LA REHABILITACIÓN DE LA CATEDRAL METROPOLITANA DE LA CIUDAD DE MÉXICO

Palabras Clave : Investigación, monumentos, rehabilitación, estudios experimentales, monitoreo, ingeniería estructural, .

El Instituto de Ingeniería de la UNAM participa en el proyecto de Rehabilitación de la Catedral Metropolitana de la Ciudad de México. En el artículo se describen las bases del proyecto y los estudios realizados para apoyar las decisiones sobre las medidas correctivas, así como los resultados alcanzados en los diez años de su ejecución. Aunque todavía faltan algunas acciones de refuerzo, se ha llevado el monumento a condiciones de seguridad muy aceptables. En particular, se han reducido en cerca de un metro los hundimientos diferenciales que existían al iniciar el proyecto, los cuales eran de 2.4 m.

Las tareas que se realizan para subsanar algunos problemas que afectan la seguridad de la Catedral Metropolitana de la Ciudad de México, representan un verdadero desafío para la ingeniería mexicana. En el presente artículo se hace referencia a los aspectos estructurales y, en especial, a los estudios e investigaciones que el Instituto de Ingeniería de la UNAM ha realizado para dar soporte técnico al proyecto.

La tarea más importante ha consistido en corregir una parte importante de los enormes hundimientos diferenciales que ha sufrido la Catedral desde los inicios de su construcción. Terminada la corrección se modificaron las características del subsuelo, en previsión, aquí en delante, de los hundimientos que se presenten. Durante las operaciones mencionadas se tomaron las medidas para evitar que los movimientos de la construcción produjeran daños en su estructura. Posteriormente, se realizaron diversas obras de refuerzo para mejorar la seguridad del templo ante futuros sismos y hundimientos

El templo está constituido por cinco naves. La central está cubierta por una bóveda cilíndrica, interceptada transversalmente por otras de forma conoidal. Esta bóveda está soportada por 16 columnas de cantera. Las dos naves laterales procesionales tienen bóvedas esféricas. Así, las dos naves extremas de capillas, están subdivididas por muros robustos de mampostería que encierran una serie de éstas.(ver imagen 02)

Una nave transversal con bóveda cilíndrica cruza el templo, y sobre su intersección con la nave principal se levanta la gran cúpula central que transmite cargas muy elevadas a las cuatro columnas que la soportan. Los muros que dividen las capillas, junto con los de la fachada y sus contrafuertes, constituyen un cinturón perimetral que proporciona al monumento una considerable rigidez y resistencia ante cargas laterales.

El material primario de construcción es una especie de concreto ciclópeo integrado por piedras de origen volcánico (andesitas y tezontle), aglutinadas por un mortero de cal y arena. La composición de este material, y, por tanto, su peso volumétrico y propiedades mecánicas, varían según los elementos constructivos y las épocas en que se realizó cada parte de la construcción.

Las columnas, arcos y algunos elementos decorativos, son de sillares de piedra andesítica (cantera y chiluca). Se pudo comprobar que queda un núcleo central de mampostería pobre, cuya contribución a la resistencia es poco significativa. Más adelante se presentarán algunos datos sobre las propiedades de estos materiales.

Los grandes hundimientos diferenciales que se presentaron desde el inicio de la construcción, obligaron a efectuar correcciones y ajustes continuos en la geometría del edificio, a lo largo de los 240 años que se prolongó su construcción. La longitud de las columnas, por ejemplo, varía, de acuerdo a la magnitud de los hundimientos que experimentaron cada una de sus bases en la época en que se nivelaron sus extremos superiores, para proceder a la construcción de los arcos y las bóvedas de la cubierta. La diferencia máxima de longitud es de 85 centímetros.(ver imagen 04)

Las inclinaciones que sufrieron las columnas, cada vez que se vio interrumpida su construcción por un lapso prolongado, sobre todo en la zona norte, hicieron necesarias correcciones en su verticalidad. Los cambios de pendiente que ahora se detectan en su fuste, indican que en una primera etapa se levantaron las columnas hasta una altura de 3.7 metros y después hasta 10 metros. En esta última medida se detuvo su construcción por largo tiempo, hasta ser rematadas en el arranque de los arcos. Hay una diferencia de pendiente de hasta 1.4%, entre los diferentes tramos del fuste.

En el revestimiento de piedra, en las fachadas, se detectaron varias hiladas de ajuste, de altura variable, para corregir los desniveles. El claro y la altura de los arcos y las bóvedas tuvieron que variar en cada caso, de acuerdo con la posición de los apoyos en el momento del cierre.

Una vez cerrada la cubierta, la estructura adquirió mayor rigidez y la tasa de hundimientos diferenciales se redujo. Sin embargo, los movimientos diferenciales permanecieron suficientemente elevados para producir agrietamientos considerables en la estructura, especialmente en la cubierta, que tuvo que ser continuamente reparada para evitar filtraciones.

La configuración de hundimientos en la Catedral es muy compleja. En un primer análisis se pueden identificar dos mecanismos principales: un hundimiento generalizado hacia el surponiente, y una "emersión" de la zona central, al norte del crucero.

El primer mecanismo ha producido una configuración de grietas transversales en la cubierta y en los muros laterales, sobre todo en la zona cercana al crucero. Ha producido también una separación entre la fachada sur, con sus pesadas torres, y el resto de la construcción. (ver imagen 07)

El segundo mecanismo ha ocasionado una rotación hacia afuera de las columnas y las naves laterales, así como la abertura de los arcos y las bóvedas. Esto ha dado lugar a un patrón de grietas longitudinales en la cubierta, principalmente, aunque también en el piso y la cimentación. Este segundo mecanismo es muy importante, desde el punto de vista estructural, porque ha dado lugar a grandes desplomes en las columnas.

Resultan particularmente críticas las columnas bajo la cúpula central, por las elevadas cargas verticales que deben soportar. La excentricidad total entre la sección superior y la inferior de las columnas C6 y C7 es de 66 centímetros, lo que representa casi 30% del tamaño de la sección.

