El subsuelo de la iglesia San Francisco: ¿Una cimentación sismorresistente sobre un estrato prehispánico?

  

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Resumen

¿Cómo ha logrado una iglesia de hace 4 siglos mantenerse en pie y resistir más de 15 sismos sobre magnitud 7? En base a dicha pregunta, esta investigación se adentra en el subsuelo de la iglesia para postular que sus fundaciones, construidas en 1586, serían una de las primeras estructuras sismorresistentes en Chile.

La iglesia y convento San Francisco de Santiago constituyen el conjunto edificado más antiguo de la capital y del país (fig. 1)(1), siendo «el único auténtico testimonio arquitectónico del siglo XVI que se conserva en Chile» (Benavides, 1988:128). El inmueble, que ha sufrido numerosas modificaciones, aún conserva la estructura original de piedra en forma de cruz latina (fig. 2), elemento que hoy forma la nave central y el transepto de la iglesia (fig. 3).

Fig. 1. Fotogrametría elevación poniente Iglesia y Convento San Francisco. Escala publicada 1: 500.Fuente: FONDECYT Nº 11130628
Fig. 2. Planta actual iglesia San Francisco. En negro se destaca la planta de la iglesia original de piedra, estructura que permanece hasta nuestros días. Escala publicada 1: 1.000
Fuente: FONDECYT Nº 11130628
Fig. 3. Corte fotogramétrico longitudinal iglesia San Francisco. Nave central original. Escala publicada 1: 500.
Fuente: FONDECYT Nº 11130628
Fig. 4a. Detalle mampostería de piedra original. Fuente: FONDECYT Nº 11130628
Fig. 4b. Detalle albañilería de ladrillo de las naves laterales, de construcción posterior.
Fuente: FONDECYT Nº 11130628
Fig. 5. Plano de Santiago, 1600. En rojo se destaca la iglesia y convento de San Francisco.
Fuente: Imagen reelaborada a partir del croquis original de Tomas Thayer Ojeda, 1600. Colección Biblioteca Nacional.
Fig. 6. Planta con la ubicación de la excavación. Escala publicada 1: 1.000.
Fuent: FONDECYT Nº 11130628
Fig. 7. Ubicación de la excavación en el actual corredor del Museo.
Fotografía : Claudio Zamorano. Fuente: FONDECYT Nº 11130628
Fig. 8. Planta detalle excavación. Escala publicada 1: 50.
Fuente: FONDECYT Nº 11130628
Fig. 9. Vista frontal del sistema de cimientos.
Fuente: FONDECYT Nº 11130628
Fig. 10. Vista superior del muro de contención lateral del sistema de cimientos.
Fuente: FONDECYT Nº 11130628
Fig. 11. Corte detalle del sistema de cimientos, muro y fundaciones . Escala publicada 1: 50.
Fuente: FONDECYT Nº 11130628
Leyenda: 1. Pavimento cerámico actual; 2. Radier; 3. Capa de alquitrán; 4. Pavimento colonial ladrillo panadero; 5. Muro de piedra Iglesia:
Sistema de cimentación: 6. Estrato de e= 15 cm de mortero de cal con grava Ø 1 cm; 7. Suelo de relleno muy arcilloso; 8. Estrato de e= 55 cm (aproximado) de piedras de canto rodado, dispuestas sobre tierra suelta; 9. Eje de piedras semi-canteadas de 60 × 60 × 60 cm (aproximado); 10. Piedras canteadas en forma de cuña; 11. Suelo natural.
Fig. 12a. Cimientos de piedra con argamasa de cal de la Catedral de Santiago.
Fotografía: Claudia Prado. Fuente: FONDECYT Nº 1090325
Fig. 12b. Cimientos de piedra con argamasa de cal del antiguo mercado de la Plaza de Armas de Santiago.
Fotografía: Claudia Prado. Fuente: FONDECYT Nº 1090325
Fig. 12c. Cimientos de piedra con argamasa de la ex Real Audiencia de Santiago. Excavaciones realizadas en el marco de la construcción de la Estación Metro Plaza de Armas.
Fotografía: Claudia Prado, 1997.
Fig. 13. Relación entre períodos y estratigrafía del suelo de la iglesia de San Francisco.
Fuente: FONDECYT Nº 11130628
Fig. 14a. Fragmento cerámico de escudilla con motivo propio de la época Inka, de origen foráne.
Fotografía: Claudio Zamorano. Fuente: FONDECYT Nº 11130628
Fig. 14b. Fragmento cerámico con decoración roja sobre blanco, propio de épocas tardías de presencia Inka en la zona.
Fotografía: Claudio Zamorano. Fuente: FONDECYT Nº 11130628
Figs. 15 a y b.Fragmentos rojos engobados con escobillado interior, atributo propio de los tipos prehispánicos.
Fotografía: Catalina Soto. Fuente: FONDECYT Nº 11130628
Fig. 15c. Fragmento de negro decolorado sobre rojo, asociado a contextos Aconcagua tardíos.
Fotografía: Catalina Soto. Fuente: FONDECYT Nº 11130628
Fig. 16. Punta de proyectil de base escotada, utilizada como pieza del conjunto arco y flecha, propia del período Intermedio Tardío y Tardío en la zona central de Chile.
Fotografía: Claudio Zamorano. Fuente: FONDECYT Nº 11130628
** Arqueóloga, Becaria CONICYT Programa de doctorado CECLA, Universidad de Chile, Santiago, Chile. cata.sotorodriguez@gmail.com

