Archivos para el mes de: noviembre, 2017

Este post es un resumen general de investigaciones, papers, etc. de unos fallos espectaculares ocurridos entre los años 2005-2007, y de otras sobre colapsos en los inviernos 2009-2011 en Suecia. Para finalizar en el análisis del fallo de un velódromo. Es una lectura larga pero reveladora.

Esperamos que no se caigan. Por eso es necesario comprender cómo y porqué han fallado estructuras de madera en el mundo hasta ahora.

Siemens Arena – Colapso

Pero, ¿qué es un fallo? El fallo es una desviación del statu quo, o que no está cumpliendo las expectativas del objetivo, o es cualquier defecto secundario.

El concepto de fallo considerado se refiere principalmente al estado límite último (por colapso directo de la estructura, aplastamiento local, fisuras, degradación, etc.) y no a la pérdida de servicio (por forjados que vibran, deformaciones excesivas, movimientos por la humedad, mohos y hongos, etc.). Así pues, los fallos se definen como acontecimientos que, directa o indirectamente, tienen o podrían haber implicado un riesgo para la vida humana.

¿Por qué debemos aprender de los fallos/colapsos anteriores?

La hipótesis principal para el trabajo ha sido que todos los fallos son causados por errores humanos. Según Kaminetzky [2], los errores se clasifican en:

  • Errores de conocimiento (formación inadecuada en relación con las tareas).
  • Errores de rendimiento (rendimiento no profesional, descuido).
  • Errores de intención (conscientemente tomando atajos y riesgos para ahorrar tiempo/dinero).

Entonces, debe ser posible prevenir fallos, aprendiendo de los mismos: “La educación y la capacitación son las únicas maneras efectivas de minimizar los fracasos. La formación de un ingeniero, arquitecto o contratista debe proporcionar una comprensión no sólo de las mejores soluciones que pueden adoptarse, sino también de las prácticas que deben evitarse”, según Kaminetzky.

Hay diversos autores que han compilado y analizado los fallos estructurales en estudios previos, pero se encuentran muy pocos casos relacionados específicamente con estructuras de madera. Pero hay un estudio [3] describe 31 casos de manera bastante detallada. A partir de su investigación se pueden identificar las siguientes causas técnicas de los daños: comportamiento inadecuado de las juntas, efectos de la exposición a la humedad (tensiones impuestas, contracción), rendimiento de durabilidad deficiente, arriostramiento inadecuado del sistema estructural, rendimiento inadecuado del material y de los productos, así como una apreciación inadecuada de las cargas.

Al aplicar el Eurocódigo 5, el nivel de seguridad de las estructuras de madera se reevalúa en muchos países europeos en las normas nacionales de aplicación. Esto ha planteado la cuestión de si el nivel actual de seguridad para las estructuras de madera es adecuado en relación con, por ejemplo, las estructuras de acero y hormigón.

Unos colapsos ocurridos en Alemania, Dinamarca, Estados Unidos, Finlandia, Noruega y Suecia entre los años 2005-2007 han supuesto unos acontecimientos negativos para la competitividad de la madera en el mercado de la construcción. La pregunta es qué se puede hacer para reducir el riesgo de fallos en las estructuras de madera en el futuro. Con este fin, se ha realizado un estudio y análisis exhaustivo de los 127 fallos en las estructuras de madera como parte de un programa de investigación sueco-finlandés [3]. Más concretamente, los objetivos de la encuesta sobre los fallos eran obtener una imagen de:

– las causas de los fallos,

– qué tipo de componentes son más propensos a fallos,

– qué modos de fallo son los más frecuentes,

– qué se puede hacer para evitar o reducir los fallos.

El fallo no podía relacionarse con un solo error, sino con dos o tres tipos de errores. Para cada caso en que se identificaron varios errores, se hizo una estimación del peso de cada tipo de error que causó el fallo.

Los diferentes tipos de errores se clasificaron con respecto a las nueve categorías siguientes:

  1. Rendimiento del material de madera.
  2. Errores de fabricación en fábrica.
  3. Principios de fabricación deficientes.
  4. Alteraciones in situ.
  5. Diseño deficiente/falta de diseño con respecto a las cargas mecánicas.
  6. Diseño deficiente/falta de diseño con respecto a las acciones medioambientales (por ejemplo, grietas de secado, efectos de contracción y daños de durabilidad).
  7. Principios pobres durante la erección.
  8. Sobrecarga en relación con la normativa de edificación.
  9. Otras razones desconocidas.

Los datos de este gráfico se pueden agrupar como sigue:

En cuanto al tipo de uso de las edificaciones objeto del estudio, la mitad eran públicos y, en un porcentaje significativo, eran industriales.