El enorme peso de la construcción produce un efecto muy severo sobre la estructura y el suelo. El peso total, incluyendo la cimentación, es de 127 000 toneladas, las que consideradas uniformemente repartidas en la plataforma de cimentación (de 66 x 132 metros), producen un esfuerzo promedio de 14.2 ton/m2 sobre el suelo. Este es un esfuerzo extremadamente elevado para el tipo de suelo en cuestión.

Sobre un modelo de elementos finitos del templo, se ha realizado un análisis refinado de los esfuerzos introducidos por el peso de la construcción. Este modelo considera la configuración teórica del templo, sin tomar en cuenta las distorsiones producidas por los hundimientos diferenciales. Los esfuerzos, en términos generales, resultan moderados y muy por debajo de los que pueden desarrollar los materiales empleados. Esto refleja el buen criterio estructural con que fue concebida la construcción.(ver imagen 08)

En la zona más pesada, la del crucero, puede apreciarse que el peso de la cubierta se transmite hacia la cimentación, esencialmente mediante cargas axiales en las bóvedas, arcos, columnas y muros.

El movimiento hacia afuera de los apoyos de la nave, en la parte norte, ha producido un mecanismo de deformación que tiende a abrir el arco, principalmente por el giro de tres bisagras plásticas. Si este movimiento continúa, la bóveda puede llegar a una condición inestable, debido a la formación de una cuarta bisagra. Sin embargo, para las deformaciones actuales, la configuración deformada se encuentra todavía en condición segura. (ver imagen 09)

Cuando se revisan los esfuerzos en las columnas bajo el crucero, tomando en cuenta las excentricidades producidas por su desplomo, se observa que los momentos flexionantes que se introducen por la excentricidad de la carga vertical, incrementan los esfuerzos de compresión 2.3 veces con respecto a los que se calculan ignorando la flexión.

Las pruebas realizadas en la piedra de las columnas, indican que en el último tramo del fuste se empleó un material de muy baja calidad, con una resistencia promedio inferior a los 100 kg/cm2, contra los casi 300 kg/cm2 en el resto de la columna. La condición de esfuerzos en los tramos superiores de las cuatro columnas centrales, resulta cercana al colapso, como lo demuestran las grietas verticales y los signos de aplastamiento que se aprecian en una de ellas. (ver imagen 10)

La respuesta sísmica de los monumentos históricos, presenta diferencias sustanciales con respecto a la de los edificios modernos comunes. Estas diferencias se derivan de las distintas formas arquitectónicas y estructurales de los edificios, así como del hecho de que los materiales estructurales de los edificios antiguos no tienen capacidad para resistir esfuerzos de tensión significativos, lo que impide una continuidad entre los elementos y da lugar a mecanismos muy diferentes para absorber los efectos sísmicos. En el caso de la ciudad de México, adicionalmente, la interacción de estructuras extraordinariamente rígidas y masivas, como las de los edificios históricos, con un suelo sumamente blando y deformable de arcillas, sobre las que están desplantados, modifica sustancialmente las vibraciones inducidas por un sismo, mientras que para los edificios modernos este efecto es de mucho menor importancia.

El conjunto de la Catedral ha salido librado exitosamente ante los fuertes sismos que han ocurrido desde su construcción; sin embargo, presenta algunas características que hacen dudar sobre su seguridad ante terremotos futuros, como los evidentes agrietamientos en la cubierta, ocurridos a raíz de los sismos de 1985. La preocupación principal es que los fuertes desplomos de las columnas de la nave principal y, sobre todo, de las cuatro columnas centrales que sostienen la gran cúpula, se pueden incrementar notablemente por los desplazamientos debidos a los sismos, poniéndose así en peligro la estabilidad del monumento.

La evaluación de la seguridad sísmica de los edificios se basó en los resultados de la red de instrumentación sísmica, instalada para ese propósito en la Catedral, así como en los análisis y procedimientos de cálculo realizados sobre modelos calibrados a partir de los resultados instrumentales. Se resumirán, inicialmente, los resultados de la red instrumental, los que se presentan con detalle en el informe específico sobre este estudio.

La red está compuesta por instrumentos que miden la aceleración del movimiento, en el punto sobre el que están colocados. Cada instrumento cuenta con un sensor que se compone de tres acelerómetros que registran el movimiento en dos direcciones horizontales ortogonales y en la vertical. Los instrumentos arrancan automáticamente al detectar un movimiento en su base, mientras que las mediciones se graban en una unidad de registro digital.

La red constó de ocho instrumentos. Para entender el movimiento del suelo, sin la interferencia por la presencia de la Catedral, se colocó un instrumento sobre el terreno, a un costado de la entrada oeste de la Catedral. Para estudiar el movimiento de la cimentación en el nivel del sótano y las posibles diferencias en distintas zonas, se colocaron tres equipos en el área de criptas: en los lados sur y norte, y al centro. Para comprender el movimiento de la cubierta, se instalaron tres instrumentos sobre la bóveda principal: a su costado sur, en el centro y en el lado norte, así como un instrumento en el lado poniente de la bóveda transversal del crucero. Posteriormente, dos de los instrumentos del sótano fueron reubicados en la torre sur-poniente. (ver imagen 11)

De enero de 1997 a diciembre de 1999, la red acelerográfica registró 16 movimientos sísmicos. De los espectros de respuesta de las aceleraciones registradas por el instrumento colocado en el terreno fuera de la Catedral, se deduce que el sitio presenta un período fundamental de vibración de aproximadamente 2.6 segundos y un segundo modo de vibración para un período cercano a 0.5 segundos. De acuerdo con el mapa de periodos dominantes del terreno, del Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal (RCDF), en su propuesta para el año 2000, el período correspondiente a la zona donde se ubica la Catedral, es de aproximadamente 2.5 segundos, muy similar al obtenido a partir de los registros sísmicos.

El período dominante de la vibración del terreno, resulta ser muy superior a los períodos fundamentales de vibración de estructuras históricas como la Catedral, los que no suelen exceder de 0.5 segundos. Esto es particularmente benéfico para estas edificaciones, ya que al no tener periodos de vibración similares entre la estructura y el terreno de apoyo, el movimiento de la estructura no experimenta amplificaciones importantes, lo que sí sucede en algunos edificios modernos, en los que se produce un efecto de resonancia en la estructura, lo que constituyó uno de los factores principales para el colapso de muchos de ellos en el sismo de 1985.

