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D E L
C I U D A D
DE LA L A S E S T R U C T U R A S
METRO DE LA
L I N E A "A"
DE MEXICO
¿4̂f-31,5
Presentado por: José Luis Sánchez Martínez.
LAS ESTRUCTURAS DE LA LINEA "A" DEL METRO DE LA CIUDAD DE MEXICO.
I. INTRODUCCION.
Hasta la segunda mitad de 1991 la Calzada Ignacio Zaragoza era una de las vías más conflictivas de la Ciudad de México, con un tránsito caótico y extra-ordinariamente pesado, compuesto princi-palmente por los vehiculos que transpor-tan a los miles de personas que todos los días hábiles de la semana llegan a su zona urbana, provenientes del oriente de la ciudad.
Vienen de lugares tan distantes como Cuautla, Morelos; proceden de Iztapalapa e Iztacalco en el D.F. y de Chalco, Chimaihuacán, Iztapaluca, Texco-co, Chicoloapan, La Paz y Nezahualcóyotl, en el estado de México; moviéndose en camiones suburbanos, en combis, en minibuses, en autobuses Ruta-lOO o en automóviles particulares, medios todos altamente contaminantes.
Esta situación ha cambiado drástica-mente con la puesta en marcha de la Línea "A' del Metro de la Ciudad de México.
La línea fue pensada primero como un metro ligero, de carácter más bien suburbano, que correría por la Calzada, desde el entronque de las carreteras provenientes de Puebla hasta la terminal Zaragoza de la Línea 1 del Metro al poniente de la Calzada. Se pretendía, en una época de crisis económica, resol-ver un grave problema de transporte, evidente desde tiempo atrás, con una solución austera, sumamente económica.
A medida que los estudios para realizarla avanzaron se hizo cada vez más evidente la gran importancia que la línea presentaba y la conveniencia de ampliar el esquema inicial conservando
sin embargo, en lo posible, las caracte rísticas de austeridad inicialmente previstas.
La primera decisión importante que modificó el esquema inicial fue llevar la terminal de la línea a Pantitlán a fin de lograr un transbordo expedito con las líneas 1, 9 y 5 que ahí confluyen; habría, al respecto, que recurrir a la construcción de un tramo subterráneo, pasar bajo la Línea 5 y llegar a una terminal subterránea en Pantitián, todas ellas obras importantes pero indispensa-bles para lograr lo deseado.
Posteriormente, y ya iniciada la obra, se tomó la decisión histórica de dar por primera vez al Metro de la Ciudad de México carácter metropolitano, extendiendo su servicio fuera de los límites del Distrito Federal; así, la terminal prevista en Santa Marta, en los límites de la capital, se cambió al municipio de La Paz, dentro del estado de México, haciendo previamente pasar la línea por la estación Los Reyes en el poblado del mismo nombre, situado tam-bién en el estado de México.
Con la prolongación de la Línea "A" el metro se acerca a amplios grupos humanos de escasos recursos y se contri-buye a descongestionar el tránsito en el acceso oriente a la ciudad, abriendo la posibilidad de conducir a la terminal La Paz buena parte del transporte público suburbano que, de otro modo, llegaría a Santa Marta, en el eritronque de las carreteras de Puebla y Texcoco.
La Línea "A" del Metro funcionará de modo que los trenes circulen con un intervalo de 105 segundos, con una veloci-dad de diseño de 100 km/hora y una velocidad comercial de 40 km/hora; a esto se llegará en forma paulatina, a medida que se cuente con el número de trenes necesarios. Al principio se planea comenzar con 25 trenes de seis
vagones cada uno y, poco a poco, se alcanzará después la máxima capacidad del sistema con 40 trenes de nueve vagones, capaces de transportar 60 mii pasajeros/hora/sentido.
Esta capacidad será suficiente para cubrir, si los índices de crecimiento estimados se cumplen, la demanda espera-da en el horizonte de diseño que corres-ponde al año 2010.
Construir sobre lo que antes fue un lago, en un terreno que apenas puede llamarse así, pues es más agua que tierra, es un gran reto.
Desafío que es aún mayor si se considera que el agua que se extrae constantemente de ese suelo, para satis-facer necesidades básicas de suministro que no pueden aún ser reemplazadas por ninguna otra fuente, provoca un hundi-miento regional también constante que ha alcanzado, en los últimos tiempos, más de 30 cm por año.
El hecho de que la zona se vea, asímismo, sometida a frecuentes movimien-tos sísmicos completa el complejo panora-ma, quizá único, que ha de tenerse en cuenta para el diseño de las estructuras que ahí se construyan.
El objetivo de este trabajo será analizar, desde un punto de vista amplio y bajo la perspectiva circunstancial antes descrita, el diseño y el comporta-miento de las estructuras a las que nos hemos referido.
Se dará una idea general de la obra en su conjunto, de la necesidad de su construcción, de los beneficios que reporta y de sus características más significativas.
Se describirá el entorno físico de la zona y lo más interesante de ella para el fin que se persigue: sus carac-
terísticas geológicas, geotécnicas y sísmicas.
Se definirán las construcciones típicas a lo largo de la Calzada: super-ficiales, subterráneas y elevadas, y se revisarán y analizarán para presentar, por último, las conclusiones obtenidas.
II. ANTECEDENTES.
Durante mucho tiempo la Calzada Ignacio Zaragoza ha sido una de las vialidades más importantes de la Ciudad de México.
En su primera etapa su función primordial era servir de salida y de vía de acceso a Puebla, servicio que propor-cionaba de manera eficiente.
Posteriormente, el acelerado desa-rrollo de la urbanización de Ciudad Neza-hualcóyotl comenzó a generar un volumen vehicular cada vez más importante hacia la Calzada, que adquirió así, la nueva función de vialidad colectora; se crearon numerosos accesos a ella, de modo que antes de la construcción de la Línea "A" del Metro, la Calzada Ignacio Zaragoza en su tramo de Río Churubusco a Santa Marta contaba con diez intersecciones provistas de semáforos en las calles Javier Rojo Gómez, Oriente 253, Canal de San Juan, General Antonio de León, General Francisco Leyva, Juan Crisóstomo Bonilla, Balvanera, República Federal, Amador Salazar y Rafael Reyes.
Por otro lado, en los últimos años, crecieron de manera importante poblacio-nes intermedias entre las ciudades de México y Puebla, tales como Los Reyes, Texcoco, Chalco, Chimalhuacan, etc., las que puede considerarse pertenecen ya a la ii'3inaca zona coriurJ& Ge la Ciudad de México, y que originan un número considerable de viajes con el consiguien-te incremento del tránsito.
Poco antes del ponerse en marcha la Línea "A" del Metro, la Calzada, en su tramo más conflictivo, entre Río Churu-busco y Juan Crisóstomo Bonilla operaba de poniente a oriente con un tránsito promedio diario de 23,000 vehículos en la lateral y 60,000 en el arroyo cen-tral; en el sentido oriente - poniente se tenían 22,500 vehículos en la lateral y 70,000 en la central, volúmenes que, dadas las condiciones de la Calzada, constituían un problema vial casi cons-tante.
Las dificultades principales se presentaban en las intersecciones con las calles transversales de Javier Rojo Gómez y J. Crisóstomo Bonilla, cuya capacidad se rebasaba en las horas de mayor circulación.
Las múltiples modificaciones que fueron realizándose a la Calzada para tratar de adecuarla a las circunstancias de cada momento hicieron que su estruc-tura vial no fuera constante ni balan-ceada.
Las vueltas a la izquierda de Zaragoza hacia las vialidades transversa-les eran, en general, problemáticas pues careciéndose de un carril para ese fin se generaban colas de almacenamiento que disminuían la capacidad de las intersec-ciones.
El diseño de los enlaces de inter-cambio entre arroyos centrales y late-rales, realizados en distintas épocas, era pobre, su ubicación era irregular y no correspondía a los puntos en que los volúmenes generados lo requerían. Ello provocaba que algunos de esos intercam-bios se dieran en intersecciones semafo-rizadas, complicándose aún más su opera-ción.
El conjunto de todos estos hechos constituía un grave problema vial que requería de urgente solución.
La zona oriente de la Ciudad de México y los municipios del estado de México colindantes, concentran gran parte de la población de la saturada área metropolitana, lo que determina altos requerimientos de movilización entre esas zonas y el centro de la ciudad. La vialidad más utilizada por los medios de transporte que proporcio-nan esa comunicación es la Calzada Ignacio Zaragoza.
Antes de la puesta en marcha de la Línea "A' del Metro, la estructura del transporte en la Calzada era pesada e ineficiente, pues el volumen de transpor -te público rebasaba, durante largos lapsos, los 2,000 vehículos por hora que, al realizar frecuentes movimientos de ascenso y descenso de pasajeros, causaban problemas graves de circu-1 ación.
Los índices de ocupación del trans-porte público eran altos, alrededor de 90 personas en los autobuses y 12 en los colectivos.
