Diseño y soldaduras deficientes, claves para explicar colapso en Línea 12 del Metro: experto
Marcial Yangali
13 May 2021 a las 6:58 pm
CONTRALÍNEA
El trágico derrumbe tras la ruptura de una viga de acero en un tramo del viaducto elevado del metro de la Ciudad de México ha cobrado la vida de 26 personas. El ingeniero Jorge Luis González –galardonado por el IPN con la Presea Lázaro Cárdenas por sus labores de investigación científica y tecnológica– explica en entrevista que los elementos para comprender la falla están tanto en el proceso de construcción como en el mantenimiento de la estructura.
En 2014, el experto internacional en integridad estructural y análisis de fallas, Jorge Luis González Velázquez, recorrió a pie las vías de la Línea 12 del Sistema de Transporte Colectivo Metro como parte de una investigación que tenía como objetivo identificar las causas del desgaste prematuro de los rieles. Hoy, haciendo uso del conocimiento adquirido durante aquella experiencia y tras observar atentamente las imágenes del colapso del viaducto ferroviario, plantea su hipótesis de falla dividida en tres puntos: diseño “insuficiente”, defectos en soldaduras y daños no atendidos tras los sismos de 2017.
El diseño estructural del viaducto, explica el doctor en ciencias, es sencillo: primero están las columnas, que son los elementos que dan la elevación sobre el nivel del suelo, éstas tienen un escalón en la parte superior donde se apoyan las trabes de acero (mal llamadas “ballenas”), que a su vez soportan las losas de concreto donde se colocan el balastro y las vías.
Las trabes deben resistir las cargas de todos los elementos instalados en ellas (peso muerto), el paso de los trenes (cargas vivas) y las cargas ocasionales como sismos, viento, etcétera. Debido a que la falla ocurrió justo al momento del paso de un convoy, en condiciones completamente normales de operación, Jorge Luis González deduce que las trabes “se estuvieron debilitando gradualmente”.
La “debilidad de la estructura” fue advertida por el experto desde 2014, año en que participó en el estudio del desgaste ondulatorio de los rieles. En aquella oportunidad, los usuarios del transporte colectivo le comentaron reiteradamente que “había vibración perceptible” y él, junto con su equipo del IPN, pudo constatarla físicamente durante varios viajes en la Línea 12. “Para ponerlo en términos muy sencillos: un puente vibra cuando no tiene la suficiente rigidez y es porque las estructuras no son lo suficientemente fuertes”, comenta.
Para sustentar este punto, el investigador del Departamento de Ingeniería Metalúrgica y Materiales de la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas (ESIQIE) también recurre a la comparación de estructuras similares y usa como primer ejemplo los puentes vehiculares, que son diseñados para soportar el paso de vehículos particulares, camiones y ocasionalmente tráileres, cuyo peso es “significativamente menor” que el de los trenes del metro (cada vagón pesa unas 30 toneladas con ocupación media). En estos puentes el tamaño de las trabes de acero que se emplean en su construcción “son casi el doble de grandes que las usadas para el tramo elevado de la Línea 12”, observa.
En otro caso similar, el viaducto elevado del Tren Interurbano de Pasajeros Toluca-Valle de México, las trabes no sólo son más grandes, sino que son cuatro en vez de solo dos. “Claro que ahí el espacio entre columnas es más grande”, aclara.
Jorge Luis González explica que “la resistencia mecánica de las trabes depende del cuadrado de su altura. Entonces, una trabe del doble de alto es cuatro veces más resistente que la de altura unitaria; si es del triple de alto es nueve veces más resistente”.
“Por experiencia y comparación con estructuras similares, la percepción que da esa estructura de la Línea 12 es que está diseñada al límite. No dudo que cumpla con la norma de construcción, pero en una estructura cuya falla puede tener consecuencias catastróficas, no sólo hay que cumplir la norma: hay que excederla”, opina el autor de Fractography and failure analysis (2018), Mechanical behavior and fracture of engineering materials (2019) y A practical approach to fracture mechanics (2020).
