UNIDAD 5. CLASIFICACIÓN DE DAÑOS Y CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS MISMOS EN ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO

Tipos de daño en elementos estructurales de concreto reforzado

En éste capítulo aprenderás a identificar los distintos tipos de fallas que se presentan con mayor frecuencia en columnas, muros, viga y losa de concreto, además, de tipificar e indicar el nivel de daño dependiendo de su gravedad.

Para clasificar y tipificar el tipo de daño en los elementos de concreto te guiarás mediante la caracterización del tipo de grietas (posición, dirección y anchura) que presentan los distintos elementos estructurales que conforman la estructura a evaluar. Además, con las habilidades aprendidas en éste capítulo podrás asociar los agentes más comunes que originaron la aparición de éstas.

Fallas más comunes en elementos de concreto

La falla o fallas de los elementos estructurales de concreto que integran las estructuras (casas, hospitales, puentes, etc.) se deben generalmente a deficiencias en la calidad de los materiales, malas prácticas durante el proceso constructivo y carencias durante el proceso de diseño al estimar los agentes externos que las afectan. Cabe aclarar que no siempre (pocas veces) la presencia de grietas indica un daño en la seguridad estructural, por lo regular el concreto durante su vida experimenta agrietamiento por diferentes causas ajenas a pérdida significativa de la resistencia.

A continuación te presentaremos las fallas más comunes en elementos de concreto y las causas que las originan.

Tipos de fallas en columnas

Las columnas de concreto tienen como función fundamental transmitir las cargas gravitacionales (verticales) de las losas hacia los cimientos y estos a su vez al suelo. Las columnas de concreto principalmente trabajan bajo cargas de compresión en combinación de fuerzas laterales. La geometría de las columnas puede ser de diferentes secciones, pero comúnmente se acostumbra construirlas de sección cuadrada, rectangular o circular.

Las columnas dentro de una estructura son uno de los elementos de mayor importancia, dicha importancia deriva a que una falla en éstas repercute en la estabilidad del sistema estructural, además, de que el sistema de piso (trabes y losas) depende de su correcto funcionamiento.

- Aplastamiento del concreto

El aplastamiento del concreto se presenta cuando las cargas que soportan las columnas son mayores a su resistencia a carga vertical de diseño o combinación de carga vertical y horizontal. Esta falla se presenta por varios factores, los más importantes son: concreto de baja resistencia, sección transversal (área) de columna insuficiente, refuerzo longitudinal escaso y mal estribado. La falla se evidencia mediante la formación de pequeñas grietas (menos a 0.5mm), además, del desprendimiento del recubrimiento del concreto. Si la falla es muy severa, se hará visible e aplastamiento del concreto y se visualizará el pandeo la las barras longitudinales (figuras 1 y 2). Una vez que se presenta este daño, la capacidad resistente de la columna para soportar cargas verticales se ve disminuida considerablemente y muy posiblemente ocurra un colapso en esta zona, es importante que a la primera evidencia de este tipo se falla se reporte a un experto en la materia.

Figura 1. Falla por aplastamiento del concreto en columna interior de una vivienda.http://ceenve.calpoly.edu/faculty-pages/goel/indian_eqk/index.htm 53.jpg

Figura 2 Patrón de aplastamiento, desprendimiento y caída del concreto, posteriores al agrietamiento. Norma para la evaluación del nivel del daño por sismo en estructuras y guía técnica de rehabilitación (Estructuras de Concreto Reforzado), CENAPRED

- Falla por flexión

La falla por flexión en columnas se evidencia por la presencia de grietas transversales, comúnmente se presenta en los extremos de las vigas y al centro del claro (figura 3). Esta falla se origina por diversas causas, entre las más típicas tenemos: escasa sección transversal, refuerzo longitudinal deficiente, fuerzas laterales debidas a sismo y viento mayores a las previstas, asentamientos de la cimentación, hinchamiento o expansión del terreno. La presencia de pequeñas grietas transversales de tamaño menores a 0.5 mm es un indicador de este tipo de falla.