Los registros obtenidos en los sótanos permitieron determinar el efecto de un fenómeno llamado interacción cinemática suelo-estructura. Las ondas de vibración del terreno tienen una longitud que es igual al producto de su período por la velocidad de transmisión de las ondas de corte. Las ondas de longitud menor a 100 m, que corresponden a períodos menores de 1 s, son interferidas o filtradas, y reducen su amplitud al atravesar un cuerpo rígido y masivo como la base de la Catedral, que tiene una dimensión igual o menor que esa longitud de onda, mientras que las de períodos mayores no son afectadas.

El fenómeno anterior es particularmente benéfico para la seguridad sísmica de la Catedral y, de manera similar, para el resto de los edificios históricos del centro de la ciudad de México. Se ha constituido en un factor importante para que éstos se hayan mantenido en pie ante los muchos e intensos terremotos que los han afectado a lo largo de los siglos. Las aceleraciones máximas en la azotea, para ambas direcciones horizontales, exceden en poco a las de los sótanos (17 por ciento para el sismo del 11 de enero de 1997). Esto indica que el monumento es muy rígido y amplifica muy poco la vibración del terreno, de manera que se mueve casi como un cuerpo rígido.

Los espectros de respuesta en los puntos sobre la azotea, muestran que en ambas direcciones la mayor amplificación se da para un período del orden de 0.4 s, lo que permite establecer que dicho período se asocia al primer modo de vibrar de la estructura en su conjunto. Se observó que la cúpula experimenta una mayor respuesta vertical que el resto de la cubierta, con un pico para un período de 0.15 s. Lo anterior revela que la cúpula presenta una vibración vertical local, que se atribuye al gran peso de esta estructura, aunado a la baja rigidez axial que presentan los elementos que transmiten su peso hacia las cuatro columnas del crucero.

La vibración de las torres fue objeto de un análisis detallado. Su vibración a nivel de azotea es el doble de la que se tiene en el sótano, mientras que en la parte alta de la torre la amplitud aumenta 3.5 veces más. La parte inferior de la torre está ligada a la estructura principal y tiene mucho mayor rigidez que la parte superior, lo que por tanto amplifica mucho la vibración. El período fundamental de vibración de la torre es de 0.87 segundos.

Hay que destacar que la red acelerográfica de la Catedral, ha sido notablemente exitosa en cuanto al número y calidad de registros obtenidos en un lapso reducido, así como en la utilidad de la información. Esto permite mejorar el conocimiento sobre la manera como el monumento responde a los movimientos sísmicos del terreno. Muchos de los resultados son también de utilidad para el estudio de otros monumentos, construidos sobre el suelo blando del centro histórico de la ciudad de México. Es recomendable mantener por un tiempo la instrumentación de la Catedral, para comprobar la estabilidad de la respuesta observada y conocer más claramente el comportamiento de algunos elementos, en particular, las torres de la fachada principal.

Se utilizaron los modelos de elementos finitos para realizar análisis sísmicos de la Catedral y el Sagrario en su conjunto, así como en algunas de sus partes. Inicialmente se determinaron las formas modales de vibrar de los edificios. Los dos primeros modos corresponden a la vibración longitudinal y transversal; el tercero y cuarto a la vibración torsional, y el quinto, a la vibración vertical de la cúpula central, ya detectada en los registros instrumentales. Sobre los mismos modelos de elementos finitos, se realizaron análisis dinámicos de la estructura, sometida al movimiento más severo, el cual es registrado por los instrumentos para comparar la respuesta ante un sismo, esto, con el diseño determinado con los criterios antes expuestos. (ver imagen 12)

Como se puso en evidencia en el análisis de los registros instrumentales, el agrietamiento de la estructura y la concentración de masas en algunas zonas, hacen que partes de la estructura puedan vibrar de manera independiente del resto. La fachada principal, con sus pesadas torres, puede separarse del resto de la estructura, por lo que la primera debe revisarse como una unidad independiente en una vibración normal a su plano. La parte central de la Catedral tiene una masa muy superior al resto, y las fuerzas de inercia que en ella se generan, difícilmente pueden ser transmitidas al resto de la estructura a través de la techumbre. Al comparar los esfuerzos que se podrían presentar en los muros con el esfuerzo cortante, resistente de esa mampostería, y encontrado con la aplicación de los criterios del Reglamento de Construcciones a los resultados de los ensayes de laboratorio realizados a ese material, se encuentra un factor de seguridad muy aceptable.

En resumen, puede afirmarse que los efectos sísmicos no constituyen una amenaza grave para la estructura, a menos que ésta llegara a encontrarse en condiciones cercanas al colapso, por el efecto de la acción conjunta entre el peso propio y los hundimientos diferenciales.

De la evaluación sobre las condiciones de los edificios de la Catedral, se desprende la necesidad de emprender acciones tendientes a reducir la situación de inseguridad en la estructura y mejorar el funcionamiento del templo. La primera parte del programa de rehabilitación tuvo como objetivo la corrección parcial de las diferencias de nivel, entre distintos puntos de la base de los edificios, mediante la técnica llamada de subexcavación. La naturaleza de esta técnica y la justificación de su aplicación a la Catedral, se explican con detalle en la publicación de los autores sobre su diseño y ejecución (Tamez et al., 2000).

