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CAPÍTULO IV
DESCRIPCIÓN DE FALLAS MÁS COMUNES EN ESTRUCTURAS DE CONCRETO REFORZADO Y DE MAMPOSTERÍA
En este capítulo descriptivo se citan y explican los tipos de fallas más importantes que se
registran en estructuras de concreto reforzado y mampostería, tras la ocurrencia de
eventos sísmicos. Los aquí citados corresponden a eventos sísmicos anteriores en
distintas localidades del mundo. Toda la información referida en este capítulo está
escencialmente tomada de los apuntes de Comportamiento Estructural en Obra Civil del
Doctor Raúl Serrano Lizaola cuya referencia bibliográfica es Serrano, L.R. (2001).
“El entendimiento del comportamiento sísmico de las estructuras ha requerido de la
identificación de las características que han conducido a las fallas, o bien, a un buen
comportamiento estructural, y, también, del análisis de los tipos de daños y de sus
causas” [Serrano, L.R. (2001)].
Por lo general, estas fallas pueden deberse a:
a) Inadecuada resistencia al cortante de los entrepisos debido a la escasez de elementos
tales como columnas y muros.
b) Grandes esfuerzos de cortante y tensión diagonal en columnas o en vigas.
c) Falla por adherencia del bloque de unión en las conexiones viga-columna debida al
deslizamiento de las varillas ancladas, o a falla de cortante.
d) Grandes esfuerzos en muros de cortante, sin o con aberturas, solos o acoplados.
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e) Vibración torsional causada por la falta de coincidencia en planta del centro de masas
con el centro de rigidez.
f) Punzonamiento de la losa de edificios construidos a base de losas planas,
g) Variación brusca de la rigidez a lo largo de la altura del edificio.
h) Golpeteo entre edificios.
i) Amplificación de los desplazamientos en la cúspide de los edificios.
j) Grandes esfuerzos de cortante en columnas acortadas por el efecto restrictivo al
desplazamiento causado por elementos no estructurales.
4.1 Falla por inadecuada resistencia al cortante de los entrepisos debido a la escasez de elementos tales como columnas y muros.
El colapso de los edificios se debe generalmente a la insuficiente resistencia a carga
lateral de los elementos verticales de soporte como son columnas y muros. Las fuerzas de
inercia, cuya variación de la base hasta la cúspide del edificio es progresivamente
creciente, generan fuerzas cortantes decrecientes desde la base hasta la cúspide, mismas
que deben ser resistidas en cada nivel por el conjunto de dichos elementos verticales. De
esta forma, es necesaria un área transversal de muros y/o columnas suficiente para resistir
adecuadamente las fuerzas cortantes inducidas por el sismo.
En la figura 4.1.1 se muestra un edificio de la ciudad de México antes y después del
sismo del 28 de Julio de 1957, cuya magnitud fue de 7.5 grados, y el que causó el colapso
debido a la falla por cortante de sus columnas.
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Figura 4.1.1 Antes y después del sismo del 28 de julio de 1957 en México
Análogamente, en las figuras 4.12 y 4.13 se ilustran diferentes estructuras de concreto
reforzado, antes y después del sismo del 29 de Febrero de 1960, acaecido en la ciudad
costera marroquí de Agadir.
Figura 4.1.2 Hotel Saada antes y después del sismo de Agadir
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Figura 4.1.3 Restaurant La Réserve antes y después del sismo de Agadir
4.2 Falla frágil de cortante y tensión diagonal en columnas o en vigas.
Es muy importante que las edificaciones cuenten con una capacidad de deformación
suficiente para soportar adecuadamente la solicitación sísmica sin desmeritar,
obviamente, su resistencia. Cuando la respuesta sísmica de la edificación es dúctil, se
presentan elevadas deformaciones en compresión debidas a efectos combinados de fuerza
axial y momento flector.
