ANÁLISIS
Autopsia a la
Torre de la Escollera Ante el maremágnum de informaciones que produce un “episodio desafortunado”¹ como el que generó este proyecto y las falsas imputaciones hechas a la ingeniería colombiana, y en particular a las estructuras metálicas, se hace necesario realizar un análisis de los sistemas de diseño y construcción que produjeron este hecho, para aprender de ellos y evitar que se repitan en el futuro. Luis Garza V. Juan Carlos Orozco F.
1. La Torre de la Escollera, pronunciamiento de la Sociedad Colombiana de Ingenieros, revista Construcción Metálica No. 5, Legis, Bogotá, 2008.
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Torre con disTorsión
L
disTorsión en el piso 28
fig. 1. falla en el nivel 28
a Torre de la Escollera, cuya construcción se inició en 2005, sería el edificio
más alto de Colombia. Su imagen, con 58 pisos y 206 m, causaría gran impacto en el moderno paisaje de Bocagrande, en Cartagena. Sin embargo, durante las obras, el 13 de mayo de 2007, cuando la torre llevaba 50 pisos, un vendaval con vientos del orden de 40 km/h causó una distorsión significativa que provocó una Inclinación de 1 m con su mayor curvatura en el piso 28. El comportamiento deficiente de las conexiones viga y columna típicas de la estructura (figuras 1 y 2), a causa de las altas concentraciones de esfuerzo (Construcción Metálica No. 5), se demostró en ensayos de laboratorio a escala natural² para conexiones del mismo tipo, cuya tipología de falla se asimila con el caso en estudio (figuras 3 y 4). Estas tipologías de uniones son, por desgracia, muy comunes en Latinoamérica. El edificio, finalmente, tuvo que ser desmontado debido a la intervención de las autoridades con la asesoría y el seguimiento que hizo la Sociedad de Ingenieros y Arquitectos del departamento de Bolívar, y ante el fracaso comercial que hubiera representado insistir en su reparación y terminación por la desconfianza generada en el público.
fig. 2. falla en el borde de la aleTa y esquina de columna
fig. 3. concenTración de esfuerzos en conexión
Causas de la falla En los medios de comunicación del país el caso se divulgó ampliamente, estableciéndose como causa principal de la falla el hecho de no haber instalado los arriostramientos y las losas que se proyectaron inicialmente (El Tiempo, mayo 20 de 2007) que, aunque variaron su conformación a lo largo del proyecto, estuvieron incluidos en el diseño de los últimos planos y memorias de cálculo de un mes antes del evento. La figura 5 muestra la planta estructural y cortes por algunos ejes, respectivamente. El eje 1 no se muestra pues por ser la fachada con vista al mar no tenía diagonales.
fig. 4. falla Típica en ensayo de laboraTorio
2. Garza L., Cano D., Mazo A., Posada J., Pabón C., Ensayo de conexiones de pórticos resistentes a momento típicas en Colombia, IX Simposio Internacional de Estructuras de Acero, San Luis Potosí, México, 2007.
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A
B
C
D
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Al margen de las razones que se tuvieron para posponer la instalación de las riostras y las losas durante la construcción, el objetivo central de este artículo es capitalizar este “ensayo a escala natural” de las conexiones, como sucedió con los eventos sísmicos ocurridos en Northridge, EE. UU. (1994) y en Kobe, Japón (1995), para reflexionar sobre los criterios de diseño y construcción de las estructuras de acero.
