El Colapso de las Torres Champlain South: Un Análisis de Ingeniería Forense

El colapso del condominio en Surfside, Florida, subraya lecciones importantes para la comunidad de ingeniería estructural. Este artículo, publicado originalmente en la revista Structure Magazine, entrega detalles del informe realizado por profesionales que identificó las posibles causas de la falla de este edificio, con las trágicas consecuencias que tuvo.

Autores: Matthew Fadden, Ph.D en Ingeniería Estructural de la University of Michigan, director asociado en Wiss, Janney, Elstner Associates Inc., Sedona Iodice, Máster en Ingeniería Estructural de la University of Florida, associate III en Wiss, Janney, Elstner Associates Inc., y Gary J. Klein, Máster en Ingeniería Estructural de la University of Illinois Urbana-Champaign, vicepresidente ejecutivo y senior principal en Wiss, Janney, Elstner Associates Inc.

Fuente: Structural Magazine

El trágico colapso de las Torres Champlain South (CTS, en sus siglas en inglés), que cobró 98 vidas el 24 de junio de 2021 en Surfside, Florida, se erige como una de las fallas estructurales más devastadoras en la historia de los Estados Unidos. Las Torres Champlain South eran una estructura de losa plana de hormigón armado de 12 pisos, completada en 1981. El edificio contaba con 136 unidades, un vestíbulo y garaje en el sótano, y una terraza de piscina en el lado sur. El Código de Construcción del Sur de Florida (1979) y el ACI 318-77 se aplicaron durante las fases de diseño y construcción.

Testigos reportaron escuchar ruidos fuertes provenientes del edificio en las horas previas al colapso. Justo después de la 1:00 AM del 24 de junio de 2021, se inició el colapso. Imágenes de vigilancia e investigaciones iniciales indicaron que la falla inicial se originó en la losa de la terraza de la piscina, la cual presentó fallas de corte por punzonamiento.

Estas fallas desencadenaron un colapso desproporcionado y progresivo de la porción este del edificio, que fue detenida por los muros de corte del núcleo central. La secuencia de eventos subraya cómo vulnerabilidades interconectadas en los sistemas estructurales pueden escalar rápidamente en fallas generalizadas.

Trabajando en nombre de aseguradoras y la administración judicial designada para la Asociación de Condominios de CTS, Wiss, Janney, Elstner Associates, Inc. (WJE) realizó una investigación exhaustiva del colapso como parte del litigio civil que se resolvió en junio de 2022. Nuestros hallazgos arrojan luz sobre fallas de diseño y construcción estructural que condujeron a la falla y proporcionan valiosas lecciones para mejorar la práctica de la ingeniería.

Enfoque Investigativo

Nuestra investigación involucró múltiples etapas para identificar las causas del colapso y determinar los factores contribuyentes.

Revisión y análisis de documentos. Revisamos numerosos documentos, incluidos los planos originales, registros de mantenimiento, actas/videos de reuniones, documentación de otros ingenieros/arquitectos (incluyendo el informe de recertificación de 2018 y el diseño de reparación posterior), y datos de redes sociales. Esta información se utilizó para comprender el diseño original y la construcción real de CTS, los cambios en la estructura y, en última instancia, la secuencia de falla.

Investigación de campo. En el sitio del colapso (Fig. 1) y en el Centro de pruebas del Equipo Nacional de Seguridad en la Construcción del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, en sus siglas en inglés) (Fig. 2 y Fig. 3), realizamos inspecciones detalladas, evaluamos el estado de los elementos estructurales e investigamos la impermeabilización de la terraza de la piscina. Se tomaron muestras de hormigón, acero de refuerzo y suelos para ensayos de laboratorio con las partes involucradas en el litigio civil.

Ensayos de laboratorio. Se ensayaron muestras de hormigón y refuerzo para evaluar propiedades como resistencia a la tracción y ductilidad del acero, resistencia a compresión del hormigón, profundidad de carbonatación, contenido de cloruros y otras características mediante petrografía del hormigón.

Análisis estructural. Basados en las cargas entendidas, se desarrollaron modelos de elementos finitos de la torre y las losas de la terraza de la piscina de la torre CTS para comprender el diseño estructural original y el comportamiento al momento del colapso. Estos modelos identificaron vulnerabilidades en el diseño de la terraza, particularmente en las conexiones losa-columna. En última instancia, estos modelos ofrecieron una imagen más clara de cómo ciertas deficiencias contribuyeron al colapso.

Hallazgos Críticos

Evaluamos numerosas teorías de falla potencial. En última instancia, lo que se presenta aquí resalta lo que encontramos más relevante.

