Descripción de Fallas en Estructuras

8/17/2019 Descripción de Fallas en Estructuras

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Descripción de fallas en estructuras de acero

En la figura 68 se detallan las fallas más comunes que puede provocar la

acción de un sismo en una estructura de acero. Se complementa la información

con un esquema y un código por cada falla.

Figura 68. Descripción de fallas en construcciones de acero

Código Elementos Descripción de falla Esquema

0.0! Columnas Columna inclinada o fuera de plomo.

0.0" Columnas Columna que se muestre arqueada.

0.0# Columnas Desgarramiento de la soldadura en la platina

de apoyo.

0.0$ Columnas Deformación de los pernos de ancla%e en el

apoyo de la columna.



Continuación de la figura 68.


0.0& Columnas Corte de los pernos de ancla%e en el

apoyo de la columna.

0.06 Columnas 'plastamiento de la columna. Falla por

compresión.

0.0( Columnas )andeo en la platina de apoyo y da*o

en el pedestal de apoyo.

0.08 +niones

viga,

columna

-rietas en soldaduras de las uniones

yo en las vigas o columnas.

0.0 +niones

viga,

columna

Deformación en los patines cerca de la

%unta viga,columna.

0.!0 +niones

viga,

columna

)ernos cortados o deformados y defor,

maciones en la placa conectora.

0.!! 'rriostres 'rriostres arqueados o deformados.





0.!" 'rriostres 'rriostres rotos.

0.!# 'rriostres Desgarramiento de soldaduras

entre columna y platina conectora

yo pernos rotos.

0.!$ /igas Corrimiento o desplaamiento de

los apoyos.

0.!& /igas Corte en pernos y grietas visi1les

en las placas de unión de viga a

columna o pareces de apoyo.

0.!6 /igas Deformación lateral o ala1eo a lo

largo de la viga.

0.!( 'rmaduras 2arras rotas yo desgarramiento

de las soldaduras.




Código Elementos Descripción de falla Esquema0.!8 'rmaduras )ernos de apoyo rotos o defor,

mados.

0.! 'rmaduras 3ensores del diafragma 4oriontal

rotos o e5cesivamente deforma,

dos.

0."0 -radas Desgarramiento en soldaduras de

unión a elementos de acero.

0."! -radas -rietas en platinas conectoras.

0."" -radas Corte de pernos de ancla%e o

deformaciones en los mismos.

0."# -radas Desgarramiento de soldadura entre

la estructura de gradas y pelda*os.





0."$ Ca1les Desgarramiento o separación de

los alam1res o torones que lo con,

forman.

0."& Ca1les Ca1les que presenten deforma,

ciones e5cesivas y que manifiesten

una prdida de tensión.

0."6 Ca1les Cone5ión o pieas de unión falla,

das que presenten desgarramien,

to.

ANALISIS DE FALLAS ESTRUCTURALES

El fundamento técnico de esta presentación está basado en el

Análisis de Fallas Estructurales que repercuten en la

Construcción del Elemento.

Se dará una breve presentación sobre los Mecanismo, Modos,

Parámetros Crticos ! Criterios de Falla frecuentes en elementos

estructurales, as como también las Fallas ba"o Car#as Estáticas

referidas a las Fallas de Materiales $%ctiles ! a las Fallas de

Materiales Frá#iles, si#uiendo las &eoras, del Esfuer'o Cortante

Má(imo )&eora de &resca*, de la Ener#a de $istorsión )&eora

de +on Misses* ! de la Fricción nterna )&eora de Coulomb-Mor

$%ctil* para las fallas d%ctiles ! las &eoras del Má(imo Esfuer'o



/ormal )&eora de 0an1ine* ! de Coulomb-Mor Frá#il para las

fallas frá#iles. 2tra acciones, de la cuales se ablarán en esta

presentación son las 3Fallas por Corte ! &ensión $ia#onal4.

Además de incluir en esta presentación de Análisis de FallasEstructurales, el variable tiempo en los métodos de dise5o

mecánico de estructuras de concreto, presentando un e"emplo

de dise5o por durabilidad de estructuras de concreto.

