- Corrección del Modelo Dinámico/Estático empleado en la Estructura Metálica del Sistema de Cerramiento Superior de la Envolvente de la Catedral de Santa Isabel, S-XIX, Malabo, República de Guinea Ecuatorial. -
Durante la realización del dimensionamiento y cálculo del rediseño y optimización del modelo dinámico/mecánico, hipótesis de trabajo y gestión de esfuerzos, y revisión de la geometría de la estructura metálica de la cubierta del templo.
Se detectó la aparición de unos momentos de desplazamiento axial motivados por el reparto de cargas y su modo de asignación a los elementos constitutivos de la estructura primaria externa. En relación a sus vínculos de conexión con la estructura de hormigón del edificio, y en concreto por el sistema de transmisión de esfuerzos elegido para realizar la descarga sobre los elementos sustentantes del sistema de conducción y descarga de esfuerzos del edificio (Pilares, Muros hastiales) hacia el sistema de sustentación del mismo, cimentación.
Estos esfuerzos fueron siendo acumulados durante la vida y funcionamiento del conjunto de elementos del sistema de envolvente del edificio, encontrándose contenidos en los citados elementos, los cuáles en un estadio posterior, tras el siniestro ocurrido en el edificio, y una vez fueron liberados durante la realización de los trabajos de rehabilitación del templo se manifestaron expresándose en la forma de la aparición de fisuras de gravedad media en uno de los muros hastiales del transepto.
Sobrepasando en la medida de lo observado (como trataremos a continuación), y colapsando el módulo de elasticidad del componente fundamental de la composición de los muros que expresó el conjunto de acciones resumidas a modo de “deformaciones plásticas” en uno de los muros hastiales, en concreto el situado en la fachada sur del templo, alineado hacia el este.
Hormigón disgregado. Pobre en conglomerante cementoso, y a juzgar por su tonalidad de color, compuesto con un Clinker de origen puzolánico combinado con un mínimo aporte de cal proporcionado por un pequeño porcentaje de yeso añadido a la mezcla en el momento de su elaboración.
Pudiendo asimilarse en un principio como una problemática puntual en los lugares donde se aprecia a simple vista, realmente no se trata de un problema localizado sino de algo mucho más complejo y que afecta a la totalidad de los elementos estructurales de hormigón construidos, cuando los elementos son sometidos a tracciones y retorcimientos (Flectores, Torsiones) y, principalmente, una vez el conglomerante de la masa se encuentra endurecido (cristalizado). Y que inequívocamente se encuentran ocasionadas por efectos constructivos derivados de diversos factores combinados con la edad de la construcción, factores que intentaremos detallar de manera coloquial (Sin Tecnicismos) durante el desarrollo del presente Informe Técnico.
Podemos diferenciar principalmente a dos agentes intervinientes de manera directa en la degradación de esta estructura durante su ciclo de vida útil:
1. Bajas concentraciones de conglomerante en la mezcla de Hormigón.
2. Tipo de conglomerante elegido para la elaboración del Hormigón
Y, a tres factores intervinientes capaces de afectar de manera indirecta a las propiedades y reacciones de la masa durante el proceso de vida de la misma.
3. Tipo de ambiente/clase de exposición medioambiental III.b.
4. Inclusión en la mezcla de Hormigón empleado en plantas altas de la estructura, de árido grueso durante la elaboración de la mezcla.
5. Ausencia de elementos de refuerzo metálicos en el interior de los muros objeto del estudio.
Éstos compuestos, fueron amplia y rápidamente popularizados por los maestros constructores de la época. Resultando éste tipo de composiciones conglomerantes las más apropiadas y capaces de ofrecer reacciones sinérgicas con los elementos constitutivos del ambiente en el que fueron empleadas.
De éste modo, fueron adoptados y empleados de manera genérica en emplazamientos propios de áreas costeras o limítrofes al mar (III.a, III.b) debido a su gran potencial químico a la hora de sintetizar sus elementos fundamentales en compuestos inalterables a la exposición al medio tras su proceso de oxidación y cristalización, resultando además óptimos al ser combinados con la cal del yeso aportado, debido a la propiedad alcalí/reactiva de ésta última, sometida a procesos de hidratación. Transformando su componente cálcico en combinación con las puzolanas para la formación del hidróxido de calcio necesario y fundamental para desarrollar una mezcla de hormigón capaz de, no solamente ser lo suficientemente resiliente en términos de consistencia y durabilidad durante el tiempo de su vida útil al conjunto de factores meteorológicos existentes en el medio de implantación, sino que como hemos mencionado anteriormente sean capaces de desarrollar reacciones sinérgicas con el mismo, aprovechando sus condicionantes más desfavorables y transformándolas en agentes químicos capaces de interaccionar con la alcalí del agregado y proporcionar módulos de elasticidad muy superiores a los iniciales en longevidad e inalterabilidad durante la vida útil de los compuestos empleados en la realización de éste tipo de conglomerados para estructuras expuestas a emplazamientos propios de las clasificaciones medioambientales mencionadas, y, con grandes variaciones en la granulometría de su agregado. Pudiendo encontrar elementos ahogados en su composición con diámetros superiores a los 100 mm como valor máximo, y dentro de la clasificación de áridos gruesos, de 10 mm como valor mínimo.)