Condiciones Geotécnicas

Casi inmediatamente después de obtener acceso al sitio del colapso, encargamos un levantamiento detallado de la losa estructural del sótano (conectada estructuralmente a las columnas para resistir presiones hidrostáticas del agua subterránea), revelando que la elevación de la losa variaba menos de 14 cm en toda la estructura.

No se observaron gradientes inesperados ni grandes vacíos. Métodos de prueba geofísicos confirmaron que no había vacíos ni karstificación. Además, numerosos sondeos de suelo revelaron que el suelo era típico de la zona, con capas de arena y piedra caliza. Basándonos en esto, no creemos que las condiciones geotécnicas contribuyeran al colapso de CTS.

Deficiencias de Diseño y Construcción

Identificamos fallas importantes de diseño y construcción y cambios en la estructura que socavaron críticamente la integridad estructural del edificio.

El Diseño Original. La losa de la terraza de la piscina incluía una capa de acabado de espesor variable inclinada para drenar que no se mostraba en los planos estructurales o arquitectónicos originales, pero se determinó que era original de la estructura (Fig. 4). El refuerzo en la región de momento negativo (es decir, barras sobre columnas) se especificó con una cobertura de 1,9 cm. El hormigón se especificó con una resistencia a compresión de 28 MPa. La carga viva de diseño era de 488 kg/m2. No se usó refuerzo de corte ni capiteles.

Considerando esta información y asumiendo que el ingeniero de diseño debía conocer la instalación de la capa de acabado, la resistencia al punzonamiento según el diseño era insuficiente en casi todas las columnas que soportaban la losa de la terraza, con relaciones demanda/capacidad (DCR) de hasta 1,7 (en la columna K/13.1) (Tabla 1). Nuestros modelos estructurales de la losa de la terraza muestran que las DCR para flexión en regiones de momento positivo y negativo también eran insuficientes, con DCR de hasta 2,0. Simplemente, el diseño de la terraza era inapropiado.

Tabla 1. Columna K/13.1 Cálculo de cizallamiento por punzonamiento

*No considera (1) la relación de refuerzo de flexión, (2) la carga sostenida a largo plazo y (3) los efectos del momento desequilibrado.

Condiciones Construidas. Nuestra investigación también encontró numerosos casos de refuerzo en la parte superior de la losa con recubrimiento excesivo, reduciendo la profundidad efectiva (d) de 20,6 cm a 17,8 cm, reduciendo el perímetro crítico para punzonamiento (b0) y disminuyendo la capacidad de carga de corte basada en 4√ƒc’b0d. Además, la baja relación de refuerzo superior (menos del 1%) resultó en un mecanismo conocido como punzonamiento inducido por flexión. Como resultado, el esfuerzo permitido por ACI 318-77 de 4√ƒc’ puede ser poco conservador.

Pruebas experimentales han mostrado este esfuerzo tan bajo como 2√ƒc’. Al revisar los planos originales y las condiciones del sitio, se observó que había más jardineras en la terraza de lo que se diseñó originalmente (no está claro si el ingeniero las consideró). Una renovación en 1996 añadió cargas adicionales no previstas a la terraza, incluyendo adoquines de concreto sobre una cama de arena (más de 10 cm de espesor en algunos lugares).

Sin embargo, los ensayos al hormigón encontraron que la resistencia promedio a compresión era de aproximadamente 31 MPa. Estas cargas no previstas aumentaron significativamente la carga sobre la losa y contribuyeron a su eventual falla. Considerando esta información y sin considerar agua estancada en jardineras o la terraza debido a un drenaje deficiente, la DCR por punzonamiento al momento del colapso era de aproximadamente 0,85 (sin factores de carga ni reducciones) (Tabla 1).

La DCR calculada de 0,85 no consideró tres factores importantes: (1) la relación de refuerzo a flexión es extremadamente baja, lo que reduce la resistencia al punzonamiento respecto a la ecuación de ACI 318; (2) la carga sostenida a largo plazo reduce la resistencia al punzonamiento en comparación con la carga normal; y (3) no se incluyeron los efectos de la transferencia de momento no balanceado. La consideración cuantitativa de estos efectos resultaría en una DCR sustancialmente superior a 1,0. En otras palabras, la terraza ha estado cerca de su capacidad de colapso al menos desde 1996 (cuando se añadieron arena y adoquines).

Las Advertencias. Durante nuestra revisión documental, descubrimos dos conjuntos de fotos que mostraban punzonamiento y otras señales de deterioro en la losa de la terraza antes del colapso de la estructura (Fig. 5). Fotos del 12 de noviembre de 2020, siete meses y once días antes del colapso, muestran eflorescencias debido al flujo de agua por la cara de la columna L/13.1 (adyacente a K/13.1), indicando que se había formado una grieta relacionada con el punzonamiento. Fotos del 2 de junio de 2021, 22 días antes del colapso, muestran desplazamientos verticales significativos de la losa sobre la columna K/13.1 (la columna más cargada de la terraza) y que se manifiestan en los muros de las jardineras. Una foto del 13 de abril de 2020 muestra la ausencia de este deterioro.

