EXPERIENCIAS RECIENTES DE EVALUACION ESTRUCTURAL DE EDIFICACIONES HISTORICAS

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1 EXPERIENCIAS RECIENTES DE EVALUACION ESTRUCTURAL DE EDIFICACIONES HISTORICAS Carlos Zavala Toledo (1) Luis Vásquez Chicata (1) Rafael Salinas Basualdo (2) Ricardo Proaño Tataje (3) Guillermo Huaco Cárdenas (4) (1) Investigador, CISMID-FIC-UNI. Profesor Asociado, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ingeniería. (2) Jefe del Laboratorio de Estructuras, CISMID-FIC-UNI. Profesor Auxiliar, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ingeniería. (3) Jefe del Centro de Cómputo, CISMID-FIC-UNI. (4) Asistente de Investigación, CISMID-FIC-UNI. Jefe de Prácticas, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ingeniería. RESUMEN Las edificaciones históricas representan un reto muy particular para la ingeniería actual. Mientras que para las edificaciones modernas, el proceso de evaluación y posterior reforzamiento cuenta con procedimientos tecnológicos comprobados analítica y experimentalmente, aunque no en todos los casos, en las edificaciones históricas buena parte de estos procesos se encuentran todavía en una fase de exploración o de empirismo. En muchos casos, la condición de patrimonio monumental de estos edificios limita la intervención ingenieril con los métodos comunes a los edificios modernos. Actualmente, la posibilidad de plantear métodos modernos de intervención estructural debe tomar en cuenta la necesidad de un control posterior del desempeño estructural, la compatibilidad entre los materiales existentes y los nuevos, así como la reversibilidad de la intervención, es decir, debe considerarse el posible cambio de la intervención por otra mejor, de acuerdo al avance tecnológico y del conocimiento. El CISMID de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional de Ingeniería ha venido desarrollando una serie de estudios destinados a evaluar el comportamiento sismorresistente de edificaciones históricas de diferente índole, tales como la Catedral del Cusco, la sede del Tribunal Constitucional (antigua Casa de Pilatos), el Palacio Legislativo y la sede central del Ex Banco Popular, en Lima. Cada una de estas evaluaciones tuvo las singularidades propias de la diversidad de materiales utilizados en la construcción, desde bloques de piedra, adobe, albañilería no 1

2 confinada, concreto ciclópeo, quincha y pórticos de acero. Se presentan algunas peculiaridades de los aspectos a tener en cuenta cuando se trata de evaluar estas estructuras, así como un resumen de las últimas experiencias desarrolladas en este campo, considerando las diferentes etapas que comprende la evaluación estructural con las peculiaridades de las edificaciones históricas. Las herramientas analíticas disponibles deben ser tomadas con sumo cuidado, debido a las diferencias entre las hipótesis de análisis estructural de los programas comunes y la condición de continuidad o monolitismo de las edificaciones reales, así como en el comportamiento de algunos de los materiales componentes de la edificación. 1. INTRODUCCION Las edificaciones históricas representan un reto muy particular para la ingeniería actual. Mientras que para las edificaciones modernas, el proceso de evaluación y posterior reforzamiento cuenta con procedimientos tecnológicos comprobados analítica y experimentalmente, aunque no en todos los casos, en las edificaciones históricas buena parte de estos procesos se encuentran todavía en una fase de exploración o de empirismo. En muchos casos, la condición de patrimonio monumental de estos edificios limita la intervención ingenieril con los métodos comunes a los edificios modernos. Al respecto, la Carta de Venecia, signada el año 1964 y complementada por diversos documentos, como la Carta de Cracovia del año 2000, estableció los principios y objetivos básicos de las labores de reforzamiento de las edificaciones históricas, en el sentido de fomentar la consolidación de estos bienes con técnicas tradicionales o modernas, garantizadas por la experiencia. Actualmente, la posibilidad de plantear métodos modernos de intervención estructural debe tomar en cuenta la necesidad de un control posterior del desempeño estructural, la compatibilidad entre los materiales existentes y los nuevos, así como la reversibilidad de la intervención. Una ciudad con un patrimonio histórico valioso se enfrenta al reto de la conservación de ese patrimonio. En ciudades con un peligro sísmico elevado, este reto resulta mayor. En terremotos como los del Cusco (1959), Arequipa (1962, 1979, 2001), Chimbote (1970), las consecuencias para los centros históricos han sido graves. Una de las lecciones poco aprendidas de los sismos pasados fue la de reconocer que hay edificios antiguos con valor histórico que podían tener daños o colapso, por lo cual debían ser intervenidos estructuralmente, para hacerlas más resistentes o menos deformables frente al movimiento del suelo, es decir, hacerlas más seguras. Esta necesidad urbana ha traído como consecuencia, en ciertos casos, un problema de orden social: el de afrontar los costos económicos de las intervenciones. No todos los propietarios han estado dispuestos a asumir 2