Figura 3. Patrón de agrietamiento por falla de flexiónNorma para la evaluación del nivel del daño por sismo en estructuras y guía técnica de rehabilitación (Estructuras de Concreto Reforzado), CENAPRED

- Falla por cortante

La falla por cortante se presenta cuando los esfuerzos cortantes son muy grandes, generados principalmente por fuerzas laterales de gran magnitud. Factores como la baja resistencia del concreto, sección trasversal escasa, poco refuerzo trasversal (estribos) o muy separado contribuyen en gran medida a su generación. Este tipo de falla se considera súbita, es decir, da muy poco aviso a su de la falla y cuando ésta se presenta, el elemento pierde considerablemente su capacidad resistente pudiendo provocar un colapso. La presencia de grietas inclinadas (aprox. 45°) con anchuras menores a 0.5mm, cercanas a los extremos de las columnas es un indicio de este tipo de falla (figura 4 y 5).

Figura 4. Patrón de agrietamiento por falla de cortanteNorma para la evaluación del nivel del daño por sismo en estructuras y guía técnica de rehabilitación (Estructuras de Concreto Reforzado), CENAPRED

Figura 5. Columna de concreto con falla severa por cortante (sismo de 1985, Ciudad de México)A column with significant shear damage (from the 1985 Mexico City Earthquake, original image from the EqIIS Collection, described below)http://www.arch.virginia.edu/~km6e/tti/tti-summary/part-2.html

Tipo de fallas en muros

Los muros de concreto son elemento de gran ancho en relación con su espesor, se utilizan para apoyar o soportar los sistemas de pisos (losas), además, de aportar resistencia lateral a la estructuras. Por lo regular son de sección contante rectangular pero pueden variar en sus dimensiones tanto en espesor como en ancho a los largo de toda su altura. Para evitar grietas y fallas durante su funcionamiento (vida útil) es necesario dotarlo de acero refuerzo tanto longitudinal y transversal. Las fallas más comunes que presentan estos elementos se describen a continuación:

- Falla por flexión

Ésta falla se presenta cuando la capacidad o resistencia generada por el ancho del muro y su refuerzo longitudinal es superada por las fuerzas externas paralelas a su plano (fuerzas laterales). La aparición de grietas transversales en un extremo y aplastamiento (desprendimiento) del concreto en la esquinas del muro es un indicio de la presencia de esta falla (figura 6). Comúnmente esta falla solo se presenta en muros altos (mayores a 5 m), en donde las fuerzas laterales sí logran desarrollar grandes fuerzas. Esta falla pocas veces se observa en muros de pequeña altura o largos.

Figura 6. Falla por flexión en muro de concreto. Viña del Mar, Chile 2011.http://eqclearinghouse.org/co/20100227-chile/wp-content/uploads/2010/03/from-the-Condominio-Toledo-where-the-shear-walls-in-the-back-failed-lots-of-damage-in-the-upper-stories-too21.jpg

- Falla por cortante o tensión diagonal

La falla por cortante o tensión diagonal es una las más comunes en muros de concreto. Se presenta común mente en muros cortos, es decir, menores a 5m. La falla por cortante se origina debido a la acción de fuerzas laterales (paralelas a su plano) inducidas al muro que rebasan la capacidad resistente de ésta. Estas fuerzas comúnmente provienen de fuerzas de origen sísmico. Varios de los factores causantes de este de falla a cortante en muros de concreto se debe comúnmente a: sección insuficiente del muro (poco espesor), refuerzo trasversal insuficiente y fuerzas laterales excesivas a las previstas. La presencia de grietas inclinadas de anchura no mayor a 0.5mm, formando un ángulo de 45° respecto a la vertical, y posible aplastamiento del concreto en las esquinas del muro, tanto superior o inferior, es un indicio de la existencia de daño por cortante (figura 7). Si la falla es muy severa el aplastamiento del concreto es abrupto y cabe la posibilidad que el refuerzo longitudinal se vea expuesto y casos extremos se pandee. La resistencia lateral del muro se ve disminuida considerablemente y se presenta comúnmente en muros de pequeña altura o muy largos.

