Revista Geotecnia 261 Septiembre-Noviembre 2021
Alberto Cuevas Rivas Ingenieros Cuevas Asociados.
Juan Manuel Cuevas Ochoa Consorcio EXCOGE.
La técnica de subexcavación ha mostrado ser eficiente para la renivelación de edificios en la Ciudad de México; el mejor ejemplo es el proyecto de la Catedral Metropolitana. No obstante, se trata de un trabajo ingenieril detallado que requiere experiencia y sensibilidad para interpretar la información disponible y tomar decisiones racionales con el fin de preservar las estructuras. Este edificio soportó dos eventos sísmicos importantes: el del 19 de septiembre de 1985 y el de 2017, que afectaron su cimentación y le generaron desplomos mayores a la inclinación máxima visible, lo que demandó su renivelación y recimentación en 1986 y en 2018, respectivamente.
ANTECEDENTES
Características del proyecto. Este edificio en la colonia Granjas México se construyó en 1982 al oriente de la Ciudad de México; se trata de un inmueble para oficinas de 12 niveles y un sótano, apoyado en un cajón de cimentación con pilotes entrelazados, cuyo diseño debió satisfacer los lineamientos del RCDF de 1976. Para su funcionamiento, este edificio se complementa con un estacionamiento de cuatro y medio niveles y un sótano cimentado con pilotes; cabe señalar que ambos cuerpos se encuentran desligados estructuralmente y que el estacionamiento no ha sufrido daños relevantes.
Zonificación geotécnica. El predio donde se construyó este edificio se localiza en la zona geotécnica III, Lacustre, caracterizada por potentes depósitos de arcilla altamente compresible, separados por capas de arena medianamente compacta, con un porcentaje de finos y espesor variables. En el sitio, este depósito se extiende hasta 50 m de profundidad, a partir del nivel de banqueta.
Historia de daños e intervenciones. Durante el sismo del 19 de septiembre de 1985, el edificio sufrió desplomos y asentamientos diferenciales súbitos en dirección norponiente (80 cm), razón por la que fue reestructurado y recimentado con pilotes Mega en 1986.
En el periodo 2013-2014 se remodeló para cumplir con las características de las estructuras del Grupo A, conforme a las Normas Técnicas Complementarias de 2014.
Con el evento sísmico del 19 de septiembre de 2017, el edificio volvió a hundirse diferencialmente, 14 cm hacia el norte; no obstante, el desplomo que la estructura había sufrido a través de los años ya era considerable, por lo que después del evento sísmico el edificio rebasó la inclinación máxima visible (NTC-2017), y con la nivelación de octubre de 2018 se demostró que existían 63 cm de diferencia entre la esquina SE-NW; por esta razón, se desalojó.
Con el diagnóstico de 2018 se determinaron las características de la recimentación para satisfacer los estados límite de falla y de servicio para las estructuras tipo A, de acuerdo con la reglamentación vigente (NTC 2017). Asimismo, para la corrección geométrica del edificio se optó por la técnica de subexcavación.
Objetivo. La finalidad de este artículo es exponer el caso histórico de un edificio diseñado conforme a la reglamentación que ha regido en la CDMX y que, por eventos sísmicos extraordinarios en décadas diferentes, ha sido renivelado y recimentado para mantenerlo en operación.
DIAGNÓSTICO GEOTÉCNICO EN 2018
En proyectos de esta índole se requiere que los especialistas involucrados documenten todos los detalles posibles acerca del origen de los inmuebles y los factores que hayan causado las afectaciones en la estructura y la cimentación. Sin embargo, no siempre se cuenta con los diseños de origen o con memorias del procedimiento constructivo, lo que puede dificultar aún más el diagnóstico técnico.
Información disponible del edificio. En este caso, se conservan los archivos originales del plano de localización de pilotes (1978), el plano e informe de la empresa constructora (1979), el estudio de mecánica de suelos posterior al sismo de 1985, el dictamen estructural y dos artículos técnicos que documentaron los daños y las soluciones propuestas después de aquel evento; también los planos de la reestructuración de 2014, así como múltiples nivelaciones topográficas entre los años 1986 y 2018. A partir de estos datos, y aunque algunos de ellos no concordaban, se determinó que la cimentación del edificio era mixta (véase figura 1), integrada por un cajón desplantado a 4.2 m de profundidad, que se utiliza como estacionamiento, con pilotes entrelazados: 132 de fricción positiva y 58 de fricción negativa, además de 31 pilotes de punta apoyados en la Capa Dura, con la geometría descrita en la tabla 1.