El mayor número de pasajeros viaja-ba de oriente a poniente en el horario matutino y de poniente a oriente en el vespertino y alcanzaban cifras de más de 40,000 pasajeros en las horas de máxima ocupación.
Al perder la Calzada Zaragoza la capacidad de atender adecuadamente este gran flujo vehicular, su velocidad de operación se hizo muy baja, entre 15 y 25 km/hora en los autobuses y entre 20 y 30 km/hora en los colectivos. Se produ-cían embotellamientos, se incrementaron los accidentes, aumentaron los índices de contaminación y había grandes demoras para un grupo importante de la población económicamente activa de la ciudad.
La construcción de la Línea "A" del Metro ataca de lleno esta situación y busca solucionar, en gran medida, el
problema del transporte entre el centro de la ciudad y la zona oriente, al lograr que gran parte de los pasajeros que circulaban por la Calzada Ignacio Zaragoza en diversos medios de transpor-te lo hagan ahora en metro, con las consiguientes ventajas en reducción y seguridad de tiempos de recorrido, ahorro en el costo del transporte y disminución de los índices de conta-minación.
III. LA LINEA "A" DEL METRO Y LA NUEVA CALZADA IGNACIO ZARAGOZA.
La columna vertebral del transporte en la Calzada Zaragoza será, desde ahora, la Línea 'A" del Metro, que permite un movimiento rápido y eficiente a los miles de usuarios que de la zona oriente del área metropolitana se diri-gen al centro de la ciudad.
La Línea "A" tiene una longitud de 17 km y cuenta con 8 estaciones de paso y 2 terminales: Pantitlán (estación terminal), Agrícola Oriental, San Juan, Tepalcates, Guelatao, Peñón Viejo, Acatitla, Santa Marta, Los Reyes y La Paz (estación terminal).
La estación Pantitián tiene corres-pondencia con las líneas 1, 5 y 9 del Metro lo que permite a los usuarios transportarse desde La Paz hasta cual-quiera de los destinos a los que llega el metro, sin salirse del sistema.
En Pantitlán hay, además de las cuatro líneas del metro ya mencionadas, un paradero al que llegan ramales de la Ruta-lOO, de los autobuses suburbanos y de los taxis colectivos del Distrito Federal y del estado de México consti-tuyendo un centro de transbordo de primera importancia.
Las estaciones de paso: Agrícola Oriental, San Juan, Tepalcates, Guelatao,
Peñón Viejo y Acatitla se construyeron sobre el camellón central de la Calzada Zaragoza coincidiendo con las avenidas más importantes que la cruzan, pues ahí se da el mayor movimiento de pasajeros. En la figura 1 se muestra un esquema de la actual red del metro y como la línea "A" se liga como ella.
La obra de la Línea "A" del Metro se encuentra necesariamente ligada a la Calzada Zaragoza. Era necesario adecuar-la a la nueva situación lo que requería de acciones cuya importancia dependería de las características de la solución dada para la construcción del metro.
La alternativa elegida, ésto es, que la línea del metro circula sobre la superficie a lo largo de la Calzada, y que las vialidades transversales la cruzan mediante seis puentes vehiculares dispuestos estratégicamente, no fue de ninguna manera evidente. Había varias alternativas que fueron investigadas concienzudamente: el metro podía haberse resuelto con una solución elevada que habría permitido conservar las actuales características viales de la Calzada; lo mismo hubiera ocurrido si la línea hubiera sido subterránea o parcialmente superficial y elevada sólo en los cruces importantes.
En la decisión pesó, de manera definitiva, la ventaja que representaba el que Zaragoza fuera en lo sucesivo una vía de acceso controlado que pueda ser recorrida ininterrumpidamente en toda su extensión, aliviando en forma sustancial el tránsito de la zona.
Uno de los objetivos que se persi-guen con la implantación de sistemas de transporte colectivo es facilitar la circulación en las vías coincidentes con ellos reduciendo sus volúmenes vehicula-res. La construcción de la Línea "A" va aunada a una reestructuración de las rutas de camiones, colectivos y demás
vehículos de servicio público que permi-tirá:
Evitar que los autobuses suburbanos circulen por la Calzada eliminando su ingreso al D.F.
Reducir el tránsito de autobuses de la Ruta-lOO sobre la Calzada, de modo que permanezcan sólo los ramales que den servicio de apoyo al metro o los que presten servicio local a las colonias aledañas.
Reducir el flujo de taxis y colecti- vos, permaneciendo sólo los que por su menor tiempo de recorrido sean más eficientes que el metro, como los que operan entre Guelatao y la estación Zaragoza de la Línea 1 del Metro.
Equilibrar la capacidad de transpor- te desde y hacia las estaciones en función de su capacidad y del deseo de movimiento de los usuarios, influyendo de modo de evitar su concentración en algunas zonas y su escasez en otras.
Evitar, en fin, los movimientos regresivos.
Para lograr lo anterior se propuso una completa reestructuración del trans-porte de la zona, se suprimieron ramales de autobuses y colectivos, se redujeron las longitudes de recorrido de los autobuses suburbanos de modo que sólo aporten pasajeros al metro y se descon-gestionaron algunas zonas reubicando cierres de circuito.
Una de las acciones más importantes para lograr la reestructuración del transporte público es la construcción de paraderos como áreas de transferencia entre los diferentes sistemas de trans-porte. En este caso, los paraderos ubica-dos en las estaciones de Santa Marta y La Paz responden al planteamiento básico del esquema en que se apoya la operación
de la Línea "A", que consiste en captar en la estación Santa Marta los pasajeros provenientes de la autopista México - Puebla y de la Calzada Ermita Iztapalapa, y captar en La Paz los que llegan por la carretera federal México - Puebla.
La operación de ambos paraderos presenta aspectos novedosos basados en la observación de los hasta ahora exis-tentes. Se ha podido observar un compor-tamiento muy generalizado que consiste en que el descenso de los pasajeros se produce en un punto diferente al lugar previsto, debido a que este no coincide con el sitio más cercano al acceso a los andenes, donde los usuarios desean llegar rápidamente.
Tomando en cuenta lo anterior, en Santa Marta y en La Paz se diseñaron lugares especiales para el descenso del pasaje ubicados cerca de las pasarelas de acceso al metro, y adicionalmente se diseñaron andenes de ascenso, asignándo-se lugares para cada ramal en función del número, tipo de unidades e interva-los de cada ruta. Ello se ilustra en la fig. 2.
La operación es como sigue: entrada al paradero por la vialidad de acceso, ubicación en una de las bahías de descen-so, acomodo en los lugares donde trans-curre el tiempo de permanencia en el paradero, acomodo en el punto de ascenso del pasaje y salida del paradero.
Con la construcción de la Línea "A" del Metro, la Calzada Ignacio Zaragoza se transforma en una vía de acceso controlado, sin intersecciones a nivel y su capacidad vial mejora de manera significativa.
Estas nuevas características de la vialidad hicieron conveniente la renova-ción de su pavimento y de toda su geometría para cumplir adecuadamente con las nuevas posibilidades de servicio.
La eliminación de las interseccio-nes semaforizadas, evita uno de los problemas de circulación de mayor impor-tancia de la Calzada al anular las demoras provocadas por los semáforos y las consiguientes maniobras de frenado y aceleración. Esta es la causa más importante del incremento de la capaci-dad vial de la Calzada.
Otra medida que ayuda al incremento de esa capacidad es el rediseño de los enlaces de intercambio entre arroyos centrales y laterales eliminando los que no cumplían con las distancias de entre-cruzamiento, y sustituyéndolos por menos enlaces mejor ubicados.
Geométricamente, la Calzada se ha ajustado de modo de contar en su sentido oriente - poniente con un arroyo central de 4 carriles y un arroyo lateral de 3 carriles; en el sentido poniente - oriente se tendrán 3 carriles en la vialidad lateral y 4 carriles en la central; a la altura del cerro del Peñón Viejo se da una reducción de la sección central a tres carriles dado que el decremento del volumen de tránsito en el tramo lo permite.
Puede decirse que la capacidad vial de la Calzada Ignacio Zaragoza, gracias a estas mejoras se ha aumentado en no menos del 60%.
Su rediseño como vía de acceso con-trolado y el hecho de convertirse en la ruta más importante para la liga de la ciudad con el oriente conllevó a la necesidad de proyectar un nuevo señala-miento.
Eliminar las intersecciones con semáforos y los cruces peatonales a nivel, rediseñar los enlaces que comuni-can los arroyos centrales con los latera-les y colocar una señalización vertical y horizontal adecuada, constituyen acciones que harán más segura a la
Calzada que, de ser una de las vialida-des urbanas menos seguras pasa a ser una de las que más lo son.
El cierre de las intersecciones a nivel en Ignacio Zaragoza en el tramo Rió Churubusco - Distribuidor Santa Marta, requirió la construcción de seis puentes vehiculares que permiten la comunicación de las zonas ubicadas al norte y al sur de la Calzada y que coinciden con las avenidas más importan-tes ya existentes y aquellas que se preve lo serán a corto plazo.