Atendiendo a las luces de las estructuras, un tercio tenían entre 10-25 m.

Se puede ver que la causa más común de fallo está relacionada con el diseño. En total, cerca de la mitad de las fallas son causadas por el diseñador (deficiencias en el diseño para la resistencia y/o acciones ambientales). Aproximadamente una cuarta parte de las fallas son causadas por el personal que trabaja en la obra (alteraciones in situ, principios deficientes durante el montaje). Esto significa que la calidad de la madera, los métodos de producción y los principios sólo causan una pequeña parte. El problema, por lo tanto, no es el material de madera, sino los ingenieros y trabajadores en el proceso de construcción.

Esta imagen es similar a la encontrada en otras investigaciones de fallos para otros tipos de estructuras (principalmente de acero y hormigón), en las que se constató que los errores humanos eran la causa dominante de los fallos.

Causa de fallo Madera Acero Hormigón
Diseño/planificación 53 35 40
Proceso de construcción 27 25 40
Mantenimiento/Reutilización 35
Material/Fabricación 11
Otros 9 5 20

Se plantea una cuestión, ¿los ingenieros diseñan mejor las estructuras de acero y hormigón? Sin embargo, tanto si esto es cierto como si no, no puede deducirse de la presente investigación.

En la siguiente tabla se presentan los tipos de elementos estructurales o juntas que intervienen en las fallas.

Las vigas, cerchas y arriostramientos son los elementos estructurales más frecuentes utilizados en las estructuras de tejado y, también, los más frecuentes en los casos de fallo estudiados. Especialmente en el caso de fallo de las cerchas, casi todos los fallos son causados por insuficiencia o ausencia de arriostramiento y principios deficientes durante la erección. En la lista de fallos predominan las vigas, especialmente las curvas y las vigas a dos aguas con cargas que generan tensiones perpendiculares a la fibra, pero también, en gran medida, las rectas.

En el 23 % de los casos, las articulaciones estuvieron implicadas en el caso de fallo. Las uniones tipo clavija son dominantes, tanto en términos de su uso en estructuras como entre los casos de fallas.

En cuanto a la distribución de los modos de fallo identificados, se puede ver que la inestabilidad es un modo de fallo dominante. Esto significa que el colapso/fracaso fue causado por un arriostramiento insuficiente/ausente, lo que llevó al pandeo o fallo del material. Los fallos por flexión y por la tracción perpendicular a la fibra también son comunes.

Existe una correlación entre el modo de fallo y la antigüedad de la estructura en el momento del fallo. Alrededor del 19 % de los casos de fallo ocurrieron durante la erección, cerca de un tercio durante los tres primeros años después de la terminación y el resto más tarde. Muy notable es que cerca del 21% de las estructuras fallaron durante el primer año después de la terminación. La edad media en el fracaso es de 7 años. Algunos fallos ocurrieron después de 30 a 40 años, pero sólo se encontraron pocos casos de fallos debidas a un comportamiento a largo plazo, como la duración del comportamiento de la carga, la descomposición y la corrosión, entre los casos investigados. Estos casos son probablemente más frecuentes en la práctica.

La investigación también se evaluó la solidez [4]. Todos los casos fueron evaluados por la ocurrencia del colapso, naturaleza de la advertencia, consecuencias, naturaleza del colapso secundario y evaluación subjetiva de la solidez, como se muestra en las siguientes figuras.

Un total del 62 % de las estructuras estudiadas se derrumbaron, en el 38 % de los casos, sólo se produjo un fallo local, pero no hubo elementos que se derrumbaron. La naturaleza secundaria del colapso se muestra en la Figura 2. En muchos casos, se produjo una falla completa del techo o edificio, lo que se correlaciona con frecuencia con consecuencias elevadas (Figura 3). Sin embargo, las consecuencias también están relacionadas con el riesgo de muerte o lesiones.

Por lo tanto, un colapso de un polideprotivo, en la que hay muchas personas presentes, tiene consecuencias más graves que, por ejemplo, el colapso de un edificio de almacenamiento. Un indicador de robustez es el tiempo transcurrido desde el inicio del fallo hasta el colapso, que se muestra en la Figura 4, donde se discute el tipo de advertencia. En el 36 % de los casos, prevaleció una advertencia significativa, lo que permitió un refuerzo temporal. En la mayoría de esos casos, se podría evitar el colapso de la estructura. La robustez también fue evaluada subjetivamente de forma independiente por dos personas, evaluando la robustez más libremente y considerando aspectos más generales, véase la Figura 5.  En general, la robustez era bastante baja, lo que se relaciona con la gran cantidad de casos relacionados con la falta o inadecuado arriostramiento, lo que resulta en el colapso total de los tejados.