Soldadura al centro, un “error”
El segundo punto surge tras la observación de imágenes del lugar de la falla tomadas antes del colapso. Jorge Luis González identifica una soldadura ubicada en la parte media de la trabe fallada, “lo cual es un error de construcción”.
Señala que todas las soldaduras son peligrosas porque son proclives a tener defectos propios de los procesos de solidificación y enfriamiento que ocurren al depositar un metal fundido a altas temperaturas sobre uno sólido. Y aunque actualmente “las normas de soldadura son muy estrictas” y existen varios métodos para detectar y corregir estas deficiencias, “los ingenieros restringen su localización en ciertas partes”, dice.
Dado que, en las trabes, o vigas horizontales, el esfuerzo más grande está precisamente en el centro, “las reglas de ingeniería dicen que no importa si la soldadura es perfecta: no la pongas en sitios de altos esfuerzos, porque, si por alguna razón la soldadura sale mal y los inspectores no lo ven, vas a tener un peligro potencial”.
En su opinión, la mejor forma de hacer una trabe es emplear una placa de una sola pieza para hacer el “alma”, la parte vertical y la más fuerte. “Vamos a suponer que necesitas una trabe de 25 metros de largo y sólo tienes placas de 20 metros. Bueno, pues fabricas un tramo de 20 metros y lo unes al otro tramo de 5 metros; así, tratas de que la unión soldada quede cerca de los extremos que son los que reciben la menor carga”.
Daños e inspecciones tras sismos
Jorge Luis González explica que los sismos introducen esfuerzos adicionales en las estructuras. Ya sea por fuerzas inerciales y por introducir momentos cortantes.
“Las estructuras en un sismo se comportan como si fueran más pesadas y aparecen esfuerzos de tensión y cortantes que no provienen del servicio normal, o sea del peso muerto, ni de las cargas vivas, como podría ser el paso de los trenes”, señala.
El investigador del IPN afirma que hoy en día las estructuras son diseñadas para resistir los sismos y para ello se emplean programas de cómputo que calculan las fuerzas que introducen estos. “Los ingenieros no tienen más que correr los programas y éstos les dicen el grosor y la resistencia que debe tener el material para construir una estructura. Aún así, la naturaleza siempre encuentra su camino y a pesar de que el diseño sea muy preciso, pueden existir fuerzas y defectos no considerados que hacen que la estructura no tenga la resistencia esperada y falle”.
Aunque la estructura no se desplome tras un sismo, el experto sostiene que siempre se debe hacer una revisión posterior. Recuerda que tras los sismos de 2017 se reportaron daños a columnas del viaducto elevado de la Línea 12. “Como es del dominio público, hubo varios contratos con compañías privadas para hacer la inspección y remediación de los daños. Sin embargo, esto no garantiza que se logre el objetivo”.
“Como el criterio final para asignar un contrato es el precio, muchos empresarios con éticas cuestionables reducen artificialmente sus costos para ganar los contratos. Algunos asumen el riesgo y tratan de economizar, pero sucede que no tienen los equipos de inspección porque son muy caros, no tienen personal capacitado o no les alcanza el dinero para hacer la cobertura del total de los trabajos que les piden; otros simplemente no realizan los trabajos y reportan que todo está en orden”, señala.
Por este motivo, afirma que en México y en todo el mundo es común que las inspecciones no tengan el alcance, la técnica y la cobertura suficientes. “En este contexto, no me extrañaría que los daños de 2017 no hayan sido inspeccionados como se debe”.
El investigador dice que las soldaduras, como la que estaba en la trabe del lugar de la tragedia, tuvieron que haber sido radiografiadas o inspeccionadas con una técnica que se conoce como ultrasonido de arreglo de fases, pero “no hay evidencia que se haya hecho ninguna de las dos técnicas”.
