thumb|300px|Granero colapsado en Hörsne, Isla de Gotland, Suecia
En ingeniería, se habla de un fallo estructural cuando se produce una situación que agota la capacidad resistente de una estructura (entendida como un conjunto de elementos diseñados para soportar determinadas cargas, concepto en el que pueden incluirse principalmente edificaciones y obras de ingeniería civil, pero también todo tipo de vehículos, máquinas o cualquier clase de objeto cuyo uso implique resistir determinadas fuerzas), causando su destrucción parcial o total, o que tenga que quedar fuera de servicio.
Por su parte, la integridad estructural es la capacidad de un elemento, ya sea un componente estructural o una estructura que consta de muchos componentes, de mantenerse unido cuando es sometido a cargas (incluido su propio peso), sin romperse o deformarse excesivamente. Asegura que la construcción cumplirá la función para la que fue diseñada mientras se le dé un uso razonable durante todo el tiempo establecido para su vida útil. Dotar de integridad estructural a un objeto fabricado o a una construcción permite evitar fallos catastróficos, que pueden resultar en lesiones, daños severos, muertes y/o pérdidas monetarias.
Al hilo de la definición anterior, un fallo estructural es la pérdida de la integridad estructural (o de la capacidad para soportar cargas) de un componente estructural o de la propia estructura. Se inicia cuando un material se somete a esfuerzos más allá de su resistencia de diseño, lo que provoca una rotura o una deformación excesiva.
En un sistema bien diseñado, una fallo localizado no debería causar un colapso inmediato ni progresivo de toda la estructura. El estados límite utilizado en el diseño estructural permite evaluar la resistencia de una estructura en el caso de que falle alguno o algunos de los elementos que la componen.
El estudio de la integridad estructural y de sus fallos incluye el análisis de casos del pasado para prevenir fallos en diseños futuros.
Introducción La integridad estructural es la capacidad de una estructura para soportar la carga prevista sin fallar debido a roturas, deformaciones o fatiga. Es un concepto que se usa a menudo en ingeniería para producir artículos que servirán para los propósitos diseñados y seguirán siendo funcionales durante el tiempo de vida útil deseado.
Para construir un artículo con integridad estructural, un ingeniero primero debe considerar las propiedades mecánicas de los materiales empleados, atendiendo a su tenacidad, resistencia, peso, dureza y elasticidad, y luego determinar el tamaño y la forma necesarios para que el material resista las cargas esperables al menos durante su vida útil prevista. Dado que los elementos de una estructura no deben romperse ni pueden doblarse excesivamente, deben conservar su rígidez y poseer una cierta dureza. Un material muy rígido puede resistir la flexión, pero a menos que sea lo suficientemente resistente a esfuerzos axiales, puede que su sección 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 resistencia evita la rotura.
La integridad de cada componente debe corresponder a su aplicación individual en cualquier estructura portante. Por ejemplo, los soportes de los apoyos de algunos tipos de puentes necesitan disponer de una elevada fluencia para compensar las dilataciones del tablero, mientras que los tornillos que los sujetan necesitan una gran resistencia al esfuerzo cortante y una elevada tensión de rotura. De igual forma, los muelles requieren materiales con elevada elasticidad, pero la mayor parte de las herramientas deben fabricarse con materiales de una alta rigidez.
Además, toda la estructura debe poder soportar sus cargas sin que fallen sus elementos más débiles, ya que esto puede generar mayores tensiones en otros elementos estructurales y dar lugar a un fallo en cadena.Introduction to Engineering Design: Modelling, Synthesis and Problem Solving Strategies By Andrew E. Samuel, John Weir – Elsevier 1999 Page 3—5Structural Integrity of Fasteners, Volume 2 Edited by Pir M. Toor – ASTM 2000
Historia La necesidad de construir estructuras resistente se remonta a tiempos muy remotos. Las casas debían poder soportar su propio peso, más el peso de los habitantes. Los castillos debían estar fortificados para resistir los asaltos de los invasores. Las herramientas debían ser lo suficientemente fuertes y resistentes para realizar eficazmente su trabajo. Sin embargo, la ciencia de la mecánica de la fractura tal como se conoce 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 desastrosos fallos causados por algunas tecnologías novedosas hicieron necesario emplear 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 problemas de fractura frágil, causada por las tensiones creadas por el proceso de soldadura, los cambios de temperatura y por la concentración de tensiones en las esquinas en ángulo recto de los mamparos. En la década de 1950, varios aviones De Havilland DH.106 Comet explotaron en pleno vuelo debido a las concentraciones de tensión en las esquinas de sus ventanas cuadradas, lo que provocó la formación de grietas y la explosión de las cabinas presurizadas. Las explosiones de calderas, causadas por fallos en sus cámaras presurizadas, fueron otro problema común durante esta época y causaron en ocasiones daños considerables. El tamaño cada vez mayor de los puentes y los edificios provocó catástrofes y pérdidas de vidas aún mayores. Esta necesidad de asegurar la integridad estructural de las construcciones dio lugar a grandes avances en los campos de las ciencias de los materiales y la mecánica de la fractura.Assuring structural integrity in army systems By National Research Council (U.S.). National Materials Advisory Board, National Research Council (U.S.). Commission on Engineering and Technical Systems, National Research Council (U.S.). Committee on Assurance of Structural Integrity – 1985 Page 1—19Structural Integrity Monitoring By R.A. Collacott – Chapman and Hall 1985 Page 1—5
