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ESE6 fitxes per traduïr 5/7/07 02:16 Página 193 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales ESE6 fitxes per traduïr 5/7/07 02:16 Página 194 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales ESE6 fitxes per traduïr 5/7/07 02:16 Página 195 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales I. El conocimiento Lesiones estructurales en los edificios de la arquitectura tradicional mediterránea César Díaz Gómez Doctor arquitecto Profesor Titular del Departamento de Construcciones Arquitectónicas I en la Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Barcelona (Universidad Politécnica de Cataluña) España Los aspectos de comportamiento y durabilidad de los elementos estructurales del hábitat tradicional se hallan íntimamente relacionado con los materiales utilizados y las formas de construir de los entornos urbanos y rurales que lo conforman. Hay que partir, por tanto, del conocimiento de dichos materiales y dichas formas de construir para iniciar los procesos de diagnóstico de las alteraciones y daños de cualquier índole que presenten los edificios. También resulta útil disponer de la mayor información posible sobre las modificaciones e intervenciones de todo tipo acaecidos en el edificio a lo largo de los años e, incluso, de los diversos usos a que se ha destinado. Es recomendable la representación gráfica o referencia escrita de la información recopilada sobre planos, secciones y alzados de los edificios, con el objeto de poder relacionar la localización de los daños con la ubicación de los diversos elementos estructurales y de la obra gruesa, incluyendo las tabiquerías. También es recomendable tomar nota de las modificaciones distributivas o volumétricas en forma de adiciones en altura o ampliaciones en planta realizadas a lo largo del tiempo, puesto que ello permite alcanzar una comprensión global y unitaria de la construcción, lo cual resulta de especial interés tratándose de edificios antiguos o históricos. Teniendo presente lo expuesto anteriormente, nos referiremos a continuación a la diagnosis de las lesiones que más frecuentemente se manifiestan en los diversos elementos constructivos que conforman los sistemas estructurales de dichos edificios, distinguiendo de forma especial aquellos que soportan directamente las solicitaciones mecánicas debidas a la acción de las cargas gravitatorias, del viento y del sismo, es decir, los muros, pilares y cimientos por lo que se refiere a elementos verticales, y los forjados, bóvedas y cúpulas como elementos de cobertura más comunes. es posible su conformación fiando al simple contacto y rozamiento entre las piezas –en este caso las piedras– en las llamadas mamposterías en seco. Cabe caracterizar mecánicamente los muros así construidos por el hecho de constituir un elemento autoestable, capaz de absorber las solicitaciones generadas por su peso propio, las transmitidas por los forjados y cubiertas y las que provienen de los vientos habituales en el lugar, direccionándolas a los cimientos, generalmente formados con zapatas corridas rígidas de escasa profundidad y anchura análoga o poco superior a la del muro. Fundamentan el propio equilibrio en su grosor y baja esbeltez, al utilizarse en construcciones de dos o tres plantas a lo sumo, adoptando disposiciones geométricas en forma de cuerpos cerrados que tienden a arriostrarse entre sí en grado diverso, en función de su separación y de la rigidez de los encuentros muroforjado. A partir de estos principios, cuando alguna o varias de las características señaladas resultan insuficientes o anómalas, será cuando aparecerán lesiones en forma de grietas, fisuras o deformaciones cuyas pautas de formación, localización y dinámica constituyen el conjunto de datos útiles para su diagnosis. Aunque al referirse a los muros gruesos, se da por supuesto su carácter de muros de una sola hoja, macizos en todo su espesor, conviene tener presente en los procesos de diagnosis de dichos muros la factible carencia de homogeneidad de su sección, en especial en los muros de mampostería, no sólo en los tipos ejecutados “a la romana”, con vertido de material entre dos hojas preformadas con mampuestos, sino en otros muchos construidos con una aparente “hoja única”, en los cuales la conformación aplomada de los paramentos con mampuestos de mayor tamaño genera zonas interiores más disgregadas y deformables y, en consecuencia, menos resistentes. Conviene hacer mención también al hecho de que las formas de fractura de la mayor parte de los muros antiguos gruesos avalan una suficiente correlación con el modelo elástico en muchas de los supuestos de carga más comunes, aunque, evidentemente, se precisa en muchos casos de un conocimiento más pormenorizado de sus características y de las acciones que intervienen para proceder a su diagnosis. Con el fin de facilitar la descripción y análisis de las lesiones estructurales más comunes, se distinguen las que se presentan y visualizan de forma coplanaria con los paramentos de los muros de aquellas otras que se forman en secciones centrales de los mismos o generando deformaciones transversales a sus paramentos. A partir de esta primera distinción se relacionan las diversas variantes exponiendo para cada caso sus principales características. 1. Lesiones estructurales de los edificios con muros gruesos La estructura vertical de los edificios a los que nos referimos la conforman generalmente muros construidos con los materiales del lugar. Con las únicas excepciones de los “muros vegetales” y los muros con entramado de madera, todos los demás cabe distinguirlos como muros gruesos, con escasa esbeltez, en los que se utilizan la tierra, el ladrillo o la piedra como material de base, ejecutados según técnicas ancestrales con el uso de utillaje de moldeo en el caso de los muros de tapial y con el recurso de aglomerantes a base de tierra o morteros de cal para conseguir la conexión por adherencia de las diversas piezas, aunque también 195 5 ESE6 fitxes per traduïr 5/7/07 02:16 Página 196 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales Lesiones estructurales en los edificios de la arquitectura tradicional mediterránea I. El conocimiento 1.1/ Lesiones coplanarias a los paramentos del muro Su característica más peculiar es que los daños, en forma de grietas, fisuras o aplastamientos, se marcan sobre los paramentos superficiales, y suelen atravesar toda la sección del elemento, diferenciándose con ello de la mayor parte de lesiones de origen no estructural. 1.1.a/ Lesiones por exceso de compresión en un tramo amplio de muro 5 La localización de las fisuras o grietas coincide con las direcciones de las líneas isostáticas de compresión correspondientes a un elemento vertical de material elástico, homogéneo e isótropo recibiendo la carga vertical de su peso propio y de los forjados, supuesta esta última uniformemente repartida. Las roturas se forman preferentemente en las partes más cargadas coincidentes con la zona inferior del muro y, en su caso, en las zonas macizas de las agujas de carga entre aberturas. Su presencia indica la superación de la tensión admisible a compresión en la zona fracturada, con efectos que pueden ser muy diversos sobre el nivel de seguridad del edificio, en función de la capacidad de redistribución de tensiones en el ámbito del propio muro o del conjunto de su sistema murario. En mamposterías concertadas, no es extraño que uno de los primeros síntomas de la fractura sea el aplastamiento y disgregación del mortero de las juntas horizontales cuando el módulo de elasticidad del mortero es mucho más bajo que el de los mampuestos o ladrillos, lo cual suele suceder en los muros antiguos. A esta fase le sigue la progresiva rotura vertical de los mampuestos inducida por las tensiones de tracción rasantes horizontales en los contactos mortero-mampuesto, hasta formar un haz de grietas verticales continuas. En las mamposterías no concertadas, dicho proceso, en caso de presentase, no es tan evidente, si bien las grietas suelen zigzaguear por las juntas de mortero esbozando el mismo esquema. La diferencia de carga vertical entre dos tramos de un mismo muro se acusa por la fractura de las secciones verticales coincidentes o próximas al cambio de solicitación, marcando una grieta vertical o una sucesión de grietas inclinadas con eje vertical común e inclinación deducible del sentido de las tensiones de corte. 1 196 2 3 4 ESE6 fitxes per traduïr 5/7/07 02:16 Página 197 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales Lesiones estructurales en los edificios de la arquitectura tradicional mediterránea I. El conocimiento 5 1.1.b/ Lesiones debidas a las cargas puntuales Las fisuras arrancan inclinadas de los laterales del elemento que genera dicha carga –habitualmente una viga o vigueta– o se marcan verticales debajo de dicho elemento. Como en el caso anterior, su gravedad dependerá de la posibilidad de redistribución de tensiones del elemento afectado, que si bien es amplio en los casos habituales, no sucede lo mismo en los pilares exentos, los cuales suelen requerir de intervenciones de refuerzo. 197 ESE6 fitxes per traduïr I. El conocimiento 5/7/07 02:17 Página 198 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales Lesiones estructurales en los edificios de la arquitectura tradicional mediterránea 1.1.c/ Lesiones debidas a insuficiencias de rigidez de los elementos vinculantes La deformabilidad de algunos de los elementos que, teóricamente, tomando como referente el modelo elástico, se les supone una infinita rigidez, es la causa de la formación de esquemas singulares de fractura diferentes a los que les corresponderían si no se presentara dicha situación. A modo de ejemplo, en los gráficos pueden observarse los cuadros fisurativos inducidos, en un caso, por un dintel deformable de madera, que permite la descompresión zonal del muro con la formación de fisuras marcando el arco de descarga y el efecto de la carga puntual de la vigueta; y en otro caso los señalados por la deformabilidad de los cimientos bajo las agujas de carga del muro de fachada, que genera en éste esquemas de fractura a cortante o a flexión según sea el tamaño de las aberturas y la ductilidad de los materiales del muro. 5 1.1.d/ Lesiones debidas a la diferencia de cargas entre muros transversales Es frecuente la formación de una fractura vertical en la misma esquina formada por el muro que soporta la carga de los forjados y el muro transversal. La pérdida de continuidad del sistema murario conlleva una reducción de su monolitismo con efectos que se deberán evaluar especialmente en función de la incidencia de las acciones horizontales de viento y sismo probables. 