Figura 4.2.1 Efecto combinado de carga axial y momento flexionante sobre columna sin y con refuerzo transversal
Con solo colocar refuerzo transversal estrechamente separado y bien detallado en la
región de la rótula plástica potencial, puede evitarse que el concreto se astille seguido del
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pandeo por inestabilidad del refuerzo a compresión. Esto implica el detallado de las
secciones para evitar una falla frágil y proporcionar suficiente ductilidad.
En las figuras 4.2.2 y 4.2.3 se ilustra el colapso de columnas de planta baja debido al
deficiente confinamiento del núcleo de concreto en su base. Se puede apreciar cómo el
concreto, ante la falta de confinamiento por estribos, se desconcha al abrirse éstos
seguido del pandeo lateral del refuerzo longitudinal. Este tipo de falla se origina debido a
la gran concentración de esfuerzos que se producen precisamente en los extremos de las
columnas por las elevadas acciones internas como son carga axial, fuerza cortante y
momento flector, causadas por las fuerzas sísmicas. Muchas estructuras se han colapsado
como resultado de un inadecuado confinamiento del núcleo de concreto en columnas. El
mismo tipo de falla puede presentarse también en secciones intermedias y superiores de
las columnas. El confinamiento del núcleo de concreto evita también la falla por tensión
diagonal producida por fuerza cortante. Este tipo de falla está caracterizado por la
formación de grietas inclinadas.
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Figura 4.2.2 Falla por tensión diagonal en columnas con estribos
Figura 4.2.3 Falla por tensión diagonal en columna zunchada
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Como consecuencia del sismo de San Fernando, Estados Unidos, en 1971, las columnas
de la planta baja del Edificio de Salud Mental del Hospital Olive View, de solo dos pisos
y de concreto reforzado, sufrieron colapso. Todas ellas tuvieron un pobre y muy separado
refuerzo transversal que no dió suficiente confinamiento al concreto y muy poca
resistencia a la tensión diagonal.
La figura 4.2.4 muestra una de estas columnas, la cual, al igual que las restantes de este
piso, quedó totalmente desintegrada ocasionando el colapso total del primer piso del
edificio.
Figura 4.2.4 Desintegración total de columna de planta baja
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Aunque menos frecuente que en las columnas, las vigas también suelen fallar por tensión
diagonal provocada por la fuerza cortante, así como lo muestra la figura 4.2.5
Figura 4.2.5 Falla por tensión diagonal producida por cortante en vigas
4.3 Falla por adherencia del bloque de unión en las conexiones viga-columna debida al deslizamiento de las varillas ancladas o a falla de cortante.
Con frecuencia, en las conexiones entre los distintos elementos estructurales se presentan
elevadas concentraciones y complejas condiciones de esfuerzos, mismos que han
conducido a distintos y numerosos casos de falla especialmente en las uniones entre
muros y losas de estructuras a base de páneles, entre vigas y columnas en estructuras de
marcos, entre columnas y losas planas, y entre columnas y cimentaciones.
La figura 4.3.1 muestra una falla por desconchamiento del concreto debido a un anclaje
defectuoso entre viga y columna.
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Figura 4.3.1 Desconchamiento del concreto en unión viga-columna
La falla de una conexión viga-columna debida a la escasez de anclaje del refuerzo de la
columna en su unión con el sistema de piso se ilustra en la figura 4.3.2
Figura 4.3.2 Falla en unión viga-columna por escasez de anclaje en la conexión de la columna con el sistema de piso
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Figura 4.3.3 Falla por deficiente adherencia en conexión viga-columna y croquis de anclaje a 90º para el desarrollo de la fluencia requerida ante solicitaciones
cíclicas propias de la acción sísmica
4.4 Falla frágil en muros de cortante, sin o con aberturas, solos o acoplados. En los proyectos estructurales, los muros de cortante son destinados a resistir
principalmente los esfuerzos producto de las fuerzas horizontales sísmicas. Ante esta
solicitación, las fallas que suelen presentarse son en su unión con los sistemas de piso,
por cortante horizontal o vertical, y por vuelco.