Comparación de tres metodologías de análisis sísmico de túnel NATM en suelos finos de Santiago

Introducción
Los análisis sísmicos de túneles han sido tradicionalmente abordados mediante expresiones analíticas para geometrías sencillas que no incluyen las secuencias constructivas ni historiales de esfuerzos (Wang, 1993; Penzien y Wu, 1998; Penzien, 2000). Últimamente, algunos softwares de análisis geotécnico han entregado herramientas para la resolución de problemas complejos, permitiendo incorporar las variaciones en los historiales de tensiones, métodos constructivos, secuencias de excavación y solicitaciones sísmicas a través de registros de aceleraciones.
Este artículo presenta un estudio comparativo de 3 métodos de análisis sísmico para un túnel NATM construido en suelos finos del noroeste de Santiago. Se describe la metodología, consideraciones particulares y los parámetros empleados en cada caso. Se indican las complejidades y los tiempos computacionales requeridos para el desarrollo de cada metodología. Finalmente, se presenta un análisis comparativo de los resultados obtenidos: esfuerzos sísmicos en revestimiento del túnel y cálculo de espesor de revestimiento.
Geometría del túnel y propiedades del suelo de fundación
La geometría del túnel se muestra en la Figura 1. La secuencia constructiva considera 3 secciones principales:side drift I, sección central, side drift II y 9 subsecciones que se enumeran en la misma figura. La metodología utilizada es acorde a los principios del método NATM (New Austrian Tunnelling Method) y simula las secuencias de excavación en tres etapas constructivas: bóveda, banco y contrabóveda; con desfase entre etapas y la aplicación de revestimiento estructural. Entre cada frente de avance de sidedrift, hay un desfase de 10 m, así también de la pared central. El nivel de riel del túnel se encuentra a una profundidad de 22 m del nivel de terreno y la clave del túnel se encuentra a 16 m de profundidad. La sección del túnel abarca un área aproximada de 190 m².

Figura 1: a) Geometría (dimensiones en cm) y b) secuencia constructiva
del túnel
Se considera un túnel construido en el sector de suelos finos del noroeste de Santiago, al cual se le han asignado las propiedades geotécnicas presentadas en la Tabla 1. El módulo de deformación ha sido considerado lineal aumentando en profundidad, también se han considerado distintos valores de cohesión y coeficiente de empuje en reposo in situ K₀ para dos distintos estratos de suelo.
Tabla 1: Propiedades de los materiales (ARCADIS, 2014)

Z: profundidad medida desde la superficie en m
D_j: profundidad sello fundación en m, B: dimensión menor de
estructura en m
Solicitación sísmica
Con el fin de simular la solicitación sísmica, se utilizan dos procedimientos: desangulación sísmica y análisis dinámico con registro de aceleraciones. Para la desangulación sísmica, la metodología empleada se basa en las recomendaciones del Manual de Carreteras (2014), que se sustentan en la propuesta de Kuesel (1969) para el diseño sísmico del metro de San Francisco. En este estudio se ha considerado una desangulación θ_s de 1.1·10^-3rad, obtenida de los valores tabulados en el Manual de Carreteras (2014) para un rango de compresión no confinada q_u entre 20 y 40 kPa, para zona sísmica con a_o= 0.4g.
El análisis dinámico se basó en uno de los registros de aceleraciones del terremoto de Chile, ocurrido el 27 de Febrero del 2010, que tuvo una magnitud momento M_w de 8.8. El sismo fue subductivo tipo thrust con epicentro marítimo frente a la localidad de Cobquecura, Región del Bío Bío (Saragoni y Ruíz, 2012). El registro de aceleraciones fue obtenido de la Red Nacional de Acelerógrafos de la Universidad de Chile (RENADIC). Corresponde a un registro de superficie con componente horizontal, obtenido en una estación ubicada en Maipú, sobre depósitos de ceniza volcánica denominados comúnmente como "Pumicita". Las principales características del registro de aceleraciones se indican en la Tabla 2.
Tabla 2: Principales características sísmicas registro aceleraciones
terremoto 2010, estación Maipú (Saragoni y Ruíz, 2012)

La Figura 2 presenta las componentes de aceleraciones, velocidades y desplazamientos del registro utilizado. El registro ha sido sometido a corrección de línea de base. La Figura 3 presenta los espectros de Fourier y pseudo-aceleración para un amortiguamiento del 5%.

