ASENTAMIENTO DIFERENCIAL EN EL PALACIO DE BELLAS ARTES DE MEXICO
RESUMEN: La construcción del Teatro Nacional, actual Palacio Nacional de Bellas Artes,
se inició en 1904, se detuvo durante 12 años y reanudó en 1932, para ser inaugurado dos años después. El diseño original de la cimentación fue del Ing. Gonzalo Garita, pero despertó incertidumbres que justificaron la participación del Ing. William H. Birkmire.
La estructura empezó a sufrir asentamientos casi desde el inicio de su construcción, Birkmire los trató de aminorar recomendando colocar perimetralmente una tablestaca de acero, pero como su influencia fue despreciable Adamo Boari decidió inyectar el subsuelo con morteros, afirmando que se hacía en París y en Nueva York, lo que era incierto; de seguro supo que era una práctica usual en la ciudad de México, quizá el primer caso de ese ingenio fue en 1881 para corregir el comportamiento de la Estación del Ferrocarril Mexicano, en Buenavista.
La inyección del subsuelo se realizó en 5 etapas, sus resultados fueron confusamente interpretados y se juzgó como un trabajo sin consecuencias, no se comprendió que continuó hundiéndose, pero que se logró la uniformidad, lo que explica el buen comportamiento que ha tenido el Palacio.
1) INTRODUCCION:
Notables ingenieros y arquitectos desde fines del siglo pasado han venido luchando en contra de los efectos del hundimiento regional del Valle de México, fenómeno que genera los asentamientos que afectan y destruyen paulatina e inexorablemente edificios e instalaciones de la ciudad. Sin duda, el caso más connotado de ese enfrentamiento fue el del Teatro Nacional, actual Palacio de Bellas Artes, ambicioso proyecto que desde su diseño y construcción mereció la participación de los mejores Ingenieros del país y del extranjero.
Los hundimientos diferenciales se advirtieron desde 1906, a la conclusión de su plataforma de cimentación. Para finales de 1908 la situación era alarmante, por ello a partir de 1910 y hasta 1925 se ensayó endurecer el subsuelo bajo el Teatro, mediante campañas de inyección, primero de lechada de cemento y después de mortero fluido de cal con arena, todo ello con el objetivo de detenerlos o al menos uniformizarlos. Admira que, en 1881 se hizo lo mismo en la Estación del Ferrocarril Mexicano, en Buenavista, Figura 1, dado que había sufrido asentamientos.
Se ha encontrado información sobre otros dos casos de aplicación de esta técnica; sin embargo, sobre ese primer trabajo para reducir los asentamientos diferenciales de un edificio en la ciudad de México de hace 131 años no se ha encontrado información.
Sobre la efectividad de la inyección del subsuelo hubo mucha polémica, el fenómeno del hundimiento regional no había sido entendido, no se contaba con referencias topográficas confiables, además, la carencia de conceptos geotécnicos impidió tener un análisis racional. El caso perdió actualidad, la turbulencia política de esos años redujo el interés por el tema. Finalmente, el Teatro Nacional quedó inconcluso. La información técnica fue archivada y sólo predominó el injusto juicio de que "la inyección no había servido".
Figura 1. Estación del ferrocarril Mexicano construida en 1875, se inyectó su subsuelo en 1881, para combatir los hundimientos y fisuras que sufría
En 1930 se reanudó la construcción del Teatro que, a su inauguración en 1934 se le denominó Palacio de las Bellas Artes, Figura 2. Desde entonces este bello monumento siempre ha servido para ilustrar el fenómeno de hundimiento, añadiendo falsamente que su integridad estructural se debe a su "rígida cimentación", pues nunca se ha reconocido la
influencia de la inyección en el comportamiento de la cimentación, ni se le ha valorado como una adelantada aplicación técnica.
Figura 2. Dibujo elaborado en 1984 por Mayolo Ramírez Ruíz, para el 50 Aniversario del Palacio de Bellas Artes.
La técnica de inyección de morteros en los suelos arcillosos blandos induce el fenómeno del fracturamiento hidráulico, se forman así delgadas placas de mortero verticales con ocasionales lentes horizontales en los estratos permeables. Al inyectar en una retícula de puntos se conforma en el área inyectada un arreglo de láminas duras y paralelas, alternadas con franjas de suelo blando, Figura 3. Como consecuencia esa área tratada será menos deformable que la masa original de suelo blando, aunque es importante advertir que este artificio no fue comprendido en ese tiempo.