198 ESE6 fitxes per traduïr 5/7/07 02:17 Página 199 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales Lesiones estructurales en los edificios de la arquitectura tradicional mediterránea I. El conocimiento 5 1.1.e/ Lesiones debidas a diferencias de rigidez entre los materiales componentes de los muros mixtos En los muros con dos mamposterías o materiales coplanarios de diferente rigidez, uno de ellos –el de mayor rigidez– formando pilastras aparentes y el otro conformando propiamente el muro, se observa a veces la aparición de grietas como consecuencia de los esfuerzos de corte generados en las zonas donde se produce el impedimento de deformación del material o fábrica de menor rigidez por el de mayor rigidez de las pilastras. Dichas roturas, que generalmente en muros gruesos no tienen una trascendencia importante sobre su equilibrio, son típicas de los muros que combinan la fábrica de ladrillo con el tapial, o la mampostería concertada con la no concertada. 199 ESE6 fitxes per traduïr I. El conocimiento 5/7/07 02:17 Página 200 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales Lesiones estructurales en los edificios de la arquitectura tradicional mediterránea 1.1.f/ Lesiones debidas a los movimientos diferenciales de los cimientos 5 Los movimientos del terreno constituyen una de las causas más frecuentes de fisuración y agrietamiento de los muros tradicionales. Dichos movimientos pueden ser originados por múltiples causas, algunas de ellas intrínsecas del propio terreno (humectación de suelos cohesivos, laderas inestables, etc.) y otras relacionadas con las características de los cimientos existentes en el propio edificio o con actuaciones en las edificaciones próximas. Generalmente –aunque no siempre– la manifestación de los daños es progresiva, de forma que es posible disponer de información sobre su evolución y la adopción de las medidas preventivas oportunas. El reconocimiento visual de los movimientos se detecta por la interpretación de los cuadros fisurativos que se muestran en las figuras adjuntas en función de tipo de movimiento (descendente o en deslizamiento), zona afectada del edificio (esquina o zona central) y de ciertas características del edificio (muro ciego o muro con huecos). Como se ha expuesto anteriormente, estos esquemas se fundamentan en la hipótesis de que los muros se comportan mecánicamente como elementos elásticos y rígidos, con escasa deformación plástica anterior al momento de la fractura, siendo además homogéneos e isótropos. Es evidente que cuanto más se aproximen las características del muro al modelo anterior, mayor validez tendrán las referencias a los tipos de fractura facilitados por el modelo elástico, si bien siempre hay que tener presente que los lugares de fractura prioritarios suelen coincidir con la localización de secciones débiles en la absorción de las tensiones de tracción generadas por el movimiento, lo cual resulta lógico si se considera la escasa resistencia a este tipo de solicitación de los materiales que componen los muros que se tratan en estos apartados. 200 ESE6 fitxes per traduïr 5/7/07 02:17 Página 201 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales Lesiones estructurales en los edificios de la arquitectura tradicional mediterránea I. El conocimiento 5 201 ESE6 fitxes per traduïr 5/7/07 02:17 Página 202 I. El conocimiento Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales Lesiones estructurales en los edificios de la arquitectura tradicional mediterránea 1.1.g/ Lesiones debidas a los movimientos sísmicos La edificación de la arquitectura tradicional a base de muros de tierra, piedra o ladrillo –en especial los dos primeros– no ofrecen mucha resistencia a los movimientos sísmicos, debido a su escasa resistencia a las tensiones de tracción y de corte y su poca ductilidad para dar respuesta a las solicitaciones multidireccionales introducidas por dichos movimientos. El síntoma visual que de forma más reiterada identifica su afectación es la presencia de fisuras en cruz en los entrepaños situados entre aberturas, indicando la fractura por esfuerzo cortante de dichos tramos de muro a consecuencia de la sacudida en el doble sentido (derecha-izquierda, horizontal vertical), prácticamente simultánea, que caracteriza el movimiento sísmico. Otros efectos visibles, tales como las fisuras en secciones de cambio de inercia o a consecuencia de los sobre-empujes generados por las sacudidas, son también frecuentes, así como la formación de daños no visibles en el interior de los muros (decohesiones, microfisuraciones, etc.) que reducen su capacidad portante. Evidentemente, la evaluación de la gravedad de la afectación requerirá del análisis particularizado de los daños en cada edificio. 5 1.2/ Lesiones manifestadas en el plano transversal a los paramentos del muro Este tipo de lesiones se caracterizan por no ser visibles en los paramentos exteriores del muro o por manifestarse en forma de deformaciones transversales a dichos paramentos. 1.2.a/ Roturas verticales en secciones interiores de los muros Un exceso de compresión en un muro grueso puede generar una fractura interna vertical que, siguiendo el recorrido de la isostática de compresión que pasa por el punto en que se ha sobrepasado la tensión de rotura del material, tiende a dividir progresivamente el muro en dos mitades, aumentando así su esbeltez y reduciendo su capacidad portante. Este tipo de rotura es la propia de muchos muros no homogéneos en su interior, con secciones internas débiles como consecuencia de la disposición de los mampuestos pétreos o de las 202 ESE6 fitxes per traduïr 5/7/07 02:17 Página 203 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales Lesiones estructurales en los edificios de la arquitectura tradicional mediterránea I. El conocimiento piezas cerámicas guiada por las referencias fijas de los planos verticales de los paramentos. Esta forma de fractura es la que presenta mayor peligro de entre las variantes comentadas, puesto que, generalmente, no es visible su presencia y progresión en el interior de los muros antiguos, pudiéndose producir el colapso del elemento sin que necesariamente se presente una fase perceptible de deformación del elemento. Por supuesto, su presencia y descubrimiento, tanto en muros como en pilares exentos, aconseja la adopción de medidas de refuerzo a corto plazo de los elementos dañados. 1.2.b/ Desplomes y abombamientos en las fachadas Generalmente, se producen a consecuencia de largos procesos de deformación originados por los efectos prolongados de las solicitaciones verticales u horizontales sobre los materiales de los muros, unidos a los derivados de su propia reología, que provoca cambios a lo largo del tiempo en sus características mecánicas. En fases avanzadas de la deformación, suele ser precisa la adopción de apuntalamientos u otras medidas cautelares. Los desplomes debidos a los empujes de las cubiertas, los giros de la cimentación o los efectos de la humedad y la temperatura son las causas más habituales de los desplomes, mientras que los procesos reológicos de lenta deformación bajo las cargas centradas o descentradas transmitidas por la cubierta y los forjados lo son de los abombamientos. 203 5 ESE6 fitxes per traduïr 5/7/07 02:17 Página 204 I. El conocimiento Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales Lesiones estructurales en los edificios de la arquitectura tradicional mediterránea 1.2.c/ Empuje de las bóvedas Los elementos abovedados generan empujes en sus encuentros con los muros perimetrales que deben ser compensados por el grosor y la masa de dichos muros, ayudados a veces por contrafuertes. La insuficiencia en la compensación de los empujes da pié a la formación de grietas y deformaciones, que pueden afectar no sólo a los muros sino también a la propia bóveda descomprimida por dichos efectos. 5 2. Lesiones estructurales en los forjados, bóvedas y cúpulas de los edificios con muros gruesos El elemento de cobertura más habitual de la edificación mediterránea es el forjado formado con viguetas de madera y un entrevigado constituido por materiales muy diversos: cañizo, entablamentos de madera, soleras de rasilla cerámica, bovedillas de este mismo material o a base de aglomerantes y áridos diversos, etc. Las bóvedas y cúpulas en cambio, son menos usuales y más singulares en su aplicación, resolviéndose constructivamente con los mismos materiales que los muros y con técnicas de ejecución particulares de cada lugar 2.1/ Lesiones en los forjados con vigas y viguetas de madera En las vigas y viguetas de madera que forman los elementos estructurales sustentantes del forjado, se pueden distinguir tres tipos de afectaciones de características distintas: las deformaciones, los ataques bióticos y las grietas, también denominadas fendas cuando se presentan en la madera. 2.1.a/ las deformaciones Es usual hallar en los edificios antiguos forjados muy flexionados como consecuencia de la fuerte fluencia experimentada por los elementos de madera que los conforman. La fluencia, entendida como la cualidad de un material de deformarse progresivamente bajo 204 ESE6 fitxes per traduïr 5/7/07 02:17 Página 205 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales Lesiones estructurales en los edificios de la arquitectura tradicional mediterránea I. El conocimiento las cargas que soporta sin necesidad que dichas cargas aumenten, es un fenómeno típico de la madera cuando trabaja flexionada, y repercute en una disminución de la capacidad resistente del elemento del que forma parte, la cual deberá ser evaluada en cada caso en función de las características mecánicas del tipo de madera, de la carga soportada por el forjado y de la flecha existente. 