 

Conclusiones:

Según un estudio alemán realizado en 2006 [5], se encontró que, por el hecho de que una investigación se hace sobre una estructura debido a cambios observados antes de que se derrumbe, existe la posibilidad de fortalecerla y prevenir el colapso, lo cual es un factor de robustez importante.

Los fallos debidos a errores humanos no pueden contrarrestarse aumentando los factores de seguridad o los niveles de seguridad en los códigos estructurales. Ninguno de los fracasos fue causado por combinaciones desfavorables de eventos aleatorios. Por lo tanto, la presente investigación no ha demostrado que el nivel de seguridad de la madera en los códigos estructurales sea inadecuado.

El riesgo de errores humanos puede reducirse mejorando la gestión del proceso de construcción, el control, así como la formación y la educación. Tales medidas deberían centrarse especialmente en los aspectos técnicos que se consideren las causas más comunes de los fallos. La formación de los ingenieros y el control en la fase de diseño debe tener alta prioridad, ya que la presente investigación muestra que la mayoría de los errores se producen en esta fase. Algunas de las cuestiones que conviene destacar son:

  • Arriostramientos para evitar problemas de inestabilidad tanto en la estructura terminada como durante la construcción.
  • Situaciones con riesgo de fallo perpendicular a la fibra.
  • Consideración de los efectos de la humedad
  • Diseño de juntas.
  • Deberían desarrollarse e implementarse métodos especiales para diseñar sistemas de madera de grandes luces para una mayor robustez en aplicaciones de una altura, especialmente para edificios públicos. Una manera de proceder en una situación de diseño debe ser predecir la respuesta y las consecuencias mediante investigaciones sistemáticas de posibles escenarios de fallo asociados con supuestas debilidades en los diferentes elementos del sistema.

 

Un estudio sueco sobre colapsos por la nieve:

Carga de nieve asimétrica en el techo debido al viento predominante en el lado izquierdo de la imagen al nevar, resultando en un colapso.

En Suecia se hizo otro estudio [7], sobre colapsos en los inviernos nevados de 2009/2010/2011. En síntesis:

  • El 18 % de los edificios eran públicos y el 31 %, agrícolas.
  • Casi la mitad tenían entre 10 y 19 metros de luz.
  • Un 25 % tenían entre 10 y 15 grados de pendiente de tejado.
  • La mayoría se construyeron en los años 80 y siguientes.
  • Observaciones sobre las cargas de nieve: no más nieve que en el código; sin descongelación ocasional, el viento del norte/este durante todo el período de nevado llevó a una gran caída de nieve, produciendo cargas de nieve altamente asimétricas; cargas de nieve asimétricas incluso para techos con baja inclinación; la carga de nieve medida en el techo es igual a la carga de nieve en el suelo; grandes diferencias en la profundidad de la nieve para tejados grandes.
  • Causas del fallo en estructuras de madera y vigas laminadas colapsadas. En estructuras de madera: falta de elementos estabilizadores, rotura (falta de mantenimiento), correas como sistema gerber (muy sensible a la carga variable en diferentes luces). Estructuras de viga laminada: riesgo desatendido de pandeo lateral, fisuras en barras de tracción (calidad del acero), placa de anclaje faltante en la conexión de la barra de tracción, fallo de tracción en barras de tracción, detalle incorrecto de la conexión de la barra de tracción.
  • Aspectos críticos en estructuras de vigas laminadas (general):