Para definir la ubicación de los puentes se analizaron las diez intersec-ciones existentes, ya que en ellas se concentran los flujos vehiculares. El análisis dió como resultado la defini-ción de los cruces que se indican ense-guida:
Javier Rojo Gómez - Av. Central.
Canal de San Juan - Calle 7.
Telecomunicaciones - Coronel
Benito S. Zenea.
Guelatao - Juan Crisóstomo Bonilla.
República Federal Sur - Repúbli-ca Federal Norte.
Amador Salazar - Prolongación Amador Salazar.
Los seis puentes tendrán - - doble sentido y su sección la determina tránsito que se espera.
Los puentes Rojo Gómez y San Juan tienen dos carriles en cada sentido, los de Telecomunicaciones y Amador Salazar sólo uno por sentido, el Crisóstomo Bonilla, por tener asignados los mayores volúmenes vehiculares, tres carriles en cada dirección con separador central; por último el puente República Federal tiene tres carriles: dos de los cuales
serán por los vehículos que circulan de sur a norte, y el carril restante por los que lo hacen de norte -sur.
Los movimientos direccionales de incorporación y desincorporación de la Calzada a los puentes se han podido resolver, en una primera etapa, por medio de gazas naturales a nivel, a través de las vialidades existentes. Debido a su relativa irregularidad, se ha diseñado un cuidadoso señalamiento informativo de destino que en este caso reviste singular importancia.
Tomando en cuenta que el creci-miento del volumen de la circulación puede llegar a hacer conflicitivas algunas de estas incorporaciones, el proyecto del puente Crisóstomo Bonilla considera la construcción, a futuro, de una gaza que facilite la vuelta izquier-da de Guelatao a Zaragoza; por su parte, en el puente República Federal se preve la construcción de otra para que el trán-sito de Zaragoza poniente se dirija a Nezahualcóyotl.
En República Federal está previsto construir un puente gemelo al actual de modo que cuando así se requiera sea posible duplicar su capacidad.
El puente Canal de San Juan forma parte del proyecto de la prolongación del Anillo Periférico por lo que, aunque en las condiciones actuales lo construi-do es más que suficiente, en el futuro podrá agregársele hasta tres puentes más de tres carriles en cada sentido de modo de contar en total con dos puentes para los carriles centrales y dos para latera-les.
Antes de la construcción de la Línea "A' del Metro, a lo largo de la Calzada Ignacio Zaragoza había sólo nueve puentes peatonales que se usaban relativamente poco ya que los peatones preferían cruzar donde había semáforos
o, de manera arbitraria, en aquellos lugares donde consideraban podían hacer-lo en el menor tiempo posible. Esta situación hizo durante mucho tiempo de de la Calzada una zona peligrosa, y los accidentes y atropellamientos eran comunes.
La construcción de la Línea "A" impide totalmente el cruce a nivel por lo que fue necesario reforzar masivamen-te los pasos peatonales.
Hay ahora, en total 23 pasos (17 puentes y 6 pasarelas a través de las estaciones) colocados de modo de que la distancia entre ellos no excede de 500 M.
La construcción de los pasos vehicu-lares y de los peatonales hacen a la Calzada Ignacio Zaragoza perfectamente permeable de modo que la presencia de la Línea "A", lejos de constituir una barrera, ha contribuido a ordenar su cruce y hacerlo más eficiente. En la fig. 3 se muestra una vista de la Calza-da.
Varias son las ventajas que resulta-rán de la puesta en marcha de la Línea "A". La velocidad del metro es aproxi-madamente el doble de la de otros medios de transporte público. Ello implica un importante ahorro de tiempo para quienes en los sucesivo utilizarán el metro; con las tarifas actuales el ahorro será aún más importante para los usuarios.
Sin embargo estos beneficios, que justificarían por sí solos la obra realizada, no son seguramente los más importantes.
El beneficiario mayor será la Ciudad de México. La construcción del metro y la adecuación de la Calzada Ignacio Zaragoza son acciones que van en el sentido de aquellas que permiti-rán seguirla habitando; el metro es un
sistema de transporte absolutamente limpio, que no produce contaminación; hacer la Calzada de tránsito continuo y arbolarla profusamente, contribuyen también a resolver el grave problema de la contaminación ambiental.
IV. CARACTERISTICAS DE LA ZONA.
Las características de las estructu-ras de las edificaciones que constituyen las obras de la Línea "A" del Metro están definidas por las condiciones que impone el suelo sobre el que se apoyan.
La zona por la que correrá la Línea "A" corresponde a lo que era el Lago de Texcoco, cuya estratigrafía, como en gran parte del área urbana del Valle de México, también de origen lacustre, revela la existencia de depósitos profun-dos de varios cientos de metros de espesor, de grava, arena y arcillas limosas compactas, formados en épocas remotas. Sobre estos depósitos se fueron acumulando, durante un largo período de tiempo, cenizas volcánicas y materiales muy finos, transportados por el aire o por las corrientes de agua que azolvaron el lago; entre ellos se inter-calan, de vez en vez, delgadas capas de arena producto de lluvias de materiales piroclásticos.
Sobre estos materiales de altísimo contenido de agua y gran compresibilidad se encuentran, finalmente, rellenos de origen más reciente de materiales grue-sos que constituyen la actual capa superficial cuyo espesor es variable.
Los materiales compresibles son los responsables de los hundimientos del suelo y tienen en esta zona de la ciudad sus máximos espesores. Se caracterizan por no haber sido sometidos a presiones adicionales a las de su propio peso, lo que los hace especialmente sensibles a sobrecargas que, aún siendo ligeras,
pueden provocar hundimientos inadmisi-bles para las construcciones comunes y mucho más para obras que, como el metro, trabajan bajo restricciones relativamen-te severas para este tipo de movimientos del suelo.
Sólo en el extremo oriente de la Calzada se presenta la influencia de las estribaciones de la Sierra de Santa Catarina, tramo muy corto de la Línea donde las características del terreno son distintas y se acercan a las que corresponderían a una zona de transición con depósitos aluviales a poca profundi-dad. En la fig. 4 se muestra un perfil estratigráfico.
La Ciudad de México está asentada sobre suelos de muy distintos tipos, cuyo comportamiento ante la acción sísmica es también diferente, por esto se han definido en ella tres zonas sísmicas.
La Calzada Ignacio Zaragoza se encuentra en la zona III, genéricamente llamada "zona del lago", que dista mucho de ser totalmente uniforme, ya que, aunque se caracteriza por estar colocada sobre estratos de arcilla altamente compresibles, el espesor de estos varía de un lugar a otro, lo que se refleja en las amplificaciones y duración de la respuesta sísmica.
En la zona de la Calzada hay espe-sores de estratos de arcillas blandas de hasta 70 m de profundidad, con un perío-do dominante de vibración de más de 4 s.
Si se comparan los espectros de respuesta de aceleración para distintos lugares dentro de la zona III puede notarse la diferencia de comportamiento que tendrían las estructuras construidas sobre ellos. En la figura 5 se represen-ta un espectro correspondiente a una zona del oriente de la ciudad con gran-des espesores de arcillas blandas, otro
que corresponde al centro de la ciudad con espesores menores y el espectro de diseño que recomienda para la zona III el Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal.
Puede observarse que, para cons-trucciones con períodos de vibración menores a 1 s la zona oriente resulta más favorable que la del centro y que lo contrario sucede para estructuras con períodos de más de tres segundos. La diferencia para estructuras con un período fundamental de aproximadamente 2 s es drástica, pues en el caso del centro de la ciudad se presenta una situación extraordinariamente desfavora-ble que no lo es en absoluto en el de su zona oriente.
V. EL TRAMO SUPERFICIAL.
La mayor parte de la Línea "A" esta construida sobre la superficie, la estratigrafía del subsuelo y la distribu-ción de la carga (en un acho de 8.5 m y longitudinalmente continua) no permite aplicar al2 terreno sobrecargas mayores de 0.5 hm , pues valores mayores provo-carían hundimientos inadmisibles; por otro lado, con el fin de evitar posibles expansiones excesivas se limita también la descarga del suelo a valores máximos
de 0.5 T/m 2 .
La carga que corresponde al peso propio de la estructura, a los rieles, a los durmientes y al balasto sobre el que se apoyan, es mayor a la que sería aceptable. Resulta por ello necesario proporcionar una estructura de cimenta-ción que trasmita al suelo sólo la presión admisible, sustituyendo el peso que se coloca por el del suelo que se extrae. Tal estructura debe tener la rigidez necesaria para que las deforma-ciones diferenciales a lo largo y ancho de la vía sean suficientemente pequeñas; en el sentido transversal no deben
exceder de 0.03 m. y en el longitudinal la pendiente del perfil de proyecto no debe variar en más de 3 %.