Jorge Luis González manifiesta que en países más desarrollados se hacen, “por default”, estudios sofisticados para evaluar estructuras de similar importancia. “Por ejemplo, en los grandes puentes metálicos de Estados Unidos se colocan acelerómetros y durante un periodo adecuado se monitorean las vibraciones del puente y se verifica que no tengan valores inusuales. O colocan deformímetros para checar si el puente no se está deformando excesivamente o ponen sensores de emisión acústica para detectar crecimiento de grietas, etcétera”.
“A mí me llama mucho la atención que en estas estructuras lo más que se llegó a hacer fueron levantamientos visuales y topográficos. O sea, lo más barato y lo más rápido: se verifica que la estructura no esté pandeada ni inclinada y fin de la historia. Cuando lo que se debe hacer son estudios más profundos con aparatos más sensibles. Claro que esto no está en las normas, la realización de éstos depende de un juicio de ingeniería que, si no se cuenta con personal altamente capacitado, rara vez se llevan a cabo”, comenta.
Peritajes necesarios
Con motivo de la investigación derivada de los hechos ocurridos en la Línea 12, la Fiscalía General de Justicia de la Ciudad de México aseguró que “se llevarán a cabo todos los peritajes necesarios de forma profesional, exhaustiva, multidisciplinaria e interinstitucional, en diferentes materias”.
En un comunicado publicado el 4 de mayo, esta institución detalló que para el ámbito estructural “se solicitará la intervención de ingenieros topógrafos, civiles y estructurales, especializados en aceros; geólogos especialistas en subsidencias (hundimientos) para desarrollar los estudios de geotecnia, mecánica de suelos, cálculo estructural, resistencia de materiales y todos aquellos que resulten indispensables para identificar el origen del hecho”.
El académico de IPN, e integrante del Sistema Nacional de Investigadores, no cree oportuno gastar recursos en realizar una gran cantidad de peritajes sino “comenzar con aquellos que son realmente útiles” para identificar las causas de la falla. Así mismo lamenta que, en tragedias como esta, algunas “compañías amigas” aprovechan para beneficiarse de contratos que, por emergencia, se asignan de forma directa.
“¿Qué queremos saber? La causa de la falla. Si se debió a un mal diseño, a un mal mantenimiento o a daños producidos por los sismos de 2017 que no fueron atendidos. De tal modo que lo primero que hay que determinar es si el material estaba bien, es decir, si cumple con las especificaciones de diseño y está libre de defectos. Para esto hay que tomar muestras de las trabes cerca y lejos de la zona de falla, ensayarlas en laboratorio y compararlas con muestras de trabes sanas. Paralelamente, hay que hacer un estudio fractográfico para determinar el mecanismo de fractura, la dinámica de formación y propagación de las grietas y la presencia de factores contribuyentes, como el ambiente, la metalurgia del acero, etcétera ”.
Para Jorge Luis González, un metalurgista debe determinar “la microestructura y limpieza del acero y las soldaduras” para así verificar si el material de las vigas y sus soldaduras cumplía con la especificación de diseño o si fue alterado de alguna manera. “Los metalurgistas estamos entrenados para poder distinguir si hubo daño por calor, enfriamientos rápidos o si hubo trabajo mecánico que deja una marca en la microestructura”.
El estudio de la fractura “es la parte fundamental de la investigación”, de acuerdo con el experto que es autor de tres libros sobre el tema. Manifiesta que le resulta “abrumadora” la cantidad de malas interpretaciones, errores metodológicos o identificaciones incorrectas de fractura que existen en los reportes de investigaciones de accidentes, “incluso los realizados por países avanzados como Noruega”. El doctor en ciencias ha realizado estudios de fractura en Estados Unidos, Japón, Países Bajos, Alemania, Australia, entre otros países.
