Por qué se caen los edificios

Matthys Levy, Mario Salvadori

• Editorial: Turner
• Año: 2016
• ISBN del libro electrónico: 9788416354672
• Edición: 1
• Categoría: Arquitectura
• Categoría: Arquitectura general

Un fascinante relato de los desastres arquitectónicos e ingenieriles a lo largo de la historia. Empezando por las pirámides de Egipto, pasando por la basílica de Santa Sofía o el Campanile de san Marcos en Venecia, hasta el Empire State Building o las Torres Gemelas, los autores nos llevan a un maravilloso viaje a través de la técnica, el genio, la mala suerte y por supuesto la tragedia que ha rodeado la historia de la arquitectura.

APÉNDICE A
CARGAS

Al final, la mayoría de las veces los fallos estructurales tienen que ver con errores humanos, siempre en sintonía con las fuerzas físicas o cargas que actúan sobre las estructuras. Si la Tierra no atrajese a los cuerpos, no soplase el viento, la corteza terrestre no sufriese sacudidas o no se desplazara de forma desigual y no hubiese cambios de temperatura, no habría necesidad de estructuras.

Algunas de las cargas que actúan sobre las estructuras están allí para que todos las veamos, como el peso de los muebles sobre el piso de un edificio de viviendas, pero otras, como la presión y la succión causadas por el viento o las cargas térmicas provocadas por los cambios de temperatura, son menos obvias, aunque tan importantes como las otras. Exploremos juntos brevemente el mundo de las cargas.

LA CARGA MUERTA

Desgraciadamente la historia de la manzana cayendo sobre la cabeza de un adormilado Isaac Newton carece de base histórica. Aun así es un buen ejemplo de las fuerzas que la Tierra ejerce sobre todos los cuerpos, las denominadas cargas gravitatorias. Como el lector aprendió en el colegio, el joven Isaac supuso que dos cuerpos se atraen mutuamente con una fuerza proporcional al producto de sus masas dividida por el cuadrado de la distancia que los separa. Utilizó esta suposición para verificar tanto la caída de la mítica manzana como los movimientos de los planetas. Y funcionó. No está mal para un estudiante de diecinueve años de la universidad de Cambridge, que estaba de permiso en su casa a causa de la peste. Las estructuras arquitectónicas están formadas por elementos masivos como pilares, vigas, arcos y cúpulas, y su peso propio, la denominada carga muerta, es la mayoría de las veces la más pesada de las que deben soportar. Esta carga depende del volumen del elemento y del peso específico de su material.¹

La estimación de la carga muerta sobre una estructura presenta una paradoja al ingeniero: no puede calcularse hasta que la estructura se ha diseñado, pero la estructura no puede diseñarse hasta que la carga muerta se ha calculado y añadido al resto de cargas. Solo la práctica enseñará al ingeniero a hacer una buena primera suposición del tamaño de un elemento estructural, pero puedes estar seguro de que la carga muerta nunca será ignorada porque siempre está allí; es una carga permanente. Realmente en la carga muerta se incluye el peso de cualquier cosa que siempre esté presente, como las particiones del edificio, que pueden moverse de lugar pero que siempre existirán, así como las tuberías, los conductos y otros componentes de los sistemas de climatización y saneamiento.

CARGAS VIVAS O SOBRECARGAS

Puede haber arte por amor al arte, pero no puede haber arquitectura por amor a la arquitectura. Cada obra de arquitectura se construye para un propósito. Y desde que hay fuerzas en el mundo real, no puede haber arquitectura sin estructura.

Las cargas gravitatorias que la estructura debe soportar además de su propia carga muerta se denominan cargas vivas e incluyen el peso del mobiliario, las personas, mercancías, la carpintería, la nieve, etc. Dado que las cargas vivas varían enormemente de un edificio a otro y dado que pueden cambiar de un día a otro, o incluso de hora en hora, la evaluación de todas sus posibles combinaciones, siendo quizá factible, sería no obstante tremendamente costosa en tiempo y tendría una gran incertidumbre. Para soslayar estas dificultades, las cargas vivas están especificadas –prescritas– para el ingeniero estructural en los códigos de edificación publicados por los departamentos correspondientes de los países, estados, provincias y ciudades. Estos códigos listan las cargas vivas mínimas obligatorias para cada tipo de edificio y cada clase de carga.² Las cargas de los códigos son cargas convencionales y frecuentemente suponen que la carga viva se reparte uniformemente sobre el forjado o la cubierta; son cargas uniformes y, en general, bastante seguras –es decir, mayores que las cargas reales esperadas. Aun así es importante ser consciente de que los códigos no eximen al ingeniero de evaluar cuidadosamente las cargas vivas si se espera que puedan ser mayores a las prescritas en el código.

Los fallos estructurales no suelen deberse a las cargas vivas, pero…

Durante la construcción de un edificio de hormigón armado en Nueva York, el ingeniero de diseño recibió una llamada telefónica inesperada del ingeniero supervisor de la obra informándole de que el forjado de una de las oficinas había bajado, o flectado hacia abajo, más de lo esperado. Una inspección inmediata reveló que el contratista había estado almacenando temporalmente en esa habitación capa tras capa de pesadas losas de travertino de 50 mm de espesor destinadas a la fachada, cargando así el forjado con unos 15 kN/m² en lugar del valor especificado por el código, que era de 2 kN/m². En aquellas circunstancias, si el forjado hubiese colapsado, el ingeniero de diseño no habría sido culpable de nada, pero si el travertino hubiese estado destinado, aunque fuese solo temporalmente, a ser almacenado en esa habitación, sí que hubiese sido el responsable, incluso aunque el código no requiriese una carga tan elevada. En cualquier caso, este incidente fue un buen ensayo para ese forjado en particular, y tanto el ingeniero de diseño como el ingeniero de obra estuvieron encantados con su comportamiento.

