Demolición de Edificios Por Implosión

Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural, A.C.

DEMOLICIÓN DE EDIFICIOS POR IMPLOSIÓN Casanova del Angel, Francisco1, Rosas Sánchez, María Elena 2 RESUMEN El libro que hoy presentamos está dirigido a estudiantes de la carrera de ingeniería civil y a profesionistas interesados en el tema. No ha sido escrito para utilizarse como un manual de recetas para demolición de edificios, puesto que ésta requiere de la participación de especialistas en áreas como: análisis estructural, impacto ambiental, costos, urbanismo, eléctrica y química. Se tratan nociones del origen y definición de los sismos. Se hace referencia a las zonas y tipos de edificios que se construían en la ciudad de México antes de 1985 y se estudian los métodos básicos para la demolición de edificios. Se analiza la historia de los explosivos, los cálculos y las determinaciones, transporte y manejo de cargas explosivas la normatividad actual para el uso y almacenamiento de explosivos en México. Se tratan los aspectos legales para el uso de explosivos, el presupuesto así como los contratos co ntratos y responsabilidades que tienen el cliente y el contratista. Se presenta un simulador de red neuronal artificial artificial para el cálculo de cargas explosivas y la teoría sobre modelos atmosféricos de simulación de contaminación y riesgo industrial.

ABSTRACT This book was made for civil engineering students and experts interested in this topic. The text must not be considered as a recipe book for building demolition. demolition. On the contrary, contrary, that kind of projects requires requires the collaboration of a wide number of specialists in different areas such as structural analysis, environmental impact, costs, urbanism, urbanism, and electrical and chemical chemical engineering. In this book the authors introduces introduces the definition of earthquakes and its causes. The author also talks about the zones and types of buildings that existed in Mexico City before 1985 as well as the basic methods for building demolition. The text covers the history of explosives, calculations and determination, transport and handle of explosives charges, and the regulations for use and stock of explosives in Mexico at present. Other topics discussed in the book are the legal aspects for using explosives, budgets, agreements and responsibilities between client and contractor. Finally, an artificial neural network simulator is introduced for calculations of explosives charges and the theory of atmospheric models for simulation of pollution and industrial risk.

SISMOS Y ESTRUCTURAS Con el fin de entender plenamente el proceso necesario para la demolición de una estructura dañada por sismo, incendio, vetustez y/o asentamientos, dedicaremos este capítulo a la relación sismo-estructura, ya que un sismo es el factor que más daño ocasiona a una estructura. El conocimiento del origen y definición de los sismos, nos permite saber sobre sus características generales; tales como su magnitud e intensidad. Se especifican los parámetros principales de los sismos de 1985 ocurridos en la ciudad de México, los tipos de estructuras y las fallas ocasionadas en éstas por los sismos. Se tratan brevemente los métodos de demolición: el tradicional a mano, el semimecanizado y el de mayor impacto, el de explosivos.



1: SEPI de la ESIA. Edif. 12, 3er piso p iso Unidad ALM del IPN. 007738 México, D F. Tel: 5729 6000 ext. 53084 2: ESIA. Edif. 11, 2º piso Unidad ALM del IPN. Estructuras T. V. 007738 México, D F.

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XIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural

Puebla, Pue., México 2002

EXPLOSIVOS La historia de los explosivos nos da sus antecedentes, su definición y el conocimiento de la composición química de cada uno de ellos. Se hablará de los más conocidos y utilizados como son: dinamita, ANFO, SMD e hidrogeles. También, como parte esencial de un explosivo, se presenta su composición química y se estudian los dispositivos de iniciación eléctricos y no eléctricos, así como los accesorios para voladuras. La actual industria de los explosivos industriales, tiene sus raíces en el descubrimiento y desarrollo de la pólvora negra. Se sabe que las primeras personas en utilizar la pólvora negra con fines pirotécnicos fueron los chinos, pero no fue sino hasta 1242 cuando se publicó su primera fórmula, y quien lo hizo fue el fraile Roger Bacon. Desde el punto de vista histórico, existe una mención bibliográfica de un producto llamado "nieve china" en el cual se utiliza el salitre. Su uso en voladuras, surge hasta 1627 por medio de Kasper Weindi, quien hace una voladura de roca en las minas reales de Schemnitz en Ober-Biberstollen, Hungría. Este acontecimiento se difunde rápidamente entre los mineros de todo el mundo, y en 1689 se utiliza en la exploración minera del estado de Comwall, Inglaterra, pasando rápidamente a la construcción de caminos donde en 1696 se utiliza pólvora negra para el rompimiento de rocas en las afueras de Albula, Suiza. En la actualidad, su uso está restringido a la mecha de seguridad y a canteras de materiales suaves, como el mármol. Dispositivos de iniciación

