N° 21: Ingeniería forense

http://www.alacero.orgwww.alacero.org/sites/default/files/u16/ci-21_21_anexo_6_welding_wisdom_part_i.pdfMOTIVACIÓN

La conferencia N1 Weld Details – Good, Bad & Ugly del Dr. Duane Miller en la Conferencia Nacional de la Construcción de Acero, NASCC 2015, Nashville, Tennessee, es particularmente interesante para el curso a distancia de Alacero “Perfeccionamiento para proyectistas de estructuras de acero”. Como la presentación del Dr. Miller tiene una duración de una hora y cuarenta minutos y el mismo ha empezado a publicar una versión corta de la misma [Anexo 6], el presente Cuaderno se centra en la re-lectura que hizo del informe final del NBS BSS 143 de 1982 sobre la tragedia del hotel Hyatt Regency, y de esta relectura, lo referente al uso e interpretación de los símbolos de soldadura y de la notación de las juntas soldadas precalificadas.

Las consecuencias del cambio de la conexión original en las pasarelas colgantes de dicho hotel han sido extensamente tratadas en muchas publicaciones y ha producido algunos de las modificaciones que desde entonces se han hecho al Código de Prácticas Normalizadas Ver Figura 1.

Figura 1. Falla catastrófica de las pasarelas colgantes del hotel Hyatt Regency, Kansas City, Missouri 1981.

RACIONALIDAD Y VERSATILIDAD DE LAS FORMAS DE LAS PIEZAS DE ACERO

Juntos con los perfiles de sección L, los perfiles de sección U o C, permiten mayor número de combinaciones para formar secciones compuestas (built-up), además de la gran variedad de aplicaciones como secciones individuales. Veáse el Anexo 1.

Es deber del fabricante de productos de acero advertir de las limitaciones en los usos y las aplicaciones, responsabilidad no siempre comprendida por los gerentes de productos a quienes entonces hay que convencer de seguir el ejemplo de sus colegas en el área de la medicina; junto con las bondades del medicamento advierten sobre los efectos adversos y las contraindicaciones, sin perder de vista lo que el cliente quiere. Véanse los Anexo 2 y Anexo 3. Esto mismo hizo el Dr. Miller, cuando insistía de las amenazas a la ductilidad inherente del material acero. Véase en el Anexo 1 el comportamiento de los perfiles compuestos en el terremoto de Bam, Irán, 2003.

INGENIERÍA FORENSE Y PATOLOGÍA ESTRUCTURAL

La relectura del Informe Final de la falla catastrófica de las pasarelas colgantes del Hotel Hyatt Regency, en Kansas City, Missouri [NBS BSS 143] es puro ejercicio de lo que en la práctica del ejercicio profesional norteamericano se conoce como Ingeniería Forense (Forensic engineering), ingeniería especializada en la evaluación, revisión, investigación, presentación e historia de fallas materiales, productos, estructuras o componentes que fallan, o no operan o funcionan como se ha previsto, causando lesiones a las personas o daños a la propiedad.

Cuando el Dr. Miller aborda el caso del Centro de Artes, en El Paso, Texas, de julio 1972, muestra el ejercicio de lo que en el mundo hispano hablante se conoce como Patología Estructural, que es el estudio sistemático del deterioro de las estructuras y sus componentes; la determinación de las causas y mecanismo del deterioro, sus posibles consecuencias y la manera técnica y económica de remediarlo, es el campo de actuación de la Patología Estructural. Corresponde entonces a las acciones de mantenimiento y protección de las estructuras tomando en cuenta es un problema complejo de interacción del medio ambiente y las acciones de servicio, para que la calidad de los materiales, y componentes de las construcciones no alcancen un estado límite durante su vida útil. Entonces constituyen herramientas propias de la Patología Estructural, el Capítulo N Control y Aseguramiento de la Calidad del ANSI/AISC 360-10, el AISC 303 Código de Prácticas Normalizadas, entre otras normas.