Aspectos críticos en estructuras de MLE

  • Entrevistas con proveedores (acero, planchas de acero, vigas laminadas):
    • ¿Qué tipo es la estructura colapsada? ¿Es el tipo que todavía se usa o se cambió el diseño?
    • Control del diseño de estructuras colapsadas con códigos antiguos y nuevos – diferencias en algunos casos debido a cargas de nieve más altas / cargas de nieve asimétricas y uso de Eurocódigo.
    • Errores típicos según proveedores: barras de tracción desmontables; corrosión por falta de mantenimiento; nuevo edificio que genera bolsas de nieve; cajeados/agujeros en vigas de madera laminada encolada fabricadas en obra (no en el proyecto) lo que recomendaría, después de la entrega, que se entregara un folleto informativo sobre los mismos; colapso del revestimiento de metal por encima de las vigas primarias debido al alto momento de flexión y a la elevada reacción del soporte (ahora diseñado con mayor margen de seguridad, instrucciones para retirar la nieve en la página de inicio)
    • Problemas típicos según proveedores: comunicación entre los diferentes diseñadores (errores en el diseño de la estabilidad y los soportes, información sobre las bolsas de nieve, etc.); comunicación entre diseñadores y proveedores; falta de información del cliente al proveedor lo que crea una dificultad para realizar un buen diseño.
    • Estructuras/elementos sensibles según proveedores: arcos, sistemas Gerber, grandes deformaciones y fractura en el soporte.
  • Conclusiones y propuestas de acción para evitar colapsos:
    • Se han derrumbado estructuras de tejado delgadas (acero, madera, viga laminada).
    • El 60% de los edificios derrumbados se construyeron a partir de 1980; e inclinación baja (en el 50% de los casos < 15 grados).
    • Razones del fracaso: ningún diseño/diseño incorrecto (incluidos las bolsas de nieve descuidadas): 43%; errores en obra: 30%; material o componente: 11%; falta de mantenimiento: 5%; y otras (incluyendo sobrecarga de nieve): 30%.
  • Conclusiones y propuestas de acción en cuestión de carga de nieva y factores de forma:
    • El valor de la carga de nieve se incrementó en el 2/3 de los lugares en 2006 (disminución en pocos casos).
    • La carga de nieve en la norma actual es plausible.
    • Factores de forma: para tejados con baja inclinación (<15 grados), la norma prescribe una carga simétrica, sin embargo, en realidad la carga de nieve fue altamente asimétrica. Entonces, la introducción del Eurocódigo mejorará esta situación, pero ¿es suficiente? La carga de nieve en tejados planos es igual al 80% de la carga de nieve en el suelo. ¿Por qué?
    • Propuesta de acción: investigar los factores de forma de la carga de nieve.
  • Conclusiones y propuestas de acción en cuestión de debilidades de diferentes construcciones:
    • Viga laminada: tensiones locales (cajeados, ranuras para chapas).
    • Techos de madera clavados: falta de arriostramiento de los elementos comprimidos.
    • Revestimiento del techo: sistemas gerber sensibles a la carga no uniforme; deberían ser diseñado en la clase de seguridad más alta (normalmente en medio); el revestimiento es a menudo demasiado delgado. Una propuesta es informar sobre el diseño correcto del revestimiento.
    • A menudo se descuida el riesgo de un colapso progresivo.
    • Propuesta de acción: formular un folleto sobre las debilidades de los diferentes tipos de tejados (elementos primarios/secundarios, detalles, riesgo de colapso progresivo).
  • Conclusiones y propuestas de acción en cuestión de programas de diseño:
    • Existen muchos programas diferentes.
    • Los proveedores tienen programas propios.
    • Los programas basados en diferentes modelos.
    • Hay muchos programas que no consideran combinaciones de carga importantes.
  • Conclusiones y propuestas de acción en cuestión de, ¿cuántos contratistas?:
    • No hay diferencia si hay uno o varios contratistas.
    • Falta de diseño y ejecución.
    • Falta de competencia para algunos contratistas.
    • ¿Quién tiene la responsabilidad total cuando hay muchos contratistas?
  • Conclusiones y propuestas de acción en cuestión del proceso del permiso de construcción:
    • Dependiendo del momento en que se construyó el edificio, se necesitaban diferentes reuniones y planes de control.
    • Por lo general, se celebraron las reuniones, se acordaron los planes de control, pero no se especificó lo que se comprueba en el plan de control, no hubo documentación.
    • Necesidad de una persona competente que vincule a todos los diferentes contratistas, que sólo tienen la responsabilidad de su parte.
    • Faltan diferentes controles, por ejemplo, el control del efecto de las bolsas de nieve.
    • Conclusión: los colapsos no podrían haberse evitado, aunque se hubieran seguido todas las reglas.
    • Propuestas de acción:
      • El plan de control debe incluir más información técnica.
      • Se necesita un diseñador responsable / experto para reunir todas las piezas
      • Reconstrucción/extensión de edificios: el diseño debe incluir piezas viejas y nuevas.
      • Diferentes piezas de diferentes proveedores: asegúrese de que las diferentes partes interactúan correctamente.

 

Colapso del Siemens Arena:

El Siemens Arena es un velódromo en Ballerup, Dinamarca, cuyo tejado se derrumbó en el año 2003. Dos vigas de las 12 principales del techo se cayeron a pesar de que no había ninguna carga de nieve en el tejado. La investigación del fallo reveló que la causa principal eran unos errores múltiples relacionados con el análisis estructural y la modelización conceptual de la estructura primaria.