Modelo geomecánico de diseño. En la figura 1 se muestra la interpretación estratigráfica basada en los tres sondeos realizados hasta 55 m de profundidad; con ellos se identificaron las cinco unidades características del subsuelo del Valle de México: Capa Superficial, Serie Arcillosa Superior, Capa Dura, Serie Arcillosa Inferior y Depósitos Profundos, como se resume en la tabla 2.
Piezometría. De acuerdo con las mediciones de cinco piezómetros abiertos y un tubo de observación, el nivel freático se encuentra a 2.3 m de profundidad; a partir de este nivel, la presión de agua en la masa de suelo es prácticamente hidrostática hasta 32 m de profundidad; por debajo de este punto se registró un abatimiento tan sólo de 10 a 15% de la presión, como se observa en la figura 2.
Velocidad de hundimiento. En este sitio se determinó una velocidad de hundimiento de 5.38 cm/año para un periodo de 32 años; este valor se estimó comparando los sondeos de 1986 y 2018, para medir el decremento en el espesor de los estratos que sobreyacen a la Capa Dura.
Análisis de estabilidad. A partir de las cargas proporcionadas por la empresa responsable del proyecto estructural, se analizaron las condiciones de estabilidad estáticas y sísmicas de la cimentación para los eventos del 19 de septiembre de 1985 y de 2017.
Condición original del edificio en 1985. De acuerdo con la posición de los centroides de carga y de pilotes, se determinó una excentricidad de 0.7 m, en el sentido corto; del acervo de nivelaciones topográficas se estima que el edificio nació con cierta inclinación, que pudo ser del orden de 48 cm. Además, se verificó que el diseño original admitió un número insuficiente de pilotes, por lo que la cimentación trabajó al límite durante los eventos telúricos de septiembre de 1985 (figura 8) y dio origen a un hundimiento de 108 cm en la esquina norponiente, aunque se documentó que con la réplica del 20 de septiembre de 1985 se produjo un asentamiento correctivo de 20 cm.
Condición del edificio en 2017. Para esta fecha, el edificio contaba con los pilotes de punta adicionales de su primera recimentación, colocados de forma asimétrica para detener el efecto del hundimiento regional en el poniente y dejando el lado oriente con insuficientes pilotes para inducir el descenso paulatino de esta zona. Así, se determinó que el edificio tenía un factor de seguridad de 1.5 en condiciones estáticas; para la aceleración de 91.6 cm/s2 medida en el sismo del 19 septiembre de 2017, se calculó un factor de seguridad cercano a 1.0; por ello se decidió incrementar el número de pilotes y buscar un arreglo que minimizara la excentricidad calculada de 1.62 m, en el sentido corto.
Por otra parte, para corregir el hundimiento diferencial del edificio de 63 cm en dirección SE-NW (véase figura 9), se propuso utilizar la técnica de subexcavación, que consiste en extraer suelo arcilloso por debajo de la losa de fondo de manera controlada, con el fin de inducir los asentamientos necesarios que hagan descender las partes más elevadas; en este caso, la zona oriente y sur del inmueble.
Solución de recimentación. En la figura 3 se muestran las características de la cimentación existente, que se complementó mediante 50 pilotes de fricción de 30 m de longitud y 50 cm de diámetro, lo que permitió corregir la excentricidad y dejar un colchón compresible de 3 m entre la punta de los pilotes y la Capa Dura; su distribución se decidió para reforzar las esquinas, que son las más vulnerables en el sismo. También se instalaron
19 pilotes, de 15 m de largo y 50 cm de diámetro, para mejorar el comportamiento de las arcillas superficiales donde se apoya el cajón. Así, el factor de seguridad en condición sísmica se incrementó a 1.7 y se satisfacían además los estados límite de falla de las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Cimentaciones (NTCDCC) del 2017, que complementan el Reglamento de Construcciones del Distrito Federal.
Tratamiento para pilotes de punta. Para evitar en el futuro que los 31 pilotes Mega provoquen movimientos diferenciales y daños en la losa de fondo, se decidió desligarlos y recortar su cabeza para que trabajen como pilotes de fricción negativa, apoyados en la Capa Dura.
RENIVELACION Y RECIMENTACIÓN
Trabajos preliminares. Se instaló el sistema de bombeo para controlar el nivel freático, integrado por un total de 34 pozos, cada uno con una punta eyectora.
