Colapso del Edificio Champlain Towers South

En cuanto vi los videos del colapso de este edificio me dediqué a estudiar a fondo las causas que originaron tal desgracia. La primera cuestión que me intriga es que el edificio tiene 40 años de construido y seguramente ha estado sometido a cargas mucho mayores que las que estaban presentes en el momento del fallo. Además, ha soportado huracanes y vientos fuertes en ese periodo de tiempo. Eso indica que no es un problema de errores en el cálculo estructural ni en el proceso constructivo. La segunda cuestión es la forma en que falló el edificio. El fallo es similar a cuando se hace una demolición en que se colocan explosivos en las columnas inferiores, de modo que el desplome es vertical. Esto mismo sucedió con el edificio, lo que me hace pensar que las columnas inferiores son la base del fallo. La tercera cuestión está relacionada con el informe relativo a que la losa de concreto tuvo problemas durante 25 años, o sea, el agrietamiento y desconchado observado en 1996 sobre las columnas originaron el fallo estructural de la losa de modo que como se observa en la foto las columnas quedaron paradas, se abrió un hueco en la losa, y la misma cayó al suelo. A partir de esa información concentré mi atención en buscar lo que pudo originar el fallo de las columnas inferiores del edificio. A continuación, los resultados del estudio realizado.

Análisis del fallo de la losa de concreto del techo del estacionamiento

Fallo por Punzonamiento

La losa de concreto tiene 9 1/2 in de espesor con un concreto de fc = 4000 psi y las columnas N son de 12 in x 16 in. La condición más desfavorable se encuentra en L/11.1 como se muestra en la Fig. 1. En lo que sigue se calculará el fallo a punzonamiento con toda la carga, incluyendo una carga viva de 60 lb/ft² El área tributaria será: Las cargas actuantes de servicio serán:

Fig. 1 Fallo por punzonamiento

La carga factorizada será: El peralto efectivo será: Refuerzo: El perímetro de la sección crítica será: De modo que Vu < ϕVc y la losa no falla a punzonamiento aun cuando estuviese actuando toda la carga viva. Lo anterior queda confirmado en las fotos, ya que si fuese este el tipo de fallo la columna tendría una forma de cono en su parte superior y no sucede así.

Fallo por Flexión

La losa de concreto de 9 1/2 in sin vigas trabajando en dos direcciones tiene un refuerzo positivo de #4 @ 12″ o/c en ambas direcciones y un refuerzo negativo de unas 16 # 5 en una dirección y entre 16 # 5 y 19 # 5 en dirección perpendicular como de muestra en la Fig. 2. Este refuerzo corresponde a la zona del nivel +10′ 10″.

                 

Fig. 2 Refuerzo negativo en la zona del nivel +10’10”

El refuerzo negativo de 16 # 5 se distribuye en un ancho de 5′ 6″+ 5′ 6″ y de las 16 barras se colocará un 25% sobre la columna, o sea, 4 barras # 5, el resto se distribuye aproximadamente a 9″ a ambos lados de la columna. En la otra dirección la distribución del refuerzo es aproximadamente igual. En definitiva, este refuerzo negativo es el que ha estado afectado por la corrosión debido a que esta zona es en la cual se desarrollan las fisuras radiales debido a la concentración de los momentos flectores encima de las columnas en ambas direcciones. La disminución del área de las barras durante muchos años provocó el fallo por flexión para las cargas de peso propio solamente. Con el fallo de las barras negativas se produce la rotura de la losa alrededor de la columna, tal como aparece en las fotos.

Trabajo de la Losa como Lámina

Una vez que ha fallado la losa en una columna, la de peor corrosión, las demás columnas alrededor van recibiendo mayor carga y se produce un colapso progresivo. A partir de este momento se inicia el gran problema. Supuestamente, el refuerzo positivo no ha sido afectado de la misma forma que el negativo y por lo tanto, dicho acero comienza a trabajar de una forma diferente para lo que fue concebido. Para explicar el nuevo tipo de trabajo de la losa y su refuerzo positivo tenemos que escoger una banda que incluya la mitad de la losa a ambos lados, por ejemplo, se considerara el eje N entre la piscina y el eje 9. 1 como se indica en la Fig. 3.

