ASENTAMIENTO DIFERENCIAL EN EL PALACIO DE BELLAS ARTES DE MEXICO

RESUMEN: La construccin del Teatro Nacional, actual Palacio Nacional de Bellas Artes, se inici en 1904, se detuvo durante 12 aos y reanud en 1932, para ser inaugurado dos aos despus. El diseo original de la cimentacin fue del Ing. Gonzalo Garita, pero despert incertidumbres que justificaron la participacin del Ing. William H. Birkmire.

La estructura empez a sufrir asentamientos casi desde el inicio de su construccin, Birkmire los trat de aminorar recomendando colocar perimetralmente una tablestaca de acero, pero como su influencia fue despreciable Adamo Boari decidi inyectar el subsuelo con morteros, afirmando que se haca en Pars y en Nueva York, lo que era incierto; de seguro supo que era una prctica usual en la ciudad de Mxico, quiz el primer caso de ese ingenio fue en 1881 para corregir el comportamiento de la Estacin del Ferrocarril Mexicano, en Buenavista.

La inyeccin del subsuelo se realiz en 5 etapas, sus resultados fueron confusamente interpretados y se juzg como un trabajo sin consecuencias, no se comprendi que continu hundindose, pero que se logr 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 Mxico, fenmeno que genera los asentamientos que afectan y destruyen paulatina e inexorablemente edificios e instalaciones de la ciudad. Sin duda, el caso ms connotado de ese enfrentamiento fue el del Teatro Nacional, actual Palacio de Bellas Artes, ambicioso proyecto que desde su diseo y construccin mereci la participacin de los mejores Ingenieros del pas y del extranjero.

Los hundimientos diferenciales se advirtieron desde 1906, a la conclusin de su plataforma de cimentacin. Para finales de 1908 la situacin era alarmante, por ello a partir de 1910 y hasta 1925 se ensay endurecer el subsuelo bajo el Teatro, mediante campaas de inyeccin, primero de lechada de cemento y despus 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 Estacin del Ferrocarril Mexicano, en Buenavista, Figura 1, dado que haba sufrido asentamientos. Se ha encontrado informacin sobre otros dos casos de aplicacin de esta tcnica; sin embargo, sobre ese primer trabajo para reducir los asentamientos diferenciales de un edificio en la ciudad de Mxico de hace 131 aos no se ha encontrado informacin.Sobre la efectividad de la inyeccin del subsuelo hubo mucha polmica, el fenmeno del hundimiento regional no haba sido entendido, no se contaba con referencias topogrficas confiables, adems, la carencia de conceptos geotcnicos impidi tener un anlisis racional. El caso perdi actualidad, la turbulencia poltica de esos aos redujo el inters por el tema. Finalmente, el Teatro Nacional qued inconcluso. La informacin tcnica fue archivada y slo predomin el injusto juicio de que "la inyeccin no haba servido".

Figura 1. Estacin del ferrocarril Mexicano construida en 1875, se inyect su subsuelo en 1881, para combatir los hundimientos y fisuras que sufra

En 1930 se reanud la construccin del Teatro que, a su inauguracin en 1934 se le denomin Palacio de las Bellas Artes, Figura 2. Desde entonces este bello monumento siempre ha servido para ilustrar el fenmeno de hundimiento, aadiendo falsamente que su integridad estructural se debe a su "rgida cimentacin", pues nunca se ha reconocido la influencia de la inyeccin en el comportamiento de la cimentacin, ni se le ha valorado como una adelantada aplicacin tcnica.

Figura 2. Dibujo elaborado en 1984 por Mayolo Ramrez Ruz, para el 50 Aniversario del Palacio de Bellas Artes.La tcnica de inyeccin de morteros en los suelos arcillosos blandos induce el fenmeno del fracturamiento hidrulico, se forman as delgadas placas de mortero verticales con ocasionales lentes horizontales en los estratos permeables. Al inyectar en una retcula de puntos se conforma en el rea inyectada un arreglo de lminas duras y paralelas, alternadas con franjas de suelo blando, Figura 3. Como consecuencia esa rea tratada ser 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 recopilacin comentada de los documentos consultados en el Archivo General de la Nacin que sobre el Teatro Nacional, entre los aos 1902 y 1925, son valiosos testimonios del caso, que aunque tiene muchos vacos de informacin, confusiones e incongruencias; aun as, el material reunido demuestra que este caso de la Ingeniera Geotcnica, ms que histrico es actual, porque demuestra la potencialidad de la inyeccin de morteros como una de las pocas posibilidades tcnicas para enfrentar los problemas de monumentos y edificios afectados por el hundimiento regional de la ciudad de Mxico. Esta experiencia, casi olvidada, fue recuperada y publicada en el libro Palacio de Bellas Artes (Santoyo el al, 1998), compendio que sirvi como testimonio tcnico para demostrar la utilidad de la inyeccin del subsuelo para mejorar el comportamiento del subsuelo de la Catedral Metropolitana (Santoyo y Ovando, 2008).

