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CHARLES DE GAULLE: EL COLAPSO DE UN AEROPUERTO

7 de Abril de 2017 | Autor: CivilFEM (@civilfem) Leído: 2744 veces

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En la ingeniería civil, realizar un exhaustivo proceso de cálculo en gabinete es casi lo más importante a la hora de diseñar una estructura, ya que esto aseguraría que, la edificación a proyectar, va a tener la vida útil que se espera, no surgiendo así imprevistos que pudieran provocar un colapso estructural.

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Con la idea de mostrar algunos diseños estructurales, surgió la idea de simular el modelo con CivilFEM Powered by Marc, con el que poder determinar la causa o causas del colapso y poder aprender de lo sucedido mediante un análisis no lineal de la estructura mediante el método de elementos finitos.

Un caso interesante es el del colapso de la terminal 2E del aeropuerto de Charles de Gaulle, en París, el 23 de Mayo de 2004.

Figura 1: Colapso de la terminal 2E del aeropuerto Charles de Gaulle (París)

La estructura abovedada de sección elíptica, compuesta a partir de bloques prefabricados de hormigón (de 30cm de canto y 4m de ancho), estaba interrumpida en gran parte de su superficie por huecos para el paso de la luz al interior de la terminal. A su vez, tres pasarelas que conectan la zona de embarque con la zona central, interrumpen la estructura de la bóveda, siendo precisamente en esta zona donde se produce el fallo.

Una de las causas iniciales que dan lugar al colapso, entre otras cosas, es el fallo debido a la perforación de la bóveda de hormigón por los puntales metálicos que la sostenían.

figura 2: Diseño de la terminal 2E en CivilFEM

Para averiguar si la causa del colapso pudo ser la falta de armadura de flexión o cortante, empezamos realizando un chequeo según el Eurocódigo-2. Primero se realizó un análisis elástico con grandes deformaciones para tener en cuenta los efectos de segundo orden debidos la perdida de flecha de la clave. La bóveda ha sido recreada con elementos estructurales tipo Shell, de 30 cm de espesor, y se ha reforzado mediante un arriostrado y un apuntalado. Tanto las riostras como los puntales se han simulado con elementos estructurales tipo viga. Este refuerzo tiene como objetivo trabajar conjuntamente con la bóveda de hormigón inferior, soportando el arriostrado las tracciones y la bóveda de hormigón las compresiones.

A la hora de calcular, se han tenido en cuenta las siguientes acciones:

Peso Propio de la estructura

Puertas de embarque

Cubierta acristalada

Temperatura

Viento

 

Para el cálculo de los Estados Límite Últimos, se han aplicado los correspondientes coeficientes de acuerdo con el Eurocódigo 2. A las cargas muertas (G) (peso propio, puertas de embarque y cubierta acristalada), se le aplica un coeficiente de 1.35; mientras que a la temperatura (T) y al viento (V) se les ha aplicado un coeficiente de 1.5. Ver figuras 3 y 4.

figura 3: Imagen superior: carga de la bóveda acristalada; imagen inferior: carga de viento

También es importante considerar en el cálculo el efecto de la temperatura, debido a que existía una diferencia mayor de 10 grados entre la temperatura exterior y la interior del edificio la noche anterior al colapso.

Para el análisis de esfuerzos se calcularon las siguientes combinaciones de las acciones anteriormente descritos:

·         1.35G+1.5W

·         1.35G+1.5T

·         1.35G+1.5W+1.5·0.6T

·         1.35G+1.5T+1.5·0.6W

Para la resolución del caso práctico se ha tenido en cuenta la concomitancia entre el viento y la temperatura con un coeficiente de simultaneidad de 0.6, según el Eurocódigo.

figura 4: Resultados de los momentos flectores

La opción más interesante para su estudio, es la hipótesis  “1.35G+1.5W+1.5·0.6T”.

Como no se disponen de datos de armado de la losa, se ha considerado un armado longitudinal y transversal que cumpla los criterios de armado a flexión del EC2.

A la vista de los resultados, las zonas laterales necesitan un mallazo superior mayor debido a la concentración de tracciones. En este caso coincidiría con las zonas con más curvatura. Ver figura 5.

figura 5: Refuerzo a flexión en cara superior

Los resultados del armado en el mallazo inferior hacen ver que la zona de afección se encuentra en la parte baja de la cubierta de la bóveda. Tras el colapso la bóveda quedó partida principalmente por estas tres zonas pero, al desconocer la cuantía dispuesta no podemos determinar si era o no insuficiente. Ver figura 6.

figura 6: Refuerzo a flexión en cara inferior

Además, la estructura está sometida a unos esfuerzos de cortante elevados, sobre todo en las conexiones entre el hormigón y los puntales. Ver figura 7.

figura 7: Refuerzo para esfuerzo cortante

 

La imagen de la figura 7 muestra que el armado a cortante, para esa sección, no puede ser calculado debido a que se ha agotado la resistencia del hormigón por compresión en el alma. Estos resultados de CivilFEM señalan por tanto que no es posible diseñar la sección a cortante según el Eurocódigo-2 en la conexión entre puntales y bóveda. El motivo es el fallo de la biela de compresión del hormigón, independientemente de la cuantía de armado a cortante que existiese.