                          Fig. 3 Banda de la losa trabajando como lámina en eje N

Debido a la rotura de la losa encima de la columna, esta se desplaza hacia abajo. El incremento de carga hace que en las columnas adyacentes también se produzca el fallo. Este proceso se repite en ambas direcciones. Si la losa estuviera con apoyo simple en los bordes, entonces la misma llegaría al suelo y el problema hubiera terminado en este momento. Solo la losa del parqueo hubiese sido el derrumbe. Sin embargo, no sucede de esta forma, sino que la losa está anclada en la piscina y en el muro de contención de un lado y en la parte inferior de la viga del eje 9.1. unos 2’6″ por debajo de la losa del nivel + 13′ 4″. El refuerzo a lo largo de la banda en estudio está anclado en la piscina, en el muro de contención y en la viga del eje 9.1.

La losa comienza a trabajar como una lámina anclada en sus dos extremos.

El refuerzo positivo y negativo a lo largo de la banda conforma un cable con la suma de las áreas de barras en todo el ancho de la banda analizada. Considerando solo el refuerzo positivo para todo el ancho de B = 19’ 0” se tiene: Área de todas las barras en la banda de ancho B El conjunto de barras hace el equivalente de un cable que se encuentra apoyado en ambos extremos dando lugar al trabajo como una lámina. Al estar estirado producto del peso propio de la losa, esta queda sometida a tensión y se fisura, de modo que el acero hace el efecto de a un cable semejante a un cable de baranda. Puede apreciarse en las fotos que la losa se mantiene fija en el muro de contención y que se desprendió de la piscina fallando el refuerzo de anclaje. Fig. 4

Fig. 4 Efecto de lámina (Trabajo como cable de acero)

Fuerza horizontal creada por el efecto de cable apoyado en los extremos

Caso 1 Efecto cuando falla la losa sobre una columna:

Análisis de una Columna “C” de la Edificación

Consideremos la columna localizada en el eje N y el eje 9.1 en el nivel inferior. Esta columna tiene 16″ x 16″ con 8 # 11, o sea una cuantía de 4.88 % que es bastante elevada si se tiene en cuenta que al empalmar con las barras del cimiento se duplican y llega a más de 8 % que es el límite especificado en la norma. La columna tiene una altura de 10′ 9″ y se considerará como articulada en sus extremos. Lo cual resulta conservador. Para el análisis que sigue se considerará exclusivamente el efecto de las cargas de peso propio de los elementos estructurales, una sobrecarga de 20 lb/ft2 y el peso de las paredes exteriores. En el momento del colapso se supone que el edificio tiene un mínimo de cargas vivas que no influye para nada en el análisis que se llevará a continuación. Fig. 5

                     Fig. 5 Carga máxima en la columna C del eje N y 9.1

La carga de servicio vertical actuante en el momento del colapso será de 470 kip. En la Fig. 6 se muestra la columna con la carga horizontal de 350 kip actuando a nivel del centro de la losa. La columna ahora se considera empotrada en ambos extremos que resulta ser la situación real y va a ser la condición que origina el menor momento flector, por lo cual estaremos minimizando el efecto de dicha carga para que la evaluación sea lo más segura posible.

          

Fig. 6 Columna N sometida al efecto de carga horizontal

Ahora vamos a obtener el diagrama de interacción para la columna N con una sección de 16″ x 16″ reforzada con 8 # 11 y una calidad de concreto de 6000 psi. En la Fig. 7 se muestra el diagrama de interacción obtenido del programa spColumn.

