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martes, 6 de marzo de 2012

Historia de la Geotecnia - 08 - La Ingeniería Geotécnica Antes del Siglo XVIII


Asociadas a la construcción de puentes y caminos en los siglos pasados, se encuentran obras construidas sobre suelos compresibles que han tenido hundimientos importantes, bajo las sobrecargas de catedrales, torres y campanarios. Algunos ejemplos de ello son: 

  • El Domo de Könígsberg, en Prusia, cimentado sobre una capa de suelo orgánico en el año 1330, capa que descansa —según Tiedemann— sobre otra de 18 m de limo arcilloso, cuya consolidación gradual y continua no ha podido terminar, teniendo ya más de 5.0 m de asentamiento. 
  • La Torre de Pisa, cuya construcción fue iniciada en 1174, empezó a ladearse al construirse la tercera galería de las ocho que tiene la estructura. Los trabajos se interrumpieron para modificar planos y luego continuaron, para ser terminada la torre —de 55 m de alto— en el año 1350, En 1910 ya la torre tenía en su parte más alta un desplome de 5.0 m. Una investigación del subsuelo indicó que la torre fue cimentada por medio de una corona de concreto sobre una capa de arena de 11.00 m de espesor, la cual descansa sobre una capa de arcilla de 8.00 m de grueso, que se ha ido consolidando gradualmente debido a las presiones trasmitidas por la estructura. Hoy en día es más conocida como la "Torre Inclinada de Pisa". 
  • En Venecia. Italia, el "Rialto", un puente de arco simple, se terminó de construir en 1591 y es, junto con otras estructuras del lugar, ejemplo de dificultad en las operaciones de cimentación debido al suelo blando y pantanoso, que es afectado grandemente por la acción de pilotaje de las estructuras vecinas. 
  • En India, otra obra asociada a la ingeniería de cimentaciones del siglo XVII, es el famoso mausoleo Taj Mahal, situado en las afueras de la ciudad de Agrá. Su construcción empezó en el año 1632 y fue terminada en 1650. Fue erigido por órdenes del Shah Jahan, emperador de Delhi, en honor de su esposa favorita, Mumtazi-Mahal. Este mausoleo necesitó cuidados especiales en su cimentación debido a su proximidad al río, por lo que emplearon cilindros de mampostería hundidos en el suelo a intervalos cercanos para que el mausoleo descansara en un estrato firme.

Como se indicó, uno de los ejemplos más famosos de los problemas relacionados con la capacidad de soporte del suelo en la construcción de estructuras anteriores al siglo XVIII es la Torre Inclinada de Pisa en Italia.

La construcción de una de las obras de arte más originales de la Edad Media en Europa se dio en una época en que la República de Pisa florecía, y continuó en varias etapas por más de 200 años. La estructura pesa cerca de 15.700 toneladas y se apoya en una base circular que tiene un diámetro de 19.6 m (66 pies). La construcción de la torre campanario de la catedral de Pisa, de 8 pisos y 53 m de altura, comenzó en el año 1173, bajo la supervisión del arquitecto Bonanno Pisano, y tardó dos siglos en completarse (incluyendo dos largas interrupciones), en 1370. Su objetivo era manifestar el orgullo y la riqueza de la ciudad de Pisa, en la región italiana de la Toscana.

Torre de Pisa en 1957

Los trabajos se interrumpieron en el año 1178 por razones desconocidas, y algunos estudios han demostrado que el suelo sobre el que se estaba edificando, no estaba en capacidad de soportar cargas adicionales en ese momento. La construcción continuó, pero se detuvo de nuevo en 1278. Si se hubiera finalizado en ese momento, hubiera colapsado debido a los esfuerzos inducidos al terreno. La torre comenzó a inclinarse hacia el Norte, en el momento en que se añadió el tercer piso, sin percatarse que se cimentó sobre el sedimento blando del lecho de un río enterrado. Entonces se colocaron bloques de mampostería para corregir la inclinación. Al finalizar la construcción (año 1370), la torre se había inclinado significativamente hacia el Sur.

