Análisis estructural, sísmico y geotécnico de la iglesia de Sant' Agostino en L'aquila (Italia

A menudo, las construcciones existentes en albañilería son el resultado de construcciones, cambios y modificaciones que se han ido desarrollando durante siglos. Por lo tanto, las adaptaciones y mejoras de las edificaciones en albañilería deben ir acompañadas de un nivel adecuado de conocimiento de su historia. Las trágicas consecuencias de los recientes terremotos ocurridos en Italia y otros países, han llevado a pensar que, a veces, la causa del daño sísmico podría ser justamente una errada intervención de la mejora o adaptación que se les ha realizado. En la mayoría de los casos, este hecho es atribuible a las modificaciones realizadas sin tener los conocimientos necesarios sobre las normas constructivas de esa edificación. El estudio de caso presentado en este trabajo se refiere al análisis sísmico de la iglesia de Sant' Agostino en L'Aquila (gravemente dañada por el sismo ocurrido en abril de 2009), y considera en profundidad los tres niveles de evaluación de la seguridad sísmica establecidos en el Código Italiano para la evaluación y reducción del riesgo sísmico del patrimonio cultural Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance, (2003), Decreto Legislativo (2004), Norme tecniche per le costruzioni, DM. (2005), Norme tecniche per le costruzioni, DM. (2008), Circolare n. (2010), Direttiva del Presidente del Consiglio dei ministri per la valutazione e la riduzione del rischio sismico del patrimonio culturale con riferimento alle Norme Tecniche per le Costruzioni. G.U. (2008). Así, para el LV1 (Nivel de evaluación 1) se realizaron todos los análisis exigidos en los anexos de la Directiva del 10 de diciembre de 2007, comenzando por el Módulo A que corresponde al "registro de identificación", continuando con el Módulo B que se refiere al estudio de los "factores de sensibilidad" y finalizando con el Módulo C que considera la "morfología de los elementos". A partir de esta evaluación, hemos concluido que la aceleración máxima del terreno durante el sismo del 6 de abril de 2009 superó el valor de aceleración correspondiente a los estados límite de colapso. Para el LV2 (Nivel de evaluación 2), nos enfocamos principalmente en la verificación de todos los macroelementos como una fuente potencial del mecanismo de daños. Descubrimos que los mecanismos ocurridos estaban mayormente relacionados con la fachada, la nave, la cúpula, el ábside/presbiterio, la techumbre, capillas laterales, las juntas entre la alineación horizontal y vertical, y por último, el campanario. Un vez recopilados todos los datos relacionados con el sitio, la geometría de la construcción, las características de los materiales, la estructura, el suelo, etc., realizamos un análisis modal a la estructura utilizando el Método de Elemento Finito dinámico (FEM, en inglés), válido para el LV3 (Nivel de evaluación 3). Además, estos ensayos dinámicos son esenciales para la evaluación de la seguridad sísmica y poseen la ventaja de no ser destructivos. Finalmente, el análisis entregó los modos de vibración más importantes y sugirió las intervenciones estructurales óptimas para reparar el daño existente y evitar la formación de los mismos mecanismos bajo la acción de un futuro sismo.
1. Aspecto histórico
El caso propuesto constituye la síntesis de análisis estructural y sísmico de la iglesia de Sant' Agostino en L'Aquila, gravemente dañada por una serie de sismos ocurridos en abril de 2009, realizada mediante una profunda comprensión tanto histórica como científica de la edificación.
La construcción de Ia iglesia data de comienzos del 1700. En Ia actualidad, Ia iglesia persiste, al menos parcialmente, en el emplazamiento de otra iglesia fundada en 1282 y dedicada a San Agustín (Cacciamali et al.,2010). La iglesia original fue seriamente dañada por diversos sismos, quedando destruida por un sismo ocurrido el año 1703. El proyecto de Ia actual iglesia pertenece al arquitecto Giovan Battista Contini y data de fines de 1708 y terminándose, probablemente, hacia 1725 (Cacciamali etal., 2010; Gavini I. C, 1926).
En su fase medieval, Ia iglesia tenía una planta en forma de cruz latina, con tres naves y crucero, ábside al fondo y Ia fachada principal orientada hacia el oeste, hacia las calles adyacentes en lugar de mirar hacia Ia plaza. Fue Ia iglesia de las tres órdenes mendicantes que residían en L'Aquila: los Agustinos, después de los Franciscanos y Dominicanos (Figura 1).