3 los costos, por razones económicas o por preferencias hacia las construcciones modernas en el terreno de la edificación antigua. Es posible que los altos costos que implica una intervención estructural en una edificación histórica se deban a que tales intervenciones generalmente se han hecho en base a la experiencia y no a métodos ingenieriles como los empleados en las obras modernas. En los últimos años hay una tendencia general a dar un tratamiento analítico a este problema, que presenta tantas variantes como sistemas constructivos y materiales se tienen en estas edificaciones. 2. PECULIARIDADES DE LAS EDIFICACIONES HISTORICAS PARA LA EVALUACIÓN ESTRUCTURAL Los monumentos históricos tienen una serie de características que los hacen muy particulares tanto para el análisis como para los criterios de evaluación de su vulnerabilidad. Un aspecto importante a tomar en cuenta es la falta de información sobre las construcciones existentes. En algunos casos existen planos de arquitectura, o de replanteo. En general, los planos estructurales no existen. Tanto el replanteo geométrico como estructural se hace necesario, para la llevar a cabo la evaluación de las edificaciones. También hay que hacer notar la poca información acerca del comportamiento de las edificaciones en eventos sísmicos, asimismo sobre los daños causados por estos eventos. Posibles evidencias de daños causados por estos eventos habrían sido cubiertas por reforzamientos estructurales o por simples pintados o tarrajeos que por lo general no son reportados. También hay que mencionar los materiales de construcción. En general los materiales de construcción indican de alguna forma el periodo de construcción así como la localidad donde se ubica la edificación. Se puede encontrar una gran variedad de materiales estructurales en una sola edificación, no solo en construcciones de la misma época, sino también en modificaciones posteriores a la edificación inicial. El conocimiento de las propiedades mecánicas de los materiales, tales como relaciones esfuerzo-deformación, flujo plástico, rango de esfuerzos admisibles, etc, es escaso. Las labores de auscultación para la extracción de muestras son importantes para una asignación adecuada de las propiedades mecánicas de estos. Los usos de las estructuras van cambiando de acuerdo a las necesidades de los ocupantes. En algunos casos se les da un uso mayor al de su capacidad original. En general, existe la tendencia de 3

