Los tipos de fallas estructurales de ingeniería civil son una gran preocupación para los ingenieros, ya que provocan enormes pérdidas de propiedad. Pero lo que es más importante, plantean graves riesgos para la seguridad y el bienestar de las personas.
Los proyectos de ingeniería civil pueden ser extremadamente complejos e implicar la coordinación de muchos componentes diferentes. A pesar de los mejores esfuerzos de los ingenieros, a veces las cosas siguen saliendo mal, lo que provoca fallos en la construcción en ingeniería civil. Comprender por qué ocurren estas fallas puede ayudar a prevenirlas en el futuro.
Hay varios tipos comunes de fallas en ingeniería. Algunos de los principales tipos de fallas estructurales incluyen deformación excesiva, inestabilidad, agrietamiento por fatiga, fractura y pandeo. Las causas fundamentales de estas fallas generalmente se relacionan con problemas de diseño, materiales, mano de obra o mantenimiento. Dado que estos desempeñan un papel vital en el campo, un ingeniero debe conocer bien las principales causas de estas fallas de antemano para evitar problemas imprevistos en el futuro.
Hay muchas razones para las fallas estructurales que incluyen errores técnicos durante el diseño. Fallas de construcción, mano de obra deficiente, calidad y cantidad de materiales, factores ambientales, cargas inesperadas debido a fuerzas naturales y circunstancias imprevistas. Comprender por qué y cómo fallan las estructuras de ingeniería civil, como puentes, presas y edificios, es un conocimiento fundamental para los ingenieros civiles.
Al estudiar diferentes modos y mecanismos de falla, se pueden tomar medidas en el diseño, construcción, operación y mantenimiento para prevenir colapsos catastróficos y limitar las fallas. Esta descripción general completa cubre los principales tipos de fallas que pueden ocurrir en la ingeniería estructural, sus causas características, efectos y métodos de prevención.
Descripción general de las fallas estructurales:
Ocurren cuando los componentes de una estructura construida no pueden soportar las cargas de diseño aplicadas y las tensiones de ingeniería. Esto ocurre cuando:
- Las cargas aplicadas exceden la capacidad de carga y la resistencia de la estructura.
- Los defectos de diseño provocan inestabilidad o concentraciones de tensiones.
- Los defectos constructivos reducen la resistencia de la estructura construida.
- Los materiales fallan o se deterioran por debajo de su capacidad supuesta.
- No se tienen en cuenta las condiciones de carga imprevistas.
Las fallas van desde fracturas a pequeña escala hasta el colapso total. Comprender los modos de falla es clave para la prevención de fallas. En este artículo, tengamos una breve discusión sobre las causas, los efectos y también la prevención de estas fallas de las estructuras.
Tipos de fallas estructurales:
El análisis de fallas en ingeniería civil tiene como objetivo identificar los modos y mecanismos que conducen a fallas. Algunos de los tipos clave de análisis de fallas en ingeniería civil analizan materiales, estructuras, cimientos y métodos de construcción. Las técnicas comunes incluyen inspección visual, modelo matemático, procedimientos de prueba e investigación. Las estructuras pueden fallar de diferentes maneras según su diseño. Para los edificios, los tipos de fallas estructurales comunes incluyen fallas en la ingeniería civil, como problemas de cimientos, pandeo de columnas, grietas en vigas y problemas de conexión.
Los puentes pueden fallar debido al impacto de vehículos, asentamiento de soportes, rotura de cables y resonancia. Las presas suelen fallar debido a desbordamientos, problemas de filtración, deslizamientos o licuefacción. Mirando más de cerca, existen cuatro tipos principales de fallas estructurales. El primero es la falla por tracción, que ocurre cuando las fuerzas separan el material. Luego, la falla por compresión ocurre cuando una presión excesiva aplasta el material. El tercer tipo es la falla por corte, esto es cuando fuerzas internas paralelas causan deformación a lo largo de un plano.
Finalmente, la falla por flexión se refiere a la tensión de flexión que deforma o rompe el material. Identificar el modo de falla estructural específico es clave para un análisis de falla efectivo.
Modos comunes de falla estructural:
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Falla de tensión:
Las fuerzas de tensión estiran y separan los miembros estructurales. Una tensión de tracción excesiva puede provocar:
- Rendimiento cuando un material dúctil alcanza su límite de resistencia a la tracción.
- Fractura cuando un material frágil se agrieta antes de ceder.
La falla por tensión puede ocurrir en barras de refuerzo de concreto, cables de acero, anclajes de mampostería y sujetadores estructurales.
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Falla de compresión:
Las tensiones de compresión excesivas que aplastan o aplastan un material pueden provocar:
- Arrugado, pandeo o plegado en materiales dúctiles.
