El concreto aliado en la catedral

Han transcurrido más de 15 años de que fue constituido un comité de emergencia para salvaguardar la integridad estructural de la Catedral Metropolitana gracias a lo cual, se puede afirmar que el hundimiento diferencial se redujo en 34%, toda vez que pasó de 240 cm a 83cm. Este logro, así como el reforzamiento de las estructuras para mejorar la seguridad del templo formaron parte de un programa que duró nueve años y concluyó en 1998. A la cabeza de este esfuerzo estuvo el Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México, —representado por el dr. Roberto Meli Piralla, Investigador Emérito de la UNAM— y por el ingeniero Abraham Roberto Sánchez Ramírez, perteneciente a la misma institución educativa, quien tuvo a su cargo la supervisión del monitoreo y los estudios experimentales realizados en el edificio. Luego de cumplir esta importante misión, los funcionarios responsables de la obra ordenaron que se trabajara en la restauración de todos los atrios, el retiro de andamios y reforzamiento de las columnas, así como en la terminación de las labores de conservación de la cúpula principal y el tratamiento de la cubierta. También se rehabilitaron las criptas —incluidas las de los arzobispos— se protegieron las ventanas, se limpió la fachada y fue abierta la apertura de la Sacristía y del Sagrario Metropolitano.

La estructura
En el número dos del segundo tomo de la Revista Digital Universitaria, (2001), el dr. Meli Piralla y el ingeniero Sánchez Ramírez realizan una descripción detallada de los elementos estructurales del templo capitalino. De acuerdo con los datos que ofrecen los investigadores, “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”.
Algunos datos más se pueden resumir de la siguiente manera:

• 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 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). Queda un núcleo central de mampostería pobre, cuya contribución a la resistencia es poco significativa.

• 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.

Un hundimiento sumamente complejo
El dr. Roberto Meli Piralla —ganador del Premio Nacional de Ciencias y Artes y autoridad en la ingeniería estructural— comenta en exclusiva para Construcción y Tecnología que “la acción principal realizada en Catedral fue entender el comportamiento y las razones de los daños que había tenido, y a partir de ello tener un monitoreo continuo de la construcción para ver qué tan eficaces iban siendo las medidas que se tomaban”. Lo que hicimos fundamentalmente fue poner en marcha medidas geotérmicas, es decir, trabajamos en la cimentación “para tratar de eliminar el efecto de los hundimientos diferenciales.
Se ha rigidizado la cimentación con una estructura de acero y concreto para evitar los hundimientos y también se han reforzado las columnas de la nave principal, fundamentalmente con inyecciones, para mejorar las uniones entre las piedras.

Del mismo modo, se han colocado tensores para detener la tendencia al volteo de algunas fachadas y para evitar la apertura de arcos y bóvedas, por ejemplo, pero también se han atacado diferentes problemas locales, como cúpulas, arcos, torres, etcétera

Dentro de la parte de la instrumentación se han colocado redes de monitoreo que permiten seguir casi en tiempo real cómo se va comportando la estructura, y de esa manera detectar síntomas de mal comportamiento”.
Retornando a lo publicado en revista citada líneas arriba, los autores explican que el hundimiento de la Catedral es muy complejo. En un primer análisis, dicen, 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. El segundo 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”.
Así culmina la descripción de los especialistas estructurales, quienes afirman en sus conclusiones que el templo tiene condiciones de seguridad muy aceptables y que se logró reducir casi un metro los hundimientos diferenciales que existían al iniciar el proyecto, los cuales eran de 2.4 m.