4 usar las azoteas o últimos niveles como lugares de almacenaje. De igual forma, adiciones posteriores como equipos de aire acondicionado, motores no son colocados con una estructura adecuada que garantice su estabilidad. Un aspecto importante son las conexiones de los elementos estructurales en especial cuando se trata de distintos materiales. Se pueden encontrar columnas de acero apoyadas sobre muros de albañilería, vigas de acero apoyados en columnas de mampostería, entramados de madera apoyadas sobre muros sin viga collar. En cuanto a la cimentación, se puede encontrar algunas veces que están apoyadas sobre estructuras de construcciones anteriores, con sótanos de muros gruesos de piedra u otro material, con sistemas de alcantarillado, así como posible existencia de catacumbas. El análisis y en general el modelamiento juega un rol importante en la evaluación de estas edificaciones. Algunas particularidades y sobretodo la complejidad de algunas conexiones y propiedades de los materiales conllevan a una dificultad en el modelamiento de las estructuras. Por ejemplo: definición de conexiones rígidas o semirígidas, excentricidad de las conexiones, conexiones entre elementos de distinto material, elementos con materiales con baja o nula capacidad a la tracción, y condiciones de apoyo como el grado de empotramiento. En cuanto a la interpretación de los resultados, es importante el conocimiento de los rangos de deformabilidad en función a los daños posibles en los conjuntos estructurales así como del comportamiento estructural de toda la edificación. Un aspecto importante se refiere a los procedimientos de reforzamiento en caso de ser necesario. La condición de patrimonio histórico reduce las alternativas, limitando la intervención ingenieril sobretodo en los elementos que se consideran con un mayor valor cultural o histórico. Estas limitaciones a su vez representan un reto a la ingeniería que implica la exploración de otras opciones que permitan reducir la vulnerabilidad de las edificaciones históricas. 4

5 3. PALACIO LEGISLATIVO DEL CONGRESO DE LA REPUBLICA El Congreso de la República posee un conjunto de edificaciones construidas en las primeras décadas del siglo XX, las cuales, al no haber sido objeto de un diseño sismorresistente, requirieron una evaluación de su vulnerabilidad frente a los sismos de gran magnitud que se espera ocurran en Lima y que se encuentran definidas en la normatividad actualmente vigente. Una de las edificaciones evaluadas fue el actual Palacio Legislativo. Figura 1. Fachada del Palacio Legislativo. La construcción del Palacio Legislativo empezó en 1904, en base a los planos diseñados por el Figura 2. Construcción de Fachada (Foto, El Comercio). sistemas de techo proporcionan una acción de diafragma. Entre los hemiciclos se encuentra el área central conocida como el Salón de los Pasos Perdidos, que cuenta con una cubierta en forma de bóveda reforzada. arquitecto francés Emilio Robert. En esta primera etapa fueron concluidos, además del Hemiciclo, el Salón de los Pasos Perdidos y la fachada. La construcción de la actual Sala Raúl Porras Barrenechea (ex Senado) se inició en 1919, a cargo del Ingeniero Ricardo de Jaxa Malachowski. Durante esta etapa, que concluyó en 1938, se modificaron los diseños originales. El Palacio Legislativo tiene muros principales bastante gruesos, llegando algunos a tener 1 metro de espesor. Los Como parte de los trabajos comprendidos dentro de la evaluación estructural, se realizaron una serie de inspecciones técnicas, destinadas a realizar un levantamiento del estado actual de la edificación, con fines de evaluación de la vulnerabilidad sísmica estructural y funcional del edificio. Las vibraciones ambientales o Figura 3. Trabajos de Inspección Estructural. 5

6 microtrepidaciones de la edificación fueron medidas con el objeto de determinar las características dinámicas reales del edificio. Asimismo, se desarrolló un programa de extracción de muestras de materiales para la determinación de sus propiedades mecánicas. En este estudio se preparó un modelo matemático de la edificación empleando elementos de barras y elementos finitos, considerando de esta forma los elementos estructurales, así como los principales elementos no estructurales que incrementan la rigidez lateral del sistema estructural o pueden tener un comportamiento local de interés para la seguridad de la estructura, como son las coberturas de techo de los Hemiciclos. La mayor parte de los elementos finitos empleados son tipo cáscara, con acciones de membrana y de flexión. Figura 4. Modelo para el Análisis Sísmico Lineal. Para el análisis sísmico lineal, se desarrolló el modelo tridimensional con elementos finitos, el cual permitió observar la distribución de esfuerzos normales, de corte, etc. en los muros principales y los desplazamientos laterales de la estructura. El modelo tuvo nudos, con 1153 elementos de barra y elementos de cáscara. Además, se desarrolló un modelo para el análisis sísmico nolineal, usando un modelo unidimensional de cortante con masas concentradas a cada nivel de piso, para estudiar el comportamiento general de la estructura en el rango inelástico. Los resultados fueron consistentes con el comportamiento relativamente aceptable que ha tenido la edificación frente a los sismos moderados o leves a que ha estado expuesta desde que empezó a ser utilizada. En general, no existe información relativa a daños ocurridos en los últimos eventos sísmicos de regular magnitud. 6