Figura 1. La iglesia medieval
En la iconografía de Ia ciudad de 1622 y 1680, la presencia de Ia fachada retranqueada de coronamiento recto, que caracterizaba a la iglesia original, apoya la teoría de la persistencia de su implante medieval (modificado posiblemente en 1656 con la introducción de la apertura principal hacia la plaza) hasta su colapso debido al sismo de 1703, cuando Contini trazó una nueva arquitectura, cubierta por una cúpula y abierta hacia la plaza pública (Cacciamali et al., 2010; Antonini, 2004; Antonini 1999; Chiodi, 1988).

Figura 2. Iconografía de la iglesia después de abrir la puerta principal hacia la plaza
2. Descripción de la iglesia
La iglesia posee un plano longitudinal, la entrada se abre hacia un pequeño atrio cubierto por un techo inclinado, seguido por una nave de forma elíptica, coronada por una cúpula y por un largo ábside, cubierto por una bóveda cilíndrica. A ambos lados de la nave, tiene tres pares de capillas: las capillas mayores están ubicadas en el eje ortogonal principal, mientras que las capillas menores se ubican en los ejes diagonales. En el exterior un sistema de machones. El domo que se levanta sobre la nave tiene un largo máximo de veinte metros, se encuentra reforzado con cuadernas y coronado por una linterna.

Figura 3. Planta de la iglesia de Sant' Agostino
La fachada está dividida en dos partes, estructurada en una parte inferior y una superior. La parte inferior corresponde al cabezal del atrio; la parte superior está retranqueada unos siete metros aproximadamente y forma una de las caras del prisma octagonal de la linterna. La articulación escultórica de la fachada es simple y esencial, realzada por un medallón circular en alto relieve que representa a San Agustín. Un tímpano trapezoidal rematado en una balaustrada, enmascara el techo a dos aguas que corona la entrada y unifica las dos secciones de la fachada (Cacciamali et al., 2010; Ceravolo R., 2010; Calderini y Lagomarsino S., 2009).

Figura 4. Iglesia de Sant' Agostino antes y después del sismo ocurrido en abril de 2009
La iglesia está construida en albañilería. En el análisis visual, se observa que todas las superficies abovedadas, los arcos y las vigas (visibles por la caída del yeso) son de albañilería de ladrillo de excelente calidad. En cambio, todas las estructuras verticales son de albañilería mixta piedra/ladrillo de mediana calidad, con esquinales bien conectados en piedras cuadradas. Los machones son de piedra cuadrada de excelente calidad (Fiengo y Guerriero 2008). En algunos casos, sobre los dinteles de las aberturas externas, se reconocen elementos de refuerzos en madera. En el interior del edificio, no se aprecian cadenas metálicas a la vista. Sin embargo, algunos cabezales de cadenas metálicas, que señalan su presencia, son visibles en los muros exteriores. El diagrama de la Figura 5 muestra una distribución hipotética de las cadenas dentro de la estructura (Ceravolo, 2010; Calderini y Lagomarsino, 2009). Cabe señalar que los cabezales de las cadenas son sólo visibles en el muro externo libre que da hacia la Via Sant' Agostino y no en el que enfrenta la Prefectura.

