La integridad y falla estructural es un aspecto de la ingeniería que se ocupa de la capacidad de una estructura para soportar una carga estructural diseñada (peso, fuerza, etc.) sin romperse e incluye el estudio de fallas estructurales pasadas para prevenir fallas en diseños futuros.
La integridad estructural es la capacidad de un elemento, ya sea un componente estructural o una estructura que consta de muchos componentes, para mantenerse unido bajo una carga, incluido su propio peso, sin romperse ni deformarse excesivamente. Garantiza que la construcción realizará su función diseñada durante un uso razonable, durante toda su vida útil prevista. Los artículos se construyen con integridad estructural para evitar fallas catastróficas , que pueden provocar lesiones, daños graves, muerte y/o pérdidas monetarias.
La falla estructural se refiere a la pérdida de integridad estructural o la pérdida de capacidad estructural para soportar carga , ya sea en un componente estructural o en la estructura misma. La falla estructural se inicia cuando un material se esfuerza más allá de su límite de resistencia , provocando fractura o deformaciones excesivas ; Un estado límite que debe tenerse en cuenta en el diseño estructural es la resistencia última a la rotura. En un sistema bien diseñado, una falla localizada no debería causar el colapso inmediato o incluso progresivo de toda la estructura.
La integridad estructural es la capacidad de una estructura para soportar la carga prevista sin fallar debido a fractura, deformación o fatiga. Es un concepto que se utiliza a menudo en ingeniería para producir artículos que sirvan para los propósitos diseñados y sigan siendo funcionales durante la vida útil deseada .
Para construir un artículo con integridad estructural, un ingeniero debe considerar primero las propiedades mecánicas de un material, como tenacidad , resistencia , peso, dureza y elasticidad, y luego determinar el tamaño y la forma necesarios para que el material resista la carga deseada durante un largo tiempo. vida. Como los miembros no pueden romperse ni doblarse excesivamente, deben ser rígidos y resistentes. Un material muy rígido puede resistir la flexión, pero a menos que sea lo suficientemente resistente, puede que tenga que ser muy grande para soportar una carga sin romperse. Por otro lado, un material altamente elástico se doblará bajo una carga incluso si su alta tenacidad evita la fractura.
Además, la integridad de cada componente debe corresponder a su aplicación individual en cualquier estructura portante. Los soportes de los puentes necesitan un alto límite elástico , mientras que los pernos que los sujetan necesitan una buena resistencia al corte y a la tracción . Los resortes necesitan buena elasticidad, pero las herramientas de torno necesitan alta rigidez. Además, toda la estructura debe poder soportar su carga sin que fallen sus eslabones más débiles, ya que esto puede ejercer más tensión sobre otros elementos estructurales y provocar fallas en cascada . [1] [2]
La necesidad de construir estructuras con integridad se remonta a la historia registrada. Las casas debían poder soportar su propio peso, más el peso de sus habitantes. Los castillos debían ser fortificados para resistir los ataques de los invasores. Las herramientas debían ser lo suficientemente fuertes y resistentes para realizar su trabajo. Sin embargo, la ciencia de la mecánica de la fractura tal como existe hoy no se desarrolló hasta la década de 1920, cuando Alan Arnold Griffith estudió la fractura frágil del vidrio.
A partir de la década de 1940, los infames fracasos de varias tecnologías nuevas hicieron necesario un método más científico para analizar los fallos estructurales. Durante la Segunda Guerra Mundial, más de 200 barcos de acero soldado se partieron por la mitad debido a fracturas frágiles causadas por las tensiones creadas por el proceso de soldadura, los cambios de temperatura y las concentraciones de tensiones en las esquinas cuadradas de los mamparos. En la década de 1950, varios cometas De Havilland explotaron en pleno vuelo debido a concentraciones de tensión en las esquinas de sus ventanas cuadradas, lo que provocó que se formaran grietas y explotaran las cabinas presurizadas. Las explosiones de calderas , provocadas por fallas en los tanques presurizados de las calderas, fueron otro problema común durante esta época y causaron graves daños. El tamaño cada vez mayor de puentes y edificios provocó catástrofes y pérdidas de vidas aún mayores. Esta necesidad de construir construcciones con integridad estructural condujo a grandes avances en los campos de las ciencias de los materiales y la mecánica de fracturas. [3] [4]
La falla estructural puede ocurrir debido a muchos tipos de problemas, la mayoría de los cuales son exclusivos de diferentes industrias y tipos estructurales. Sin embargo, la mayoría se puede atribuir a una de cinco causas principales.
