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Robustez estructural y colapso progresivo: claves para entender y proteger nuestras construcciones

Colapso de una torre de viviendas en Ronan Point (Reino Unido). By Derek Voller, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=59931718

La robustez estructural es la cualidad que permite a un edificio o puente soportar eventos inesperados —un fallo aislado, un impacto, una explosión—sin que ello provoque un colapso generalizado. Con el fin de aclarar el tema, se plantea la siguiente hipótesis: ¿qué ocurriría si un edificio perdiera de forma repentina uno de sus pilares portantes? En caso de que el diseño del edificio sea adecuado, las cargas que anteriormente transmitía dicho pilar se distribuirán de manera alternativa entre los elementos restantes, evitando así su colapso total. La capacidad de «resistir a contracorriente» ante situaciones inusuales se denomina robustez, constituyendo una línea de defensa fundamental para garantizar la seguridad de las personas y la continuidad del uso de la infraestructura.

El concepto puede resultar abstracto, pero es suficiente con considerar ejemplos dramáticos del pasado: en 1968, el colapso de una torre de viviendas en Ronan Point (Reino Unido) se originó por la explosión de una bombona de gas en un piso. Un fallo local aparentemente limitado desencadenó la caída de varias plantas, debido a la falta de mecanismos suficientes para redirigir las cargas. Por el contrario, un diseño sólido y bien fundamentado prevé esa posibilidad y mantiene la estructura del edificio en pie incluso tras el daño inicial, minimizando el número de víctimas y la magnitud del desastre.

Dentro de la robustez, se identifican diversas cualidades fundamentales. La redundancia implica la disposición de múltiples vías para garantizar la llegada de las cargas al terreno. En caso de una interrupción en una de las vías, las otras están preparadas para asumir la carga de manera inmediata. La ductilidad se define como la capacidad de los materiales —como el acero, el hormigón armado o la madera— para deformarse sin quebrarse de forma brusca. Esta «flexibilidad» les permite absorber la energía generada por impactos o terremotos, evitando así roturas instantáneas. La integridad estructural se define como la continuidad de todos los elementos conectados, de modo que las vigas, columnas y losas formen un conjunto que trabaje armónicamente y no se separe ante un esfuerzo puntual.

El colapso progresivo es un proceso en el que un fallo inicial genera otros a su alrededor, extendiéndose como una fiebre que consume toda la estructura. Analogía: el desplome de la primera ficha de dominó puede desencadenar la caída de todas las demás. En el ámbito de la ingeniería estructural, se busca evitar dicha reacción en cadena. Para ello, se implementan técnicas de «atado» o «conexión reforzada», mediante las cuales se une las vigas y columnas con armaduras continuas o refuerzos en puntos críticos. De esta manera, en caso de fallo de un elemento, el resto del sistema no se ve comprometido.

En el ámbito de la ingeniería, la incorporación de la robustez en los proyectos se aborda mediante la aplicación de diversas estrategias. Una de las metodologías más eficaces consiste en anticipar los posibles escenarios de daño, tales como impactos de vehículos, explosiones accidentales o errores de construcción. Posteriormente, se verifica mediante modelos simplificados que la estructura mantiene su estabilidad incluso cuando falta un pilar o una viga. Otra estrategia prescriptiva implica el refuerzo de elementos clave, tales como las columnas exteriores o los núcleos de las escaleras, mediante la incorporación de armaduras o perfiles metálicos de mayor sección, con el fin de actuar como «pilares de reserva» que soporten las cargas críticas.

La normativa europea, establecida en los Eurocódigos, ha establecido durante años la exigencia de que los edificios posean la capacidad de resistir sin colapsar de manera desproporcionada ante acciones accidentales. Es importante destacar que esta medida no implica la necesidad de afrontar situaciones de alto riesgo, como bombardeos o terremotos de gran intensidad. En cambio, se refiere a la capacidad del edificio para resistir eventos menos probables pero potencialmente significativos, tales como la explosión de una tubería de gas o el choque de un camión contra un pilar. Para ello, se establecen diversos niveles de severidad del daño y se implementan criterios de diseño más o menos rigurosos, en función del riesgo para las personas y el entorno.

En la práctica, estos requisitos se traducen en aspectos constructivos específicos, tales como la unión de las vigas de forjado a las vigas principales y a los muros de cerramiento, la instalación de estribos continuos en las columnas para mejorar su comportamiento ante daños localizados o la previsión de refuerzos metálicos en los puntos de unión más expuestos. Asimismo, se recomienda el empleo de materiales con suficiente ductilidad, como aceros estructurales de alta deformabilidad, y técnicas de construcción que garanticen conexiones firmes, tales como soldaduras completas, atornillados de alta resistencia o conectores especiales en estructuras de madera.