Programa de renivelación. Comprendió un periodo de 26 meses, desde octubre de 2018 hasta diciembre de 2020, durante el cual se excavaron múltiples lumbreras, comenzando por la zona oriente del edificio. Cabe señalar que se abrieron “galerías” que permitieron la inspección de los pilotes, para documentar su estado y sus características reales; asimismo, de forma permanente se realizaron nivelaciones topográficas periódicas para conocer la evolución de los desplazamientos. Adicionalmente, con el fin de acelerar la recuperación de la verticalidad del edificio, se colocó un lastre sobre la losa de fondo en la zona SE (la más alta), aprovechando el material producto de la excavación de las trincheras (véase figura 3).
Exploración de pilotes. Con el interés de certificar la longitud real tanto de los pilotes de fricción (originales) como de los pilotes de punta (recimentación 1986) y determinar el espesor de suelo compresible entre su nivel de desplante y la Capa Dura, se realizaron pruebas geofísicas con sísmica de reflexión y pruebas PIT, en dos etapas: inicialmente midiendo desde la losa de fondo y después ensayando directamente en la cabeza de los pilotes, una vez que se tuvo acceso a ellos a través de las lumbreras. Con estos ensayes se ratificó razonablemente bien la longitud del 20% de los pilotes (de punta y fricción positiva).
Subexcavación. Las lumbreras y trincheras que se excavaron por debajo del cajón de cimentación (–4.2 m) alcanzaron una profundidad de 7.7 m, medidos en relación con el nivel de banqueta; así, la altura libre para pasar por debajo de las contratrabes resultó de 1.5 m (véase figura 4). Las paredes de estas galerías fueron estabilizadas con un aplanado de arena-cemento de 3 a 5 cm de espesor, reforzado con una malla electrosoldada.
CONTROL DE DESPLAZAMIENTOS
Nivelaciones topográficas. Con el fin de medir los movimientos inducidos por los trabajos ejecutados para la corrección geométrica del edificio, durante el periodo de octubre de 2018 a diciembre de 2021 se llevaron a cabo múltiples nivelaciones topográficas periódicas (semanal, quincenal y mensualmente) en el sótano y la planta baja, tanto en las trabes en su lecho bajo como en los puntos de control (“palomas”) marcados en las columnas. Asimismo, se hicieron tres mediciones también en los entrepisos 3, 5, 7 y 10, nivelando el lecho bajo de trabes y el nivel de piso terminado.
Plomos. Desde enero de 2019 se colocaron plomos en los vértices del edificio, pero sólo sirvieron para determinar las velocidades del movimiento, pues se instalaron separados de las columnas por la presencia del recubrimiento y los acabados. En las figuras 5 a 7 se muestran en planta la posición de los plomos instalados y las gráficas de velocidades determinadas.
Inclinación visible límite. De acuerdo con las NTCDCC, la inclinación límite para una estructura se determina así:
donde: Hc = altura de la construcción, 39.0 m
Por lo anterior, para este edificio se tiene un límite de 0.46% de inclinación, equivalente a 18.0 cm (plomo límite). Con estos datos, se proyectó que la corrección geométrica llegara al 50% del valor límite, es decir, al 0.23% en cada eje.
EVOLUCIÓN DE LA CORRECIÓN GEOMÉTRICA
Condición inicial del edificio. De acuerdo con la nivelación topográfica realizada en octubre de 2018, el edificio presentaba un asentamiento en la esquina norponiente del orden de 63 cm en relación con la esquina SE, por lo que se planeó hacer descender esta última.
Los trabajos para la corrección de la verticalidad iniciaron en ese mismo mes, comenzando con la excavación de lumbreras y trincheras en el lado oriente, así como el acomodo de lastres para favorecer los desplazamientos de la estructura (véase figura 9).
Desplazamiento súbito del 24 de enero de 2019. Tres meses después de haber comenzado con la corrección geométrica del edificio, se registró un movimiento correctivo hacia el oriente, del orden de 70 cm (véase figura 10); esto provocó un estruendo y daño en las banquetas y patio de la casa construida al oriente (véase figura 12); no obstante, el edificio se movió como cuerpo rígido y se verificó que su estructura permaneció ilesa. A partir de una nivelación topográfica se determinó que el inmueble debía descender hacia el SW del orden de 35 cm, para lograr su corrección geométrica, conforme a la meta establecida de llevarlo al 50% de la inclinación máxima permisible.