5 2.1.b/ la presencia de grietas Aunque la presencia de grietas no suele ser debida a las acciones mecánicas soportadas por el forjado, sino a causas relacionadas con el proceso de secaje de la madera o a los ciclos de humedad ambiente en que se halla inmersa, conviene ratificar su origen y evaluar su repercusión sobre la inercia de los elementos afectados, puesto que si han sido originadas por causas de origen mecánico, su presencia puede ser un síntoma de situaciones próximas a la rotura y colapso del elemento afectado. 205 ESE6 fitxes per traduïr 5/7/07 02:18 Página 206 I. El conocimiento Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales Lesiones estructurales en los edificios de la arquitectura tradicional mediterránea 2.1.c/ los ataques bióticos La presencia de pudriciones producidas por muy diversas especies de hongos, o de insectos xilófagos tales como la termita o la carcoma, repercuten en reducciones de sección útil que, como en el caso anterior, deben ser evaluados específicamente en cada edificio afectado. La detección de las zonas dañadas y su intensidad constituirán, por tanto, aspectos de la información previa absolutamente necesarios en el proceso de diagnosis de dichos elementos. 5 2.2/ Lesiones en las bóvedas y cúpulas El comportamiento mecánico-estructural de las bóvedas se reconoce habitualmente a partir de la superposición de la curva directriz del elemento con la línea de presiones correspondiente. En los lugares en que más se aleje esta línea de la posición de la directriz, mayor será el riesgo de fisuración o aplastamiento, al coincidir dichos lugares con las zonas sometidas a las máximas tensiones de tracción y compresión. Los esquemas de fractura de las bóvedas difieren sustancialmente de los de las cúpulas, al ser éstas verdaderas estructuras espaciales cuya interpretación requiere necesariamente de un planteamiento tridimensional complejo, el cual explica algunos de los modelos clásicos de rotura que suelen presentar. De todas formas, es común en ambos elementos que el origen de los daños derive de la descompresión generada por el movimiento de los muros, pilares o pilastras que reciben sus empujes, ya sea por el desplome lateral de los propios muros o por el descenso provinente del asiento diferencial de sus cimientos, aunque, por supuesto, cabe también la posibilidad que sea el exceso de sobrecarga o su propia debilidad la causa directa de las lesiones que presenten. En los gráficos, se muestran sus formas más habituales de fractura. 206 ESE6 fitxes per traduïr 5/7/07 02:18 Página 207 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales Lesiones estructurales en los edificios de la arquitectura tradicional mediterránea I. El conocimiento 5 3. Particularidades del comportamiento de las estructuras con elementos de entramado de madera El comportamiento mecánico-estructural de los muros de entramado de la edificación tradicional difiere sustancialmente del de los muros gruesos a los que se ha hecho referencia en los apartados anteriores, puesto que los elementos resistentes principales son las piezas lineales de madera que conforman el entramado, mientras que los entrepaños de tapial, adobe o ladrillo cumplen la función subsidiaria de evitar su pandeo, absorbiendo, en todo caso, un porcentaje aleatorio de los esfuerzos de compresión. Se trata, en consecuencia, de estructuras porticadas arriostradas por los entrepaños macizos. Los forjados suelen ser a base de vigas y viguetas de madera apoyadas en los propios elementos de los entramados de los muros o en pilares interiores. Se trata de estructuras de comportamiento real complejo, marcado en buena parte por la diferencia de rigideces entre los materiales que lo componen, la relación entre el grosor del muro y la separación de los puntales, y la disposición de las piezas del entramado, que puede ser muy diverso, con elementos diagonales más o menos abundantes. En todo caso, un aspecto importante, muchas veces decisivo en la durabilidad de este tipo de muros, es el progresivo deterioro de la madera cuando se halla exenta de mantenimiento, lo cual incide en una pérdida paulatina de su capacidad portante. Bibliografía AA.VV. Tratado de rehabilitación. Patología y técnicas de intervención. elementos estructurales, Departamento de Construcción y Tecnología Arquitectónica, Universidad Politécnica de Madrid, Editorial Munilla-lería, 1998, Madrid. AA.VV. Manual de diagnosi i intervenció en sistemas estructurals de parets de càrrega, Col·legi d’Aparelladors i Arquitectes Tècncics de Barcelona, 1995, Barcelona. Mastrodicasa, S. Dissesti statici delle strutture edilizie, Hoepli Ed., 1978 (6ª edición), Milano. 207 ESE7 4/7/07 19:33 Página 208 I. El conocimiento El riesgo sísmico en la arquitectura tradicional 5 La importancia del factor de riesgo sísmico en la región Mediterránea viene de sus características geomorfológicas y tectónicas. En efecto, esta región se encuentra en el oeste de la cordillera de los Alpes y del Himalaya, donde la interacción entre la placa euroasiática y las placas de África, de Arabia y de la India, provoca un sistema de colisión compleja. En consecuencia, la actividad sísmica siempre ha estado dramáticamente presente, traduciéndose en numerosas consecuencias desastrosas en términos de vidas humanas, así como de daños más o menos importantes del patrimonio arquitectónico en los edificios, los grandes inmuebles, los centros históricos y el entorno en su totalidad (entorno natural y construido). Estas repercusiones a veces han puesto en peligro el patrimonio histórico y la identidad propia de un lugar. La arquitectura mediterránea tradicional es tan vulnerable que sufre a menudo importantes efectos de los temblores de tierra, diferentes en función de las características de la estructura y de los materiales de los edificios. Las obras de construcción se consideran comúnmente con una resistencia menor a los seísmos que las estructuras modernas de hormigón armado. Sin embargo, las construcciones bien construidas y mantenidas pueden resistir a los temblores de tierra de gran intensidad (como se demuestra por los monumentos que han superado pruebas difíciles), gracias a las técnicas y materiales utilizados, así como también a un mantenimiento regular efectuado con todas las de la ley. Además, los estudios analíticos más exhaustivos efectuados sobre los daños provocados por los seísmos (gracias a las mejores posibilidades actuales de reagrupar y de tratar las informaciones) han demostrado recientemente la capacidad “natural” de los muros, los suelos, y los techos, realizados para absorber las vibraciones, a condición que sean construidos y mantenidos correctamente. Además, la restauración y el refuerzo de los edificios existentes, incluso de aquéllos que presentan importantes fisuras, permiten conservarlos perdiendo únicamente la geometría original. En el caso contrario, los edificios de hormigón armado deben ser derribados si su geometría está afectada, incluso el caso de mínimas deformaciones. Como indicaremos ahora, las características particulares de los temblores de tierra, tales como su intensidad e intermitencia, no han permitido comprender en profundidad el fenómeno y sus causas. En consecuencia, contrariamente a la cultura de la construcción tradicional, no se ha desarrollado ninguna técnica ni característica estructural a partir de la experiencia. 208 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales Giambattista De Tommasi Profesor titular en el Departamento de Rehabilitación de Edificios (Politecnico di Bari), Italia Colaboradores: grupo de trabajo de investigación (Fabio Fatiguso, Mariella De Fino y Albina Scioti) Registro de la representación de un temblor de tierra bíblico: según las antiguas creencias, los edificios y el suelo estaba en cólera. Características estructurales de edificios y temblores de tierra a lo largo de la historia Los temblores de tierra han sido históricamente interpretados con mucha imaginación y de forma apocalíptica. La comprensión humana se consideraba inapropiada a causa de la ausencia de un enfoque científico en la cultura pre-moderna. El fracaso de la teorización de las causas permite explicar, por una parte, la ausencia de una solución estructural antisísmica y, por la otra, la idea que todas las estructuras, incluso sólidas, no pueden resistir a la naturaleza indomable y amenazante de los temblores de tierra (a menudo percibidos como un castigo divino). Por ora parte, el hecho que este fenómeno telúrico no se produce a intervalos parecidos, no contribuyendo a la profundización de los conocimientos relativos al riesgo sísmico y a las eventuales soluciones a aportar. En realidad, los efectos destructores de un temblor de tierra caen progresivamente en el olvido a lo largo de las generaciones. La humanidad está protegida de los efectos continuos del entorno natural mediante techumbre, muros, suelos, así como los otros elementos, que han sido progresivamente mejorados. En cambio, no ha podido proporcionar una buena resistencia de los edificios a las tensiones dinámicas. La memoria histórica del acontecimiento destructor ha persistido en la consciencia popular pero ha sido cargada de supersticiones y ligado a desastres sobrenaturales. ESE7 4/7/07 19:33 Página 209 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales El riesgo sísmico en la arquitectura tradicional I. El conocimiento Aristóteles, uno de los primeros filósofos de las ciencias de la tierra, escribió: “[...] no es el agua ni el fuego, pero el vapor que será el origen de los temblores de la tierra, cuando se dirige hacia el interior de la tierra lo que exhala normalmente hacia fuera [...]”1. Séneca, en el sexto libro de las Cuestiones naturales titulado En el movimiento de la tierra, describía correctamente los efectos de los temblores de tierra, pero los relacionaba