INVENTARIO Y VALORACIÓN DE PUENTES DE ALBAÑILERÍA

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1 INVENTARIO Y VALORACIÓN DE PUENTES DE ALBAÑILERÍA EN EL SUR OCCIDENTE DE COLOMBIA Jairo Andrés Paredes López Jorge Galindo Díaz Universidad Nacional de Colombia, Colombia INTRODUCCIÓN Fig. 1 y 1a: Localización del área de investigación Colombia en el continente sudamericano Región del Alto Cauca en Colombia A lo largo de los siglos XVIII y XIX floreció sobre una superficie de kilómetros cuadrados situada en el sur occidente de Colombia, una tradición constructiva de profunda raíz mediterránea relacionada con la preparación de los materiales de construcción (ladrillos y morteros), la fabricación de encofrados, el tendido de las roscas, el dimensionados de los pilares y en general, de todas aquellas relativas a la conformación de puentes de arcos de ladrillo; unas estructuras que se han conservado a pesar de las difíciles condiciones de su entorno natural y social y de una fuerte e intensa actividad sísmica de la zona donde están localizados. Dada la magnitud del inventario sobre el que se desenvuelve la investigación que soporta esta ponencia, sólo se hará aquí referencia a dos puentes que poseen características dimensionales que los destacan del resto del conjunto y que adicionalmente se encuentran todavía en servicio para el tráfico vehicular, considerándose piezas vitales en la infraestructura regional. Ellos son el puente sobre el río Cauca en la ciudad de Popayán y el puente La Libertad, sobre el río Guadalajara, en la ciudad de Buga. La primera parte de la investigación que soporta esta ponencia, indagó en fuentes documentales el origen de cada uno de ellos; posteriormente se procedió a su levantamiento arquitectónico con el fin de conocer su geometría y sus dimensiones; una tercera fase logró hacer una caracterización físico química de sus materiales esenciales (ladrillo y mortero) y una cuarta actividad ha pretendido comprender su comportamiento mecánico haciendo uso del método de elementos finitos mediante programas informáticos comerciales. Es importante señalar que si bien en Europa son ya de vieja data trabajos orientados a comprender su naturaleza resistente y sus posibilidades de conservación y/o restauración de este tipo de estructuras, en Colombia no existen, a la fecha, estudios que siquiera sean capaces de ayudar a comprender su importancia y valor histórico. Objetivos a largo plazo de este trabajo apuntan en esa dirección y se han propuesto, como primer cometido, apropiarse y desarrollar una metodología que lleve no solo a la comprensión integral del hecho construido sino que permita establecer pautas de actuación sobre el patrimonio edificado.

2 D e s c r i p c i ó n g e n e r a l d e l o s p u e n t e s a n a l i z a d o s Los dos puentes que a continuación se describen hacen parte del camino que desde el período de la Colonia vinculaba a Popayán (fundada en 1637 y desde entonces capital comarcal), con otras poblaciones siguiendo el sentido sur norte del valle del río Cauca. Sobre esta ruta circularon productos agrícolas y mineros que hicieron de la región una de las más ricas del occidente de sur América. Puente sobre el río Cauca, en Popayán Fig. 2: Alzada del puente sobre el río Cauca, en Popayán Fue construido entre 1769 y 1773 por dos alarifes locales sobre los planos dibujados por un sacerdote alemán de apellido Schenher. Tiene 153,00 m de longitud y cuenta con un potente arco de medio punto de 19,06 m de diámetro (arco principal) que salva el río Cauca. Tres arcos de nivelación, también de medio punto, dan la pendiente del lado norte, mientras que por el lado sur el arco central se apoya directamente sobre un estribo que se encuentra empotrado en una pared de terreno natural. El puente, de 5,84 m de ancho constante en su longitud, es enteramente de ladrillo pegado con mortero de cal, aunque bajo el arco central se aprecian hiladas de piedra labrada que en ocasiones aparece como material de construcción en los tímpanos. Un único tajamar con forma de diamante se encuentra bajo el extremo norte del arco principal. T a b l a 1 : M e d i d a s y r e l a c i o n e s d i m e n s i o n a l e s e n e l p u e n t e s o b r e e l r í o C a u c a, e n P o p a y á n Elemento Diámetro del arco Espesor de la rosca (m) Relación entre el espesor de la rosca y el diámetro del arco Ancho de la pilas a la derecha del arco (m) Arco 1 8,47 0,76 0,08 4,97 Arco 2 9,00 0,78 0,08 4,78 Arco 3 10,35 0,77 0,07 13,98 Arco 4 19,06 1,48 0,07 Nota: la numeración de los arcos se ha hecho de izquierda a derecha conforme a la Figura 2

