Los eventos sísmicos son amenazas para las construcciones actuales, futuras y sobre todo para las más antiguas debilitadas por el paso del tiempo y la acción de lesiones físicas, químicas, antrópicas, biológicas y mecánicas. La vulnerabilidad de los inmuebles aumenta cuando los sistemas constructivos no responden a las solicitaciones laterales y de torsión que genera un sismo (1), como es el caso del adobe (2, 3), sin embargo, la tierra y sus múltiples ventajas constructivas extiende su uso y difusión desde las primeras civilizaciones (4-6) llegando a formar parte de la identidad e historia de muchas regiones (7).

Desde la academia se incursiona en las soluciones compatibles para este sector vulnerable: edificaciones de centros históricos localizados en zonas sísmicas, en donde, si bien es cierto, no se provoca el colapso, sí se generan fisuras y desplazamientos que van en incremento, creando un escenario propicio para fallas estructurales irreversibles ante terremotos de alta intensidad. En respuesta, varias técnicas describen soluciones viables (3, 8-16) para el refuerzo estructural de edificaciones patrimoniales contribuyendo a que la investigación actual proponga alternativas que cubran las necesidades del contexto y validen resultados previos.

Actualmente, la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC) (17, 18) expone que las intervenciones de refuerzo estructural en edificaciones patrimoniales deben alinearse a normativas internacionales, sin puntualizar intervenciones específicas adaptadas a la realidad local (19). En ese contexto, las soluciones propuestas en estudios previos permiten orientar las acciones y proteger los inmuebles, aunque comprometen sus valores patrimoniales al ser mayormente invasivos. Sobre esta deficiencia el presente estudio contribuye con el desarrollo de una alternativa compatible y de mínima intervención que prioriza dichos valores (20) y mitiga la vulnerabilidad del inmueble.

En este trabajo se plantea el diseño, construcción y evaluación de un arquetipo de mampostería de adobe con refuerzo de fibras vegetales (Phragmites australis o carrizo) en edificaciones patrimoniales construidas en tierra cruda emplazadas en zonas sísmicas. Según la realidad sísmica ecuatoriana, el postergar las intervenciones de refuerzo en inmuebles vulnerables puede ser catastrófico, e incluso puede ser considerado como negligencia. Varios autores consideran que se deberá apuntar al campo de la investigación en la búsqueda oportuna de soluciones que se adapten al contexto regional, con materiales y técnicas constructivas locales e incentive la construcción de la cultura de seguridad sísmica.

La presente investigación se fundamenta en el estudio de caso, para lo cual se selecciona la Iglesia de El Sagrario (siglo XVI) (21) en la ciudad de Cuenca (Ecuador) por su capacidad inferencial y exponer daños estructurales evidentes, es decir, supone un escenario ideal para ilustrar un método para combatir las falencias estructurales y posibles pérdidas a causa de las acciones sísmicas. Se parte del diagnóstico del estado de conservación mediante levantamientos planimétricos, altimétricos y de patología estructural para dar a conocer problemas y causas del deterioro.

El estudio se apoya en el análisis de evolución histórica del caso de estudio desde los materiales y sistemas constructivos, lo cual refleja la complejidad y las variables a tomar en cuenta en el análisis de soluciones potenciales en los bienes patrimoniales. En adelante, al conocer la vulnerabilidad se propone la estimación de cargas según los materiales identificados y los usos con la finalidad de definir potenciales zonas de falla en la estructura; por último, se plantea la solución de refuerzo estructural sísmico en muros de mampostería de adobe de carácter patrimonial. La base es un arquetipo con mejor comportamiento a flexión en los ensayos por volteo, así como en la generalización metodológica que se define desde el caso de estudio hacia los bienes con características semejantes.

Según lo previo, no se ahonda en el caso de estudio en sí, y se limita a indicar que se trata de una edificación religiosa de época colonial de construcción mixta, aunque predomina el adobe, e incluye pintura mural. Esta edificación puede ser descrita como un bien patrimonial de alta vulnerabilidad sísmica debido a su configuración arquitectónica, morfológica y estructural (11, 22). A su vez, las patologías estructurales evidenciadas muestran un nivel de afección con urgencia de mantenimiento y acciones de mitigación (11). También muestra predominio de elementos arquitectónicos y estructurales de configuraciones inadecuadas (12, 14, 15) que incrementan la vulnerabilidad sísmica.

