Respuesta corta: Por qué hay fuerzas que la hacen girar. Por ejemplo: Las que provoca un sismo en ella.

A partir del reciente terremoto de Turquía y el desastre ocasionado con gran cantidad de edificios destruidos, infraestructura dañada, fallecidos, heridos, etc… surge la necesidad humana de racionalizar lo que ha acontecido y en dicha intención de racionalizar el evento (intención muy benigna), no falta el deseo de buscar las causas y los responsables detrás de dichas causas. Al final se siente como si se tratara de una injusticia (y si bien puede serlo, también hay que serenarse y reconocer que puede no serlo). Ante todo hay que conservar la calma dentro de las posibilidades, evitar el escándalo y analizar con frialdad lo acontecido para sobre ello reflexionar las acciones que se van a tomar.

Una vez concluida la reflexión de tinte ético/moral, pasaré a la motivación de escribir el artículo, a los límites que tenemos como profesionales al momento de abordar este evento y finalmente a los aspectos técnicos sobre las causas concretas de un caso particular. El volteo de las estructuras.

Como ya se vislumbra desde la imagen colocada, la motivación viene de un post que se viralizó sobre un edificio en Turquía que prácticamente giró y terminó por caerse completamente. La acusación de la autora de la publicación es que el edificio no tenía columnas y a partir de ello se desprende en los comentarios y las compartidas una serie de reflexiones de las cuáles muy pocas son carácter técnico y aún las que tienen carácter técnico contienen algunas suposiciones que son debatibles y pretendo mostrar.

Aquí un ejemplo. ¿En qué norma se pide que una cimentación tenga como mínimo el equivalente a la mitad de su altura anclada? Esa máxima supondría entonces que todas las casas habitación de 2 niveles que tienen en promedio 6 m de altura requieren un anclaje de 6 m de profundidad? ¿dónde están esas casas con anclajes de 6 metros de profundidad? Claramente hay una ignorancia del reglamento y de la práctica en la ingeniería para hacer tal aseveración.

¿Cómo que sin cimientos si en la foto claramente se está mostrando el suelo que estaba en contacto directo con la losa de cimentación?

En fin. Los comentarios lo que muestran es una ignorancia en la materia aún de quienes ostentan títulos en ingeniería o arquitectura, lo que ya es lamentable. Para no hacer una introducción sobre el tema sólo resumiré que en los sistemas de cimentación existen los que entran en el rango superficial (losas, zapatas) y las que son más profundas (pilotes). La diferencia de emplear un sistema u otro depende de la resistencia del suelo. Si el suelo es muy resistente, se pueden emplear sólo zapatas. Si no lo es tanto, corresponde una losa para que el peso del edificio se distribuya en toda el área. Si resulta que no hay un estrato aceptable a «n» profundidad toca ir más profundo y como sería carísimo y problemático hacer una excavación de gran profundidad, lo que se hace es usar pilotes que vendrían a ser como palillos en una gelatina que logran transmitir las cargas de uno u otro modo. Sobre eso se puede hablar en otra ocasión.

Entonces el primer error de la gran mayoría de comentarios vendría a ser ignorar que existen cimentaciones superficiales y profundas.

El segundo error viene del lado de la estructura. Suponer que un edificio puede mantener su peso sin una base que lo sostenga (en este caso la columna). Es evidente que todos los edificios tienen columnas en virtud de que aún no tenemos tanta pericia para hacer construcciones que se sostengan en el aire. Claro, en lugar de una «columna» puede emplearse «un muro», pero es un hecho que siempre necesitaremos una estructura por medio de la cual bajarán las cargas. Entonces es falso que el edificio no tenga «columnas» y/o «muros.

Habiendo establecido los errores ahora pasaremos a los comentarios razonables.

