Comportamiento sísmico de edificios dañados por terremotos en México


Se presenta un breve resumen que contiene información de una serie de documentos elaborados por el Instituto de Ingeniería de la UNAM en los meses posteriores a los sismos de 1985, como resultado de los estudios realizados por diversos investigadores para la evaluación de los efectos de esos sismos en las edificaciones de la ciudad de México.

Se hizo seguimiento de los edificios que habían sido reportados como dañados en los informes de los sismos ocurridos en 1957 y 1979 en la ciudad de México. Se determinaron las acciones de reparación a las que habían sido sometidos y se evaluó el comportamiento en los sismos de septiembre de 1985.

De la información recabada se extraen algunas estadísticas y ciertas conclusiones cualitativas acerca de la eficiencia de los procedimientos de refuerzo adoptados. Se concluye que esta eficiencia fue muy pobre porque los edificios se reforzaron para resistir fuerzas inferiores a las que se vieron sujetos en los sismos recientes, porque en general las acciones se limitaron a refuerzos locales y porque con frecuencia la calidad de la ejecución fue pobre.

Tanto para los elementos particulares como para la estructura en su conjunto, se llegó a calificar el daño estructural y no estructural en tres niveles: grave, moderado y leve.

a) El daño estructural de un elemento se califico como:
  • Grave: para agrietamientos con aberturas superiores a 1.0 mm, o aplastamientos del concreto o pandeo del refuerzo.
  • Moderado: para grietas atribuibles a cargas externas con espesores entre 0.2 y 1.0 mm.
  • Leve: para grietas menores.
b) El daño de la estructura en su conjunto se califico como:
  • Grave: cuando había suficientes casos de daño grave en elementos aislados para poner en peligro la estabilidad de una parte importante de la construcción, edificios con desplome mayor a 0.5%.
  • Moderado: cuando elementos con daños graves eran aislados o había más de 20% de elementos con daño calificado como moderado, edificios con desplome entre 0.3% y 0.5%.
  • Leve: para daños leves en los elementos aislados o daños moderados en no más de 20% de los elementos, edificios con desplome entre 0.15% y 0.30%.
Las zonas de mayor gravedad de daños muestran buena coincidencia en los tres casos de eventos e indican amplificación mayor del movimiento del suelo en un área en que los depósitos de arcilla tienen ciertas características de espesor y compactación que les proporcionan un periodo natural de vibración del orden de 2 seg.

Tipologías de edificios dañados y modos de falla:

a) Numero de edificios dañados. 22 edificios en 1979, 69 en 1957 y 331 en 1985.

b) Numero de niveles. En los tres eventos el mayor número de edificios dañados coincide en el intervalo entre 6 y 15 niveles, revelando la mayor vulnerabilidad de construcciones cuyos sistemas estructurales y características de vibración son típicos de esa altura.

c) Sistema estructural. Para los tres eventos la mayoría de los daños ocurre en estructuras de concreto mientras que en las de acero el numero de casos es reducido y referido tanto en 1957 y en 1985 a estructuras muy antiguas con excepción de un par de casos. Las construcciones de mampostería tienen una tasa de daño muy reducida. Las de 1957 se refieren esencialmente a construcciones atípicas, de alturas de muros excepcionalmente elevadas, de materiales muy deteriorados y de baja calidad.

d) Características de los edificios dañados. Entre las características que se presentan con mucha frecuencia en los tres casos destacan: la ubicación en esquina, los problemas previos de cimentación y el choque con edificios adyacentes. No se detecto en los anteriores un numero elevado de fallas en pisos superiores como ocurrió en este último evento.

e) Modos de falla. Destaca que mientras en 1957 el modo de falla prevaleciente fue por cortante en vigas, en 1979 hubo una proporción casi uniforme de media docena de modos de falla y en 1985 dominó la falla por cortante o flexo compresión de columnas y los problemas en losas reticulares, las que no existían prácticamente en 1985. Las diferencias de los modos de falla pueden atribuirse por una parte a las distintas características de los movimientos del terreno, sobre todo la mayor duración del sismo de 1985 puede haber propiciado un deterioro progresivo de la capacidad de las columnas. Por otro la práctica de diseño aumentó la seguridad ante falla por cortante en vigas e introdujo las losas reticulares en las que se hacen más críticos los efectos en las columnas.

Conclusiones:
  • La conclusión más clara es que la eficiencia de las intervenciones de refuerzo realizadas anteriormente fue baja porque se tendió a procurar una resistencia menor que la necesaria para soportar un sismo como el de 1985; porque se trató en la mayoría de los casos de refuerzos locales sin buscar la rigidización y refuerzo global de la estructura y de su cimentación; porque no se cuidaron los detalles de conexión de los refuerzos con la estructura existente y porque en un número significativo de casos de calidad de la ejecución del refuerzo fue pobre.
  • Se cuenta ahora con técnicas de eficiencia comprobada en México y en otros países para reforzar las construcciones dañadas de manera que alcancen la seguridad ante sismo prevista en las Normas de Emergencia. Es de esperarse que la observancia de estas normas y el empleo de las técnicas adecuadas de proyecto y ejecución permita evitar se vuelva a presentar una alta incidencia de daños en estructuras reforzadas.