Los procedimientos particulares del estudio experimental conllevan: 1) la caracterización del material (adobe), tanto el existente en el bien, como el disponible en el territorio; 2) el diseño y construcción de los arquetipos; 3) los ensayos de los modelos físicos para comprobar cualitativamente la viabilidad de la propuesta.

Los ensayos realizados sobre cuatro arquetipos, dos sin refuerzos y dos reforzados, sometidos cada par opuesto al mismo tipo de ensayo, generan los siguientes resultados:

En este muro se aplica el ensayo tipo 1 (sin apoyo), y a partir del registro videográfico se identifica que se inclina y colapsa. La fractura principal que ocasiona el desplome se localiza en la base de contacto entre el arquetipo y el sistema metálico. Cuando el ángulo de inclinación es 9,3° falla del muro alcanza la amplitud y profundidad máximas.

Se aprovecha el ensayo para observar que en el muro colapsado se visualizan tres grietas a 490 mm, 970 mm y 1430 mm desde la base. Cada una describe cómo el arquetipo se comporta al impactar con el suelo y con la vigueta metálica del sistema. Al desprenderse de la base, cae e impacta en primer lugar con la vigueta generando una fuerza reactiva de impacto que agrieta considerablemente el muro, el elemento restante que cae se impacta con el suelo, y al no estar en el mismo plano, se fractura para lograr asentarse. Las fallas en la zona superior son mínimas y se forman por el impacto del colapso. La grieta a 490 mm de la base recorre la totalidad de la longitud del muro, el ancho es de 192 mm y la profundidad de 158 mm; a pesar del ancho, la profundidad no fue la suficiente para dividir el muro. La grieta ubicada a 970 mm describe que la abertura se presenta desde la cara inferior y tiene un ancho de 237 mm y atraviesa la totalidad del espesor del muro, pero su longitud apenas alcanza 438 mm desde el extremo derecho y no consigue fracturar íntegramente al muro. Por último, la grieta ubicada a 143 mm se identifica como superficial al no registrar una profundidad destacable.

La posición de colapso del muro revela un perfil poligonal, evidenciando las fracturas generadas a partir del impacto con el suelo. Así, el arquetipo MSC01 describe el patrón de comportamiento frágil, ya que las grietas se presentan en la cara traccionada de la sección transversal, e incluso es a partir de este que se estima el refuerzo estructural contemplando las falencias y buscando aumentar la inclinación y control del agrietamiento.

El muro es reforzado con carrizo mediante una metodología que respeta los criterios de conservación y se proyecta a resolver el comportamiento estructural sísmico inadecuado en las mamposterías de adobe; a través del ensayo se corrobora alentadores resultados. La documentación videográfica revela que se mantiene un comportamiento monolítico en el muro hasta el colapso y encuentro con la vigueta metálica y el suelo en su última etapa. El muro presenta fracturas a tres alturas: 470 mm, 950 mm y 1380 mm, pero en la descripción de las mismas se encuentran las diferencias y el mejoramiento obtenido en el comportamiento y la resistencia del muro.

A través del registro del ángulo de inclinación se observa que el muro soporta 10,6° antes de que la fractura en la base genere el colapso, es decir, incrementa el 13.97% en comparación con MSC01. En cuanto a las grietas el ancho también es considerablemente menor. En el MCC01 las grietas tienen anchos de abertura de 32 mm, 28 mm y 19 mm respectivamente para las alturas ubicadas a 470 mm, 950 mm y 137 mm desde la base respectivamente, lo que representa un 86% menor ancho de grietas respecto al muro no reforzado. En cuanto, a la profundidad de las grietas, ninguna sobrepasa el ancho del muro para dividirlo o fracturarlo como se visualiza en MSC01 (Tabla 2 y Figura 9).

La posición deformada de colapso revela un resultado significativo para comprobar la efectividad del refuerzo. Se presenta continua y controlada, sin marcados ángulos de quiebre, lo que denota el trabajo del refuerzo. La eficiencia del refuerzo destaca que incluso al tratar de apartar el arquetipo para realizar el siguiente ensayo, no se pudo movilizarlo por partes, ya que el refuerzo ni el adobe estaban lo suficientemente fracturados.

