Tomás Morocho Llinín. Gerente general en T.M.LL. Construcciones, área de Patología e Ingeniería Forense.
El conocimiento actual sobre el efecto de un sismo en las construcciones proviene de la observación de los daños, de los estudios de laboratorio y de rigurosos estudios analíticos. Estos conocimientos han impulsado las técnicas de análisis estructural y han colaborado para el refinamiento de los procedimientos de diseño, pero hay grandes vacíos; ciertos tipos de construcciones se ven seriamente afectadas, otras no, y no alcanza a conformarse una muestra lo suficientemente amplia para demostrar de manera contundente si los cambios en los procedimientos de diseño han sido exitosos o aún se requieren modificaciones.
Determinar quién es responsable ante una falla estructural es tarea que se le ha encargado al ingeniero forense. Éste no es ni juez ni verdugo; su papel no es encontrar culpables sino encontrar causas y entregar soluciones. El informe comprende el total de la investigación y se presenta a través de textos y gráficas; comprende los antecedentes del proyecto, el incidente de la falla, las consideraciones del diseño, el análisis del modo y causas de la falla incluyendo las hipótesis. Podría incluir recomendaciones de subsanación.
La ingeniería forense es una disciplina que aplica herramientas de varias ciencias e ingeniería para dos fines:
- Preventivo: reducir el riesgo de fallo en un producto ingenieril, mejorar su rendimiento y disminuir su costo.
- Paliativo: reconstruir la secuencia de sucesos que conducen a una pérdida económica o a lesiones motivadas por fallo en un producto ingenieril, con lo que ayuda a determinar remedios y responsabilidades.
Cualidades del ingeniero forense
Un ingeniero forense encargado de revisar estructuras, por ejemplo después de un sismo, debe tener buena formación académica, experiencia profesional comprobada en la resolución de conflictos en casos similares y ética profesional en la investigación; además, debe ser capaz de brindar veracidad en la información, ser objetivo en los resultados e imparcial en las conclusiones finales.
Las actividades del ingeniero forense comprenden la observación del escenario del colapso de la estructura, identificación de pistas, croquis del colapso (fotos, planos), protección de evidencias, numeración de fotografías, establecimiento del siniestro mediante sistemas de coordenadas georreferenciales y recopilación de documentos y testimonios.
Las evidencias deben ser marcadas, identificadas, catalogadas y almacenadas en lugar muy seguro y organizado. Deben tratarse con mucho cuidado, evitando la manipulación, y empaquetarse con materiales que no comprometan su fidelidad. Su transporte debe tomar un tiempo adecuado para llegar al laboratorio, pues de otro modo no tendrán validez.
La colaboración del ingeniero forense es muy valiosa en aspectos legales como la litigación penal o civil y las resoluciones alternativas (peritaje, negociación).
Aplicación en un caso real
El 16 de abril de 2016, a las 18:58 horas, se produjo en Ecuador un temblor de 7.8 grados en la escala de Richter, cuyo epicentro se localizó entre las provincias de Esmeraldas y Manabí, y que generó importantes pérdidas humanas así como daños severos en la infraestructura pública y privada de las provincias de Esmeraldas, Manabí, Santa Elena y Santo Domingo de los Tsáchilas. La ingeniería forense como herramienta de investigación permite ver los errores cometidos en la ejecución o en los diseños de las infraestructuras colapsadas en dicho evento.
En seguida se exponen algunos ejemplos de errores que provocaron fallas de seguridad en las edificaciones.
Deficiencias del núcleo resistente
Los concretos fabricados en obra pueden tener problemas de calidad, como la presencia de altos finos, poco material cementante y alta relación agua/cemento. Adicionalmente, el mal vibrado del concreto por falta de control cuando se funden las secciones en obra y las malas condiciones de colocación generan secciones con oquedades y hacen que se reduzca el área neta de las columnas o vigas, lo que genera problemas frecuentes al disminuir tanto la rigidez como la resistencia; esto es un grave problema en la actualidad (véase figura 1).
Columna corta
Otro componente de vulnerabilidad estructural observado después del sismo del 16 de abril de 2016 son las denominadas columnas cortas, muy frecuentes en hospitales o escuelas. En general, la columna corta es una columna que forma parte del sistema estructural inicialmente libre de muros divisorios. Una vez terminada la construcción, los muros divisorios llegan hasta una cierta altura de la columna y restringen su posibilidad de rotación. Si los muros son relativamente fuertes, la altura real de la columna frente a las fuerzas inerciales horizontales no es la del análisis, sino la libre por sobre la restricción dada por el confinamiento de los muros. El cortante absorbido por la columna resulta mucho mayor que el previsto, al tiempo que su capacidad de rotación se ve drásticamente disminuida. La combinación de estos factores produce fallas explosivas de la parte libre de la columna, que se han observado en muchas partes del mundo.