con el agua o el aire turbulento, en las cavidades subterráneas y produciendo los temblores sísmicos. Además Plinio, en su obra, Historia natural, menciona un viento en el interior de la Tierra que será exhalado por “las alcantarillas y los pozos profundos”2. Las explicaciones propuestas durante los siguientes siglos, aunque fuesen sensiblemente los mismos, son, no obstante, difíciles de presentar en detalle. En todos los casos, ninguna ha probado una intuición adecuada a propósito de este fenómeno. En algunos casos lo intentaban explicar en términos de magia y/o brujería. Además, la definición de las causas de los temblores de la tierra no ha progresado, incluso cuando el proceso de derrumbamiento de la construcción fue comprendido (tenemos incontables borradores, dibujos y descripciones sobre ello). Además, los descubrimientos de los científicos, al principio del siglo de las Luces, contribuyó a una mayor confusión en lugar de proporcionar soluciones, como se produce en el caso de los fenómenos eléctricos: “[...] el entusiasmo creado por los fenómenos eléctricos llevó a pensar que todos los acontecimientos inexplicables estaban atribuidos a los fluidos, o al vapor eléctrico de acuerdo con la definición de aquella época, y los temblores de tierra eran considerados como los fenómenos causados por la electricidad [...]”3. Es en este ambiente que Valadier diseñó las torres antisísmicas en Rimini, para dispersar la electricidad de la tierra en la atmósfera. En el siglo XVIII, re realizaron progresos cualitativos en cuanto a las experiencias y las observaciones científicas4 llevando a Bottari a entender el fenómeno en su “Tres lecciones sobre el terremoto” publicado en Roma. “Las entrañas de la tierra se atraviesan por numerosos lugares por los vientos sulfurosos y bituminosos, que están mezclados con salitre u otras sustancias que se pueden incendiar, dilatando las cavidades donde están, y romper o intentar romper los obstáculos existentes, provocando los temblores de la tierra...”5. Las sismología moderna nació también en el siglo XVIII. Los estudios realizados por Mallet6, el sismógrafo de Mine y el modelo de Mercalli para medir la intensidad sísmica de las etapas importantes, fueron las investigaciones durante el siglo XX (con los investigadores Baratta y Wegner), que finalmente explicó las causas de los terremotos y las medidas a tomar. Respecto a las soluciones técnicas, subrayamos que desde los tiempos antiguos, numerosas medidas técnicas y estructurales han sido tomadas, en particular después de los temblores de tierra dramáticos. Estas medidas, interesantes y más o menos eficaces, fueron desarrolladas rápidamente y cayeron también rápidamente en el olvido. En Italia, en el siglo IV a.C., en las colonias griegas de Metaponte y Paestum, los constructores crearon los edificios en trincheras que fueron instaladas en la roca y llenadas con arena. En el norte de Siria, en el siglo II a.C., las construcciones de tierra estaban dotadas de una estructura en madera. Después del temblor de tierra que destruyó Pompeya y una parte de la ciudad de Nápoles en el año 63, una serie de reglas antisísmicas fueron impuestas, conocidas y transmitidas hasta el Renacimiento, impidiendo la construcción de edificios de más de dos plantas. Además, ninguna innovación técnica y estructural correspondía al desarrollo de esta regulación, a excepción de los residentes de Ercolano, donde la estructura en madera (opus Efectos de un terremoto dramático, Friuli (Italia), 1976. Representación de un temblor de tierra en Rodas, 1495. Los recorridos más altos de la muralla de la ciudad se derrumbaban, mientras que los recorridos más bajos están intactos. 209 5 ESE7 4/7/07 19:33 Página 210 I. El conocimiento 5 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales El riesgo sísmico en la arquitectura tradicional graticium) era rellenado de piedras molidas, de barro y de una estructura de mimbre. Sin embargo, después del dramático terremoto que causó la destrucción de una gran parte de Lisboa en 1755, seguido por toda Europa, generó un fuerte legado de medidas apropiadas para reducir los efectos sísmicos destructivos (incluso si se malentendían las causas). Para la reconstrucción, algunas regulaciones fueron elaboradas por primera vez en la historia, sobre la altura de los edificios, la anchura de las calles y, en particular, la estructura de los nuevos edificios. Específicamente, las paredes tenían que estar compuestas de una estructura de madera (después conocida como “gaiola pombalina” del marqués de Pombal que diseñó la reconstrucción) que fue capaz de sostener las plantas y el techo en caso de temblor de tierra. La gaiola Pombal situada en el interior de los muros se componía de un entramado arriostrado que contenía los montantes (prunos) y travesaños (travessenhos). Los travesaños fueron conectados a las paredes por una serie de dados (maos). La parte superior de los dados se conectaron con dinteles (frechais), jambas y cabios (pendurias). La estructura elástica de madera aseguraba la gran resistencia del edificio. Las importantes soluciones técnicas mencionadas llevaron las aplicaciones más complejas después del temblor de tierra de Messina, en Calabria, en 1783, con un tipo de construcción antisísmica de naturaleza particular. La “casa baraccata” descrita por Vivenzio7 se compuso de una estructura de paredes de carga con un armazón de madera con vigas horizontales y montantes verticales. A partir de estas experiencias, se ha realizado un gran progreso sobre el establecimiento de buenas regulaciones de construcción, sostenido por una comprensión más profunda de los fenómenos telúricos. En realidad, el comportamiento homogéneo y unitario del edificio en caso de sacudidas sísmicas solía ser asegurado por barras de acero situadas en el interior de los muros y por tirantes y contrafuertes unidos de forma más sólida a las estructuras. Las autoridades animaban incluso a permitir la oscilación de los edificios. En Italia en 1854, el gobierno de Bourbon retiró las tasas que gravaban del hierro utilizado para ello. En ciertas regiones de Italia, las piezas de seguridad eran utilizadas, así como piezas reforzadas por planchas de hierro suave en forma de cruz de San Andrés, situadas entre el muro y el yeso. Los muros reforzados así eran muy corrientes, en particular después del temblor de tierra de Messina en 1908, y existían diversas versiones, con algunas brevedades, yendo del simple refuerzo mediante tirantes de acero a los sistemas modulares compuestos de ladrillos huecos de diferentes formas y con aperturas unidas por roscas de hierro zincadas. El gravado del siglo XVIII representando un temblor de tierra provocado por la exhalación de vapores subterráneos. Torres antisísmicas diseñadas por Valadier en Rímini. 210 La importancia de las conexiones para la resistencia sísmica Evidentemente, en cada región mediterránea, el arte de construir se ha especializado en realizar edificios lo mejor posible, con materiales que se encuentran disponibles en el lugar y económicamente sostenibles. Por ello, una buena calidad del muro puede tener diferentes materiales y características estructurales. Así mismo, las regulaciones de construcción son básicamente las mismas (dimensión de elementos, forma y calidad ESE7 4/7/07 19:33 Página 211 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales El riesgo sísmico en la arquitectura tradicional I. El conocimiento 5 Modelo de “gaiola pombalina”. de realización, textura de las caras, cualidad y cantidad de morteros, conexiones y homogeneidad). Particularmente, la naturaleza monolítica de las paredes de dos hojas debe asegurar la resistencia a las tensiones dinámicas. De hecho, las partes individuales deben estar conectadas entre ellas para mostrar un comportamiento de “caja”. Esta condición puede evitar los deslizamientos verticales que normalmente frenan la capacidad de estabilización del peso en contra del empuje horizontal. Más allá de las conexiones en elementos individuales de los edificios, las buenas conexiones entre los diferentes elementos de construcción debe ser globalmente asegurado en la estructura global (pared-pared, pared-suelo, pared-techo), para reducir las deformaciones por la presencia de restricciones efectivas y, también, para evitar movimientos provocados por el balanceo de las estructuras en un momento diferente cada una. De acuerdo con Rondelet “los naturistas han señalado que los organismos de la naturaleza de los seres vivientes están organizados para que los huesos no estén sueltos los unos de los otros. Incluso, los marcos deben estar conectados con los otros marcos y reforzados con nervios y ligamentos. Entonces, la serie de marcos debe ser capaz de resistir solos y perfectamente cerrados en su solidez, incluso si algún otro elemento falla”8. Estos ligamentos apuntan a la provisión de la construcción, en caso de acción sísmica, el comportamiento de “caja” (utilizando una definición moderna) es el principal objetivo para cualquier trabajo de refuerzo y/o mejora de la resistencia sísmica. El comportamiento “caja”, también asegurado por conexiones superiores (zunchos), pueden permitir, por una parte la diferente resistencia de elementos para intercambiar tensiones sísmicas horizontales entre cada uno y la distribución de las tensiones inducidas de todas las diferentes partes. La “casa baraccata” por Vivenzio. De hecho, las conexiones deben oponerse a la rotación de las paredes (por ejemplo, las caras de los edificios) y transmitir la acción a las paredes perpendiculares para que se agrieten dentro de su plano. Si estas conexiones no pueden conseguirse por las regulaciones normales de una construcción correcta, el empleo de tirantes metálicos podría ser muy útil. Milizia subraya que “en los tiempos antiguos, las paredes eran mantenidas correctamente pasando a través de largas vigas de madera que trabajaban como cadenas a lo largo del grosor de la construcción para que la pared fuera reforzada en sí misma y efectivamente conectada con las otras. La madera de olivo fue utilizada para este propósito, ya que no puede ser dañada por la cal y es mejor que las cadenas de hierro, ahora ampliamente utilizadas”9. La efectividad de los tirantes metálicos, dentro de la buena técnica de construcción, se refiere a la capacidad de crear o recrear una conexión sólida entre estructuras horizontales y verticales. Estos 211 ESE7 4/7/07 19:33 Página 212 I. El conocimiento Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales El riesgo sísmico en la arquitectura tradicional Karaesmen, E.,Unay, A.I., Erkay, C., Boyaci, N. (1992). “Seismic behaviour of old masonry structures”, Proceedings of the tenth World Conference on earthquake engineering. A.A. Balkema, vol. VIII: 4531-4536. Shrive N.G., Sayed-Ahmed E.Y., Tileman D. (1997). “Creep analysis of clay masonry assemblages”, Canadian Journal of Civil Engineering, n. 24, pp. 367-379. Fallo típico de los mecanismos de los edificios de centros históricos (Giuffrè, 1993). 