Versión en Español
Amigos de la comunidad científica de HIVE como lo es STEMSOCIAL y de la subcomunidad de STEM-ESPANOL, me es grato compartir con todos ustedes estas temáticas enmarcadas en el ámbito de la ingeniería sismorresistente, una de mis principales áreas de formación académica que busca que las estructuras ante un evento sísmico sean resistentes, pero esta resistencia no necesariamente va a significar que la estructura no sufra daño alguno, es decir, que se mantenga en un rango de comportamiento elástico, sino por el contrario permitimos que en nuestro diseño la presencia de daño, lo que significa una incursión en el comportamiento inelástico, pero alejada del colapso, es decir, fallas de tipo frágil.
siento que es mucha información, nos podrías explicar lo relativo al comportamiento elástico?
Claro que si, este comportamiento viene explicado por la ley de Hooke, que en líneas generales viene a enaltecer que el comportamiento elástico de los materiales se da siempre y cuando los esfuerzos sean proporcionales a las deformaciones, para que lo entendamos mejor, te invito a que veas la siguiente imagen animada, donde al resorte se le aplican cargas con la mano y en proporción de estas se experimenta deformación, bien sea con esfuerzos de comprensión (el resorte se acorta de tamaño) o de tracción ( se alarga el resorte), noten que cuando la carga es retirada el resorte regresa a su forma original, por el principio de proporcionalidad entre esfuerzo -deformación.
Ahora bien, este comportamiento elástico supone que debe existir un límite, es decir, ese punto donde el material abandona este comportamiento, para incursionar en el comportamiento plástico o inelástico, dónde comienzan apreciarse deformaciones permanentes, es decir, al retirar la carga el resorte que es el modelo didáctico que estamos usando no regresa a su forma original, como se puede apreciar en la siguiente imagen animada, ante un esfuerzo de tracción.
En una edificación y tomando como referencia estructuras de concreto armado, este comportamiento inelástico se evidencia cuando ante la ocurrencia del sismo los elementos estructurales comienzan a agrietarse, acotando que los mismos desde el enfoque de la ingeniería sismorresistente se estudian desde diversos tipos de falla, los cuales no se abordan en esta publicación, pero que de un modo general comienza con el agrietamiento del concreto, y sigue la cedencia del acero, cuando eso pasa la estructura está entrando en un rango de comportamiento inelástico, y mientras mejor se desenvuelva en esa zona podrá realizar una mejor disipación de la energía inducida por el sismo. En la siguiente publicación reflexiono sobre los diferentes estados de fallas de una viga de concreto armado con un enfoque mas riguroso tanto matemático como de ingeniería:
Para el momento de escribir esta publicación nos disponía de fotografías propias de estos estados de falla en estructuras, por lo que he usado estas imágenes libres como referencia, recurriendo un tanto a la imaginación para afianzar las ideas expuestas en párrafos anteriores.
Esta imagen corresponde a un edificio antiguo, acotando que este deterioro no es precisamente por un sismo, sin embargo este deterioro de la estructura es una evidencia de comportamiento inelástico, así como le pasó al resorte en la imagen animada anterior, ahora bien, esta situación no es un problema que ocurra ante un sismo, siempre y cuando la estructura no colapse. Te comparto esta otra imagen también de uso libre, asociada a un comportamiento inelástico:
Entonces lo que nos enseña esto, es que el daño en las estructuras está permitido ante la ocurrencia del sismo, siempre y cuando estas se alejen de los mecanismos de falla frágil, es decir, que literalmente se rompa, como dejar caer una copa de vidrio, obviamente este es el escenario mas catastrófico de todos. Vale destacar que este enfoque de que la estructura experimente daño ante el sismo, es que como la forma natural de la misma para liberar la energía inducida por el fenómeno natural en cuestión, existen otros métodos como la instalación de amortiguadores en la estructuras, disipadores, que ante sismos severos permiten disipar la energía y disminuir el daño de la estructura. Te invito a la lectura de esta publicación donde se hace una bordaje de estos temas desde un enfoque mas riguroso de las matemáticas y la ingeniería sismorresistente.