Durante el sismo de San Fernando, California, los muros de cortante de los edificios del
Centro Médico Indian Hills y del Hospital Holy Cross, presentaron una gran grieta
horizontal y desconchamiento del concreto en su unión con el sistema de piso. La figura
4.4.1 muestra esta situación.
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Figura 4.4.1 Vista de la fachada del Centro Médico Indian Hills
Figura 4.4.1 B Acercamiento de daños en muro de cortante de la figura anterior.
Fallas similares a las antes mencionadas se pudieron observar en dos edificios de
apartamentos en Anchorage, Alaska. El Mt. McKinley y el de la Calle 1200 “L”, ambos
de 14 pisos, muy similares entre sí tanto en forma como en el tipo de daño sufrido
después del sismo de Alaska de 1964. Un detalle muy interesante fue que ambos edificios
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fueron construidos en la misma orientación, aunque estaban separados cerca de 1500 m.
Para resistir las fuerzas sísmicas, el edificio Mt. McKinley estuvo diseñado con muros
exteriores de cortante unidos mediante vigas de acoplamiento, mientras que el de la Calle
1200 “L”, además de las paredes exteriores, tuvo núcleos de muros de cortante en los
cubos de escaleras. En ambos edificios, los muros exteriores presentaron fracturas
horizontales en su unión con las losas así como grietas en forma de X por tensión
diagonal en los antepechos.
Figura 4.4.2 Grieta y desconchamiento del concreto en muro de cortante y acercamiento del daño del edificio del Hospital Holy Cross
Este último tipo de falla es típico en las vigas de acoplamiento y se debe a demandas de
gran ductilidad y de elevadas fuerzas cortantes como consecuencia de su corta longitud.
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Figura 4.4.3 Daños en fachada norte del edificio Mt. McKinley
Figura 4.4.3 B Vista y acercamiento de daños con falla en X de vigas de acoplamiento
en muros de cortante
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Figura 4.4.3 C Daño en fachada norte del edificio de la Calle 1200 “L”, y esquema que ilustra la falla por tensión diagonal en vigas de acoplamiento de muros de cortante.
Sin un diseño adecuado para los niveles de ductilidad a flexión y a cortante esperados
ante sismos intensos, se pueden presentar fallas por flexión o por cortante en muros
estructurales que constituyen la resistencia primaria a fuerzas laterales de edificios.
4.5 Falla por vibración torsional causada por la falta de coincidencia en planta del centro de masas con el centro de rigidez.
La asimetría en la distribución en planta de los elementos estructurales resistentes de un
edificio causa una vibración torsional ante la acción sísmica y genera fuerzas elevadas en
elementos de la periferia del edificio.
La vibración torsional ocurre cuando el centro de masa de un edificio no coincide con su
centro de rigidez (Figura 4.5.1). Ante esta acción, el edificio tiende a girar respecto a su
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centro de rigidez, lo que causa grandes incrementos en las fuerzas laterales que actúan
sobre los elementos perimetrales de soporte de manera proporcional a sus distancias al
centro de rotación.
Figura 4.5.1 Vibración torsional causada por la falta de coincidencia entre el centro de masa y el centro de rigidez
En la planta del edificio de la figura 4.5.2 se observa la presencia de un bloque de
concreto asimétrico situado en la vecindad de las columnas dando lugar a una
concentración de elementos rígidos y a una consecuente asimetría en planta, situación
que fue responsable de la falla en torsión de la columna ante la acción sísmica (Figura
4.5.3).
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Figura 4.5.2 Planta de ubicación de columnas con falla.
Figura 4.5.3 Daño por vibración torsional en columna perimetral
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4.6 Falla de edificios a base de losas planas por punzonamiento de la losa
Otro caso de falla de conexión se presenta en edificios de losas planas y se debe a una
falla de punzonamiento producida por los elevados esfuerzos cortantes. En este tipo de
falla, los sistemas de piso quedan sin apoyo dando lugar a un colapso total de los mismos
manteniéndose de pie solo las columnas (Figura 4.6.1)
Figura 4.6.1 Falla de un edificio a base de losas planas por punzonamiento de losa
Las fallas en las conexiones generalmente son frágiles, por lo que estas zonas deben
protegerse con especial cuidado y diseñarse detalladamente.