Citando al filósofo George Santayana (1863-1962): “Quienes no recuerdan el pasado están condenados a repertirlo”, el Dr. Miller recuerda que cuando se comenzó a detectar el fenómeno del desgarramiento laminar, como sucedió en el Centro de Artes, el AISC publicó en su Engineering Journal (Vol 10 No. 3, 3Q 1973) unos comentarios sobre las soldaduras restringidas, que se mantienen en las sucesivas ediciones del Manual AISC, en la Parte 8 Soldaduras.

LECCIONES DEL INFORME NBS BSS 143 RESCATADAS POR EL DR. DUANE MILLER

La “Docena de Duane”, al igual que estos Cuadernos, tiene la misión de ahorrar a los interesados el síndrome de la ballena de la información: “Trabajar como una ballena, en un mar de agua, para extraer menudencias alimenticias, el plancton”. Ver Anexo 4.

Importancia de la simbología de la soldadura

Una soldadura correcta y adecuada es suficientemente fuerte para transferir las cargas aplicadas a través de la conexión. Debe ser fuerte pero ni más allá de lo necesario. Una soldadura correcta y adecuada reconoce las propiedades de los materiales (No. 9 de la “Docena Duane”)

El símbolo para una soldadura de penetración completa (Figura 2) implica una soldadura de ranura en la que el metal de soldadura se extiende a través de todo el espesor de la junta, cuyos bordes deben ser preparados adecuadamente (Ver Anexo 1, AAD 98)

Figura 2. Símbolo para soldadura de penetración completa

Los problemas aparecen cuando en el símbolo de soldadura se omite el espesor de la soldadura (letra E, en las Figuras 5, 6 y 8). Cuando de manera inapropiada se indica soldadura de penetración completa porque se desconocen las solicitaciones o no se quiere calcular el espesor de la soldadura, o porque se desean ensayos no destructivos (NDT). 

Importancia de las soldaduras precalificadas AWS

En la revisión de las soldaduras del Centro de Artes, El Paso, Texas, el Dr. Miller muestra la junta precalificada TC-U4a-GF (Figura 3), como un ejemplo de que no es suficiente con aplicar ciegamente las recomendaciones AWS D1.1:2010: 

1.4.1 Responsabilidades del ingeniero

El ingeniero deberá determinar la aplicabilidad de todos los detalles a ser usados en una estructura soldada.

2.3.5.4 Dimensiones en los detalles precalificados 

Los detalles de las juntas descritas en 3.12 (PJP) y 3.12 (CPJ) han demostrado repetidamente su idoneidad en proporcionar las condiciones y espacios libres necesarios para depositar y fundir sanamente el metal de soldadura en el metal base. Sin embargo, el uso de estos detalles no podrá ser interpretado que implica consideraciones de los efectos del proceso de soldadura en el metal base más allá de los límites de fusión ni la aplicabilidad de los detalles de la junta para una aplicación dada.

Figura 3. Junta soldada precalificada TC-U4a-GF. En el Anexo 5 se suministra una Guía visual para entender la notación usada por AWS D1.1.

De la relectura del Informe Final NBS BSS 143

El Dr. Miller destaca del Informe Final NBS BSS 143 los dos factores que contribuyeron a la trágica falla de las pasarelas colgantes: 1). El diseño original era ya inadecuado, y 2.) Los cambios durante la construcción en la conexión de sujeción de los pasillos, que duplicó las fuerzas de tracción en las barras de las cuales colgaban estas pasarelas [ la capacidad de la conexión en el diseño original era de 90 kN ( 9177.40 kgf); con el cambio en obra, pasó a 45 kN ( 4588.70 kgf)].