Los dispositivos de iniciación son una combinación de dispositivos y accesorios específicos que permiten transmitir una señal para iniciar una carga explosiva en forma segura y eficiente. La señal puede ser eléctrica o no eléctrica, tal y como se muestra en la figura 1.

INICIADORES ELÉCTRICOS

INSTANTÁNEOS

NO ELÉCTRICOS

DE RETARDO

MILISEGUNDO

MECHA Y FULMINANTE

DE MEDIO SEGUNDO O MÁS

CORDÓN DETONANTE

MILISEGUNDO

DE RETARDO

DE MEDIO SEGUNDO O MÁS

Figura 1. Tipos de iniciadores.

CÁLCULO Y DETERMINACIÓN DE LA CARGA EXPLOSIVA Para poder realizar el cálculo y la determinación de una carga explosiva, se necesita hacer primero la inspección de la estructura a demoler; tanto en el interior como en el exterior de la obra civil. Con esta información se determinan la cantidad necesaria de explosivo que cause el efecto deseado en el medio y por lo tanto el colapso de la estructura. Para realizar el cálculo específico de la carga explosiva se requiere del conocimiento de las condiciones arquitectónica y estructural del edificio.

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Fórmulas empíricas Las fórmulas empíricas dan un valor aproximado de la carga explosiva necesaria para efectuar la demolición de un elemento estructural en específico. Han sido desarrolladas a través de los años con la experiencia de técnicos altamente capacitados en el medio. Es conveniente señalar que, independientemente de los resultados de las fórmulas y en especial de las empíricas, resulta esencial realizar una voladura experimental también llamada prueba de fragmentación en algún elemento representativo de la estructura, para garantizar el éxito de esta. En la figura 2 se encuentra el esquema de la colocación de los barrenos en muros, cuya forma se le denomina tres bolillos.

Demolición de trabes de concreto Con la fórmula mostrada a continuación se obtiene el peso en kilogramos de explosivo TNT, y por lo tanto el equivalente de explosivo a emplear. Para conocer los valores de la eficiencia relativa, η, se hace uso de la tabla III.2, ver (Manual, 1973). bh2

1

Carga = Û *  *  21,000 η

30cm donde Carga es la carga en kg de TNT Û es unidad de masa por volumen (kg/cm 3) b y h son las dimensiones de la trabe en cm η es la eficiencia relativa del explosivo;

peso confinador

carga h b Figura 2. Esquema de una trabe de concreto.

TRANSPORTE y MANEJO DE CARGAS En este capítulo se explicitan los mecanismos fundamentales para un manejo seguro y correcto del material explosivo. La seguridad del transporte del material explosivo beneficia la incompatibilidad existente entre el explosivo y el detonante. El control de los explosivos debe llevarse hasta el nivel de supervisión por la Secretaría de la Defensa Nacional. Lo anterior permite que la colocación de las cargas explosivas en las estructuras de concreto y acero sea la idónea.

Transporte del proveedor al lugar de la demolición El proveedor enviará los explosivos al lugar de la demolición en un vehículo, previamente autorizado tanto por la Secretaría de la Defensa Nacional como por la Secretaría de Comunicaciones y Transportes, el cual deberá tener la documentación respectiva, para el manejo y transporte de explosivos, como: •

• • • •

remisión de embarque, con la siguiente información; nombre del proveedor, del comprador y destino nombre y cantidades del producto permisos expedidos, por la Secretaría de la Defensa Nacional, al comprador, al transportista y los permisos de adquisición de la zona militar correspondiente, permiso de transporte de explosivos de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes, talón de embarque del transportista.