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4.7 Falla por variación brusca de la rigidez a lo largo de la altura del edificio.
Con frecuencia las plantas bajas de los edificios se construyen dejando el mayor espacio
posible para permitir el paso o estacionamiento vehicular, mientras que los niveles
superiores se construyen mediante sistemas de marco-muro, estando este último la
mayoría de las veces confinado por el marco proporcionándoles a los pisos superiores
una mucho mayor rigidez que la de planta baja.
Esta situación conduce a una concentración de daños en la llamada planta débil del
edificio, la cual posee una rigidez mucho menor en comparación con la de los pisos
superiores. En la figura 4.7.1 se muestra el colapso de un edificio típico de planta débil.
Figura 4.7.1 Falla en planta débil de edificio
La planta baja de este edificio se diseñó con base en un sistema de marcos rígidos y en
los pisos superiores se contempló un sistema de muros con lo cual la rigidez en elevación
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varió, lo que provocó la falla total de la planta baja durante el sismo de El Salvador del
10 de Octubre de 1986.
Un caso muy interesante para analizar es el comportamiento estructural mostrado por el
edificio del hospital Olive View como consecuencia del sismo de San Fernando, Estados
Unidos, en 1971. El edificio principal (Figura 4.7.2 A), de concreto reforzado, de 5 pisos
y sótano, tuvo masas grandes innecesarias, así como discontinuidades significativas en
elevación (Figura 4.7.2 B) pues, mientras los cuatro niveles superiores se construyeron de
muros de rigidez confinados por marcos rígidos, los dos pisos inferiores se estructuraron
mediante marcos rígidos. Todas las columnas en planta baja fueron zunchadas, con
excepción de las de esquina, las que se reforzaron con estribos. Como se puede apreciar
en la figura B, la forma y el refuerzo de las columnas variaba de un nivel a otro.
Figura 4.7.2 A
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Figura 4.7.2 B
Las discontinuidades en rigidez, resistencia y ductilidad, así como la presencia de masas
innecesarias, jugaron un papel importante en la respuesta estructural del edificio ante el
sismo. Éste no se colapsó, pero por razones de funcionalidad tuvo que ser demolido ya
que las deformaciones permanentes de las columnas de los dos primeros niveles fueron
tan grandes (del orden de 75 cm) en el segundo nivel, que la reparación de los daños,
tanto estructurales como no estructurales, resultaba antieconómica.
Los pequeños y muy separados estribos de la columna de esquina no proporcionaron el
confinamiento adecuado al núcleo de concreto ni la resistencia suficiente a tensión
diagonal por cortante. Como resultado, la columna no tuvo ductilidad y falló frágilmente
(Figura 4.7.3).
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Figura 4.7.3 Columna de esquina severamente dañada
Figura 4.7.4 Vista del daño general en columnas de primer nivel
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Cerca de la columna de esquina se encuentra una zunchada (Figura 4.7.3), misma que
permaneció intacta. A pesar de la extrema deformación plástica la columna, ésta no se
colapsó y siguió resistiendo la carga muerta de los cuatro pisos tras la ocurrencia del
evento sísmico. Este estupendo comportamiento denota una fantástica ductilidad del
elemento debido a que el confinamiento proporcionado por el zuncho incrementó
enormemente la resistencia última y redujo la deformación del núcleo de concreto
habiendo, también, proporcionado una elevada resistencia a cortante o tensión diagonal
(Figura 4.7.4).
Otro ejemplo distintivo de cambio de rigidez a lo largo de la altura, es el diseño del
edificio de la figura 4.7.5 B que contempló muros no estructurales en todos los pisos,
pero durante el proceso constructivo solo se colocaron los de los últimos tres niveles, por
lo que el sismo de Erzincan, Turquía, de 1992, le produjo daño estructural, el cual se
concentró en el primer piso, dejando el resto de la edificación totalmente fuera de
servicio.