Datos de interés sobre la Catedral Metropolitana

• El arquitecto español Claudio de Arciniega fue el autor de su trazo.
• Mide 110 m de largo por 55 m de ancho.
• El proyecto original incluía torres en los ángulos, pero sólo se construyeron las dos de la fachada, que se caracterizan por su composición horizontal, con acentuados adornos y barandales. Las torres están coronadas por estatuas del arquitecto y escultor valenciano Manuel Tolsá, quien también diseñó la cúpula.
• En la primera etapa de la rehabilitación, que culminó en 1998, se gastaron 40 millones de dólares. La segunda fase tuvo un costo de 100 millones de pesos.
• El 17 de enero de 1967, un incendio destruyó algunas obras de arte colonial en el interior de la Catedral Metropolitana: el bello altar con su hermosa e importante pintura de Nuestra Señora del Perdón o de las Nieves, gran parte de la sillería del coro, la grandiosa pintura que representaba el Apocalipsis de San Juan, obra del novohispano Juan Correa —situada en el respaldo del altar— y buena parte de los cuerpos de madera que sostienen las flautas de los órganos monumentales, dejando ahumados retablos, esculturas y pinturas de las numerosas capillas de la Catedral, además de los murales de Rafael Ximeno y Planes que estaban en bóvedas y cúpula.
• Los dos órganos de la Catedral Metropolitana fueron restaurados hace treinta años por la compañía holandesa Flentrop Orgelbouw de Zaandam. Se tiene contemplada una nueva intervención para mantener en perfecto estado los instrumentos musicales.
• En el futuro, comentó el dr. Meli Piralla, deberán realizarse una veintena de acciones relacionadas con la seguridad, pero se trata de aspectos locales y, por tanto, no tienen carácter urgente.

Un poco de historia
El arquitecto Julio Valencia Navarro —director de Obras de Restauración de la Dirección General de Sitios del Consejo Nacional para la Cultura y las Artes (CONACULTA)— explica en entrevista que construir la Catedral fue un proceso complejo porque una vez que estaba definida la traza de la misma, en 1563, “se tuvieron que esperar 10 años para iniciar el desplante de los muros debido a que el nivel freático de la ciudad estaba prácticamente a flor de tierra. Fue necesario idear sistemas de bombeo para empezar a construirla, y luego colocar un conjunto de pilotes de madera (aproximadamente 25 mil), y sobre ellos desplantar un gran pedraplen, es decir, una plataforma de tezontle aglutinado con cal (una gran losa de cimentación) y a partir de allí empezar a subir los muros. Este conjunto de materiales es de gran peso y el suelo de la Ciudad de México no resiste más de cinco toneladas por metro cuadrado. La Catedral, tal y como se encuentra ahora, descarga más de 15 toneladas por lo que su capacidad está rebasada y ha tenido problemas de asentamientos diferenciales desde las primeras etapas de su construcción”.

Cemento y concreto, pilares de la restauración
El arquitecto Valencia Navarro afirma que muchas de las mezclas usadas para la construcción del templo, preponderantemente a base de cal, “tienen una resistencia excepcionalmente alta; prácticamente podríamos decir que fueron los concretos de aquella época. Algunas de estas mezclas de cal con arenas, y algunos aglutinantes naturales —que seguramente incluyeron la baba del nopal— le confirieron al final una resistencia importante. Todo esto es el antecedente de lo que propiamente sería siglos después la tecnología del concreto como lo conocemos”.
Sin embargo, “con el tiempo se generaron gran cantidad de deterioros, como fisuras y pérdida de la geometría propia del edificio, es decir, una serie de afectaciones que lo ponían en riesgo. De esta manera, en los años 40 se realizó una primera intervención que consistió en conformar un conjunto de trabes de concreto que se ubican debajo de la catedral, diseñadas para generar un sistema de rigidez que impidiera los asentamientos diferenciales. “No obstante, es tan grande el edificio y tan intensa la deformación del subsuelo que para los años 60 —a pesar de que existía esta subestructura de concreto— se decidió colocar un sistema de pilotes de control, el cual ayudó en gran medida a evitar el desarrollo de los asentamientos diferenciales; pero la extracción del agua para consumo humano ha ocasionado que la ciudad tenga un asentamiento cada vez mayor.

Actualmente ese proceso es de aproximadamente 7 centímetros por año, y dadas las dimensiones de la ciudad es muy difícil que se pueda revertir”. Así las cosas, explica Valencia, a fines de los ochenta se detectaron nuevas deformaciones e inició un estudio para intentar frenar en forma definitiva, los daños que ponían en riesgo la integridad del inmueble, sobre todo después del sismo de 1985.

MONITOREO AUTOMÁTICO
A partir de 1994 se pudo 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. Esta tecnología es similar a la que opera en algunos de los templos de mayor relevancia en Italia y otros países. Este sistema consta de:
• 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.

