Ingeniería

El concreto y los terremotos

Tal vez, el signo trágico más visible de los terremotos es el daño sobre las edificaciones civiles que habitamos, incluyendo las construidas con concreto reforzado.

Normalmente las construcciones realizadas con concreto reforzado dadas sus características de masa y rigidez, son las más propensas a dañarse debido a la acción de eventos sísmicos. Además son las que generan un mayor número de pérdidas humanas debido a la dificultad de rescatar personas en medio de fierros retorcidos unidos al concreto.

En principio, la ingeniería desarrolló la mayoría de los postulados de diseño desde el desarrollo de la teoría de la elasticidad para problemas estáticos y gravitacionales; es decir, existió argumentación matemática para resolver el problema ante cargas no variables en el tiempo y verticales, correspondiendo a las cargas muertas y vivas convencionales. Por el contrario, los sismos resultaron ser cargas diferentes, variables en el tiempo, que cambian de sentido y que además cuentan con componentes de acciones tanto horizontal como vertical, actuando simultáneamente.

No es un secreto que cualquier edificación soporta mucho menos carga horizontal que vertical. De hecho, se considera que la capacidad a carga horizontal sólo llega a ser del orden de 1/10 o 1/12 de la capacidad vertical de carga. Los sismos son acciones horizontales, razón por la cual resultan ser letales para edificaciones diseñadas para cargas verticales únicamente, incluyendo –como es obvio– las construidas con concreto reforzado.

Patologías comunes

Los edificios de concreto, los más comunes en Latinoamérica, son los que documentan el mayor número de daños durante terremotos debido a la falta de control de calidad de los materiales y a al uso inadecuado de las normas de construcción, las cuales en los países latinoamericanos se han vuelto fuente de errores por la ignorancia en la filosofía de diseño. De esta manera, hoy en día los errores de diseño, de construcción y de uso de las edificaciones siguen siendo prácticamente los mismos de hace medio siglo, cuando apenas se habían identificado. Parece existir una brecha apreciable entre normas, diseños y lo que se termina construyendo.

Fallas catastróficas de modernos edificios de concreto reforzado, causadas por el colapso de sus estructuras existen y han sido visualizadas recientemente en Caracas (1967), Managua (1972), México DF (1985), El Salvador (1986, 2001), Spitak, Armenia (1988), Turquía (1999), Taiwán (1999), Armenia (1999), India (2001), y Cachemira (2005), entre otras. Los principales indicadores de daños en muchos de estos eventos han sido sistemáticos y repetitivos. Se pretende a continuación, describirlos someramente y mostrar gráficamente cómo los seguimos cultivando en la actualidad.

Columnas y vigas

En estructuras de concreto reforzado cuando ocurren sismos fuertes, es común que se produzcan daños estructurales en columnas tales como: grietas diagonales causadas por esfuerzos excesivos de cortante o torsión, o grietas verticales; desprendimiento del recubrimiento; aplastamiento del concreto y pandeo de las barras longitudinales por exceso de esfuerzos. En las vigas se producen grietas diagonales y rotura de estribos por cortante o torsión además de grietas verticales, rotura del refuerzo longitudinal y aplastamiento del concreto por cargas alternadas, reversas o cíclicas. Las conexiones entre elementos estructurales de vigas y columnas son por lo general, puntos críticos. El mal detallado de los nudos en edificaciones recientes sigue siendo común en zonas donde ocurren terremotos.

Un aspecto vital de los terremotos sobre las edificaciones de concreto lo establece la duración del evento y el número de ciclos, en uno y otro sentido, que actúan sobre la estructura. Esto se debe a que el material que conforma el concreto reforzado es una piedra colada in situ confinada por el acero de refuerzo que sufre de una alta degradación, agrietándose y cuarteándose con movimientos relativamente pequeños. Es el acero el encargado de mantener la integridad de los elementos en su sitio. No obstante, si el número de ciclos de ida y vuelta es suficientemente largo, el acero también empezará a perder su integridad y el colapso será, por tanto, inevitable.

En muchos casos para el diseño de edificaciones de concreto reforzado, más que resistir una carga máxima instantánea elevada, se trata de diseñar para el máximo número de cargas cíclicas, aunque éstas no tengan un valor tan elevado. Se busca garantizar una propiedad fundamental de las edificaciones de concreto reforzado que es la capacidad dúctil, la cual intenta mantener la integridad de un elemento en condición de nolinealidad sin romperse.

Integridad del nudo

El buen comportamiento sísmico de las estructuras de concreto nace de los nudos que deben llevar el mayor confinamiento por refuerzo de estribos posible. Si se garantiza la integridad de todos los nudos de la estructura, en especial los de los primeros pisos, en lo que concierne a la sección de las columnas del nudo, es probable que una estructura sobreviva.