Por lo que ahora concierne el alcance de esta publicación desde la premisa de ingeniería sismorresistente para todos ha sido este, que comprendas la diferencia entre lo que es un comportamiento elástico e inelástico, y evidencia este ultimo con algunas cuestiones prácticas. Espero estos contenidos expuesto hayan sido de tu agrado, nos leemos y escuchamos en una próxima oportunidad. Escribió para ustedes:
Notas de Importancia:
Las imágenes animadas fueron editadas con la herramienta Filmora 11
El traductor empleado para la versión en Inglés fue DeepL
Referencias Bibliográficas
Andrew Pytel y Ferdinand Singer. Resistencia de Materiales-Introducción a la Mecánica de Sólidos. Cuarta Edición. 1994
English Version
Friends of the scientific community of HIVE such as STEMSOCIAL and the subcommunity of STEM-ESPANOL, I am pleased to share with all of you these topics framed in the field of earthquake-resistant engineering, one of my main areas of academic training that seeks to make structures resistant to a seismic event, but this resistance does not necessarily mean that the structure does not suffer any damage, that is, that it remains in a range of elastic behavior, but on the contrary, we allow the presence of damage in our design, which means an incursion into inelastic behavior, but far from collapse, that is, brittle failures.
Of course, this behavior is explained by Hooke's law, which generally comes to enaltecer that the elastic behavior of materials is given as long as the efforts are proportional to the deformations, so that we understand better, I invite you to see the following animated image, where loads are applied to the spring with the hand and in proportion to these deformation is experienced, either with compression efforts (the spring is shortened in size) or traction (the spring is lengthened), note that when the load is removed the spring returns to its original shape, by the principle of proportionality between effort - deformation.
Now, this elastic behavior assumes that there must be a limit, that is, that point where the material abandons this behavior, to enter the plastic or inelastic behavior, where permanent deformations begin to be appreciated, that is, when removing the load the spring, which is the didactic model we are using, does not return to its original shape, as can be seen in the following animated image, under tensile stress.
In a building and taking as a reference reinforced concrete structures, this inelastic behavior is evidenced when the structural elements begin to crack when an earthquake occurs, noting that from the approach of earthquake-resistant engineering they are studied from different types of failure, which are not addressed in this publication, but in a general way begins with the cracking of the concrete, and follows the yielding of the steel, when that happens the structure is entering a range of inelastic behavior, and the better it performs in that zone, the better it will be able to perform a better dissipation of the energy induced by the earthquake. In the following publication I reflect on the different failure states of a reinforced concrete beam with a more rigorous mathematical and engineering approach:
At the time of writing this publication, I did not have photographs of these failure states in structures, so I have used these free images as a reference, resorting somewhat to the imagination to reinforce the ideas presented in previous paragraphs.
This image corresponds to an old building, noting that this deterioration is not precisely due to an earthquake, however this deterioration of the structure is evidence of inelastic behavior, as happened to the spring in the previous animated image, however, this situation is not a problem that occurs in an earthquake, as long as the structure does not collapse. I share with you this other image also of free use, associated to an inelastic behavior:
So what this teaches us is that damage to structures is allowed in the event of an earthquake, as long as they move away from the brittle failure mechanisms, i.e., they literally break, like dropping a glass cup, obviously this is the most catastrophic scenario of all. It is worth noting that this approach of the structure experiencing damage in an earthquake, is that as the natural way for it to release the energy induced by the natural phenomenon in question, there are other methods such as the installation of shock absorbers in the structures, dissipators, which in severe earthquakes allow to dissipate the energy and reduce the damage of the structure. I invite you to read this publication where a more rigorous approach to mathematics and earthquake-resistant engineering is made.
As far as the scope of this publication from the premise of earthquake resistant engineering for all has been this, that you understand the difference between elastic and inelastic behavior, and evidence the latter with some practical issues. I hope these exposed contents have been to your liking, we will read and listen to each other in a next opportunity. Writtten for you:
Important Notes:
The animated images were edited with the Filmora 11 tool.
The translator used for the English version was DeepL
Bibliographical References
Andrew Pytel and Ferdinand Singer. Strength of Materials-Introduction to Solid Mechanics. Fourth Edition. 1994