En este trabajo se presenta una recopilación comentada de los documentos consultados en el Archivo General de la Nación que sobre el Teatro Nacional, entre los años 1902 y 1925, son valiosos testimonios del caso, que aunque tiene muchos vacíos de información, confusiones e incongruencias; aun así, el material reunido demuestra que este caso de la Ingeniería Geotécnica, más que histórico es actual, porque demuestra la potencialidad de la inyección de morteros como una de las pocas posibilidades técnicas para enfrentar los problemas de monumentos y edificios afectados por el hundimiento regional de la ciudad de México. Esta experiencia, casi olvidada, fue recuperada y publicada en el libro “Palacio de Bellas Artes” (Santoyo el al, 1998), compendio que sirvió como testimonio técnico para demostrar la utilidad de la inyección del subsuelo para mejorar el comportamiento del subsuelo de la Catedral Metropolitana (Santoyo y Ovando, 2008).
Figura 3. Esquema del arreglo de láminas de mortero
1.1) PROBLEMAS DE HUNDIMIENTO DIFERENCIAL:
El hundimiento general de la zona del Palacio de Bellas Artes fue recopilado por el Prof. Leonardo Zeevaert, que completado con datos de los Ingenieros Barocio y Álvarez se pudo elaborar la gráfica de la Figura 4 (Zeevaert 1983, Barocio y Álvarez 1981), en la cual se observa que para 1980, la Alameda se había hundido 8.2 m y por su parte el Palacio de Bellas Artes acumulaba 7.5 m. Es interesante recordar que los Profesores Marsal y Mazari mediante la medición de las emersiones diferenciales de los demás pozos a profundidades de 79.68 y 157.97 m de profundidad, dedujeron el hundimiento regional en esa zona (Marsal y Mazari 1959). Ese pozo se perforó en la esquina sur del Palacio, seguramente para proporcionar el agua necesaria para la construcción.
Figura 4. Hundimiento regional integrando la información de L. Zeevaert, A. Boari y A. Barocio
Se desconocen los hundimientos iniciales, que seguramente se midieron a partir de 1904; sólo se sabe que construida la plataforma de cimentación se asentó diferencialmente 7.3 cm. Para el año de 1907 estaba "casi concluida la estructura metálica"; las mediciones mostraron que ya tenía inclinación al poniente, “lo que hizo necesario reforzar los cimientos de ese lado”. Boari dio la siguiente explicación: "En ese año la plataforma se inclinó hacia el suroeste; algunos meses después varió la inclinación hacia el noroeste y desde entonces sigue esa dirección".
Para averiguar las causas del hundimiento se hicieron varios pozos alrededor de la plataforma, en los que se observaron variaciones en el nivel de agua, se observó que el agua corría con dirección noroeste, la cual coincidía con el hundimiento. Se interpretó que este flujo de agua lo causaban los trabajos de excavación de zanjas para el drenaje que se construía en la calle de Tacuba y se dedujo que ese era el origen del problema del hundimiento, cuando sólo pudo haber tenido una cierta contribución. Otro factor que indudablemente pudo tener mayor influencia fue el pozo profundo antes mencionado.
2) MARCO TEORICO:
ASENTAMIENTOS DIFERENCIALES EN EL PALACION DE BELLAS ARTES EN MEXICO
Dada la magnitud del asentamiento, son considerados de mayor trascendencia los asentamientos diferenciales o relativos, que se presentan en diversas partes de la estructura, que la magnitud del asentamiento total, si la totalidad de la superficie en un área de construcción, se asienta totalmente, no se presentan efectos a nivel estructural, pero por lo contrario, si los movimientos relativos se presentan en distintos sitios de la cimentación, originaran sobreesfuerzos en la estructura. Si estos asentamientos diferenciales son excesivos, pueden llegar a presentar agrietamientos severos e inclusive el colapso de la estructura.
Figura 5: Los extremos de la estructura, se asientan más que en el centro, formando grietas con ancho creciente hacia la parte superior de la estructura, ocasionando daños considerables. La expansión diferencial
del suelo, al ser mayor, en el centro que en los extremos, genera un efecto similar.
Figura 6: Los asentamientos en los extremos, se aprecian menos que en centro, produciendo compresiones acentuadas en la parte superior del edificio. Si las deformaciones son muy grandes, pueden generar fracturas
Figura 7: El asentamiento diferencial del extremo de un edificio largo, con respecto a otro no tan largo, puede generar grietas con la mayor abertura, hacia la parte superior, punto “C”.
Figura 8: El asentamiento, crece de manera gradual desde un extremo del edificio hasta el otro. Pudiendo inclinarse toda la estructura sin presentar agrietamiento alguno, en estructuras altas y esbeltas, las presiones no uniformes en las cimentaciones, son mayores del lado que se presenta el desplome, tendiendo a acentuar el
problema, mismo que se agrava con el transcurrir del tiempo.
