Los desastres de ingeniería a menudo surgen de atajos en el proceso de diseño. La ingeniería es la ciencia y la tecnología que se utilizan para satisfacer las necesidades y demandas de la sociedad. [1] Estas demandas incluyen edificios , aeronaves , embarcaciones y software informático. Para satisfacer las demandas de la sociedad, la creación de nuevas tecnologías e infraestructuras debe realizarse de manera eficiente y rentable. Para lograr esto, los gerentes e ingenieros necesitan un enfoque mutuo para la demanda específica en cuestión. Esto puede llevar a atajos en el diseño de ingeniería para reducir los costos de construcción y fabricación. Ocasionalmente, estos atajos pueden llevar a fallas de diseño inesperadas.
La falla ocurre cuando una estructura o dispositivo ha sido utilizado más allá de los límites de diseño, lo que inhibe su funcionamiento adecuado. [2] Si una estructura está diseñada para soportar solo una cierta cantidad de estrés , tensión o carga y el usuario aplica cantidades mayores, la estructura comenzará a deformarse y eventualmente fallará. Varios factores contribuyen al fracaso, incluidos un diseño defectuoso, un uso inadecuado, costos financieros y falta de comunicación.
En el campo de la ingeniería, se hace hincapié en la importancia de la seguridad. El aprendizaje de los fallos de ingeniería del pasado y de los desastres infames como la explosión del Challenger aporta una sensación de realidad sobre lo que puede ocurrir cuando no se toman las precauciones de seguridad adecuadas. Las pruebas de seguridad, como las pruebas de tracción , el análisis de elementos finitos (FEA) y las teorías de fallos, ayudan a proporcionar información a los ingenieros de diseño sobre las fuerzas y tensiones máximas que se pueden aplicar a una determinada región de un diseño. Estas medidas de precaución ayudan a prevenir fallos debido a la sobrecarga y la deformación. [3]
La carga estática se produce cuando se aplica una fuerza lentamente a un objeto o una estructura. Las pruebas de carga estática, como las pruebas de tracción, las pruebas de flexión y las pruebas de torsión, ayudan a determinar las cargas máximas que un diseño puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes ni fallas. Las pruebas de tracción son habituales para calcular una curva de tensión-deformación que puede determinar la resistencia a la fluencia y la resistencia máxima de una muestra de prueba específica.
La muestra se estira lentamente en tensión hasta que se rompe, mientras que la carga y la distancia a lo largo de la longitud calibrada se controlan continuamente. Una muestra sometida a una prueba de tracción normalmente puede soportar tensiones superiores a su límite elástico sin romperse. Sin embargo, en un punto determinado, la muestra se romperá en dos pedazos. Esto sucede porque las grietas microscópicas que resultan de la fluencia se propagarán a grandes escalas. La tensión en el punto de rotura completa se denomina resistencia máxima a la tracción de un material. [4] El resultado es una curva de tensión-deformación del comportamiento del material bajo carga estática. A través de esta prueba de tracción, se encuentra el límite elástico en el punto donde el material comienza a ceder más fácilmente a la tensión aplicada y su tasa de deformación aumenta. [5]
Cuando un material sufre una deformación permanente por exposición a temperaturas extremas o cargas constantes, la funcionalidad del material puede verse afectada. [6] [7] Esta distorsión plástica del material dependiente del tiempo se conoce como fluencia . La tensión y la temperatura son factores importantes de la velocidad de fluencia. Para que un diseño se considere seguro, la deformación debida a la fluencia debe ser mucho menor que la deformación en la que se produce la falla. Una vez que la carga estática hace que la muestra supere este punto, la muestra comenzará a deformarse permanentemente o plásticamente. [7]
En el diseño mecánico, la mayoría de los fallos se deben a cargas variables en el tiempo o dinámicas que se aplican a un sistema. Este fenómeno se conoce como fallo por fatiga. La fatiga se conoce como la debilidad de un material debido a las variaciones de tensión que se aplican repetidamente a dicho material. [8] Por ejemplo, al estirar una banda de goma hasta una cierta longitud sin romperla (es decir, sin superar el límite elástico de la banda de goma), la banda de goma volverá a su forma original después de soltarla; sin embargo, estirar repetidamente la banda de goma con la misma cantidad de fuerza miles de veces crearía microfisuras en la banda que provocarían que la banda de goma se rompiera. El mismo principio se aplica a materiales mecánicos como los metales. [5]