Estos principios, además de aplicarse en la obra nueva, también se emplean en el refuerzo de edificios existentes. En el proceso de rehabilitación de estructuras antiguas, con frecuencia se implementa la adición de pórticos metálicos interiores o el refuerzo de las conexiones de hormigón armado con fibras de carbono, con el propósito de incrementar su ductilidad. En el caso de los puentes, se procede a la instalación de amortiguadores o cables adicionales que permitan la redistribución de esfuerzos en caso de rotura de un tirante. El objetivo principal es la integración de elementos de seguridad en el sistema portante.

En resumen, la robustez estructural es un enfoque global que integra el diseño conceptual, el análisis de riesgos, la definición de escenarios y los detalles constructivos, con el objetivo de prevenir que un fallo puntual derive en un colapso mayor. Es imperativo comprender el colapso progresivo y aplicar medidas de redundancia, ductilidad e integridad —junto a estrategias prescriptivas y de análisis directo—. De esta manera, nuestros edificios y puentes se convierten en sistemas más seguros, preparados para afrontar lo imprevisto y reducir al máximo las consecuencias de cualquier incidente.

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Tómese un momento para consultar el siguiente texto, el cual contiene información adicional relevante para su referencia. El presente informe, elaborado por la EU Science Hub, en consonancia con los Eurocódigos, aborda el tema de la resistencia estructural, con el propósito de prevenir colapsos progresivos y desproporcionados en estructuras tales como edificios y puentes. Por favor, proceda a analizar las directrices de diseño existentes en Europa y otros lugares, identificando fortalezas y debilidades en las normativas actuales. El documento propone nuevas estrategias de diseño, como métodos mejorados de fuerza de atado horizontal y consideraciones de rutas de carga alternativas, y aborda la importancia de tener en cuenta el envejecimiento, el deterioro y el diseño multi-riesgo. Se presentan ejemplos ilustrativos de aplicación para diversas estructuras.

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Glosario de términos clave

  • Robustez (estructural): Capacidad/propiedad de un sistema para evitar una variación del rendimiento estructural (rendimiento del sistema) desproporcionadamente mayor con respecto al daño correspondiente (perturbación del sistema).
  • Vulnerabilidad: Describe el grado de susceptibilidad de un sistema estructural a alcanzar un determinado nivel de consecuencias, para un evento peligroso dado.
  • Daño admisible (damage tolerance): Capacidad de un sistema estructural para soportar un determinado nivel de daño manteniendo el equilibrio con las cargas aplicadas.
  • Continuidad: Conexión continua de los miembros de un sistema estructural.
  • Ductilidad: Capacidad de un sistema estructural para soportar las cargas aplicadas disipando energía plástica.
  • Integridad: Condición de un sistema estructural para permitir la transferencia de fuerzas entre los miembros en caso de eventos accidentales.
  • Incertidumbres: Estado de información deficiente, por ejemplo, relacionada con la comprensión o el conocimiento de un evento, su consecuencia o probabilidad.
  • Probabilidad: Expresión matemática del grado de confianza en una predicción.
  • Fiabilidad (reliability): Medida probabilística de la capacidad de un sistema estructural para cumplir requisitos de diseño específicos. La fiabilidad se expresa comúnmente como el complemento de la probabilidad de falla.
  • Seguridad estructural: Calidad de un sistema estructural, referida a la resistencia, estabilidad e integridad de una estructura para soportar los peligros a los que es probable que esté expuesta durante su vida útil.
  • Riesgo: Una medida de la combinación (generalmente el producto) de la probabilidad o frecuencia de ocurrencia de un peligro definido y la magnitud de las consecuencias de la ocurrencia.
  • Redundancia: La capacidad del sistema para redistribuir entre sus miembros la carga que ya no puede ser soportada por algunos elementos dañados y/o deteriorados.
  • Peligro: Amenaza excepcionalmente inusual y severa, por ejemplo, una posible acción anormal o influencia ambiental, resistencia o rigidez insuficiente, o desviación perjudicial excesiva de las dimensiones previstas.
  • Escenario peligroso: Serie de situaciones, transitorias en el tiempo, que un sistema podría experimentar y que pueden poner en peligro el propio sistema, a las personas y al medio ambiente.
  • Consecuencias del fallo: Los resultados o impactos de un fallo estructural, que pueden ser directos (daño a elementos afectados directamente) o indirectos (fallo parcial o total del sistema subsiguiente).
  • Análisis por presión-impulso (pressure–impulse analysis): Método utilizado para evaluar el rendimiento y el daño de elementos estructurales individuales bajo carga dinámica, definido por curvas iso-daño que relacionan la presión y el impulso.
  • Capacidad de diseño (capacity design): Un principio de diseño sísmico que establece una jerarquía de resistencias de los miembros para garantizar que las rótulas plásticas se formen en ubicaciones deseadas, típicamente en las vigas en lugar de en las columnas (regla columna débil-viga fuerte – SCWB).
  • Factor de robustez R(𝜌, Δ): Un factor propuesto para cuantificar la robustez estructural relacionando el indicador de rendimiento residual (𝜌) con el índice de daño (Δ), a menudo con un parámetro de forma (𝛼).
  • Atados (ties): Elementos o disposiciones utilizados en el diseño estructural para proporcionar resistencia a la tracción y mejorar la robustez, especialmente en caso de pérdida de un elemento vertical de soporte de carga. Pueden ser horizontales o verticales.

