JUSTIFICACIÓN

Uno de los principales iconos de nuestra ciudad es la catedral basílica, la cual se encuentra emplazada en el centro de la ciudad y quien ha sido testigo precencial de muchos eventos históricos que han sucedido en nuestra ciudad a lo largo del tiempo, quizás por ello a la hora de evaluarla como una estructura de frío concreto nos podamos quedar cortos, pues este es uno de esos casos en los cuales la lúgubre mezcla de materiales pétreos, agua y cemento, han pasado a convertirse parte de nuestro ser e idiosincrasia.

En el presente texto pretendo, más que realizar una reseña histórica o un análisis netamente estructural, el tratar de dar a entender el por qué fue importantísimo el hecho que a la catedral se le realizaran estudios de vulnerabilidad y reforzamiento estructural, no solo desde el punto de vista de un ingeniero, sino desde el punto de vista de una persona que siente como suya esta maravilla de la ingeniería en la cual se pusieron a prueba el tesón de nuestra raza caldense y la pericia de sus diseñadores y constructores a la hora de llevar a cabo tan magna empresa.

CARACTERÍSTICAS

Panoramica Catedral Desde La Gobernación.

La Catedral basílica de Manizales, única en su género en América, fue diseñada por el arquitecto francés Julian Polty, jefe de monumentos históricos de París, entre 1927 y 1928, es de un estilo neogótico y remplazó a la antigua catedral que tenía la ciudad, la cual se perdió en el incendio de 1926. La construcción se realizó entre los años 1929 y 1939 por la firma Papio, Boyarda & Co. en “cemento armado”, considerándose como la segunda obra maestra de la arquitectura colombiana en concreto. Se trata de una obra pionera en el empleo del concreto reforzado, pues en la época en que se llevó a cabo su construcción este sistema tan solo llevaba veinte años de conocido, razón por la cual se hace aún más notable la capacidad de los caldenses para emprender empresas en las cuales otros dudarían. En los años 1938 (el templo aún se encontraba en su etapa de construcción), 1962, 1979 y 1999 la estructura de la catedral sufrió las inclemencias de terremotos importantes, los cuales dejaron su huella e hicieron temer por la seguridad del mismo. Teniendo en cuenta lo anteriormente expuesto se promovió la realización de los estudios para la rehabilitación sismorresistente de la Catedral, con el fin de proteger este templo declarado Monumento Nacional en 1981. Para tal fin se hizo acopio de lo último en tecnologías con que contábamos en nuestro medio, diseño virtual, análisis mediante elementos finitos, entre otros, los cuales dieron como respuesta la necesidad de intervenir la aguja central, el control de la estabilidad de las cuatro agujas perimetrales o esquineras y la realización de varios muros estructurales adosados en puntos estratégicos con el fin de reforzar la estructura y así asegurar su óptimo funcionamiento.

Para la realización de los estudios estructurales los ingenieros se basaron en los planos originales del arquitecto Julian Polty, los cuales reposan en el Fondo Cultural Cafetero, teniendo como base dichos planos se procedió a la creación de un modelo virtual mediante la modelación de mallas de discretización tridimensional en elementos finitos, con fines de llevar a cabo un análisis estructural completo del edificio y tratando de identificar los puntos que hacen vulnerable a la estructura ante la incidencia de un nuevo sismo. También fue necesario un estudio de carácter histórico para comprender en que forma se llevó a cabo la construcción, para ello se hizo necesario referirse a los diarios de la época, pues es la única manera que encontraron los investigadores para determinar con exactitud los períodos en que fue construido el templo. De igual manera se realizó un estudio de los materiales y sistemas de construcción empleados para la edificación de la Catedral, tratando de ver su idoneidad.

Para la caracterización de los materiales que fueron empleados en la estructura se llevaron acabo ensayos de tipo semi-destructivo y no destructivo, los cuales fueron practicados directamente sobre la estructura o en laboratorios sobre muestras tomadas de la misma. Dichos ensayos arrojaron como resultado lo siguiente:

• En dichos ensayos se encontró una gran variación respecto a la resistencia de los mismos a los esfuerzos de compresión, fue así como se pudieron encontrar valores de
  mayores a
  y otros con resistencias inferiores o muy cercanas a
  .