Figura 3. Esquema del arreglo de lminas de mortero1.1) 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 lvarez se pudo elaborar la grfica de la Figura4 (Zeevaert 1983, Barocio y lvarez 1981), en la cual se observa que para 1980, la Alameda se haba 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 medicin de las emersiones diferenciales de los dems pozos a profundidades de 79.68 y 157.97m de profundidad, dedujeron el hundimiento regional en esa zona (Marsal y Mazari 1959). Ese pozo se perfor en la esquina sur del Palacio, seguramente para proporcionar el agua necesaria para la construccin.

Figura 4. Hundimiento regional integrando la informacin de L. Zeevaert, A. Boari y A. BarocioSe desconocen los hundimientos iniciales, que seguramente se midieron a partir de 1904; slo se sabe que construida la plataforma de cimentacin se asent diferencialmente 7.3 cm. Para el ao de 1907 estaba "casi concluida la estructura metlica"; las mediciones mostraron que ya tena inclinacin al poniente, lo que hizo necesario reforzar los cimientos de ese lado. Boari dio la siguiente explicacin: "En ese ao la plataforma se inclin hacia el suroeste; algunos meses despus vari la inclinacin hacia el noroeste y desde entonces sigue esa direccin".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 observ que el agua corra con direccin noroeste, la cual coincida con el hundimiento. Se interpret que este flujo de agua lo causaban los trabajos de excavacin de zanjas para el drenaje que se construa en la calle de Tacuba y se dedujo que ese era el origen del problema del hundimiento, cuando slo pudo haber tenido una cierta contribucin. 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 rea de construccin, 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 cimentacin, 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 ms que en el centro, formando grietas con ancho creciente hacia la parte superior de la estructura, ocasionando daos considerables. La expansin 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 por cortante, ya sean horizontales o inclinadas y grietas de traccin, hacia la parte inferior.

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 problemtica se incrementa cuando estas se presentan de manera conjunta, sean algunas de las causas ms comunes.

1. Variacin en la estratigrafa 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 depsitos 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 cimentacin; Se presenta cuando no existe simetra 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 tamao, por ello debiera esperarse un asentamiento relativo entre la torre y las alas, a menos que se utilicen mtodos especiales de cimentacin para impedirlos.3. Cargas grandes en reas de cimentaciones flexibles; El asentamiento de grandes placas flexibles de cimentacin, o de reas grandes cargadas incluyendo las cimentaciones independientes de un cierto nmero de columnas, construidas directamente sobre el suelo compresible, adopta una forma cncava, cuyo asentamiento mximo se localiza al centro y el mnimo en las esquinas, ver Figura.

Figura 9: Formas de asentamiento en grandes zonas flexibles

4. Diferencias en el tiempo de construccin en la parte adyacente de una estructura. Este problema se presenta cuando trascurridos varios aos de haber sido construida una estructura se le aaden algunas cargas adicionales, podemos hacer mencin la problemtica que ha presentado la Catedral Metropolitana de la Ciudad de Mxico, cuyo periodo de construccin fue de 237 aos (1573-1810). Sea por eso el caso de que los asentamientos de consolidacin de gran duracin de la estructura primaria hayan concluido de manera definitiva, pero la nueva estructura (si posee igual carga de cimentacin, que la original), continuara asentndose. Para impedir la deformacin y agrietamiento entre estructuras nuevas y antiguas, es necesario tomar precauciones especiales a base de juntas verticales.

5. Variacin en las condiciones del terreno; Una parte del rea 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 presin, tanto antes como despus de la carga presentando asentamientos y expansiones.

6. Variacin 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 clculo de la estabilidad de la cimentacin. La accin erosiva de corrientes de agua puede desestabilizar los mantos portantes. No debemos omitir que en cimentaciones profundas, se hace ms delicado el diseo y proceso constructivo, dificultndose an ms con la presencia de capas acuferas subterrneas o suelos inestables bajo niveles freticos, el estudio de los procedimientos de construccin en cada caso requiere buscar una solucin satisfactoria desde el punto de vista tcnico, lo que puede llegar a ser complejo y delicado.