Referencias:

MAKOOND, N.; SETIAWAN, A.; BUITRAGO, M., ADAM, J.M. (2024). Arresting failure propagation in buildings through collapse isolation. Nature 629, 592–596 (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07268-5

NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2025). Metamodel-assisted design optimization of robust-to-progressive-collapse RC frame buildings considering the impact of floor slabs, infill walls, and SSI implementation. Engineering Structures, 325:119487. DOI:10.1016/j.engstruct.2024.119487

Sobre la resistencia de los materiales

https://datalights.com.ec/estudio-experimental-en-resistencia-de-materiales/

Hoy os propongo un artículo que trata de la importancia de la Resistencia de Materiales en la ingeniería, destacando su propósito, aplicaciones y conceptos fundamentales.

Explica cómo esta disciplina analiza el comportamiento mecánico de los materiales ante cargas externas, estudiando aspectos como la resistencia, rigidez y estabilidad. Además, compara la Resistencia de Materiales con la Teoría de la Elasticidad y la Teoría de Estructuras, y detalla las aplicaciones en diferentes ramas de la ingeniería. También aborda problemas clave como el dimensionamiento y la comprobación, y clasifica los materiales en frágiles y dúctiles según su comportamiento ante la rotura.

 

1. Objeto y finalidad de la Resistencia de Materiales

Para que una ingeniería funcione, debe tener claro qué estudia y qué quiere lograr. En efecto, toda disciplina ingenieril requiere de una definición clara y precisa de su campo de estudio y de los objetivos que busca alcanzar. En el ámbito de la Resistencia de Materiales, el propósito esencial radica en el análisis del comportamiento mecánico de los materiales ante cargas externas, determinando su capacidad para resistir esfuerzos y deformaciones.

Para ilustrar la relevancia de esta disciplina, veamos un ejemplo: dos piezas de igual geometría, pero fabricadas con materiales diferentes, como el acero y la escayola. Al aplicar una carga creciente sobre ambas, se observa que la pieza de acero soporta valores mucho mayores antes de romperse en comparación con la de escayola. Este comportamiento define la resistencia mecánica como la capacidad intrínseca de un material para resistir la ruptura bajo solicitaciones externas.

Además de la resistencia, es necesario estudiar la rigidez, entendida como la capacidad de un material para limitar sus deformaciones ante la aplicación de cargas. En el ejemplo anterior, el acero experimenta deformaciones mucho menores que la escayola bajo la misma carga, lo que indica que su rigidez es superior. Para cuantificar estas propiedades, la Resistencia de Materiales se apoya en métodos experimentales que permiten caracterizar el comportamiento mecánico de los materiales y validar modelos teóricos aplicables al diseño estructural.

Otro aspecto fundamental en el análisis de los materiales es su estabilidad, entendida como la capacidad de una pieza estructural para conservar su equilibrio y evitar desplazamientos excesivos frente a pequeñas variaciones en la carga aplicada. La evaluación de la estabilidad resulta esencial en el ámbito de la ingeniería, ya que garantiza que los elementos estructurales mantendrán su integridad bajo condiciones de servicio.

En función de estas consideraciones, la Resistencia de Materiales se define como la disciplina encargada del estudio de la resistencia mecánica, la rigidez y la estabilidad de los elementos estructurales.