El ingeniero estructural no toma en cuenta los muros para su análisis, y aun si los tomara en cuenta de poco le serviría, porque en cuanto a muros y fachadas de ladrillo, lo que hoy está en una edificación mañana puede ser cambiado por un propietario que decide hacer remodelaciones sin permiso.
Separar los muros de la columna adicionando una lámina de plástico esponjoso es una manera de resolver esta patología sísmica.
Columna débil y viga fuerte
La falla de una columna es intrínsecamente más peligrosa que la falla de una viga. Al producirse las fuerzas inerciales que generan los desplazamientos horizontales de las construcciones, los nudos sufren rotaciones cuyos efectos se reparten entre los elementos estructurales convergentes en proporción a su rigidez. Si las vigas son mucho más rígidas que la columna, la situación es equivalente a que ésta estuviera empotrada en la viga, y en consecuencia la rotación resultante sobre ella es más marcada que la que ocurriría si la viga hubiera podido rotar un poco. En estos casos se precipita la falla de la columna y afecta además a las vigas que convergen en el nudo, las cuales pierden su sustentación (véase figura 2).
Se evita este daño diseñando columnas con suficiente rigidez y resistencia a partir de secciones más generosas en cuanto a concreto y acero de refuerzo longitudinal y transversal. Lo que se busca entonces es la articulación de la viga, la cual deberá tener mucha menor rigidez rotacional y resistencia que la columna conectante. Si esto no se cumple, el daño se va hacia la columna y poco puede hacerse. Esto se presenta comúnmente en columnas de edificaciones hechas para soportar sólo carga vertical.
Discontinuidad estructural
La presencia de pisos intermedios y de escaleras con descansos que se apoyan en columnas, o la mala práctica de ubicar masas especiales como piscinas o depósitos en pisos intermedios de las edificaciones, suelen conducir a discontinuidades estructurales. Otra práctica constructiva que las genera son cambios significativos de la rigidez de las columnas al pasar de un determinado piso al siguiente. Durante la construcción pueden adicionarse muros de ladrillo rígidos y frágiles que generan una discontinuidad estructural, la cual concentra la demanda de ductilidad sobre la columna.
También ocurren discontinuidades estructurales cuando las vigas son excéntricas con respecto a la columna, por ejemplo vigas que se apoyan sobre una parte de la columna, e incluso hay casos en los que la viga prácticamente es un apéndice de la columna. En la figura 3 se ejemplifica una falla por cambios bruscos de secciones de vigas en nudos.
Mantener la continuidad en cuanto a secciones de concreto y acero en toda la altura de la columna parece ser el secreto para evitar esta patología sísmica.
Golpeteo entre estructuras
En muchas ocasiones, edificios de diferente altura, masa y rigidez son construidos unos junto a otros 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 y se destruyan mutuamente, sobre todo si las placas de entrepiso no se encuentran a la misma elevación. Tal fenómeno es denominado golpeteo y se ha presentado en sitios con alta densidad poblacional donde se construyen edificios sin ningún tipo de separación (véase figura 4).
Piso débil
Cuando una edificación tiene muros divisorios de ladrillo a partir del primer nivel y no los tiene en la planta baja, en la primera losa se concentra una muy elevada demanda de ductilidad al oscilar la estructura durante un sismo intenso. Esta discontinuidad deriva de la alta rigidez de la edificación desde la primera losa hacia arriba comparada con la rigidez en la planta baja. Lo anterior implica que la parte con muros del edificio tiende a oscilar como una caja muy rígida construida sobre un sistema mucho más débil correspondiente a la planta baja. La consecuencia es que las columnas no pueden suministrar las rotaciones necesarias y fallan por una demanda de ductilidad mayor que su capacidad; esta falla no tiene posibilidad alguna de reparación.
En la figura 5 se muestra el colapso del primer piso por configuración de un piso débil. Los pisos bajos con pocas paredes se deben a circunstancias administrativas o simplemente a la ubicación de estacionamientos y áreas sociales abiertas.