1 (“… così adunque né l’acqua, né il fuoco, ma il vapore sarebbe cagione dei terremoti, quando accade che scorra al di dentro ciò che esala al di fuori …”). 2 (“fogne e spessi pozzi”). 3 A. Favaro, “Intorno ai mezzi usati dagli antichi per attenuare le disastrose conseguenze dei terremoti”, Tip. Grimaldo, Venezia 1874. (“… l’entusiasmo destato dall’aspetto dei fenomeni elettrici fece sì che tutto ciò di cui non si sapeva dare una adeguata spiegazione, venisse attribuita al fluido, o come si diceva allora al vapore elettrico, e quindi anche i terremoti venissero riguardati come un fenomeno, la cui causa era da riconoscersi esclusivamente nell’elettricità …”). 4 Llevadas a cabo por Leibnitz, Kepler y Newton. 5 (“… le viscere della terra in molti punti inzuppate di aliti sulfurei e bituminosi i quali mescolati col nitro o in altra guisa prendono fuoco e si dilatano in forma che non potendo capire, in quelle cavità dove si ritrovano, inchiusi a principio spezzino o tentino di spezzare gli opposti ostacoli il che da cagione al tremore del terreno …”). 6 Mallet, “Il grande terremoto napoletano del 1857”. 7 G. Vivenzio, “Istoria e teoria de’ tremuoti, ed in particolare di quelli della Calabria e di Messina del 1783”, Napoli 1783. 8 J. Rondelet, “Traité théorique et pratique de l’art de bâtir”, Paris 1802. (“i naturisti hanno notato che in natura i corpi degli esseri animati risultano strutturati in modo tale che le ossa non restino in nessun punto staccate tra loro. Allo stesso modo le ossature saranno da riunire alle ossature, ad esse tutte da rafforzare nel modo più opportuno con nervi e legamenti; sicchè la successione delle ossature, collegate tra loro, risulti tale da resistere da sola, quand’anche ogni altro elemento venisse a mancare, perfettamente conchiusa nella solidità della sua membranatura”). 9 F. Milizia, Principi di architettura civile, Finale Ligure 1781, parte III, cap. I, pag. 102. (“gli antichi per meglio mantenere i muri li attraversavano di tratto in tratto con lunghi travi di legno, che servivan da catene, le quali prendevano tutta la grossezza del muro, che rimaneva perciò fortificato in se stesso e meglio collegato agli altri muri. Si adoperava a questo effetto legno di ulivo, che non viene come gli altri danneggiato dalla calce, e sembra preferibile alla catene di ferro, di cui si fa ora tanto abuso”). 5 mismos propósitos pueden conseguirse mediante una apropiada ejecución y una correcta estructura de las plantas. Particularmente, la relación entre las paredes y la madera o los suelos de hierro debe ser garantizado, ya que las vigas pueden actuar como conectores, evitando que las paredes roten hacia el exterior, y para que los puntales horizontales eviten el derrumbamiento de las paredes hacia el interior. Además, las plantas deben ser suficientemente rígidas para distribuir su peso en las paredes de forma uniforme y las tensiones sísmicas proporcionalmente a la rigidez de la resistencia de las construcciones. Una conexión efectiva entre los elementos de carga de la viga y las paredes puede conseguir este resultado, más que un simple apoyo que causa el giro y movimiento de las paredes. Referencias World Conference on earthquake engineering. A.A. Balkema, vol. VI: 3475-3480. Batoli G., Blasi C (1997). Masonry structures, historical buildings and monuments, Capítulo 11 de Computer analysis and design of earthquake resistant structures – A handbook (Advances in earthquake engineering, vol. 3), editado por D.E. Beskos & S.A. Anagnostopoulos, pp. 563-606, Computational Mechanics Publications. Carocci C. (2001), “Guidelines for the safety and preservation of historical centres in seismic area”, III International Seminar on Structural Analysis of Historical Constructions, Universidad de Minho, Guimarães (Portugal), del 7 al 9 de noviembre, 2001, pp. 145-165. De Tommasi G., Monaco P., Vitone C., (2003) “A first approach to the load path method on masonry structure behaviour” – en Brebbia, C.A. (Eds.), Structural Studies, Repairs and Maintenance of Heritage Architecture VIII –- Wessex Institute of Technology WIT Press, Southampton (UK) – ISBN: 1.85312.968.2 Giuffrè A., Carocci C. (1996), “Vulnerability and mitigation in historical centres in seismic areas. Criteria for the formulation of a Practice Code”, Proceedings of the 11th World Conference on Earthquake Engineering, Acapulco, Elsevier Science Ltd.. Giuffrè A., Carocci C. (1997), Codice di pratica: per la conservazione dei Sassi di Matera, Matera, La Bautta. Giuffrè A., Carocci C. (1999), Codice di pratica per la sicurezza e la conservazione del centro storico di Palermo - Laterza, Bari. 212 ESE7 4/7/07 19:33 Página 213 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales I. El conocimiento El mapa Euro-Mediterráneo de peligro sísmico María-José Jiménez Doctora investigadora Institut de Ciències de la Terra “Jaume Almera” – C.S.I.C., Barcelona España El peligro sísmico se define como el nivel probable de temblores del suelo asociado a la repetición de los terremotos. La evaluación del peligro sísmico es el primer paso en la evaluación del riesgo sísmico, obtenida por la combinación del peligro sísmico con las condiciones del suelo locales y con factores de vulnerabilidad (tipo, valor y edad de los edificios e infraestructuras, densidad de población, uso del suelo, etc.). Los temblores de tierra frecuentes e importantes en áreas remotas resultan un alto peligro sísmico pero no representan ningún riesgo. Por el contrario, algunos terremotos moderados que se producen en áreas densamente pobladas, entrañan poco peligro pero el riesgo es elevado. La minimización de la pérdida de vidas, de los daños materiales y de la perturbación social y económica, debido a los terremotos, depende de cálculos fidedignos que se llevan a cabo sobre el peligro sísmico. Los gobiernos nacionales, regionales y locales, los cargos públicos, los ingenieros y urbanistas, los planificadores, las organizaciones de respuesta ante emergencias, los constructores, las universidades, y el público en general, requieren cálculos sobre el peligro para la planificación del uso del suelo, para la mejora del diseño de los edificios y su construcción (incluyendo la adopción de ordenanzas municipales para la edificación), la preparación de planes de emergencia, para las previsiones económicas, la toma de decisiones sobre la vivienda y el empleo, así como otros tipos de mitigación de riesgos. Los elementos básicos de la evaluación moderna de las probabilidades del peligro sísmico pueden agruparse en cuatro categorías principales: Catálogo de terremotos, Modelo origen de terremotos, Movimientos sísmicos altos del suelo, Evaluación del peligro sísmico. El peligro sísmico describe los niveles de movimientos del suelo que probablemente serán, o no, excedidos en tiempos de exposición específicas. Los mapas de peligro especifican comúnmente un 10% de la probabilidad de excederse (y un 90% de la probabilidad de no excederse) de determinados parámetros de movimiento del suelo para una exposición de 50 años y correspondiente a un período de retorno de 475 años. El Mapa de peligros sísmicos de la región Euro-Mediterránea que ha sido publicado presenta el Punto más alto de Aceleración del Suelo (PGA) con una probabilidad de exceder del 10%, en 50 años y para una condición del suelo firme. El PGA es un parámetro de valoración del suelo a corto plazo que es proporcional a la fuerza, y es el parámetro más trazado en los mapas, y las ordenanzas de construcción actuales, que incluyen disposiciones anti-sísmicas, especifican la fuerza horizontal que un edificio debería ser capaz de soportar durante un terremoto. Los movimientos del suelo a corto plazo afectan a las estructuras con la correspondiente resonancia de vibraciones a corto plazo (por ejemplo edificios de una a tres plantas, que son las estructuras más habituales en el mundo). Los colores del mapa escogidos para trazar el peligro corresponden aproximadamente al nivel real de peligro; los colores más fríos representan un bajo nivel de peligro mientras que los colores más calientes representan un mayor peligro. Más exactamente, los colores de blanco a verde corresponde a un nivel bajo (0-8% g, donde g equivale a la aceleración de la gravedad), amarillo y naranja a un peligro moderado (8-24% g); rojo es un peligro alto (> 24% g). El modelo unificado de peligro sísmico ESC-SESAME es el resultado de la combinación de esfuerzos de grupos multidisciplinares de investigación en sismotectónica, catálogos de terremotos, y evaluación del peligro durante más de diez años dentro del marco de proyectos, programas e iniciativas de cooperación a nivel internacional. El mapa es uno de los posibles resultados que puede generarse a través de un procedimiento homogéneo para la evaluación del peligro sísmico para la región Euro-Mediterránea, desarrollado dentro del marco de dos proyectos principales: International Correlation Programme (UNESCO IGCP-382 Proyecto SESAME) y el European Seismological Commission (ESC). Este modelo de valoración sísmica unificado ESC-SESAME permite también trazar diferentes movimientos del suelo (el punto más alto de