Clasificacin general de causas de asentamientos totales y diferenciales

1. Cargas1.1.1 Estticas1.1.2 Permanentes1.1.3 Transitorias1.2 Dinmicas1.2.1 Vibracin1.2.2 Choque o impacto2. Cambios en las caractersticas del suelo de cimentacin2.1 Accin del fri intenso2.2 Accin del calor2.3 Cambios de humedad del suelo2.4 Descenso del nivel fretico (equivalente a incremento de carga, generado por aumento del peso volumtrico del suelo).3. Causas accidentales varias3.1 Colapso o deformacin de minas, cavernas, y conductos subterrneos.3.2 Erosin subterrnea producida por el agua3.3 Derrumbes y deslizamientos plsticos (erosin geolgica de la masa)

Skempton y Mc Donald, estudiaron el asentamiento de las estructuras, dividiendo en tres categoras los daos causados por los sentamientos:

1. Dao estructural; afecta tanto a la estructura, como su cimentacin.2. Dao arquitectnico; Afectacin nicamente a los muros, losas y cubiertas.3. Dao estructural y arquitectnico, simultneo.

Tras estudiar, asentamientos en diversas estructuras, que han sufrido dao de menor a mayor magnitud, condujo a estos autores a concluir que el dao estructural, suele tener lugar cuando la distorsin angular (h), de dos columnas situadas en un tramo (l), exceda de 1/150, cuyo dao es perceptible en los acabados, suele ocurrir cuando la distorsin angular excede de 1/300. Fig. 10.

Figura 10: Asentamiento Diferencial de una Estructura

Para comenzar los trabajos de intervencin, lo primero que se hizo fue indagar de manera minuciosa los antecedentes geolgicos, geotcnicos, estratigrficos e histricos del rea donde fue construido el Palacio de Bellas Artes. De esa investigacin se obtuvieron los datos necesarios para conocer las caractersticas del terreno y los cimientos de la propia construccin, que resultaron ser nicos en cuanto a la constitucin de los materiales del subsuelo. Con una exploracin geotcnica exhaustiva se realizaron sondeos del suelo; la estrategia consisti en extraer muestras de este para conocer sus propiedades mecnicas y, con ello, verificar las caractersticas de cada estrato que se encuentra por debajo del edificio.

La ciudad de Mxico y la zona metropolitana se asentaron una cuenca lacustre, formada por cinco lagos que se unan en poca de lluvias. Todava es posible encontrar algunos vestigios visibles de ellos en Xochimilco (DF) y Texcoco (estado de Mxico). A la llegada de los colonizadores espaoles, aunque los lagos cubran una gran superficie, ya se encontraba en proceso de desecacin, el cual se acentu artificialmente durante la poca colonial y buena parte del siglo XIX. El hecho de que la ciudad de Mxico 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 acuferos.Ambas condiciones han propiciado histricamente que las construcciones se hundan, ya sea por el reblandecimiento del suelo o por la extraccin del agua para consumo. No solo las construcciones de la Colonia y las actuales presentan estos problemas, sino tambin las grandes construcciones prehispnicas.

Qu 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 mayora de los casos mayor inestabilidad. El proceso histrico muestra por qu se originaron las irregularidades del suelo. Los terrenos que fueron cargados comprimieron los estratos arcillosos, y los convirtieron en puntos ms resistentes o menos deformables que los que no soportaron construcciones anteriores al Palacio de Bellas Artes.

Algunas de estas construcciones fueron demolidas despus para reutilizar el material ptreo, 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 compresin.

Entonces, en suelos blandos (no consolidados), las zonas que han sido menos cargadas en el pasado se convierten en las ms deformables y son las que se hunden ms rpidamente.

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 construccin se desplazan, se deslizan o giran ms 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 inyeccin de mortero:

Despus del proceso de subexcavacin se realiz la inyeccin de mortero al subsuelo, que fue otra de las grandes aportaciones que se hicieron durante la intervencin al Palacio de Bellas Artes. Tuvo como objetivo especfico lograr que el hundimiento sea uniforme, y as detener totalmente los hundimientos diferenciales o, al menos, conseguir que no fueran significativos, ya que de lo contrario la tcnica de subexcavacin resultara ser solo un procedimiento correctivo al que se tendra que recurrir peridicamente. La inyeccin de mortero como procedimiento de prevencin fue la tcnica que evit posibles hundimientos significativos futuros.