Sección 10.6 Calidad de los materiales y la mano de obra

En general la soldadura es de buena calidad, aunque se aprecian ciertas deficiencias. El símbolo de soldadura usado en los planos de taller para la soldadura longitudinal de la viga cajón (Figura 4) se interpreta como una soldadura precalificada de ranura con penetración parcial, pero la geometría de la junta no cumple con las tolerancias dimensionales de la Sección 2.10 de AWS D1.1-79; la cara de la raíz es menor a 3 mm (Item. 2.10.2.4) y tampoco cumple con la apertura mínima en la raíz. 

Figura 4. Figura 3.10 del Informe NBS BSS 143 correspondiente a los planos de taller para la fabricación de la viga cajón soporte de las pasarelas colgantes. En su presentación el Dr. Miller llamó la atención sobre el símbolo de soldadura usado en la Sección A-A.

En espesor del ala del perfil MC 8x8.5 en su extremo libre es de 3/16 in (5 mm) y según la Tabla 2.10.3 de AWS D1.1-79, la correspondiente garganta mínima para soldaduras de ranura de penetración parcial es de 3 mm. La Sección 7.4.1 del Informe dedicado a las soldaduras de la viga cajón de soporte de las pasarelas, reporta espesores promedio de 2.2 mm en las secciones interiores de las vigas del cuarto nivel. En las mediciones de las piezas falladas, alrededor del área del agujero por donde pasaban las barras se encontraron espesores de 1.5 a 2.4 mm. Para una garganta efectiva de 3 mm y longitud de 35 mm, el área de soldadura resulta de 105 mm2, con lo cual la capacidad esperada de agotamiento de la soldadura es de 77 kN (7872 kgf). Cuando se considera la contribución del punto de soldadura (Ver Anexo 7) la capacidad de agotamiento promedio sube a 81 y 86 kN (8260 kgf y 8770kgf, respectivamente). En esto se basan los Sumarios de las Secciones 10.7 y 11, para aseverar que a pesar de que no se cumplieron con los requisitos normativos, la resistencia de las soldaduras encontradas fue mayor a la de una soldadura con tamaño mínimo de garganta especificada. Ver Figura 5.

Lo más importante de la Sección 5.3.3 del Informe NBS BSS 143 además de reportar los defectos de porosidad en la soldadura y de variación en el espesor en la penetración de la soldadura, es que documenta la incongruencia detectada entre el símbolo de soldadura correspondiente a una soldadura de penetración parcial según Sección 2.10 de AWS D1.1-79 ( Figura 4), y la que de acuerdo con los resultados de la investigación, la soldadura puede ser mejor descrita como una soldadura de ranura en V, como se aprecia en la Figura 6.

 

Figura 5. Soldadura de ranura de penetración parcial según AWS D1.1-10 [Duane Miller, Sesión N1, AISC 2015] 

 

Figura 6. Figura 6.2 del Informe NBS BSS 143, detalle de las soldaduras longitudinales de las vigas cajón.

Para su conferencia el Dr. Miller complementó el Informe con la Figura 7 para confirmar que las soldaduras de las vigas cajón tampoco cumplen con lo pedido por AWS D1.1-10.

Figura 7: Requisitos de AWS D1.1-10 para soldaduras de ranura en V [Duane Miller, Sesión N1, AISC 2015] 

La Figura 8 muestra el trabajo del Dr. Miller sobre las fotografías del Informe, que confirman el incumplimiento de los requisitos AWS de las soldaduras usadas en las vigas cajón de las pasarelas del Hotel Hyatt Regency.

Figura 8. Sección transversal de una de las vigas cajón. Soldadura exterior longitudinal en el ala inferior (Ver Figura 6). La línea blanca segmentada indica aproximadamente la geometría original en los bordes del ala del perfil MC. Los puntos negros son las marcas de las mediciones de micro dureza, las líneas segmentadas blancas indican aproximadamente la geometría original de los bordes del perfil MC. El Dr. Duane Miller incorporó los radios, r, el espesor E, la línea base amarilla y las barras de colores para el tamaño de la soldadura [Duane Miller, Sesión N1, NASCC 2015].