aceleración del suelo, PGA, y la aceleración espectral, SA) correspondiendo a porciones del ancho de banda de energía irradiada por un terremoto y para diferentes períodos de retorno y condiciones del suelo. El PGA, tal como está representado en el mapa y 0.2 SA corresponden a un período corto de energía que tendrá los peores efectos en estructuras de período corto (llegando a pisos de alrededor de siete plantas). Los mapas SA de períodos más largos (1.0 s, 2.0 s, etc.) representarían el nivel de temblor que tendría un efecto mayor en estructuras de período más largo (edificios de más de 10 plantas, puentes, etc.). El modelo unificado ESC-SESAME permite también generar mapas para diferentes períodos de retorno, por ejemplo año-72 (50%/50 años) que es un cálculo no prudente que se utiliza a menudo para la vida útil de un edificio, o el período de retorno de 4275 años (2%/50 años) que es el estándar recientemente establecido para las ordenanzas de la edificación y que incluye grandes terremotos poco frecuentes. Los valores del período de retorno 475 (10%/50 213 5 ESE7 4/7/07 19:33 Página 214 I. El conocimiento 5 años), tal como están representados en el mapa, reflejan un nivel estándar de prudencia que incluye terremotos grandes y poco comunes, y que ha sido utilizado casi universalmente para ordenanzas de la edificación en las últimas décadas. El modelo sísmico unificado ESC-SESAME para Europa y el Mediterráneo constituye un marco de peligro sísmico regional en términos del punto más alto de aceleración del suelo y aceleración espectral, el cual pueden aprovechar los sismólogos, geólogos, ingenieros especialistas en terremotos y arquitectos, como guía general. No obstante, debería señalarse que las evaluaciones de los movimientos del suelo en el mapa de peligro sísmico EuropeoMediterráneo proporcionan una perspectiva razonable y coherente de peligros sísmicos a escala regional, pero no proporcionan detalles adecuados para servir como bases para establecer valores o para estrategias y decisiones de mitigación local. El mapa (http://wija.ija.csic.es/gt/earthquakes/) recibió en el 2003 el Premio a la Excelencia en Cartografía de la Internacional Cartographic Association (ICA), en en la Sección de Mapas Científicos de la International Map Exhibition en la 21st International Cartographic Conference, celebrado en Durban, Sudáfrica, del 10 al 16 de Agosto de 2003. 214 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales El mapa Euro-Mediterráneo de peligro sísmico ESE7 4/7/07 19:33 Página 215 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales El mapa Euro-Mediterráneo de peligro sísmico I. El conocimiento 5 215 ESE7 4/7/07 19:33 Página 216 I. El conocimiento El comportamiento sísmico de las construcciones tradicionales de paredes de obra de fábrica Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales El comportamiento sísmico de las construcciones tradicionales de paredes de obra de fábrica Pere Roca Fabregat Doctor ingeniero de caminos Catedrático del Departamento de Ingeniería de la Construcción en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona (Universidad Politécnica de Cataluña) España Introducción 5 Los edificios de paredes de carga constituyen una parte muy sustancial del patrimonio arquitectónico y cultural. En este contexto, no únicamente los edificios catalogados como patrimonio arquitectónico son importantes; los conjuntos de edificios de los núcleos antiguos o históricos presentan también gran importancia por cuanto contribuyen a enriquecer la identidad cultural de una población o de un escenario urbano; incluso cuando estos conjuntos no disponen de una mención explícita como patrimonio arquitectónico, es preciso reconocer su contribución al legado cultural y su capacidad para contribuir, al igual que los monumentos emblemáticos, a la generación de una importante economía secundaría asociada el turismo cultural. Además de ello, las construcciones de paredes de carga se mantienen en uso y se hayan plenamente insertadas en la economía de la vivienda. La implantación de criterios de sostenibilidad (al hacer preferible la rehabilitación frente a la nueva construcción en la medida en que ello supone un consumo mucho menor de recursos no renovables y una menor producción de residuos) ha dado lugar a una revalorización económica y social de estas construcciones. Todos los países del Mediterráneo están sujetos, en mayor o menor medida, a un cierto peligro sísmico. Por ello, es preciso analizar la capacidad de los edificios de obra de fábrica para resistir el terremoto y vislumbrar, en caso necesario, posibles estrategias para mejorar su respuesta sísmica. En el caso de edificios de valor patrimonial, los principios de la conservación arquitectónica hacen preferibles formas de intervención respetuosas con la morfología y naturaleza resistente de la estructura. Por ello, la posible restauración o rehabilitación de estos edificios debe considerar formas de intervención que, en la medida posible, concilien la mejora del comportamiento con el mantenimiento de los rasgos materiales y estructurales genuinos del edificio. Comportamiento sísmico de edificios de paredes de obra de fábrica El edificio de estructura de paredes de carga constituye un sistema complejo cuya estabilidad frente a las acciones verticales y horizontales resulta del trabajo conjunto de distintos elementos constructivos (paredes de carga, paredes de traba y forjados). 216 1. Posibles mecanismos de fallo en edificios de obra de fábrica caracterizados por (a) el desplome de la fachada, (b) el colapso de una esquina (c) la fisuración diagonal de los antepechos, (d) la fisuración de machones verticales, (e) la separación de la base de las paredes (mecanismo de “balanceo” o rocking motion) y (f) separación o fisuración en la unión entre edificios. Estos elementos colaboran de manera no redundante en la estabilidad global, de forma que el fallo individual de uno de ellos puede fácilmente afectar a otros elementos generando el colapso en cascada de parte o de toda la estructura. Las paredes de carga presentan habitualmente una esbeltez importante o incluso (como en el ensanche de Barcelona) extremadamente importante; en la mayoría de los casos las paredes no son autoestables y precisan de la acción arriostrante de paredes de traba y forjados para mantenerse en pié. El fallo individual de una o más paredes de carga, o la caída de los forjados, bien puede producir, como consecuencia inmediata, la inestabilización y caída de otras paredes de carga o de traba. El fallo de una o más paredes de carga conlleva como consecuencia la caída de los forjados, lo que a su vez puede causar la inestabilización de otras paredes previamente apoyadas en el forjado. El sistema estructural resultante es delicado y ciertamente vulnerable ante acciones extraordinarias como el fuego, el terremoto, el viento huracanado o las explosiones. En caso de mantenimiento deficiente o abandono, el deterioro de los forjados (por pudrición, en caso de vigas de madera, o por corrosión, en vigas metálicas) puede asimismo ocasionar su fallo y en consecuencia la pérdida de su acción arriostrante sobre las paredes de carga y de traba. Ante acciones horizontales de sismo y viento, las paredes pueden ESE7 4/7/07 19:33 Página 217 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales El comportamiento sísmico de las construcciones tradicionales de paredes de obra de fábrica responder desarrollando esfuerzos de corte en su plano siempre y cuando se mantengan adecuadamente arriostradas en paredes de traba y forjados. Esta resistencia se mantiene sensible incluso tras producirse la fisuración y el deslizamiento a lo largo de las juntas de mortero gracias al rozamiento residual que se desarrolla en éstas. La unión entre forjado y las paredes se produce por apoyo directo, no existiendo normalmente ningún tipo de anclaje o refuerzo que impida la separación o el deslizamiento entre ambos; el único mecanismo que en la práctica impide el deslizamiento es el rozamiento que pueda desarrollarse en su superficie de contacto. Incluso cuando el sistema de paredes solicitadas a corte en el plano es suficiente como para resistir el terremoto, una unión entre paredes y forjado deficiente puede motivar un colapso precoz como consecuencia de la desestabilización de una pared perpendicular al plano de actuación de las fuerzas horizontales. La caída de esta pared conlleva el colapso de los forjados y en consecuencia la desestabilización de las paredes paralelas a las fuerzas, generando así una colapso completo. Una unión bien trabada entre paredes perpendiculares es esencial para garantizar el mantenimiento de la estabilidad de las paredes solicitadas a corte en el plano durante el sismo. Sin embargo, esta unión es frágil y puede romperse fácilmente debido a efectos térmicos, asentamientos diferenciales, o durante el mismo sismo. En algunos casos (como en muchos edificios del Ensanche de Barcelona), las paredes perpendiculares se han construido sin traba efectiva, manteniendo entre sí un contacto simple “a tope” no plenamente efectivo ante el terremoto. I. El conocimiento Estas consideraciones llevan a imaginar a este tipo de edificios como sistemas especialmente delicados y vulnerables a la acción sísmica. En este sentido, cabe notar que las normas sísmicas de muchos países (en particular, la española NCR02) introducen condiciones muy restrictivas en relación al uso de esta tipología estructural en lugares sensiblemente sísmicos (por ejemplo, limitando el número de alturas a 4 para aceleración sísmica básica de 0,08g y a sólo 2 para aceleración sísmica igual o superior a 0,12g) además de exigir la disposición de detalles constructivos exigentes o extraños a la construcción tradicional. 