Como resultado, el deterioro relacionado con el punzonamiento se manifestó y propagó en la losa antes del colapso, y el mecanismo de falla probablemente tardó años en desarrollarse completamente. Finalmente, tanto L/13.1 como K/13.1 perforaron la losa de la terraza durante el colapso.

Secuencia de Colapso y Falla Progresiva

Teoría de falla de WJE. Nuestra teoría de falla se basa en nuestra comprensión de las condiciones construidas, análisis estructural, videos tomados durante el colapso y testimonios de testigos. Esta secuencia resalta cómo fallas localizadas pueden escalar rápidamente a colapsos estructurales completos sin suficiente redundancia. Nuestra teoría de falla es la siguiente:

1. La falla inicial ocurrió cuando la terraza de la piscina al sur del edificio colapsó entre la 1:10 y 1:15 AM. Esta falla fue reportada por residentes en la Unidad 111 y otros, así como por la guardia de seguridad. Un turista en el resort al norte de CTS capturó un video documentando el colapso de la terraza en TikTok, notando el ruido y la ráfaga de viento desde la entrada del garaje, con escombros visibles en el piso del garaje (Fig. 6). Además, observaciones posteriores al colapso de fallas de punzonamiento respaldan aún más esta secuencia de eventos.

2. La falla de la terraza ejerció fuerzas de tensión horizontales sobre las columnas del edificio, particularmente las de la fachada sur, llevando a fallas de columna y desplazamientos estructurales significativos (Fig. 7). Las fuerzas horizontales, que normalmente se ignoran en el diseño de vigas y losas, se volvieron críticas a medida que ocurrieron grandes desplazamientos.

3. Un escalón en la losa creó detalles de refuerzo en el borde del edificio que redujeron su resistencia, comprometiendo aún más la estructura.

4. Se observaron desplazamientos estructurales a través de testimonios, incluyendo reportes de grietas en muros en la Unidad 611 y grabaciones de cámaras de seguridad en la Unidad 711 (Fig. 8). Estos desplazamientos observados indican la falla de las columnas a lo largo de la pared exterior sur del ala este, lo que desencadenó el colapso progresivo de la mitad este de CTS aproximadamente 7 a 12 minutos después, a la 1:22 AM.

Fig. 8. Las imágenes de la cámara anular de la Unidad 711 muestran desplazamientos estructurales que indicaron la falla de las columnas a lo largo del muro exterior sur del ala este. (El desplazamiento se indica con una flecha azul).

5. El colapso final fue capturado por cámaras de seguridad desde la propiedad al sur de CTS (Fig. 9). Mientras tanto, la porción oeste restante del edificio permaneció en pie gracias a la presencia del muro de corte en el núcleo de ascensores.

Factores Críticos

Como se evidenció en nuestra investigación, la falla de la terraza de la piscina puede atribuirse a varios factores críticos.

1. Uno de los principales problemas fue el diseño inadecuado de la losa de la terraza, particularmente en términos de capacidad de punzonamiento. Las cargas de los elementos paisajísticos en la terraza solo empeoraron los problemas. No está claro si los diseñadores originales consideraron la capa de acabado y las jardineras adicionales. Además, la adición de adoquines en 1996 impuso una carga adicional sobre la losa ya deficiente, agravando aún más sus debilidades estructurales.

2. Además, el recubrimiento superficial poco profundo del refuerzo dentro de la losa redujo la profundidad efectiva de la sección estructural, debilitando su capacidad general para resistir las cargas aplicadas. Esta deficiencia hizo que la losa fuera más susceptible a agrietamientos y eventual falla. En el momento del diseño, no se requería refuerzo de integridad, por lo que la capacidad de la losa para redistribuir la carga se redujo aún más (el refuerzo de integridad se introdujo en ACI 318-89).

3. Finalmente, las señales visibles de deterioro en las columnas L/13.1 y K/13.1 no fueron detectadas y/o nunca fueron diagnosticadas. Esta falta de intervención jugó un papel significativo en el colapso final de la estructura.

Factores contribuyentes. Factores adicionales agravaron la vulnerabilidad del edificio y deben ser señalados.

1. Los efectos de carga a largo plazo (es decir, fluencia o creep) juegan un papel significativo en el comportamiento del concreto bajo cargas cercanas a la de falla.

2. Es probable que hubiera acumulación de agua en la terraza y en las jardineras debido a las repetidas reparaciones y al drenaje inadecuado, aunque no sabemos la cantidad de agua presente al momento del colapso.

