1. CAPTULO IVDESCRIPCIN DE FALLAS MS COMUNES EN ESTRUCTURASDE CONCRETO REFORZADO Y DE MAMPOSTERAEn este captulo descriptivo se citan y explican los tipos de fallas ms importantes que seregistran en estructuras de concreto reforzado y mampostera, tras la ocurrencia deeventos ssmicos. Los aqu citados corresponden a eventos ssmicos anteriores endistintas localidades del mundo. Toda la informacin referida en este captulo estescencialmente tomada de los apuntes de Comportamiento Estructural en Obra Civil delDoctor Ral Serrano Lizaola cuya referencia bibliogrfica es Serrano, L.R. (2001).El entendimiento del comportamiento ssmico de las estructuras ha requerido de laidentificacin de las caractersticas que han conducido a las fallas, o bien, a un buencomportamiento estructural, y, tambin, del anlisis de los tipos de daos 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 tensin diagonal en columnas o en vigas.c) Falla por adherencia del bloque de unin 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

2. e) Vibracin 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) Variacin brusca de la rigidez a lo largo de la altura del edificio.h) Golpeteo entre edificios.i) Amplificacin de los desplazamientos en la cspide 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 variacin de la base hasta la cspide del edificio es progresivamentecreciente, generan fuerzas cortantes decrecientes desde la base hasta la cspide, mismasque deben ser resistidas en cada nivel por el conjunto de dichos elementos verticales. Deesta forma, es necesaria un rea 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 Mxico antes y despus delsismo del 28 de Julio de 1957, cuya magnitud fue de 7.5 grados, y el que caus el colapsodebido a la falla por cortante de sus columnas.50 3. Figura 4.1.1 Antes y despus del sismo del 28 de julio de 1957 en MxicoAnlogamente, en las figuras 4.12 y 4.13 se ilustran diferentes estructuras de concretoreforzado, antes y despus del sismo del 29 de Febrero de 1960, acaecido en la ciudadcostera marroqu de Agadir.Figura 4.1.2 Hotel Saada antes y despus del sismo de Agadir51 4. Figura 4.1.3 Restaurant La Rserve antes y despus del sismo de Agadir4.2 Falla frgil de cortante y tensin diagonal en columnas o en vigas.Es muy importante que las edificaciones cuenten con una capacidad de deformacinsuficientepara soportar adecuadamentela solicitacin ssmica sin desmeritar,obviamente, su resistencia. Cuando la respuesta ssmica de la edificacin es dctil, sepresentan elevadas deformaciones en compresin debidas a efectos combinados de fuerzaaxial y momento flector.Figura 4.2.1 Efecto combinado de carga axial y momento flexionantesobre columna sin y con refuerzo transversalCon solo colocar refuerzo transversal estrechamente separado y bien detallado en laregin de la rtula plstica potencial, puede evitarse que el concreto se astille seguido del52 5. pandeo por inestabilidad del refuerzo a compresin.Esto implica el detallado de lassecciones para evitar una falla frgil 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 ncleo de concreto en su base. Se puede apreciar cmo elconcreto, ante la falta de confinamiento por estribos, se desconcha al abrirse stosseguido del pandeo lateral del refuerzo longitudinal. Este tipo de falla se origina debido ala gran concentracin 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 ssmicas. Muchas estructuras se han colapsadocomo resultado de un inadecuado confinamiento del ncleo de concreto en columnas. Elmismo tipo de falla puede presentarse tambin en secciones intermedias y superiores delas columnas. El confinamiento del ncleo de concreto evita tambin la falla por tensindiagonal producida por fuerza cortante. Este tipo de falla est caracterizado por laformacin de grietas inclinadas. 53 6. Figura 4.2.2 Falla por tensin diagonal en columnas con estribos Figura 4.2.3 Falla por tensin diagonal en columna zunchada54 7. 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 di suficiente confinamiento al concreto y muy pocaresistencia a la tensin diagonal.La figura 4.2.4 muestra una de estas columnas, la cual, al igual que las restantes de estepiso, qued totalmente desintegrada ocasionando el colapso total del primer piso deledificio.Figura 4.2.4 Desintegracin total de columna de planta baja55 8. Aunque menos frecuente que en las columnas, las vigas tambin suelen fallar por tensindiagonal provocada por la fuerza cortante, as como lo muestra la figura 4.2.5 Figura 4.2.5 Falla por tensin diagonal producida por cortante en vigas4.3 Falla por adherencia del bloque de unin 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 pneles, 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 9. Figura 4.3.1 Desconchamiento del concreto en unin viga-columnaLa falla de una conexin viga-columna debida a la escasez de anclaje del refuerzo de lacolumna en su unin con el sistema de piso se ilustra en la figura 4.3.2 Figura 4.3.2 Falla en unin viga-columna por escasez de anclaje en la conexin de la columna con