3 Puente La Libertad, sobre el río Guadalajara, en Buga Fig. 3: Alzada del tramo central del puente La Libertad, sobre el río Guadalajara, en Buga Fue construido a lo largo de un período de 27 años y terminado en el año de 1900 bajo la dirección de uno de los primeros ingenieros colombianos formados en el país: Modesto Garcés. En una primera fase de las obras se levantaron tres enormes arcos de ladrillo y mortero de cal sobre el cauce del río Guadalajara, todos de medio punto y de 9,51 m de luz cada uno, con roscas de sección variable entre los 0,95 m en la clave y 1,82 m en los riñones. Posteriormente, en fecha incierta, pero antes de ser puesto en servicio, se construyeron los viaductos de nivelación: el del lado norte consta de 9 arcos de medio punto de luz variable, y el del lado sur de solo 3 arcos, también de luz variable, todos en ladrillo. Su ancho es constante (6,00 m) aunque en la segunda mitad del siglo XX una adición mediante vigas de hormigón en voladizo a cada lado aumentó su ancho a los 8,00 m. Constan las dos pilas centrales cimentadas sobre el río de sendos tajamares de vértice semicircular. T a b l a 2 : M e d i d a s y r e l a c i o n e s d i m e n s i o n a l e s e n e l p u e n t e L a L i b e r t a d, e n B u g a Elemento Diámetro del arco Espesor de la rosca (m) Relación entre el espesor de la rosca y el diámetro del arco Ancho de la pilas a la derecha del arco (m) Arco 1 9,51 0,95 0,10 2,53 Arco 2 9,51 0,95 0,10 2,53 Arco 3 9,51 0,95 0,10 Nota: la numeración de los arcos se ha hecho de izquierda a derecha conforme a la Figura 3 E s t a d o d e c o n s e r v a c i ó n En términos generales, los dos puentes reseñados se encuentran en buen estado de conservación aunque adolecen de algunas de las patologías que más comúnmente afectan este tipo de estructuras. Algunas son de tipo superficial (vegetación y colonización biológica, deficiencias en el drenaje y mala impermeabilización de la superficie de rodamiento), en tanto que otras son de mayor complejidad y afectan su comportamiento mecánico (daños en la base de las pilas causadas por la creciente de los ríos que salvan, fisuras originadas en

4 movimientos sísmicos locales y asentamiento diferencial de las pilas y estribos); aunque también hay daños causados por acciones humanas (inadecuadas intervenciones de reparación y mantenimiento y cargas de uso excesivas). Con el fin de fijar algunas pautas de intervención, luego de los estudios históricos y los análisis de la forma, se procedió dentro del proceso de investigación llevado a cabo, a estudiar algunas de las características y propiedades de sus materiales constitutivos. C a r a c t e r í s t i c a s d e s u s m a t e r i a l e s c o n s t i t u t i v o s Una vez se logró contar con la información histórica y se realizó el levantamiento arquitectónico, se procedió a la toma de muestras de sus materiales constitutivos (entre 8 y 11 especímenes de ladrillo y mortero por cada uno de los puentes) mediante la extracción de núcleos en los dos casos (en roscas y tímpanos) y de una pieza completa de ladrillo en el puente de Popayán. Caracterización mecánica de los ladrillos A cada una de las muestras obtenidas se aplicó un conjunto de pruebas de laboratorio y siguiendo las recomendaciones de la norma NTC 682 (Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación, 2000), equivalente a la norma ASTM C 133/97. A través de ellas se logró la obtención de al menos tres datos significativos: (a) carga máxima de rotura, (b) resistencia a la compresión en frío, y (c) módulo de elasticidad. Los valores promedio obtenidos se muestran en la Tabla 3. T a b l a 3 : P r o p i e d a d e s m e c á n i c a s d e l o s l a d r i l l o s d e l o s p u e n t e s e s t u d i a d o s Puente Carga máxima (kn) Resistencia a la compresión en frío (Mpa) Módulo de elasticidad Puente sobre el río Cauca 19,20 7,10 187,07 Puente en Buga 10,85 7,35 309,94 Caracterización mineralógica de uno de los ladrillos perteneciente al puente de Buga Para explicar la caracterización mineralógica de los ladrillos trataremos aquí de la realizada sobre una de las muestras pertenecientes al puente situado en la ciudad de Buga, escogida en forma aleatoria y a la cual se le aplicaron dos pruebas: espectroscopía fotoeléctrica de rayos X (XPS) y difracción de rayos X (XRD). La primera de ellas permitió cuantificar los porcentajes composicionales encontrados en la superficie de la muestra y se exponen en la Tabla 4. La prueba XRD permitió determinar las fases cristalinas de los compuestos formados, algunos en el proceso de cocción de la pieza de ladrillo y otros debidos a su exposición al ambiente cambiante de la región; los resultados se exponen en la Tabla 5.