5 El comportamiento sísmico de las construcciones tradicionales Los razonamientos anteriores parten de una compresión racional de la relación entre los componentes de la estructura y de su respuesta conjunta. Sin embargo, estos argumentos ignoran la realidad sobre el desempeño real y las posibilidades resistentes efectivas demostradas por las construcciones tradicionales. La existencia de un legado masivo en este tipo estructural, incluso en países fuertemente sísmicos como Italia o Grecia, lleva lógicamente a pensar que, incluso con las debilidades identificadas en el apartado anterior, estos edificios pueden presentar prestaciones algo satisfactorias ante el sismo. Entre otros aspectos, debe tenerse en cuenta la adaptación que sin duda se ha producido, en términos históricos, entre la demanda sísmica 2. Posibles mecanismos de rotura en edificios de medianería (D’Ayala y Speranza, 2002) 217 ESE7 4/7/07 19:33 Página 218 I. El conocimiento 3. (A) Modo fundamental de fallo y (B) modo esperable en edificios con fachadas atirantadas (Carocci, 2001). 5 4. Escenario de daño sísmico estimado para un bloque del centro histórico de Palermo (Carocci, 2001) 5. Análisis mediante modelo de análisis computacional de la respuesta sísmica de un edificio de medianería del núcleo histórico de Baixa Pombalina de Lisboa (Ramos y Lourenço, 2004). Estimación de máximos desplazamientos. 218 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales El comportamiento sísmico de las construcciones tradicionales de paredes de obra de fábrica y la capacidad de los tipos estructurales locales para afrontar tal demanda. Diversos parámetros como, en particular, el espesor de los muros, la altura de los edificios, la organización estructural del conjunto o los diversos detalles constructivos, han evolucionado para dar lugar a una respuesta adaptada a la sismicidad de cada localización geográfica. El estudio sistemático detallado de la respuesta de las estructuras tradicionales de obra de fábrica en Italia, especialmente tras el terremoto de Umbria y Marche en 1997 ha permitido alcanzar una visión algo más precisa sobre el verdadero comportamiento de estas estructuras. Esta experiencia ha venido a demostrar que, efectivamente, existe una cierta adaptación entre tecnología constructiva y demanda sísmica local, consecuencia de la cual es una capacidad real de las construcciones tradicionales para afrontar sismos de intensidad media o media-fuerte sin experimentar destrucción. Según se ha observado en Italia, tras la ocurrencia de diversos terremotos, los edificios de factura tradicional que han sufrido daño importante o destrucción tenían ya previamente al sismo deficiencias tales como defectos constructivos, o bien se hallaban en un estado de deterioro por abandono, o bien habían sufrido transformaciones inadecuadas. Las estructuras que superaron el terremoto sin destrucción y con daño muy limitado exhibían una buena factura y habían mantenido sus rasgos constructivos tradicionales. Parece poderse concluir que una estructura tradicional bien construida y bien mantenida, en coherencia con técnicas y procedimientos tradicionales, puede resistir terremotos de mediana intensidad. Sin embargo, en algunos casos la construcción tradicional local puede mostrar deficiencias o insuficiencia sísmica. Ello puede ocurrir, en particular, en zonas en las que no haya consolidado una cierta memoria relativa a acontecimientos sísmicos, por producirse éstos de forma muy espaciada en la historia. Incluso en estos casos, una cierta mejora sísmica es posible introduciendo medidas correctoras que, aun siendo ajenas a la práctica tradicional local, puedan realizarse mediante procedimientos de la buena práctica de la construcción tradicional o histórica en obra de fábrica. En lugares sólo moderadamente sísmicos, o en los que los últimos sismos ocurridos tuvieron lugar en época muy anterior (no alcanzando a producir una memoria y un impacto en las técnicas constructivas), los edificios pueden exhibir limitaciones resistentes muy importantes como resultado de una técnica constructiva tradicional o histórica que, a pesar de sus posibles virtudes, no preste atención a las necesidades de resistencia lateral. Puede decirse que éste es precisamente el caso de muchos edificios situados en la Península Ibérica. Particularmente, diversos estudios realizados en relación a los edificios de paredes de carga del Ensanche de Barcelona han demostrado que constituyen construcciones altamente vulnerables incluso ante terremotos moderados en principio posibles en el territorio Catalán (Barbat y Cardona, 2002, Bonett et al., 2003, Penna et al., 2004) ESE7 4/7/07 19:33 Página 219 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales El comportamiento sísmico de las construcciones tradicionales de paredes de obra de fábrica Respuesta resistente y modos de fallo De acuerdo con Carocci (2001), es posible reconocer en la estructuras tradicionales un modelo implícito resultante de la experiencia de constructiva de un cierto periodo y de la cultura local. La vivienda tradicional se compone de una estructura de obra de fábrica organizada en celdas superpuestas formando unidades de varios pisos. La estructura resulta de la yuxtaposición de elementos constructivos simples; el edificio (casa) puede entenderse como un ensamblaje de estructuras toscamente superpuestas, de forma que las paredes constituyen la celda de obra de fábrica y los elementos horizontales proporcionan los forjados y la cubierta. Esta forma de yuxtaposición produce una falta de conexión robusta entre las partes; la consecuencia de este defecto es una fragilidad del conjunto ante la acción sísmica. Las componentes de fuerza horizontales debidas a la acción sísmica empujan a las paredes que envuelven al edificio hacia el exterior, de forma ortogonal a su plano, y a partir de un cierto valor, provocan su rotura (Giuffrè 1995). Estas construcciones se caracterizan además por su capacidad para adaptarse a modificaciones. Esta capacidad resulta del carácter modular de los materiales componentes: todos ellos pueden ser desmantelados y substituidos por partes, incluso las paredes. En el mantenimiento de estos edificios, la reparación o substitución de piedras o bloques deteriorados es una práctica normal. Este modelo fundamental puede experimentar variaciones sensibles en función de los materiales localmente disponibles, aspectos culturales locales, u otros factores. En la construcción urbana, este modelo experimental transformaciones sensibles parar adaptarse a la complejidad de la trama urbana o de las características morfológicas del suelo. Incluso así, los sistemas constructivos tienden a reproducir esquemas y comportamientos recurrentes. El modo de fallo más frecuentemente observado en los análisis de edificios afectados por el sismo en Italia viene dado por el desplome de las paredes. Este es el modo que determina, en primera instancia, la vulnerabilidad de las construcciones de este tipo (figura 3a). Este modo de fallo ha sido tradicionalmente prevenido mejorando la ligazón de la fachada al resto de la estructura mediante tirantes. En este caso, la estabilidad de la fachada al sismo involucra a las paredes perpendiculares a la misma, las cuales resisten la acción sísmica trabajando de forma eficiente en su plano; cuando la resistencia de estas paredes resulta superada, éstas desarrollan fisuras diagonales a través de las cuales el sistema formado por la fachada y el triángulo superior de estas paredes se separa del resto de la estructura (figura 3b). A diferencia del primer modo de fallo, que siempre conlleva colapso, este segundo modo no necesariamente determina el fallo I. El conocimiento completo, si bien se manifiesta normalmente acompañado de daño ostensible. En función de las características materiales y organizativas propias de cada edificio, así como de las características de la acción sísmica (dirección de incidencia) son posibles otras formas de rotura. A modo de ejemplo, la figura 1 presenta diversos mecanismos realmente observados en edificios afectados por terremotos en Italia (Binda et al., 1999, Binda et al., 2003). En los centros históricos, los edificios de obra de fábrica tienden a formar sistemas estructurales complejos formados por varios edificios estructuralmente conectados. En estas condiciones, el análisis de un edificio aislado puede no resultar suficientemente representativo, siendo necesario considerar, al menos, el sistema formado por el edificio en estudio y sus edificios colindantes. Este sistema permite vislumbrar modos de fallo como los que se ilustran en la figura 2 (Carocci, 2001). Técnicas de análisis Es preciso tener en cuenta que ciertas técnicas convencionalmente utilizadas para el cálculo de estructuras de paredes de carga pueden no resultar adecuadas en edificios de carácter histórico o tradicional. En particular, el método de planos de rigidez, bien conocido y hasta el presente muy empleado para el análisis de estructuras de obra de fábrica (o de hormigón armado) parte de la hipótesis de que los forjados constituyen planos muy rígidos y perfectamente enlazados a los planos verticales (paredes de carga o pantallas de hormigón). En las construcciones de obra de fábrica, esta hipótesis sólo es realista cuando el forjado está formado por una losa de hormigón o bien cuando, siendo a base de viguetas de madera o de acero, dispone de una capa superior de hormigón de espesor suficiente y adecuadamente armada y ligada a los elementos verticales. En general, ello no es aplicable a los edificios tradicionales o históricos de obra de fábrica, cuyos forjados son de carácter poco monolítico y deformable en el plano, además de hallarse apoyados de forma simple sobre las paredes. Una actitud común, en un pasado, ha consistido en modificar la estructura del edificio (introduciendo cadenas de atado y capas superiores de hormigón armado) con el fin de adaptar la construcción a las hipótesis del modelo de cálculo. Ello supone una fuerte transformación del edificio así como la inclusión de elementos de rigidez muy superior a la de las paredes y puede ocasionar efectos contraproducentes ante el sismo. De nuevo, la observación de los efectos de sismos ocurridos en Italia en tiempos recientes ha permitido constatar que este tipo de intervención puede incluso aumentar la vulnerabilidad sísmica del edificio debido al peligro de que los forjados empujen a las paredes y precipiten su inestabilización. 