Figura 4.7.5 A Plantas del edificio
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Figura 4.7.5 B Evidencia de la concentración de daño en piso débil
4.8 Falla por golpeteo entre edificios.
Si no existe una separación suficiente entre edificios adyacentes, su manera distinta de
vibrar ante la solicitación sísmica conduce al golpeteo entre ellos produciéndoles severos
daños. En la figura 4.8.1 se tiene el caso de la falla de un edificio por golpes en la junta
de construcción por la acción del sismo de Tokachi-Oki, Japón.
Figura 4.8.1 Falla por golpeteo en la junta entre edificios adyacentes
Este tipo de falla puede ser más grave cuando los cuerpos adyacentes no coinciden en la
altura de sus entrepisos, ya que las losas de uno pueden golpear las partes intermedias de
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las columnas del otro. Así lo muestra la figura 4.8.2 de un edificio de la ciudad de
México en el sismo de septiembre de 1985.
Figura 4.8.2 Falla debida al golpeteo entre edificios adyacentes que no coinciden en altura sus entrepisos
4.9 Falla en columnas de pisos superiores por la amplificación de los desplazamientos en la cúspide de los edificios.
Al propagarse las vibraciones inducidas por el sismo desde la base hasta la cúspide de los
edificios, se presentan amplificaciones de la vibración a lo largo de su altura, que se
acentúan en sus niveles superiores, principalmente en edificios altos, lo que conduce a
una elevada concentración de acciones internas que provocan el colapso de una parte del
edificio a partir de determinada altura.
En la figura 4.9.1 se aprecia el colapso que sufrieron los niveles superiores de la mansión
Charaima, de once pisos, de los cueles solo siete quedaron en pie debido al sismo del 29
de Julio de 1967 en Venezuela. Lo anterior fue provocado por la amplificación de las
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vibraciones de los pisos superiores respecto a los inferiores. Este fenómeno es conocido
como resonancia local o chicoteo.
Figura 4.9.1 Colapso de los niveles superiores de un edificio de 11 pisos
Algunos autores atribuyen este tipo de colapso a la unión de concreto nuevo con viejo
tras la interrupción del colado durante el proceso constructivo.
4.10 Falla frágil de cortante en columnas acortadas por el efecto restrictivo al desplazamiento causado por elementos no estructurales.
La interacción entre elementos no estructurales, tales como muros divisorios de
mampostería, y las columnas de marcos de concreto, provoca concentraciones de fuerza
cortante en los extremos libres de las columnas, mismas que tienden a fallar fragilmente
por cortante.
La figura 4.10.1 ilustra la forma en que los muros divisorios adosados a la columna
restringen a ésta hasta donde llega la altura de ellos. Esto conduce a que la porción libre
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de la columna adquiera mucho mayor rigidez en comparación de las demás columnas del
mismo piso, que no están confinadas ni restringidas, en ninguno de sus lados, por
elementos no estructurales, generándose así elevados esfuerzos de corte en la columna
corta dando lugar a consecuencias desastrosas.
Figura 4.10.1 Deformación lateral de columna corta confinada parcialmente por muros
Ante la insuficiente ductilidad de la columna acortada, la falla se genera por tensión
diagonal producida por elevados esfuerzos cortantes y es más frágil respecto a la de las
columnas no restringidas parcialmente debido a que su longitud deformable es mucho
menor. Esta situación puede evitarse si se deja suficiente separación entre la columna y el
muro de relleno para que así ésta se deforme libremente durante la solicitación sísmica.
En las siguientes figuras 4.10.2 a 4.10.4 se ilustra este tipo de falla en columnas acortadas
en su altura por la presencia de antepechos y muros divisorios.
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Figura 4.10.2 Falla por tensión diagonal en columna acortada por antepechos
Figura 4.10.3 Falla por incremento de fuerza cortante en columna corta
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Figura 4.10.4 Falla en columna corta restringida en sus extremos por antepechos