Estimación del daño sísmico en edificaciones de mampostería

En el presente trabajo se aplica un modelo de evaluación del nivel de daño que pueden alcanzar las edificaciones de mampostería de una ciudad ante un determinado evento sísmico, el cual fue construido para condiciones propias de nuestro país. El modelo se basa en la aplicación de funciones de vulnerabilidad o matrices de probabilidad de daño, elaboradas a partir de técnicas de simulación. Las funciones están propuestas para valores de aceleración máxima desde 0,02 g a 0,25 g, y su utilización se recomienda a gran escala. El modelo fue aplicado a una población ubicada al nororiente colombiano, dentro del área metropolitana de Bucaramanga. Para su aplicación fue necesario realizar levantamiento en campo de la información básica de las edificaciones de la zona de estudio. En la construcción de las funciones y matrices se utilizó el estudio de amenaza sísmica existente. Con la información disponible, se aplicó el modelo implementando herramientas computacionales, y con ellas se elaboraron los mapas de daños para diferentes eventos sísmicos. Los resultados demostraron la aplicabilidad y sencillez del modelo, dado que para estimación de la vulnerabilidad de las edificaciones se requiere información general de las edificaciones, la cual es de fácil recolección en campo, y para la estimación del daño ante una acción determinada se utilizan directamente las funciones propuestas.
1. INTRODUCCIÓN
En el territorio colombiano muchas de sus poblaciones se han desarrollado a través de edificaciones de baja altura en el sistema estructural de muros en mampostería, sea confinada, sin confinar, reforzada o no reforzada. A su vez, algunas de estas edificaciones se han construido sin parámetros sismorresistentes, a pesar de encontrarse ubicadas en zonas de amenaza sísmica alta. Asimismo, ciertos desarrollos urbanos dentro de las ciudades se han desplegado desordenadamente sin planificación, pues han nacido y crecido atendiendo las necesidades básicas de vivienda económica de sus habitantes. Por todo lo anterior es fundamental desarrollar estudios de vulnerabilidad sísmica de estas zonas, que permitan visualizar y cuantificar el nivel de riesgo al que se encuentran expuestas. Luego, ante la necesidad de estos estudios es importante aplicar metodologías que tomen en consideración las características propias del desarrollo de estas poblaciones, y para ello es importante construir o aplicar modelos propios.
Dentro de este contexto se encuentra la ciudad de Bucaramanga y su área metropolitana donde las edificaciones que predominan son de, máximo, tres niveles en mampostería no siempre confinada (Maldonado y Chío, 2007). En el interior del área metropolitana se halla la población de Floridablanca la cual cuenta con desarrollos urbanos, algunos subnormales, ubicados en zonas de alta pendiente, los cuales son preocupación de las entidades gubernamentales del municipio. Luego, dado el interés en conocer el nivel de daños que puede alcanzar esta zona ante los eventos sísmicos propuestos en el estudio de zonificación sismo geotécnica indicativa de la ciudad de Bucaramanga (Ingeominas y CDMB, 2002).
Para la evaluación de la vulnerabilidad sísmica de Floridablanca no se contaba con registros de datos reales ni con información experimental; por ello se tomó la decisión de usar técnicas basadas en opinión de expertos, combinadas con procesos analíticos, y para ello se utilizó la metodología sugerida por Maldonado et al. (2007), la cual propone aplicar funciones de vulnerabilidad sísmica o matrices de probabilidad de daño a partir de un calificativo de la edificación, llamado índice de vulnerabilidad. Las funciones fueron aplicadas para los dos escenarios sísmicos más probables, y los resultados demostraron la aplicabilidad del modelo utilizado.

2. METODOLOGÍA UTILIZADA
El nivel da daño que pueden alcanzar las edificaciones del área de estudio, sometida a una determinada acción sísmica se puede obtener mediante dos procedimientos: el primero, por medio de las denominadas matrices de probabilidad de daño, y el segundo a través de las funciones de vulnerabilidad. Los principales métodos utilizados para la generación de las matrices de probabilidad de daño o funciones de vulnerabilidad difieren básicamente en los datos de entrada y en la forma como se obtienen las probabilidades asociadas a cada estado de daño; luego, estos pueden ser métodos basados en observaciones de campo, experimentales, basados en al opinión de expertos y métodos analíticos. Dependiendo de la información con la que se cuente se podrá utilizar uno u otro método, o se podrán combinar. En el caso de aplicación a ciudades colombianas como Floridablanca en el área metropolitana de Bucaramanga, se han construido funciones y matrices basadas en opinión de expertos y en técnicas de simulación (Maldonado et al., 2007). Estas funciones fueron construidas a partir de la simulación de las características de edificaciones que definen su respuesta ante una acción sísmica, y mediante la estimación de vulnerabilidad dada por expertos a cada uno de los parámetros del modelo (Maldonado et al. 2008), realizando el siguiente procedimiento:
a) Generación aleatoria de los parámetros que intervienen en la determinación de la vulnerabilidad sísmica de las edificaciones de mampostería, los cuales son considerados como los de mayor influencia en la respuesta sísmica de las edificaciones de mampostería. 
b) Cuantificación de la vulnerabilidad a través del índice de vulnerabilidad (Maldonado et al., 2007, UIS-Alcaldía Floridablanca, 2006) el cual relaciona el grado de vulnerabilidad y los valores de importancia de los parámetros; este índice se basa en el método propuesto por Benedetti y Petrini (1984). Los valores de grado de vulnerabilidad y de importancia son definidos a partir de opiniones de expertos. 
c) Determinación del cortante de piso que actúa en cada nivel (FHE), que se utiliza como solicitación lateral del piso en el caso de edificios con flexibilidad despreciable del diafragma. 
d) Cálculo del índice global de daño para cada nivel, ante diferentes solicitudes sísmicas, utilizando el modelo de Abrams (Abrams, 1992). 
e) Relación de los valores del índice de vulnerabilidad con el índice de daño para cada acción sísmica definida.
Las funciones fueron construidas para valores de aceleración de 0.02, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20 y 0.25g. En la figura 1 se presentan las funciones para las diferentes acciones sísmicas.