Por tanto el canto de la bóveda era insuficiente para soportar estos esfuerzos, resultado que concuerda con lo observado tras el colapso, donde el hormigón de la bóveda estaba atravesado por los puntales. Ver figuras 8 y 9.

figura 8: conexión de puntales y bóveda

 

figura 9:Esfuerzos de cortante en la sección

Para solucionar este problema, se podría optar por mejorar el diseño de las conexiones, es decir, en los puntales, o aumentar el espesor del del hormigón de la bóveda. Ver figura 10.

figura 10: Armado de la placa teniendo 0.45 m de espesor

Si el espesor de la bóveda fuera aumentado a 0.45 m, el cálculo de la armadura a cortante sería factible, ya que los esfuerzos cortantes  de la sección, serían menores que los esfuerzos máximos permitidos por norma.

Por otra parte, la estructura también presentó problemas de grandes deformaciones iniciales y diferidas en la clave, cercanas a 20 cm, muy por encima de las esperadas y calculadas que rondaban los 5 cm. Para analizar el origen de esta flecha excesiva realizamos un análisis no lineal de segundo orden teniendo en cuenta la fluencia del hormigón, para deteminar si esta flecha se fue debido a un problema  durante los procesos de ejecución y puesta en obra del hormigón, o un error en el cálculo real de la flecha.  Ver figura 11.

figura 11: Fluencia a los 2000 días

En la gráfica puede observarse como la flecha en la clave es de unos 12.5 cm tras la ejecución, alcanzándose los 20 cm debido a la fluencia.

En este análisis sólo se tuvo en cuenta las cargas permanentes y no se aplicaron las cargas térmicas ni de viento, que, como hemos visto en el cálculo por Norma, generan el fallo por punzonamiento en varias filas de puntales. Para simular este efecto repetimos el cálculo anterior pero además simulamos en el día 2000 la perdida desconexión del hormigón de dichas filas de puntales. Ver figura 12.

figura 12: Deformaciones presentadas en el hormigón

Al representar en este segundo cálculo la flecha de la clave podemos observar que se produce una caída brusca por el efecto térmico y la rotura por punzonamiento del hormigón en dichos puntales.

Testigos del colapso dicen que se empezaron a escuchar los ruidos del hormigón resquebrajándose y fisurando y la caída de polvo antes de que la bóveda se viniese abajo, lo que concuerda con los resultados obtenidos.

Finalmente se realizó un análisis totalmente no lineal, activando el comportamiento de rotura por fisuración y a compresión del hormigón en CivilFEM, además de los efectos de fluencia y de segundo orden, tanto con elementos Shell como sólidos para la bóveda de hormigón. En dicho modelo se aplican durante los primeros 2000 días las cargas permanentes y en el último día se le aplica además las cargas de temperatura y viento. Ver figura 13.

figura 13: Zonas afectadas por la fisuración del hormigón

Se puede observar poco el hormigón se fisura completamente en las zonas de conexión entre hormigón y puntales por el efecto ya descrito del cortante, así como en otras zonas debido a la flexión y a una deformación excesiva.

figura 14: Deformaciones teniendo en cuenta la fisuración

El gráfico muestra cómo la deformación aumenta progresivamente hasta que llega un punto en el que se cambia repentinamente al aplicar las cargas térmicas. Ver figura 14.

Al continuación comparamos los resultados cálculados por el proyectista con los reales y los obtenidos con CivilFEM

Flecha a corto plazo (cm)

Flecha a largo plazo (cm)

Diseño de proyecto

2.80

5.00

Valor admisible

12.40

10.40

CivilFEM

12.49

19.25

Medición in situ

10.00

20.00

 

Por tanto y basados en los resultados, la estructura tenía un error de diseño en las conexiones de los puntales, ya que su funcionamiento dependía de la colaboración entre la bóveda y el arriostramiento superior.

Podemos ver como un primer análisis lineal según el Eurocódigo 2 nos permite intuir los posibles fallos estructurales que quedan demostrados en el análisis no lineal detallado que modeliza con gran exactitud lo sucedido.

Como conclusión, decir que una estructura es recordada por la impresión que causa en la gente y para ello la estética es importante. No obstante, si se ha diseñado o construido descuidadamente, pudiendo llevar a problemas, como es el caso, no habrá nada que recordar y la idea, por muy buena que sea, no habrá servido para nada.

Espero que el artículo os haya resultado interesante. Este es un caso de estudio que forma parte de un webinar de Ingeniería Forense, en él pueden encontrar más información sobre este conocido colapso y el de otras estructuras.

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