Teniendo en cuenta la edad de los elementos existentes en la estructura del edificio original. Su composición original, y un nuevo condicionante aún no mencionado: el factor externo en el modo "de que el conjunto haya sido objeto de reformas y reparaciones” anteriores en el tiempo a la que actualmente nos ocupa, en, y para éste particular.
Debemos hacer especial reseña en el hecho de que el sistema estructural original elegido para la cubierta en el momento de su concepción por el proyectista, fue dimensionado como una estructura metálica ligera aporticada, y se constituyó bajo las características y propiedades mecánicas de un modelo estructural dinámico de carácter Isostático para su componente interno e hiperestático para el externo.
- Entendiendo como componente interno el conjunto de elementos constitutivos de la estructura superior directamente soportante de los elementos de cubrición superior de la envolvente sin vinculación exterior al conjunto de la estructura de cubierta.
Entendiendo al anterior el componente externo como el conjunto de elementos estructurales con vinculaciones nodales de tipo exterior, al conjunto mencionado formado entre ambos
Contando el mismo con la capacidad suficiente como para poder ser capaz de proporcionar la flexibilidad necesaria para absorber de manera independiente al resto de componentes de la envolvente de la edificación los movimientos y desplazamientos de la estructura originados por los agentes intervinientes de clase transitorio y permanente, y transmitir según el modelo de descarga propio de su naturaleza mecánica el conjunto de acciones a los pilares, para su descarga a través de sus nodos de vinculación exterior, del modo en que se realizó su concepción.
Como hemos expuesto en tanto a la tipología de la construcción, a la geometría y al modelo dinámico de trabajo del conjunto mecánico de los elementos constitutivos de la estructura de cubierta de la envolvente del predio. Pudimos advertir que, en anteriores reformas realizadas en los elementos descritos, se procedió muy probablemente de manera inconsciente a la realización de cambios irrelevantes para el conjunto a simple vista.
Pero siendo éstos fundamentalmente graves en su tipología para su morfología de conjunto frente a las acciones características de su modelo estático cuando son analizados de un modo mas técnico y en profundidad, aún y a pesar de ser los mismos sucesos, fácilmente reconocibles y observables a "ojo desnudo" tras un análisis de condicionantes y factores, existentes y evidentes a simple vista.
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DESCRIPCIÓN DE LAS ACCIONES Y DE SU REPERCUSIÓN
Durante un proceso de reforma anterior, los muros hastiales mencionados. Se prolongaron en su extensión longitudinal en el interior de la bajocubierta del edificio, y se unieron a los respectivos cuatro pilares del transepto empleando para ello un sistema de unión "embebida" que se constituyó a modo de "uniones empotradas" con un reparto de esfuerzos bi-direccional entre estructura de hormigón con vinculación directa exterior y los muros hastiales,
- Cuando la naturaleza del resto de las conexiones del conjunto del componente “interior” de la estructura metálica portante de cubierta, eran de naturaleza "articulada", y sin considerar que el tipo de modelo estático original empleado en su concepción de modo independiente para ellos, respecto al empleado para definir y procesar los esfuerzos provenientes del conjunto de estructura portante empleado en la concepción del cerramiento superior de la envolvente del edificio, respondía a un modelo de descarga "isostático" para los dos pórticos existentes entre los cuatro pilares del transepto mencionados. -
Con ésta modificación y añadiendo cuatro nuevos vínculos a la estructura se transformó la naturaleza del modelo dinámico/mecánico de la estructura que pasó a corresponderse desde entonces a un modelo "Semi-Hiperestático" para la zona de afección.