• Otro ensayo que se llevó a cabo en los elementos estructurales fue el de medir la carbonatación (pérdida de pH) para tratar de medir la durabilidad residual de un numero representativo de elementos de la estructura.

• Además se tomaron muestras secas a las cuales se les midieron los contenidos aproximados de materia orgánica y cuantía de cemento.

• Otro ensayo tenía como protagonista el aparato Sattec, el cual permitió la medición de la resistencia del concreto a esfuerzos de tensión directa (cohesividad del soporte) en varios puntos de la estructura.

• También se tomaron mediciones del potencial de corrosión y núcleos de concreto para verificar la resistencia del mismo a la compresión.

Tomando como base los resultados obtenidos de esta serie de ensayos se llegó, por parte de los expertos, a la conclusión que en la Catedral de Manizales la profundidad de la carbonatación del concreto fue el fenómeno predominante en las evaluaciones, incluso en muchos casos ha sobrepasado el acero de refuerzo y aunque no se aprecia una gran actividad corrosiva se estima que su desarrollo no debe ser muy demorado ya que las condiciones son las propicias para este suceso, y de presentarse este fenómeno en masa se estaría ante la pérdida total de la estructura por lo difícil y costoso que podría ser su arreglo, es por ello que se abocó por una intervención rápida que permitiera a los ingenieros poder emprender la recuperación del templo cuanto antes y así poder dar una solución pronta y efectiva a fenómenos que no dan espera, tal como es el de la carbonatación.

Basados en todos los hechos anteriormente expuestos los ingenieros procedieron a la modelación virtual del templo y sometiéndolo a un sismo de diseño dieron las recomendaciones para el buen desempeño de la estructura en un futuro.

Para la definición de la geometría del templo se utilizó el programa ANSYS versión 5.0, el cual se encuentra instalado sobre sistema UNÍS en el Centro de Computación Avanzada para Ingeniería MOX de la Universidad de los Andes. Después de la definición del tipo de elemento, se procedió a la construcción del modelo aprovechando los recursos gráficos de que dispone el programa ANSYS, como es la inserción de elementos, el acoplamiento de los mismos y el auto mallado. Esta última herramienta permite que se pueda mallar o hacer particiones de elementos para densificar la red de los mismos, es decir, se realiza un análisis de tipo discrecional, en el cual se evalúan elementos, y después de tener el análisis de todos los elementos que componen la estructura, se define cual será el comportamiento de esta última, siendo este el resultado del comportamiento particular de cada uno de los elementos que la componen por separado (Teoría de elementos finitos).

Para la construcción del modelo en lo que se refiere a la parte geométrica fue necesario utilizar 6.437 nodos, 8.738 elementos tipo shell y 108 elementos tipo beam.

El peso total se estimó en 13.000 toneladas y para definir las cargas se trasladó el modelo al programa Sap2000 Non-Linear versión 6.11. Se utilizó un tipo de análisis por eigenvectors para los 10 primeros modos de vibración de la estructura y se realizó un análisis espectral utilizando un espectro de respuesta obtenido del análisis de un modelo unidimensional del suelo.

En este punto es bueno aclarar que para obtener los datos de entrada para los programas que se encargaron de evaluar el comportamiento del suelo sobre el cual se encuentra la catedral se obtuvieron mediante perforaciones hechas en el sitio, las cuales alcanzaron profundidades que oscilaron entre 27 metros y 36 metros, de las cuales se obtuvieron las muestras que posteriormente fueron sometidas a ensayos tradicionales y ensayos dinámicos especiales como son los triaxiales cíclicos, los cuales permitieron evaluar el terreno de una forma óptima para así obtener también óptimos resultados. Con los datos obtenidos se procedió a la obtención del espectro de amplificación del depósito, el cual permitió establecer que el período fundamental del mismo está entre 1.0 y 1.3 segundos.