Han transcurrido 8 siglos desafiando la gravedad y en la actualidad la parte superior de la la torre está descentrada unos 5.227 m del eje, hacia el sur. La profundidad de desplante de la cimentación es de poco menos de 3.00 m. El suelo bajo la torre está compuesto principalmente por suelo, arcilla y lodo. La zona donde se encuentra Pisa había sido un puerto en la época medieval y el suelo es una mezcla esponjosa. La capa superficial (de aproximadamente 10.00 m), es una acumulación de fluvium del río Arno, que se ha compactado desigualmente, haciendo que la torre se incline. Bajo esta capa, hay una banda resistente conocida como arcilla marina Pancone, con arena fina y conchas, de unos 20.00 m de profundidad. Esta es seguida por una capa profunda de arena, que es un límite horizontal bajo la mayor parte de Pisa, excepto bajo la torre. Las capas de arcilla y arena se alternan hasta unos 70.00 m. La totalidad de la zona donde se construyó la torre se va hundiendo gradualmente.

Historia de la construcción de la torre
Sección por la máxima inclinación
Perfil del terreno de cimentación

En el momento en que la Torre fue construida, la técnica de nivelación aún no se había desarrollado (fue en realidad descrita por primera vez por M. Thevénot en 1666, casi 400 años más tarde). Para entonces, los constructores tenían a su disposición sólo la plomada y otros dispositivos simples, que eran rudimentarios instrumentos capaces de proporcionar la precisión de la horizontal dentro de ± 1.00 cm a lo largo de los 11.00 m - 15.00 m de ancho de la Torre.

Herramientas de nivelación romanas

La naturaleza inestable del terreno en la ciudad de Pisa era considerada una característica típica del área. La friable superficie superior, inicialmente se hundía bajo el peso de cuerpos pesados, durante un periodo de tiempo, incrementando su consistencia resistencia.

Era una práctica común almacenar elementos de construcción tales como bloques de piedra labrada, columnas y arcos, preparados antes de comenzar el trabajo de construcción. Esto permitía a los trabajadores del mármol y a los mamposteros mantenerse al ritmo del proceso constructivo. Esto era particularmente evidente en el caso de estructuras modulares tales como la torre de pisa. Debido a la inestabilidad del suelo, era muy probable que el maestro constructor de la torre de Pisa organizara que cada piso fuera levantado tan rápido como se pudiera, y a partir de esto mantener un "período de espera" mientras el terreno se asentaba, después del cual el siguiente piso podía ser iniciado.

Mediciones tomadas en ciertas áreas expuestas de la piedra a diferentes alturas de la torre, han revelado que las piedras fueron recortadas para acomodarse al asentamiento. Esto demuestra que la subsidencia en más de una dirección debió tener lugar durante la construcción de la torre, el cambio norte-sur es el más evidente y del que tomó precedencia después de terminada la torre.

Mientras es claro que está subsidencia era apreciable, el fenómeno no parece haber preocupado mucho los arquitectos, acostumbrados al hecho de que muchos de los edificios de la ciudad no eran muy perpendiculares. Un documento publicado en 1298, en otras palabras, durante la construcción, discoteca los primeros chequeos de verticalidad de la torre. A medida que describe el proceso utilizado en detalle, no hace referencia a ningún asentamiento. Una cosa es cierta, sin embargo. Alrededor de 1384, Antonio Veneziano pinto un fresco del Camposanto en Pisa que muestra la torre finalizada e inclinada.

Con el paso del tiempo, el problema de propensión de la torre a inclinarse ha atraído considerable atención. Entre otros, Vasari escribió acerca de ello en 1562, mientras De La Condamine examinó el problema en 1755 y Soufflot tres años después. De La Lande lo observó en 1790 así como lo hicieron Da Morrona y Gherardesca en 1812 y 1838 respectivamente. Medidas relativamente confiables fueron tomadas por Cresy y Taylor en 1817 y por De Fleury en 1859.