Chongqing la capital de puentes de China

Puente Qianximen

Crédito de las imágenes: Huanghe Advertising Company

El Puente del Río Qianximen Jialing en Chongqing, China, fue seleccionado en la categoría de Puentes de Carretera o Ferroviarios de Los Premios Estructurales 2015. Aquí el Dr. Man-Chung Tang y el Dr. Delan Yin de TY Lin International (China ) Co, Ltd. discutieron su trabajo en el proyecto.
Con una población de 32 millones de habitantes, Chongqing es una ciudad en rápida expansión. Hubo allí otros siete puentes en construcción, y un gran número planeado para los próximos años, probablemente numerando en los centenares. Eso es porque hay varios grandes ríos en la ciudad: Yangtze, Jialing, Wu, etc. y cada uno requiere una serie de cruces. Por ejemplo, de los 140 puentes sobre el río Yangtze ahora, solo 46 están en Chongqing. No es de extrañar que la ciudad se llama la "Capital de Puentes" de China!.

Tal vez sea este nivel de actividad lo que hace que los ingenieros estructurales sean tan respetados en China -como dice el proverbio chino: "aquellos que diseñan y construyen carreteras y puentes están acumulando su virtud".

Los desafíos para el diseño del puente de Qianximen eran muchos: la estética era extremadamente importante. El puente está situado en la desembocadura del río Jialing, junto con el puente Dongshuimen sobre el Yangtze, y juntos forman la puerta de entrada de la ciudad - por lo que era muy importante que los dos se complementaran visualmente. También el nivel de agua del río varía en hasta 39 metros entre el agua baja y la temporada de inundaciones, y tuvimos que asegurar que la torre del puente parecía atractiva en todas las condiciones del río. Lo que es más importante, el puente no podría ser demasiado grande o perturbaría las vistas de la ciudad, de ahí el esbelto diseño de un puente con vigas a cable con un solo plano de cable. De hecho, el diseño es muy chino, modelado en un tejido de lanzadera tradicional.
Puente Dongshuimen

Los desafíos de la ingeniería eran principalmente alrededor de diseñar una estructura que pudiera llevar trenes y tráfico como coches y camiones, en un diseño seguro y rentable.
Había otras consideraciones más prácticas. El tiempo fue un factor importante: tuvimos que construir la base y la parte inferior de las torres y los muelles en una temporada baja de agua, o tendríamos que esperar para la próxima temporada del año siguiente. El acceso era otro factor crucial: Chongqing es una ciudad montañosa, las calles estrechas y sinuosas, y el transporte de materiales de construcción sería difícil - que significaba que teníamos que entregar la mayoría de los materiales por el río; pero incluso eso es difícil, ya que la anchura y la profundidad del río varía demasiado bajo el nivel diferente del agua, haciendo acoplamiento muy problemático.
Toda persona que ha visto este puente se ha enamorado de él. Es hermoso de mirar, pero especialmente agradable a los que caminan a través de él en los caminos peatonales, que proporcionan unas vistas excepcionales de la ciudad. Estamos muy orgullosos de este diseño rentable, significativo y hermoso.

Corrosión en cables tirantes del puente Justo José de Urquiza, Argentina (1971-1977)

Vista panorámica Puente Justo José de Urquiza
Las autoridades de la Secretaría de Obras Públicas y Transporte de la Nación admiten, que el puente atirantado Justo José de Urquiza sobre el río Paraná Guazú del Complejo Ferrovial Zárate-Brazo Largo, Buenos Aires, Argentina, podría haberse desplomado.
El colapso se evitó porque en las primeras horas del 20 de noviembre de 1996 se rompió y cayó a las aguas el cable tirante 7C, uno de los 60 tensores del puente Justo José de Urquiza, y con su estrépito alertó sobre el deterioro que afecta gravemente a otros tres cables tirantes de la estructura. El cable tirante falló cerca del zócalo inferior en el nivel de la cubierta. Cuando examinaron el cable se demostró que casi todos los 121 alambres que componían el cable tirante fallaron a unos 200 mm fuera del zócalo inferior con signos severos de corrosión y rupturas similares a la fatiga en los alambres.

En agosto de 1994 personal de Vialidad Nacional efectuó una inspección en el Complejo Zárate-Brazo Largo, a raíz de la cual comprobó, entre otras cosas, la existencia de corrosión y roturas de alambres en los cuellos de los anclajes debido a la falta de mantenimiento, observaciones que al no ser tenidas en cuenta produjeron la rotura de los cables tirantes que recién a la fecha de producido el colapso precitado se comenzaron a reparar. Así mismo se detecto que también dos cables tirantes presentaban deterioros peligrosos para la estructura. Pero el mayor peligro no era el estado de cada uno de estos tirantes, sino que los dos estaban situados contiguamente uno del otro, así que por ese punto de debilidad podría haberse desmoronado el tablero completo, convirtiendo a ese lugar frágil en el embudo por el cual fluyera todo el peso del puente hacia el lecho del Paraná.