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Para el transporte interno en la obra, se deberá apegar a los lineamientos anteriormente descritos, ya que es frecuente observar que el personal encargado de ésta actividad los omite o no cuentan con los recursos materiales necesarios para realizar un trabajo seguro. Los vehículos deberán tener pisos y paredes que aíslen y que no sean capaces de producir chispas en las partes de contacto con los explosivos, con el fin de evitar la detonación de los explosivos y convertir la unidad en un peligro en potencia. En el caso de transportar materiales incompatibles como son los explosivos y los detonadores en una misma unidad, deberán contar con una autorización de la Secretaría de la Defensa Nacional. Los detonadores serán envasados en una caja de madera con tapa e irá separada de los explosivos. Para mayor seguridad en la transportación del material explosivo, el proveedor tendrá la precaución de inspeccionar la unidad, procurando los siguientes puntos: • • • • • • • • • • •

extinguidores carrocería frenos dirección luces claxon limpia parabrisas llantas, incluyendo refacción tanque de combustible dispositivos de acoplamiento abanderamiento y letreros

Para el transporte interno de la obra, se deberá apegar a los lineamientos anteriormente descritos, ya que es frecuente observar que el personal encargado de ésta actividad los omite o no cuentan con los recursos materiales necesarios para realizar un trabajo seguro. En la figura 3 se esquematiza una unidad de transporte, marcándose los aspectos fundamentales que deberán cumplirse para que el traslado de los explosivos sea realizado en condiciones óptimas de seguridad.

Figura 3. Aspectos importantes del vehículo transportador de explosivos.

DEMOLICIÓN CON EXPLOSIVOS La demolición de un edificio, utilizando explosivos, conlleva un conjunto de pasos que van desde el peritaje estructural; que permite calcular la cantidad de cargas y el lugar de su colocación, el retiro de escombro y la limpieza del lugar, así como la aplicación obligatoria del Reglamento de Construcciones por ser éste el que

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regula y contempla leyes y disposiciones tales como la Ley de Vivienda, la Ley de Monumentos Históricos y Artísticos, y la Ley General de Equilibrio Ecológico y Protección al Ambiente, entre otras.

Principios básicos para una demolición con explosivos Como ya se mencionó, la determinación del uso del método de demolición de edificios con explosivos está dada en función de diferentes aspectos, tales como las características estructurales de la edificación y su localización urbana, ya que se deben de tomar en cuenta las instalaciones y servicios adyacentes que pueden resultar dañados por el uso de los explosivos, de tal modo que se debe tener presente que se puede causar daños en servicios de: agua potable, alcantarillado, teléfonos y gas, entre otros. Las ventajas que ofrece este método de demolición, en comparación con los métodos convencionales, se pueden resumir en los siguientes puntos: • •

•

• • •

mayor seguridad para los trabajadores, al no tener que trabajar a alturas considerables, pues los explosivos son colocados a bajos niveles, las molestias ocasionadas en este método se limitan a la detonación, que ca usa un gran estruendo, y cuya duración es muy corta. También las obras posteriores de acarreo, son menores respecto a las de los otros métodos, disminuye en gran parte la contaminación producida por el constante desprendimiento de polvo que provocan los otros métodos, limitándose éste a un corto tiempo después de la detonación donde se riega con agua a presión para el asentamiento del polvo, la voladura puede ser controlada y dirigida hacia un lugar predeterminado, de tal manera que se puedan fragmentar los elementos sin producir graves daños a las estructuras vecinas, el material demolido tendrá la ventaja de ser transportado con mayor facilidad debido a la fragmentación y a la localización del mismo, y en general este método, cuando es bien aplicado, es mucho más económico que los métodos convencionales, debido al corto tiempo de su ejecución.

Responsabilidades del contratista Análisis estructural El contratista debe hacer un análisis estructural del edificio o estructura, relativo al trabajo de demolición. El análisis deberá incluir el estado de los materiales que constituyen la estructura, además para asegurar un trabajo seguro, se deberá analizar el efecto de las cargas temporales aplicadas a la estructura durante los trabajos de demolición. Esto puede incluir, por ejemplo: 

      

empujes desiguales en techo o marcos, cargas y fuerzas cortantes en muros interiores, elementos en cantiliver, tales como balcones, y sus apoyos, losas de entrepiso continuas, fuerzas a tensión en elementos de concreto presforzado, fuerzas verticales y horizontales al nivel del piso y en los sótanos, y presiones de tierra desiguales en muros de contención.