7 Figura 5. Esfuerzos de Corte. Sismo de Diseño. 4. EDIFICIO DEL EX-BANCO POPULAR DEL PERU El edificio fue construido en 1905 y empezó sus funciones como la oficina principal del Banco Popular y Londres. La obra fue diseñada por el arquitecto Julio Lattini. Tiene un valor patrimonial declarado oficialmente mediante R.J INC/J del 22 de marzo de Aunque uno de los principios de la intervención estructural de los edificios históricos es el de no cambiar los materiales, de acuerdo a las prospecciones efectuadas y los planos de unas ampliaciones realizadas en el edificio, ha sido Figura 6. Fachada del Edificio. modificado con la inclusión de muros de albañilería, así como la inclusión de elementos de concreto armado y la adición de pórticos de acero, con objetivos puramente utilitarios ligados a las funciones del antiguo banco. La construcción está compuesta estructuralmente por un sistema mixto aporticado de columnas y vigas metálicas recubiertas con una capa de mortero con malla de alambre, con algunos vanos cubiertos por muros de albañilería. Presenta muros exteriores de albañilería con ventanas grandes en forma de arcos; hasta de 0.70 m de espesor y están formados por bloques de albañilería con huecos, de arcilla cocida, trenzadas en cada hilada para dar estabilidad a los muros. El techo original consiste en un entablado de madera apoyado sobre viguetas de madera y éstas a su vez se apoyan, cuando las distancias entre columnas son grandes, sobre vigas metálicas intermedias soldadas a vigas metálicas principales, que transfieren su carga a las columnas o los muros. El edificio cuenta en el último piso con una estructura metálica que sirve de soporte a un vitral amplio. Figura 7. Modelo de Análisis Estructural Desde el punto de vista arquitectónico, se consideran áreas intangibles aquellas que contengan el mayor valor patrimonial del edificio, aquellas que con el transcurso de los años y las modificaciones realizadas han logrado mantener espacialmente su originalidad y calidad dentro del edificio, de manera que se 7

8 consideraron como tales las fachadas y los ambientes colindantes a ellas, los espacios adyacentes al Hall Principal, patios interiores, hall de circulación y ascensores, que se reconocen además por su estructura de muros de mampostería. El comportamiento dinámico de las estructuras se determinó mediante el modelo de la edificación empleando elementos tales como vigas, columnas y muros. Se ha usado el programa SAP2000 para llevar a cabo el análisis de la estructura. En la figura 6 se presenta el modelo matemático de la estructura analizada. La estructura ha sido modelada con 3,845 elementos de barra y elementos de cáscara, teniendo un total de 20,561 nudos. El número de grados de libertad del modelo matemático es de 120,090. Los resultados revelaron el comportamiento flexible que se esperaba que tuvieran algunas zonas de la edificación frente al sismo de diseño, principalmente en los elementos de acero y las columnas esbeltas, aunque se carece de información sobre los daños que sismos pasados ocasionaron en el edificio. Figura 8. Primer Modo de Vibración Figura 9. Segundo Modo de Vibración 8