Figura 7. Falla por cortante. Chile 2011

http://eqclearinghouse.org/co/20100227-chile/wp-content/uploads/2010/03/from-the-Condominio-Toledo-where-the-shear-walls-in-the-back-failed-lots-of-damage-in-the-upper-stories-too21.jpg

- Falla por deslizamiento (corte-cizalle)

La falla por deslizamiento es por lo regular a consecuencia de la combinación de la falla a flexión y cortante y se produce al conectarse las dos grietas formadas por flexión y cortante en ambos extremos del muro. Este efecto se produce por el vaivén de las estructuras producidas por las fuerzas laterales inducidas por sismo. El deslizamiento en los muros de concreto es muy peligroso, ya que una vez formada la falla, las losas de los pisos arrastran o hacen girar al muro fuera de su plano generando un aplastamiento del concreto en la zona de falla, reduciendo drásticamente la resistencia de este y haciendo inestable la estructura (figura 8 y 9). Esta falla es producida por grandes fuerzas laterales y se ubican frecuentemente en juntas de colado en muros, comúnmente en muros altos. El daño se puede agravar significativamente cuando hay segregación del concreto (dispersión de la grava con la mezcla debida a una mala práctica durante el colado del muro) o que el traslape del acero longitudinal se haga en una misma sección transversal.

Figura 8. Esquema del patrón de agrietamiento de falla por deslizamiento en muros de concreto

Figura 9. Falla por deslizamiento en muro de concreto. Chille 2011http://eqclearinghouse.org/co/20100227-chile/wp-content/uploads/2010/03/from-the-Condominio-Toledo-where-the-shear-walls-in-the-back-failed-lots-of-damage-in-the-upper-stories-too21.jpg

Tipo de fallas en vigas

Las vigas o trabes de concreto se utilizan para apoyar losas de pisos y techos y van sujetas a columnas o muros. Las vigas de concreto son elementos de sección transversal constante o variable en toda su longitud. Para evitar grietas y fallas en el comportamiento de las vigas es necesario realizar un buen diseño del armado de acero tanto longitudinal como transversal ya que estos proporcionaran mayor resistencia y seguridad al elemento. Las fallas más comunes que presentan estos elementos se mencionan a continuación:

- Falla por flexión

La falla por flexión se origina por diversos factores, entre los más frecuentes se encuentran los debido a: cargas gravitacionales y laterales (viento y sismo) excesivas, deficiente refuerzo longitudinal en zonas de máximo solicitud o esfuerzo, dimensiones de la sección pequeñas (poco peralte), longitud mayor a la prevista en proyecto, descimbrado prematuro o incorrecto. La resistencia del concreto es una variable que no juega un papel importante en la resistencia a flexión del concreto, pero no por eso es un factor que deba despreciarse ya que la durabilidad de la pieza si es proporcional a su resistencia. Una adecuada cantidad de refuerzo longitudinal junto a una correcta distribución de estribos influye de manera significativa a la resistencia a flexión y su capacidad para poder disipar energía inducida por las fuerzas laterales, principalmente las inducidas por sismo. La aparición de grietas verticales menores a 0.5 mm, ubicadas comúnmente en los extremos o en el centro de la viga es un indicador común de esta falla (figura 10 y 11). La falla a flexión es un tipo de daño que da aviso y que paulatinamente va aumentando y pocas veces genera inestabilidad estructural que provoque un colapso.

Figura 10 Ensayo de viga a flexión realizado en el laboratorio del CENAPRED.

Centro del claro Apoyo izquierdoFigura 11. Patrón de agrietamiento de la viga de la figura 10. CENAPRED

- Falla por cortante

La falla por cortante se origina por excesivos esfuerzos de tensión diagonal acompañados por esfuerzos cortantes, los cuales se evidencian en grietas inclinadas, cercanas a 45° (figura 13). Las causas más frecuentes que generan este tipo de falla son: cargas mayores a lo previsto, sección insuficiente de la viga (ancho pequeño), poca resistencia del concreto, refuerzo transversal (estribos) insuficiente o muy separado, escasa longitud de anclaje o mala colocación y preparación geométrica de los estribos. La falla por cortante en vigas se evidencia como se mencionó anteriormente por grietas inclinadas, cercanas a los 45° y ancho de grieta menores a 0.5 mm. La falla por córtate es una falla frágil, ya que su mecanismo de falla es muy repentino y puede generar un colapso.