Método de trabajo El contratista, debe entregar al cliente y a las autoridades competentes una propuesta de su método de trabajo, la que incluirá las medidas de seguridad para la demolición de la estructura así como una lista del equipo que utilizará.  Regulaciones de Seguridad e Higiene El contratista debe familiarizarse con cualquier regulación concerniente a los aspectos de seguridad y salud involucrados en la demolición y la aplicará.  Capacidad del Contratista El contratista debe convencer al cliente de que es capaz de realizar la demolición al tiempo que cumple con todas las regulaciones de seguridad e higiene, y de colocar a un maestro de obra competente que supervise y controle el sitio de la obra.  Drenaje y Servicios 

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El contratista debe asegurarse de que todos los servicios y tuberías estén debidamente protegidos. Si en el curso de una demolición, el contratista daña cualquier conducto existente de drenaje o servicios, el hecho debe reportarse de inmediato al cliente, y de ser necesario, hacer que sea reparado por una persona competente, además, si se encuentra un conducto de servicios o drenaje que no haya sido localizado con anterioridad debe de notificárselo al cliente.  Licencias El contratista debe obtener todas las licencias necesarias para el uso del equipo que el haya propuesto. Esto se aplica especialmente, si van a ser utilizados explosivos. Las licencias pueden ser requeridas para la colocación de luces, rampas, cercas, ventiladores, etc. de manera temporal.  Seguro El contratista debe estar completamente asegurado contra cualquier herida o accidente de cualquiera de sus trabajadores o terceros, y contra de cualquier perdida o daño a cualquier propiedad aledaña al lugar de la demolición, debido al trabajo de demolición y particularmente por la técnica de demolición que se vaya a llevar a cabo. También debe de estar asegurado contra responsabilidad contractual.  Disposición de materiales de desecho El contratista debe transportar el material de desecho acordado al lugar designado por el cliente. La madera podrida o dañada debe quemarse en el sitio cuando sea posible y bajo condiciones controladas. Nada de polvo o desechos debe de poder entrar en contacto con la red de agua potable o cursos de agua. La disposición de desechos peligrosos, tales como químicos y asbestos, debe de ser acordada con el cliente y las autoridades locales de salud.

Anteproyecto de demolición de un edificio Para realizar la demolición de un edificio se requiere del anteproyecto elaborado por el especialista en análisis estructural, el que da la información necesaria y suficiente para efectuarla. Veamos a continuación un ejemplo real de demolición de un edificio situado en la ciudad de México, donde se plasma en planos y croquis los conocimientos descritos en los capítulos anteriores, los cuales son fundamentales para una óptima operación de demolición con explosivos. Se presenta secuencialmente la información recabada del análisis para la demolición del edificio, y a través de ella se obtienen planos y requerimientos de material para su demolición. Con esta presentación gráfica se pretende mostrar el complejo trabajo desarrollado en campo y gabinete para lograr el objetivo de demoler un edificio.

Figura 4. Diagrama de conexiones de estopines por serie en la planta sótano.

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SIMULACIÓN NEURONAL PARA LA DEMOLICIÓN CON EXPLOSIVOS La simulación neuronal artificial aplicada a la demolición de edificios es una tecnología novedosa cuya aplicación va desde la ingeniería hasta las denominadas ciencias sociales, pasando por la genética, la medicina, la biología y la robótica. En este capítulo hemos incorporado este desarrollo al proceso analítico de la demolición con explosivos, iniciando con los antecedentes de la nueva tecnología, sus principales definiciones, su descripción teórica, el desarrollo del algoritmo aplicado, la estructura de la información; vital en su funcionamiento, y la aplicación del software a un caso de demolición de un edificio de acero. El proceso lo ejemplificamos a través de las pantallas o ventanas propias del programa implementado.