Siemens Arena

El método más común para unir elementos de madera hoy en día es mediante uniones mecánicas de pasadores o espigas. Entre los casos de fallas en las articulaciones, éste es el tipo dominante. El diseño de juntas en estructuras de madera es un problema difícil. La transferencia de esfuerzos en las uniones tipo espiga es muy compleja y no se puede describir detalladamente en situaciones de diseño normales. Una complicación adicional es que la madera es anisotrópica y el riesgo de crear tensiones perpendiculares a la fibra es difícil de evaluar. Las excentricidades pueden desarrollarse en el área de la junta, provocando tensiones mucho más altas en la madera que las encontradas en el análisis global de la estructura. En la región de unión, las espigas también pueden reducir significativamente la sección transversal de madera.

Se identificaron los siguientes errores en el diseño y verificación de la resistencia de la junta:

  1. En los cálculos se utilizó la sección transversal nominal. Sin embargo, en la unión del talón, las secciones transversales se reducen para permitir la conexión de las vigas superior e inferior. De este modo, el área de la sección transversal se sobreestimó en un 25 %.
  2. La sección transversal no se ha reducido (sección neta) por los agujeros de tornillos y las ranuras de las chapas de acero. Esto condujo a una sobreestimación de la sección transversal de la viga inferior en un 30 %.
  3. Debido al corte de sierra inclinado de los miembros reunidos en la junta del talón, la fuerza normal (céntrica en el centro del arco) tenía una excentricidad de unos 50 mm, resultando en un momento de excentricidad, que no se tuvo en cuenta en los cálculos de diseño.
  4. El número de espigas y placas de acero en ranuras da lugar a una unión rígida, resultando en un momento adicional, que no fue considerado en el diseño.
  5. El diseño de la unión de pasadores fue incorrecto, utilizando una distribución uniforme de la carga en todos los pasadores. Esto da lugar a una sobreestimación de la capacidad de los pasadores en un 50-100 %.
  6. El corte inclinado resulta en un ángulo entre la dirección de la fibra y el borde de la viga, reduciendo la tensión y la capacidad del momento de flexión.

Todos estos factores mencionados anteriormente implican que la capacidad de la primera hilera de espigas en la viga inferior es sólo del 25% al 30% de la capacidad requerida. Al mismo tiempo, el efecto de carga fue aproximadamente un 30 a 40% mayor que la resistencia característica (con reducciones debidas a la duración del efecto de carga). El fallo de resistencia en la viga inferior en la posición de la primera hilera de espigas inició el colapso.

Al final, la solución se basó en unos cables o barras atirantadas como se explica en la siguiente imagen.

 

Para concluir este post, ¿qué más podemos aprender de los fallos?

Todos los materiales son diferentes: el acero, el hormigón y la madera tienen cosas en común, pero también sus problemas especiales y tipos de fallos.

Un buen ingeniero diseñando estructuras de acero y/o concreto no es, automáticamente, excelente diseñando estructuras de madera.

Se debe proporcionar educación/formación adicional para introducir a los ingenieros a los problemas especiales en ingeniería maderera. Basándose en:

  • base de datos / libros sobre casos de fallos, para aprender de los errores de los demás.
  • Manuales/materiales para el diseño de estructuras de madera incluyendo soluciones buenas y malas, enfocándose en problemas típicos.
  • Cursos de diseño de estructuras de madera.

 

 

 

Referencias bibliográficas:

[1] Kaminetzky D. Design and Construction Failures – lessons from forensic investigations. McGraw-Hill, New York, 1991.

[2] Dröge G., Drög, T. Schäden an Holztragwerken. Schadenfreies Bauen, Band 28, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart, 2003.

[3] Frühwal, E., Serrano E., Toratti T., Emilsson A., Thelandersson S., Design of safe timber structures –How can we learn from structural failures in concrete, steel and timber. Report TVBK-3053, Division of Structural Engineering, Lund University, 2007.

[4] Frühwald, E., Fülöp, L., Toratti T., Thelandersson S. Robustness evaluation of failed timber structures, Meeting of COST Action TU 601 (Robustness of Structures), Zürich, Switzerland, 4-5 february 2008.

[5] Frese, M., Blass, H.J. Failure analysis on timber structures in Germany, A contribution to COST Action E55, Modelling of the Performance of Timber Structures, Graz Meeting, may 14/15, 2007.

[6] Johansson C-J., Camilla Lidgren C., Nilsson Ch., Crocetti R., Takras vintrarna 2009/2010 och 2010/2011 – Orsaker och förslag till åtgärder (Roof collapses winter 2009/2010 and 2010/2011 – reasons and proposals for actions), Suecia, 2011.

[7] Hansson, Eva Frühwald, Analysis of structural failures in timber structures: typical causes for failure and failure modes, Suecia, 2011.

 

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