Fallas Técnicas de las Construcción - Ing. Ricardo Luzardo.

1. Resumen 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 Críticos y Criterios de Falla frecuentes en elementos estructurales, así como también las Fallas bajo Cargas Estáticas referidas a las Fallas de Materiales Dúctiles y a las Fallas de Materiales Frágiles, siguiendo las Teorías, del Esfuerzo Cortante Máximo (Teoría de Tresca), de la Energía de Distorsión (Teoría de Von Misses) y de la Fricción Interna (Teoría de Coulomb-Mohr Dúctil) para las fallas dúctiles y las Teorías del Máximo Esfuerzo Normal (Teoría de Rankine) y de Coulomb-Mohr Frágil para las fallas frágiles. Otra acciones, de la cuales se hablarán en esta presentación son las “Fallas por Corte y Tensión Diagonal”. Además de incluir en esta presentación de Análisis de Fallas Estructurales, el variable tiempo en los métodos de diseño mecánico de estructuras de concreto, presentando un ejemplo de diseño por durabilidad de estructuras de concreto. El propósito de esta presentación es básicamente el reunir los conocimientos de investigaciones en fallas frecuentes en las estructuras bajo diferentes criterios incluyendo el tema de Diseño por durabilidad de materiales publicado a la fecha y transferirlos para desarrollar un ‘modelo de durabilidad’ al diseño estructural de concreto. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA

3. ANALISIS DE FALLAS ESTRUCTURALES INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA 1 . INTRODUCCION Los mecanismos de Falla dependen de la estructura microscópica del material y de la forma de sus enlaces atómicos. Para predecir La falla de materiales bajo cargas estáticas por ejemplo; y poder hacer diseños de elementos de máquinas confiables, se han desarrollados varias teorías para grupos de materiales, basándose en observaciones experimentales. Se mencionaran las Fallas por Corte y por Tensión Diagonal, las cuales se presentan conjuntamente con la flexión, no son acciones aisladas, se ha comprobado que la falla por corte y tensión diagonal es de carácter mas violenta que la falla por flexión; y por esta razón se sobre diseña por corte, de modo que alcance la resistencia última por flexión 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 año 1996, se propuso una metodología más completa sobre el tema de diseño por durabilidad, en un reporte técnico de la Rilem de Londres Nº 14, llamado “Durability Design of Concrete Structures”.

4. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA ANALISIS DE FALLAS ESTRUCTURALES • Mecanismo de falla . Es el proceso o secuencia que ocurre en el elemento estructural cuando falla. Puede haber un mecanismo de falla o varios que se acoplan. Ejemplos: mecanismo de pandeo, mecanismo de fractura. • Modo de falla . Es la configuración (geométrica) que adopta el elemento estructural cuando falla. Ejemplos: Modo II de fractura, modo local de pandeo. • Parámetro crítico . Es un indicador asociado a la falla. Se usan indicadores, como tensión, deformación, desplazamiento, carga, número de ciclos de carga, energía, etc. Ejemplo: carga critica de pandeo, número de ciclos de fatiga. • Criterios de falla . Permiten predecir el modo de falla. Ejemplos: criterio de plasticidad de von Mises, criterio energético de estabilidad. La falla de un objeto estructural puede significar la falla del sistema al que pertenece. Ejemplo: La falla de una tubería que pertenece al circuito primario de refrigeración de una central nuclear puede detener la central, hacerla fallar. Importancia de contar con redundancia en el desempeño de funciones.

7. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA MODOS DE FALLA EN ELEMENTOS ESTRUCTURALES MAS FRECUENTES Fractura Manifestación: Se rompe el material antes de tener deformaciones grandes. Origen: Defectos locales en el material a nivel micro estructural. Fractura repentina en materiales “frágiles”: rocas, fundición, etc. Fractura de materiales: "dúctiles" con defectos (fisuras, concentración de tensiones, ranuras, etc.). En materiales dúctiles puede haber rotura frágil. Propagación de fisuras: extensión de una fisura de manera continuada. Inestabilidad de fisuras. Modo de falla: Iniciación de superficies interiores. Separación de la estructura en partes. Factores que influyen: bajas temperaturas, cargas dinámicas, habilidad del material para absorber energía. Caracterización: Resistencia a fractura (fracture toughness ), longitud critica. Modelos: deformaciones plásticas pequeñas. Fatiga Manifestación : Fractura progresiva. Causa : Estados tensiónales repetidos o cíclicos. Falla sin aviso previo visual. Factores que influyen : concentración de tensiones, cambios abruptos de sección, fisuras, etc. Caracterización : Número de ciclos límite, resistencia a la fatiga.

8. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA MODOS DE FALLA EN ELEMENTOS ESTRUCTURALES MAS FRECUENTES Desplazamientos instantáneos Origen: esbeltez del objeto estructural. Modo 1: Desplazamientos grandes con equilibrio estable. Modo 2: Pandeo (equilibrio inestable), falla en la forma estructural. No se consideran aquí fallas por modos de pandeo, que están dominados por la geometría y no por el material. Modo 3: Vibraciones. Consecuencias: Ruido, golpes entre partes que se mueven, grandes desplazamientos transitorios. Modelos: constitutivas elásticas, cinemáticas no lineales. Reducción de desplazamientos: modificación de la forma, redimensionar secciones. No influye tanto cambiar el material. Factores que influyen: relaciones geométricas. Consecuencias: problemas operativos, colapso, inseguridad del usuario. Creep Manifestación : Desplazamientos diferidos en el tiempo. Origen : en metales y cerámicos ocurre una difusión de vacancias, con cambio de forma en los granos. Deslizamiento de granos, formación de cavidades a lo largo de los bordes de granos. Causa : tensiones actuando durante tiempos largos. Factores que influyen : temperaturas, Problemas de material .

9. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA MODOS DE FALLA EN ELEMENTOS ESTRUCTURALES MAS FRECUENTES Corrosión Manifestación: Pérdida de material en el espesor de un elemento. Reducción de dimensiones de una sección. Origen: acción química o ambiental. Factores que influyen: agresividad del medio. Cambios en el material pueden modificar el modo de falla. Ejemplo: reforzar un puente con material compuesto reforzado con fibras puede cambiar un modo de falla flexional por una en compresión, que es mas frágil .

10. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA ESCALAS EN EL ESTUDIO EN FALLAS EN MATERIALES Este ficha trata de fallas en el nivel de macro estructura y en algunos casos debe referirse a la micro estructura del material. Surgen interrogantes sobre: ¿Hasta dónde se puede considerar que la materia es un medio continuo, siendo que varios órdenes de magnitud por debajo de las medidas de una macro estructura hay granos del material, fibras, etc.? ¿Cómo se compatibiliza la idea de tensor de tensiones, para el que se toma limite en un medio continuo, con la de un objeto que en cada nivel de consideración presenta aspectos diferentes? Macro estructura : Entre 10 m y 10̄̄̄¹ >>> (automóviles, aviones, edificios, infraestructura civil, etc.). Relaciones debidas a elasticidad, plasticidad Micro estructura: Estructuras y componentes estructurales entre 10^̄5 m y 10^̄3 m (micrones).

11. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA MODOS DE FALLA EN ELEMENTOS ESTRUCTURALES MAS FRECUENTES Formaciones características del material que lo definen en escalas de 50 a 250 μm: granos en aleaciones metálicas, fibras de compuestos. Relaciones fenomenológicas, actualmente modelación de la micro estructura. Nano estructura . 10^-9 m, átomos. El nivel de nano estructura es estudiado mayormente por físicos y químicos. La nano-tecnología intenta diseñar materiales en el nivel atómico. Por otro lado la teoría de falla se divide en dos grandes grupos: 1. Falla de Materiales Dúctiles. En los materiales dúctiles la falla se presenta cuando el material empieza a fluir. (Falla por Deformación). 2. Falla de Materiales Frágiles. En los materiales frágiles la falla se presenta cuando el material se disgrega y/o sufre de separación de sus partes. (Falla por Fractura).

12. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA MODOS DE FALLA EN ELEMENTOS ESTRUCTURALES MAS FRECUENTES La Falla de materiales dúctiles se estudia por las siguientes teorías entre otras: 1.1. Teoría del Esfuerzo Cortante Máximo. También conocida como Teoría de Tresca, que establece “Que la fluencia del material se produce por el esfuerzo cortante”. La Teoría dice: “La falla se producirá cuando el esfuerzo cortante máximo absoluto en la pieza sea igual o mayor al esfuerzo cortante máximo absoluto de una probeta sometida a un ensayo de tensión en el momento que se produce la fluencia ”. 1.2. Teoría de la Energía de Distorsión. Teoría propuesta por R. Von Misses al observar que los materiales bajo esfuerzos hidrostáticos soportan esfuerzos mayores que sus esfuerzos de fluencia bajo otros estados de carga. La Teoría dice: “La falla se producirá cuando la energía de distorsión por unidad de volumen debida a los esfuerzos máximos absolutos en el punto critico sea igual o mayor a la energía de distorsión por unidad de volumen de una probeta en el ensayo de tensión en el momento de producir la fluencia”. 1.3. Teoría de Coulomb-Mohr Dúctil. Conocida también como la Teoría de la Fricción Interna. Esta teoría tiene en cuenta que el esfuerzo de fluencia a tensión es diferente al esfuerzo de fluencia a compresión.

13. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA MODOS DE FALLA EN ELEMENTOS ESTRUCTURALES MAS FRECUENTES La Teoría se basa en los ensayos de Tensión y Compresión, y establece que en el plano Deformación vs Corte, la línea tangente a los círculos de Mohr de los ensayos de tensión y compresión al momento de la fluencia es la localización de la falla para un estado de esfuerzos en un elemento. La Falla de materiales frágiles se estudia por las siguientes teorías entre otras: 2.1. Teoría del Máximo esfuerzo Normal. Esta teoría enunciada por W. Rankine dice: “La falla se producirá cuando el esfuerzo normal máximo en la pieza sea igual o mayor al esfuerzo normal máximo de una probeta sometida a un ensayo de tensión en el momento que se produce la fractura”. 2.2. Teoría de Coulomb-Mohr Frágil. Esta teoría se deriva de forma similar a la teoría Coulomb-Mohr Dúctil solo que, al tratarse de materiales frágiles, se tiene en cuenta las resistencias últimas del material a tensión y compresión en lugar de los esfuerzos de fluencia.

15. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA ESTUDIO DE CORTE Y DE TENSION DIAGONAL La “Falla por Tensión Diagonal” es similar a la “Falla por Compresión por Corte”, pero las grietas inclinadas aparecen súbitamente, provocando el colapso de la viga. Debido a esto, la “Falla por Tensión Diagonal” es mas peligrosa que la “Falla por Compresión por Corte”, por ser esta más violenta. Por mucho tiempo para medir la Tensión Diagonal se tomaba un porcentaje de la Resistencia Cilíndrica del concreto; es decir: Si v = V/(b.jd) > 0.03 f’c ≡ Se colocara refuerzo transversal en la viga. Sin embargo, posteriormente se determinó que la variación del Esfuerzo Cortante debida a la variación en la Resistencia Cilíndrica del Concreto era muy pequeña, (despreciable). No se conoce exactamente, ni la distribución ni el verdadero valor máximo de ftd (Esfuerzo por Tensión Diagonal). Si analizamos el comportamiento y modo de falla de una viga sin esfuerzos transversales, (sin área de acero transversal), mediante el ensayo considerado (Viga simplemente apoyada, dispuesta de dos cargas concentradas simétricamente), se tiene:

17. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA ESTUDIO DE CORTE Y DE TENSION DIAGONAL En el área de la grieta no se transmite ninguna fuerza, por lo tanto el corte debe ser resistido o absorbido por la fuerza de dovela, (esta fuerza es generada por el efecto de arco que se produce en el concreto) y por el concreto no agrietado; suponiendo que la componente de corte en el acero es muy pequeña (despreciable) comparada con la del concreto, aclarada esta suposición el equilibrio se conseguirá por la siguiente expresión: R.a = As.fs.jd La habilidad de la viga para alcanzar el equilibrio, depende principalmente, de la estabilidad de la zona de compresión, que depende a su vez del porcentaje de acero (p) y de la relación a/d; sin embargo, se considera que una viga ha fallado por Tensión Diagonal o por Compresión por Corte, al aparecer la primera grieta inclinada. Si analizamos el comportamiento y modo de falla de una viga con esfuerzos transversales, (con área de acero transversal), mediante el ensayo considerado (Viga simplemente apoyada, dispuesta de dos cargas concentradas simétricamente), se tiene:

18. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA ESTUDIO DE CORTE Y DE TENSION DIAGONAL 1. Los ensayos han mostrado que los estribos (acero transversal ≡ esfuerzo transversal no sufren alargamientos, hasta que se forme la primera grieta inclinada, recibiendo en ese momento un incremento brusco de sus esfuerzos, el cual hace que aumente la resistencia al corte de la viga, este aumento de resistencia al corte debe ser absorbido además por este esfuerzo transversal. 2. La Resistencia al Corte del Concreto es mayor; debido a que se tiene mayor área comprimida, además de la contribución del esfuerzo de dovela que se hace mayor debido a que los estribos no deja saltar al concreto. (Recubrimiento). Por equilibrio tenemos: Vu = Vuc + Vs + Vd Donde Vuc = vuc b.d y Vs = Avfv

19. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA DISEÑO POR DURABILIDAD El Concreto es el material de construcción más utilizado en las países industrializados. Sus prestaciones mecánicas y la poca necesidad de mantenimiento le han hecho el material más competitivo de entre todos los posibles. Sin embargo, en ambientes muy agresivos, su durabilidad se acorta debido a la corrosión de la armadura de acero. En los últimos veinte años el término “durabilidad” se ha estado escuchando con más frecuencia en la rama de la Ingeniería Civil. Países industrializados como los EEUU y algunos en Europa (España, Francia, Gran Bretaña, etc.), al igual que Japón, han tomado a la durabilidad como un tema de gran importancia, invirtiendo sumas millonarias en estudios de investigaciones específicas. Hace poco tiempo, aproximadamente una década, estos países han estado intentando incluir en sus códigos de diseño recomendaciones básicas para obtener un mejor uso de los materiales y así poder fabricar estructuras más durables. El principio fundamental de estas recomendaciones ha sido proporcionar las bases para el diseño por durabilidad de estructuras bajo condiciones ambientales diversas. Aunque innovadoras en su época, estas recomendaciones no contemplan la determinación directa de la durabilidad, sino proporcionan las reglas de ‘que se debe y no hacerse’ para obtener estructuras durables a diversos agentes externos. No es hasta el año 1996 cuando se propuso una metodología más completa sobre el tema de diseño por durabilidad, donde se estipula que:

20. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA DISEÑO POR DURABILIDAD “ Las estructuras deben de ser diseñadas de tal manera que su nivel mínimo de confiabilidad se asegure durante la vida útil propuesta, a pesar de degradaciones y envejecimiento de los materiales.” Es de primordial importancia cambiar la mentalidad del Ingeniero (en particular del Ingeniero Civil) con relación al diseño de una estructura, o elemento estructural, es necesario el diseño por cargas y por durabilidad conjuntamente para generar estructuras con una relación de costo/beneficio rentable. Las estructuras de concreto son regularmente consideradas como estructuras durables con un bajo costo de mantenimiento. Sin embargo, en las últimas tres décadas, se ha observado un incremento en agrietamientos y de laminaciones de elementos de concreto relacionados con la corrosión de la armadura de acero en el ámbito mundial. La interacción del concreto para con el acero de refuerzo (o pre-esfuerzo) se basa en que el concreto provee al refuerzo una protección tanto química como física en contra de la corrosión. La protección química se debe a la alcalinidad del concreto, la cual produce una capa de óxido (del orden de un par de manómetros) en la superficie del acero impidiendo que el acero continúe corroyéndose. A este fenómeno se le denomina pasividad, ya que la capa de óxido evita la propagación de la corrosión del acero.

21. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA DISEÑO POR DURABILIDAD Esta alcalinidad del concreto, es debida principalmente al hidróxido de calcio (CH) que se forma durante la hidratación de los silicatos (C2S, C3S, C3A, C4AF) del cemento y a los álcalis (sodio y potasio), que pueden estar incorporados como sulfatos en el clinker. Estas sustancias sitúan el ph de la fase acuosa contenida en los poros del concreto en valores entre 12,6 y 14, es decir, en el extremo más alcalino de la escala de ph. El concreto también funciona como una capa física protectora en contra de los agentes ambientales (oxígeno, agua, cloruros, dióxido de carbono) que puedan des-pasivar al acero e iniciar su corrosión . Sin embargo en un ambiente marino, los iones cloruro del agua de mar se acumulan en la superficie del concreto y lentamente se transportan a través del recubrimiento de concreto hasta llegar a la armadura. Cuando la concentración de los iones cloruro en la superficie del acero de las armaduras alcanza valores que exceden un nivel crítico, la protección de la armadura corre el peligro de desaparecer y la corrosión puede desencadenarse. Cuando el acero embebido en concreto se corroe, se reduce la sección de la barra de refuerzo de acero, ya que el fierro contenido en el acero reacciona con el oxígeno presente y se forma una capa de productos de corrosión (óxido o hidróxido de fierro) en el perímetro de la barra. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA DISEÑO POR DURABILIDAD INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA

22. El volumen ocupado por dicho óxido (o hidróxido) es mayor que el que ocupaba el acero original creando presiones contra el concreto, que rodea al acero, esto propiciando la formación de grietas y desprendimientos del concreto. Estas grietas y/o desprendimientos del recubrimiento de concreto además de ser antiestéticas, pueden disminuir el anclaje del acero y, potencialmente, la resistencia del elemento estructural . Conceptos Básicos de Durabilidad Funcionalidad y Durabilidad La funcionalidad es una cantidad cuantificable que está en función de la capacidad de carga de la estructura. La funcionalidad (o capacidad de carga) se cuantificará en este estudio basándose en el tiempo que se pretende dure la estructura. Cuando el concepto tiempo entra en juego en la evaluación de la funcionalidad de una estructura, varios factores externos (o factores de degradación) resultan en un primer plano. Como la funcionalidad está íntimamente relacionada con la durabilidad de una estructura, ésta se puede definir como la habilidad de mantener la funcionalidad requerida. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA DISEÑO POR DURABILIDAD

23. Degradación El concepto de degradación es, por definición, el decremento gradual de la funcionalidad de la estructura con el tiempo. Se puede cuantificar a la degradación como el inverso de la funcionalidad. Vida Útil Es el periodo en el que la estructura conserva los requisitos del proyecto sobre seguridad, funcionalidad y estética, sin costos inesperados de mantenimiento. Ahora bién, si la estructura careciera de cualquiera de estas tres propiedades (seguridad, funcionalidad y estética), ésta ya sobrepasó el periodo de su vida útil. En el diseño de estructuras por durabilidad, el requerimiento de la vida útil de la estructura puede ser definido de antemano por el cliente, por lo que se le llamará vida útil de servicio. Vida Residual Se entiende por vida residual , al tiempo a partir del momento que la estructura alcanza el anterior límite aceptable (fin de la vida útil). Este es el periodo en el que la estructura necesitaría reparación, remodelación o completa renovación para que regrese a su estado de servicio original; esto es que sea segura, funcional y estética INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA DISEÑO POR DURABILIDAD

24. En pocas palabras, la etapa de vida residual es el tiempo que tiene el dueño de la estructura, o elemento estructural, para repararla antes que la degradación avance hasta el límite de posible colapso. Estado Límite de Servicio (ELS) y Estado Límite Ultimo (ELU) Los valores mínimos de servicio (o valores máximos aceptables de degradación) son llamados los estados límites de la durabilidad de una estructura, estos son principalmente dos: 1. Estado límite de servicio (ELS) y 2. Estado límite último (ELU). El primero (ELS) correspondería al punto en el tiempo el cual la estructura ha llegado a su vida útil. En el segundo caso (ELU), es el estado en que la estructura o elemento estructural se encuentra asociado con colapso u otra forma similar de falla estructural. Probabilidad de Falla La probabilidad de falla se podría definir como la probabilidad de exceder cierto estado límite, ya sea el ELS o el ELU. El término ‘falla por durabilidad’ es usado cuando existe una falla por degradación del material en una estructura o elemento estructural, en comparación de “falla mecánica”, la cual es causada por cargas mecánicas externas. Es importante notar que la falla por durabilidad podría generar una falla mecánica. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA DISEÑO POR DURABILIDAD

25. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION GUAYANA DISEÑO POR DURABILIDAD La teoría del diseño por durabilidad está basada en la teoría de seguridad tradicionalmente usada en diseño estructural (diseño por confiabilidad estructural). En este contexto el término seguridad de una estructura se define como la capacidad de una estructura de resistir, con un grado de certidumbre aceptable, la posibilidad de falla debido a la degradación gradual de la estructura producida por agentes agresivos del medio ambiente. Tradicionalmente la metodología del diseño por seguridad estructural ha sido exclusivamente aplicada a mecánica estructural. Un nuevo giro que se le ha dado a la teoría por seguridad estructural es la incorporación del factor tiempo dentro del diseño, permitiendo la posibilidad de incluir la degradación del concreto como una parte esencial en el diseño de la estructura. La seguridad en contra de la falla será considerada una función del tiempo, diseñando la estructura por serviciabilidad incluyendo el requerimiento de vida útil que deberá de cumplirse. El modelo matemático más simple que describe el evento de ‘falla’ involucra una variable de cargas externas, S, y una variable de resistencia del material, R. Si las variables S y R son independientes del tiempo. El evento ‘falla’ podría expresarse de la siguiente manera: {falla} = { S < R }