2. Relación entre la Resistencia de Materiales y la Teoría de la Elasticidad

Tanto la Resistencia de Materiales como la Teoría de la Elasticidad persiguen un mismo propósito: el análisis de la respuesta de los materiales ante cargas externas. No obstante, su principal diferencia estriba en la metodología empleada. Mientras que la Teoría de la Elasticidad formula ecuaciones diferenciales complejas para describir el comportamiento de los sólidos deformables de manera exacta, la Resistencia de Materiales introduce hipótesis simplificadoras que permiten resolver problemas de ingeniería de manera más práctica y eficiente sin perder precisión en la mayoría de las aplicaciones.

Otra diferencia clave es el alcance de cada disciplina. La Resistencia de Materiales se centra en el estudio de elementos individuales dentro de una estructura, determinando los esfuerzos internos y deformaciones en cada componente. Por su parte, la Teoría de Estructuras aborda el análisis integral de la estructura, contemplando la interacción entre sus componentes y evaluando su estabilidad general. Ambas disciplinas son complementarias y su dominio resulta esencial para el diseño de estructuras seguras y funcionales.

3. Aplicaciones de la Resistencia de Materiales

La Resistencia de Materiales es un campo con una amplia gama de aplicaciones en diversas áreas de la ingeniería. Algunas de sus principales áreas de aplicación incluyen:

  • Ingeniería aeronáutica y naval: Diseño de estructuras de aviones y embarcaciones sometidas a cargas aerodinámicas e hidrostáticas.
  • Ingeniería civil: Análisis y diseño de puentes, edificios, presas y otras infraestructuras sometidas a cargas estáticas y dinámicas.
  • Ingeniería de minas: Evaluación estructural de túneles, galerías y sistemas de sostenimiento en excavaciones subterráneas.
  • Ingeniería mecánica: Diseño de componentes mecánicos como engranajes, ejes, soportes, recipientes a presión y estructuras de maquinaria.
  • Ingeniería energética: Análisis estructural de turbinas, calderas y reactores sometidos a altas temperaturas y presiones.
  • Ingeniería metalúrgica: Caracterización y optimización de materiales estructurales para mejorar su comportamiento mecánico.
  • Ingeniería eléctrica: Diseño de estructuras de soporte para equipos eléctricos y torres de transmisión.
  • Ingeniería química: Evaluación de la resistencia mecánica de reactores, tuberías y otros elementos sometidos a esfuerzos térmicos y mecánicos.

En todas las áreas de especialización mencionadas anteriormente, el conocimiento de la resistencia de los materiales resulta imprescindible para asegurar que los elementos estructurales y mecánicos diseñados sean capaces de soportar las solicitaciones a las que estarán expuestos sin comprometer su seguridad o funcionalidad.

4. Problemas fundamentales de la Resistencia de Materiales

La Resistencia de Materiales aborda dos problemas esenciales en el análisis estructural:

  1. Problema de dimensionamiento: Dado un sistema de cargas conocido, se determinan las dimensiones óptimas de un elemento estructural para que los esfuerzos internos y las deformaciones no superen los valores límite establecidos por normativas.
  2. Problema de comprobación: Una vez definidos los parámetros geométricos y mecánicos del elemento, se verifica que las tensiones y deformaciones resultantes cumplan con los valores admisibles de seguridad. Este análisis permite validar el diseño antes de su implementación en campo.

5. Materiales frágiles y dúctiles

Los materiales empleados en ingeniería pueden clasificarse en dos grandes categorías según su comportamiento ante la rotura:

  • Materiales frágiles: Presentan una rotura brusca y sin deformación plástica apreciable, como la escayola, el vidrio y algunos tipos de cerámica. En estos materiales, la fractura ocurre repentinamente cuando la tensión alcanza su valor crítico.
  • Materiales dúctiles: Experimentan una deformación significativa antes de romperse, lo que permite absorber mayores cantidades de energía sin fallar de manera súbita. Ejemplos de estos materiales incluyen el acero estructural, el aluminio y el cobre.

Para mostrar esta diferencia, consideremos de nuevo el caso de las vigas de escayola y acero sometidas a la misma carga creciente. Mientras que la viga de escayola experimenta una fractura abrupta sin mostrar signos de deformación previa, la viga de acero exhibe una respuesta progresiva con plastificación antes de alcanzar su punto de rotura. Esta propiedad hace que los materiales dúctiles sean preferidos en estructuras críticas, ya que permiten detectar señales de falla antes del colapso.

6. Conclusión

La Resistencia de Materiales constituye una disciplina de vital importancia en el ámbito de la ingeniería, puesto que permite analizar y predecir el comportamiento mecánico de los materiales sujetos a cargas externas. Su relación con la Teoría de la Elasticidad y la Teoría de Estructuras la convierte en una herramienta fundamental para el diseño y construcción de infraestructuras seguras y eficientes.

