rehabilitación estructural de " la catedral metropolitana" de la

Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural, A.C.
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REHABILITACIÓN ESTRUCTURAL DE “ LA CATEDRAL METROPOLITANA” DE LA CIUDAD
DE PUEBLA, PUEBLA.
O. De La Torre Rangel
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RESUMEN
El sismo del 15 de junio de 1999 afectó varios estados de la República Mexicana dañando un número
importante de monumentos históricos, incrementando en ellos el daño acumulado que se tenía referenciado.
“LA CATEDRAL METROPOLITANA” sufrió daños importantes. En este documento se describe el
procedimiento empleado para el refuerzo estructural.
SUMMARY
The earthquake on June 15, 1999 affected several states throughout the Mexican Republic, causing further
damage to a great number of historical monuments which had been previously harmed by other earthquakes.
“LA CATEDRAL METROPOLITANA” is one of the numerous buildings that suffered considerable
damages. The procedure used for structural strengthening is herein described.
ANTECEDENTES.
A las 15:41 hrs. del día 15 de Junio de 1999, ocurrió un sismo de magnitud Richter Ms 6.5, cuyo epicentro se
ubicó a 20 Km al Sur-Suroeste de la ciudad de Tehuacán, en el estado de Puebla, y a unos 55 Km al Noreste
de la ciudad de Huajuapan de León, Oaxaca, cercano a los límites entre ambos estados, con una profundidad
focal de entre 60 y 80
Km.
Este evento causó severos daños a diversos tipos de construcciones ubicadas en el Estado de Puebla, entre
ellas se encuentran los inmuebles coloniales, destinados principalmente al culto religioso.
El Instituto Nacional de Antropología e Historia, designó a la empresa ACROSA para realizar los trabajos de
construcción, correspondientes al aseguramiento de la edificación, así como la rehabilitación y refuerzo
estructural de “LA CATEDRAL METROPOLITANA”, ubicada en el centro de la ciudad de Puebla.
ACROSA solicitó a la empresa PROYECTO ESTRUCTURAL S.A., el desarrollo del proyecto de refuerzo
estructural.
DESCRIPCIÓN GEOMÉTRICA Y ESTRUCTURAL DEL INMUEBLE
La planta de la catedral forma un rectángulo que va de oriente a poniente. La fachada principal o Imafronte da
al poniente; el largo total del edificio es de 98.11 metros y el ancho es de 50.37 metros. La nave central tiene
una altura de 25.11 metros y 42.58 metros hasta la linternilla. Las naves laterales cuentan con una altura de
17.53 metros. Las torres tienen 66.60 metros de altura, siendo consideradas las más altas entre los templos
religiosos de México (ver figura 1).
Las naves son cinco: una central, dos procesionales y dos con 14 capillas hornacinas. La nave principal está
dividida en nueve tramos. Toda la estructura está cubierta por 39 bóvedas: 11 de medio cañón con lunetos,
1
Proyecto Estructural, S.A., Darwin 18-A, Col. Anzures, México, D.F. 11590, Tel.: 5254-3934, Fax: 52544026, [email protected]
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correspondientes a la nave central, 14 esféricas correspondientes a las naves laterales y 14 más
correspondientes a las capillas (ver figura 2).
La estructura del techo descansa sobre 74 columnas y seis pilares. La nave central está sostenida por 14
columnas tetrástilas y seis pilares. Otras 18 columnas empotradas en los muros sostienen las bóvedas de las
naves laterales.
Existen dos cúpulas, una sobre tambor, ubicada sobre el crucero y otra menor, sin tambor, ubicada sobre la
capilla de los reyes.
En cuanto a las torres, se trata de dos prismas de base cuadrangular que se elevan sobre la fachada principal.
Su primer cuerpo cuenta con tres pilastras en cada cara con dos arcos para campanas en los intercolumnios, el
segundo cuerpo es jónico con tres pilastras por cara y dividido en dos por medio de cuatro arcos por cada
frente, dos con balaustrada (inferiores) y dos sin ella (superiores). Las torres están cubiertas por una cúpula de
ladrillo y azulejos rematada con una linternilla. La construcción de ambas torres está hecha con sillares de
basalto.