2.1) ASENTAMIIENTOS EN LAS CIMENTACIONES:
Causas que originan asentamientos:
Los asentamientos, pueden ser producto de diversas causas, actuando de manera independiente, y en ocasiones la problemática se incrementa cuando estas se presentan de manera conjunta, sean algunas de las causas más comunes.
1. Variación en la estratigrafía del suelo; Una parte de la estructura puede estar
cimentada, en un suelo altamente compresible y la otra sobre material no compresible. Tales variaciones son realmente comunes, sobre todo en depósitos glaciares, en donde pueden encontrarse lentes de arcilla en material arenoso. En zonas de superficie rocosa irregular puede ocurrir que parte de la estructura se cimiente en roca sana y otra parte en roca meteorizada o en suelo compresible.
2. Variaciones en la carga de cimentación; Se presenta cuando no existe simetría en
forma y carga, es decir estas no se transmiten de manera igual, a lo largo de toda la superficie. Por ejemplo, en un edificio que posea una torre elevada en su parte central y alas laterales de menor tamaño, por ello debiera esperarse un asentamiento relativo entre la torre y las alas, a menos que se utilicen métodos especiales de cimentación para impedirlos.
3. Cargas grandes en áreas de cimentaciones flexibles; El asentamiento de grandes
placas flexibles de cimentación, o de áreas grandes cargadas incluyendo las cimentaciones independientes de un cierto número de columnas, construidas directamente sobre el suelo compresible, adopta una forma cóncava, cuyo asentamiento máximo se localiza al centro y el mínimo en las esquinas, ver Figura.
Figura 9: Formas de asentamiento en grandes zonas flexibles
4. Diferencias en el tiempo de construcción en la parte adyacente de una estructura.
Este problema se presenta cuando trascurridos varios años de haber sido construida una estructura se le añaden algunas cargas adicionales, podemos hacer mención la problemática que ha presentado la Catedral Metropolitana de la Ciudad de México, cuyo periodo de construcción fue de 237 años (1573-1810). Sea por eso el caso de que los asentamientos de consolidación de gran duración de la estructura primaria hayan concluido de manera definitiva, pero la nueva estructura (si posee igual carga de cimentación, que la original), continuara asentándose. Para impedir la deformación y agrietamiento entre estructuras nuevas y antiguas, es necesario tomar precauciones especiales a base de juntas verticales.
5. Variación en las condiciones del terreno; Una parte del área del edificio, puede haber
sido ocupada por una estructura de manera previa de gran peso, que ya haya sido demolida; o bien en un terreno con pendiente puede ser necesario eliminar un considerable espesor de la sobrecarga con la finalidad de nivelar el terreno. Estas variaciones repercuten en diferentes condiciones de presión, tanto antes como después de la carga presentando asentamientos y expansiones.
6. Variación en el contenido de agua del terreno; Por otra parte el agua que contiene el
terreno, incide de diversas maneras en el comportamiento de las cimentaciones; pudiendo generar sub-presiones, que requieren de ser consideradas durante el cálculo de la
estabilidad de la cimentación. La acción erosiva de corrientes de agua puede desestabilizar los mantos portantes. No debemos omitir que en cimentaciones profundas, se hace más delicado el diseño y proceso constructivo, dificultándose aún más con la presencia de capas acuíferas subterráneas o suelos inestables bajo niveles freáticos, el estudio de los procedimientos de construcción en cada caso requiere buscar una solución satisfactoria desde el punto de vista técnico, lo que puede llegar a ser complejo y delicado.
Clasificación general de causas de asentamientos totales y diferenciales
1. Cargas 1.1.1 Estáticas 1.1.2 Permanentes 1.1.3 Transitorias 1.2 Dinámicas 1.2.1 Vibración 1.2.2 Choque o impacto
2. Cambios en las características del suelo de cimentación 2.1 Acción del frió intenso
2.2 Acción del calor
2.3 Cambios de humedad del suelo
2.4 Descenso del nivel freático (equivalente a incremento de carga, generado por aumento del peso volumétrico del suelo).
3. Causas accidentales varias
3.1 Colapso o deformación de minas, cavernas, y conductos subterráneos. 3.2 Erosión subterránea producida por el agua
3.3 Derrumbes y deslizamientos plásticos (erosión geológica de la masa)
Skempton y Mc Donald, estudiaron el asentamiento de las estructuras, dividiendo en tres categorías los daños causados por los sentamientos:
1. Daño estructural; afecta tanto a la estructura, como su cimentación.
2. Daño arquitectónico; Afectación únicamente a los muros, losas y cubiertas. 3. Daño estructural y arquitectónico, simultáneo.