En este caso no censuro el nombre porque el comentario es razonable y le corresponde la buena fama que merece el aporte, por lo menos hasta la parte de ubicar que hay una losa de cimentación. No obstante, también vale la pena cuestionar la suposición. «Por la altura necesitaba pilas de cimentación». ¿En qué reglamento dice que por la altura se necesitan pilas de cimentación? Es más, ¿en qué referencia académica se coloca como requisito el uso de pilotes a partir de dicha altura (en este caso 5 niveles)? Luego… ¿basados en qué podemos decir que los pilotes habrían evitado el momento de volteo? (sobre la influencia de los pilotes sobre una estructura sometida a una carga sísmica haré otro artículo)

Hago las preguntas porque a partir de la difusión del evento puede surgir la histeria colectiva y los juicios injustos hacia los profesionales. No faltará el propietario o incluso el constructor que tendrá la inquietud de si su proyecto debió o no tener una cimentación profunda. Puede que incluso el calculista en virtud de que los menesteres del suelo le corresponden más propiamente al perito en geotecnia. Bueno, con el fin de calmar un poco las conciencias de todos estos les puedo decir que no es verdad que un proyecto requiera sí o sí, pilas de cimentación. Eso está gobernado principalmente por el tipo de suelo y si el estrato dónde se pretende desplantar la estructura no es lo suficientemente competente para resistir las cargas pues sí, se requerirá una cimentación profunda. Lo que sí es un hecho es que todos los proyectos requieren por lo menos como buena práctica ingenieril un estudio de mecánica de suelos y según sea el caso pudiera ser necesario un estudio de mecánica de rocas, de geofísica, un estudio geológico, etc…

Procedamos entonces a evidenciar lo afirmado:

Cómo se observa en la imagen mostrada (un edificio en China) el edificio giró y se cayó con todo y pilotes. Los pilotes no resistieron la enorme fuerza del giro (los ingenieros le llamamos «momento de volteo»), fallaron y el edificio cayó. En este caso no se debió a un evento sísmico ciertamente, pero el ejemplo evidencia que una fuerza que provoca un volteo puede ser lo suficientemente fuerte como para arrancar (24 pilotes que se ven en la imagen al menos, aunque ignoro cuántos serán en realidad)

Luego pues cabe preguntarse si un terremoto es capaz de provocar fuerzas que provoquen un momento de volteo. La respuesta evidentemente es afirmativa, bastaría ver que incluso las personas se caen cuando les sacuden el suelo. ¿Pero cómo es en el caso de un edificio? Veamos.

La imagen ilustra de forma simple cuál es el comportamiento. El terreno va hacia un lado, la estructura trata de quedarse en el sitio y por tanto va hacia el otro y se producen fuerzas de cortante.

En este caso el efecto fue que la estructura no resistió y falló por cortante. ¿Pero qué pasaría si resiste todo como un bloque? Su comportamiento asemejaría a un muro de contención que resiste un empuje y por tanto tendríamos algo como lo siguiente:

El sismo empuja el edificio hacia la derecha, el peso del edificio va hacia abajo, por ende entre la fuerza del sismo y el peso del edificio se produce una fuerza resultante diagonal que puede caer dentro o fuera de la base del edificio. Si cae dentro, al final el suelo absorberá el sobreesfuerzo pero si cae fuera, entonces el edificio tenderá a rotar y caer. Parece que esta es la hipótesis más probable de lo que ocurrió, pero aún hay una más que vale la pena analizar.

La hipótesis de la licuefacción. Este es un fenómeno que se presenta en suelos saturados dónde básicamente el sólido lleno de agua al ser agitado provoca que el agua empiece a llenar los vacíos de aire que en él, se pierde cohesión entre las partículas y el suelo empieza a comportarse como un líquido. Luego pues si esta hipótesis es acertada podríamos decir que el suelo empezó a comportarse de esta forma lo que llevó a que las presiones dejaran de distribuirse de manera uniforme y por ende empezó a inclinarse el edificio. Al estar el edificio inclinado el peso también pierde un poco su capacidad como fuerza contraria al volteo, porque ahora que el suelo ha provocado una inestabilidad, no todo el peso va hacia abajo, sino que una parte contribuye al volteo y la otra si lo resiste. Si además le añadimos el momento que le imprime la fuerza del sismo tenemos prácticamente la respuesta al problema.

Del lado geotécnico el proceso inicia con una licuefacción, del lado de la estructura el momento que le imprime la fuerza del sismo más la propia inclinación que ya tenía el edificio contribuyen a su volteo total y finalmente cae.

¿Hay un mal diseño? Dado que la estructura se comportó como un cuerpo uniforme podríamos decir que no. Tampoco una mala construcción. Faltaría revisar si en el estudio geotécnico se advirtió que el suelo era susceptible a la licuefacción (asumiendo sea el caso que se presentó una licuefacción, pues recordemos que el análisis no es presencial en sitio) y los mecanismos para atender dicha problemática.

Con eso termina el artículo de hoy que aunque un poco largo, espero sea de su agrado.