La subexcavación consiste en hacer descender de manera lenta y controlada las partes más altas en la base del edificio, mediante la extracción de suelo en los estratos más compresibles debajo de ellas. En el caso de la Catedral, la extracción se hizo con perforaciones radiales de pequeño diámetro, ejecutadas desde lumbreras estancas excavadas hasta la profundidad deseada. Mediante un control cuidadoso de la cantidad de suelo extraído en cada posición, es posible generar asentamientos muy pequeños y precisos en los sitios deseados. Se excavaron 32 lumbreras, a partir del nivel de criptas y una profundidad de 20 m, distribuidas en las zonas donde era necesario generar los hundimientos bajo la Catedral y el Sagrario. (ver imagen 13)

El propósito no sólo fue eliminar parte de los hundimientos diferenciales, sino también producir movimientos que favorecieran la estabilidad estructural de ambos edificios. Destacan entre estos movimientos, los que conducen a la reducción en el desplomo de las columnas de la nave central y de las torres de la fachada sur, el cierre de la nave central, principalmente al norte del crucero, el cierre de algunas grietas y la disminución de algunas torceduras. (ver imagen 15)

14. Zunchos en siete columnas de la Catedral.

Antes de comenzar la subexcavación se tomaron precauciones para salvaguardar la estructura ante algún movimiento imprevisto en la cimentación. Se colocó una estructura de apuntalamiento de la cubierta en la parte que es soportada por las columnas; esto, a base de torres y arcos formados por tubos de acero, provistos de mecanismos que permiten ajustar su altura y controlar la carga que va variando por los asentamientos del piso que son producidos por la subexcavación. Adicionalmente, se colocaron tirantes para restringir la posible abertura de arcos y bóvedas de la nave principal y las procesionales. Considerando la situación particularmente crítica para algunas columnas sujetas a cargas axiales y desplomos elevados, se colocó en siete de ellas un zuncho a base de elementos de acero, para protegerlas de alguna sobrecarga accidental durante el proceso.

Al inicio del programa de subexcavación era difícil prever hasta qué punto iba a ser factible realizar las correcciones, ya que se suponía que las estructuras, por su rigidez, se opondrían a los movimientos tendientes a distorsionarlas. Inicialmente, se trató de producir configuraciones de asentamientos que corrigiesen, con la mayor precisión posible, las diferencias de nivel existentes. Esto implicaba movimientos relativos y giros en las bases de las columnas y en los arranques de las bóvedas. En poco tiempo se llegó a la conclusión de que las correcciones más viables, son las que implican movimientos de cuerpo rígido del conjunto, o de partes del mismo, que están separadas por grietas importantes y que no presentan gran oposición a los movimientos correctivos.

Una vez terminados los trabajos preparatorios, la subexcavación comenzó en agosto de 1993 y se dio por terminada en mayo de 1998. El desnivel máximo que existía entre puntos del piso de la Catedral, era de 240 cm. Este se redujo en 83 cm, lo que representa una corrección de 34%.

El aspecto crítico para la estabilidad del monumento lo constituyen los desplomos de las columnas. En prácticamente todos los casos, la subexcavación produjo una corrección favorable de los desplomos. Al final de la subexcavación quedaron cinco columnas con una excentricidad mayor a 2% de su altura, y ocho con una excentricidad mayor a 1%. La situación más preocupante es la de las cuatro columnas del crucero de la Catedral, que mantienen un fuerte desplomo.

16. Micropolite con láminas de mortero para reforzar el suelo.

Inmediatamente después de terminar la subexcavación, se tomaron medidas para evitar que los edificios reanudaran las tendencias de hundimiento que presentaban antes del inicio del proceso.(ver imagen 17) Para ello se procuró modificar las propiedades del subsuelo, para lograr una mayor uniformidad de sus hundimientos y no perder rápidamente los avances logrados con la subexcavación. Para este propósito se realizó un programa de inyección con lechada de mortero en los estratos más compresibles del subsuelo. La técnica fue desarrollada y ejecutada por TGC Construcciones (Tamez, 2000), con base en experiencias previas de estabilización obtenidas en otros países, así como en los resultados favorables de un proceso de inyección realizado en el Palacio de Bellas Artes en la década de los veinte (Santoyo, 1998) y en aplicaciones recientes que la misma empresa realizó en la FES-Zaragoza de la UNAM. En la versión desarrollada para la Catedral, se inyectó inicialmente un micropilote de unos 15 cm de diámetro y a partir de éste unas láminas radiales de 2-3 cm de espesor. Se diseñó un programa para inyectar distintas cantidades de mortero en diferentes zonas, de acuerdo con la medida en que se consideró necesario reducir la deformabilidad de éstas, para lograr un hundimiento uniforme de los edificios. Se programó llegar a esos volúmenes en varias etapas. En el período considerado en este informe, sólo se realizaron diversas etapas de inyección, ajustando las cantidades de mortero de cada una, de acuerdo con los resultados obtenidos en las etapas anteriores.

Los movimientos que se produjeron en la estructura durante esta etapa, fueron inferiores a los que ocurrieron durante la subexcavación. Por ello los efectos en la estructura fueron mucho menores; las tendencias de deformación se revelaron mucho más lentamente, y las mediciones fueron más irregulares, al ser más afectadas por factores externos como los cambios ambientales. En esta etapa el monitoreo se basó más en las mediciones de los instrumentos automáticos electrónicos, que en las nivelaciones y plomadas. Las modificaciones en los desplomos de las columnas, en esta etapa, han sido poco significativas, al igual que los otros parámetros de la respuesta estructural. Más evidentes han sido las aberturas de los arcos y bóvedas de la nave principal, donde se ha llegado a perder buena parte del cierre que se había logrado durante la subexcavación.

En resumen, hasta el momento la inyección no ha modificado las condiciones de seguridad de la estructura, pero es previsible que, una vez que esta modificación logre totalmente su efecto, los hundimientos diferenciales se estabilicen en patrones mucho menos desfavorables para la estructura, que los tenidos anteriormente.

Monitoreo Estructural durante la Rehabilitación

Se tuvo clara conciencia de que el programa de rehabilitación que se iba a emprender, para corregir parte de las distorsiones que el monumento había sufrido desde los inicios de su construcción, iba a introducir solicitaciones significativas en su estructura. Aunque podían hacerse estimaciones de la magnitud de los efectos inducidos, existían serias incertidumbres sobre la precisión de los procedimientos de cálculo, así como de la efectividad de las medidas correctivas. Por esta razón, se decidió aplicar a todo el programa un enfoque denominado método observacional, que se basa en la comprobación de la efectividad de las acciones que se van realizando, mediante la medición continua y detallada de la respuesta de la construcción, esto, ante pequeños incrementos de dichas acciones y el ajuste progresivo de las medidas de intervención, con base en la respuesta medida.