Figura 1. Funciones de vulnerabilidad calculadas (Maldonado et al.2006).

Las funciones corresponden a una polinomial, ver ecuación 1.

 (1)

Siendo, los valores de las constantes a₁, a₂, a₃, y b los presentados en la tabla 1.

Tabla 1. Coeficientes de las funciones ajustadas.

Fuente: elaboración propia
Para la definición del nivel de daño de la edificación, a partir de las funciones o matrices, es necesario estimar un índice de vulnerabilidad el cual se base en la calificación de 11 parámetros (ver figura 2). El concepto de este índice fue introducido por Benedetti y Petrini (1984) en Italia, y posteriormente se ha incorporado en la estimación de la vulnerabilidad en otras ciudades como Barcelona, España (Yépez, 1996 y Mena, 2002), en Cuenca, Ecuador (Jiménez, 2002) y en Mérida, Venezuela (Castillo, 2005).

Fuente: elaboración propia 
(1) Sistema estructural, 
(2) Calidad del sistema resistente, 
(3) Resistencia estructural, 
(4) Posición de la cimentación, 
(5) Suelo y pendiente del terreno, 
(6) Diafragmas horizontales, 
(7) Configuración en planta, 
(8) Configuración en elevación, 
(9) Distancia máxima entre los muros 
(10) Tipo de cubierta, 
(11) Estado de conservación. 
Figura 2. Parámetros en la estimación del índice de vulnerabilidad sísmica.
En la estimación de este índice de vulnerabilidad se requiere realizar el inventario de las edificaciones de mampostería que se desea evaluar. Este inventario se realiza mediante un formulario, el cual contiene las características necesarias para evaluar los once parámetros necesarios para la determinación del índice de vulnerabilidad de la edificación. En lafigura 3 se ilustra parte del formulario que hace referencia a las preguntas correspondientes a los dos primeros parámetros.

Maqueta de Planta Geotermia

Maqueta de Planta Geotermica

1 Maqueta. Planta Geotermica

2 Maqueta. Planta Geotermica

3 Maqueta. Planta Geotermica en exhibición

4 Maqueta. Vista corte de volcán

5 Maqueta. Chimeneas con emanación de humo

6 Maqueta. Vista torre de perforación

7 Maqueta. Planta Geotermica

Propuesta de normativa para la rehabilitación símica de edificaciones patrimoniales

Con el fin de aportar a la solución del problema sísmico de las edificaciones en tierra, se han realizado investigaciones en las mejores universidades de Colombia sobre las propiedades de los materiales y el comportamiento de los sistemas estructurales en tierra ante fuerzas sísmicas. Estas investigaciones han sido innovadoras y se han apoyado en estudios a nivel internacional. Sin embargo para que estos estudios tengan un real impacto deben incluirse en la norma sismo resistente (NSR-10), la cual actualmente no incluye apartados específicos sobre la manera de rehabilitar sísmicamente las construcciones en tierra. Por esta razón los autores, que han trabajado por más de una década en rehabilitación y restauración de edificaciones en tierra, presentan en este documento un borrador de propuesta de normativa para la rehabilitación de edificaciones en tierra para que sea incluida en las siguientes actualizaciones de la Norma Sismo Resistente de la República de Colombia.

El presente documento es un borrador de una propuesta de normativa que los autores quieren, en un futuro próximo, poner a consideración de la Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, de la Sociedad Colombiana de Ingenieros y de la Asociación Colombiana de Ingeniería Estructural para ser estudiada, analizada y trabajada como una base de desarrollo que reglamente la rehabilitación sísmica de las construcciones patrimoniales en tierra en Colombia. Asimismo, los autores desean agradecer a la Pontificia Universidad Javeriana y en especial a las Facultades de Arquitectura y Diseño e Ingeniería por el apoyo brindado para la realización de la presente propuesta.