El siguiente paso a seguir por quienes realizaron el estudio fue realizar el análisis estructural como tal, pero para ello debieron simular la degradación de rigidez que tenía la catedral en el momento de realizar el estudio, porque tal y como se mencionó anteriormente, el templo desde que se finalizó su construcción en 1939 ha sufrido el embate de la naturaleza en repetidas ocasiones, razón por la cual presentaba un debilitamiento a nivel estructural, el cual debía ser tenido en cuenta para poder saber la forma exacta como reaccionaria la estructura en el estado en el que se encontraba. Para el efecto se introdujo al modelo tridimensional un espectro de respuesta equivalente al de un sismo de características similares al que ocurrió en la región en el mes de noviembre de 1979, el cual presentó una magnitud de 6.7 y tubo su epicentro a una distancia de 100 kilómetros. De esta manera se logró simular la acción del último sismo que afectó notablemente la edificación y su estructura. Conocidos los esfuerzos causados, se “agrietaron” o ablandaron las partes de mayor concentración de los mismos, logrando una representación de las condiciones de la resistencia y rigidez y el comportamiento no-lineal que tenía la edificación al momento de realizarle todos los análisis pertinentes.

Después de realizado este paso se procedió a introducir un espectro de respuesta de acuerdo con las características de los sismos esperados de diseño en la zona y así determinar el grado de vulnerabilidad que tenía la edificación en el estado en que se encontraba al momento de realizar los análisis. Un análisis del comportamiento dinámico de la aguja central se realizó con el fin de verificar los resultados obtenidos mediante este procedimiento.

Comparando los valores de los períodos de vibración obtenidos del modelo con los medidos mediante instrumentación y registro de vibraciones se pudo encontrar coincidencias que indican que con la utilización de un modelo elástico y la definición de un patrón de agrietamiento simulado por sismos previos, es posible valorar de manera simplificada el comportamiento inelástico de la estructura al momento de realizar el análisis.

Como se puede interpretar, este método, permitió a los ingenieros el prever y analizar de manera detallada la estructura, pues pasaron de modelar la estructura, basándose en los planos originales, para después, mediante las ayudas informáticas, inducir esta a un sismo que en realidad ocurrió y con este pasar a “introducir” las averías que sufrió la estructura para luego, ya teniendo la construcción en un estado de debilitamiento volver a afectarla con los sismos de diseño (los cuales se espera sufra la estructura sin llegar a colapsar o amenazar ruina), los cuales permitieron a los analistas dar las recomendaciones del caso para ver donde se hacia necesario reforzar la estructura para su adecuado funcionamiento. De este análisis concienzudo fue de donde surgieron las recomendaciones de construir 8 muros ortogonales, reforzar la aguja central, las cuatro torres perimetrales y de reforzar la cimentación de la estructura, obras que posteriormente se ejecutaron.

Una vez modelada la respuesta dinámica e la estructura en la cual se pudo determinar los esfuerzos en toda la estructura y por lo tanto los sitios críticos o que pueden se insuficientes para atender acciones sísmicas más severas, se llevó a cabo un análisis de interacción suelo-estructura con el fin de estimar cómo se amplía el período de vibración de la estructura y cómo se relaja su comportamiento.

Detalle de muro estructural en el costado occidental (Cll 22)

Para el grupo consultor, los resultados de estos estudios indican que los muros de al Catedral se han fisurado o agrietado en sismos anteriores debido a que actúan prácticamente en forma desacoplada. Los agrietamientos se han presentado precisamente porque no existe la capacidad en los muros de la estructura para moverse monolíticamente en un solo conjunto. La mayoría de los agrietamientos se han presentado por la insuficiencia de los mismos para soportar fuerza cortante. Dado que la cimentación es un sistema de nervaduras, algunas de las cuales son poco rígidas por sus acartelamientos, permite adicionalmente, ante la acción de un sismo, que los muros giren o roten por falta de empotramiento.