El propósito de esta presentación es básicamente el reunir los

conocimientos de investi#aciones en fallas frecuentes en las

estructuras ba"o diferentes criterios inclu!endo el tema de

$ise5o por durabilidad de materiales publicado a la feca !

transferirlos para desarrollar un 6modelo de durabilidad7 al

dise5o estructural de concreto.

DEFINICION

8. 3Falla es una condición no deseada que ace que el

elemento estructural no desempe5e una función para la cual

e(iste.4

9. 3Falla es la pérdida de función de un elemento tanto por

deformación ):uencia* como por separación de sus partes

)fractura*.

;. <na falla no necesariamente produce colapso o catástrofe,

pero sin embar#o, para el n#. Civil o Arquitecto del área

de nspección, distin#uen dos tipos de Fallas=

A* Fallas Catastró>cas caracteri'adas por ser completas !

repentinas. ?

@* Fallas por $e#radación, cu!a caracterstica principal es la

de ser #raduales ! parciales. Por ello, el n#. Civil como el

Arquitecto del área de nspección pre>eren de>nir el término

3Conservación de Estructura4 que el término 3Falla4.



. 3Conservación de Estructura4 como el con"unto de

2peraciones ! traba"os necesarios para que la obra se

manten#a con las caractersticas funcionales, resistentes e

incluso con las estéticas ori#inales con las que fue pro!ectada

! construidas4. $ividiendo este con"unto de 2peraciones !

traba"os en tres fases=

.8 nspección

INTRODUCCION

Bos mecanismos de Falla dependen de la estructura

microscópica del material ! de la forma de sus enlaces

atómicos.

Para predecir Ba falla de materiales ba"o car#as estáticas por

e"emplo ! poder acer dise5os de elementos de máquinas

con>ables, se an desarrollados varias teoras para #rupos de

materiales, basándose en observaciones e(perimentales.

presentan con"untamente con la :e(ión, no son acciones

aisladas, se a comprobado que la falla por corte ! tensión

dia#onal es de carácter más violenta que la falla por :e(ión !

por esta ra'ón se sobre dise5a por corte, de modo que alcance

la resistencia %ltima por :e(ión primero que por corte.

En la otra cara del estudio se mencionará brevemente en esta

presentación, la falla producida debido a la durabilidad que

tienen las estructuras con respecto al tiempo.

En el a5o 8DD, se propuso una metodolo#a más completa

sobre el tema de dise5o por durabilidad, en un reporte técnico

de la 0ilem de Bondres / 8, llamado 3$urabilit!

$esi#n of Concrete Structures4.

G Mecanismo de falla.





Plasticidad,

Fractura,

Fati#a,

$espla'amientos,

Creep ! Corrosión.

1.- Plasticidad

Manifestación= mecanismos, #randes deformaciones son

posibles.

2ri#en= estructura microscópica )i.e. desli'amiento de

cristales*.

Plasticidad local= redistribución de tensiones a 'onas con

menores tensiones.

Materiales d%ctiles= capaces de desarrollar deformaciones

#randes.

Propa#ación de plasticidad= Fluencia de una parte

considerable del ob"eto estructural.

Caracteri'ación= Bmite de :uencia, super>cies de :uencia,

strain ardenin#.

Factores que in:u!en= Procesos de car#aHdescar#a, ritmo

de car#a, estados

Mult ia(iales, temperaturas altas.

Modelos= constitutivas no lineales, cinemáticas lineales.

2.- Fractura

Manifestación= Se rompe el material antes de tener

deformaciones #randes.



2ri#en= $efectos locales en el material a nivel micro

estructural.

Fractura repentina en materiales 3frá#iles4= rocas, fundición,

etc.

Fractura de materiales= Id%ctilesI con defectos )>suras,

concentración de tensiones, ranuras, etc.*. En materiales

d%ctiles puede aber rotura frá#il.

Propa#ación de >suras= e(tensión de una >sura de manera

continuada. nestabilidad de >suras.

Modo de falla= niciación de super>cies interiores. Separación

de la estructura en partes.

Factores que in:u!en= ba"as temperaturas, car#as dinámicas,

abilidad del material para absorber ener#a.

Caracteri'ación= 0esistencia a fractura )fracture tou#ness*,

lon#itud critica.