La estimación de las cargas vivas, aunque tediosa, es importante. Afortunadamente ahora los ingenieros tienen a su disposición programas de ordenador que realizan estos cálculos rápidamente, exactamente y casi sin esfuerzo. Estos programas tienen en cuenta todos los requerimientos de los códigos, incluyendo la razonable suposición de que la probabilidad de que cada metro cuadrado de cada forjado de un edificio esté cargado con la carga especificada al mismo tiempo que los demás es tan mínima, que se permite la reducción de sobrecargas en el diseño de edificios de altura, de acuerdo con las ecuaciones proporcionadas en los códigos.

CARGAS DINÁMICAS

Se ha asumido tácitamente que las cargas consideradas hasta el momento se aplican lentamente, de modo que alcanzan sus valores de diseño después de un intervalo de tiempo finito, aunque este puede ser de segundos en ciertos casos. Esta es una suposición razonable para la carga muerta dado que un edificio en construcción tarda meses o incluso años en alcanzar su altura total. También para el caso de la carga viva como por ejemplo la nieve, que puede tardar horas en acumularse sobre una cubierta. Las cargas que crecen lentamente se denominan cargas estáticas y se dice que actúan estáticamente. Otras cargas, como las causadas por el viento y los terremotos, crecen rápidamente o incluso repentinamente; se denominan cargas dinámicas o se dice que actúan dinámicamente. Son la causa de muchos fallos estructurales desastrosos y de grandes pérdidas de vidas humanas.

La diferencia entre una carga estática y una carga dinámica se puede entender con una simple demostración. Deposite suavemente un ladrillo, o un libro, en el plato de una balanza de cocina y determine su peso, digamos 2,3 kg. Entonces mantenga en contacto el ladrillo con el plato de la balanza pero sin que descanse sobre él. Ahora deje caer el ladrillo sobre el plato y observe el mayor peso indicado por la balanza manual, que oscilará durante algunos segundos y después retornará a los 2,3 kg; el peso instantáneo será probablemente de unos 4,5 kg, unas dos veces la carga estática del ladrillo. Usted acaba de descubrir que un peso aplicado dinámicamente puede ser equivalente al doble de su peso estático. Las cargas aplicadas súbitamente (como el golpe de un martillo sobre un clavo) se denominan cargas de impacto y pueden ser equivalentes a muchas veces sus valores estáticos; pueden ser muy peligrosas a menos que se tengan en cuenta sus efectos dinámicos.

No es necesario que una fuerza sea un impacto para tener efectos dinámicos; es suficiente con que se incremente rápidamente hasta alcanzar su valor final. ¿Pero cómo de rápido? ¿Un segundo se considera rápido? ¿Dos segundos es lento? El efecto de una fuerza que cambia de valor depende no sólo de a qué velocidad cambie sino también de la estructura sobre la que se aplica. Esto es así porque cada estructura tiene un tiempo característico de vibración, llamado su periodo fundamental o simplemente su periodo, y cada fuerza tendrá su propio efecto estático o dinámico sobre la estructura dependiendo de una condición: ¿alcanza la fuerza su valor máximo en un tiempo más largo o más corto que el periodo de la estructura? Todos estamos familiarizados con el periodo de un péndulo, es el tiempo que tarda en oscilar desde su posición extrema a la derecha hasta su posición extrema a la izquierda y volver de nuevo a su posición extrema a la derecha. Un edificio alto oscila frente al viento como un péndulo arriba-abajo. Cuando una ráfaga de viento empuja el extremo superior del edificio un metro a la derecha en la dirección de sotavento, dicho extremo oscila durante un instante entre un metro a la derecha y un metro a la izquierda de su posición original. Si tarda cuatro segundos en realizar una de estas oscilaciones completas, se dice que el periodo del edificio es de cuatro segundos y la ráfaga de viento tendrá efectos estáticos o dinámicos sobre el edificio dependiendo de si crece hasta su valor máximo en más de cuatro segundos, digamos diez segundos, o en menos, digamos medio segundo.³

Las fuerzas variables pueden tener un tipo diferente de efecto dinámico si se aplican repetidamente sincronizadas con el periodo de la estructura. Se dice que estas fuerzas están en resonancia con la estructura y se denominan fuerzas resonantes. Estas fuerzas rítmicas son particularmente peligrosas, incluso aunque su valor ...

Índice

• Cubierta
• Portadilla
• Créditos
• Índice
• Prefacio
• Introducción
• I El primer fallo estructural
• II Milagro en la calle Treinta y cuatro
• III ¿Seguirá en pie el Panteón?
• IV Por falta de redundancia
• V Grandes estallidos
• VI El día en que la tierra tembló
• VII ‘Galloping Gertie’
• VIII Cuando los metales se fatigan
• IX Autopistas a la eternidad
• X La debilidad de la madre Tierra
• XI Valle de lágrimas
• XII La casa de naipes
• XIII Dermatología estructural
• XIV Muerte por vejez
• XV El peor desastre estructural de Estados Unidos
• XVI La política de la destrucción
• XVII La estructura de la ley
• XVIII Terror desde el cielo
• XIX Conclusión. ¿Podemos evitar colapsos futuros?
• Apéndices
• Agradecimientos
• Notas al pie