Punzonamiento
En las estructuras de losa plana y aligeradas en dos direcciones, y en cualquier losa, se desarrolla una fuerte cortante perimetral alrededor de la columna correspondiente a la acción gravitatoria. Cuando ocurre un sismo, la solicitación dinámica proveniente de los desplazamientos horizontales de la edificación se suma a la solicitación estática, y se incrementa notablemente el efecto de cortante sobre la losa en las inmediaciones de la columna.
En la figura 6 puede observarse la falla por punzonamiento; la pérdida es total al ocurrir el sismo y desarrollarse los desplazamientos horizontales producidos por las fuerzas inerciales.
Muros de fachada de mampostería
La patología de agrietamiento de los muros y fachadas de ladrillo o bloque es posiblemente la más común en edificaciones estructuradas durante la ocurrencia de un sismo. Los pórticos con muros de relleno se vuelven más rígidos una vez que la estructura hace contacto con el tabique de relleno; esto incrementa la rigidez y cambia las propiedades dinámicas de la estructura. Cuando las mamposterías están distribuidas en forma asimétrica pueden ocasionar vibraciones torsionales y con ello incrementos de los esfuerzos cortantes sobre la estructura. Estas mamposterías se agrietan severamente si no han sido diseñadas para soportar tales fuerzas, y pueden producirse graves daños en la estructura misma (véase figura 7).
Cimentaciones
Cuando el análisis y el diseño de la cimentación se han concentrado primordialmente en la situación estática y se ha forzado hasta producir cimentaciones en las cuales el esfuerzo de contacto o la carga sobre la cimentación resultan anormalmente elevados, el comportamiento estático de la edificación puede resultar satisfactorio. Sin embargo, cuando actúan las fuerzas inerciales producidas por un sismo, la situación estática forzada que ya existía se manifiesta en asentamientos diferenciales sobre la construcción que la dejan con una deformación residual en su cimentación, así como una inclinación del edificio tan marcada que es alarmante. Entre otras situaciones más graves, el edificio simplemente se vuelca. La susceptibilidad a la licuación de un suelo depende de las condiciones que se han anotado, pero también de las características del sacudimiento sísmico.
Obras portuarias que incluyen muchas construcciones de concreto reforzado o vías importantes se han visto gravemente afectadas por la licuación de suelo (véase figura 8).
Configuraciones estructurales en planta y en altura
Las irregularidades estructurales en planta y en altura han sido la causa de patologías que producen daños graves. Las irregularidades inducen comportamientos dinámicos complicados en los cuales la edificación genera fuerzas inerciales que pueden producir deformaciones excesivas difíciles de prever, con daños en muros, torsión en planta (véase figura 9) y en algunos casos colapso de la edificación. Como el momento de torsión mencionado genera fuerzas sísmicas adicionales a las inerciales en cada dirección principal de la edificación, el diseñador debe asegurar no sólo la rigidez necesaria para controlar las deformaciones transversales de la estructura, sino que el centro de rigidez conduzca a una excentricidad mínima.
Tuberías embebidas en elementos estructurales
El hecho de hacer perforaciones en los elementos estructurales de soporte es una práctica que atenta contra los principios de estructuración sana, ya que por medio de estas prácticas los elementos pierden drásticamente su sección y su inercia y por ende la rigidez, resistencia y capacidad dúctil. Hacer una perforación en un elemento o embeber una tubería inutiliza la sección para cuando realmente se necesite en un sismo. Si la práctica se repite en toda la edificación, las posibilidades de soportar un fuerte evento telúrico se ven reducidas.
Puentes
Un puente es una obra esencialmente lineal. Si se ubica en una zona de falla, al producirse la ruptura las columnas del puente no sólo sufren el sacudimiento producido por el paso de las ondas sísmicas; si la fractura llega a la superficie del terreno puede suceder que una columna se desplace con respecto de otra. Dependiendo de la geometría del puente, se puede generar una patología desastrosa para la obra que la lleve a la destrucción total.
Palabras finales
El objetivo de la construcción es mejorar las condiciones de vida de la gente llenando sus necesidades básicas. El resultado hará posibles las tareas materiales y espirituales diarias.
El constructor es un servidor de la sociedad, desarrollador de la cultura y de la calidad de vida. Nótese que en el código de Hammurabi la responsabilidad recaía directamente sobre el constructor, y la capacidad de creación y el ingenio eran libres; el código de Hammurabi no le enseñaba al constructor a edificar y mucho menos le obligaba a usar alguna técnica particular de construcción. En los códigos actuales ocurre exactamente lo contrario: el ingenio y la creación son limitados a un articulado, que le indica al profesional cómo debe proyectar y le exige incluso usar ecuaciones prescritas.