Por lo general las fallas totales de edificaciones se presentan a partir de fallas locales de columnas claves. Cuando esto sucede, la fuerza sísmica que soportaba la columna fallada se redistribuye y se suma a las columnas vecinas, que ante la nueva carga empiezan a fallar rápidamente. Obviamente todo este proceso necesita de un tiempo y un número de ciclos mínimo para que se empiecen a desarrollar los procesos de degradación.

En las uniones viga-columna (nudos), el esfuerzo de corte provoca grietas diagonales; de ahí que es común ver fallas por adherencia y anclaje del refuerzo longitudinal de las vigas a consecuencia de esfuerzos excesivos de flexión. Cuando existen movimientos verticales excesivos, en las losas se pueden producir grietas por punzonamiento alrededor de las columnas, así como grietas longitudinales a lo largo de la losa de piso debido a la excesiva demanda de flexión que puede imponer el sismo.

Las construcciones rígidas se comportan, en general, mejor que las flexibles. Las irregularidades en altura, traducidas en cambios repentinos de rigidez entre pisos adyacentes, así como cambios de forma bruscos, provocan que la absorción y la disipación de energía durante el sismo se concentren en los pisos flexibles, donde los elementos estructurales se ven sometidos a solicitaciones excesivas. Las irregularidades en planta, de masa, rigidez y resistencia, pueden originar vibraciones torsionales que generan concentraciones de esfuerzos cortantes difíciles de evaluar y de resistir.

Piso flexible y punzonamiento

Cuando una edificación tiene muros divisorios de ladrillo a partir del primer nivel y no los tiene en el sótano, en la primera placa aérea se concentra una elevada demanda de ductilidad al oscilar la estructura durante un sismo intenso. Esta discontinuidad derivada de la alta rigidez de la edificación, desde la primera placa aérea hacia arriba, comparada con la rigidez en el primer nivel y el sótano, implica que la parte con muros del edificio tienda a oscilar como una caja rígida construida sobre un sistema mucho más débil, que es lo correspondiente al primer piso y sótano. Bajo esta situación, un incremento inadvertido de resistencia y rigidez en los pisos superiores de un edificio, por la mencionada interacción, puede crear en los pisos inferiores el efecto de piso flexible. En muchas ocasiones, por consideraciones arquitectónicas, los primeros pisos no tienen tantos muros como los superiores lo que genera un primer piso de menor rigidez. Sin embargo, el peso total del edificio descansa en este primer nivel, por lo que si no existe suficiente rigidez, y con los suficientes ciclos de movimiento necesario, ocasiona el rompimiento normalmente a la altura del nudo. Los pisos bajos con pocos muros divisorios se deben a circunstancias administrativas o simplemente para ubicar estacionamientos y/o áreas abiertas sociales o comerciales.

En algunas ocasiones las columnas están bien de rigidez y resistencia para las cargas horizontales y verticales; sin embargo, las placas que conforman los entrepisos son macizas y de poco espesor. Los movimientos sísmicos incrementan la carga vertical y cuando la unión de estas placas sobre las columnas que descansan es muy débil, dichos elementos pueden sufrir punzonamiento. En este caso, la placa se rompe alrededor de la columna y el entrepiso cae al nivel inferior, donde el fuerte impacto hace que esa placa también se punzone, falle y caiga sobre la siguiente en un proceso cíclico que piso a piso genera el colapso total de la estructura.

El resultado de este proceso es un edificio convertido en una especie de “sándwich” que con el descomunal peso de la estructura atomiza todo lo que se encuentra en su interior. En algunas edificaciones, con el solo hecho de que falle un solo entrepiso, el fenómeno de arrastre genera el colapso total de la estructura. En todo caso, las concentraciones excesivas de peso debidas a usos inadecuados de las construcciones diseñadas para otro fin resultan tener influencia directa al respecto.

Golpeteo entre edificios

En otras ocasiones, edificios de diferente altura, masa y rigidez son construidos unos junto a otros con propiedades dinámicas y geométricas diferentes, de tal manera que cuando son sometidos a movimientos sísmicos, los patrones de desplazamiento de cada estructura son diferentes. Esto ocasiona que en algún momento de la historia del sismo, los edificios se golpeen fuertemente destruyéndose mutuamente, situación crítica cuando los entrepisos no se encuentran al mismo nivel. Este fenómeno cobra mayor relevancia cuando los edificios se encuentran sobre suelo blando, donde los desplazamientos espectrales son grandes.

De igual forma, se ha visto que añadir pisos mediante secciones, materiales y técnicas de construcciones diferentes a las del edificio original, genera un rechazo que tiende a destruir las zonas de ampliación nuevas durante los movimientos sísmicos. Este fenómeno parece estar asociado a que esas nuevas secciones tienen propiedades de rigidez y resistencia diferentes al edificio original y se genera un efecto de “látigo” que amplifica de manera significativa los desplazamientos de estas secciones altas del edificio.

Texto: Mauricio Gallego-Silva