Con las primeras inyecciones de mortero al subsuelo del Palacio de Bellas Artes no se logr detectar ninguna evidencia para corroborar que la tcnica funcionaba. Sin embargo, al pasar los aos, los expertos lograron darse cuenta de que se haba conseguido uniformar los hundimientos, como lo demuestra el buen estado en el que se encuentran la fachada y los elementos estructurales de la construccin.

Para corroborar la suposicin de que la inyeccin podra solucionar los hundimientos diferenciales y probar la efectividad del mortero, se realizaron estudios tericos y experimentales a mediados de 1997. Estos consistieron en inyectar esa mezcla en el lago de Texcoco, un sitio con un suelo cuyas caractersticas son parecidas a las del CentroHistrico. Con ello se comprob que podra lograrse la reduccin de la compresibilidad del subsuelo y, por ende, detener los hundimientos.

Figura 6: Inyeccin de la mezcla de mortero

1) Obras terminadas en la que se producen averas por defectos en las fundaciones y si es posible de acuerdo a la magnitud de las averas comunes qu hacer para reparar las fundaciones y las averas producidas. En caso contrario cuales fueron los daos producidos y sus consecuencias. 2) Obras en construccin 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 describir la forma en que se hicieron las correcciones. 3) Obras en que las fallas de fundacin fueron debidas a la solucin estructural elegida y/o a los procedimientos constructivos, y se describirn sus consecuencias sobre la obra y/o sobre el personal involucrado en la misma. 4) Estos ejemplos, por una razn de tica se describirn sin mencionar lugar ni autor, pero constituyen casos interesantes y que son ilustrativos para impedir el incurrir en futuros errores similares. 5) Algunos casos histricos y bien conocidos de fallas de fundaciones y la forma en que se encuentran actualmente, qu procedimiento se utiliz para controlarlos, si eso fue posible o no segn la forma, y tipo de fallas.

Bajo otro aspecto las fallas de fundacin pueden provenir por distintas causas: 1) Errores en el proyecto. Mala eleccin de la solucin para un caso determinado. 2) Falta de exigencia en la exploracin geolgica. Generalmente la omisin no es del Gelogo sino el proyectista, al no comprender la relacin entre la importancia de la obra y el alcance y forma de la investigacin necesaria. 3) Hechos difcilmente predecibles como: deslizamientos, sismos en zonas de baja o nula sismosidad, sifonajes, etc. 4) En puentes, por socavaciones no bien previstas, en los desages o magnitud de las crecidas. 5) Fallas por punzonados en los patines de fundacin. 6) Errores o accidentes en la construccin de pilotajes. 7) Accidentes que afectaron a personas.

Otros problemas de fundacin 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 clculo de los patines, a tener ms carga que las tensiones admisibles del suelo al nivel de fundacin, o por mal proyecto de los patines, que se perforaron por punzonado. As, en Punta del Este un edificio se hundi 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 tericamente. A veces hay hundimientos provocados por la lenta consolidacin de todo el entorno de un edificio, como sucede en la ciudad de Mxico.

Aqu se ve una imagen, el Museo de Bellas Artes de Mxico, en donde el descenso en la calle de acceso y de todo el edificio alcanza a 3 metros.

CONCLUSIONES La construccin del Teatro Nacional fue un proceso lento y muy irregular, se inici en noviembre de 1904 y fue perdiendo velocidad, hasta quedar detenido en 1916, permaneci abandonado durante casi 16 aos, se reanud su construccin en 1932 y se concluy 2 aos despus. Este lento proceso de construccin permiti que los daos estructurales, ocasionados por las deformaciones que fue sufriendo, pudieran ser reparados de manera casi imperceptible. La inyeccin del subsuelo del Teatro ha sido injustamente calificada como un trabajo que no tuvo consecuencias benficas, porque las mediciones de asentamientos hasta 1925 demuestran que a pesar de que continu hundindose, se logr la uniformidad que explica su buen comportamiento estructural. El comportamiento actual del Palacio de Bellas Artes ratifica la afirmacin anterior. Este caso de la Ingeniera Geotcnica, ms que histrico es actual, porque demostr la potencialidad de la inyeccin de morteros como una tcnica til para enfrentar la evolucin de los hundimientos diferenciales de monumentos y edificios afectados por el hundimiento regional de la ciudad de Mxico y fue la Catedral de Mxico la primera beneficiada del rescate de esta informacin.