La rigidez en sentido transversal, siendo esta dimensión relativamente reducida, se puede lograr con una simple losa de concreto, en el longitudinal es necesario recurrir a trabes de buen peralte. La sección típica cuenta con tres trabes: dos laterales que al mismo tiempo confinan las vías y una central que, en el remoto caso de un accidente, reduciría la posibilidad de que el tren que circula en un sentido invadiera la vía contraria. En la fig. 6 se muestra una sección típica.
El análisis de la estructura de cimentación del tramo superficial debe considerar su rigidez y las característi-cas del suelo, de modo que las deforma-ciones de ambos sean compatibles, esto es, debe ser un análisis de interacción suelo - estructura.
Los análisis de interacción suelo - estructura no son muy comunes para atacar problemas prácticos. Se recurre con frecuencia a soluciones simplificato-rias que cumplen solamente con los principios más elementales de la estáti-ca; la cimentación se proyecta de modo que la resultante de las cargas que actúan sobre ella coincida con la resul-tante de las reacciones del suelo, cuya distribución se supone arbitrariamente, lineal con mucha frecuencia, con un máximo en los extremos y un valor menor en el centro, o con alguna otra posibili-dad que en cada situación especial se considere razonable; una vez definida la distribución de presiones el problema es isostático. Es claro que este tratamien-to no considera ni las características de la estructura ni las del suelo, por lo que resulta, a pesar de haberse utilizado muy ampliamente, un tanto irracional.
Un paso adelante en el tratamiento del problema lo constituyen los métodos de análisis de vigas sobre cimentaciones elásticas. A veces se hace la hipótesis de que el terreno puede idealizarse como una serie de resortes elásticos indepen-dientes entre sí, cuya relación carga - deformación depende de las característi-cas del suelo (cimentación de Winkler). En este caso, si bien se consideran en forma razonable las características de la estructura de cimentación, no se hace lo mismo con las del suelo ya que supo-nerlo como un conjunto de resortes elásticos independientes es una hipóte-sis poco apropiada en muchos casos.
Por eso se han buscado modelos de interacción más racionales y es precisa-mente en la Ciudad de México donde se han desarrollado y aplicado más, como una respuesta necesaria a las caracterís-ticas de su suelo.
Ello es especialmente claro para la estructura que nos ocupa.
Se utilizó aquí un procedimiento (1) que consiste en realizar el análisis del conjunto suelo - estructura como un sistema estructural único que se resuel-ve utilizando el método general de las rigideces.
Un aspecto que no puede olvidarse en la zona del Lago de Texcoco es el hundimiento regional, que ha alcanzado en los últimos años magnitudes de aproxi-madamente 35 cm, las máximas que históri-camente se han presentado en esta ciudad y similares a las que ocurrieron en el Centro del D.F. en los años 50.
El hundimiento regional es produci-do por la constante extracción de agua del subsuelo por medio de pozos profun-dos que suministran a la ciudad aproxima-damente la mitad del agua que consume, enorme caudal que no pudiéndose aún obtener de otras fuentes, previsiblemen-
te seguirá requiriéndose en el futuro inmediato.
La extracción de agua provoca la caída del nivel piezométrico en los distintos estratos del subsuelo, con los consiguientes incrementos en los esfuer-zos que actúan sobre ellos. Este efecto, que es sobre todo importante en los estratos más profundos, provoca el enjutamiento de los estratos y la suma de todos ellos es la deformación total en la superficie, esto es, el hundimien-to regional.
Para tener en cuenta el efecto del hundimiento regional puede aplicarse el método de interacción suelo - estructura teniendo en cuenta que la variación de la presión hidrostática modifica los esfuerzos actuantes.
Si el hundimiento regional fuera uniforme no provocaría efectos en la estructura, esta situación se presenta, de hecho, en la mayor parte de la Línea "A", sin embargo, en un tramo corto de su extremo oriente, por la proximidad de formaciones montañosas, la profundidad de los estratos compactos es menor que en el resto, presentándose, por ello, diferencias en el hundimiento regional que modificarán la forma del perfil existente de la superficie del terreno.
Para minimizar el efecto de posibles hundimientos diferenciales se ha coloca-do, a lo largo de la línea, una serie de juntas que permiten el giro relativo entre tramos, de modo que estos puedan seguir en forma poligonal el perfil del terreno; las juntas se hallan más cerca en las zonas en que los movimientos diferenciales son más probables y más
(1) Un rrétodo de solución al probliia de interacción Suelo-Estructura en cirrntaciones scnras.- José Luis Sánchez M. y Pablo Enríquez y M. frbrnrias del Congreso de Ingeniería Estructural, frbrelia, Michoacán. (1982).
separadas donde lo son menos. En el extremo oriente de la Línea donde son de esperarse movimientos importantes, además de las juntas cercanas, las vías se han colocado sobre un gran espesor de balasto de modo que, modificándolo según convenga, se pueda cambiar con cierta facilidad su perfil adecuándolo a lo que demande el terreno. Ver fig. 7.
Ninguna de la juntas permite discon-tinuidades verticales pues son capaces de trasmitir fuerzas cortantes, algunas aceptan deslizamientos horizontales relativos y trabajan como juntas de expansión que permiten el juego necesa-rio para que las contracciones y dilata-ciones por temperatura puedan darse a lo largo de los varios kilómetros que tiene el tramo superficial de la Línea.
Una forma conservadora de evaluar el efecto sísmico en una estructura superficial larga, como es el caso, es suponer que sigue la deformación que tendría el suelo en campo libre, esto puede hacerse en forma un tanto burda, dada la complejidad del problema, como sigue:
Durante un sismo las ondas de cortante 5, viajan desde el terreno firme a la superficie con una velocidad y 55 produciendo desplazamientos late-rales del suelo. Las partículas de suelo se desplazan unas con respecto a otras y en cierto instante (t = 0, por ejemplo) exhiben una configuración aproximadamente sinusoidal que puede representarse por la siguiente expresión:
SX Sb se vi (e X
En que se es la máxima amplitud que esta dada en función de la acele-ración espectral S. como sigue:
o& TVÍ
Tn es el período fundamental de vibración del estrato de espesor D y Ln la longitud de la onda sísmica.
Puede establecerse que: Ln = Vs Tn: Tn = 4D/Vs
Si se considera, atendiendo a mediciones realizadas en arcillas blan-das, que Vs = 60 m/s; Tn resulta de 4 s. que coincide bien con los datos de la zona y Ln = 240 m. Si cisideramos además que S. = 100 cm/s. , también dato de la zona durante el sismo de 1985, se tiene:
ioo Y. .'/(zir. qOcw
Si se supone que la estructura sigue la deformación del suelo, el momento máximo se presenta para y vale:
M
-4 M = 2.7 x 10 El (T - m)
El cortante máximo ocurre a Ln/2 y esta dado por:
v Expresiones con las que puede
estimarse los esfuerzos actuantes.
Como se ve, incluso la solución superfi-cial para la estructura del metro, naturalmente considerada como de gran simpleza, en zonas con suelos pantanosos, como la que nos ocupa reviste dificultades importantes.
VI. EL TRAMO SUBTERRANEO.
En los cruces del metro con la Calzada Zaragoza se hizo necesario re-currir a una solución subterránea, de
modo que la Calzada pase sobre el metro de una manera continua. Una alternativa pudo ser el cruce elevado del metro sobre la Calzada, pero se consideró poco conveniente desde el punto de vista de la imagen urbana.
La solución subterránea ha llegado a considerarse típica, pues tras haberse construido muchos kilométros de metro se conocen bien los problemas que se presen-tan y la solución que se les ha dado. Sin embargo, ha sido un proceso difícil y de gran mérito para quienes lo inicia-ron; de hecho, durante muchos años el problema técnico de una excavación para la ejecución de conductos subterráneos de gran longitud en el subsuelo de la ciudad se consideró un obstáculo insupe-rable. La solución propuesta entonces se sustentó en la experiencia de muchas obras construidas en el D.F., con base en el principio de la cimentación compen-sada en que generalmente se aceita hasta una sobrecompensación de 1.5 T/m
La profundidad del cajón del metro es, para la Línea "A", mayor que las hasta ahora construidas, debido a que la alimentación de energía eléctrica a los trenes se hace, en este caso, por medio de un pantógrafo que la toma de la catenaria que la conduce. El gálibo vertical que es necesario salvar es de 6.5 m y la excavación total necesaria de 8.8 m. En la fig. 7.1. se presenta una sección típica.
La mayor profundidad hace más complejo el proceso constructivo espe-cialmente en las zonas que, en una ciudad tan poblada como la de México, se presentan con frecuencia, donde la excavación colinda con construcciones cimentadas en forma superficial que pueden verse afectadas, como de hecho ocurre en muchos casos, a pesar de las precauciones que se toman para evitarlo.
La zona por excavar se aísla utili-
zando muros milán más profundos que ella. Cuando fragua el concreto de los muros, que se deposita en zanjas previa-mente estabilizadas con lodo, se inicia la excavación apuntalando los muros y realizando un proceso de bombeo que permite trabajar en seco pero que es la causa de los movimientos que a veces experimentan los terrenos aledaños a la construcción.
