Los desastres de ingeniería a menudo surgen de atajos en el proceso de diseño. La ingeniería es la ciencia y la tecnología utilizadas para satisfacer las necesidades y demandas de la sociedad. [1] Estas demandas incluyen edificios , aviones , 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 conducir a atajos en el diseño de ingeniería para reducir los costos de construcción y fabricación. En ocasiones, estos atajos pueden provocar fallos de diseño inesperados.
La falla ocurre cuando una estructura o dispositivo se ha utilizado más allá de los límites del diseño que inhibe su funcionamiento adecuado. [2] Si una estructura está diseñada para soportar solo una cierta cantidad de tensión , tensión o carga y el usuario aplica cantidades mayores, la estructura comenzará a deformarse y eventualmente fallará. Varios factores contribuyen al fracaso, incluido un diseño defectuoso, un uso inadecuado, costos financieros y falta de comunicación.
En el campo de la ingeniería se enfatiza la importancia de la seguridad. Aprender de los fallos de ingeniería del pasado y de desastres infames como la explosión del Challenger da una sensación de realidad a lo que puede suceder 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 fallas, ayudan a proporcionar información a los ingenieros de diseño sobre qué fuerzas y tensiones máximas se pueden aplicar a una determinada región de un diseño. Estas medidas de precaución ayudan a prevenir fallas debido a sobrecargas y deformaciones. [3]
La carga estática es cuando se aplica una fuerza lentamente a un objeto o 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 deformación o falla permanente. Las pruebas de tracción son comunes cuando se calcula una curva tensión-deformación que puede determinar el límite elástico y la resistencia última de una muestra de prueba específica.
La muestra se estira lentamente en tensión hasta que se rompe, mientras se monitorean continuamente la carga y la distancia a lo largo de la longitud calibrada. Una muestra sometida a una prueba de tracción normalmente puede soportar tensiones superiores a su límite elástico sin romperse. Sin embargo, en cierto momento la muestra se romperá en dos pedazos. Esto sucede porque las grietas microscópicas que resultaron de la fluencia se extenderán 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 tensión-deformación del comportamiento del material bajo carga estática. A través de esta prueba de tracción, el límite elástico se encuentra 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 debido a la exposición a temperaturas radicales o cargas constantes, la funcionalidad del material puede verse afectada. [6] [7] Esta distorsión plástica del material dependiente del tiempo se conoce como fluencia . El estrés y la temperatura son factores importantes de la tasa de fluencia. Para que un diseño se considere seguro, la deformación debida a la fluencia debe ser mucho menor que la deformación a 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 las fallas se deben a cargas dinámicas o variables en el tiempo que se aplican a un sistema. Este fenómeno se conoce como falla por fatiga. Se conoce como fatiga a la debilidad de un material debido a variaciones de tensiones que se aplican repetidamente a dicho material. [8] Por ejemplo, cuando se estira 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 elástica con la misma cantidad de fuerza miles de veces crearía microfisuras en la banda que provocarían que la banda elástica 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:
Tenga en cuenta que la fatiga no implica que la resistencia del material disminuya después de la falla. Esta noción originalmente se refería 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 dar lugar a un diseño defectuoso. Varios campos de la ingeniería deben intercomunicarse, incluida la ingeniería civil, eléctrica, mecánica, industrial, química, biológica y ambiental. Por ejemplo, el diseño de un 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 los diques de 2005 en la Gran Nueva Orleans , Luisiana , 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 una pieza de software terrestre suministrada 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 esos resultados. Los resultados se expresarán en unidades del SI, de conformidad con el SIS." Lockheed Martin y el contratista principal fracasaron espectacularmente en comunicarse.