Tras estudiar, asentamientos en diversas estructuras, que han sufrido daño de menor a mayor magnitud, condujo a estos autores a concluir que el daño estructural, suele tener lugar cuando la distorsión angular (∆h), de dos columnas situadas en un tramo (l), exceda de 1/150, cuyo daño es perceptible en los acabados, suele ocurrir cuando la distorsión angular excede de 1/300. Fig. 10.
Figura 10: Asentamiento Diferencial de una Estructura
Para comenzar los trabajos de intervención, lo primero que se hizo fue indagar de manera minuciosa los antecedentes geológicos, geotécnicos, estratigráficos e históricos del área donde fue construido el Palacio de Bellas Artes. De esa investigación se obtuvieron los datos necesarios para conocer las características del terreno y los cimientos de la propia construcción, que resultaron ser únicos en cuanto a la constitución de los materiales del subsuelo. Con una exploración geotécnica exhaustiva se realizaron sondeos del suelo; la estrategia consistió en extraer muestras de este para conocer sus propiedades mecánicas y, con ello, verificar las características de cada estrato que se encuentra por debajo del edificio.
La ciudad de México y la zona metropolitana se asentaron una cuenca lacustre, formada por cinco lagos que se unían en época de lluvias. Todavía es posible encontrar algunos vestigios visibles de ellos en Xochimilco (DF) y Texcoco (estado de México). A la llegada de los colonizadores españoles, aunque los lagos cubrían una gran superficie, ya se encontraba en proceso de desecación, el cual se acentuó artificialmente durante la época colonial y buena parte del siglo XIX. El hecho de que la ciudad de México se haya fundado sobre un lago da idea del tipo de subsuelo que se encuentra debajo de ella, es decir, blando y con grandes mantos acuíferos.
Ambas condiciones han propiciado históricamente que las construcciones se hundan, ya sea por el reblandecimiento del suelo o por la extracción del agua para consumo. No solo las construcciones de la Colonia y las actuales presentan estos problemas, sino también las grandes construcciones prehispánicas.
¿Qué es un Hundimiento Diferencial?
Un hundimiento diferencial indica, a grandes rasgos, que cada parte de un inmueble se hunde de diferente manera, no al mismo ritmo, lo que causa en la mayoría de los casos mayor inestabilidad. El proceso histórico muestra por qué se originaron las irregularidades del suelo. Los terrenos que fueron cargados comprimieron los estratos arcillosos, y los convirtieron en puntos más resistentes o menos deformables que los que no soportaron construcciones anteriores al Palacio de Bellas Artes.
Algunas de estas construcciones fueron demolidas después para reutilizar el material pétreo, aunque el suelo que las soportaba ya estaba comprimido y dio lugar a puntos o zonas “duras”. Cuando hay amplios intervalos de tiempo entre las diferentes construcciones que fatigan el terreno, este se consolida y tiene mayor resistencia que los lugares que no fueron sometidos al proceso de compresión.
Entonces, en suelos blandos (no consolidados), las zonas que han sido menos cargadas en el pasado se convierten en las más deformables y son las que se hunden más rápidamente.
Hundimiento Diferencial
Uno de los principales problemas por atacar es que el hundimiento no uniforme hace que cada parte se mueva de manera diferente, es decir, unos lados de la construcción se desplazan, se deslizan o giran más que otros, lo que ocasiona que el edificio comience a agrietarse y a fracturarse, o incluso que algunas de sus partes se caigan, poniendo en riesgo su estabilidad e integridad.
Figura 7: Se aprecia la diferencia de espesor de esa hilada para absorber los desniveles que se estaban produciendo en la estructura a causa de los hundimientos diferenciales.
Mejoramiento del subsuelo con inyección de mortero:
Después del proceso de subexcavación se realizó la inyección de mortero al subsuelo, que fue otra de las grandes aportaciones que se hicieron durante la intervención al Palacio de Bellas Artes. Tuvo como objetivo específico lograr que el hundimiento sea uniforme, y así detener totalmente los hundimientos diferenciales o, al menos, conseguir que no fueran significativos, ya que de lo contrario la técnica de subexcavación resultaría ser solo un procedimiento correctivo al que se tendría que recurrir periódicamente. La inyección de mortero como procedimiento de prevención fue la técnica que evitó posibles hundimientos significativos futuros.