5 T a b l a 4 : P o r c e n t a j e s c o m p o s i c i o n a l e s e n c o n t r a d o s e n l a m u e s t r a d e l a d r i l l o d e l p u e n t e d e B u g a, m e d i a n t e X P S Compuestos Zeolita Caolita CaCO 3 SiO 2 Fe 3 O 4 C-C C-O Al 2 O 3 Porcentajes 20,14 11,79 4,07 19,18 5,61 4,12 14,5 18,91 T a b l a 5 : C u a n t i f i c a c i ó n r e l a t i v a d e l a s f a s e s c r i s t a l i n a s p r e s e n t e s e n l a m u e s t r a d e l p u e n t e d e B u g a m e d i a n t e X R D Fase cristalina Fórmula química Porcentaje relativo Cuarzo bajo SiO 2 34,60 Anortita CaAl 2Si 2O 8 65,4 Los resultados de la prueba por FT-IR se muestran en la Figura 4 y ayudan a la identificación de los minerales presentes en las arcillas; adicionalmente sirven para validar los resultados anteriores. Fig. 4: Espectro FT-IR de la muestra de ladrillo 7146 del puente en Buga Caracterización de los morteros del puente de Buga A partir de las muestras de mampostería tomadas en cada uno de los puentes estudiados, se llevó a cabo un análisis mecánico y físico químico de los morteros contenidos en ellas. Así, para el caso del puente de Buga, se pudo reconocer que la composición del mortero de pega se había preparado usando una mezcla en proporciones cercanas a 2,5 partes de arena por 1 parte de cal y con las propiedades mecánicas que se registran en la Tabla 6. T a b l a 6 : P r o p i e d a d e s m e c á n i c a s d e l o s m o r t e r o s d e l p u e n t e d e B u g a Puente Carga máxima (kn) Resistencia a la compresión en frío (Mpa) Módulo de elasticidad Puente en Buga 0,92 0,37 42,29

6 Análisis mineralógicos llevados a cabo sobre las muestras del puente de Buga (de manera análoga a las pruebas realizadas sobre los ladrillos) permitió observar la existencia de fases cristalina de quarzo bajo (12.38%), tridimita (10.65%) y cristobalita bajo (9.06 %), compuestos que se atribuyen a la presencia de arena en la muestra. Las fases cristalinas de la vaterita (fase cristalina del carbonato de calcio en proporción del 6.66%) y la calcita (44.96%) también son referenciadas en el espectro XRD y atribuidas a la presencia de cal en la muestra. Fig. 5: Distribución de esfuerzos en el eje X en la obra de albañilería del puente La Libertad, en Buga.. Fig. 6: Distribución de esfuerzos en el eje Y en la obra de albañilería del puente La Libertad, en Buga. Caracterización estructural Finalmente, como parte de los análisis considerados dentro de esta propuesta metodológica, se optó por adelantar una modelación numérica de cada uno de los puentes estudiados. Reseñaremos aquí los resultados obtenidos para el caso del puente de Buga, sobre el que se hizo un análisis del tipo lineal elástico a partir de un macro modelo sometido únicamente a las cargas por peso propio. No se consideraron por ahora, efectos producidos por cargas sísmicas, socavaciones o empujes del terreno. Una segunda fase de la investigación, actualmente en curso, se encarga del análisis estructural bajo la acción de cargas horizontales externas. Inicialmente se realizó un modelo simplificado de 3 arcos según la geometría propia del puente asumiendo una serie de consideraciones en las condiciones de frontera. En las caras verticales de los extremos del eje principal del puente se consideró que: (a) los desplazamientos eran nulos en la dirección del eje principal, por confinamiento longitudinal, (b) el desplazamiento en la dirección transversal al eje principal del puente era igual a cero (por efecto de las aletas del puente y los tajamares situados en la base de las pilas), y (c) existían desplazamientos en el sentido vertical libre con el fin de dar continuidad al movimiento del puente en su modelo completo. En los apoyos inferiores se consideraron restringidos todos los desplazamientos y a efectos de simplificar el análisis solo se consideró el valor de la carga muerta. Así fue entonces posible afirmar que la distribución de esfuerzos de compresión cuenta con su mayor valor sobre todas las bóvedas en el primer cuarto de cada una de sus luces y que el mayor esfuerzo de tracción de la estructura se presenta en el sentido longitudinal con un valor correspondiente a 165,3 kpa. En los sentidos transversal y vertical las tracciones son mucho más bajas pero se extienden en mayor proporción. Igualmente, los análisis permitieron establecer que los esfuerzos máximos a compresión que actúan en el puente son cercanos a los 500 kpa y se presentan en la mampostería de la rosca; los esfuerzos máximos de tracción rondan los 165 kpa y se sitúan en la zona de los tímpanos. Si comparamos estos resultados con los esfuerzos admisibles estimados para la mampostería se puede concluir que la estructura se encuentra todavía dentro de un rango de seguridad frente a esfuerzos y con una tolerancia aún de 90 kpa en cuanto a esfuerzos admisibles por compresión axial y 25 kpa en cuanto a esfuerzos admisibles para tracción por flexión. En el conjunto de la estructura los esfuerzos son relativamente bajos, y consecuentemente con esto, el mayor desplazamiento del material mampuesto es pequeño (1,3 mm) ante un esfuerzo de 500 kpa. Por su parte, el mayor desplazamiento ocurre en el material de relleno (4,4 mm) bajo un esfuerzo de sólo 37 kpa puesto que su módulo de elasticidad es también muy bajo (8500 kpa).

