y, por lo general, es impredecible.
• El cuarto tipo de falla es el que se produce por el uso de materiales defectuosos. Este tipo de falla también es impredecible, ya que el material puede haber sido fabricado de manera incorrecta o estar dañado por un uso anterior.
• La quinta causa de falla es la falta de consideración de problemas inesperados. Este tipo de falla puede ser causada por eventos como vandalismo, sabotaje o desastres naturales. También puede ocurrir si quienes usan y mantienen la construcción no están capacitados adecuadamente y sobrecargan la estructura. ^{[3] [4]}

El puente Dee fue diseñado por Robert Stephenson , utilizando vigas de hierro fundido reforzadas con puntales de hierro forjado. El 24 de mayo de 1847, se derrumbó cuando un tren pasó por encima, matando a cinco personas. Su derrumbe fue objeto de una de las primeras investigaciones formales sobre un fallo estructural. Esta investigación concluyó que el diseño de la estructura era fundamentalmente defectuoso, ya que el hierro forjado no reforzaba el hierro fundido, y que la fundición había fallado debido a la flexión repetida. ^[5]

El desastre del puente Dee fue seguido por una serie de derrumbes de puentes de hierro fundido , incluyendo el derrumbe del primer puente ferroviario de Tay el 28 de diciembre de 1879. Al igual que el puente Dee, el Tay se derrumbó cuando un tren pasó por encima, matando a 75 personas. El puente se derrumbó porque estaba construido con hierro fundido de mala calidad y porque el diseñador Thomas Bouch no tuvo en cuenta la carga del viento sobre él. Su derrumbe dio lugar a que el hierro fundido se sustituyera por una construcción de acero y a un rediseño completo en 1890 del puente ferroviario de Forth , que se convirtió en el primer puente del mundo construido íntegramente con acero. ^[6]

El colapso de 1940 del puente original de Tacoma Narrows se caracteriza a veces en los libros de texto de física como un ejemplo clásico de resonancia, aunque esta descripción es engañosa. Las vibraciones catastróficas que destruyeron el puente no se debieron a una simple resonancia mecánica, sino a una oscilación más complicada entre el puente y los vientos que pasaban por él, conocida como aleteo aeroelástico . Robert H. Scanlan , un importante colaborador en la comprensión de la aerodinámica de los puentes, escribió un artículo sobre este malentendido. ^[7] Este colapso, y la investigación que siguió, llevaron a una mayor comprensión de las interacciones entre el viento y la estructura. Varios puentes fueron alterados después del colapso para evitar que volviera a ocurrir un evento similar. La única víctima mortal fue un perro. ^[6]

El puente I-35W sobre el río Misisipi (oficialmente conocido simplemente como Puente 9340) fue un puente de arco de armadura de acero de ocho carriles que llevaba la Interestatal 35W a través del río Misisipi en Minneapolis , Minnesota, Estados Unidos. El puente se completó en 1967 y su mantenimiento estuvo a cargo del Departamento de Transporte de Minnesota . El puente fue el quinto más transitado de Minnesota, ^{[8] [9]} transportando 140.000 vehículos diariamente. ^[10] El puente falló catastróficamente durante la hora pico de la tarde del 1 de agosto de 2007, colapsando sobre el río y las riberas debajo. Trece personas murieron y 145 resultaron heridas. Después del colapso, la Administración Federal de Carreteras recomendó a los estados que inspeccionaran los 700 puentes estadounidenses de construcción similar ^[11] después de que se descubriera un posible defecto de diseño en el puente, relacionado con grandes láminas de acero llamadas placas de refuerzo que se usaban para conectar las vigas entre sí en la estructura de armadura. ^{[12] [13]} Los funcionarios expresaron su preocupación por el hecho de que muchos otros puentes en los Estados Unidos comparten el mismo diseño y plantearon preguntas sobre por qué no se habría descubierto una falla de ese tipo en más de 40 años de inspecciones. ^[13]

El 4 de abril de 2013, un edificio se derrumbó en tierras tribales en Mumbra , un suburbio de Thane en Maharashtra , India. ^{[14] [15]} Se ha dicho que fue el peor derrumbe de un edificio en la zona ^{[16] [nb 1]} : 74 personas murieron, incluidos 18 niños, 23 mujeres y 33 hombres, mientras que más de 100 personas sobrevivieron. ^{[19] [20] [21]}

El edificio estaba en construcción y no tenía un certificado de ocupación para sus 100 a 150 residentes de ingresos bajos a medios ^[22] ; sus únicos ocupantes eran los trabajadores de la construcción del sitio y sus familias. Se informó que el edificio había sido construido ilegalmente porque no se siguieron las prácticas estándar para una construcción segura y legal, adquisición de tierras y ocupación por parte de los residentes.

Para el 11 de abril, se había detenido a un total de 15 sospechosos, entre ellos constructores , ingenieros, funcionarios municipales y otras partes responsables. Los registros gubernamentales indican que había dos órdenes para controlar el número de edificios ilegales en la zona: una orden del estado de Maharashtra de 2005 para utilizar teledetección y una orden del Tribunal Superior de Bombay de 2010. También se presentaron denuncias ante funcionarios estatales y municipales.