El segundo muro no reforzado se somete al ensayo tipo 2 con un apoyo en la parte superior (Tabla 2 y Figura 9). Al alcanzar un ángulo de inclinación de 8,1°, el arquetipo se fractura en la base, se desplaza y entra en contacto con el apoyo de la parte superior de un caballete diseñado para dicha actividad. Conforme se incrementa la inclinación, las fibras de la cara superior se comprimen y las inferiores se traccionan. En pocos segundos el arquetipo colapsa y se desploma totalmente disgregado al suelo. El ensayo describe dos fracturas, una a 510 mm y a 830 mm desde la base, ambas inducidas por la acción de las componentes transversales de la carga gravitacional y el apoyo externo. Antes del colapso describen un ancho de 180 y 70 mm respectivamente, con una longitud y profundidad que recorre la totalidad del muro y atraviesa los 250 mm de espesor fragmentándolo completamente. El impacto contra el suelo y el caballete disgrega el muro en varios fragmentos.

La fractura primaria se visualiza en la base y en este caso, se separa la primera hilera de adobe de la primera junta de mortero sin ningún inconveniente, evidenciando la unión ineficiente del muro con el elemento de soporte. Los resultados del ensayo de este arquetipo presentan una deformada particular; es el único caso en el que el muro se disgrega y no presenta un perfil definido debido a la baja resistencia ante las acciones involucradas. En conclusión, es necesario ubicar el refuerzo en ambas caras, tanto para arriostrar los refuerzos y generar algún nivel de confinamiento del elemento, como para asumir la inversión de esfuerzos propia de las cargas sísmicas.

El arquetipo reforzado se somete al ensayo tipo 2. El comportamiento mecánico del arquetipo es igual al descrito en MSC02, en donde se identifica un ángulo máximo de inclinación y un punto de apoyo en la parte superior que genera la aparición de momentos flectores y fuerzas cortantes (Tabla 2 y Figura 9).

El arquetipo alcanza 9,8° de inclinación antes de la fractura principal en la base, soporta un 21% más de inclinación y la correspondiente magnitud de fuerza lateral en comparación con MSC02. Con el incremento del ángulo, el arquetipo colapsa, pero esta vez no se registran fracturas múltiples o grandes áreas disgregadas. Se localizan dos fracturas a 580 mm y 800 mm desde la base, las cuales recorren la totalidad de la longitud del muro en su cara inferior, con anchos de 23 mm y 31 mm respectivamente, y profundidades de 138 y 210 mm, sin llegar a atravesar el espesor del muro. El arquetipo reforzado controla de mejor manera los estados límite de fisuración y fractura; dichos factores permiten que la deformada final sea continua, incluso más que MCC01.

Concluidos los ensayos, los resultados (Tabla 2 y Figura 9) muestran que el refuerzo con carrizo representa una mejora significativa en el comportamiento estructural de muros de mampostería de adobe. Por otra parte, se evidencia el respeto a los valores patrimoniales y la intervención estructural puede conjugarse efectivamente con ellos para lograr la correcta mitigación de los riesgos asociados.

Existen diversas técnicas constructivas basadas en tierra cruda, llegando a considerarse distintas en cada localización geográfica. Esta aseveración puntualiza que, los inmuebles de tierra no sólo tienen un valor histórico por la antigüedad, sino por llevar consigo el patrimonio inmaterial de la población. De esta manera, al ser la construcción de adobe parte del patrimonio material e inmaterial, se enfatiza en su estudio para entender cómo mitigar su vulnerabilidad y garantizar cierta seguridad sísmica (14, 16, 20).

El comportamiento deficiente de las construcciones en tierra cruda lo define la relativamente baja resistencia del material a esfuerzos de tracción y corte. Se estima que los daños pueden ser mitigados si se implementan refuerzos que aporten y mejoren la capacidad ante tales solicitaciones. Asimismo, los inmuebles construidos en tierra pueden sobrellevar las acciones sísmicas si son diseñados y construidos con regularidad en planta, contrafuertes, distancias vano-vano y vano-esquina adecuadas, cubiertas y entrepisos livianos, apoyos eficientes de la estructura de cubierta-muro y esquinas confinadas (17, 22); además, el mantenimiento periódico se presenta como una alternativa eficiente para conservar el inmueble y mejorar su comportamiento ante actividad sísmica.