El puente Dee fue diseñado por Robert Stephenson , utilizando vigas de hierro fundido reforzadas con puntales de hierro forjado. El 24 de mayo de 1847 se derrumbó al pasar un tren por encima, matando a cinco personas. Su colapso fue objeto de una de las primeras investigaciones formales sobre una falla estructural. Esta investigación concluyó que el diseño de la estructura era fundamentalmente defectuoso, ya que el hierro forjado no reforzaba el hierro fundido y que la fundición había fallado debido a las repetidas flexiones. [5]
Al desastre del puente Dee le siguieron varios derrumbes de puentes de hierro fundido , incluido el colapso del primer puente ferroviario Tay el 28 de diciembre de 1879. Al igual que el puente Dee, el Tay se derrumbó cuando un tren pasó sobre él, matando a 75 personas. El puente fracasó porque estaba construido con hierro fundido de mala calidad y porque el diseñador Thomas Bouch no tuvo en cuenta la carga del viento sobre él. Su colapso provocó que el hierro fundido fuera reemplazado por una construcción de acero y un rediseño completo en 1890 del Forth Railway Bridge , que se convirtió en el primer puente del mundo hecho enteramente de acero. [6]
El colapso del puente Tacoma Narrows original en 1940 se caracteriza a veces en los libros de texto de física como un ejemplo clásico de resonancia, aunque esta descripción es engañosa. Las catastróficas vibraciones que destruyeron el puente no se debieron a una simple resonancia mecánica, sino a una oscilación más complicada entre el puente y los vientos que lo atraviesan, conocida como aleteo aeroelástico . Robert H. Scanlan , uno de los principales contribuyentes a la comprensión de la aerodinámica de los puentes, escribió un artículo sobre este malentendido. [7] Este colapso, y la investigación que siguió, llevaron a una mayor comprensión de las interacciones viento/estructura. Varios puentes fueron modificados después del colapso para evitar que volviera a ocurrir un evento similar. La única víctima mortal fue un perro. [6]
El puente I-35W sobre el río Mississippi (oficialmente conocido simplemente como Puente 9340) era un puente de arco de armadura de acero de ocho carriles que llevaba la Interestatal 35W a través del río Mississippi en Minneapolis , Minnesota, Estados Unidos. El puente se completó en 1967 y su mantenimiento estuvo a cargo del Departamento de Transporte de Minnesota . El puente era el quinto más transitado de Minnesota, [8] [9] y transportaba 140.000 vehículos al día. [10] El puente falló catastróficamente durante la hora pico de la tarde del 1 de agosto de 2007, colapsando sobre el río y las orillas del río. Trece personas murieron y 145 resultaron heridas. Tras el colapso, la Administración Federal de Carreteras aconsejó a los estados que inspeccionaran los 700 puentes estadounidenses de construcción similar [11] después de que se descubriera un posible defecto de diseño en el puente, relacionado con grandes láminas de acero llamadas placas de refuerzo que se utilizaban para conectar las vigas entre sí en el estructura de celosía. [12] [13] Los funcionarios expresaron su preocupación acerca de que muchos otros puentes en los Estados Unidos comparten el mismo diseño y plantearon preguntas sobre por qué tal falla no se habría descubierto en más de 40 años de inspecciones. [13]
El 4 de abril de 2013, un edificio se derrumbó en tierras tribales en Mumbra , un suburbio de Thane en Maharashtra , India. [14] [15] Se ha considerado el peor derrumbe de un edificio en la zona [16] [nb 1] : 74 personas murieron, entre ellas 18 niños, 23 mujeres y 33 hombres, mientras que más de 100 personas sobrevivieron. [19] [20] [21]
El edificio estaba en construcción y no contaba con un certificado de ocupación para sus 100 a 150 residentes de ingresos bajos y medios [22] ; sus únicos ocupantes eran los trabajadores de la construcción del sitio y sus familias. Se informó que el edificio fue construido ilegalmente porque no se siguieron las prácticas estándar para una construcción, adquisición de terrenos y ocupación de residentes segura y legal.
El 11 de abril, se arrestó a un total de 15 sospechosos, entre ellos constructores , ingenieros, funcionarios municipales y otros responsables. Los registros gubernamentales indican que hubo dos órdenes para gestionar el número de edificios ilegales en la zona: una orden del estado de Maharashtra de 2005 para utilizar sensores remotos y una orden del Tribunal Superior de Bombay de 2010. También se presentaron denuncias ante funcionarios estatales y municipales.