219 5 ESE7 4/7/07 19:33 Página 220 I. El conocimiento 5 La visualización de los modos de fallo realmente observados sugiere una aproximación distinta y más coherente con la naturaleza constructiva y resistente de estos edificios. El edificio puede analizarse en base a la consideración y a la formulación matemática de los posibles mecanismos de daño mediante la técnica del análisis límite y la aplicación de los teoremas plásticos. Dada la experiencia disponible (al menos en Italia), estos métodos pueden calibrarse utilizando un análisis cualitativo basado en la observación del comportamiento de un número importante de edificios de características similares (Binda et al, 1999, Binda et al. 2003). Este método ha sido recientemente incorporado en la normativa sísmica italiana O.C.P.M (2005). El estudio de bloques formados por edificios o de tramas urbanas exige un planteamiento más general debido a la mayor complejidad del problema. La observación de las alteraciones o irregularidades (como vacíos o cambios de altura) es en este caso esencial. Se suele actuar, en este contexto, estudiando posibles escenarios de daño para terremotos de una magnitud dada y considerando las características de los edificios tipo así como las posibles variaciones o alteraciones de la trama. El análisis puede realizarse a partir de una aproximación cualitativa (figura 4) o bien a partir de un cálculo detallado basado, por ejemplo, en modernas técnicas de cálculo computacional (figura 5). Mejora del comportamiento sísmico En la práctica, la adaptación completa de las estructuras tradicionales a los estándares de seguridad estructural ante sismo que la normativa exige para las nuevas construcciones de hormigón y acero puede conducir a una transformación y desfiguración muy sustancial de la estructura original. En el caso de construcciones tradicionales o históricas, esta transformación puede resultar incompatible con la conservación del valor histórico-cultural del edificio, y puede ocasionar una importante pérdida en términos de legado cultural. Ello ocurre, en particular, cuando la estructura original es reforzada mediante elementos de hormigón, acero u otros materiales extraños a las técnicas constructivas tradicionales o históricas; en muchas ocasiones, estos refuerzos se han implantado de manera invasiva y no reversible, causando en consecuencia daños y pérdidas irreparables en la construcción original. Por otra parte, y como ya se ha anticipado, el estudio del comportamiento sísmico de edificios previamente reforzados, en Italia y tras los terremotos de Umbría y Marche, ha mostrado que, a menudo, los refuerzos de carácter extraño a la estructura original tienen un efecto contraproducente debido al carácter heterogéneo del complejo resultante. En particular, se ha observado que la sustitución de forjados tradicionales por losas de hormigón sobre de cadenas de atado de hormigón en muros de 220 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales El comportamiento sísmico de las construcciones tradicionales de paredes de obra de fábrica obra de fábrica puede dar lugar a una forma de refuerzo poco eficiente y puede incluso precipitar el colapso del edificio durante el terremoto. Por todo ello, la forma de entender la mejora sísmica de los edificios tradicionales ha sufrido en los últimos decenios un importante cambio de paradigma. Entendemos actualmente que la restauración estructural deriva del conocimiento de las técnicas constructivas locales y del reconocimiento de sus posibles deficiencias. El conocimiento de los procedimientos constructivos locales es fundamental y debe guiar la elección de las intervenciones. Puesto que en muchas regiones sísmicas los edificios de carácter tradicional presentan una cierta adaptación a la demanda sísmica local, es en general preferible basar el refuerzo precisamente en el análisis de los rasgos constructivos propios de estas construcciones y evitar soluciones de refuerzo contrarias a éstos. La mejora sísmica es posible reparando el deterioro y recuperando la resistencia original, sin implantar elementos de refuerzo extraños a la tecnología constructiva tradicional. En algunos casos una cierta mejora sísmico-resistente puede ser necesaria debido al grado de deterioro alcanzado por el edificio por falta de mantenimiento o debido a una factura constructiva o material originalmente deficiente. La necesidad del refuerzo también puede deberse a que la tradición constructiva local ignore las necesidades de resistencia sísmica (como se observa en distintos lugares de la Península Ibérica). Incluso en estos casos, son preferibles soluciones de carácter compatible con la construcción tradicional o histórica y que tiendan a preservar una cierta homogeneidad material y organizativa. Es preferible que las intervenciones, antes que alterar profundamente la naturaleza constructiva y resistente de las construcciones, tiendan más bien a controlar o mitigar las posibles debilidades del edificio. La intervención puede diseñarse, en coherencia con las técnicas constructivas tradicionales o históricas, para que contribuya a limitar las deformaciones experimentadas durante el terremoto o evita la excesiva separación entre partes. El anclaje de las fachadas o la unión de paredes a forjados o a otras paredes mediante tirantes, en particular, constituye una solución de carácter histórico-tradicional muy eficiente parra mejorar la unión entre los elementos sin producir heterogeneidades o cambios sustanciales de la rigidez de los elementos (figura 6). En general, las intervenciones deben orientarse a la mejora de la calidad de las paredes de obra de fábrica y de sus conexiones (entre sí y con los forjados), reducir empujes, estabilizar elementos vulnerables y reducir las irregularidades estructurales. La oportunidad de rigidizar los forjados para que trabajen como diafragmas rígidos debe considerarse de forma juiciosa y exige en todo caso una comprensión clara de los efectos que ello puede generar en el edificio. Junto a todo ello, es esencial mantener una ejecución muy cuidadosa ESE7 4/7/07 19:33 Página 221 Herramienta 5 Comprender las lesiones estructurales El comportamiento sísmico de las construcciones tradicionales de paredes de obra de fábrica I. El conocimiento Binda, L., Gambarotta, L. Lagomarsino, S., Modena, C. (1999). A multilevel approach to the damage assessment and the seismic improvement of masonry buildings in Italy. Seismic Damage to Masonry Buildings, Monselice, Padova, 179-194. Binda L., Anzani A., Baila A., Baronio G. (2003), A Multi-level Approach for Damage Prevention in Seismic Areas. Application to Historic Centres of the Western Liguria, Atti della 9NAMC (9th Int. North American Masonry Conf.), South California Bonett, R., Penna, A., Lagomarsino, S., Barbat, A., Pujades, L., Moreno R. (2003). Evaluación de la vulnerabilidad sísmica de estructuras de mampostería no reforzada. Aplicación a un edificio de la zona de l’Eixample de Barcelona. Revista Internacional de Ingeniería de Estructuras. Escuela Politécnica del Ejército, Ecuador, Vol. 8, n. 2, 91120. Carocci, C. F. (2001) Guidelines for the safety and preservation of historical centres in seismic areas. Proceedings of the 3rd International Conference on Historical Structures, University of Minho, Guimaraes, 145-166. 6. Uso de tirantes en un edificio en Bergamo, Italia D’Ayala, D., Speranza, E. (2002) An integrated procedure for the assessment of the seismic vulnerability of historic buildings. 12th European Conference on Earthquake Conclusiones Engineering. Artículo n. 561, Londres. Giuffré , A. (1995) Vulnerability of historical cities in seismic areas and conservation El estudio de los efectos de los sismos en las construcciones tradicionales de paredes de carga, desarrollado con especial en la ocasión del terremoto de Umbría y Marche, en Italia, ha venido a demostrar estos edificios presentan una cierta adaptación entre tecnología constructiva y demanda sísmica local, consecuencia de la cual es una cierta capacidad para afrontar sismos de intensidad media o media-fuerte sin experimentar destrucción. Sin embargo, esta capacidad puede verse comprometida cuando el edificio presenta defectos constructivos o materiales de origen o bien un estado de deterioro debido a la falta de mantenimiento. Debe reconocerse, por otra parte, que en algunas regiones geográficas (en particular, dentro de la Península Ibérica), la cultura constructiva local no recoge las necesidades sísmicoresistentes debido a una falta de memoria histórica en relación a la posible ocurrencia de sismo. En estos casos, una mejora de la resistencia sísmica puede ser necesaria. Incluso cuando el edificio presenta deficiencias, es fundamental basar la mejora en un conocimiento de los procedimientos constructivos tradicionales o históricos, siendo preferible que las intervenciones, antes que alterar profundamente la naturaleza constructiva y resistente del edificio, tiendan más bien a controlar o mitigar sus posibles debilidades manteniendo una homogeneidad y uniformidad constructiva. criteria. Terremoti e civiltà abitabile. Annali di Geofísica, Bologna. ORD. P. C. P. n° 3431: “Norme tecniche per il progetto, la valutazione e l’adeguamento sismico degli edifici. Consiglio dei Ministri, Roma. Penna, A., Cattari, S., Galasco A., Lagomarsino, S. (2004) Seismic assessment of masonry structures by non-linear macro-element analysis. Structural Analysis of Historical Constructions IV, Balkema, Leiden. Ramos, F., Lourenço, P. B. (2004) Modelling and vulnerability of historical city centers in seismic areas: a case study in Lisbon. Engineering Structures 26, 1295–1310 Referencias NCSR-02. Norma de construcción sismorresistente: parte general y edificación. Ministerio de Fomento, Madrid, 2002. Barbat, A. H., Cardona, O. D. (2002) Evaluación de la vulnerabilidad y del riesgo sísmico de edificios. Evaluación y Rehabilitación Estructural de Edificios. CIMNE, Monografía n. 65, Barcelona, 325-340. 221 5 ESE7 4/7/07 19:33 Página 222