A medida que avanza la excavación se presenta en su fondo una expansión a veces ligada con hundimientos pequeños del suelo colindante, ambos se controlan con el colado de la losa del fondo del cajón que se realiza en forma casi inmediata ya que la excavación avanza en tramos extraordinariamente cortos.
Para minimizar el problema de los movimientos del suelo que, aunque peque-ños, pueden resultar críticos para cier-tas construcciones colindantes, en algunos casos se utilizó, con buenos resultados, la inyección de agua al suelo para restituirle la que, por el proceso de excavación, se le ha extraí-do.
El análisis estructural de una cimentación compensada puede atacarse teniendo en cuenta la interacción suelo - estructura en forma similar a la ya mencionada en el caso de las cimentacio-nes someras. Se predetende aquí exten-der el procedimiento a este caso introdu-ciendo algunas variables adicionales, como son los procesos de expansión del suelo durante la excavación, la recom-presión por recarga y el efecto del bombeo.
En una cimentación compensada el peso extraído de la excavación se reem-plaza por un peso equivalente que corres-ponde al del edificio que se cimenta, el esfuerzo efectivo y la presión hidráuli-
ca se equilibran con la presión que ejerce el edificio.
rían al disminuir las presiones en el fondo de la excavación valores unita-rios, como sigue:
1 •Ny.#-flW, -•ji-
2 3 4 d
A 1A j '31 T4
- B
I II
e 121
e 1
3
e 141
c I II
c 1
c 131
c 21 41
La excavación se realiza primero, aliviando su fondo de la presión que el peso del terreno le producía, este alivio de esfuerzos provoca una expan-sión elástica prácticamente inmediata. Una vez realizada la excavación se procede a ejecutar la construcción que devuelve carga al suelo provocando su recompres ión.
Tanto la expansión como la recom-presión pueden estimarse si se conoce la respuesta elástica y las características de compresibilidad del suelo que pueden determinarse en el laboratorio a partir de muestras inalteradas.
La determinación de las deformacio-nes del suelo por recompresión, una vez aplicado el peso de la estructura, da la base para establecer el procedimiento de análisis de interacción suelo-estructura de tramos y estaciones subterráneas que se plantea a continuación.
La estimación de las expansiones y recompresiones puede establecerse como sigue: sea un terreno compuesto de varios estratos en el que se realiza una excavación con profundidad d y al que se somete a un proceso de bombeo con el fin de mantener seco al fondo.
El alivio de la presión en el fondo de la excavación al extraer el terreno que la ocupaba tiene el mismo valor que la presión que ahí existía antes de realizar la excavación:
Pod = od + Uod
':Alivio de esfuerzos en el estrato N bajo el punto j por efecto de un
alivio de presión en i con valor unitario.
El bombeo provoca una caída en los niveles piezométricos, ésto es, en las presiones del agua a distintas profundi-dades, que se traducen en un incremento en los esfuerzos efectivos que puede presentarse como sigue:
2 3 4
A A 1 A A A
2A 4
1 8 8 B 8
1 1 2 1 1 A 1 1 c i c 1 c I
1 A 2 1A 3 A
en que Tod es el esfuerzo efectivo que existía en el fondo de la excavación antes de hacerla y Uod la presión hidrostática en el mismo lugar.
El alivio de esfuerzos producido por la descarga puede obtenerse siste-máticamente si establecemos el conjunto de valores que estos esfuerzos alcanza-
En que: es el
decremento en la presión hidrostática en el estrato N bajo el punto j debida al bombeo.
El alivio de esfuerzos resultante de los dos efectos mencionados será:
2 3
-
La expansión de un estrato N debida a un alivio de presión Pi en será:
si es la expansión de un punto j por un alivio de presión en todo el fondo de la excavación de Pod y por la caida de la presión hidrostatica se tiene:
A A A A A
4
31 IA1IA2I-A3IA4
A A
41
A A
8 6 6 B
1 -A B B
IL 8 0
1 -A II 1 21 2 31 3 41 4
c c
I 1 A c c
I:A 2 .51
c c
1A 41 4]
C c
1-A
en que E es el coeficiente de expansión volumétrica, definido como la relación entre la expansión de un estra-to y el alivio de esfuerzos que la provoca.
La expansión total de un punto j será:
o4 E
Si llamamos ahora al coe- ficierite de proporcionalidad entre descarga y expansión.
-
)
en que pi es la descarga aplica-da; el coiijunto de todos los te puede expresarse matricialmente:
Una vez terminada la excavación luego, que las expansiones han ocurrido se produce la recarga por construcción y se recuperan los niveles piezométricos iniciales, el proceso se revierte por lo que las mismas operaciones anteriores con signo cambiado se repiten, es decir, en lugar de alivio de presiones se trata de presión y en vez de cafda de nivel piezométrico de recuperación. La única diferencia, además del cambio de signo, consiste en que debe usarse < en lugar de es decir debe usarse el coeficiente de recompresión volumétrica.
En lugar de Fe se obtiene Fc, matriz que sirve de base para la de flexibilidades del suelo, cuya inversa sumada a la matriz de rigideces de la estructura proporciona la del sistema suelo-estructura para la solución del problema.
o en forma matricial:
S i .
Aunque este cálculo implica suponer que se procede a la construcción instan-
tánea de la estructura, el hecho de que no sea así hace que los resultados
obtenidos sean, seguramente, conservado-res.
VII. LA ESTACION PANTITLAN.
La estación Pantitián es subterrá-nea; su nivel de desplante queda defini-do por el acceso de la Línea "A" al lugar, ya que ésta cruza la Calzada en forma deprimida y debe pasar después bajo la línea cinco de la actual red del metro.
Su zona profunda se encuentra a 9.3 m con respecto al nivel del terreno natural.
El hecho de que la techumbre de la estación emerja del terreno permite lograr que opere con iluminación y ventilación naturales, lo que, además del importante ahorro de energía que implica, se refleja en condiciones de confort para los usuarios difíciles de lograr en otras estaciones subterráneas más profundas.
La estación colinda con la terminal de la Línea 9 del Metro con la que se comunica directamente. A distancias algo mayores están las terminales de las líneas 5 y 1 con las que también tiene correspondencia.
La terminal de la Línea 9 es eleva-da, circunstancia que se aprovechó al proyectar la Línea "A" utilizando como vestíbulo una gran zona situada bajo la Línea 9, lo que significó un ahorro importante, ya que de otro modo la construcción del vestíbulo hubiera sido necesaria. En la fig. 8 se muestran las características básicas de la estación.
La excavación requerida para ubicar la estructura de la estación implica un alivio de presiones en el suelo que es necesario compensar con el peso de la propia estructura que, precisamente por
este hecho, se diseñó con losas y muros de concreto de gran masa. Fue necesario adicionalmente proporcionar lastres estratégicamente colocados de modo de lograr una condición de equilibrio estable a corto y largo plazo de la estación a fin de evitar el hundimiento que provocarían sobrecargas aún muy pequeñas, y la expansión que se produ-ciría si el peso no fuera suficiente. Esta última condición era especialmente crítica en este caso dado que la altura del acceso al vestíbulo bajo la línea 9 podría reducirse y llegar a una situa-ción que hiciera difícil el movimiento de personas de una a otra zona como se plantea en el proyecto. Lograr este equilibrio en un suelo tan sensible, no resulta sencillo y de hecho resultó necesario jugar con los lastres hasta encontrar la condición deseada.
Si bien la intención de una estruc-tura totalmente compensada es sustituir de manera exacta el material excavado, esto no es totalmente posible pues, aunque se logre en lo que se refiere a la magnitud de las cargas que se mane-jan, su distribución en general no es totalmente uniforme. Esto implica la presencia de flexiones que deben ser resistidas por la estructura y cuya magnitud depende, además de la localiza-ción de las cargas, de las característi-cas de rigidez de la estructura y del suelo.
Conviene entonces recurrir a un modelo de interacción suelo-estructura que permita tener una idea de los esfuer-zos que se provocarían en la construc-ción y poder tomarlos con ella. También aquí es posible jugar con la posición de los lastres para alcanzar soluciones convenientes. El modelo de análisis en este caso es el ya planteado para las cimentaciones compensadas del tramo subterráneo.
Desde el punto de vista geotécnico
se identificaron dos problemas impor-tantes: por un lado la selección de un procedimiento constructivo que permitie-ra efectuar en forma segura los trabajos de excavación y, por otro, el control del comportamiento a largo plazo del cajón subterráneo en interacción con la cimentación profunda de la estación Pantitián de la Línea 9.
Ambos problemas reconocen sus causas en la alta plasticidad, el alto contenido de humedad y la baja resisten-cia al esfuerzo cortante de los materia-les que forman el subsuelo, así como en la cercanía de la estación elevada de la Línea 9, ya en operación al iniciarse los trabajos de excavación.