Figura 2: Registros de aceleración, velocidad y desplazamiento en función del tiempo.
Sismo 27F2010, estación Maipú

Figura 3: Espectro de Fourier y espectro de respuesta de aceleraciones
(5% de amortiguamiento)

Comparación de tres metodologías de análisis sísmico de túnel NATM en suelos finos de Santiago

El análisis sísmico sobre revestimientos de túneles se ha desarrollado tradicionalmente con modelos simplificados, mediante expresiones analíticas para geometrías sencillas y mediante softwares de análisis estructural que no incluyen el historial de tensiones del suelo debido a las secuencias constructivas y distancia al frente de excavación, lo cual tiende a sobrestimar los esfuerzos en el revestimiento de túneles. Sin embargo, los avances en el desarrollo de software de modelos de elementos o diferencias finitas han propiciado nuevas herramientas que permiten solucionar las dificultades planteadas, así como evaluar la respuesta sísmica mediante historiales de aceleraciones. Este artículo compara la respuesta sísmica de un túnel excavado de acuerdo al método NATM en suelo fino de Santiago mediante el método de distorsión de suelo aplicado en un software de análisis estructural y a través de un software de diferencias finitas para interacción suelo -estructura. Adicionalmente, para el último modelo se aplica un historial de aceleraciones. Los resultados de estos análisis son comparados en términos de diseño estructural de acuerdo a la experiencia chilena.

Introducción

Los análisis sísmicos de túneles han sido tradicionalmente abordados mediante expresiones analíticas para geometrías sencillas que no incluyen las secuencias constructivas ni historiales de esfuerzos (Wang, 1993; Penzien y Wu, 1998; Penzien, 2000). Últimamente, algunos softwares de análisis geotécnico han entregado herramientas para la resolución de problemas complejos, permitiendo incorporar las variaciones en los historiales de tensiones, métodos constructivos, secuencias de excavación y solicitaciones sísmicas a través de registros de aceleraciones.

Este artículo presenta un estudio comparativo de 3 métodos de análisis sísmico para un túnel NATM construido en suelos finos del noroeste de Santiago. Se describe la metodología, consideraciones particulares y los parámetros empleados en cada caso. Se indican las complejidades y los tiempos computacionales requeridos para el desarrollo de cada metodología. Finalmente, se presenta un análisis comparativo de los resultados obtenidos: esfuerzos sísmicos en revestimiento del túnel y cálculo de espesor de revestimiento.

Geometría del túnel y propiedades del suelo de fundación

La geometría del túnel se muestra en la Figura 1. La secuencia constructiva considera 3 secciones principales:side drift I, sección central, side drift II y 9 subsecciones que se enumeran en la misma figura. La metodología utilizada es acorde a los principios del método NATM (New Austrian Tunnelling Method) y simula las secuencias de excavación en tres etapas constructivas: bóveda, banco y contrabóveda; con desfase entre etapas y la aplicación de revestimiento estructural. Entre cada frente de avance de sidedrift, hay un desfase de 10 m, así también de la pared central. El nivel de riel del túnel se encuentra a una profundidad de 22 m del nivel de terreno y la clave del túnel se encuentra a 16 m de profundidad. La sección del túnel abarca un área aproximada de 190 m².

Figura 1: a) Geometría (dimensiones en cm) y b) secuencia constructiva 
del túnel

Se considera un túnel construido en el sector de suelos finos del noroeste de Santiago, al cual se le han asignado las propiedades geotécnicas presentadas en la Tabla 1. El módulo de deformación ha sido considerado lineal aumentando en profundidad, también se han considerado distintos valores de cohesión y coeficiente de empuje en reposo in situ K₀ para dos distintos estratos de suelo.

Tabla 1: Propiedades de los materiales (ARCADIS, 2014)

Z: profundidad medida desde la superficie en m D_j: profundidad sello fundación en m, B: dimensión menor de 
estructura en m

Solicitación sísmica

Con el fin de simular la solicitación sísmica, se utilizan dos procedimientos: desangulación sísmica y análisis dinámico con registro de aceleraciones. Para la desangulación sísmica, la metodología empleada se basa en las recomendaciones del Manual de Carreteras (2014), que se sustentan en la propuesta de Kuesel (1969) para el diseño sísmico del metro de San Francisco. En este estudio se ha considerado una desangulación θ_s de 1.1·10^-3rad, obtenida de los valores tabulados en el Manual de Carreteras (2014) para un rango de compresión no confinada q_u entre 20 y 40 kPa, para zona sísmica con a_o= 0.4g.

El análisis dinámico se basó en uno de los registros de aceleraciones del terremoto de Chile, ocurrido el 27 de Febrero del 2010, que tuvo una magnitud momento M_w de 8.8. El sismo fue subductivo tipo thrust con epicentro marítimo frente a la localidad de Cobquecura, Región del Bío Bío (Saragoni y Ruíz, 2012). El registro de aceleraciones fue obtenido de la Red Nacional de Acelerógrafos de la Universidad de Chile (RENADIC). Corresponde a un registro de superficie con componente horizontal, obtenido en una estación ubicada en Maipú, sobre depósitos de ceniza volcánica denominados comúnmente como "Pumicita". Las principales características del registro de aceleraciones se indican en la Tabla 2.

Tabla 2: Principales características sísmicas registro aceleraciones 
terremoto 2010, estación Maipú (Saragoni y Ruíz, 2012)