El 9 de abril, la Corporación Municipal de Thane inició una campaña para demoler los edificios ilegales de la zona, centrándose en los edificios "peligrosos", y estableció un centro de llamadas para recibir y hacer un seguimiento de las resoluciones de las quejas sobre edificios ilegales. Mientras tanto, el departamento forestal prometió abordar la invasión de tierras forestales en el distrito de Thane.

El 24 de abril de 2013, el Rana Plaza , un edificio comercial de ocho pisos, se derrumbó en Savar , un subdistrito de la Gran Dacca , la capital de Bangladesh . La búsqueda de los muertos terminó el 13 de mayo con un saldo de 1.134 muertos. ^[23] Aproximadamente 2.515 personas heridas fueron rescatadas con vida del edificio. ^{[24] [25]}

Se considera el accidente más mortal en una fábrica textil de la historia, así como el fallo estructural accidental más mortal en la historia de la humanidad moderna. ^{[22] [26]}

El edificio albergaba fábricas de ropa, un banco, apartamentos y varias tiendas más. Las tiendas y el banco de los pisos inferiores cerraron inmediatamente después de que se descubrieran grietas en el edificio. ^{[27] [28] [29]} Las advertencias de evitar el uso del edificio después de que aparecieran grietas el día anterior habían sido ignoradas. Se ordenó a los trabajadores de la confección que regresaran al día siguiente y el edificio se derrumbó durante la hora punta de la mañana. ^[30]

El 29 de junio de 1995, el gran almacén Sampoong de cinco pisos en el distrito Seocho de Seúl , Corea del Sur, se derrumbó provocando la muerte de 502 personas y otras 1.445 atrapadas.

En abril de 1995, comenzaron a aparecer grietas en el techo del quinto piso del ala sur de la tienda debido a la presencia de un equipo de aire acondicionado en el techo debilitado de la estructura mal construida. En la mañana del 29 de junio, cuando el número de grietas en el techo aumentó drásticamente, los gerentes de la tienda cerraron el piso superior y apagaron el aire acondicionado, pero no cerraron el edificio ni dieron órdenes formales de evacuación, ya que los propios ejecutivos abandonaron las instalaciones como medida de precaución.

Cinco horas antes del derrumbe, se oyó el primero de varios fuertes estallidos que provenían de los pisos superiores, ya que la vibración del aire acondicionado hizo que las grietas en las losas se ensancharan aún más. En medio de informes de los clientes sobre vibraciones en el edificio, se apagó el aire acondicionado, pero las grietas en los pisos ya habían crecido hasta alcanzar 10 cm de ancho. Alrededor de las 5:00 pm hora local, el techo del quinto piso comenzó a hundirse y, a las 5:57 pm, el techo cedió, haciendo que el equipo de aire acondicionado se estrellara contra el quinto piso, que ya estaba sobrecargado.

El 16 de mayo de 1968, la torre residencial de 22 pisos Ronan Point en el distrito londinense de Newham se derrumbó cuando una explosión de gas relativamente pequeña en el piso 18 provocó que un panel estructural de la pared saliera volando del edificio. La torre estaba construida con hormigón prefabricado y la falla de un solo panel provocó que una esquina entera del edificio se derrumbara. El panel pudo volar porque no había suficiente acero de refuerzo pasando entre los paneles. Esto también significó que las cargas soportadas por el panel no se pudieron redistribuir a otros paneles adyacentes, porque no había una ruta para que las fuerzas siguieran. Como resultado del derrumbe, se revisaron las regulaciones de construcción para evitar derrumbes desproporcionados y se avanzó mucho en la comprensión de los detalles del hormigón prefabricado. Muchos edificios similares fueron alterados o demolidos como resultado del derrumbe. ^[31]

El 19 de abril de 1995, el edificio federal Alfred P. Murrah de nueve pisos con estructura de hormigón en Oklahoma fue alcanzado por un camión bomba que provocó un derrumbe parcial, lo que provocó la muerte de 168 personas. La bomba, aunque de gran tamaño, provocó un derrumbe significativamente desproporcionado de la estructura. La bomba hizo estallar todos los cristales de la parte delantera del edificio y destrozó por completo una columna de hormigón armado de la planta baja (véase brisance ). En el nivel del segundo piso existía un espaciamiento más amplio entre columnas, y las cargas de las columnas del piso superior se transferían a menos columnas inferiores mediante vigas en el nivel del segundo piso. La eliminación de una de las columnas del piso inferior provocó que las columnas vecinas fallaran debido a la carga adicional, lo que finalmente provocó el derrumbe completo de la parte central del edificio. El atentado fue uno de los primeros en poner de relieve las fuerzas extremas que la carga explosiva del terrorismo puede ejercer sobre los edificios, y llevó a una mayor consideración del terrorismo en el diseño estructural de los edificios. ^[32]

El salón de bodas de Versalles ( en hebreo : אולמי ורסאי ), situado en Talpiot , Jerusalén , es el lugar donde se produjo el peor desastre civil de la historia de Israel . A las 22:43 de la noche del jueves 24 de mayo de 2001, durante la boda de Keren y Asaf Dror, una gran parte del tercer piso del edificio de cuatro plantas se derrumbó, matando a 23 personas. La novia y el novio sobrevivieron.