Figura 13 Ensaye de viga a cortante. La grieta de la derecha es un patrón de grieta a cortante, se puede ver claramente su inclinación de 45°.https://nees.org/warehouse/experiments/1169

- Exceso de deformaciones verticales

Esta falla se puede presentar desde el descimbrado de la viga (a temprana edad) o cuando la pieza ya está en funcionamiento para las

cargas para la que fue diseñada. El exceso de deformaciones verticales (perdida de la horizontal) se puede apreciar a simple vista y por lo regular el desplazamiento máximo se presenta al centro de la viga. Este tipo de falla no es muy peligrosa y se puede catalogar dentro de daño ligero o medio. Esta falla a la percepción de las persona da una sensación de inseguridad y crear suspicacias sobre si la viga fue correctamente diseñada o construida. Los agentes más frecuentes que causan estas fallas son: baja calidad en la elaboración del concreto, sección insuficiente de concreto (poco altura de la viga), descimbrado prematuro, longitud excesiva de la viga (mayor a la prevista en proyecto) y exceso de carga (mayor a la prevista en proyecto). Esta falla comúnmente está acompañada con un patrón de grietas muy parecido a la falla por flexión.

Tipo de fallas en losas

Una losa de concreto armado, es la superficie plana comúnmente horizontal o inclinada de una estructura, común mente llamada piso. Se dice que es armada porque en su interior está compuesta de concreto y una especie de "red" malla llamada parrilla, compuesta de varillas amarradas entre sí. Las cargas que actúan sobre las losas son esencialmente perpendiculares al su superficie (plano) de las mismas, por lo que su comportamiento está dominado por la flexión. Las fallas típicas que presentan estos elementos se presentan a continuación:

- Falla por flexión

La falla por flexión en losas de concreto se origina usualmente debido a: escaso refuerzo longitudinal, deficiencias en su colocación del refuerzo, sección insuficiente de concreto o pequeño peralte (poco espesor), longitud mayor a la prevista en proyecto, descimbrado prematuro o incorrecto y cargas excesivas. La presencia de este daño se hace constar por la aparición de grietas con anchuras menor a 0.5 mm que se forman desde el vértice de una de las esquinas de la losa llegando a desarrollar hasta el otro vértice (figura 14). Este daño podría ser confuso identificarlo para un técnico inexperto ya que podría confundirlo con algunas de las tantas patologías que sufre el concreto, las cuales quedan fuera del alcance de este curso.

Figura 14. Patrón típico de falla a flexión en losas de concreto. Vista inferior de una losa de concretoR. Park and W.L. Gamble. Reinforced concrete Slab. 2nd edition. Jonh wiley & Son, INC. 2000.

- Falla por deformaciones verticales

Esta falla se puede presentar desde su descimbrado de la losa a muy temprana edad o cuando la pieza ya está en funcionamiento para las solicitudes para la que fue diseñada. A este tipo de falla se le dice común mente “se colgó la losa”. La falla se puede apreciar por excesivas deformaciones y regularmente se nota a simple vista. Casi siempre o siempre el desplazamiento máximo se presenta al centro de la losa. Esta falla no es muy peligrosa y se puede considerar dentro de daño ligero o medio, pero si da una sensación de mucha inseguridad y poca comodidad a los usuarios de los inmuebles. Los agentes más frecuentes que causan estas fallas son, baja calidad en la elaboración del concreto, sección insuficiente de concreto (pequeño peralte), descimbrado prematuro, longitud excesiva de la losa (mayor a la prevista en proyecto).