En los niveles +15.0, +27.5, +39.5 y +53.5 m. cada torre tiene pisos a los que se puede tener acceso mediante
escaleras interiores. El sistema de piso está formado por bóvedas de aristas construidas con tabique y piedra.
Los pisos se encuentran sustentados sobre ocho columnas cuadradas de 2.0m de lado, que se repiten desde la
base de la torre hasta el nivel +53.5. Los materiales de construcción son mamposterías varias, encontrándose
pesos volumétricos desde 1.8 hasta 2.2 ton/m3 , unidas entre sí mediante mortero. Las piedras en la fachada se
encuentran labradas a manera de chapa formando arreglos rectangulares. En e interior de la torre la
disposición de las piedras no es regular y se encuentran ocultas por un recubrimiento.
El coro se ubica entre los tramos tres y cuatro de la nave central, dividido por un muro de 5.84 metros de alto
y coronado por un cornisón y balaustrada.
La rigidez y resistencia en la dirección longitudinal es buena ya que los dos muros de los ejes (1) y (11)
resultan muy eficientes. En la dirección transversal del edificio, la rigidez y resistencia es proporcionada por
los muros integrados bajo los arcos de las naves laterales que delimitan las capillas.
DAÑOS OBSERVADOS
Cúpula del crucero:
Este elemento presentó fisuramientos, que se incrementaban en las proximidades
del desplante del cupulín.
Cupulín Sobre La Cúpula del crucero:
Este elemento resultó severamente agrietado en sus pilastras,
presentando corrimientos entre su bóveda y dichas pilastras.
Bóvedas y Arcos de las Naves Procesionales:
longitudinales principalmente al centro del claro.
Estos
elementos
registraron
agrietamientos
Torres Norte y Sur:
Mediante el recorrido por el interior de las torres se identificaron daños genéricos
que consisten básicamente en la aparición de grietas verticales en el intradós de arcos de fachada, que en
algunos casos se prolongan más allá del extradós, grietas horizontales en la base de columnas (al nivel del
barandal de los pisos) y otras más en las bóvedas del sistema de piso.
Sufrieron también daños severos los pináculos y linternillas que rematan cada torre. La Torre Norte sufrió la
falla de su escalera interior, en el tramo que va del nivel de remate del basamento, hasta su extremo superior.
REFUERZOS EXISTENTES
Se lograron identificar en cúpula y torres, refuerzos consistentes de zunchos metálicos y cables.
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MATERIALES
Las columnas, arcos y muros están hechos de cantería gris azulada (Basalto), las bóvedas y la cúpula menor
son de cal y canto, la cúpula mayor está construida en piedra.
La estructura de las torres está conformada por una obra de tabique y piedra unidas entre sí mediante un
mortero. Los materiales encontrados presentan variaciones en sus propiedades pero se pueden clasificar
dentro de un peso volumétrico de 1.8 a 2.2 ton/m3. En función del peso volumétrico y la calidad de los
morteros encontrados se asignó al material un módulo de elasticidad de 120000 kg/cm2 y una densidad de 2.0
ton/m3.
Los materiales empleados para el refuerzo de los diferentes elementos de la estructura son:
Mortero de cemento - cal – arena (1-0.5-4)
Malla electrosoldada fy = 5000 kg/cm²
Concreto estructural en firmes y dalas clase 1 con f 'c = 250 kg/cm²
Acero de refuerzo fy = 4200 kg/cm²
Acero estructural en perfiles laminados en caliente A-36 fy = 2530 kg/cm²
Acero estructural en perfiles laminados en frío A-441 fy = 3515 kg/cm²
Soldadura E-70XX.
CARGAS CONSIDERADAS
Se consideraron dos tipos de fuerzas, las originadas por el peso propio de la estructura y las fuerzas de inercia
generadas por dicho peso cuando se produce el sismo. Estos dos casos de fuerzas son combinados para
obtener dos casos más de carga, el efecto de las fuerzas permanentes adicionado con la acción reversible del
sismo.