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Las construcciones en tierra constituyen una parte fundamental del patrimonio construido de nuestro país. De la mano del adobe y de la tapia pisada se desarrolló la arquitectura urbana y residencial en Colombia durante cuatro siglos. De acuerdo con el listado de la Dirección de Patrimonio del Ministerio de Cultura, se han declarado 1.133 Monumentos Nacionales y 47 Centros Históricos, de los cuales el 80% se encuentra construido en tierra. Dentro de estos Centros Históricos se encuentra La Candelaria en Bogotá, Zipaquirá, Villa de Leyva, Popayán, Barichara, Salento, etc. Dentro de los Monumentos Históricos se puede nombrar la Casa de la Moneda, el Colegio Mayor del Rosario, el Colegio Helvetia, Hacienda Montes (Museo Antonio Nariño), el Convento del Santo Ecce Homo (Boyacá), entre otros.

En la actualidad este patrimonio se ve amenazado y deteriorado por diversos factores medio ambientales, destacándose entre ellos los procesos de deterioro por humedad y los eventos sísmicos. Con respecto a este último es importante mencionar que terremotos dentro del ámbito colombiano, el sismo del eje cafetero del 25 de enero de 1999, el sismo de Popayán de 1983, o el sismo de Cúcuta de 1875 (Figura 1) han ratificado la vulnerabilidad sísmica de las edificaciones en tierra.

Los terremotos pueden derrumbar en unos pocos segundos las edificaciones patrimoniales en tierra que llevan siglos de haber sido construidas. En relación a lo anterior es importante resaltar que el hecho de que algunas edificaciones lleven varios siglos en pie (como algunas del Barrio La Candelaria en Bogotá) no es garantía de que sean sismo resistentes. Prueba de ello es el sismo ocurrido en 1rán a finales de 2003 (magnitud de 6.5 en la escala de Richter), el cual prácticamente destruyó Arg-é-Bam (véanse las fotografías de la Figura 2) que era patrimonio histórico de la humanidad según la UNESCO. Esta fortificación tenía más de 2.500 años de antigüedad y era la mayor construcción de adobe del mundo, colapsó en pocos segundos.

Con el fin de aportar a la solución del problema sísmico de las edificaciones en tierra, se han realizado investigaciones en algunas de las mejores universidades del país en torno al conocimiento de las propiedades de los materiales y del comportamiento de los sistemas estructurales en tierra ante fuerzas sísmicas. Ejemplo de esto son los estudios realizados por los grupos de investigación Estructuras (Departamento de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería) y GR1ME de la Pontificia Universidad Javeriana (PUJ) en conjunto con el grupo G1MEC1 de la Escuela Colombiana de 1ngeniería (EC1), haciendo ensayos como los que se muestran en la Figura 3. Asimismo el grupo C1MOC de la Universidad de los Andes (Uniandes) ha realizado investigaciones importantes al respecto.

Aisladores y disipadores sísmicos

Estos sistemas se colocan entre la subestructura y la superestructura de edificios, puentes y también en algunos casos, en la misma superestructura de edificios, y permiten mejorar la respuesta sísmica aumentando los periodos y proporcionando amortiguamiento y absorción de energía adicional, reduciendo sus deformaciones según sea el caso.

Sin embargo, desde el punto de vista estructural, ambos sistema trabajan de forma muy diferente. Veamos las diferencias:

Los aisladores sísmicos consiguen desacoplar la estructura del terreno colocándose estratégicamente en partes especificas de la estructura, los cuales, en un evento sísmico, proveen a la estructura la suficiente flexibilidad para diferenciar la mayor cantidad posible el periodo natural de la estructura con el periodo natural del sismo, evitando que se produzca resonancia, lo cual podría provocar daños severos o el colapso de la estructura.

Es decir, la idea es separar una estructura de los movimientos del suelo mediante la introducción de elementos flexibles entre la estructura y su cimentación. Los aisladores reducen notablemente la rigidez del sistema estructural, haciendo que el periodo fundamental de la estructura aislada sea mucho mayor que el de la misma estructura con base fija. Como una imagen vale mas que mil palabras, os pongo un vídeo donde se puede ver la diferencia entre una estructura sin aislador y otra con aislador. Video

Los disipadores sísmicos tienen como función disipar las acumulaciones de energía asegurándose que otros elementos de la estructuras no sean sobresolicitados, evitando daños a la estructura. Es decir, los disipadores sísmicos ofrecen un incremento de la amortiguación a la estructura.

En el siguiente vídeo podemos ver como se comporta una estructura con y sin disipadores

 

sísmicos: Video

Los japoneses usan estos sistemas en sus edificios con regularidad. En el siguiente vídeo se puede observar como se mueven unos rascacielos de Japón con estos sistemas sísmicos, sin sufrir daños, durante el terremoto de marzo de 2011