- Procede el empleo e introducción del término no reglado, "Semi-Hiperestático", para referirnos de un modo conjunto a todos los componentes intervinientes en la composición de la estructura, debido a que el conjunto de la estructura de cubierta continuaba funcionando talmente como originalmente fue concebido en su origen, como un modelo "Isostático" para su componente “interno”, a excepción de los "particulares" tratados, y existentes en sus vínculos/conexiones con los pilares del transepto y muros hastiales de recibido de cubierta con naturalezas nodales de vinculación exterior.
De igual modo que en el método de gestión de esfuerzos desarrollado y empleado por Cross en el mismo S.XIX para resolver y gestionar la rigidez de las estructuras, primando en una primera etapa del estudio de las mismas la observación de los "momentos", y dejando para una segunda etapa de análisis los flectores y desplazamientos
(en el mejor de los casos, y dando por supuesto que quién en su momento realizó las modificaciones, era consciente de lo que estaba haciendo en realidad),
añadiendo nuevos vínculos al diseño original, esta modificación pudo haber sido calificada y aceptada como óptima, de no ser porque:
"Si bien en un primer estadio de uso, la nueva hipótesis dinámica favorecía la descarga y estabilización rigidicizacional del conjunto estructural de cubierta a través de los nuevos vínculos introducidos en la zona del crucero en sus extremos laterales, norte y sur, en el cruce de naves longitudinal y transversal; Que proporcionaban al conjunto nuevos puntos de descarga para solicitaciones normales y propias de la acción gravitatoria. Al estar estos últimos, anclados (Empotrados) a los muros hastiales de sus respectivos transeptos (norte y sur), ésta última característica favorecía la aparición de giros en estas conexiones nodales.
En consecuencia, los efectos que con esta modificación se estaban favoreciendo y propiciando en el conjunto del funcionamiento de la estructura sobre un modelo vectorial de transmisión de acciones, se constituían a modo de acciones agresivas para el conjunto al quedar en las partes descritas contenidas.. Es decir, los flectores producidos por las acciones soportadas por la nave principal del componente superior de la envolvente, en su conjunto y modo, muy al contrario de lo deseable se constituían en la forma de que la mayor parte de los esfuerzos recibidos de la acción de las cargas transitorias sobre toda la disposición longitudinal de la nave de mayores dimensiones, la central, estaba favoreciendo la transmisión de estas acciones flectoras recogidas a lo largo del eje "Y" del desarrollo longitudinal de la nave principal en dirección a la zona del transepto, donde las mismas eran transmitidas a través de los nuevos vínculos nodales de descarga en los cuatro pilares del transepto que habían sido transformados en bi-direccionales, cuyas propiedades ya han sido ampliamente descritas a lo largo del desarrollo de ésta nota técnica.
En definitiva y a modo de conclusión, los mismos eran transmitidos a través de estos nodos sometiendo a los citados elementos hastiales a esfuerzos para los que no fueron concebidos.
(Principalmente fueron concebidos inicialmente para responder ante solicitaciones “normales” de carga gravitatoria y peso propio, de naturaleza compresiva).
Si bien pudiendo ser teórica e inicialmente éste último, un hecho beneficioso para el funcionamiento del conjunto portante de cubierta por proporcionar nuevos "nudos" de descarga a la estructura superior en conjunto, y, efectivo frente a solicitaciones de naturaleza "acciones permanentes" del tipo “Gravitatorias”.
En la práctica éste último factor en conjunto, no se comportó
(como era totalmente previsible de haber tenido en cuenta todo lo expuesto en consideración, en el momento de la realización del cambio en el modelo dinámico/mecánico de funcionamiento de la estructura)
del modo más apropiado frente a "acciones transitorias". Dado que el conjunto de acciones transitorias recibidas por el cerramiento de cubierta en la extensión longitudinal de su eje "Y", debía ser transmitido a descarga por los puntos indicados, no estando los muros de referencia dimensionados para ésta funcionalidad estática, en cuanto a tener que actuar como elementos transmisores de acciones de esa naturaleza, y estando concebidos únicamente como elementos activos frente a acciones principalmente permanentes tales como esfuerzos a compresión.
(Obviamos los esfuerzos soportados por éstos últimos elementos en cuanto a acciones transitorias, en su forma de "vientos" debido a la gran sección de los mismos y sus áreas.
· La primera - Muro macizo con sección más que suficiente como para dotar al elemento de una gran inercia estática propia de su morfología y geometría -, suficiente como para soportar cornisas y el proporcional del peso propio repercutido del faldón de cubierta transversal que entrega en ellos.
· Y la segunda (Área) por ser de mínimas proporciones en relación con el contexto de su situación y modo de anclaje a la estructura de hormigón existente original.)