Este aspecto es fundamental para precautelar el estado de los inmuebles puesto que, si bien no se puede modificar su configuración arquitectónica y estructural para cumplir con las determinantes descritas, se dirigen los esfuerzos a intervenciones puntuales que prevean y solucionen lesiones con incidencia en la resistencia de la estructura.

Hasta este punto se presenta especial énfasis en la vulnerabilidad del material, pero, para que pueda considerarse un riesgo relevante es necesario conocer la amenaza. Se ha encontrado coincidencia geográfica de las zonas de alto peligro sísmico con las regiones de construcción en tierra, localizando las zonas de actividad sísmica permanente a nivel mundial coincidentes con ciudades Patrimonio Cultural de la Humanidad (16). Esto permite establecer la relevancia de las consecuencias negativas que tendrán que sobrellevar los monumentos históricos en caso de ocurrir un sismo de alta intensidad. Tal como se indica, el problema es generalizado y frente a este, se proponen soluciones que aporten a los muros de mampostería de adobe de diferentes edificaciones la resistencia a tracción que carecen, mediante fibras vegetales como el carrizo.

Según investigadores (1, 2, 16, 33) y la experiencia multidisciplinar, la propuesta planteada es una alternativa compatible y eficiente como refuerzo, misma que merece ser estudiada a profundidad y mejorada, sobre todo al considerar que no hay constancia de ensayos a escala real de muros gruesos de adobe como los de adobe que se encuentran comúnmente en Europa y América, y que el comportamiento de los muros fuera del plano y la respuesta sísmica de los muros de esquina no se conocen del todo, a pesar de su gran importancia en la respuesta sísmica de los edificios históricos de adobe (16).

El presente trabajo ha priorizado y seleccionado el carrizo como la fibra vegetal para diseñar el refuerzo debido a que posee alta resistencia a tracción, existe disponibilidad en el contexto local, es de bajo costo, no es una especie protegida y principalmente, porque forma parte de la cultura constructiva local.

Múltiples investigaciones proponen refuerzos estructurales en obras nuevas y patrimoniales con distintos materiales y técnicas, unas más invasivas que otras (16, 18, 20, 34-39). La discusión de la efectividad y validez para su uso n en el patrimonio construido en tierra define que la aplicación del metal, plástico o materiales similares comprometen los criterios de compatibilidad y autenticidad; por otra parte, las acciones agresivas con herramientas y métodos que requirieren una considerable modificación en los elementos patrimoniales descartan los criterios de mínima intervención y reversibilidad.

A través de esta valoración se entienden los errores y se construyen alternativas que aporten al mejoramiento estructural, sin comprometer los criterios patrimoniales, la identidad y el valor del inmueble. Así, se reconoce la importancia de la elección o diseño de la intervención y su desarrollo en un contexto y condición singular, ya que cada edificación posee diferentes requerimientos para minimizar los efectos sísmicos (14, 15, 20). Con este objetivo se plantea un método que descarta materiales y soluciones de poca efectividad mediante ensayos e interpretación de dichos resultados, definiendo las estrategias antes de ser aplicadas.

En cuanto a la intervención de refuerzo estructural sísmico, se establece que es apto para la aplicación en edificaciones de valor patrimonial ya que respeta los criterios de conservación (7). El criterio de autenticidad se cumple en un 98,78%, debido a que únicamente el 4,8% de la totalidad del volumen de material del arquetipo es extraído al momento de realizar las regatas y el 3.58% del volumen total es devuelto para el relleno del reforzamiento, es decir, se pierde únicamente el 1,21% del material original debido a la inclusión de los carrizos. El criterio de mínima intervención se mantiene en un 90%, el 10% de la totalidad de la superficie es afectada en la delimitación de las regatas, la perforación del muro no se contempla en el porcentaje ya que describe efectos no considerables.