El deterioro de los cables tirantes puede deberse a:
  • Carbonatación y Corrosión.
  • Fatiga del material por oscilaciones provocadas por el viento y el tablero (calzada).
  • Error en el diseño estructural.
  • Sobrecarga vehicular con configuración no adecuada (pesos y distancias por eje).
Respecto a la carbonatación, corrosión y fatiga por viento de los cables, actualmente se cuenta con cables mejorados, tenemos cables de inmersión en caliente galvanizado, cables monostrands que están envueltos con un revestimiento de polietileno de alta densidad, los cables monostrands empaquetados se suplementan con un revestimiento externo para reducir los efectos del viento y de la lluvia en las conexiones del anclaje del cable, etc.

Respecto al deterioro de los cables tirantes debido a la sobrecarga vehicular con configuración no adecuada, es necesario precisar que no se necesita exceder el peso vehicular máximo de la carga de diseño para que se produzcan esfuerzos y/o desplazamientos y/o deformaciones no admisibles en los elementos o sistemas estructurales; para prevenir sobretensiones lo más importante es repartir la carga de tránsito de tal manera que los pesos máximos por eje y/o espaciamiento produzcan esfuerzos, desplazamientos y deformaciones que no excedan a los producidos por la carga de diseño en condiciones actuales de servicio; entendiéndose por carga de diseño a la carga límite de capacidad, carga legal, o carga estándar reglamentaria, la que produzca los menores esfuerzos.

Corrosión en cable tirante 7C

Información técnica
El puente consta de un tablero metálico de 2.60 m de peralte sostenido por cables tirantes, que parten de dos pilares principales, dichos pilares tienen su fundación en el lecho del río, y alcanzan una altura máxima de 110 m por encima del nivel del mismo. Las estructuras de las pilas son huecas, y tienen en su interior un ascensor que permite llegar a la parte superior de las mismas, donde se encuentran los cubos de acero que sostienen todos los cables. La longitud del tramo principal en ambos puentes son 330 m y 110 m en los laterales.

Carbonatación, corrosión y sobretensión en los cables del Viaducto La Arena

Vista panorámica tridimensional del puente atirantado del viaducto La Arena

Vista panorámica en elevación del puente atirantado del viaducto La Arena

En la Autovía del Cantábrico en San Juan de Muskiz, a unos 15 km de Bilbao, España,  se ubica un puente atirantado que forma parte del viaducto La Arena, se trata de un puente atirantado multivano con luces principales de 105 m, compuesto de 6 mástiles de acero con 12 cables cada uno dispuestos en configuración tipo arpa en el eje central del tablero continuo de sección mixta de acero y concreto, cuya doble curvatura en planta aumenta las dificultades de su diseño y construcción, pero también le otorga una magnifica vista panorámica al puente, que gracias a su flexibilidad y ligereza, se integra perfectamente con su entorno.

El puente precitado después de tan solo 24 años de su puesta en servicio, necesito ser rehabilitado ya que en sus cables tirantes presentaba signos de carbonatación, corrosión y sobretensión; es así que en marzo del año 2016 se dio inicio a los trabajos de rehabilitación a fin de recuperar la estructura y restablecer los niveles de servicio que garanticen la seguridad de sus transeúntes.

La sobretensión en los cables tirantes se debe generalmente a dos razones:

1. Error de diseño
Si bien es cierto que la disposición tipo arpa de los cables otorgan una configuración estética muy agradable existe la desventaja de que la fuerza de compresión en el tablero es mayor que para las configuraciones tipo abanico o radial sumado a esto su geometría en planta de doble curvatura ocasiona mayores dificultades tanto en las etapas de diseño y construcción; estos puede dar pie a los posibles problemas de sobretensión.

2. Sobrecarga vehicular con configuración no adecuada 
Ls sobretensión en los cables y otros elementos estructurales también puede generarse por  tránsito vehicular con configuración no adecuada, es necesario precisar que no se necesita exceder el peso vehicular máximo de la carga de diseño para que se produzcan esfuerzos y/o desplazamientos y/o deformaciones no admisibles en los elementos o sistemas estructurales; para prevenir sobretensiones lo más importante es repartir la carga de tránsito de tal manera que los pesos máximos por eje y/o espaciamiento produzcan esfuerzos, desplazamientos y deformaciones que no excedan a los producidos por la carga de diseño en condiciones actuales de servicio; entendiéndose por carga de diseño a la carga límite de capacidad, carga legal, o carga estándar reglamentaria, la que produzca los menores esfuerzos.

Respecto a la carbonatación y corrosión de los cables, actualmente se cuenta con cables mejorados, tenemos cables de inmersión en caliente galvanizado, cables monostrands que están envueltos con un revestimiento de polietileno de alta densidad, los cables monostrands empaquetados se suplementan con un revestimiento externo para reducir los efectos del viento y de la lluvia en las conexiones del anclaje del cable, etc. 
Vista en elevación y en planta del puente atirantado del viaducto La Arena

Acercamiento en elevación y en planta del puente atirantado del viaducto La Arena

Sección transversal del puente atirantado del viaducto La Arena

Detalles del anclaje de los cables en el mástil del puente atirantado del viaducto La Arena