Su aplicación se extiende a diversas áreas de la ingeniería, garantizando que los materiales y componentes estructurales cumplan con los requisitos de resistencia, rigidez y estabilidad. La diferenciación entre materiales frágiles y dúctiles constituye un aspecto primordial en el diseño, ya que incide directamente en la selección de materiales idóneos para cada aplicación específica.

El conocimiento y dominio de la Resistencia de Materiales permite a los ingenieros abordar problemas complejos con soluciones optimizadas, asegurando el correcto desempeño y la seguridad de las estructuras en las que se aplican sus principios.

 

Referencia:

Berrocal, L. O. (2007). Resistencia de materiales. McGraw-Hill.

Os dejo algunos vídeos divulgativos sobre esta materia. Recuerdo que el objetivo es la divulgación en lenguaje sencillo.

 

Los buques Liberty, la presa Hoover y Henry John Kaiser

Henry John Kaiser (1882-1967). https://www.timetoast.com/timelines/emprendedor-9b6a7454-6cc7-44e6-b64e-962191522820

Pocos emprendedores han influido tanto en el desarrollo de su país como Henry John Kaiser (1882-1967). No solo se le conoce como el padre de la moderna construcción naval norteamericana, con la construcción de los buques de la Clase Liberty, sino que sus empresas abordaron aspectos tan dispares como la construcción de la presa Hoover, la fabricación de automóviles, la producción de cemento o la construcción de viviendas prefabricadas y autopistas. Pero también destaca su labor altruista construyendo centros cívicos, hospitales y escuelas de medicina.

Una de sus primeras compañías construyeron en 1915 las primeras carreteras de hormigón en Cuba. Ganó en 1921 su primer contrato de pavimentación en California y fue ganando contratos por sus costes y plazos reducidos, destacando los buenos salarios de sus trabajadores. Pero fue en 1931, tras la Gran Depresión, cuando asociándose con Bechtel Corporation, construyeron la presa Hoover, acabándola dos años antes de lo previsto.

Por otra parte, uno de los hitos de este empresario fue la construcción de unos 2700 buques de la Clase Liberty con motivo de la participación de Estados Unidos en la Segunda Guerra Mundial. Eran barcos que se construyeron sustituyendo las uniones roblonadas por la incipiente soldadura. La rapidez en la construcción de estas embarcaciones era asombrosa. Así, la quilla del Robert E. Peary de 10.500 toneladas se izó el domingo 8 de noviembre de 1942, y el barco se botó desde el Astillero de Richmond (California) el jueves 12 de noviembre, cuatro días y 15 horas y media después. Estas embarcaciones se diseñaron para una vida media de 5 años, participando en todos los escenarios de la guerra, incluido el Desembarco de Normandía.

Pero, como suele ser habitual, las innovaciones tecnológicas pasan por un calvario técnico. Los cascos soldados de estas embarcaciones presentaban una fragilidad desconocida hasta entonces. Las temperaturas bajas hacían fallar las soldaduras, lo que partía en dos el casco. Por ejemplo, en 1943, el buque cisterna Schenectady se partió cuando navegaba por las frías aguas entre Siberia y Alaska. La fisura apareció en el ángulo agudo de la escotilla de la cubierta, pasando prácticamente de modo casi instantáneo a través de la cubierta y por ambos bordes del cuerpo hasta la obra viva junto a la misma quilla. Todo ello ocurrió durante un tiempo sin viento a temperatura del aire de 3 °C bajo cero y temperatura del agua de 4,5 °C sobre cero. La placa de acero de un buque, no son perfectamente elásticas, ya que sufren importantes deformaciones plásticas en la punta de una grieta. Era la primera vez que se utilizaba la soldadura para construir los cascos de los buques y el acero empleado no tenía las características de ductilidad y tenacidad necesarias, siendo frecuente que los detalles de las zonas singulares no estuviesen bien resueltos.

Avería del petrolero «Schenectady» (enero de 1943). https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:TankerSchenectady.jpg

Este tipo de problemas alumbró la mecánica de fractura, que ya tenía antecedentes en 1920 con la publicación del artículo “The Phenomena of Rupture and Flow in Solids”, del ingeniero aeronáutico Alan Arnold Griffith (1983-1963). Pero a este tema ya le dedicaremos un artículo, que bien se lo merece.

Os dejo un par de vídeos sobre Henry Kaiser (en inglés). Espero que os gusten.