Con todo, asegura que si se sigue un método correcto, la fractura puede contar toda la historia de una falla. “Un estudio fractográfico correcto te va a decir si había defectos preexistentes, la velocidad a la que se formaron y propagaron las fisuras, si el material tenía propiedades metálicas adecuadas o no, e incluso te puede dar las condiciones climatológicas antes, durante y después de la falla”.
Al día siguiente de la tragedia, el martes 4 de mayo, la jefa de gobierno Claudia Sheinbaum informó que la empresa con sede en Noruega, DNV GL, sería la encargada de realizar el peritaje independiente. Jorge Luis González, que en el pasado también ha asesorado a esta empresa, considera que no debería tomarles mucho tiempo entregar los informes de sus análisis.
“No sé qué plazo le hayan dado a DNV GL, pero yo te digo una cosa: a mí me dan ese estudio y yo en una semana entrego resultados incontrovertibles, incluyendo pruebas de laboratorio, examen fractográfico, examen del sitio de la falla y pruebas de materiales. Entonces que no me vayan a decir que se van a tardar un año en conocer las causas de la falla”.
Comenta que él y su equipo han analizado este tipo de fallas y “son de las fáciles” porque los elementos son sencillos. “Es una viga de acero. No es un avión, un reactor nuclear o un motor de barco. Es una viga, no tiene nada de complejo: son unas placas unidas por soldadura que soportaron un peso bastante conocido y, además, se tiene el video del momento de la falla, lo cual ya nos da la mitad de las respuestas”, señala.
Nuevo programa de inspección
El ingeniero afirma que una vez determinada la causa de la falla se debe determinar si el problema se puede repetir en otros componentes similares, otras trabes de acero en este caso. Con este propósito es necesario diseñar “un nuevo programa de inspección y definir su alcance, cobertura y metodología para detectar condiciones similares a las que se identificaron como las causantes de la falla y así prevenir futuros accidentes”.
Desde su punto de vista, considera que será necesario hacer una revisión de cada una de las soldaduras que estén en trabes, para lo cual debe usarse “técnicas de ensayos no destructivos superficiales y volumétricos”, que se deben ejecutar por técnicos calificados según las norma mexicana NMX-B-482-CANACERO-2015.
Jorge González considera oportuno advertir que en estos temas de ingeniería “se da mucho el matar moscas a cañonazos”. Por ejemplo, comenta que hay quienes dicen que la Línea 12 “tenía que haberse tirado y volverse a hacer, lo cual es excesivo, pues existen métodos de reforzamiento rápidos, económicos y muy efectivos, pero su selección e implementación debe ser realiza por técnicos de alto nivel”.
Y agrega que “regresamos al tema de la corrupción: en este tipo de accidentes tenemos la excusa perfecta para un contrato de miles de millones de pesos para reforzar las estructuras y dejarlas a prueba de bombas atómicas. Y yo no digo que eso no vaya a funcionar, lo que pregunto es si es la mejor opción en relación costo-beneficio”.
“En el supuesto de que la causa de la falla fue un agrietamiento de las soldaduras a la mitad de las trabes, el cual fue inducido y/o acelerado tras los sismos del 2017 y pasó sin ser detectado en las diferentes inspecciones que le hicieron a la Línea 12, ¿qué podemos hacer? Podemos quitar esa soldadura mal hecha y ponerle una de mejor calidad. Ponerle, además, unas placas de refuerzo”, opina el ingeniero.
Ésta sería una medida “rápida, barata e igual de eficiente”, señala. Y, dado que la soldadura depende en gran parte de la habilidad del soldador, para asegurar el reforzamiento comenta que se podría considerar instalar una tercera viga. “La ingeniería se llama así porque utiliza el ingenio para resolver problemas. La diferencia entre la ingeniería antigua y la moderna es que esta última se apoya en la ciencia. En este caso, la ciencia del análisis estructural, la fractografía y la metalurgia. Entonces, si nosotros conocemos científicamente la causa de la falla, atacamos solo el origen y no damos soluciones de fuerza bruta, con lo que se puede ahorrar el dinero de los contribuyentes”.
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