El 9 de abril, la Corporación Municipal de Thane inició una campaña para demoler edificios ilegales en la zona, centrándose en los edificios "peligrosos", y creó un centro de llamadas para aceptar y seguir las resoluciones de quejas sobre edificios ilegales. Mientras tanto, el departamento forestal prometió abordar la invasión de tierras forestales en el distrito de Thane.
El 24 de abril de 2013, Rana Plaza , un edificio comercial de ocho plantas, se derrumbó en Savar , un subdistrito del área metropolitana de Dhaka , capital de Bangladesh . La búsqueda de los muertos finalizó el 13 de mayo con un saldo de 1.134 muertos. [23] Aproximadamente 2.515 personas heridas fueron rescatadas con vida del edificio. [24] [25]
Se considera el accidente en una fábrica de prendas de vestir más mortífero de la historia, así como la falla estructural accidental más mortífera en la historia de la humanidad moderna. [22] [26]
El edificio contenía fábricas de ropa, un banco, apartamentos y varias otras tiendas. Las tiendas y el banco de los pisos inferiores cerraron inmediatamente después de que se descubrieron grietas en el edificio. [27] [28] [29] Se habían ignorado las advertencias de evitar el uso del edificio después de que aparecieran grietas el día anterior. Se ordenó a los trabajadores de la confección que regresaran al día siguiente y el edificio se derrumbó durante la hora punta de la mañana. [30]
El 29 de junio de 1995, los grandes almacenes Sampoong de cinco pisos en el distrito Seocho de Seúl , Corea del Sur , se derrumbaron, provocando la muerte de 502 personas y otras 1.445 atrapadas.
En abril de 1995, comenzaron a aparecer grietas en el techo del quinto piso del ala sur de la tienda debido a la presencia de una unidad de aire acondicionado en el debilitado techo de la estructura mal construida. En la mañana del 29 de junio, cuando el número de grietas en el techo aumentó dramáticamente, los gerentes de la tienda cerraron el último piso y apagaron el aire acondicionado, pero no cerraron el edificio ni emitieron órdenes formales de evacuación cuando los propios ejecutivos abandonaron las instalaciones. como precaucion.
Cinco horas antes del derrumbe, se escuchó el primero de varios fuertes estruendos provenientes de los pisos superiores, ya que la vibración del aire acondicionado hizo que las grietas de las losas se ampliaran aún más. En medio de los informes de los clientes sobre vibraciones en el edificio, el aire acondicionado se apagó, pero las grietas en los pisos ya habían crecido hasta 10 cm de ancho. Aproximadamente a las 5:00 pm hora local, el techo del quinto piso comenzó a hundirse, y a las 5:57 pm, el techo cedió, enviando la unidad de aire acondicionado a estrellarse contra el ya sobrecargado quinto piso.
El 16 de mayo de 1968, la torre residencial de 22 pisos Ronan Point en el distrito londinense de Newham se derrumbó cuando una explosión de gas relativamente pequeña en el piso 18 provocó que un panel estructural de la pared volara fuera del edificio. La torre fue construida con hormigón prefabricado y la falla del panel único provocó el colapso de una esquina entera del edificio. El panel pudo volar porque no había suficiente acero de refuerzo pasando entre los paneles. Esto también significaba que las cargas soportadas por el panel no podían redistribuirse a otros paneles adyacentes, porque no había una ruta a seguir para las fuerzas. Como resultado del colapso, se revisaron las normas de construcción para evitar un colapso desproporcionado y se avanzó enormemente en la comprensión de los detalles de los elementos prefabricados de hormigón. Muchos edificios similares fueron modificados o demolidos como resultado del colapso. [31]
El 19 de abril de 1995, el edificio federal Alfred P. Murrah, de nueve pisos con estructura de hormigón, en Oklahoma , fue alcanzado por un camión bomba que provocó un colapso parcial y provocó la muerte de 168 personas. La bomba, aunque de gran tamaño, provocó un colapso significativamente desproporcionado de la estructura. La bomba voló todos los cristales de la fachada del edificio y destrozó por completo una columna de hormigón armado de la planta baja (ver brisance ). En el nivel del segundo piso existía un espaciamiento más amplio entre las columnas, y las cargas de las columnas del piso superior se transfirieron a menos columnas inferiores mediante vigas en el nivel del segundo piso. La eliminación de una de las columnas del piso inferior provocó que las columnas vecinas fallaran debido a la carga adicional, lo que finalmente provocó el colapso completo de la parte central del edificio. El bombardeo fue uno de los primeros en resaltar las fuerzas extremas que las cargas explosivas del terrorismo pueden ejercer sobre los edificios y llevó a una mayor consideración del terrorismo en el diseño estructural de los edificios. [32]
El salón de bodas de Versalles ( hebreo : אולמי ורסאי ), ubicado en Talpiot , Jerusalén , es el lugar del peor desastre civil en la historia de Israel . A las 22:43 de la noche del jueves 24 de mayo de 2001, durante la boda de Keren y Asaf Dror, una gran parte del tercer piso del edificio de cuatro pisos se derrumbó, matando a 23 personas. Los novios sobrevivieron.