Como el Dr. Miller ha empezado a publicar su “Docena” (Ver Anexo 5), no adelantaremos mayor información [Ver advertencia de spoiler después de la Bibliografía].

INFORMACIÓN INSUFICIENTE PARA EL DETALLADO DE LAS SOLDADURAS

Las Figuras 5 y 7 se han tomado de la presentación del Dr. Miller porque no están contenidas en la Parte 8 del AISC Steel Construction Manual en su decimocuarta edición.

La guía presentada en el Anexo 5 procede del Manual Sidor (1982) y debe ser actualizada con AWS D1.1-2010.

Igualmente se puede comprobar en las Figuras 7 y 8, que la información de la Parte 1 del Manual AISC, es insuficiente para el detallado de las juntas soldadas. Como muchos países latinoamericanos utilizan perfiles laminados según las Euro-normas, el uso de las tablas de El acero en la construcción [Editorial Reverté, 1980], por ejemplo, ayudan a resolver esta limitación, que debe ser considerada por los fabricantes de productos de acero en la preparación de sus catálogos. 

BIBLIOGRAFÍA

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  • Miller, Duane (2015b). Welding wisdom. Part one. Modern Steel Construction. AISC, August 2015. Ver Anexo 6. Contiene las primeras siete de la docena de Duane, por lo que en el texto de este Cuaderno se ha colocada una advertencia de spoiler. Verla después de la Bibliografía. 
  • O´Brien, Robert L., editor (1997). Jefferson’s Welding Encyclopedia. 18th edition, American Welding Society, Miami, 758 p.
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  • Ratay, Rober T., editor (2010). Forensic Structural Engineering Handbook, 2da. Edition. Mc Graw Hill, USA, 688 p.
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  • Sahoo, Diptiranjen and Rai, Durgesh (2004). Battened built-up beam columns under cyclic loads. Paper 67. 13th World Conference on Earthquake Engineering. Vancouver, Canada, August 1-6, 13 p. Ver Anexo 1, AAD 160.

Advertencia de spoiler o léalo bajo su riesgo

Como spoiler se denomina, aquel texto que revela o adelanta información que se ignora sobre la trama de un programa de televisión, una película o un libro, arruinando el suspenso o la sorpresa final. La palabra, como tal, deriva del verbo to spoil, que en inglés significa “arruinar o destruir el valor o calidad de algo”. De allí se considera conveniente avisar antes a los lectores o interlocutores mediante la expresión “advertencia de spoiler” o, en inglés, spoiler alert, con lo cual se informa sobre la posibilidad de enterarse de eventos o giros de trama futuros que resten interés o suspenso al desarrollo de la historia que se está siguiendo.

Lo aconsejable en español es utilizar la palabra “destripe” en sustitución del anglicismo spoiler. El verbo destripar tiene exactamente ese significado según el Diccionario académico y también se usa con frecuencia en ese contexto. Es una acepción que apareció por primera vez en el Diccionario de 1884. A partir de destripar pueden formarse tanto destripamiento, recogido en el Diccionario como ‘acción y efecto de destripar’, como destripe, preferible por contar ya con uso en este sentido. Otra opción es el verbo reventar, utilizado con este mismo significado tanto en América como en España].

En la presentación de las fotografías del Informe NBS BSS 143, el Dr. Miller hace referencia a las reglas 7 y 8 de su “Docena”. Como se aprecia en la Figura 8 (y otras que se presentaron en la Sesión N1), no hay una clara definición de la garganta de la soldadura, por lo que Miller decide hacer una analogía con la letra de la canción “Me and Baby Mc Gee” de Kris Kristofferson, cuando canta “ain´t that nothin”, una forma coloquial de isn’t (is not). Miller dice entonces “A nothin’weld ain´t worth nothin”. Aclarando que “nothin’ weld” es una soldadura que se parece a la que quieres pero no lo es. Miller nos estaría diciendo que “una soldadura de nada no vale nada.”

ANEXOS

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