La rigidez de los nudos Eje 2
Eje 3
Eje A y D Eje B y C
fig. 5. planTa esTrucTural y configuración esTrucTural original
Como se mencionó al comienzo, en Latinoamérica se utiliza mucho la conexión de viga laminada a columna en cajón (figura 6). De acuerdo con lo demostrado en los ensayos, el comportamiento de esta conexión es más parecido al de una articulación, ya que su resistencia es inferior al momento plástico nominal (Mp) y, por consiguiente, mucho menor al momento plástico esperado (Mpe), el cual se obtiene en realidad, ya que los aceros siempre tienen resistencia a la fluencia (Fy), mayor que la mínima especificada por las normas de fabricación ASTM (figura 7). De igual manera, las rotaciones de las vigas son muy grandes, mientras que las de la columna son prácticamente nulas (figura 8). El patrón de rotura de las figuras 1, 2 y 3 no depende de la soldadura del cajón, ya que el ensayo realizado en laboratorio no tenía soldadura en las esquinas, por lo que no se puede adjudicar este tipo de falla a la defectología de este tipo de material, así hubieran sido ejecutadas con la mejor de las técnicas y el máximo control de calidad. El comportamiento de articulación de esta clase de unión es más inherente al detallado de la misma. Sin embargo, es frecuente que la modelación de la unión para efectos de análisis estructural se realice como si fuera rígida. El hecho que el comportamiento fuera flexible explica por qué en la figura 5 la deformación corresponde más al de una columna en voladizo (figura 9) que a una columna con sistema aporticado y uniones rígidas resistentes a momento (figura 10).
fig. 6. conexión Típica en laTinoamérica
fig. 7. curva de HisTéresis para conexión Típica
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Para nuestro caso, y a manera de ilustración, si se modela el estado de construcción sin riostras, con nudos rígidos para las cargas de viento de la NSR-98 y vientos de 40 km/h actuando sobre un 20% del área del edificio, pues no tenía fachadas, se hubiera obtenido una situación similar a la que se muestra en la figura 11, con demandas de rotación muy bajas. La deriva máxima sería, en este caso, 0.07%. Con los nudos articulados, como se presume fueron en realidad, la situación sería más parecida a las figuras 12 y 13 con demandas de rotación muy grandes y derivas máximas para estado de construcción del 0.76%, es decir, 10 veces mayores que si los nudos hubieran sido rígidos. La concordancia de este modelo con la realidad se puede confirmar por el hecho de que la mayor curvatura se requería en el nivel 28 (figura 13), justo la zona que colapsó.
Lo anterior permite insistir en la importancia que tiene materializar las hipótesis de diseño en la construcción. Realizar un nudo con comportamiento rígido implica un detallado especial en planos y ejecución. No se pueden delegar en el operario de soldadura, por muy calificado y supervisado que sea, las decisiones de detallado de las conexiones en estructuras de acero. Realizar una conexión rígida es posible con la implementación de conexiones calificadas en laboratorio. No debe confundirse, entonces, la calificación de la conexión con la del soldador, como tampoco la del procedimiento o la de la junta. Como ejemplo, el AISC publicó un manual de conexiones calificadas³, aplicado a sistemas resistentes a momento formados con perfiles laminados tipo W en las columnas, que no corresponden a la tipología común en Latinoamérica. Una alternativa para esta conexión es construir placas de continuidad o diafragmas interiores en la columna tubular, con soldaduras de penetración completa, justo en la posición de las aletas. Esta configuración, en la práctica, tiene serios inconvenientes de fabricación, incluido el que sólo pueda hacerse conexión resistente a momentos en un solo sentido.
fig. 8. rigidez de conexión Típica
Con lo anterior, se resalta la importancia de diseñar y calificar este tipo de conexiones (figura 14) basados en los avances al respecto que ya se han realizado o se están desarrollando en Colombia4,5,6.
Las riostras Con el fin de aclarar la importancia de las diagonales en el control de las deformaciones, se mencionará el probable comportamiento de la construcción en caso de que se hubiesen instalado las riostras con nudos articulados. De haber sido así, las derivas tendrían que haber sido del orden del 0.03% durante la construcción. Es decir que las deformaciones, por la manera como se construyó fueron 25 veces mayores que las que se hubieran dado con las riostras (figura 15). Con riostras y nudos rígidos el comportamiento hubiese sido mejor, pues las derivas del orden del 0.025% se habrían reducido un 20% durante la construcción (figura 16). Esto resalta la importancia de estudiar los estados de construcción en las estructuras de acero.