Tipos de fallos thumb|Colapso de un edificio debido al peso de la nieve
Los fallos estructurales pueden producirse por diversas clases de problemas, la mayoría de los cuales son exclusivos de diferentes industrias y tipos de estructuras. Sin embargo, la mayoría puede atribuirse a una de estas cinco causas principales: La primera es que la estructura no es lo suficientemente fuerte y resistente para soportar la carga, debido a su tamaño, forma o elección del material. Si la estructura o algún componente de la misma no es lo suficientemente fuerte, puede producirse un fallo catastrófico cuando se somete a cargas más allá de su nivel crítico de esfuerzo. El segundo tipo de fallo es por fatiga o corrosión, causado por inestabilidad en la geometría, diseño o propiedades del material de la estructura. Estos fallos generalmente comienzan cuando se forman grietas en los puntos donde se concentran las tensiones, como esquinas cuadradas o agujeros de pernos demasiado cerca del borde del material. Estas grietas crecen a medida que el material se somete a tensiones y descargas repetidas (cargas cíclicas), alcanzando finalmente una longitud crítica y provocando el fallo repentino bajo condiciones normales de carga. El tercer tipo de fallo es causado por errores de fabricación, incluida la selección incorrecta de materiales, tamaño incorrecto, tratamiento térmico incorrecto, cambios en el diseño mal controlados o mano de obra deficiente. Este tipo de fallos por lo general son impredecibles. El cuarto tipo de fallo es debido al uso de materiales defectuosos. Si no se detecta y corrige en el momento de construir la estructura, suele ser impredecible, ya que el material puede haber sido fabricado incorrectamente o dañado por un uso anterior.Procedimiento Constructivo Ardila: Errores de proyectos al construir, Mar 11, 2024. La quinta causa de fallo es la falta de consideración de problemas inesperados, tales como eventos de vandalismo, sabotaje o desastres naturales. También puede producirse si quienes usan y mantienen la construcción no están capacitados adecuadamente y sobrecargan la estructura.
Fallos notables
Puentes
Puente del río Dee
thumb|El puente sobre el río Dee tras su colapso
El puente del río Dee fue diseñado por Robert Stephenson, utilizando vigas de fundición de hierro reforzadas con puntales de hierro forjado. El 24 de mayo de 1847, se derrumbó cuando un tren pasaba sobre él, matando a cinco personas. Su colapso fue objeto de una de las primeras investigaciones formales sobre un fallo estructural. Esta investigación concluyó que el diseño de la estructura era fundamentalmente defectuoso, ya que el hierro forjado no reforzó los elementos de fundición como se esperaba y la fundición había fallado debido a la flexión repetida.Petroski, H. (1994) p.81
Primer puente ferroviario del Tay
El desastre del puente del Dee fue seguido por una serie de derrumbes de puentes de fundición de hierro, incluido el colapso del primer Puente ferroviario del Tay el 28 de diciembre de 1879. Al igual que el puente del Dee, el viaducto del Tay se derrumbó cuando un tren pasó sobre él, matando a 75 personas. El puente falló porque estaba construido con hierro fundido deficientemente producido y porque el ingeniero autor del proyecto Thomas Bouch no consideró la carga del viento sobre la estructura. Su colapso provocó que el hierro fundido fuera reemplazado por una construcción de acero y un rediseño completo en 1890 del Puente de Forth, convirtiéndolo en el primer puente completamente de acero del mundo.
Primer puente de Tacoma Narrows
El colapso en 1940 del puente Tacoma Narrows original a veces se caracteriza 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 atravesaban, conocida como aeroelasticidad. Robert H. Scanlan, uno de los principales contribuyentes a la comprensión de la aerodinámica de puentes, escribió un artículo sobre este malentendido.K. Billah and R. Scanlan (1991), Resonance, Tacoma Narrows Bridge Failure, and Undergraduate Physics Textbooks, American Journal of Physics, 59(2), 118—124 (PDF) El colapso del puente colgante y la investigación que siguió llevaron a una mayor comprensión de las interacciones viento/estructura. Varios puentes fueron modificados tras el derrumbe de Tacoma para evitar que se repitiera algo semejante. La única víctima mortal fue un perro llamado Tubby.
Puente I-35W
thumb|200px|Las imágenes de las cámaras de seguridad muestran el colapso del puente I-35W, mirando hacia el norte