La aplicación del método observacional requiere el diseño cuidadoso de las actividades, para que éstas constituyan etapas de un experimento en el que sea claro cuáles son las acciones y cuánto valen, y cuáles son sus efectos, a la par que se trata de evitar la influencia de cualquier otro factor no controlado. La base del método es el monitoreo de la respuesta, mediante una profusa instrumentación que permita llevar un registro detallado de los parámetros básicos de la misma.

La instrumentación que se ha colocado en los edificios de la Catedral, está constituida básicamente por un sistema convencional y otro automático. Estos se describirán a continuación, sin incluir los instrumentos que tenían un propósito esencialmente geotécnico, por estar fuera del ámbito de este trabajo.

El control básico de la respuesta se ha realizado mediante la nivelación quincenal de una retícula, formada por un centenar de puntos ubicados a nivel de plintos de muros y columnas. Su producto fundamental son las curvas de igual asentamiento diferencial del piso de los edificios. Mensualmente se ha realizado una nivelación semejante en las cubiertas de los templos, para detectar posibles diferencias con respecto a los movimiento de los pisos. Los cambios de inclinación de las columnas y muros se han medido con plomadas, sobre un marco metálico de referencia. De manera menos sistemática se han realizado mediciones de las inclinaciones a diversas alturas de las columnas, mediante un inclinómetro manual. Se han hecho mediciones llamadas de convergencia, para dar seguimiento a los cambios de distancia entre columnas de una misma crujía, a distintas alturas. Esto se hizo con la utilización de una cinta de acero invar y un distanciómetro electrónico. La aparición de grietas y la evolución de su longitud y abertura, se detectó con inspecciones semanales, con el auxilio de una regla grabada. Adicionalmente, se hizo un seguimiento de la carga que estaba tomando la estructura de apuntalamiento, que se había colocado previo al inicio de los trabajos, con el fin de dar protección a la cubierta ante una eventual falla de las columnas. Para ello se colocaron medidores eléctricos de deformación en los tubos principales de las torres de apuntalamiento, de los que se hicieron lecturas mensuales para determinar la carga que estaban tomando, con el fin de realizar, de ser necesario, los ajustes a los gatos de tornillo instalados en los tubos para regular su "apriete".

A medida que avanzaron los trabajos, se percibieron más claramente las ventajas de contar con un sistema de medición, capaz de proporcionar, de manera continua y automática, la información mínima necesaria para detectar señales de alarma en la respuesta estructural. A partir de mediados de 1994, se pudo contar con un sistema de monitoreo automático, diseñado y construido por el ISMES, e instalado en colaboración con el Instituto de Ingeniería, el que se hizo cargo, además, de la operación y el mantenimiento del sistema. Este es similar a los que se han instalado en algunos de los templos de mayor importancia en Italia y otros países. Consta de:


18. Telecoordinómetro en el sotabanco de la torre oriente.	19. Extensómetro en el arranque del arco sur, bajo la cúpula del Sagrario.

Diez péndulos con telecoordinómetros, para medir el movimiento vertical de la parte superior de las columnas, torres y muros de fachadas
22 extensómetros de gran longitud, para medir los cambios en las distancias, entre distintos puntos de la cubierta, principalmente los cambios de claros de bóvedas, arcos y cúpulas.
Cinco sensores de temperatura en el extradós e intradós de la cubierta, para tener bases de estimación sobre el efecto de los cambios de temperatura en las mediciones de los diferentes parámetros de la respuesta estructural.
Un radiómetro para medir la radiación solar y relacionarla con los efectos de la temperatura.

Las señales de cada sensor son llevadas por una red de cableado hacia una estación central de adquisición de datos, ubicada en una caseta adyacente a la Catedral. El equipo está programado para hacer un barrido automático de lecturas cada cuatro horas, pero con operación manual se pueden registrar las señales en el momento que se desee. El programa permite desplegar en los monitores del equipo, gráficas con la evolución en tiempo de las mediciones de cada sensor y las diferencias entre sus lecturas. A los archivos de los resultados se puede tener acceso a control remoto, desde las oficinas de los encargados del proyecto. El sistema ha operado sin interrupciones desde su instalación. Sus lecturas son mucho más precisas que las de un monitoreo convencional. Las señales son muy estables y poco afectadas por cambios de temperatura y ruido ambiental.

Los resultados de los distintos sistemas de monitoreo, se presentarán al evaluar el comportamiento estructural en las distintas etapas del programa de rehabilitación.

En el Laboratorio de Estructuras del Instituto de Ingeniería de la UNAM, se han realizado pruebas en materiales para apoyar los estudios de seguridad estructural y las decisiones del proyecto.

Se han probado los tubos de apuntalamiento y sus conexiones, para verificar si su resistencia es la del proyecto.

Se han extraído muestras de la mampostería empleada en la construcción. Sólo para la cimentación se obtuvieron las muestras directamente del pedraplén. Las muestras del material de los muros, se obtuvieron de elementos de construcciones semejantes, para no afectar la Catedral. Los resultados indican una calidad aceptable y bastante uniforme, con una resistencia promedio en compresión de 35 kg/cm2 .

Para el estudio de la calidad del material en las columnas, se extrajeron núcleos continuos de 5 centímetros de diámetro de dos de las columnas de la Catedral y una del Sagrario. Las muestras se sacaron a tres alturas del fuste de las columnas.

Los resultados revelaron que las columnas tienen una parte central de mampostería bastante pobre. Por lo tanto, la sección de cantera efectiva para resistir las cargas, es significativamente menor a la total. La revisión de la seguridad de las columnas se ha hecho con la sección media.

Se ha encontrado una diferencia significativa en la calidad de la cantera en la parte superior de la columna, con respecto a la inferior. En la última etapa de construcción, arriba del nivel, 10 metros sobre el piso de feligresía, se empleó una cantera de calidad muy inferior para los sillares de las columnas. Los resultados muestran que la resistencia promedio en compresión de los núcleos extraídos de la parte inferior, es de 272 kg/cm2, mientras que para el último tramo, es de 100 kg/cm2, con valores tan bajos como 75 kg/cm2.