Dentro de las diversas evaluaciones numéricas realizadas se aplicaron las cargas correspondientes al peso
propio de la mampostería existente en cada elemento, según sus dimensiones.
El peso volumétrico considerado para la mampostería y los aplanados es de 2000 kg/m3.
En bóvedas que constituyen un nivel de entrepiso como es el caso del coro, se aplica una carga viva de 250
kg/m2.
En bóvedas que constituyen un nivel de azotea como es el caso general, se aplica una carga viva de 40 kg/m2.
PARÁMETROS GENERALES DE DISEÑO
La revisión de las condiciones de seguridad y el refuerzo de la estructura existente, fueron realizados de
acuerdo con los parámetros listados a continuación:
Estructura del Grupo “A”
Terreno tipo “I”
Factor de Comportamiento Sísmico
Q=1.0
Coeficiente sísmico
C = 0.32 X 1.5 = 0.48
Factores de combinación de cargas.
Combinación de cargas permanentes FC = 1.5
Combinaciones de cargas permanentes más accidentales FC = 1.1
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MECANISMOS DE FALLA
La acción de un sismo en dirección transversal, induce movimientos diferenciales horizontales entre el el eje
límite de la nave central y el eje límite de las capillas, esto induce esfuerzos de tensión y compresión a la nave
procesional, que contribuye a producir los agrietamientos longitudinales que se presentan en dicha nave.
Esto se debe a la poca rigidez transversal que aportan los arcos y muro que recibe a la Bóveda de la Nave
Central comparada con la que aportan los muros divisorios de las capillas.
La presencia del “Botarel” sobre cada arco transversal, pretende transmitir una fuerza inclinada que se genera
por la inercia de la masa de la bóveda central, hacia los muros que dividen las capillas, los cuales actúan como
contrafuertes.
La acción vertical hacia abajo, producido por el “Botarel”, en su acción tipo puntal, se genera con un sismo
izquierdo, que comprime a la nave procesional izquierda.
La acción del “Botarel” durante un sismo hacia la derecha, representa para la nave procesional izquierda
únicamente una carga vertical por efecto de su peso propio, que aplicada sobre una bóveda que puede
desarrollar tensión, contribuye a producir las fisuras existentes en dicha nave.
Tomando como referencia la figura 3, se describe la mecánica del daño en las torres. En el nivel
inmediato inferior al desplante de cualquier cuerpo de una torre y como consecuencia de la acción de
un sismo, se tienen dos elementos mecánicos básicos: el momento de volteo Mv y una fuerza cortante
acumulada Vt. Ya que la mampostería no tiene capacidad a tensión importante, se provoca un
mecanismo de resistencia basado en la capacidad del material a compresión y cortante, que a su vez es
función de la carga axial y del coeficiente de fricción de los materiales constitutivos. En primer
instancia el momento de volteo se resiste mediante el incremento de carga axial P1 en una de las
columnas, liberando a la otra en la misma proporción de la carga gravitacional Po e incluso
provocándole tensión. Si la columna sobrecargada no rebasa su límite por aplastamiento, podría estar
en condiciones de resistir todo el cortante Vt, ya que la columna descargada tendrá poca o nula
capacidad para resistir la fuerza Vo por que la carga axial Po tiende a cero. En tal condición la
concentración del cortante en una sola columna induce desplazamientos mayores en su base (delta 1),
que los desarrollados en la base de la columna descargada (delta 0). Esto provoca un diferencial que
induce la concentración de tensiones en la clave del arco.
El mecanismo descrito, provoca agrietamientos típicamente en el extremo superior de la columna
descargada, ya sea por tensión directa o por cortante como tensión diagonal. En la clave del arco se
presentan grietas por tensión directa. Además, si en la columna sobrecargada se excede la capacidad
por aplastamiento de la mampostería, se presentará como efecto una articulación en su base.
ANÁLISIS ESTRUCTURAL
La evaluación numérica se desarrolló por procedimientos manuales y a través de modelos matemáticos en los
que se consideran las características geométricas y calidades de los materiales.
Se utiliza el software denominado SAP2000. Tomando en cuenta la estructuración masiva de la estructura y
para lograr una representación más aproximada se modeló utilizando únicamente el elemento finito cúbico.