La falla por fatiga siempre comienza con una grieta que puede formarse con el tiempo o debido al proceso de fabricación utilizado. Las tres etapas de la falla por fatiga son:
Cabe señalar que la fatiga no implica que la resistencia del material disminuya después de una falla. Este concepto se refería originalmente a un material que se "cansaba" después de una carga cíclica. [5]
La ingeniería es una disciplina precisa que requiere comunicación entre los desarrolladores de proyectos. Varias formas de falta de comunicación pueden llevar a un diseño defectuoso. Varios campos de la ingeniería deben comunicarse entre sí, incluida la ingeniería civil, eléctrica, mecánica, industrial, química, biológica y ambiental. Por ejemplo, un diseño de automóvil moderno requiere que ingenieros eléctricos, ingenieros mecánicos e ingenieros ambientales trabajen juntos para producir un producto duradero y de bajo consumo de combustible para los consumidores. Si los ingenieros no se comunican adecuadamente entre sí, un diseño potencial podría tener fallas y ser inseguro para la compra del consumidor. Los desastres de ingeniería pueden ser el resultado de dicha falta de comunicación, incluidas las fallas de diques de 2005 en Greater New Orleans , Louisiana durante el huracán Katrina , el desastre del transbordador espacial Columbia y el colapso de la pasarela del Hyatt Regency . [9] [10] [11]
Un ejemplo excepcional de esto es el Mars Climate Orbiter . "La causa principal de la violenta desaparición del orbitador fue que un software terrestre suministrado por Lockheed Martin produjo resultados en una unidad habitual de los Estados Unidos, contrariamente a su Especificación de Interfaz de Software (SIS), mientras que un segundo sistema, suministrado por la NASA , esperaba que esos resultados estuvieran en unidades del SI, de acuerdo con la SIS". Lockheed Martin y el contratista principal fracasaron espectacularmente en su comunicación.
El software ha jugado un papel en muchos desastres de alto perfil:
Cuando fallan proyectos de gran envergadura, como infraestructuras o aviones, pueden verse afectadas varias personas, lo que da lugar a un desastre de ingeniería. Un desastre se define como una calamidad que provoca daños importantes, que pueden incluir la pérdida de vidas. [13] Se han documentado en gran medida observaciones exhaustivas y análisis posteriores al desastre para ayudar a prevenir la ocurrencia de desastres similares.
El desastre del ferrocarril del río Ashtabula ocurrió el 29 de diciembre de 1876, cuando un puente sobre el río Ashtabula, cerca de Ashtabula, Ohio, se desplomó cuando un tren de la empresa Lake Shore and Michigan Southern Railway pasó por encima de él, matando al menos a 92 personas. Los análisis modernos atribuyen el fallo a una orejeta de bloque angular, a la tensión de empuje y a las bajas temperaturas.
El 28 de diciembre de 1879 se produjo el desastre del puente Tay, cuando el primer puente ferroviario de Tay se derrumbó cuando pasaba por él un tren de pasajeros de la línea Edimburgo-Dundee de la North British Railway , lo que provocó la muerte de al menos 59 personas. La causa principal fue no tener en cuenta las cargas del viento.
La inundación de Johnstown ocurrió el 31 de mayo de 1889, cuando la presa South Fork ubicada en el río Little Conemaugh aguas arriba de la ciudad de Johnstown , Pensilvania , falló después de días de fuertes lluvias que mataron al menos a 2209 personas. Un análisis hidráulico de 2016 confirmó que los cambios realizados en la presa redujeron gravemente su capacidad para soportar grandes tormentas.
El puente de Quebec, que sirve para transporte de vehículos, ferrocarriles y peatones, en Quebec, Canadá, falló dos veces durante su construcción, en 1907 y 1916, lo que costó la vida a 88 personas. La primera falla se debió a un diseño inadecuado de los cordones. La segunda falla se produjo cuando se estaba elevando el tramo central y cayó al río.