- Fracturación y fragmentación en materiales frágiles.
Las columnas, los miembros de arriostramiento, el hormigón y la mampostería a menudo experimentan fallas por compresión.
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Falla por corte:
Las fuerzas cortantes hacen que las partes adyacentes de un material se deslicen entre sí. Esto puede llevar a:
- Rendimiento en materiales dúctiles cuando se excede la resistencia al corte.
- Grietas por cizallamiento frágiles en hormigón y madera
Las vigas, conectores y muros de corte de hormigón armado comúnmente sufren fallas por corte.
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Falla por flexión:
Las fuerzas de flexión inducen tensión en una parte de una viga y compresión en la otra. Causas de flexión excesiva:
- Límite de fluencia de vigas dúctiles al superarse su momento plástico.
- Rotura de vigas frágiles a medida que el hormigón a tracción se agrieta.
Las fallas por flexión son más frecuentes en vigas y losas de hormigón armado.
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Falla torsional:
Las fuerzas de torsión excesivas a lo largo de la longitud de un miembro provocan:
- Miembros dúctiles que ceden al alcanzar su límite de momento de torsión.
- Miembros frágiles que se fracturan debido a esfuerzos de corte y tensión.
Las fallas por torsión son raras, pero pueden afectar vigas de tramos largos o componentes de formas extrañas.
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Fallo de pandeo:
Los miembros sujetos a altas cargas de compresión pueden pandearse y doblarse repentinamente hacia los lados si se exceden los límites de estabilidad.
Las columnas, puntales, vigas, tirantes y placas delgados son susceptibles a fallas por pandeo.
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Fallo por fatiga:
Las tensiones cíclicas repetidas muy por debajo del límite de resistencia estática pueden generar grietas que se propagan gradualmente con el tiempo y eventualmente fracturan un miembro.
Puentes, grúas, vías férreas y componentes de motores comúnmente presentan fallas por fatiga del metal.
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Fallo por impacto:
Las cargas de impulso repentinas de alta intensidad debidas a impactos pueden superar la capacidad de resistencia de los materiales y las conexiones, provocando daños inmediatos.
Los daños por colisión a columnas, fallas en las paredes por la caída de escombros y roturas de tanques de agua son ejemplos de fallas por impacto.
Prevención de fallas estructurales:
Si bien la prevención directa de cualquier falla es idealista, se pueden tomar medidas para minimizar los riesgos de falla:
- Utilice factores de seguridad conservadores en el diseño para una mayor confiabilidad.
- Especifique materiales de mayor calidad con menor variabilidad.
- Realice análisis avanzados para identificar puntos débiles.
- Diseñar redundancias y rutas de carga alternativas como respaldo.
- Simplifique los diseños para reducir los componentes y la complejidad.
- Siga las mejores prácticas y estándares para detalles y construcción.
- Implementar pruebas y controles de calidad rigurosos.
- Inspeccionar y mantener estructuras periódicamente.
- Actualizar estructuras antiguas para cumplir con los requisitos del código moderno.
Los fracasos proporcionan lecciones invaluables del mundo real. Una investigación exhaustiva de las fallas por parte de ingeniería forense debería informar la mejora continua de los códigos de diseño, las normas, los materiales, los métodos de construcción y los factores de seguridad.
Ya sea relacionado con un diseño defectuoso, una supervisión inadecuada de la construcción o una combinación peligrosa de factores. Al evaluar continuamente las vulnerabilidades y aprender de desastres pasados, los ingenieros civiles esperan mejorar los estándares y prevenir ejemplos catastróficos de fallas estructurales en el futuro. Aunque puede que no sea posible eliminar las fallas por completo, el análisis continuo proporciona información vital que puede aumentar drásticamente las tasas de fallas de la ingeniería civil con el tiempo. En última instancia, esto conduce a una infraestructura más segura y resiliente que reduce los riesgos para la vida humana.
Al hacer de las fallas estructurales una oportunidad de aprendizaje, los ingenieros civiles pueden desarrollar mejores prácticas y mejorar gradualmente la confiabilidad estructural con el tiempo. Los sólidos márgenes de seguridad y la redundancia brindan resiliencia contra la inevitabilidad de lo desconocido.
Conclusión:
Comprender cómo fallan las estructuras es un conocimiento fundamental para los ingenieros civiles que buscan avanzar en la disciplina del diseño estructural. Si bien la prevención absoluta de fallas sigue siendo imposible, los ingenieros deben continuar persiguiendo el objetivo mediante análisis basados en la física, prudencia, simplicidad, construcción adecuada, mantenimiento activo y márgenes de seguridad. Por muy devastadoras que sean las fallas, brindan lecciones técnicas invaluables para mejorar el entorno construido.
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