- Falla por cortante por penetración o punzonamiento

Esta falla se presenta comúnmente en losas planas (losas sin vigas), pero esto no exenta que las losas apoyadas perimetralmente en vigas no presente este tipo de daño. El patrón de agrietamiento se empieza a generar por lo regular cerca de los apoyos de las losas, muros y columnas. La falla por penetración en las losas de concreto se genera principalmente por: poco espesor de la losa, baja resistencia del concreto, colocación deficiente del acero de refuerzo en la periferia de los apoyos de la losa y cargas excesivas. La evidencia más común de esta falla es la aparición de grietas menores a 0.5 mm visibles en la superficie inferior de la losa, cercanas a las zonas donde se apoya y que puede ser cerca de columnas, trabes y muros (figura 14 y 15). Esta falla en losas es muy peligrosa ya que una vez punzonada la losa, esta pierde su capacidad de sostenerse y colapsa rápidamente.

Figura 14 Falla por punzonamientohttp://www.designtoeurocodes.com/forums/content.php/155-Punching-shear-design-according-to-Eurocode-2

Figura 15. Losa colapsada por punzonamiento en estacionamientoRobin Whittle (2013). Failures in concrete structures. Case Studies in Reinforced and Prestressed concrete. CRC.

Clasificación del nivel de daño en elementos de concreto

En este apartado desarrollarás la habilidad de clasificar el daño en elementos de concreto reforzado y dependiendo de la gravedad y repercusión a la seguridad estructural de la edificación en revisión se calificará con un cierto nivel de daño.

Principalmente, la causa de aparición de grietas (presencia de daño) en las estructuras es debido a la interacción de estas con los distintos fenómenos ambientales que existen en la naturaleza (sismo, viento, etc.), además, de los fenómenos de origen antropogénico (causantes por la actividad humana, ej. explosiones, colisiones, etc.). La aparición de grietas en las estructuras es indicador de algún tipo de daño y dependiendo del tipo de grieta, anchura, dirección y posición en los diferentes elementos estructurales se asignara un nivel a éstos. La evaluación del daño se clasificará en tres niveles DISTINTOS, los cuales van a ser, daño ligero, medio y severo.

Para clasificar el tipo de daño te basaras en identificar mediante una inspección visual el tipo de falla que presentan los elemento afectados, además, para su clasificación cualitativa te apoyaras del uso de tus herramientas básicas de evaluador. Con ayuda del grietrometro medirás los anchos de grieta máximos en los distintos elementos que presenten daño. Usando el flexómetro medirás las dimensiones y la distribución de los distintos elementos estructurales, de esa forma podrás generar croquis de la distribución en plantas de columnas, muros y trabes que servirá de guía para la elaboración de tu reporte o de información preliminar que deba revisar un experto. Con la plomada verificaras que los elementos estructurales como columnas y muros no presenten problemas de perdida de la vertical, es decir, estén ladeándose.

Con lo aprendido en la sección anterior y el uso de las tablas 1, 2, 3 y 4 presentadas a continuación podrás de manera práctica y sencilla evaluar el tipo de daño en elementos de concreto.

Tabla 1 Clasificación del nivel de daño en columnas y muros Nivel de daño Descripción del tipo de daño en columnasLigero Agrietamiento distinguible a simple vista, con anchos entre

0.2 mm a 1.00 mm. Deformaciones imprescindibles a la vista.Medio Aparecen grietas grandes e inclinadas, con ligero

desprendimiento del concreto, los anchos de grieta van de 1.00 mm a 2.00 mm y posible exposición del acero de refuerzo. Se aprecian ligeras deformaciones laterales.

Severo Aparición de gran cantidad de grietas mayores a 2.00 mm, pandeo del refuerzo longitudinal, aplastamiento del concreto en el núcleo (degradación) y desprendimiento. A simple vista se aprecia deformaciones tanto laterales como verticales en columnas (perdida de la verticalidad). En algunos casos se puede observar el refuerzo principal fracturado y fuera de su posición.