“En términos generales, el primer proceso consistió en la subexcavación, es decir, una serie de lumbreras construidas con concreto que permiten llegar a ciertas profundidades y extraer la arcilla en puntos estratégicos, lo cual a lo largo de varios años permitió hacer lo que se denomina corrección geométrica. Mover una estructura de estas dimensiones y peso representó un logro importante para la ingeniería mexicana, a tal grado que todos los estudios derivados de este primer proceso fueron una aportación para la recuperación de edificaciones en otros lado del mundo, como fue el caso de la Torre de Pisa”.

La segunda etapa para controlar los asentamientos diferenciales se basó en la consolidación del subsuelo, lo que se hizo practicando una serie de perforaciones e inyectando un mortero con un contenido de cemento que le ofrece mayor resistencia al subsuelo arcilloso y evita que los asentamientos diferenciales tengan un desplazamiento mayor.

Es un hecho, afirma Valencia Navarro: “En términos generales el uso del cemento y el concreto han tenido una participación muy importante en la restauración de la catedral”. Comentarios valiosos El dr. Meli Piralla, quien fue director general del Centro Nacional de Prevención de Desastres entre 1995 y 2000, establece que “el concreto es muy utilizado y sumamente eficaz en muchos aspectos cuando se habla de la restauración de edificios, “sin embargo, desde hace 20 años ha habido una cierta oposición de parte de los restauradores y conservadores porque consideran que ha sido usado de forma exagerada; dicen que se altera la autenticidad del edificio por lo que prefieren que se empleen técnicas y materias primas más parecidas a las originales”. Otros, afirma el catedrático, comentan que existe “cierta incompatibilidad o diferencia de comportamiento entre el concreto y la mampostería original, que ha conducido en algunos casos a reacciones químicas dañinas o a provocar efectos no del todo favorables de algunos elementos de concreto muy rígidos insertados en la construcción original.
Esa es una clase de oposición, pero ante ello lo que hay que hacer es utilizar todas las técnicas disponibles, pero con el debido cuidado de no alterar o causar un efecto negativo. En las cimentaciones de la Ciudad de México el concreto ha sido de gran ayuda para rigidizarlas y corregir los patrones de hundimiento de edificios, que es el principal problema que tenemos en la capital. El uso de micropilotes e inyecciones, e incluso los preesfuerzos ha sido muy efectivo y generalizado en el refuerzo de estas construcciones”, afirma el investigador. Cabe decir que Meli Piralla ha participado como consultor en ingeniería estructural en prácticamente todo tipo de obras, desde aeropuertos, vialidades elevadas, plataformas marinas y, por supuesto, edificios históricos. El expresidente de la Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica comenta que lo más complicado del proceso en Catedral fue “entender el comportamiento de la estructura y los orígenes de sus debilidades, y también hacer las correcciones sin afectar el funcionamiento de la catedral, la cual nunca estuvo cerrada al culto, por lo que tuvimos que trabajar con algunas limitaciones.
No puedo decir que es un reto mayor, pero sí el más grande de este tipo”, dice el maestro Meli, “aunque lo más especial que ha tenido este trabajo es la necesidad de conciliar y hacer compatibles distintos criterios y distintos aspectos. No fue un trabajo de una persona, sino de un comité bastante amplio que discutían la situación y tomaban las decisiones en un trabajo que ya rebasa los 15 años. Ha sido un proyecto laborioso y el que ha representado un desafío mayor no en cuanto a la dificultad sino a todo la problemática que está alrededor.

Por su extensión en el tiempo, por la importancia del monumento y por la complejidad, entonces en ese sentido sí ha sido una forma de atacarlo opuesta a la mayoría de los otros proyectos en los que he intervenido, el enfoque es muy distinto porque además de todo se trabaja con mucha presión en cuanto a la
necesidad de dar soluciones casi inmediatas”, asevera.

1 Agradecemos a EJ Krause y Hanley Wood las facilidades otorgadas para la realización de este artículo y por la visita a la estructura interna de la Catedral Metropolitana, con motivo de la presentación de WORLD OF CONCRETE México, 2007.