Con las primeras inyecciones de mortero al subsuelo del Palacio de Bellas Artes no se logró detectar ninguna evidencia para corroborar que la técnica funcionaba. Sin embargo, al pasar los años, los expertos lograron darse cuenta de que se había conseguido uniformar los hundimientos, como lo demuestra el buen estado en el que se encuentran la fachada y los elementos estructurales de la construcción.
Para corroborar la suposición de que la inyección podría solucionar los hundimientos diferenciales y probar la efectividad del mortero, se realizaron estudios teóricos y experimentales a mediados de 1997. Estos consistieron en inyectar esa mezcla en el lago de Texcoco, un sitio con un suelo cuyas características son parecidas a las del Centro
Histórico. Con ello se comprobó que podría lograrse la reducción de la compresibilidad del subsuelo y, por ende, detener los hundimientos.
1) Obras terminadas en la que se producen averías por defectos en las fundaciones y si es posible de acuerdo a la magnitud de las averías comunes qué hacer para reparar las fundaciones y las averías producidas. En caso contrario cuales fueron los daños producidos y sus consecuencias.
2) Obras en construcción en las cuales se producen fallas de fundaciones que se corrigen sobre la marcha y se llega a un buen resultado. En esos casos se describirá la forma en que se hicieron las correcciones.
3) Obras en que las fallas de fundación fueron debidas a la solución estructural elegida y/o a los procedimientos constructivos, y se describirán sus consecuencias sobre la obra y/o sobre el personal involucrado en la misma.
4) Estos ejemplos, por una razón de ética se describirán sin mencionar lugar ni autor, pero constituyen casos interesantes y que son ilustrativos para impedir el incurrir en futuros errores similares.
5) Algunos casos históricos y bien conocidos de fallas de fundaciones y la forma en que se encuentran actualmente, qué procedimiento se utilizó para controlarlos, si eso fue posible o no según la forma, y tipo de fallas.
Bajo otro aspecto las fallas de fundación pueden provenir por distintas causas:
1) Errores en el proyecto. Mala elección de la solución para un caso determinado. 2) Falta de exigencia en la exploración geológica. Generalmente la omisión no es del Geólogo sino el proyectista, al no comprender la relación entre la importancia de la obra y el alcance y forma de la investigación necesaria.
3) Hechos difícilmente predecibles como: deslizamientos, sismos en zonas de baja o nula sismosidad, sifonajes, etc.
4) En puentes, por socavaciones no bien previstas, en los desagües o magnitud de las crecidas.
Figura 6: Inyección de la mezcla de mortero
5) Fallas por punzonados en los patines de fundación. 6) Errores o accidentes en la construcción de pilotajes. 7) Accidentes que afectaron a personas.
Otros problemas de fundación que se han producido en edificios, se refieren a defectos en los patines o los pilotes.
En el caso de fundaciones directas pueden ser debidas al mal cálculo de los patines, a tener más carga que las tensiones admisibles del suelo al nivel de fundación, o por mal proyecto de los patines, que se perforaron por punzonado.
Así, en Punta del Este un edificio se hundió enteramente al fallar por punzonado el apoyo de los pilares en los patines. Es curioso observar como un edificio se puede hundir sin perder su forma, lamentablemente por una falla evitable teóricamente.
A veces hay hundimientos provocados por la lenta consolidación de todo el entorno de un edificio, como sucede en la ciudad de México.
Aquí se ve una imagen, el Museo de Bellas Artes de México, en donde el descenso en la calle de acceso y de todo el edificio alcanza a 3 metros.
CONCLUSIONES
La construcción del Teatro Nacional fue un proceso lento y muy irregular, se inició en noviembre de 1904 y fue perdiendo velocidad, hasta quedar detenido en 1916, permaneció abandonado durante casi 16 años, se reanudó su construcción en 1932 y se concluyó 2 años después.
Este lento proceso de construcción permitió que los daños estructurales, ocasionados por las deformaciones que fue sufriendo, pudieran ser reparados de manera casi imperceptible.
La inyección del subsuelo del Teatro ha sido injustamente calificada como un trabajo que no tuvo consecuencias benéficas, porque las mediciones de asentamientos hasta 1925 demuestran que a pesar de que continuó hundiéndose, se logró la uniformidad que explica su buen comportamiento estructural. El comportamiento actual del Palacio de Bellas Artes ratifica la afirmación anterior. Este caso de la Ingeniería Geotécnica, más que histórico es actual, porque demostró
la potencialidad de la inyección de morteros como una técnica útil para enfrentar la evolución de los hundimientos diferenciales de monumentos y edificios afectados por el hundimiento regional de la ciudad de México y fue la Catedral de México la primera beneficiada del rescate de esta información.