El suelo de esta zona de la línea esta constituido por un manto superfi-cial de 3.2 m de profundidad al que subyacen las formaciones arcillosas superior e inferior que se prolongan hasta 61 m de profundidad y que están separadas por una delgada capa de limo arenoso, remanente de la llamada primera capa dura.
Las excavaciones, con una profundi-dad máxima de 9.3 m, se realizaron en los suelos superficiales, los 3.2 prime-ros metros en el manto superficial de limo arenoso de consistencia variable y contenidos de humedad menores al 100%. A partir de los 3.2 m, hasta la profundi-dad máxima de excavación, se efectuaron en materiales arcillosos de alta plasti-cidad y consistencia muy blanda con contenidos de agua de entre 400 y 500 %.
El estado de esfuerzos inicial es normalmente consolidado por lo que cualquier incremento en los esfuerzos efectivos puede significar asentamientos considerables.
Con objeto realizar la excavación con factores de seguridad razonables ante las condiciones críticas de estabi-
lidad asociadas a la falla del fondo, a la estabilidad de la tablaestaca y al efecto del abatimiento por bombeo de la presiones de poro, fue necesario planear-la en tramos independientes. La excava-ción se llevó a cabo en tres zonas, formando franjas longitudinales con dos frentes de ataque cada una de ellas y separadas entre sí por muros milán previamente ejecutados, dos de los cuales se demolerían durante el proceso constructivo, como se muestra en la fig. 9. Conforme avanzaba la excavación se colocaron verticalmente cuatro niveles de troqueles apoyados en los muros milán mencionados y se aceptaron avances horizontales sólo de 2.5 m en la zona adyacente a la Línea 9 y de 4 m en el resto.
Para abatir las presiones de poro y mejorar las condiciones de estabilidad de la excavación se implementó una red de pozos de bombeo cuya operación seguía el avance de los trabajos, lo mismo que un sistema de instrumentación con pozos de observación, piezómetros y nivelacio-nes de precisión para conocer los movi-mientos asociados a las distintas etapas de la obra y tomar oportunamente las medidas necesarias a fin de corregir cualquier comportamiento fuera de lo previsto.
El diseño geotécnico del cajón subterráneo estuvo encaminado a lograr una condición de compensación que bala-ceara su propio peso y no afectara a las construcciones adyacentes. Para ello se buscó una estructura ligeramente sobre compensada con 0.25 hm 2 , que no induci-ría cambios de esfuerzos importantes en la cimentación de la estación elevada de la Línea 9.
Los movimientos acaecidos durante la excavación fueron del tipo de los previamente observados en construcciones de esta clase; se presentaron primero asentamientos por bombeo que en cierta
etapa fueron importantes e hicieron conveniente la instalación de pozos de inyección para restituir en parte las condiciones piezométricas iniciales y disminuir los hundimientos en el inte-rior y en el exterior de la excavación. Los pozos se instalaron en ambas cabece-ras de la estación y en la colindancia con la Línea 9 para protegerla.
Se presentaron también expansiones elásticas del fondo de la excavación al retirar el terreno, que en ciertos casos alcanzaron hasta 30 cm y que se controla-ron cargando de inmediato con el colado de la plantilla y de la lasa del fondo del cajón. La magnitud de estas expan-siones está ligada a la longitud de los avances de la excavación la que se hizo clara en aquellas casas en que los avances excedieron lo prevista, tratando de acelerar el proceso constructiva.
Pudo verificarse, asimismo, la gran importancia de un carrecta apuntala-miento del muro milán - tablaestaca pues en los casas en que no resultó totalmente efectiva se pradujeran mavi-mientas del mura, can los consiguientes asentamientos de la zona exterior adya-cente y efectos nocivos en las construc-ciones colindantes cimentadas superfi-cialmente.
Una vez cargado nuevamente el suelo con el pesa de la estructura se presen-taron asentamientos por recompresión, que son normales en estos casos. Sin embargo, terminada la construcción, las asentamientos continuaran más allá de la esperada, lo que hizo pensar que las condiciones teóricas planteadas en el proyecta no se habían conseguida can precisión debida a causas diversas cama diferencias entre los pesos volumétrico estimados y los reales, modificaciones de la topografía original del terrena, hundimiento regional, deficiencias en el proceso constructiva, etcétera.
Causas todas que, seguramente en otra tipa de suelo, no hubieran influido mayormente pera que en este casa si lo hicieran. Con objeto de corregir este efecto se modificaran los lastres que se habían prevista para controlar este tipa de movimientos.
VIII. LAS ESTACIONES SUPERFICIALES.
Si alga caracteriza a la Línea "A" del Metro es la presencia de las bóvedas metálicas de cañón corrida que se repi-ten techando todas las estaciones de superficie, aparecen en la terminal La Paz, en la estación Las Reyes, en Santa Marta y en las seis estaciones de pasa sobre la Calzada Ignacio Zaragoza.
Estas bóvedas de lámina metálica sin estructura, pues son estructura en sí mismas, representan con claridad las ideas fundamentales del diseño de toda la línea: la ligereza y la economía.
La lámina descansa sobre un par de trabes longitudinales que son, a la vez, canalones para conducir el agua pluvial. Las trabes son soportadas por columnas formadas por tres tubas de acero unidas entre sí en la parte superior, en dos puntos intermedias y en la base, de modo de hacerlos trabajar cama una sala uni-dad. Las columnas se apoyan en pedesta-les de concreto rigidizados por muras longitudinales de cerámica estructurada al principio y de concreto después que se profundizan en el suela para formar parte de la cimentación compensada de la estructura.
En una mezzanine, situada en la parte central de la estación, se halla un vestíbulo, con la superficie suficien-te para que los usuarios adquieran sus boletos en las taquillas y puedan acce-der cómodamente a las escaleras que bajan a los andenes de dable altura. El vestíbulo puede cruzarse libremente de
modo que sirve también de puente peato-nal.
El vestíbulo lo conforma una estruc-tura de armaduras de acero que soporta una losacero de lámina metálica acanala-da y una delgada capa de concreto, que recibe, a su vez, el piso de mármol. Constituye la única masa por encima del suelo que cuenta, en una estación que es casi puro aire.
En el sentido transversal a la estación tiene marcos formados por las columnas y las armaduras de la estructu-ra del vestíbulo que le dan la rigidez necesaria, en el sentido longitudinal son los muros laterales de las escaleras a los ándenes los que se la proporcionan. En la fig. 10 se representa esquemática-mente una estación.
En estructuras ligeras es común que la solicitación accidental más importan-te sea la acción del viento. Esto sucede en este caso en la lámina de la cubierta, cuyas características de flexibilidad la hacen especialmente sensible a ese efecto.
No es posible aplicar aquí las recomendaciones para diseño por viento del Reglamento de Construcciones para el D.F.; hacerlo así ha conducido, en varios casos similares, a fallas de cierta consideración.
La estructura cae entre aquellas en que de acuerdo con el mismo Reglamento, el cálculo debe hacerse con base en resultados de estudios de túnel de viento.
No existiendo esos datos, puede recurrirse a la observación del comporta-miento de las estructuras de este tipo construidas previamente en la ciudad, y así se hizo en este caso.
Si las succiones o las presiones
que ejerce el viento se consideran distribuidas uniformemente a lo largo del arco de la bóveda, se obtiene una gran resistencia teórica aún con láminas muy delgadas. Sin embargo, cuando dicha uniformidad se pierde, sobre todo cuando se alteran presiones y succiones, la capacidad de carga de la estructura cae drásticamente. Las condiciones más críticas se presentan en los bordes, es ahí donde han ocurrido las fallas más comunes y es por ello una zona que debe reforzarse, bien sea con algún elemento adicional a la propia lámina, o colocán-dola ahí de mayor espesor y rigidez.
A las estaciones superficiales se accede por pasarelas que parten de escaleras situadas en las banquetas laterales de la Calzada que tienen un ancho de 2.8 m y están constituídas por dos armaduras paralelas de 1.5 m de peralte, que sirven al mismo tiempo de barandales que se apoyan libremente en columnas de concreto con cabezal en doble cantiliver y salvan claros varia-bles que alcanzan hasta los 30 m.
Para evitar el pandeo de la cuerda superior, de gran longitud libre a compresión, es necesario recurrir a la restricción que imponen los montantes de las dos armaduras paralelas que forman, con las trabes del piso, una estructura en 'U", cuya rigidez impide el pandeo de la cuerda comprimida.
El problema, idealizado como el de una barra a compresión soportada por apoyos elásticos, es común a algunos puentes de paso através y fué resuel- to inicialmente por Engesser, quien estableció para ciertas condiciones, la rigidez necesaria de los apoyos elásticos que proporcionan las menciona-das "U" en función de la fuerza actuan-te y de las características de la estruc-tura, el método ha sido generalizado, después, para la mayor parte de los casos prácticos.