En los ataques del 11 de septiembre , dos aviones comerciales se estrellaron deliberadamente contra las Torres Gemelas del World Trade Center en la ciudad de Nueva York. El impacto, la explosión y los incendios resultantes hicieron que ambas torres colapsaran en menos de dos horas. Los impactos cortaron columnas exteriores y dañaron columnas centrales, redistribuyendo las cargas que estas columnas habían soportado. Esta redistribución de cargas estuvo muy influenciada por las cerchas en forma de sombrero en la parte superior de cada edificio. ^[33] Los impactos desalojaron parte de la protección contra incendios del acero, aumentando su exposición al calor de los incendios. Las temperaturas se volvieron lo suficientemente altas como para debilitar las columnas centrales hasta el punto de fluencia y deformación plástica bajo el peso de los pisos superiores. El calor de los incendios también debilitó las columnas y pisos perimetrales, haciendo que los pisos se combaran y ejercieran una fuerza hacia adentro sobre las paredes exteriores del edificio. El edificio 7 del WTC también se derrumbó más tarde ese día; el rascacielos de 47 pisos se derrumbó en segundos debido a una combinación de un gran incendio dentro del edificio y un gran daño estructural por el colapso de la Torre Norte. ^{[34] [35]}

El 24 de junio de 2021, Champlain Towers South, un edificio de condominios de 12 pisos en Surfside, Florida , se derrumbó parcialmente, causando docenas de heridos y 98 muertos. ^[36] El derrumbe fue capturado en video. ^[37] Una persona fue rescatada de los escombros, ^[38] y unas 35 personas fueron rescatadas el 24 de junio de la parte no derrumbada del edificio. La degradación a largo plazo de las estructuras de soporte de hormigón armado en el estacionamiento subterráneo, debido a la penetración de agua y la corrosión del acero de refuerzo, se ha considerado como un factor en el derrumbe (o la causa del mismo). Los problemas se habían informado en 2018 y se señalaron como "mucho peores" en abril de 2021. En el momento del derrumbe se había aprobado un programa de obras de reparación por valor de 15 millones de dólares.

El 24 de enero de 2024, la aguja de esta iglesia de piedra de estilo neogótico se derrumbó, derribando el techo y dañando irremediablemente la estructura. ^[39]

Fallos estructurales repetidos en el mismo tipo de aeronave ocurrieron en 1954, cuando dos aviones a reacción de Havilland Comet C1 se estrellaron debido a la descompresión causada por fatiga del metal , y en 1963-64, cuando el estabilizador vertical de cuatro bombarderos Boeing B-52 se rompió en el aire.

El 8 de agosto de 1991, a las 16:00 UTC, el más alto edificio construido por el hombre antes de la construcción del Burj Khalifa se derrumbó como consecuencia de un error al cambiar los cables tensores del mástil más alto. El mástil se dobló primero y luego se partió aproximadamente a la mitad de su altura. Al derrumbarse, destruyó una pequeña grúa móvil de Mostostal Zabrze. Como todos los trabajadores habían abandonado el mástil antes de que se realizaran los procedimientos de cambio, no hubo víctimas mortales, a diferencia del derrumbe similar de la Torre WLBT en 1997.

El 17 de julio de 1981, dos pasarelas suspendidas que atravesaban el vestíbulo del hotel Hyatt Regency en Kansas City, Missouri , se derrumbaron, matando a 114 personas e hiriendo a más de 200 ^[40] en una fiesta de té. El derrumbe se debió a un cambio tardío en el diseño, que alteró el método en el que las varillas que sostenían las pasarelas se conectaban a ellas y duplicó inadvertidamente las fuerzas en la conexión. El fallo puso de relieve la necesidad de una buena comunicación entre los ingenieros de diseño y los contratistas, y de controles rigurosos de los diseños y, especialmente, de los cambios de diseño propuestos por los contratistas. El fallo es un caso de estudio estándar en los cursos de ingeniería de todo el mundo y se utiliza para enseñar la importancia de la ética en la ingeniería . ^{[41] [42]}

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• Lista de fallas y derrumbes estructurales

Notas

Citas

Bibliografía

• Feld, Jacob; Carper, Kenneth L. (1997). Fallas en la construcción . John Wiley & Sons. ISBN 0-471-57477-5 . 
• Lewis, Peter R. (2007). Desastre en el Dee. Tempus.
• Petroski, Henry (1994). Paradigmas de diseño: casos históricos de error y juicio en ingeniería . Cambridge University Press. ISBN 0-521-46649-0 . 
• Scott, Richard (2001). Tras el desastre de Tacoma: puentes colgantes y la búsqueda de estabilidad aerodinámica . Publicaciones de la ASCE. ISBN 0-7844-0542-5 .