El software ha desempeñado un papel en muchos desastres de alto perfil:
Cuando fracasan proyectos más grandes, como infraestructuras y aviones, varias personas pueden verse afectadas, lo que conduce a un desastre de ingeniería. Un desastre se define como una calamidad que produce daños importantes que pueden incluir la pérdida de vidas. [13] Se han documentado en gran medida observaciones en profundidad y análisis posteriores al desastre para ayudar a prevenir 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, falló cuando un tren de Lake Shore y Michigan Southern Railway pasó sobre él, matando al menos a 92 personas. Los análisis modernos culpan al fallo de una orejeta del 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 un tren de pasajeros de North British Railway en la línea Edimburgo a Aberdeen pasó sobre él, matando al menos a 59 personas. La causa principal fue no tener en cuenta las cargas de 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 resistir tormentas importantes.
El puente vial, ferroviario y peatonal de Quebec en Quebec, Canadá, falló dos veces durante su construcción, en 1907 y 1916, a costa de 88 vidas. El primer fracaso fue el diseño inadecuado de las cuerdas. La segunda falla se produjo cuando el tramo central estaba siendo levantado y cayó al río.
La presa St. Francis era una presa de gravedad de hormigón ubicada 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 . Fracasó en 1928 debido a una base de suelo defectuosa y fallas de diseño, lo que provocó una inundación que se cobró la vida de al menos 431 personas.
El primer puente Tacoma Narrows fue un puente colgante en Washington que atravesaba el estrecho de Tacoma Narrows de Puget Sound . Se derrumbó dramáticamente el 7 de noviembre de 1940. La causa inmediata fueron los vientos moderados que produjeron un aleteo aeroelástico que era autoexcitante e ilimitado, lo opuesto a la amortiguación.
El 17 de julio de 1981, dos pasarelas elevadas llenas de asistentes a la fiesta en el Hotel Hyatt Regency en Kansas City, Missouri , se derrumbaron. Las plataformas de concreto y vidrio cayeron sobre un baile de té en el vestíbulo, matando a 114 e hiriendo a 216. Las investigaciones concluyeron que la pasarela habría fallado con un tercio del peso que sostenía esa noche debido a un diseño revisado.
Los diques y muros contra inundaciones que protegían Nueva Orleans, Luisiana y sus suburbios fallaron en 50 lugares el 29 de agosto de 2005, tras el paso del huracán Katrina, matando a 1.577 personas. Cuatro investigaciones importantes coincidieron en que la causa principal de la inundación fue el diseño y la construcción inadecuados por parte del Cuerpo de Ingenieros del Ejército.
Ponte Morandi era un viaducto de carretera en Génova, Liguria, Italia. El 14 de agosto de 2018, una sección del viaducto se derrumbó durante una tormenta, matando a 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 a la playa 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 orbitador del transbordador espacial Challenger (OV-099) de la NASA (misión STS-51-L ) se rompió a los 73 segundos de su vuelo, provocando la muerte de sus siete miembros de la tripulación. La desintegración del vehículo comenzó después de que una junta tórica en su propulsor de cohete sólido (SRB) derecho 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 STS-107 . Mientras reingresaba a la atmósfera de la Tierra sobre Luisiana y Texas , el transbordador se desintegró inesperadamente, provocando la muerte de los siete astronautas a bordo. La causa fue el daño a las losas de protección térmica por el impacto con un trozo de espuma aislante que cayó 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 debido a tales defectos estructurales. Durante la Segunda Guerra Mundial, hubo casi 1.500 casos de fracturas frágiles importantes . Tres de los 2.710 Liberties construidos se partieron por la mitad sin previo aviso. En temperaturas frías, los cascos de acero se agrietaban, lo que provocó 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 Mississippi, 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 el resultado de 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 Titán implosionó durante una expedición a los restos del Titanic , matando a las cinco personas a bordo. Los defectos en el diseño del sumergible y en particular en el casco de presión de fibra de carbono se discutieron como una posible causa de la implosión, y el operador de Titan, OceanGate , ignoró múltiples advertencias previas sobre la posibilidad de accidentes.