el sistema de piso57 10. Figura 4.3.3 Falla por deficiente adherencia en conexin viga-columna y croquis de anclaje a 90 para el desarrollo de la fluencia requerida ante solicitacionescclicas propias de la accin ssmica4.4 Falla frgil 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 ssmicas. Ante estasolicitacin, las fallas que suelen presentarse son en su unin 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 Mdico Indian Hills y del Hospital Holy Cross, presentaron una gran grietahorizontal y desconchamiento del concreto en su unin con el sistema de piso. La figura4.4.1 muestra esta situacin.58 11. Figura 4.4.1 Vista de la fachada del Centro Mdico Indian HillsFigura 4.4.1 B Acercamiento de daos 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 s tanto en forma como en el tipo de dao sufridodespus del sismo de Alaska de 1964. Un detalle muy interesante fue que ambos edificios59 12. fueron construidos en la misma orientacin, aunque estaban separados cerca de 1500 m.Para resistir las fuerzas ssmicas, el edificio Mt. McKinley estuvo diseado con murosexteriores de cortante unidos mediante vigas de acoplamiento, mientras que el de la Calle1200 L, adems de las paredes exteriores, tuvo ncleos de muros de cortante en loscubos de escaleras. En ambos edificios, los muros exteriores presentaron fracturashorizontales en su unin con las losas as como grietas en forma de X por tensindiagonal en los antepechos.Figura 4.4.2 Grieta y desconchamiento del concreto en muro de cortantey acercamiento del dao del edificio del Hospital Holy CrossEste ltimo tipo de falla es tpico en las vigas de acoplamiento y se debe a demandas degran ductilidad y de elevadas fuerzas cortantes como consecuencia de su corta longitud.60 13. Figura 4.4.3 Daos en fachada norte del edificio Mt. McKinleyFigura 4.4.3 B Vista y acercamiento de daos con falla en X de vigas de acoplamiento en muros de cortante61 14. Figura 4.4.3 C Dao en fachada norte del edificio de la Calle 1200 L, y esquema queilustra la falla por tensin diagonal en vigas de acoplamiento de muros de cortante.Sin un diseo adecuado para los niveles de ductilidad a flexin y a cortante esperadosante sismos intensos, se pueden presentar fallas por flexin o por cortante en murosestructurales que constituyen la resistencia primaria a fuerzas laterales de edificios.4.5 Falla por vibracin torsional causada por la falta de coincidencia en planta delcentro de masas con el centro de rigidez.La asimetra en la distribucin en planta de los elementos estructurales resistentes de unedificio causa una vibracin torsional ante la accin ssmica y genera fuerzas elevadas enelementos de la periferia del edificio.La vibracin torsional ocurre cuando el centro de masa de un edificio no coincide con sucentro de rigidez (Figura 4.5.1). Ante esta accin, el edificio tiende a girar respecto a su 62 15. centro de rigidez, lo que causa grandes incrementos en las fuerzas laterales que actansobre los elementos perimetrales de soporte de manera proporcional a sus distancias alcentro de rotacin. Figura 4.5.1 Vibracin torsional causada por la falta de coincidenciaentre 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 asimtrico situado en la vecindad de las columnas dando lugar a unaconcentracin de elementos rgidos y a una consecuente asimetra en planta, situacinque fue responsable de la falla en torsin de la columna ante la accin ssmica (Figura4.5.3).63 16. Figura 4.5.2 Planta de ubicacin de columnas con falla.Figura 4.5.3 Dao por vibracin torsional en columna perimetral 64 17. 4.6 Falla de edificios a base de losas planas por punzonamiento de la losaOtro caso de falla de conexin 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 mismosmantenindose de pie solo las columnas (Figura 4.6.1) Figura 4.6.1 Falla de un edificio a base de losas planaspor punzonamiento de losaLas fallas en las conexiones generalmente son frgiles, por lo que estas zonas debenprotegerse con especial cuidado y disearse detalladamente. 65 18. 4.7 Falla por variacin 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 ltimo lamayora de las veces confinado por el marco proporcionndoles a los pisos superioresuna mucho mayor rigidez que la de planta baja.Esta situacin conduce a una concentracin de daos en la llamada planta dbil deledificio, la cual posee una rigidez mucho menor en comparacin con la de los pisossuperiores. En la figura 4.7.1 se muestra el colapso de un edificio tpico de planta dbil.Figura 4.7.1 Falla en planta dbil de edificioLa planta baja de este edificio se dise con base en un sistema de marcos rgidos y enlos pisos superiores se contempl un sistema de muros con lo cual la rigidez en elevacin66 19. vari, lo que provoc 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 stano, tuvo masas grandes innecesarias, as como discontinuidades significativas enelevacin (Figura 4.7.2 B) pues, mientras los cuatro niveles superiores se construyeron demuros de rigidez confinados por marcos rgidos, los dos pisos inferiores se