IX. LOS PUENTES VEHICULARES.
Los 11 km. de la Calzada Ignacio Zaragoza, desde Río Churubusco hasta su entronque con la carretera de cuota México-Puebla, son cruzados por seis avenidas de amplitud diferente, en función de los volúmenes vehiculares esperados en ellas; estas avenidas coinciden con las más importantes ya existentes y con las que se preve lo serán a corto plazo. El cruce se logra con puentes que deben salvar un claro central de poco más de cincuenta metros, zona por la que corren, de manera conti nua, la Línea "A" del Metro y el tránsi-to de los arroyos centrales de la Calza-da.
A partir de este claro central los puentes se extienden hacia uno y otro lado, norte y hacia el sur, en una serie de claros menores de longitud variable, de entre 20 y 25 m.
Estos claros se salvan mediante una estructura de acero constituida por trabes principales longitudinales de sección 1, sobre las que se apoyan piezas de puente transversales separadas entre sí aproximadamente 2.5 m, que a su vez reciben una losa de concreto reforzado que trabaja con ellas en sección compuesta. Sobre la losa de concreto se tiende la carpeta asfálti-ca, que es la superficie de rodamiento para los vehículos que transitarán por el puente.
Las trabes longitudinales están distribuidas de manera que la circu-lación entre ellas es posible, dando como resultado una solución estructural de paso através, altamente ventajosa, ya que el peralte de las trabes principales no se refleja en una altura mayor del puente y permite una menor longitud y costo.
En los claros centrales, de mayor
longitud, se ha utilizado una solución atirantada en la que la estructura metálica es soportada por cables suspen-didos del cabezal de marcos de concreto de gran altura.
La zona atirantada comprende tres claros: la longitud del central queda definida por las condiciones antes mencionadas y es de aproximadamente 55 m; la longitud de los tramos adyacen-tes resulta variable pues está limitada por las condiciones de vialidad; se buscó, sin embargo, que la longitud del claro central fuera del orden de la mitad de la longitud total de la zona atirantada pues la experiencia en este tipo de estructuras marca esa relación como conveniente.
La altura de los mástiles sigue la recomendación, también con base en expe-riencias anteriores, de ser del orden de 0.2 de la longitud del claro central. Se busca así un equilibrio entre la longi- tud del mástil que no debe ser demasia-do grande, y el ángulo que forman los cables con las trabes longitudinales, que no debe ser demasiado pequeño.
En los puentes de dos y tres carri-les, los cables están dispuestos en dos planos paralelos, uno a cada lado del puente, y colocados hacia el exterior buscando el menor ancho posible de la estructura pues, en general, los puentes son prolongación de vialidades relativa-mente estrechadas en las que, en ocasio-nes, es necesario afectar propiedades privadas para obtener la amplitud reque-rida. Por otro lado, esta disposición de los cables permite conservar la estructuración de los tramos convencio-nales adyacentes en que las dos trabes longitudinales de borde constituyen los elementos principales de la estructura, y permite, además, alejar los cables de la zona de circulación protegiéndolos con las banquetas laterales y el parape-to.
En los puentes Javier Rojo Gómez, de cuatro carriles y Crisóstomo Bonilla de seis, resultó más económico colocar un tercer plano de cables en el centro de la Calzada, para no hacer demasiado largas las piezas de puente y prestarse el proyecto vial. En el caso de Canal de San Juan no es posible la hilera central de cables pues los cuatro carri-les con que cuenta serán en el futuro todos de un mismo sentido y una división interior resultaría un tanto artificial. En este caso se tienen, por esta causa,
sólo dos planos de cables.
Los cables concurren en el extremo superior del mástil buscando que todos tengan su máximo ángulo de inclinación, haciéndolos así eficientes para tomar fuerzas verticales, y haciendo la fuerza de compresión en las trabes lo menor posible.
El tablero resuelto con piezas de puente que trabajan en sección compuesta con la losa de concreto y se apoyan sobre las trabes principales longitudi-nales, resultó ser más económico que un tablero ortotrópico con lámina de acero como sistema de piso que, buscando aún mayor ligereza,constituyó la otra alter-nativa estudiada.
Cuando la altura del puente con respecto al terreno es aproximadamente de 5 m se inician los aireplenes, estas estructuras que no son otra cosa que terraplenes huecos estructurados con muros laterales y losas y trabes de concreto que en el techo constituyen la superficie de rodamiento del puente y en el piso forman la cimentación.
Los aireplenes fueron utilizados por primera vez en los años setenta para la construcción de varios puentes del Circuito Interior de la Ciudad de Méxi-co, como respuesta a las características del suelo; se han venido repitiendo después con nombres distintos y segura-
mente seguirán construyéndose, pues constituyen una solución sencilla y económica para zonas donde, en terrenos menos deformables, se utilizan los terraplenes.
En este caso los terraplenes, al inicio de los puentes, tienen una longi-tud muy limitada, pues son sólo posibles hasta que el puente despega del suelo aproximadamente 50 cm, alturas mayores se reflejarían en asentamientos inadmisi-bies.
Los puentes vehiculares atirantados que cruzan la Calzada Ignacio Zaragoza de la Ciudad de México son los primeros puentes urbanos de este tipo que se construyen en el país y, aún en el mundo, apenas ahora empieza a utilizarse para claros cortos este sistema construc-tivo reservado para grandes puentes. En México hay, como ejemplos, el "Tampico", sobre el río Panuco y el "Coatzacoalcos II", sobre el río Coatzacoalcos, cons-truidos ambos por la Secretría de Comuni-caciones y Transportes. En la fig. 11 se respresenta un puente típico.
La justificación de la solución atirantada para los puentes sobre la Calzada Ignacio Zaragoza radica en la gran ligereza que presentan lo que, en un suelo como en el que se asientan, reviste primordial importancia; de hecho, estos mismo puentes fueron proyec-tados previamente de manera convencio-nal, con estructuras de concreto presfor-zado, pero su peso propio conducía a cimentaciones que eran económicamente inadmisibles.
Los puentes atirantados son estruc-turas especiales cuyo diseño no queda cubierto por los códigos o reglamentos usuales. Se presentan en ellos, con gran importancia, efectos que en otras estructuras no son relevantes o lo son de manera distinta.
El comportamiento no lineal de la estructura, el efecto sobre la estruc-tura de las tensiones iniciales en los cables, la relajación del acero de los cables, el efecto de los cambios de temperatura y la fatiga, son aspectos relevantes en el diseño de estas estruc-turas. En nuestro caso, el efecto de la fatiga adquiere significación especial y a él se aúnan el de posibles hundimien-tos diferenciales entre apoyos y la acción símica que en otros casos no ocurren o no son tan importantes.
El comportamiento no lineal de este tipo de puentes radica, por un lado, en el efecto combinado del momento y la carga axial en mástiles y trabes y por el otro, en el cambio en la flecha de los cables ante distintas condiciones de tensión. En el análisis de la estruc-tura es éste último efecto el que tiene importancia; la rigidez de los tirantes depende de su longitud y del esfuerzo que se les aplica. Para facilitar el análisis es común sustituir el cable por una barra recta equivalente con un módulo de elasticidad variable. El proceso es iterativo suponiendo un módulo de elasticidad y verificándolo después. El análisis va ligado al proceso constructivo, pues conviene conocer en cada una de sus etapas las deformaciones y fuerzas en la estructura para encontrar el estado final bajo carga muerta que se sumará, a su vez, al efecto de la carga viva.
Una de las características que resultan atractivas en este tipo de estructuras es la posibilidad de contro-lar el valor que adquieren los momentos y cortantes de carga muerta en las vigas principales del puente aplicando ten-siones predeterminadas a los cables; ello permite disminuir el valor que adquieren esos elementos optimizando su distribución. Es posible calcular con precisión teórica el valor de varios juegos de tensiones que cumplan con lo
anterior y escoger entre ellas el que mejor convenga.
Cuando, como sucede en este caso, las fuerzas en los cables son relativa-mente pequeñas no es fácil garantizar su valor utilizando los sistemas usuales de medición; resulta práctico y conduce a resultados razonables el aplicar tensio-nes tales que corrijan las deformaciones debidas a carga muerta de modo que, tras su aplicación, se regrese al perfil inicial o de proyecto del puente. El valor de estas tensiones puede determi-narse teóricamente y al aplicarlas buscar el perfil deseado haciendo, en su caso, los ajustes necesarios, ya que casi siempre sucede que las condiciones ideales planteadas para el montaje no se producen.
La relajación del acero de los cables debida a la acción de esfuerzos importantes de carácter permanente, puede ocasionar deformaciones en la estructura del puente y pérdida de las tensiones iniciales. En los puentes de la Calzada el efecto de la relajación resulta irrelevante pues los cables trabajan a esfuerzos pequeños bajo carga permanente.