En los ataques del 11 de septiembre , dos aviones comerciales se estrellaron deliberadamente contra las Torres Gemelas del World Trade Center en la ciudad de Nueva York. El impacto, la explosión y los incendios resultantes provocaron el colapso de ambas torres en menos de dos horas. Los impactos cortaron columnas exteriores y dañaron las columnas centrales, redistribuyendo las cargas que habían soportado estas columnas. Esta redistribución de cargas estuvo muy influenciada por las vigas en la parte superior de cada edificio. [33] Los impactos desprendieron parte de la protección contra incendios del acero, aumentando su exposición al calor de los incendios. Las temperaturas llegaron a ser lo suficientemente altas como para debilitar las columnas centrales hasta el punto de sufrir fluencia y deformación plástica bajo el peso de los pisos más altos. El calor de los incendios también debilitó las columnas y los pisos del perímetro, provocando que los pisos se hundieran y ejerciendo una fuerza hacia adentro en las paredes exteriores del edificio. El Edificio 7 del WTC también se derrumbó ese mismo día; El rascacielos de 47 pisos se derrumbó en segundos debido a una combinación de un gran incendio dentro del edificio y graves daños estructurales por el colapso de la Torre Norte. [34] [35]
El 24 de junio de 2021, Champlain Towers South, un edificio de condominios de 12 pisos en Surfside, Florida , se derrumbó parcialmente, provocando decenas de heridos y 98 muertes. [36] El colapso fue capturado en video. [37] Una persona fue rescatada de los escombros, [38] y unas 35 personas fueron rescatadas el 24 de junio de la parte no derrumbada del edificio. La degradación a largo plazo de las estructuras de soporte de hormigón armado en el estacionamiento subterráneo, debido a la penetración de agua y la corrosión del acero de refuerzo, se ha considerado como un factor o la causa del colapso. Los problemas se informaron en 2018 y se calificaron como "mucho peores" en abril de 2021. En el momento del colapso se había aprobado un programa de obras de reparación por valor de 15 millones de dólares.
Primera Iglesia Congregacional, New London, Connecticut
Artículo principal: Primera Iglesia de Cristo (New London, Connecticut)
El 24 de enero de 2024, la aguja de esta iglesia de piedra de estilo gótico se derrumbó, derribando el techo y dañando irremediablemente la estructura. [39]
Se produjeron repetidas fallas estructurales en el mismo tipo de avión en 1954, cuando dos aviones a reacción De Havilland Comet C1 se estrellaron debido a la descompresión causada por la fatiga del metal , y en 1963-1964, cuando el estabilizador vertical de cuatro bombarderos Boeing B-52 se rompió en aire.
El 8 de agosto de 1991 a las 16:00 UTC el mástil de radio de Varsovia, el objeto artificial más alto jamás construido antes de la construcción del Burj Khalifa, se derrumbó como consecuencia de un error al cambiar los cables de sujeción en el soporte más alto. El mástil primero se dobló y luego se partió aproximadamente a la mitad de su altura. Al derrumbarse, destruyó una pequeña grúa móvil de Mostostal Zabrze. Como todos los trabajadores habían abandonado el mástil antes del procedimiento de cambio, no hubo víctimas mortales, a diferencia del colapso similar de la torre WLBT en 1997.
El 17 de julio de 1981, dos pasarelas suspendidas que atravesaban el vestíbulo del Hyatt Regency en Kansas City, Missouri , se derrumbaron, matando a 114 personas e hiriendo a más de 200 [40] en un baile de té. El colapso se debió a un cambio tardío en el diseño, que alteró el método en el que se conectaban las varillas que sostenían las pasarelas y, sin darse cuenta, duplicó las fuerzas sobre la conexión. El fracaso puso de relieve la necesidad de una buena comunicación entre los ingenieros de diseño y los contratistas, y de controles rigurosos de los diseños y, especialmente, de los cambios de diseño propuestos por los contratistas. El fracaso es un estudio de caso estándar en cursos de ingeniería en todo el mundo y se utiliza para enseñar la importancia de la ética en la ingeniería . [41] [42]
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