Reparaciones Estructurales y otras Medidas para Mejorar la Seguridad de la Estructura

Se aprovechó la etapa de inyección, en la que ya no se esperaban movimientos significativos, para realizar diversas operaciones de reparación y refuerzo. La actividad más intensa correspondió a la consolidación de las numerosas grietas que existían desde antes de que se iniciara la rehabilitación y aquellas que se abrieron durante el proceso. La consolidación se realizó mediante un procedimiento bien establecido en la práctica, durante la conservación de los edificios históricos de mampostería en México. Consiste en la inyección de una lechada de cal y arena, con algo de cemento, y aditivos estabilizadores de volumen. La mayor cantidad de grietas inyectadas están en las bóvedas de la Sacristía y la Sala Capitular, en la parte poniente de la nave del crucero, y en todas las bóvedas al sur del eje 10. En el Sagrario se presentaron especialmente en los tramos norte y poniente de la bóveda principal, la esquina nororiente y la bóveda del sotocoro. Adicionalmente, se sustituyeron algunos sillares dañados en dinteles y arcos, y se repararon diversos huecos que se habían dejado en la estructura, para la colocación de insertos metálicos de soporte para ornamentos y objetos de culto.

Atención especial requirió la bóveda del sotocoro del Sagrario, debido a las grandes deformaciones que ha sufrido desde su construcción, las que habían motivado diversas intervenciones previas. Se trata de una bóveda mucho más rebajada de lo habitual, que adicionalmente ha perdido mucha curvatura por la abertura en sus apoyos, lo que la hace particularmente vulnerable a deflexiones adicionales. Para mejorar la seguridad estructural de esta bóveda, se le colocó, por el extradós, una capa delgada de concreto reforzado con malla de acero.

Los arcos son los elementos de la cubierta que han sido objeto de las mayores reparaciones y refuerzos a lo largo de los siglos.. En esta rehabilitación no se realizaron refuerzos particularmente importantes de los arcos, excepto para el del sotocoro del Sagrario. Se sustituyeron algunos sillares afectados y se inyectaron algunas grietas, sobre todo para el arco del eje 7, de la nave procesional poniente de la Catedral. El arco del sotocoro del Sagrario se encontraba en condiciones muy avanzadas de deterioro, por lo que se optó por desmontarlo y volverlo a construir con una geometría ligeramente más favorable.

Los muros han sido repetidamente dañados por los asentamientos diferenciales, así como reparados por inyección de grietas y, en algunos casos, por la inserción de elementos de concreto. En esta etapa también fue necesario realizar un buen numero de reparaciones de grietas en muros mediante inyección. El único caso en que el refuerzo se consideró impostergable, fue el del muro del eje F' del Sagrario, que presentaba severos agrietamientos e indicios de falla incipiente, arriba del hueco para el paso hacia la Catedral. Se reforzó con una malla de acero, anclada a la mampostería y recubierta con una capa de concreto

Por las razones ya expuestas en este informe, la seguridad de las columnas de la Catedral y el Sagrario fue objeto de particular atención por parte del Comité Técnico Asesor. Los problemas mayores en estos elementos, se relacionan con los fuertes desplomes que presentan, con el agrietamiento que en algunos de ellos han producido los asentamientos diferenciales y las concentraciones de esfuerzos generadas por la falta de uniformidad del apoyo en las juntas horizontales entre sillares. Se realizaron estudios sobre los materiales y su estado de deterioro; determinaciones experimentales, y cálculos analíticos de los esfuerzos actuantes en las secciones críticas. Además, se dio un seguimiento muy estrecho a la evolución de las condiciones de estos elementos, durante todo el programa de rehabilitación.

Se estudiaron en detalle diversos tipos de intervención para mejorar la seguridad de las columnas. A continuación se resumirán brevemente las principales opciones consideradas y estudiadas.

Desmantelamiento y reconstrucción. Esta fue la primera solución considerada, y la más drástica. En vista de las diversas irregularidades en el perfil de las columnas, se propuso desmantelarlas y reconstruirlas con la reutilización de los mismos sillares, cuando estos estaban sanos, y el uso de otros nuevos, labrados con piedras similares a las de las columnas, para sustituir a los deteriorados o defectuosos. La solución fue descartada por el Comité Técnico Asesor, principalmente por considerar que requeriría un tiempo excesivo, así como una compleja y delicada operación.

Refuerzo interior con costuras armadas. La técnica de las costuras armadas consiste en la inserción de barras de acero en perforaciones con diámetros un poco mayores al de las barras, las cuales son posteriormente inyectadas con una lechada de mortero, cuyas características son las adecuadas para proporcionar buena adherencia, impermeabilidad, durabilidad y estabilidad volumétrica. La efectividad del procedimiento se estudió en laboratorio, mediante pruebas en tramos de columnas a escala. Estas fueron elaboradas con un concreto de propiedades similares a las de la piedra de menor resistencia, utilizada en los sillares. Se construyeron tres tipos de modelos: el primero sin refuerzo, para que sirviera de referencia; el segundo, con barras de acero de refuerzo, adheridas al concreto, como en la técnica de costuras armadas, y el tercero, con las mismas barras, pero ancladas en sus extremos, con placas que reaccionaron contra el concreto. Este procedimiento de refuerzo también fue objetado por diversas consideraciones, principalmente porque modifica sustancialmente la forma como trabaja la mampostería, el funcionamiento estructural de las columnas y el de toda la edificación. A esto también se suma la preocupación sobre la durabilidad del refuerzo, ante la posible corrosión del acero a lo largo de los siglos. Además, se agrega la comprobación en los ensayes, en el sentido de que las costuras armadas sin placas extremas, sólo son eficientes para confinar el núcleo interior de las columnas, y no su exterior, el que está sujeto a mayores esfuerzos.