Modelos= deformaciones plásticas peque5as.

3.- Fatiga

Manifestación= Fractura pro#resiva.

Causa= Estados tensiónales repetidos o cclicos.

Falla sin aviso previo visual.

Factores que in:u!en= concentración de tensiones, cambios

abruptos de sección, >suras, etc.

Caracteri'ación= /%mero de ciclos lmite, resistencia a la fati#a.

$espla'amientos instantáneos

2ri#en= esbelte' del ob"eto estructural.



Modo 8= $espla'amientos #randes con equilibrio estable.

Modo 9= Pandeo )equilibrio inestable*, falla en la forma

estructural. /o se consideran aqu fallas por modos de pandeo,

que están dominados por la #eometra ! no por el material.Modo ;= +ibraciones.

Consecuencias= 0uido, #olpes entre partes que se mueven,

#randes despla'amientos transitorios.

Modelos= constitutivas elásticas, cinemáticas no lineales.

0educción de despla'amientos= modi>cación de la forma,

redimensionar secciones. /o in:u!e tanto cambiar el material.

Factores que in:u!en= relaciones #eométricas.

Consecuencias= problemas operativos, colapso, inse#uridad del

usuario.

4.- Cr!

Manifestación= $espla'amientos diferidos en el tiempo.

2ri#en= en metales ! cerámicos ocurre una difusión de

vacancias, con cambio de forma en los #ranos. $esli'amiento

de #ranos, formación de cavidades a lo lar#o de los bordes de

#ranos.

Causa= tensiones actuando durante tiempos lar#os.

Factores que in:u!en= temperaturas, Problemas de material

Corrosión

Manifestación= Pérdida de material en el espesor de un

elemento.

0educción de dimensiones de una sección.

2ri#en= acción qumica o ambiental.

Factores que in:u!en= a#resividad del medio.



Cambios en el material pueden modi>car el modo de falla.

E"emplo= refor'ar un puente con material compuesto refor'ado

con >bras puede cambiar un modo de falla :e(ional por una en

compresión, que es mas frá#il.

ESCABAS E/ EB ES&<$2 E/ FABBAS E/ MA&E0ABES

Este >ca trata de fallas en el nivel de macro estructura ! en

al#unos casos debe

referirse a la micro estructura del material.

Sur#en interro#antes sobre=

JKasta dónde se puede considerar que la materia es un medio

continuo, siendo que

varios órdenes de ma#nitud por deba"o de las medidas de una

macro estructura a! #ranos del material, >bras, etc.L

JCómo se compatibili'a la idea de tensor de tensiones, para el

que se toma limite en un medio continuo, con la de un ob"etoque en cada nivel de consideración presenta aspectos

diferentesL

Macro estructura=

Entre 8 m ! 8 N N NO )automóviles, aviones, edi>cios,

infraestructura civil, etc.*.

0elaciones debidas a elasticidad, plasticidad

Micro estructura=

Estructuras ! componentes estructurales entre 8QNR m ! 8QN;

m )micrones*.

M2$2S $E FABBA E/ EBEME/&2S ES&0<C&<0ABES MAS

F0EC<E/&ES



Formaciones caractersticas del material que lo de>nen en

escalas de R a 9R m= #ranos en aleaciones metálicas, fibras

de compuestos. 0elaciones fenomenoló#icas, actualmente

modelación de la micro estructura.

/ano estructura.

8Q-D m, átomos. El nivel de nano estructura es estudiado

ma!ormente por fsicos ! qumicos. Ba nano-tecnolo#a intenta

dise5ar materiales en el nivel atómico.

Por otro lado la teora de falla se divide en dos #randes #rupos=

8. Falla de Materiales $%ctiles.

En los materiales d%ctiles la falla se presenta cuando el

material empie'a a :uir.

)Falla por $eformación*.

9. Falla de Materiales Frá#iles.

En los materiales frá#iles la falla se presenta cuando el

material se dis#re#a !Ho

sufre de separación de sus partes. )Falla por Fractura*.

Ba Falla de materiales d%ctiles se estudia por las si#uientes

teoras entre otras=

8.8. &eora del Esfuer'o Cortante Má(imo.