9 5. CATEDRAL DEL CUSCO La Catedral del Cusco se encuentra ubicada en la Plaza de Armas de la Ciudad del Cusco. Como antecedentes históricos podemos mencionar que la Catedral se ubicó en un buhío o galpón incaico perteneciente al antiguo Quishuarcancha o Palacio del Inca Wiracocha. El 11 de marzo de 1560, se colocó la piedra angular de la actual Basílica Catedral dando con esto el inicio a la construcción de los cimientos de la Catedral, desde el inicio de la construcción hasta nuestros días, la Catedral Figura 10. Vista panorámica de la Catedral del ha sufrido sismos importantes que han Cusco. provocado inclusive colapso parcial de sus estructuras. El sismo del 31 de marzo de 1650 prácticamente destruyó la ciudad del Cusco. La Catedral, en pleno proceso constructivo, resistió en pie, pero sufrió daños en su estructura, desplomándose 17 arcos aún sin bóvedas y una bóveda de crucería detrás del altar mayor. A pesar de estos daños, la Catedral fue uno de los pocos edificios que resistió. Finalmente, la intensa labor desarrollada por Fr. Juan Alonso de Ocón permitió dar el impulso final a los trabajos, lográndose en julio de 1654 la culminación de la Catedral. Un fuerte sismo ocurrido el 21 de mayo de 1950 produjo daños considerables en las torres, fachada principal y bóvedas de la Catedral. Un nuevo sismo, ocurrido el 5 de abril de 1986, volvió a comprometer las bóvedas y campanarios. El campanario de la torre de la Epístola fue intervenido entre 1987 y Sin embargo, la falta de presupuesto impidió continuar los trabajos en la otra torre. Finalmente, el sismo del 9 de julio de 1991 agravó los daños existentes en el campanario del Evangelio. Debido a la situación crítica del campanario quedaron definitivamente en silencio sus campanas en prevención de aumentar con su vibración los daños existentes. Figura 11. Planta principal de la Catedral El actual conjunto de la Catedral del Cusco esta constituido por tres iglesias: la Basílica 9

10 Catedral propiamente dicha y las iglesias del Triunfo (Templo) y de la Sagrada Familia, ubicadas a ambos lados de la Catedral. La Basílica Catedral es una construcción de clara inspiración española. Su planta se inscribe en un rectángulo (86 x 46 m). En el crucero se abren dos grandes puertas que comunican con las iglesias laterales. El peso del techo de la catedral esta soportado por muros y pilares. Estos elementos son básicamente de material compuesto, piedra labrada en el perímetro exterior y en el interior es de piedra sin labrar embebida en un conglomerado. Los techos están compuestos por arcos y bóvedas de material compuesto y son de grandes dimensiones. Estos elementos se caracterizan por la heterogeneidad de los materiales de construcción utilizados piedra, ladrillo, adobe, morteros, etc. La estructura de la Catedral muestra una gran solidez. Se aprecian contrafuertes bien equilibrados en los muros de las capillas laterales. El material estructural predominante en la catedral es la piedra. Las caras visibles tienen una mampostería con aparejo, es decir, organizada. En zonas no visibles y sometidas a esfuerzos menos importantes se empleó un conglomerado de piedra sin labrar, de forma irregular, en una matriz de mortero. Este conglomerado tiene mucha menor resistencia que la mampostería con aparejo. Cabe anotar que los arcos y bóvedas tienen una diversidad de materiales y hay evidencias de que han sido reconstruidos modificando en parte las características originales. Es evidente que se tuvo que hacer un compromiso, seleccionando un material de resistencia intermedia. Aunque no ha sido factible realizar ensayos con muestras de distintas partes de la estructura, sí se observa un material más poroso, de menor densidad y resistencia, en los elementos ubicados en la parte superior y particularmente en los elementos más labrados. Para el estudio se plantearon tres distintos modelos de elementos finitos. El primer modelo corresponde a un pilar aislado, para el cual se usaron 5755 elementos sólidos, 7429 nudos y más de grados de libertad, se empleó para estudiar la distribución de esfuerzos en los pilares, para distintas razones de módulos de elasticidad entre el revestimiento exterior y el núcleo. Adicionalmente, este modelo permitió establecer equivalencias para reemplazar cada pilar por un simple elemento de barra en el modelo global. El segundo modelo corresponde a un módulo de pilar, arcos y bóvedas, el modelo incluyó elementos sólidos, con nudos y más de grados de libertad. Se empleó este modelo para estudiar la interacción entre pilares y arcos, e igualmente para establecer un equivalente, más simple, a ser usado en el modelo global. El tercer modelo corresponde a un Modelo Global de la Catedral en 3D, no siendo posible hacer un modelo de la estructura completa con el mismo nivel de detalle de los dos primeros modelos, se sustituyeron las diversas componentes por un total de 273 elementos de barra y 25,106 elementos de 10