La reversibilidad es el criterio más comprometido, conserva el 77% del material, ya que en el proceso de relleno de las regatas, la superficie es afectada en un 23%, variando en función de la prolijidad con la que se realice dicha actividad. La compatibilidad de la intervención de carácter patrimonial es determinada por la potencial semejanza entre las características mecánicas de los adobes existentes en el inmueble y los utilizados en los arquetipos. Debido a esto el criterio se cumple en el 83,5%.

Los resultados comprueban la factibilidad de la propuesta de refuerzo desde el aspecto patrimonial. Además, en la comparativa de los ensayos realizados destaca la deformada final y a partir de la primera observación se determina que los arquetipos reforzados (MCC01 y MCC02) presentan mejor comportamiento frente a los arquetipos sin refuerzo (MSC01 y MSC02). Es decir, se establece que el refuerzo planteado tiene cualitativamente la capacidad de disminuir considerablemente el riesgo de colapso repentino de bloques enteros del muro, que es un mecanismo de daño muy común resultante de la respuesta de flexión fuera del plano de los muros durante un sismo (16).

El análisis de las fracturas provocadas en el colapso y el ángulo máximo de inclinación muestra resultados favorables para los arquetipos reforzados. En cuanto al ancho de la fractura se destaca que al ensayarse sin apoyo (MSC01 y MCC01) estas logran reducirse en promedio en un 58,84% en el caso de los muros reforzados, siendo aquella localizada a los 970mm (MSC01) y 950 mm (MCC01) la que presenta mejores resultados reduciéndose en un 88,18%. Los arquetipos ensayados con apoyo (MSC02 y MCC02) reducen el ancho de las fracturas en un 71,47%, siendo aquella localizada a los 510mm (MSC02) y 580 mm (MCC02), la que presenta mejores resultados reduciéndose en un 87,22% (Tabla 2 y Figura 9).

Se comprueba la efectividad del refuerzo de carrizo al evidenciar que los arquetipos MCC01 y MCC02 logran superar el ángulo de inclinación de MSC01 y MSC02 en un 17,49% en promedio. El 13,98% corresponde a los muros en voladizo (MSC01 y MCC01), y 20,99 % a los apoyados (MSC02 y MCC02) (Tabla 2 y Figura 9). Es decir, la propuesta de refuerzo evidencia cualitativamente un mejor comportamiento estructural de los modelos ante la acción de fuerzas horizontales que general solicitaciones fuera del plano del muro.

El patrimonio construido lleva inmerso identidad e historia. Ante esto, es alarmante asentar la probabilidad de impacto y pérdida ante terremotos que configuran una amenaza permanente. Dicha condición se convierte en riesgo sólo si ante la amenaza se describen vulnerabilidades como la antigüedad de las construcciones, sistemas y materiales con resistencias inadecuadas, configuración morfológica y estructural ineficiente, entre otras.

La experiencia internacional sobre la pérdida del patrimonio construido en tierra corrobora que los inmuebles de carácter religioso tipo iglesia son los más vulnerables. Por ello, la delimitación y contextualización de esta problemática se enmarca la investigación para ampliar la visión de la conservación de bienes con valores relevantes, más cuando, antecedentes sísmicos como los ecuatorianos, recalcan que la amenaza es permanente, inevitable y muy probable, e incluso el hecho de que, la pérdida del patrimonio construido por esta causa no es justificable.

Los resultados de este estudio se presentan como un hito en la generación de conocimientos para mitigar la vulnerabilidad sísmica de inmuebles patrimoniales construidos con adobe y presencia de pintura mural. El planteamiento del refuerzo y metodología de experimentación fueron ideados por el tercer autor como un paso inicial para obtener información de partida que permita justificar una consiguiente investigación y el desarrollo de la propuesta a nivel estructural con el uso de modelos matemáticos y validación experimental.

El reforzamiento propuesto respeta los criterios de conservación en un 87,32%. La efectividad del refuerzo determina que los arquetipos reforzados reducen el ancho de las fracturas en un 88,18% y logran obtener un ángulo de inclinación 13,98% mayor respecto a los no reforzados. Se demuestra que la propuesta mejora el comportamiento de muros de mampostería de adobe ante la acción de cargas laterales.