&ambién conocida como &eora de &resca, que establece

3Tue la :uencia del material

se produce por el esfuer'o cortante4.

Ba &eora dice= 3Ba falla se producirá cuando el esfuer'o

cortante má(imo absoluto en

la pie'a sea i#ual o ma!or al esfuer'o cortante má(imo

absoluto de una probeta



sometida a un ensa!o de tensión en el momento que se

produce la :uencia4.

8.9. &eora de la Ener#a de $istorsión.

&eora propuesta por 0. +on Misses al observar que los

materiales ba"o esfuer'os

idrostáticos soportan esfuer'os ma!ores que sus

esfuer'os de :uencia ba"o otros

estados de car#a.

Ba &eora dice= 3Ba falla se producirá cuando la ener#a de

distorsión por unidad de

volumen debida a los esfuer'os má(imos absolutos en el

punto critico sea i#ual o

ma!or a la ener#a de distorsión por unidad de volumen de

una probeta en el ensa!o

de tensión en el momento de producir la :uencia4.

8.;. &eora de Coulomb-Mor $%ctil.

Conocida también como la &eora de la Fricción nterna.

Esta teora tiene en cuenta que el esfuer'o de :uencia a

tensión es diferente al

esfuer'o de :uencia a compresión.

Ba &eora se basa en los ensa!os de &ensión ! Compresión, !establece que en el

plano $eformación vs Corte, la lnea tan#ente a los crculos

de Mor de los ensa!os

de tensión ! compresión al momento de la :uencia es la

locali'ación de la falla para

un estado de esfuer'os en un elemento.



Ba Falla de materiales frá#iles se estudia por las si#uientes

teoras entre otras=

9.8. &eora del Má(imo esfuer'o /ormal.

Esta teora enunciada por U. 0an1ine dice= 3Ba falla se

producirá cuando el esfuer'o

normal má(imo en la pie'a sea i#ual o ma!or al esfuer'o

normal má(imo de una

probeta sometida a un ensa!o de tensión en el momento

que se produce la fractura4.

9.9. &eora de Coulomb-Mor Frá#il.

Esta teora se deriva de forma similar a la teora Coulomb-

Mor $%ctil solo que, al

tratarse de materiales frá#iles, se tiene en cuenta las

resistencias %ltimas del

material a tensión ! compresión en lu#ar de los esfuer'os

de :uencia.

ES&<$2 $E C20&E ? $E &E/S2/ $AV2/AB

Consideremos una vi#a de sección rectan#ular )Ensa!o*,

simplemente apo!ada, con dos car#as concentradas, aplicadas

simétricamente.

Ba falla de la vi#a se puede presentar de tres maneras=

G Falla por Fle(ión.

G Falla por Compresión por Corte.

G Falla por &ensión $ia#onal.

En la 3Falla por Fle(ión4 predomina los esfuer'os debidos a

momentos actuantes, las #rietas se inician en la parte

traccionada ! pro#resan de aba"o acia arriba, verticalmente.



Ba Falla se produce por aplastamiento del concreto en la 'ona

comprimida.

En la 3Falla por Compresión por Corte4, las #rietas se

ori#inan inicialmente debido a la 3Falla por Fle(ión4, sedesarrollan acia arriba asta un punto donde se detienen al

aumentar la car#a, aparecen #rietas inclinadas, unas como

continuación de las #rietas producto de la 3Falla por Fle(ión4 !

otras #rietas aisladas que aparecen a la mitad de la altura de la

vi#a, si se si#ue aumentando la car#a, las #rietas inclinadas

pro#resan en dirección al centro del tramo )acia arriba* ! en

dirección de los apo!os )acia aba"o*.

Ba Falla se produce cuando el concreto se aplasta en la

'ona de compresión, "ustamente encima de la ma!or #rieta

inclinada. Esta Falla es más frá#il que la producida por :e(ión.

Ba 3Falla por &ensión $ia#onal4 es similar a la 3Falla por

Compresión por Corte4, pero las #rietas inclinadas aparecen

s%bitamente, provocando el colapso de la vi#a. $ebido a esto,

la 3Falla por &ensión $ia#onal4 es mas peli#rosa que la 3Falla

por Compresión por Corte4, por ser esta más violenta.

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