Confinamiento exterior. Como se ha dicho, diversas columnas de la Catedral y el Sagrario se zuncharon antes de iniciar la subexcavación, para protegerlas de posibles movimientos bruscos de la cimentación. Se consideró la posibilidad de colocar, de manera definitiva, una versión más completa y refinada de este procedimiento, que incluye elementos verticales para distribuir la presión sobre la piedra, así como elementos horizontales que fungen de zunchos. Para ello, se realizó un estudio analítico y experimental, que permitió evaluar la contribución del refuerzo de confinamiento a la resistencia y capacidad de deformación de las columnas. Las pruebas experimentales se realizaron sobre modelos, que representaban a escala un sexto la sección transversal de las columnas de la Catedral. Se construyeron modelos monolíticos, y otros formados por sillares, con el mismo arreglo que en la estructura real, reproduciendo también las juntas de mortero. Paralelamente a los estudios experimentales, se realizaron análisis de elementos finitos de tramos de columnas, sujetos a cargas verticales de compresión, con el fin de estudiar la distribución de esfuerzos en la sección. Se concluyó que esta solución resulta muy efectiva para reforzar las columnas; sin embargo, no se consideró necesaria su aplicación por el momento, para evitar una alteración tan fuerte en la apariencia del templo. Se optó por recurrir a una solución menos agresiva, aunque menos efectiva, pero que remediara los defectos principales de las columnas. Este procedimiento queda como una solución, factible de aplicar, en caso de que los hundimientos diferenciales lleguen a aumentar nuevamente y a afectar gravemente la seguridad de las columnas.

Solución adoptada. Se consideró una mejora significativa en la seguridad de las columnas, procurando una distribución más uniforme de esfuerzos en las juntas, mediante la eliminación de las cuñas y la colocación de una capa de mortero en toda la superficie de la junta. Lo anterior se realizó en tres operaciones sucesivas, Primero se retiró una banda perimetral de mortero de aproximadamente 10 cm de ancho, con lo cual se eliminaron también todas las cuñas. Después se rellenó esa misma banda con un mortero de alta calidad, en el que se dejaron embebidos pequeños tubos para inyectar posteriormente una lechada que llenara toda la junta e, incluso, consolidara el núcleo central de mampostería. En ambos casos el mortero tenía aditivos para propiciar su impermeabilidad, la resistencia a los cloruros, la reducción de la contracción por fraguado y alta fluidez. Se llevó un registro detallado de la cantidad de mezcla inyectada, por cada una de las ocho boquillas de inyección que se utilizaron en cada hilada.

También se requirió una intervención mayor en los sillares de la parte superior de las columnas del crucero, en el tramo comprendido entre el arranque de las naves procesionales y de la principal. Estos sillares se encontraban muy dañados por el mecanismo de deformación descrito en capítulos anteriores.

Las acciones realizadas durante el actual programa de rehabilitación, deberían disminuir sustancialmente la magnitud de los futuros hundimientos diferenciales y los consiguientes problemas en la estructura; sin embargo, es indudable que se seguirán presentando hundimientos de cierta consideración, a menos que se cancele o se reduzca drásticamente la extracción de agua del subsuelo del Valle de México.

Como se ha anotado al inicio de este escrito, tanto la cimentación, como la estructura de la Catedral, tienen poca capacidad para absorber los hundimientos diferenciales, cuando éstos tienen una configuración convexa que tiende a producir tensiones en las bóvedas y en la parte superior de la cimentación. La recimentación de la década de los treinta, tuvo como propósito principal mejorar la capacidad de la cimentación para absorber este tipo de hundimientos diferenciales. Lamentablemente, los trabajos no surtieron el efecto deseado, debido a que no se llegó a proporcionar la total continuidad del refuerzo colocado, lo que propició la generación de concentraciones de deformación y fuertes agrietamientos en el piso de la feligresía y las contratrabes. El Comité Técnico Asesor del proyecto consideró necesaria una corrección de la cimentación actual y definió tres actividades básicas a realizar:

Un proyecto detallado de refuerzo en este sentido fue realizado por HP Ingenieros. En resumen, se prevé la colocación, alrededor de cada columna principal y arriba de las contratrabes, de un anillo octagonal de perfiles de acero estructural en forma de armadura, así como refuerzos del mismo tipo sobre las contratrabes transversales y longitudinales, propiciando una adecuada conexión entre el refuerzo nuevo y el existente. (ver imagen34)

Adicionalmente, el proyecto prevé detalles para solucionar la continuidad en las crujías exteriores y otras zonas donde hay cambios de nivel. Se evaluó la conveniencia de colocar un refuerzo adicional en la parte inferior de las contratrabes, para darles continuidad y aumentar la resistencia en flexión. Se desechó esta solución por su complejidad e interferencia con las criptas, y porque las configuraciones de hundimientos que introducen tensión en la parte inferior de la cimentación, son menos severas.

Para el diseño del refuerzo se realizaron análisis bajo distintas condiciones de hundimientos, con los que se determinaron las fuerzas inducidas en la cimentación y la estructura. Se partió de la configuración de hundimientos que se presentaba antes del inicio de la rehabilitación. Al perfil típico de un eje transversal, al norte del crucero, se ajustó una curva parabólica que conduce a una distribución uniforme de momentos flexionantes, a lo largo de todo el eje. Se determinaron las propiedades de momento de inercia y módulo de elasticidad de una viga, con sección transversal compuesta por todos los elementos de cimentación que son tributarios a ese eje (contratrabe principal, contratrabes laterales, pedraplén, losa de piso, etcétera). Se calculó el hundimiento diferencial que, para la configuración supuesta, causaría la fluencia del acero de refuerzo.

Se encontró que para la tasa de hundimientos que se tenía antes de iniciarse los trabajos, ese asentamiento diferencial tomaría 23 años en presentarse. Si suponemos, conservadoramente, que gracias a los trabajos de inyección del suelo y la rigidización de la cimentación, se reducirá la tasa de asentamientos diferenciales a la mitad, además de que por los fenómenos de flujo plástico del concreto y la mampostería, la rigidez real de la cimentación debe ser menor que la supuesta y por lo tanto los momentos flexionantes inducidos también menores que los calculados, puede esperarse que la fluencia del refuerzo se presentará en un lapso que se acercará a los 100 años. Esto indica que la cimentación permanecerá elástica y, por lo tanto, con un agrietamiento pequeño por un tiempo considerable. Hay que tomar en cuenta, además, que la fluencia del refuerzo no representaría una condición de falla en la cimentación, sino una pérdida de rigidez con un agrietamiento significativo, pero mucho menor del que se ha tenido en el pasado. Por lo tanto, el refuerzo propuesto para la cimentación debería asegurar un buen comportamiento del edificio por más de un siglo.