Del anterior párrafo se desprende el hecho de que en el momento en que se concibió el templo, ni diseñador, ni el calculista tuvieron en cuenta el hecho de que su edificio se construiría en una zona sísmicamente activa, claro que esto no es un error atribuible a estos personajes, pues en su época se calculaban las estructuras para soportar única y exclusivamente fuerzas gravitacionales, no empujes o esfuerzos de tipo lateral, por eso la ingeniería sísmica es un arte que se encuentra, aún hoy en día, en proceso de nacimiento, pues es aún mucho lo que queda por entenderse, cosas como ¿por qué dos estructuras construidas en un mismo sitio y con especificaciones iguales presentan comportamientos tan disímiles ante un evento sísmico?.

En esta foto se puede apreciar la torre perimetral reconstruida ( parte derecha de la fotografía)

Por otra parte, el movimiento de la aguja central, que tiene un peso del orden de 3.500 toneladas, induce esfuerzos muy notables en la base de la misma cuando vibra ante la acción de un sismo. Dado que existe un sitio cerca de la base donde la placa plegada que la conforma se apoya en un grupo de columnas cuyo refuerzo podía ser insuficiente para absorber los esfuerzos de tracción se consideró que esta zona era crítica y debía ser reforzada.

También pudo ratificarse que las torres o agujas esquineras, que fueron reforzadas mediante estructura metálica interior, no estaban adecuadamente ancladas, ofreciendo una alta posibilidad de inestabilidad en caso de la ocurrencia de un sismo severo.

Detalle del refuerzo que se le hizo a las torres perimetrales

Mediante el empleo de estructuras metálicas

Notese la serie de “heridas” que presenta el concreto en su parte

Exterior y los “remiendos” a los cuales ha sido sometido

El estudio estableció que era necesario reforzar la estructura para mejorar el comportamiento ante las cargas laterales mediante ocho (8) muros estructurales ortogonales nuevos ubicados en la periferia en los sitios considerados de mayor eficiencia para efectos estructurales y en donde no se causaran mayores cambios en la arquitectura original de la edificación.

Detalle de las varillas que sirven de anclaje a manera de tensores

Para evitar un fututo vuelco ante la incidencia de un sismo de

Proporciones mayores

Estos muros podrían remplazar los existentes hasta el momento del análisis, pero debido a las dificultades que esto implicaba para la construcción se optó por que fueran construidos adosados mediante anclajes a los muros existentes allí ubicados. Esta situación, aunque modifica de manera menor la fachada, era preferible dado que las cargas verticales siguen siendo trasladadas a la cimentación por los muros existentes. Por otro lado se evitaron grandes dificultades y riesgos en el proceso constructivo, pues en caso contrario habría sido necesario sostener temporalmente grandes cargas tanto verticales como de los empujes de los arcos que allí convergen.

Los nuevos muros cuentan con elementos de borde capaces de soportar los momentos que se generan en caso de sismo y llegan a la cimentación apoyándose sobre una nueva viga de cimentación alta, ubicada debajo de la cimentación preexistente, que a su vez se encuentra apoyada sobre caissons que garantizan el empotramiento n no giro de estos nuevos muros.

La torre central se intervino en su base mediante seis pantallas de refuerzo adosadas a la placa plegada que conforma la aguja. De esta manera se mejoró la capacidad de la estructura en la base de la torre para soportar esfuerzos a tracción cuando la misma está sometida a fuerzas laterales causadas por un sismo.

Nótese el poco impacto que generó en la fachada la construcción

De los muros estructurales que reforzaron la estructura original

Igualmente, para mejorar la estabilidad de las torres o agujas esquineras, se ha dispuesto una conexión mediante varillas especiales de gran diámetro que conectan la base de la estructura metálica interna de refuerzo de las torres con una nueva viga localizada en la cimentación a la cual deben ir ancladas. De esta forma estas nuevas varillas actúan como un tensor (pasivo) que impide el vuelco de la torre en caso de un sismo de grandes proporciones.

BIBLIOGRAFIA

• Revista Noticreto. Vol 55. Pág. 58 - 68

• Manizales Fin De Siglo. Matilde Santander Mejía, German Velásquez Angel. Primera Edición, 1994. Editorial Colina.