fig. 9. pórTico arTiculado
fig. 10. pórTico rígido
fig. 11. deformaciones sin riosTras y nudos rígidos
Comparativo de derivas para diferentes estados de construcción Configuración
Deriva máxima (%)
Con riostras y nudos rígidos
0.02
Con riostras y nudos articulados
0.03
Sin riostras y nudos rígidos
0.07
Sin riostras y nudos articulados
0.76
fig. 12. deformaciones sin riosTras y nudos arTiculados 3. Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications, ANSI/AISC 358-05, Chicago Ill., 2005. 4. Uribe M., Valencia G., Calificación de una conexión rígida de una viga I y una columna tubular rellena de concreto bajo la acción de cargas dinámicas, Tesis de maestría, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, 2008. 5. Acero H, Guerrero P., Precalificación de una conexión soldada a momento viga-columna para aplicaciones en edificios metálicos, Tesis de Maestría, Universidad del Valle, Cali, 2005. 6. Pavón, C., Posada J.C., “Diseño y ensayo de Conexiones Viga - Columna en Estructuras de Acero, Tesis de Pregrado, Universidad Nacional de Colombia, Medellín, 2004.
ANÁLISIS Demanda de rotación Modelo sin riostras y vigas articuladas
Los diafragmas No se puede dejar de mencionar que la presencia de diafragmas formados por las losas, con sus respectivos conectores de cortante, es crítica para garantizar la transferencia de cargas horizontales a los pórticos arriostrados.
70 60 50 Nivel
40 30 20 10 0 0
0.1
0.3
0.2 0y (rad)
fig. 13. roTaciones sin riosTras ni nudos arTiculados
0.4
0.5
En efecto, la ausencia de estos diafragmas en la mayoría de los niveles dio como resultado que cada pórtico actuara como una estructura independiente, renunciando a la conveniencia de compartir las cargas entre varios de ellos. Cabe mencionar que en los análisis estructurales mostrados, basados en el modelo original del diseñador y sus variaciones, se consideró que las losas estaban vaciadas y conectadas convenientemente. En cualquier caso, el peso de las losas habría sido favorable para contrarrestar los momentos de volteo generados por las fuerzas de viento.
Conclusiones
fig. 14. deformaciones con riosTras y nudos arTiculados
fig. 15. deformaciones con riosTras y nudos rígidos
La causa principal de la falla de la Torre de la Escollera fue la ausencia de riostras y losas durante su montaje, así como la falta de rigidez de los nudos de conexión. Desde el punto de vista constructivo, se resalta una vez más la importancia de analizar los estados de construcción con todo el rigor de un diseño independiente, dándolo a conocer a los participantes del proyecto mediante un procedimiento de montaje. Se debe hacer énfasis en la utilización de conexiones calificadas con base en protocolos de ensayos a escala real, que demuestren que su comportamiento será el adecuado. Al respecto existe amplia literatura y se hacen investigaciones y desarrollos en Latinoamérica para adaptarla a nuestras realidades constructivas. El ingeniero diseñador debe tener el control sobre el diseño de las conexiones, detallándolas cuidadosamente en los planos, para que se puedan aplicar los sistemas constructivos y de control de calidad que hacen de la estructura de acero un sistema confiable. Es posible construir estructuras seguras con acero estructural, como se ha hecho y se sigue haciendo, lo cual demuestra que en Colombia existe la tecnología y el conocimiento para desarrollarlas.
Autores Luis Garza Vásquez. Ingeniero civil y maestro en Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México. Profesor del posgrado de Estructuras en la Universidad Nacional, Sede Medellín. Director de Inhierro S. A. y Director del Subcomité de Estructuras Metálicas para la actualización de la Norma NSR-98. Juan Carlos Orozco Fonnegra. Ingeniero civil de la Universidad Nacional de Colombia, Medellín. Maestro en Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México. Ingeniero del departamento de diseño de Inhierro S. A. fig. 16. diafragma formado por la losa
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