Algoritmo de retropropagación La retropropagación se basa en un algoritmo llamado "Regla Delta Generalizada" , responsable de entrenar la red. El algoritmo de retropropagación es una variación ó generalización de la Regla Delta. En la literatura de las RNA es común encontrar que cuando se habla de la retropropagación, se está infiriendo la Regla Delta Generalizada ó viceversa. El algoritmo utiliza un método de gradiente descendente para determinar un único grupo de pesos para la red, que producen salidas que son muy cercanas a las deseadas, asociadas con un número de patrones de entrenamiento y se basa en la minimización del error. La primera derivada del error total con respecto al peso determina la cantidad con la cual dicho peso es ajustado. Así, mientras más contribuya un peso al error total más cambiará el peso. La dirección del cambio es la que decrementa el error total. A continuación el resumen de las ecuaciones del algoritmo de la BPN, en el orden en que son utilizadas durante el entrenamiento. 1. 2.

Se presenta el vector de entrada x p = (x p1 , x p2 , … , x pN )t a los EP de entrada. Se calculan los valores netos procedentes de las entradas para los EP de la capa oculta:

n

netah pj = ∑ w h ji x pi 3.

I=1

Se calculan las salidas de la capa oculta:

i pj = f h j (neta h pj ) 4.

Se sigue a la capa de salida donde se calculan los valores netos de las entradas para cada EP:

L w o kj i pj j=1

netao pk = 5.

Se calculan las salidas:

o pk = f ok (neta o pk ) 6.

Se calculan los términos de error para los EP de salida:

7.

δ o pk = (y pk - o pk ) f ok ' (netao pk ) Se calculan los términos de error para los EP's ocultos: δ h pj = f h j' (netah pj ) x pi

δ o pk w okj

Nótese que los términos de error de los EP ocultos se calculan antes de que hayan sido actualizados los pesos de conexión con las unidades de la capa de salida. 8.

Se actualizan los pesos de la capa de salida:

wokj ( t +1 ) = wokj ( t ) + ηδ o pk i p j 9.

Se actualizan los pesos de la capa oculta:

wh ji ( t + 1 ) = wh ji (t) + ηδ h pj xi

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El orden de actualización de pesos de una capa no es importante. Se debe asegurar de calcular el término de error de la red.

1 E p = 2

δ pk 2 K=1 puesto que esta magnitud nos indica lo bien que está aprendiendo la red. Cuando el error es aceptablemente pequeño para todos los casos de entrenamiento, éste se puede dar por concluido.

CONCLUSIONES El libro está dirigido en general a estudiantes de los últimos semestres de la carrera de ingeniería civil y a profesionistas interesados en el tema y no ha sido escrito para que sea utilizado como un manual de recetas para demolición de edificios, ya que para un proceso de demolición de obra civil, se requiere de la participación de un conjunto de especialistas. Téngase presente que la técnica y uso de explosivos en demolición de edificios es diferente a la utilizada en rocas para la construcción de túneles o presas de almacenamiento. En el tratamiento que se le da a los ejemplos no se indica el análisis estructural ya que éste no es el objetivo del libro, por lo que no se presentan los estudios de redistribución de esfuerzos, ni desplazamientos inducidos bajo la acción de la secuencia de los tirantes programados, ni los análisis de pesos confinados por etapas y el cálculo de la fragmentación de materiales, pero aún así recuerde que hemos incluido un apéndice sobre las consideraciones estructurales que tienen que hacerse para la demolición.

AGRADECIMIENTOS Queremos agradecerle al Instituto Politécnico Nacional todo el apo yo brindado en el desarrollo de algunas de las fases del libro, realizadas durante los proyectos de investigación desarrollados en sus instalaciones y denominados “Red neuronal para el cálculo y control de cargas explosivas” con número de registro 970183 y “Estudio comparativo entre los diferentes métodos de demolición de un edificio” con número de registro 970663, así como la impresión de la primera versión. A Rafael Arzate Torres y a Enrique Villa Rivera por el interés mostrado en este trabajo. A Luis Humberto Fabila Castillo por su gestión para la primera impresión del libro. A Roberto Ocampo Franco y a Ernesto Negrete García por la información proporcionada sobre la cronología de la demolición de edificios con explosivos efectuadas en la ciudad de México después de 1985. A José Luis Flores Ruiz, Arlette Rodríguez Huerta, Raúl Magaña García y Marco Antonio Méndez González por su colaboración y aportaciones.

BIBLIOGRAFÍA Casanova del Ángel, F., Rosas Sánchez, M. A., Martínez Salazar, L. Á. (2002). “ Demolición de edificios por implosión”. Edición CGEPI-IPN. México. 212 pp.

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