estructuraronmediante marcos rgidos. Todas las columnas en planta baja fueron zunchadas, conexcepcin 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 A67 20. Figura 4.7.2 BLas discontinuidades en rigidez, resistencia y ductilidad, as como la presencia de masasinnecesarias, jugaron un papel importante en la respuesta estructural del edificio ante elsismo. ste no se colaps, 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 reparacin de los daos,tanto estructurales como no estructurales, resultaba antieconmica.Los pequeos y muy separados estribos de la columna de esquina no proporcionaron elconfinamiento adecuado al ncleo de concreto ni la resistencia suficiente a tensindiagonal por cortante. Como resultado, la columna no tuvo ductilidad y fall frgilmente(Figura 4.7.3).68 21. Figura 4.7.3 Columna de esquina severamente daadaFigura 4.7.4 Vista del dao general en columnas de primer nivel69 22. Cerca de la columna de esquina se encuentra una zunchada (Figura 4.7.3), misma quepermaneci intacta. A pesar de la extrema deformacin plstica la columna, sta no secolaps y sigui resistiendo la carga muerta de los cuatro pisos tras la ocurrencia delevento ssmico. Este estupendo comportamiento denota una fantstica ductilidad delelemento debido a que el confinamiento proporcionado por el zuncho incrementenormemente la resistencia ltima y redujo la deformacin del ncleo de concretohabiendo, tambin, proporcionado una elevada resistencia a cortante o tensin diagonal(Figura 4.7.4).Otro ejemplo distintivo de cambio de rigidez a lo largo de la altura, es el diseo deledificio de la figura 4.7.5 B que contempl muros no estructurales en todos los pisos,pero durante el proceso constructivo solo se colocaron los de los ltimos tres niveles, porlo que el sismo de Erzincan, Turqua, de 1992, le produjo dao estructural, el cual seconcentr en el primer piso, dejando el resto de la edificacin totalmente fuera deservicio.Figura 4.7.5 A Plantas del edificio70 23. Figura 4.7.5 B Evidencia de la concentracin de dao en piso dbil4.8 Falla por golpeteo entre edificios.Si no existe una separacin suficiente entre edificios adyacentes, su manera distinta devibrar ante la solicitacin ssmica conduce al golpeteo entre ellos producindoles severosdaos. En la figura 4.8.1 se tiene el caso de la falla de un edificio por golpes en la juntade construccin por la accin del sismo de Tokachi-Oki, Japn.Figura 4.8.1 Falla por golpeteo en la junta entre edificios adyacentesEste tipo de falla puede ser ms 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 24. las columnas del otro. As lo muestra la figura 4.8.2 de un edificio de la ciudad deMxico en el sismo de septiembre de 1985. Figura 4.8.2 Falla debida al golpeteo entre edificios adyacentesque no coinciden en altura sus entrepisos4.9 Falla en columnas de pisos superiores por la amplificacin de losdesplazamientos en la cspide de los edificios.Al propagarse las vibraciones inducidas por el sismo desde la base hasta la cspide de losedificios, se presentan amplificaciones de la vibracin a lo largo de su altura, que seacentan en sus niveles superiores, principalmente en edificios altos, lo que conduce auna elevada concentracin 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 mansinCharaima, 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 amplificacin de las 72 25. vibraciones de los pisos superiores respecto a los inferiores. Este fenmeno 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 unin de concreto nuevo con viejotras la interrupcin del colado durante el proceso constructivo.4.10 Falla frgil de cortante en columnas acortadas por el efecto restrictivo aldesplazamiento causado por elementos no estructurales.La interaccin entre elementos no estructurales, tales como muros divisorios demampostera, 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 sta hasta donde llega la altura de ellos. Esto conduce a que la porcin libre 73 26. de la columna adquiera mucho mayor rigidez en comparacin de las dems columnas delmismo piso, que no estn confinadas ni restringidas, en ninguno de sus lados, porelementos no estructurales, generndose as elevados esfuerzos de corte en la columnacorta dando lugar a consecuencias desastrosas. Figura 4.10.1 Deformacin lateral de columna corta confinada parcialmente por murosAnte la insuficiente ductilidad de la columna acortada, la falla se genera por tensindiagonal producida por elevados esfuerzos cortantes y es ms frgil respecto a la de lascolumnas no restringidas parcialmente debido a que su longitud deformable es muchomenor. Esta situacin puede evitarse si se deja suficiente separacin entre la columna y elmuro de relleno para que as sta se deforme libremente durante la solicitacin ssmica.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 27. Figura 4.10.2 Falla por tensin diagonal en columna acortada por antepechosFigura 4.10.3 Falla por incremento de fuerza cortante en columna corta75 28. Figura 4.10.4 Falla en columna corta restringida en sus extremos por antepechos76