El proyecto de refuerzo no llegó a ejecutarse dentro del programa de rehabilitación objeto de este informe, esto, por razones de tiempo y costo, pero, sobre todo, por las alteraciones que habría causado a las actividades del templo y las dificultades por resolver en algunas zonas conflictivas, como el altar mayor y el área para el coro. Se prefirió una solución parcial, consistente sólo en la colocación del anillo de confinamiento en la base de las columnas y su conexión a los perfiles de acero en la parte superior de las contratrabes. De esta manera se logró la continuidad del refuerzo en dichas contratrabes, en ambas direcciones principales, además del confinamiento de las bases de las columnas. Se ha realizado, por el momento, sólo el refuerzo de la base de la columna C-3, que es la de agrietamiento más crítico. Se deja para etapas futuras la colocación del resto de los anillos de confinamiento.

Con la solución finalmente adoptada, se alcanza una mejora sustancial en el comportamiento de la cimentación y se deja abierta la posibilidad de aumentar su capacidad, si se llegaran a presentar nuevamente hundimientos severos.

El programa de rehabilitación de la Catedral ha sido innovador en muchos aspectos. En primer lugar por las técnicas desarrolladas y aplicadas para la corrección del comportamiento de la cimentación, pero también por el proceso de control de los resultados y el ajuste de las acciones tomadas, con base en un amplio sistema de monitoreo sobre el conjunto de parámetros indicativos, relacionados con la respuesta de los edificios y sus partes. También resulta relevante por el estudio a fondo de las características de los materiales y los elementos estructurales, mediante pruebas in situ y de laboratorio, y por los métodos de análisis de diverso grado de refinamiento que se han empleado. Cabe mencionar también el proceso de decisión que se adoptó, basado en la supervisión cercana de un grupo multidisciplinario, integrado en el Comité Técnico Asesor. Destaca también la frecuente exposición de los trabajos propuestos ante muy amplios grupos de especialistas, tanto nacionales como extranjeros. Finalmente, hay que destacar que todos los estudios realizados, programas y resultados, han sido publicados y difundidos, a medida que ha avanzado el proceso, a través de varias decenas de informes, artículos técnicos y libros, lo que permite a los interesados entender las características y complejidades de un proyecto de esta índole, el cual también aporta los elementos para la realización de proyectos futuros sobre éste y otros monumentos.

En cuanto al éxito de las medidas adoptadas, puede decirse que se han logrado algunas mejoras significativas en la geometría del monumento y en su seguridad estructural. En cuanto a los hundimientos de la cimentación, seguramente se tendrán patrones menos desfavorables en el futuro. Sin embargo, el alcance de los cambios sólo se podrá apreciar cabalmente con el tiempo. Para ello, es indispensable mantener un estrecho seguimiento sobre el comportamiento de los monumentos, para detectar oportunamente la necesidad de medidas adicionales enfocadas a corregir las tendencias y mejorar el comportamiento.

En los aspectos más específicos de la estructura, puede afirmarse el haber alcanzado una mejora significativa en la seguridad, tanto por la corrección de la geometría, como por las distintas acciones de reparación y refuerzo. Por otra parte, los distintos estudios experimentales y analíticos han permitido una apreciación más clara sobre las condiciones de seguridad y los aspectos más críticos para la estructura, en particular lo que atañe a la seguridad de las columnas. La red de instrumentos sísmicos ha permitido comprender las características básicas en la respuesta del edificio en su conjunto y sus partes específicas. Se han determinado las razones por las que los efectos sísmicos son relativamente moderados en este caso. A menos que se incrementen significativamente los daños y los desplomes en la estructura, no son de esperarse problemas graves por estos fenómenos en el futuro.

Han quedado pendientes de ejecución diversas medidas que pueden incrementar sustancialmente la seguridad de la estructura. Sin embargo, no es urgente su realización, por lo que es pertinente su aplazamiento hasta que se definan más claramente las modificaciones en el comportamiento de la cimentación y la tasa de hundimientos diferenciales en el futuro. Es absolutamente necesario un seguimiento estrecho sobre el comportamiento del edificio, con un monitoreo continuo de los hundimientos y el comportamiento de la estructura.

Se ha puesto en evidencia que las condiciones de seguridad de la Catedral son muy críticas. De no tomarse medidas, la situación empeoraría en el futuro por la evolución de los hundimientos debidos a la continua extracción de agua de la Cuenca del Valle de México.

El apuntalamiento y otras acciones protegen a la Catedral de un colapso. Mientras, se realizan las correcciones que la llevarán a una configuración geométrica más segura, con la eliminación de parte de los desplomos y distorsiones.

La subexcavación inducirá en la estructura fuerzas difíciles de predecir cuantitativamente, pero que, seguramente, producirán grietas y distorsiones importantes. La magnitud de las correcciones por hacer, estará limitada por el daño que se considere aceptable para la estructura. La rigidez de la estructura se opondrá a algunos tipos de corrección y también pondrá limitaciones a la magnitud de las rectificaciones.

El monitoreo cuidadoso de la respuesta estructural de la Catedral, permitirá detectar cualquier manifestación de comportamiento inadecuado y servirá de guía para definir las operaciones de corrección.

El proceso de corrección llevará al menos tres años, dependiendo de la velocidad de los hundimientos que será capaz de soportar la estructura.

El proyecto de rehabilitación de la Catedral Metropolitana está a cargo de la Secretaría de Desarrollo Social y es encabezado por el arquitecto Sergio Zaldívar Guerra, Director General de Sitios y Monumentos del Patrimonio Nacional, de la misma secretaría.