Los diferentes esquemas de intervención utilizados por ingenieros y constructores, para reducir o detener la inclinación, solamente han contribuido a que ésta se incremente. En 1990 la torre fue cerrada al público debido a preocupaciones de seguridad, y el primer ministro italiano designó un panel de expertos para encontrar una solución definitiva. Después de diez años de trabajo, la extracción de tierra bajo de la parte norte, y a un costo de alrededor de 27 millones de €; la torre fue reabierta al público el 16 de junio de 2001.

Intento de corrección durante la construcción


En 1993, se añadieron contrapesos de plomo de 600 toneladas al lado norte de la torre, enlazados por un anillo de concreto removible, colocado alrededor de la base de la torre. Esto redujo la inclinación en cerca de un minuto de arco. La carga se incrementó en 1995 hasta 900 toneladas, mientras los ingenieros intentaban reemplazar los contrapesos de plomo con anclajes al terreno.

Alternativas de restauración

Una idea única fue perforar 10,000 agujeros en la torre, para reducir significativamente su peso. Se iba a instalar una réplica cercana a la torre inclinada en la dirección opuesta para mantener la torre original en su lugar.

Una nueva idea de restauración se presentó los 1990s. Conocida como extracción de suelo o subsidencia de suelo. Su objetivo era excavar el terreno bajo la fundación de la torre en su lado norte, para que se inclinará nuevamente hacia la perpendicular. La idea fue puesta en marcha después de varias pruebas sobre la torre misma y en el suelo bajo su fundación.



Trabajos en la base de la torre. Arriba la base anclada

La torre se ha inclinado en el pasado al este, norte, oeste y, por último al sur. Investigaciones recientes muestran que la compresión de un estrato de arcilla débil a una profundidad de unos 11.00 m (36 pies) bajo la superficie del terreno causó la inclinación de la torre. Esta inclinación llegó a más de 5.00 m (16,5 pies) fuera de la vertical de 54.00 m (179 pies) de altura. La torre fue cerrada en 1990 porque se temía que se cayera o colapsara. 


Recientemente se estabilizó excavando el suelo bajo la parte norte de la torre. Cerca de 70 toneladas de tierra fueron removidas en 41 extracciones por separado que se extendieron a lo ancho de la torre. Como el terreno poco a poco se asentó para llenar el espacio resultante, la inclinación de la torre se redujo. La torre ahora está inclinada 5°. El cambio de 0,5°medio grado no se nota, pero hace que la estructura sea mucho más estable.

Propuesta de recuperación mediante anclaje
En Bologna, Italia, se construyeron dos torres en el siglo XII (Asinelli y Garisenda). La torre de la izquierda se suele denominar como la Torre Garisenda. Después de encontrarse con varios problemas relacionados con la fundación, durante la construcción a lo largo de los siglos pasados, los ingenieros y los científicos comenzaron a investigar las propiedades y comportamiento de los suelos de una manera más metódica a partir de la primera parte del siglo XVIII.

La torre Garisenda se inclina a la izquierda
Torres Asinelli y Garisenda, construidas en 1109
ubicadas en la Plaza de Porta Ravegnana, Bologna, Italia

Estos esbeltos puntos de referencia, inicialmente parecen ser algo inestable, ya que la torre más pequeña se inclina hacia la izquierda en un ángulo bastante alarmante. Está documentado que durante los siglos XII y XIII, la ciudad de Bologna contaba con casi 180 torres similares, que abarrotaron el centro durante la mayor parte de la Edad Media, siendo la mayoría demolidas en los años siguientes por motivos de seguridad, antes de su desplome y colapso. 