11 cáscara. Se consideraron un total de 29,949 nudos, con 145,634 grados de libertad. Este modelo permitió observar la distribución de esfuerzos debidos a acciones de sismo, las deformaciones de los arcos y elementos de bóveda, su poca capacidad para transferir las fuerzas de inercia a los muros, y otros aspectos del comportamiento de la estructura en conjunto. En el modelo global de la estructura, el primer modo de vibración, que se muestra en la Figura 12, es esencialmente en dirección longitudinal (Y). Vibran principalmente las torres y las bóvedas adyacentes a la fachada. Este modo tiene una masa efectiva de 11.6% de la masa total, lo que indica su importancia en la respuesta. Figura 12. Primer Modo de Vibración El décimo modo es el más importante para la respuesta frente a las componentes de sismo en dirección transversal. Su período es 0.13 s. En este modo vibra casi toda la estructura en la dirección X, como se observa en la Figura 13. Tiene una masa efectiva en la dirección X igual a 41.8% de la masa total. El duodécimo modo de vibración tiene un periodo Figura 13. Décimo Modo de Vibración de 0.13 s. Vibran las cúpulas de la catedral en dirección longitudinal (Y). Este es el segundo modo en importancia para la componente de sismo en dirección longitudinal, con masa efectiva de 17.4%. 6. CONCLUSIONES - Se ha presentado un resumen de las últimas experiencias de evaluación de edificaciones históricas llevadas a cabo por el CISMID. Cada una de estas evaluaciones tuvo las singularidades propias de la diversidad de materiales utilizados en la construcción, así como de los sistemas estructurales. 11

12 - Labores de replanteo estructural y arquitectónico así como labores de auscultación para la extracción de muestras es importante para una evaluación adecuada de la vulnerabilidad estructural de las edificaciones históricas. - Algunas particularidades y sobretodo la complejidad de algunas conexiones y propiedades de los materiales conllevan a una dificultad en el modelamiento de las estructuras. - Las edificaciones históricas representan un reto muy particular para la ingeniería actual. La condición de patrimonio histórico reduce las alternativas, limitando la intervención ingenieril sobretodo en los elementos que se consideran con un mayor valor cultural o histórico. REFERENCIAS 1. Applied Technology Council (1989). ATC-20 Procedures for Post Earthquake Safety Evaluation of Buildings. California, EE.UU. 2. Applied Technology Council (1989). Addendum to the ATC-20 Post Earthquake Building Safety Evaluation Procedures. California, EE.UU. 3. Meli, R. (1999) Ingeniería Estructural de los Edificios Históricos. Ed. Fundación ICA. Ciudad de México, México. 4. Meli, R. (2001) Comportamiento Sísmico de Inmuebles Históricos. Lecciones de Eventos Recientes. Congreso Mexicano de Ingeniería Sísmica, SMIC. Guadalajara, México. 5. UNDP (1984). Building Contruction under Seismic Conditions in the Balkan Region. Volume 6: Repair and Strengthening of Historical Monuments and Buildings in Urban Nuclei. United Nations Industrial Development Organization. Viena, Austria. 6. UNDP (1983). Building Contruction under Seismic Conditions in the Balkan Region. Volume 5: Repair and Strengthening of Reinforced Concrete, Stone and Brick-Masonry Buildings. United Nations Industrial Development Organization. Viena, Austria. 12