         

   Fig. 7 Diagrama de interacción de la columna N

La línea continua representa la capacidad de la sección para el diseño a partir de las combinaciones de cargas facturadas especificadas en las normas, mientras que la línea discontinua representa los valores nominales, es decir, la capacidad real de la sección para una combinación de carga axial y momento factor. En otras palabras, si la sección está sometida realmente a una combinación de P y M, el punto que define esa combinación debe encontrarse en el interior del diagrama nominal para que no falle, mientras que, si cae fuera, la sección alcanza el fallo inmediatamente. En nuestro caso el punto con: cae fuera de la sección y por tanto, esta columna falla en el momento que dicha combinación comienza a actuar simultáneamente. A partir de este momento de fallo de la primera columna se produce el colapso progresivo a las demás columnas debido a la redistribución de las cargas a las columnas adyacentes, dando lugar a un tipo de fallo semejante al de una demolición con explosivos en las columnas inferiores.

Conclusiones y Observaciones sobre el Diseño del Edificio

Como conclusión fundamental de este análisis se puede decir que la causa principal del colapso del edificio se debe a la corrosión de las barras en el tope, la losa de concreto cubriendo el parqueo localizado encima de las columnas. El fallo de la losa provocó el efecto de trabajo en la lámina de la losa que originó las cargas horizontales que provocaron el fallo de las columnas del edificio y continuó con el colapso progresivo y el fallo parte del edificio. Todo a causa de un deficiente mantenimiento.

Por último, me gustaría hacer ciertas observaciones que pudieran en un futuro ayudar en el diseño de edificaciones localizadas cerca del mar, con losas a desnivel en un mismo piso y distribución de paredes de cortante en la estructura.

a) Si observamos los detalles de refuerzo en las losas, nos encontramos que el recubrimiento neto de las barras de refuerzo negativo en la losa es de 3/4″. Aun cuando el código así lo indica, es conveniente incrementar dicho recubrimiento en situaciones bajo efectos del salitre, en balcones, etc. b) La diferencia de nivel de la losa de piso entre el edificio y el techo del parqueo es de 2′ 6′ Evidentemente el parqueo no requiere de alturas elevadas dando lugar a esta diferencia de niveles. Sin embargo, se llama la atención a que el efecto de diafragma de dichas losas puede generar efectos de cargas horizontales debido a la retracción del concreto, a efectos de los cables de pretensado en la losa, a efectos de trasmisión del viento, o como en este caso, algo insólito, el efecto de lámina de la losa. Se sugiere estudiar en detalle estos cambios de niveles como se verá a continuación. c) En la situación de desnivel planteado se puede lograr una discontinuidad si se coloca una viga con columna separada 1 o 2 in de la columna de la edificación o también se puede colocar un soporte (ledge) en la viga de borde y así evitar la continuidad entre ambas partes. Fig. 8 d) Finalmente, algo importante que note y quisiera señalar es con relación a las paredes de cortante. Si nos fijamos, el colapso progresivo finalizó en el momento que se encontró con la pared de cortante del eje F.3 pero sobrepasó la pared de cortante del eje M fallando esa parte también. Lo que me gustaría comentar es que se dispuso estas paredes para el viento actuando en una dirección, pero no se dispuso ninguna pared para el viento actuando en dirección perpendicular.

Fig. 8 Variantes de conexión

En nombre de Eastern Engineering Group, damos nuestro más sentido pésame a todos los afectados por el colapso de las torres Champlain. Este artículo refleja los estudios del profesor Ernesto F. Valdés sobre el Colapso de las Torres Champlain y lo escribió específicamente para que Eastern Engineering Group lo publicara en su nombre. Traducción de: Ivet Llerena (Eastern Engineering Group) Dibujos estructurales por: Eastern Engineering Group Fotografía del colapso de las torres Champlain Por: Pablo Lopes © 2021 Este artículo fue escrito por Ernesto Valdés y publicado por Eastern Engineering Group. Reservados todos los derechos.