Reconstrucción de Bologna en la Edad Media con sus 180 torres

Las razones para la construcción de tantas torres no están aún claras. Una hipótesis indica que las familias más ricas las utilizaron para fines ofensivos/defensivos durante el período de la Guerra de las Investiduras. Además de las torres, todavía se pueden ver algunas puertas fortificadas, que corresponden a las puertas de la muralla de la ciudad del siglo XII, que a su vez ha sido casi completamente destruida. 

Torre Garisenda vista desde la Torre Asinelli

Durante el siglo XIII, muchas torres fueron destruidas o demolidos, y otras simplemente se derrumbaron. Posteriormente, muchas torres se utilizaron para otros menesteres: cárceles, torres urbanas, tiendas y viviendas. 

Torres de Bologna a comienzos del siglo XX

Las últimas demoliciones se llevaron a cabo durante el siglo XX, de acuerdo con un ambicioso, pero retrospectivamente desafortunado, plan de reestructuración para la ciudad. De las numerosas torres originalmente presentes (se calculan entre 80 y 100), menos de veinte pueden verse hoy en día. Entre las torres restantes se encuentran la Torre Azzoguidi, también llamada Altabella (con una altura de 61 m), la Torre Prendiparte, llamada Coronata (60 m), la Torre Scappi (39 m), Torre Uguzzoni (32 m), Guidozagni Torre, Galluzzi Torre, y las famosas Dos Torres: la torre Asinelli (97 m) y la Torre Garisenda (48 m).

Base de la Torre Garisenda

Estas dos particulares torres adyacentes, se han convertido en algo así como un símbolo icónico de la ciudad. La Torre Asinelli es la más alta y se eleva a poco más de 97 m o 318 pies. Casi 500 escalones conducen a los visitantes a la parte superior, donde las vistas de la ciudad y la campiña circundante bien valen el esfuerzo. La considerablemente más corta Torre Garisenda actualmente no está abierto al público en general debido a su inestabilidad potencial, y es aproximadamente la mitad de la altura, unos 48 m o 157 pies; originalmente tenía 60 m de altura, pero fue recortada en el siglo XIV para evitar un colapso.



Interior de la torre Asinelli

La torre Garisenda saltó a la fama internacional, cuando el escritor Dante Aligheri la mencionó en varias de sus obras.

Algunas torres antiguas inclinadas

Otro caso importante de inclinación por consolidación del terreno de cimentación se presentó en la torre del campanario de la catedral del siglo XV (año 1450) de la población alemana de Suurhusen, un pueblo en la región de Frisia Oriental en el noroeste de Alemania. De acuerdo con los Guinness World Records fue la torre más inclinada del mundo, hasta el año 2010 cuando la recién erigida torre Capital Gate en Abu Dhabi, reclamó este record. El campanario de Suurhusen sigue siendo la torre más inclinada del mundo involuntariamente desplomada, superando a la Torre Inclinada de Pisa por 1.22°.

Inclinación de la torre
Suurhusen vs. Pisa

La iglesia fue construida originalmente en la Edad Media y la tierra entonces era muy pantanoso. Para garantizar que la torre de la iglesia se mantuviera erguida, fue edificada sobre una base de troncos de roble que aseguró que quedara en posición vertical durante varios siglos. Por desgracia, el terreno alrededor de la iglesia fue drenado en el siglo XVIII, y la torre comenzó su inexorable inclinación.

Hubo una gran preocupación en la década de 1970 de que la torre era insegura y la gente tenía prohibido subirse a ella. En un momento dado se fijó una "zona de exclusión" a su alrededor, para asegurarse de que cuando cayera no se vendría abajo sobre un grupo de turistas boquiabiertos. Fue incluso amenazada con la demolición, pero una campaña realizada por los lugareños la reforzó  a un enorme costo.

Referencias:

  • Crespo Villalaz, Carlos. Mecánica de Suelos y Cimentaciones. México: Limusa, 2004.
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  • Terzaghi, K. - Peck, R. B. Mecánica de Suelos en la Ingeniería Práctica. España: El Ateneo,1978.

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