La presa de San Francisco fue una presa de gravedad de hormigón situada en el cañón de San Francisquito , en el condado de Los Ángeles (California) , construida entre 1924 y 1926 para satisfacer las crecientes necesidades de agua de Los Ángeles . Falló en 1928 debido a una base de tierra defectuosa y a fallos de diseño, lo que desencadenó una inundación que se cobró la vida de al menos 431 personas.
El primer puente de Tacoma Narrows fue un puente colgante en Washington que cruzaba el estrecho de Tacoma Narrows en Puget Sound . Se derrumbó dramáticamente el 7 de noviembre de 1940. La causa inmediata fueron vientos moderados que produjeron una vibración aeroelástica autoexcitada e ilimitada, opuesta a la amortiguación.
El 17 de julio de 1981, dos pasarelas elevadas repletas de asistentes a una fiesta en el Hotel Hyatt Regency de Kansas City, Missouri , se derrumbaron. Las plataformas de hormigón y cristal cayeron sobre una zona de baile en el vestíbulo, matando a 114 personas e hiriendo a 216. Las investigaciones concluyeron que la pasarela se habría derrumbado con un tercio del peso que soportaba esa noche debido a un diseño revisado.
El 29 de agosto de 2005, tras el paso del huracán Katrina, los diques y muros de contención que protegían a Nueva Orleans, Luisiana, y sus suburbios se derrumbaron en 50 lugares, lo que provocó la muerte de 1.577 personas. Cuatro importantes investigaciones coincidieron en que la causa principal de las inundaciones fue un diseño y una construcción inadecuados por parte del Cuerpo de Ingenieros del Ejército.
Ponte Morandi era un viaducto vial en Génova, Liguria, Italia. El 14 de agosto de 2018, una sección del viaducto se derrumbó durante una tormenta, lo que provocó la muerte de cuarenta y tres personas. Los restos del puente original fueron demolidos en agosto de 2019.
El 24 de junio de 2021, a la 1:22 am, Champlain Towers South, un condominio de 12 pisos frente al mar en el suburbio de Surfside, Florida , en Miami , se derrumbó parcialmente y mató a noventa y ocho personas. Las investigaciones están actualmente en curso.
El desastre del transbordador espacial Challenger ocurrió el 28 de enero de 1986, cuando el transbordador espacial Challenger (OV-099) de la NASA (misión STS-51-L ) se desintegró a los 73 segundos de vuelo, lo que provocó la muerte de sus siete tripulantes. La desintegración del vehículo comenzó después de que una junta tórica del cohete propulsor sólido derecho (SRB) fallara durante el despegue.
El desastre del transbordador espacial Columbia (OV-102) ocurrió el 1 de febrero de 2003, durante el tramo final de la misión STS-107 . Al reingresar a la atmósfera terrestre sobre Luisiana y Texas , el transbordador se desintegró inesperadamente, lo que provocó la muerte de los siete astronautas a bordo. La causa fue el daño a las placas de protección térmica por el impacto con un trozo de aislamiento de espuma que se desprendió de un tanque externo durante el lanzamiento del 16 de enero.
Los primeros barcos Liberty sufrieron grietas en el casco y la cubierta , y algunos se perdieron por esos defectos estructurales. Durante la Segunda Guerra Mundial, hubo casi 1.500 casos de fracturas frágiles importantes . Tres de los 2.710 Liberty construidos se partieron por la mitad sin previo aviso. Con temperaturas frías, los cascos de acero se agrietaron, lo que dio lugar a que los barcos posteriores se construyeran con acero más adecuado.
En la noche del 26 de abril de 1865, el barco de vapor de pasajeros Sultana explotó en el río Misisipi a siete millas (11 km) al norte de Memphis, Tennessee . La explosión provocó la pérdida de 1.547 vidas. Se cree que la causa fue la explosión de una caldera reparada incorrectamente, lo que provocó la explosión de dos de las otras tres calderas.
El 18 de junio de 2023, el sumergible Titan implosionó durante una expedición al naufragio del Titanic , lo que provocó la muerte de las cinco personas que iban a bordo. Se habló de fallos en el diseño del sumergible y, en particular, del casco presurizado de fibra de carbono como posible causa de la implosión, ya que el operador del Titan, OceanGate, había ignorado múltiples advertencias previas sobre la posibilidad de que se produjeran accidentes.