Relleno de trincheras. Para mitigar los desplazamientos del edificio, después del movimiento súbito se procedió a restituir el material excavado en las trincheras de la zona oriente, mediante un relleno de lodo fraguante a fin de efectuarlo rápidamente. El relleno se dispuso a gravedad, y se dejaron mangueras para proceder a las reinyecciones necesarias hasta garantizar el contacto con la losa de fondo. Después del evento súbito y los trabajos de mitigación, tres meses más tarde se dio continuidad al proyecto y se procedió con los trabajos de recimentación.
Recimentación. Se instalaron 50 pilotes de fricción de 30 m de longitud y 50 cm de diámetro y 19 pilotes de 15 m de largo y 50 cm de diámetro. Todos los pilotes fueron colados in situ y, una vez que se recuperó la verticalidad del edificio, se ligaron estructuralmente a la losa fondo.
Cabe señalar que, durante el sismo del 23 de junio del 2020, la estructura presentó un ligero asentamiento en la esquina norponiente, del orden de 2.2 cm, por lo que se realizaron, en esa esquina, dos calas por fuera del edificio y se verificó que el terreno circundante era un relleno de mala calidad, con basura, que permitía la infiltración del agua de lluvia. Por lo anterior, se sustituyó el material por un relleno controlado y al interior del edificio se reforzó el suelo de esa zona con 12 inclusiones de 4 m de longitud y 0.15 m de diámetro (véase figura 13).
Inspección directa de pilotes. Mediante lumbreras locales de acceso y las otras galerías para la subexcavación, se inspeccionaron 83 pilotes de fricción, 18 de fricción negativa y 31 de punta; se pudo observar su cabezal y la conexión con la contratrabe. Se encontraron pilotes Mega inclinados y con fracturas (véase figura 14).
Desligado temporal de pilotes de fricción. Debido a que la velocidad de los desplazamientos verticales fue lenta hasta enero de 2020, para lograr los tiempos programados de obra se tuvieron que desconectar temporalmente algunos pilotes de fricción triangulares de la cimentación original, localizados en la zona sur, siguiendo el mismo método utilizado en el desligue de los pilotes de punta circulares; la longitud recortada fue de 30 cm, en promedio (véase figura 15).
Perforaciones perimetrales. También se hicieron perforaciones verticales tangentes al muro del sótano, en la esquina SW, de 6 m de profundidad y 10 cm de diámetro, para disminuir la fricción desarrollada entre el terreno natural y muro perimetral.
Condición final del edificio. Con base en las mediciones topográficas (véase figura 11), se ratificó que el edificio se había comportado como un cuerpo rígido; por ello, se consideró que las distorsiones angulares de la losa de fondo son proporcionales a la inclinación. De acuerdo con la última nivelación topográfica (diciembre de 2020), las distorsiones en planta se encuentran por debajo del valor máximo permisible, así como los plomos físicos medidos. En la figura 16 se muestran en planta los resultados de las distorsiones y desplazamientos verticales durante el último año; las figuras 17 a 20 muestran las velocidades de los desplazamientos verticales en los vértices del edificio, y en la tabla 3 se resume la comparación de los plomos al inicio de los trabajos y su condición cuando se entregó el edificio a los dueños.
COMENTARIOS FINALES
La revisión de la cimentación se hizo considerando la compensación, es decir que la losa de fondo y los pilotes trabajan en conjunto. Durante la condición sísmica, los pilotes resisten los incrementos de carga; esta hipótesis se confirma por el comportamiento que ha tenido el edificio a partir del sismo de 1985. Asimismo, con los trabajos de subexcavación se confirmó que, después de 40 años, la losa sigue en contacto con el suelo.
Se prevé que el edificio se comportará bien ante el sismo de diseño; podrían ocurrir desplazamientos diferenciales para temblores importantes, generados por la existencia de pilotes dañados; las pruebas de integridad cubrieron el 13.5% del total de ellos. Estos desplazamientos serían limitados, mucho menores a los que se tuvieron en el sismo de 1985 o en el evento de 2019, por los trabajos de renivelación.
La cimentación actual del edificio consta de un cajón desplantado a 4.2 m de profundidad con pilotes entrelazados: 182 de fricción positiva y 89 de fricción negativa, con las características que se describen en la tabla 4; además, con 19 pilotes para reforzar el suelo superficial.
Para el análisis final de estabilidad se consideraron todos los pilotes (271), tanto los de fricción positiva como los de fricción negativa, con las características descritas en la tabla anterior
Bibliografía
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