El hecho de que los claros que han de salvarse sean cortos en relación con lo común en este tipo de estructu-ras, hace que la carga viva represente, por mucho, la solicitación más importan-te, al contrario de lo que sucede con puentes de gran claro en que lo es el peso propio; esto se refleja en oscila-ciones importantes en los esfuerzos que ocurren en los distintos elementos estructurales y hace que su diseño quede regido por fatiga y deba controlar- se, más que el esfuerzo máximo, su rango de variación. La amplitud aceptable en este rango depende del número de ciclos de carga esperado. En este caso, se consideró que podrían ocurrir más de dos millones de ciclos durante la
vida útil de los puentes, lo que prácti-camente corresponde al límite de fatiga, esto es, que el número de ciclos de carga podría crecer idenfinidamente sin necesidad de reducir más el rango de esfuerzos.
En los cables y anclajes el efecto de la fatiga resultó definitivo. Hizo que en algunos casos se duplicara el área de acero en los cables respecto a la que hubiera sido necesaria sin consi-derar este efecto; en nuestro caso el
núero de ciclos de carga fue de 2 x 10 , ello condujo a esfuerzos máximos en los cables de no más del 20% del esfuer-zo de ruptura.
Aunque las cimentaciones de los puentes se han diseñado buscando que no se presenten hundimientos diferenciales entre sus apoyos, las características del suelo no permiten ignorarlos ya que pueden presentarse no sólo por ser éste sumamente sensible a pequeñas variacio-nes en el valor de las cargas sino, también por el hundimiento regional de la zona.
Para prevenir sus efectos se buscó, independizar los cuerpos norte y sur del puente, colocando entre ambos una zona doblemente articulada, de modo que el hundimiento de un lado no afecte al otro. Por otro lado, para corregir posibles cambios en las tensiones de los cables, por efecto de un movimiento relativo entre los apoyos, sus sistemas de anclaje están preparados para permitir sean tensados o aflojados, según conven-ga. Los efectos de contracciones o dilataciones por cambios de temperatura se minimizan en la zona doblemente articulada, la parte central del puente, que permite también desplazamientos longitudinales.
El diseño especial de estas articu-laciones que utiliza amortiguadores de neopreno, tiende a evitar que la discon-
tinuidad que implica su presencia sea notable.
Las estructuras de los puentes son muy rígidas, pues en sentido longitudi-nal y transversal cuentan con muros de concreto de poca altura. En el sentido longitudinal los muros laterales de los aireplenes tienen longitudes de aproxima-damente 100 m y en el transversal cada apoyo es un muro de ancho igual al del puente. El período de vibración de estos elementos es muy pequeño y aún el de la estructura en su conjunto es siempre menor de 0.5 s.
Por otro lado, el período natural de vibración del suelo en la zona es muy alto, de cerca de 4 s., lo que elimina la posibilidad de amplificaciones signi-ficativas del movimiento.
La gran longitud del puente hace esperar que, durante un movimiento sísmi-co, se presenten deformaciones diferen- ciales transversales que afecten al tablero del puente. Estos desplazamien- tos pueden establecerse suponiendo que el puente se desplaza como teóricamente lo haría el suelo ante la acción de una onda sísmica supuesta.
Las fuerzas sísmicas producto de un análisis convencional reglamentario son resistidas por los muros de aireplenes para la acción sísmica longitudinal y por los muros de cada uno de los apoyos para la acción transversal.
X. LOS PUENTES PEATONALES.
Los 17 puentes peatonales que, junto con las seis pasarelas de las estaciones permiten el paso de personas sobre la Calzada, están constituidos por dos armaduras paralelas de paso a través unidas entre sí en la parte inferior, por trabes secundarias sobre las que se apoya la losa del piso y, en la parte
superior, por un sistema de contraventeo.
Aunque los claros que salvan estas armaduras son grandes, hasta 30 m, su peralte y el hecho de que estén contra-venteadas en ambas cuerdas les da una ligereza muy notable. Son construccio-nes sumamente simples que no tienen más que lo que estructuralmente necesitan. La arquitectura y la estructura se conjugan nuevamente en este caso, situa-ción que se percibe claramente y las hace estéticamente agradables, gracias al estudio detallado de la posición e intersección entre los elementos de la estructura. En la fig. 12 se muestra un tramo típico.
XI. CONCLUSIONES.
Las características peculiares de la zona en que se ubican las estructuras de la Línea "A" del Metro de la Ciudad de México, hacen que su dimensionamiento requiera aplicar técnicas, desarrollar procedimientos y utilizar sistemas estructurales particulares para el caso.
Las estructuras superficiales requieren de cimentaciones relativamente rigidas para cuyo dimensionamiento resulta conveniente no omitir el efecto de la interacción del suelo y la estruc-tura.
Las estructuras subterráneas deben proporcionarse tomando en cuenta la tecnología desarrollada en México para el diseño de cimentaciones compensadas.
En las estructuras elevadas de las estaciones, los puentes vehiculares y los peatonales, conviene buscar la ligereza para obtener economía en sus cimentaciones que se refleja notablemen-te en la economía global de la obra.
El proyecto integral de una línea del metro es un proceso multidiscipli-
nario de gran complejidad cuya coordina-ción no resulta sencilla; el diseño de sus estructuras debe compaginarse con el de las demás áreas técnicas que lo componen y, tratándose de un proyecto de carácter urbano, muy especialmente con las de arquitectura y urbanismo. Armoni-zar el diseño estructural con el arqui-tectónico permite resolver las necesida-des funcionales y estéticas sin sacrifi-car eficiencia y economía.
La Línea "A" del Metro contribuye a la solución de algunos problemas impor-tantes de la Ciudad de México, el de la vialidad, el del transporte y el de la contaminación ambiental; ayuda a grandes grupos humanos de escasos recursos al acercarlos a sus lugares de trabajo y es, en fin, una de esas obras cuyo contenido social dignifica la labor de aquellos que contribuyen a ejecutarlas.
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RED DEL METRO
CIUDAD DE MEXICO Y AREA METROPOLITANA
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/ Fig. 1 LA LINEA "A" Y LA RED GLOBAL DEL METRO
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rUTURA CORRESPONDENCIA CON FF.C.C.
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Planta de conjunto estacIón termInal La Paz y Paradero
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ALCENTRO A PUEBLA
VIADUCTO ROJOGOMEZ ORIENTE 253 SN.,JUAN TELECOMUNICACIONES C.BONILLA AV. MEXIcO RERFEDERAL OCTAVIO PAZ STA MARTHA
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- Fig. 4 PERFIL ESTRATIGRAFICO 4 LO LARGO DE LA CALZ. IGNACIO ZARAGOZA.
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ESPECTROS DE RESPUESTA DE ACELERACION
FIGURA 5
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Zona Oriente
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EJE DE JUNTA DE JUNTA DE EXPANSION DE EXPANSION
PLANTA ESQUEMATICA DE JUNTAS
C 41 80
RELLENAR CON MURO LATERAL /[RENO
NIVEL RASANTE
MURO DE CONCRO REFORZADO.
BALASTO 17
LOS A
C4 CORTE C-C
VISTA A-A JUNTA DE EXPANSION EN MUROS LATERALES O CENTRALES
VISTA B-B JUNTA CONSTRUCTIVA
Fig.7
N.T.N.
15
T EJE DE
o
PARTEAGUAS
o
2.5
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L TILLA DE CONCRET F'e IOO Kg1cm 2
TABLESTACA TABLA ESTACA
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445 -
lo SECCION EN TRAMO SUBTERRÁNEO
DIMENSIONES GENERALES
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F0RZADA CB-2
...EJE DE TRAZO
Fig.7.J TRAMO SUBTERRANEO DEL METRO LINEA "Aa
Planta nivel andén. Estación terminal Pantitlán,
11 41 TIT>I i i•Li: k-
Corte longitudinal. Estación terminal Pan titlán
JLIII[' — çi_i- -JTI
C'r Jr.rg!udna! Dc1!! Eia'on t.'•,'
Corte transversal. Estación termina! Pantitlán.
Fiç. 8
u u
ESTACION PANTITLAN PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO
EJE DE ESTACION 10+297.275
51109,1
10+390.8
SE ExCAVA
SE EXCAVA
SE EXCAVA
- 1 MURO Ml LAN
PRIMERA ETAPA
SEGUNDA ETAPA TERCERA ETAPA
ETAPAS DE EXCAVACION
Hg. 9 ETAPAS DE EXCAVACION
Corte longitudinal Estaciones intermedias prototipo
Corte trarisvesa Es o'es -das ivolotipo
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Planta ,t,vel vestibulo Estaciones intermedias prototipo
Fig. 10 ESTACIONES SUPERFICIALES, METRO LINEA "A"
1-1 9. II PUENTES VE-HCULARES U
2062.6
7.6
2.5 2.5
ARMADURA AR-2
NNVWVVM CABEZAl. C2
COLUMNA
2 o
—5 o - ° DADODI
CAJOt ~DO D- CAJON DECIMENTACION CC-U
'35 135 15
TRAMO DE PUENTE PEATONAL
Fig, 12 PUENTE PEATONAL
B IB LI OGRAF JA
Estudios para la Línea "A" del Metro de la Ciudad de México. fuente: COVITUR, Secretaría General de Obras del D.D.F.
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