Tabla 2 Clasificación del nivel de daño en trabesNivel de daño Descripción del tipo de daño en trabesLigero Agrietamiento distinguible a simple vista, con anchos entre

0.2 mm a 1.00 mm. Deformaciones imprescindibles a la vista.Medio Aparecen grietas comparativamente grandes que van de un

1.00 mm a 2.00 mm, posible desprendimiento insipiente del concreto. Se aprecia ligera deformación vertical.

Severo Aparición de gran cantidad de grietas anchas mayores 2 mm y ligero desprendimiento del concreto, posible fractura del refuerzo principal. A simple vista se aprecian grandes deformaciones verticales en trabes.

Tabla 3 Clasificación del nivel de daño en losasNivel de daño Descripción del tipo de daño en losasLigero Se aprecia agrietamiento distinguible a simple vista en la

superficie inferior de las losas, anchos de grieta entre 0.2 mm a 0.05 mm, el patrón de grietas comúnmente tienden a ir de

columna a columna o muro a muro y puede ser inclinado o con orientaciones distintas. Deformaciones verticales imprescindibles a simple vista.

Medio Aparecen grietas comparativamente grandes que van de 0.5 mm a 1.0 mm. El patrón de grietas queda bien definido y se podría decir que muchas de las grietas crecieron hasta juntarse o llegar a una columna o muro. Además, en caso de que la losa comience a punzonar empezarán a crearse grietas alrededor de la unión entre los muros, columnas, trabes con la losa. Se aprecia deformación vertical.

Severo Aparición de gran cantidad de grietas anchas (mayores a 1 mm) alrededor de muros, columnas y trabes. A simple vista se aprecia gran deformación vertical de la losa, es decir, se colgaría. Pocas veces el refuerzo principal se ve fracturado. Desprendimiento del concreto. Posible riesgo de punzonamiento de la losa.

Cuando el daño en las estructuras es de nivel severo y la cantidad de elementos estructurales que presenten agrietamiento en un mismo nivel es alto, es recomendable acudir a un especialista en seguridad estructural.

Con lo aprendido en estas secciones básicamente el técnico en evaluación de daños en elementos concreto será capaz de generar informes sencillos, prácticos y con la mínima información necesaria que sirva de apoyo a los especialistas en las tomas de decisiones ya sea preventivas o correctivas.

Cuando el daño en las estructuras es de nivel severo y la cantidad de elementos estructurales que presenten agrietamiento en un mismo nivel es alto (mayor al 30%) para el caso de trabes y losas, es recomendable acudir a un especialista en seguridad estructural. La presencia de daño en columnas y muros es un tema delicado, debiéndose tener mayor atención y cuidado para el manejo de daño en estos elementos. La justificación estriba principalmente en que los muros y columnas sirven de elementos que da sustento a trabes y losas (al sistema de pisos) y una falla de éstos podría ocasionar el colapso total o parcial de la estructura, por lo tanto si una columna/muro o un grupo de columnas/muros presentan un nivel de daño que va de ligero a medio es necesario llamar un especialista en seguridad estructural, para prevenir cualquier desastre.

Con lo aprendido en estas secciones básicamente el técnico en evaluación de daños en elementos concreto será capaz de generar informes sencillos, prácticos y con la mínima información necesaria que sirva de apoyo a los especialistas en las tomas de decisiones ya sea preventivas o correctivas.

Tabla 2 Clasificación del nivel de daño en muros Nivel de daño Descripción del tipo de daño en murosLigero Agrietamiento distinguible a simple vista, con anchos entre

0.2 mm a 1.00 mm. Deformaciones imprescindibles a la vista.Medio Aparecen grietas comparativamente grandes e inclinadas, con

ligero desprendimiento del concreto, los anchos de grieta van de 1.00 mm a 2.00 mm y posible exposición del acero de refuerzo. Se aprecian ligeras deformaciones laterales.

Severo Aparición de gran cantidad de grietas mayores a 2.00 mm, pandeo del refuerzo longitudinal, aplastamiento del concreto en el núcleo (degradacion) y desprendimiento. A simple vista se aprecia deformaciones tanto laterales como verticales en columnas (perdida de la verticalidad). En algunos casos se puede observar el refuerzo principal fracturado y fuera de su posición.