7 CONCLUSIÓN Hemos descubierto que existe una relación de coincidencia entre las preguntas cómo se comporta? y qué significa? las cuáles sólo pueden responderse luego de tener en claro cómo es? En este sentido, es que la apuesta metodológica parte de una descripción detallada de cada uno de los puentes históricos mencionados. El cómo es, se responde definiendo tres aspectos fundamentales: (a) la forma, entendido como todo aquello que es susceptible de ser expresado gráficamente, (b) la materia, es decir, las descripción de las propiedades mecánicas y en lo posible, físico químicas, y (c) la estructura, entendida aquí como el sistema de relaciones entre los materiales y la forma. Actualmente, la investigación actúa sobre esos tres ámbitos, habiéndose desarrollado de manera completa el primero de ellos a través de un trabajo de campo que comprende levantamientos arquitectónicos, documentación histórica e inspección visual. La labor sobre el estudio de materiales se lleva a cabo con la ayuda de los laboratorios de Materiales y de Física del Plasma, propios de la Universidad Nacional de Colombia, sede Manizales, con cuyos primeros datos se ha venido adelantando el proceso de modelización numérica por el método de elementos finitos con miras a comprender su comportamiento. El fácil acceso a programas de cálculo por computador ha hecho del Método de Elementos Finitos (MEF) un camino aplicable al estudio de edificaciones históricas. Abundante es la bibliografía sobre el tema así como los estudios de caso en el MEF ha sido aplicado. Una de sus grandes ventajas es que adicionalmente, permite responder una cuarta pregunta: cómo se comportará? Este es un núcleo importante del problema: prever las interrelaciones entre el objeto existente y las diferentes alternativas para intervenir en él y cómo poder alcanzar la garantía en cada una de ellas. Conocer de manera precisa los modos de comportamiento, comprender su materia y predecir los tipos de respuesta ante acciones futuras, son hoy en día los medios indispensables para la intervención sobre los bienes históricos. El proyecto de investigación que aquí se ha reseñado apunta, a largo plazo hacia el diseño concreto de acciones tendientes a la recuperación y adecuación del mayor número de casos posibles, involucrando el trabajo de las comunidades locales. BIBLIOGRAFÍA MUÑOZ, A.M.; Caicedo, M. & Galindo, J.: Caracterización de los ladrillos constitutivos de un puente histórico en Popayán (Colombia). Ingeniería e Investigación, 28(2) 2008; pp Paredes, J.A.; Ospina, Y.M. & Galindo, J.: Comportamiento de un puente histórico de arco de albañilería ante cargas dinámicas. Ingeniería e Investigación, 29 (3) 2009; pp PAREDES, J.A. ; MUÑOZ, A.M. & GALINDO, J. : Estudio y caracterización de los ladrillos de un puente histórico en Buga (Valle del Cauca). Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia, ; pp PAREDES, J.A. ; CAICEDO, M. & GALINDO, J. : Caracterización físico mecánica de piezas cerámicas en tres puentes históricos de arco de ladrillo en la región del alto Cauca. Boletín de Vías, 33(101) 2008; pp PAREDES, J.A.; MORA, D.F. & GALINDO, J.: Análisis de un edificio histórico usando MEF: el puente La Libertad, en Buga - Valle del Cauca (1874). Ingeniería Neogranadina, 17(2) 2007; pp