Los elementos finitos que se emplearon miden 50cm. de lado. Dicho elemento finito básico se repitió tantas
veces en el espacio hasta que se reprodujo con aceptable aproximación de la geometría real. La parte inferior
de la torre, después de una inspección, no reporta daños ni señales de haber presentado deformaciones. Por lo
que se decidió modelar la torre a partir del nivel +15.00 metros, considerando la base suficientemente rígida
(ver figuras 4 y 5).
El efecto sísmico se aplicó mediante el análisis modal espectral utilizando el espectro de respuesta
correspondiente a la zona de ubicación del edificio, según el reglamento de construcciones de la ciudad de
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Puebla. Las fuerzas sísmicas se generan entonces, a partir de la distribución de la masa sobre la geometría de
la torre.
REFUERZO Y REHABILITACIÓN ESTRUCTURAL
Para reducir substancialmente el efecto dañino del puntal que provocan los botareles sobre los arcos y
bóvedas de la nave procesional, se construyó un sistema de armaduras metálicas a ambos lados de los
“Botareles” (ver figura 6).
Tanto en la Cúpula del crucero, como en el caso de las torres fué necesario rehabilitar los Cupulines mediante
la inclusión de un aplanado armado por su interior, prolongándolo a los lados de cada pilastra que forman los
arcos. Las cúpulas y Bóvedas de las torres fueron tratadas de la misma forma.
Para restringir las deformaciones horizontales diferenciales entre las pilastras, se colocaron 8 tensores de 1”
de diámetro (4 en cada dirección) en los niveles +50.0 m y +35.0 m aproximadamente.
Con el mismo objetivo, se habilitó un diafragma horizontal, metálico, triangulado, al nivel de la cornisa
intermedia al N(+45) aproximadamente, mismo que se ancló a la cornisa, con conectores que la atraviesan
(ver figura 7).
Se eliminó la escalera de mampostería dañada, ubicada en posición excéntrica, substituyéndola por una
metálica, y en el caso de la que tubo menos daños se substituyeron las piezas dañadas entre los niveles +39.50
y +53.50 en ambas torres.
CONCLUSIONES
De acuerdo con las evaluaciones numéricas realizadas en el desarrollo de este trabajo, de las observaciones de
daños y de los principios estructurales aprendidos como consecuencia de la evolución de los tratamientos
dados a lo largo de la vida útil de los edificios coloniales, se puede concluir que:
*
Las soluciones tradicionalmente realizadas y que han probado tener un alto nivel de efectividad en
este tipo de estructuras, son aquellas en las que se incorporan refuerzos locales pero uniformemente
distribuidos a lo largo de las naves ó de las Torres.
*
Los refuerzos propuestos están basados en la necesidad de reducir al mínimo las afectaciones
arquitectónicas buscando la facilidad constructiva, y proporcionar el nivel de seguridad adecuado para
estructuras clasificadas como grupo “A”.
*
El refuerzo proyectado para la torre, busca propiciar un comportamiento más homogéneo que de
acuerdo con las experiencias previas en este tipo de elementos, se consigue en gran medida mediante la
inclusión de diafragmas que impiden la tendencia a separarse de las pilastras.
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Figura 1.- Fachada Principal.
Figura 2.- Planta Arquitectónica.
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PT
MV
VT
P0
V0
VRi
= Pi (u)
u = COEFICIENTE DE FRICCIÓN.
P0
V1
CUANDO:
P1
V
VR0
R1
TA
o
TA
PO
P1
0. ó <0.
PT
V0
V1
0.
VT
P1
1
EN CONSECUENCIA:
o<
1
ESTA CONDICIÓN PROVOCA LA
APARICIÓN DE LA TENSIÓN TA
TORRE DE CAMPANARIO
Figura 3.- Mecánica de daños en torres de campanarios.
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Figura 4.- Detalle del modelo con elemento finito cúbico de la torre.
Figura 5.- Modelo de la torre con elemento finito cúbico (sección).
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Figura 6.- Armadura de refuerzo sobre la nave Procesional.
Figura 7.- Diafragma en Torres.
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