3. Finalmente, aunque se observó corrosión en algunas áreas, su importancia no está clara. Solo vimos corrosión limitada durante nuestra investigación.

De cualquier manera, el diseño estructural, la construcción y la carga adicional fueron las causas principales del colapso.

Lecciones para el Futuro

El trágico colapso de CTS subraya lecciones importantes para la comunidad de ingeniería estructural. Una revisión exhaustiva de la falla resalta áreas clave donde mejoras en el diseño, la construcción y los protocolos de inspección podrían prevenir desastres similares en el futuro.

Importancia de la redundancia estructural y el diseño adecuado. El colapso demostró las consecuencias de una capacidad de punzonamiento inadecuada en la losa de la terraza. La falla de un componente estructural desencadenó un colapso progresivo, enfatizando la necesidad de redundancia estructural para prevenir fallas desproporcionadas. Afortunadamente, casi todos los edificios son estructuralmente seguros, y aquellos construidos después de la adopción de ACI 318-89 incluyen refuerzo de integridad.

Más recientemente, ACI 318-19 adoptó cambios para intentar prevenir la formación de fallas de punzonamiento inducidas por flexión. Las losas planas adecuadamente diseñadas y construidas son seguras y económicas. Además, las revisiones de planos y las inspecciones especiales, cada vez más comunes, pueden detectar errores de diseño y construcción.

Reconocer el impacto de cargas no previstas. La falla de la losa de la terraza se agravó por cargas excesivas más allá de su capacidad de diseño original. La mejor práctica para los ingenieros es evaluar cuidadosamente cualquier modificación o renovación que pueda imponer cargas adicionales a estructuras existentes. Debe haber documentación adecuada y evaluaciones estructurales exhaustivas antes de realizar cambios significativos.

Protocolos efectivos de inspección. Las señales visibles de deterioro, incluyendo eflorescencias, grietas y desplazamientos verticales de la losa, fueron documentadas en los meses previos al colapso. Estas advertencias fueron pasadas por alto, mal diagnosticadas o no se actuó a tiempo en CTS. Ejemplos recientes de deficiencias graves de punzonamiento descubiertas tras análisis y ensayos incluyen el condominio Riverview en Cambridge, MA, y el condominio Dockside en Charleston, SC. En ambos casos, los edificios fueron evacuados.

Sin embargo, hay innumerables ejemplos de refuerzos de punzonamiento realizados tras su identificación, análisis y pruebas. Si se observan señales significativas de deterioro en losas planas, es prudente una revisión estructural de la resistencia al punzonamiento basada en una evaluación no destructiva de las condiciones construidas. Ingenieros y propietarios deben estar atentos a la aparición de nuevos deterioros.

En Florida, se aprobó una nueva ley de inspección de hitos, exigiendo la inspección de muchos condominios (SB-4 y SB-154). Sin embargo, ingenieros y el público en general deben entender que ninguna inspección puede garantizar el desempeño estructural de un edificio.

Investigación continua. La tragedia causada por el colapso de CTS resalta la necesidad de más investigación en ingeniería estructural. La investigación sobre punzonamiento debe considerar los efectos del tiempo y factores ambientales en la capacidad de punzonamiento. La falla de CTS se propagó rápidamente, demostrando el impacto desproporcionado de fallas localizadas. La investigación debe explorar mejores modelos de colapso progresivo y métodos de refuerzo estructural para mejorar la redundancia y la resistencia a fallas. Finalmente, la comunidad de ingeniería estructural debe desarrollar estrategias para comunicar mejor al público sobre la integridad estructural y los riesgos potenciales de su infraestructura existente.

Cierre

Esta tragedia es un recordatorio contundente de la necesidad de estándares de diseño efectivos (incluyendo revisión de planos e inspecciones especiales) y la intervención oportuna para abordar preocupaciones estructurales. Aplicando las lecciones aprendidas de este desastre, la comunidad de ingeniería estructural puede construir estructuras más seguras y resilientes, asegurando que los fracasos del pasado impulsen la innovación futura en lugar de repetir errores.

Agradecimientos

• Compañía de Seguros James River, cliente de WJE
• Michael Goldberg de Akerman LLP, el asegurador y síndico de la Asociación de Condominios CTS.
• El Equipo Nacional de Seguridad en la Construcción de NIST, que está investigando el incidente bajo la Ley Nacional de Equipos de Seguridad en la Construcción. NIST proporcionó acceso para inspeccionar los restos recuperados del colapso y almacenados en un almacén.
• Los ensayos de laboratorio en este artículo se realizaron bajo un protocolo de pruebas conjunto desarrollado inicialmente por WJE, con financiación proporcionada colectivamente por las partes involucradas en el litigio.
• Expertos de WJE desde Londres hasta San Francisco contribuyeron a la investigación.