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• Fabricio Sanchez

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Falla por cortante en columnas de concreto En comparación con el modo de falla por flexión (dúctil), el daño por cortante es considerado más peligroso ya que es denominado como “tipo frágil” y sus consecuencias tienden a resultar aún más destructivas y catastróficas. En la siguiente imagen la flecha roja muestra la dirección de la fuerza sísmica. La falla por cortante se presenta cuando las fuerzas cortantes son mayores que la resistencia proporcionada, conjuntamente, por el concreto y por el acero de refuerzo lateral (transversal, generalmente denominado como estribos o anillos). Los procedimientos de diseño promueven un mecanismo de falla del sistema en donde se forme el mecanismo resistente por flexión. Mucho del conocimiento actual acerca del comportamiento de elementos y estructuras de concreto reforzado se han ido dilucidando con el paso del tiempo, como resultado de investigaciones y estudios experimentales notables. Como se podrá comprender, estas prácticas no se tomaban en cuenta para el diseño en reglamentos antiguos, por lo que muchos edificios actuales, construidos con dichas normativas, resultan potencialmente vulnerables ante sismos severos. Así, la edad de la construcción y la detección de separaciones grandes de estribos son factores que permiten determinar la vulnerabilidad de estas construcciones.

Falla por flexión y flexo-compresión en columnas de concreto Entre los modos de falla que pueden sufrir trabes o columnas, uno es el que se muestra en la siguiente imagen, ocasionado por un mecanismo de flexión generado en la columna por una fuerza aplicada en la dirección que marca la flecha en color rojo. La falla por flexión en trabes o columnas de concreto reforzado se inicia con el agrietamiento del concreto en el lado de las tensiones en donde el acero de refuerzo debe contribuir a soportar dichas fuerzas. Los reglamentos piden que se calcule la cantidad de acero a tensión por flexión de tal forma que este acero pueda fluir y tenga la posibilidad de presentar grandes alargamientos sin que se pierda la resistencia de la sección (se mantiene el momento resistente), lo cual constituye una “falla dúctil” o con capacidad de deformación. En este proceso el ancho (abertura) y cantidad de grietas aumenta considerablemente. Finalmente se acepta la falla cuando se manifiesta el aplastamiento del concreto en la zona de compresión. La flexo-compresión en columnas se presenta como producto de la combinación de momentos flexionantes y carga axial de compresión a lo largo de su vida útil, que se incrementan cuando sucede un sismo, como se observa en la siguiente imagen.

Falla por compresión con pandeo de barras y ruptura de estribos Los estribos en estructuras de concreto reforzado son los anillos que refuerzan transversalmente a las vigas y columnas; sirven de soporte y armado a las barras longitudinales. Originalmente la utilidad del estribo se dio para conformar el armado de estos elementos y se permitía colocarlos a mayores separaciones, pero después se reconoció su participación para tomar fuerzas cortantes cuando en el concreto se forman grietas inclinadas causadas por la tensión diagonal de fuerzas cortantes. Sin embargo, actualmente se reconoce que restringen a las barras longitudinales y así controlan su pandeo a compresión; además dan una condición de confinamiento al núcleo de concreto, lo cual aumenta la capacidad de deformación inelástica de la sección a pesar de que esta sufra daño severo con desprendimiento del recubrimiento y fluencia del acero, lo que permite que se forme una articulación plástica. Los estribos, al ser elementos confinantes, tienen que evitar que el concreto que se encuentra en el núcleo de la columna se delezne y, de esta manera, que la columna sea capaz de resistir el embate del sismo; por eso la separación excesiva o el no colocar estribos en las columnas ocasiona colapsos, como los que se exponen en las imágenes de abajo. En las dos últimas de estas se muestra la diferencia que existe en cuanto a la densidad y colocación del acero de una columna diseñada con dos reglamentos diferentes: antes y después de 1985. Efectivamente, los reglamentos más modernos piden que se coloquen estribos en mayores cantidades y con detalles geométricos más rigurosos, con lo cual se logra un buen comportamiento en el caso de sismos severos. La insuficiencia de estribos tiene como consecuencia una falla por cortante, así como una posible manifestación de fallas por compresión prematuras al pandearse las barras de acero a compresión con la consecuente falta de capacidad de deformación del elemento.

Fallas por esfuerzos causados por presencia de columnas cortas. Las columnas cortas se originan cuando algún elemento, comúnmente las paredes, se encuentran adosadas a las columnas, restringiéndolas hasta donde llega la altura de las paredes. Se provocan concentraciones de fuerza cortante en los extremos libres de las columnas, que tienden a fallar frágilmente por cortante. Las columnas que se encuentran restringidas, adquieren mucha más rigidez en comparación con las demás columnas que no están confinadas ni restringidas en ninguno de sus lados. Por lo tanto, se generan elevados esfuerzos de corte en la columna corta, ocasionando consecuencias desastrosas. Ante la insuficiente ductilidad de la columna corta, la falla se genera por tensión diagonal producida por elevados esfuerzos cortantes. La columna corta es más frágil que las demás columnas no restringidas parcialmente, debido a que su longitud deformable es más limitada.

Falla de adherencia en la Conexiones viga-columna En las conexiones entre los distintos elementos estructurales, se originan condiciones complejas y elevadas concentraciones de esfuerzos, que conducen a numerosos casos de falla. Las conexiones pueden fallar por la escasez de anclajes de refuerzo entre las columnas y las vigas.

Fallas por Asimetrías que causan efectos torsionales. Si el centro de masa de una estructura no coincide con el centro de rigidez, se originan efectos de torsión, en los que el edificio tiende a girar respecto a su centro de rigidez, causando incrementos excesivos en las fuerzas laterales. Cuando los elementos estructurales están distribuidos asimétricamente en planta, se originan vibraciones torsionales ante las acciones sísmicas, generando fuerzas elevadas en los elementos de la periferia del edificio. La torsión es una de las principales causantes de daños por los sismos en las edificaciones y se deben generalmente, al desequilibrio en la distribución de rigideces en la edificación

Falla por Variaciones bruscas de rigidez a lo largo de la altura de la edificación. Con frecuencia se construyen las plantas bajas de los edificios con el mayor espacio posible para permitir el paso o estacionamiento de vehículos, sin colocar paredes; mientras que en los pisos superiores las paredes proporcionan confinamiento y aportan mayor rigidez. Esto hace que la planta baja posea una rigidez mucho menor a la de los pisos superiores; lo que conduce a grandes desplazamientos y concentración de daños en las columnas de ese nivel. A esta situación se le conoce como “planta baja débil”, “planta baja libre” o “planta baja blanda”. En caso de un evento sísmico, las edificaciones con planta baja débil, tienden a presentar severos daños, que incluso se manifiestan con el colapso de la estructura.

Golpeteo entre edificios. Todas las estructuras deben tener un espacio suficiente con respecto a las edificaciones adyacentes, ya que en el momento de un sismo, cada una vibrará de manera distinta y esto puede conducir a que se golpeen entre ellas. El golpeteo es capaz de producir daños severos.

     Cuando entre las estructuras que se golpetean no coinciden los niveles de los pisos, las fallas pueden ser más graves; ya que las losas de uno de los edificios pueden golpear las partes intermedias de las columnas del otro.