Llegados a este punto de comprensión de los factores existentes, de los intervinientes y frente al resultado de los daños en las propiedades físicas del metal y las deformaciones ocasionadas por la acción del fuego sucedido.
Los elementos metálicos de la estructura de cubierta sufrieron pandeos que motivaron tracciones que se expresaron en el modo de "tiranteces" y torsiones que fueron transmitidas a los muros de ambos transeptos, que y como se ha descrito con anterioridad debido a su composición, módulo de elasticidad y resiliencia de sus elementos constitutivos, sometieron a desplazamientos excesivos sobre el módulo de resistencia tangencial a torsión de los muros provocando en los mismos "Desplazamientos” y “Torsores” que fueron expresados como “Deformaciones Plásticas" por el material de los componentes hastiales,
Se tomó como ejemplo para la resolución de ésta problemática el ejemplo aprendido de la "ecuación" implementada por "Saint-Venant" para la consideración de acciones en secciones macizas, implementada a la "Ley de Hooke" relacionada con la introducción de factores correctores a las ecuaciones y determinaciones contenidas en la misma, en tanto a elasticidad, deformaciones y resiliencia a forma original de los elementos objeto del estudio para elementos sometidos a grandes acciones torsionales del tipo "puras" o "dominantes" donde el módulo de torsión tenido en cuenta deba ser independiente al sistema de ejes elegido en su planteamiento.
transmitiéndose estas acciones a los muros hastiales a través de los nuevas "vinculaciones exteriores" de conexión de la estructura metálica.
De no haber sido efectuada esta modificación/transformación del modelo dinámico/mecánico de funcionamiento sobre el modelo estático de transmisión y liberación de cargas de la estructura, éstas acciones hubiesen sido liberadas actuando en descarga gravitatoria directa sobre el núcleo interno de los pilares soportantes del transepto.
En su lugar, estas acciones o más bien repercusión de las mismas, interactuando en combinación a todo lo anteriormente analizado y expuesto, quedaron contenidas en el núcleo de los muros y se manifestaron en el modo de reacciones puntuales del tipo "Deformación Plástica" en ser liberadas de sus "actores".
Éste "movimiento" pudo ser detectado del mismo modo, en el momento en el que se liberaron los muros a las tensiones a las que se encontraban sometidos, durante la ejecución de la fase de desmontaje de la estructura secundaria de madera, y liberación del empotramiento de los pilares del transepto (en su transcurso desde la cota de falso techo hasta el bajocubierta superior) donde se realizaron los anclajes de las prolongaciones de los muros, realizados en un anterior proceso de reforma, para proceder al empotramiento de los "nudos" de transición entre estructura y elementos de descarga con vinculación exterior, que se manifestó mediante la aparición de unas fisuras de gravedad media, única y exclusivamente en uno de los muros, durante la ejecución de los trabajos de demolición de las estructuras superiores existentes y a sustituir por nuevos elementos.
(en arreglo al mismo suceso, cabe mencionar que la citada problemática existía de igual modo y en igual medida en todos los elementos mencionados en la zona del transepto, y que era cuestión únicamente de tiempo que los mismos efectos en mayor o menor medida, fuesen expresados del mismo modo por el resto de elementos intervinientes a "corto plazo" originando deficiencias y precariedades en el funcionamiento de los mismos, y dando lugar a la aparición e inicio de nuevos procesos químicos derivados de su interacción con el medio y clase de exposición, que una vez finalizados los procesos de reforma actuales, hubiesen, sin duda, propiciado la aparición y proliferación de nuevas patologías en la zona de afección a muy corto plazo.)
Del mismo modo, durante la fase de re-diseño y dimensionamiento de las cabezas de pilar, para recibir los nuevos apoyos necesarios para la realización del conexionado de los nuevos elementos verticales de sustentación de la estructura de cubierta superior, indicada por el proyectista.
El equipo encargado de realizar dichos diseños, propuso la realización de unas nuevas bases metálicas ancladas a las cabezas existentes mediante la formación de encepados coaxiales dispuestos alrededor de los nudos de transición existentes. Disponiendo a las bases para su anclaje, de pernos soldados y doblados en su extremo a 90º, todo macizado con hormigón HA-25.
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ACCIONES CORRECTORAS IMPLEMENTADAS
Con el fin de reducir y/o en el mejor de los casos
(tal y como ha sido logrado en la fase de ejecución mediante la introducción de las soluciones estructurales implementadas)
neutralizar, mediante la reconducción del sistema de transmisión y conducción de esfuerzos, y teniendo en cuenta que:
"En un sistema hiperestático de Cross compuesto de nudos bi-articulados que así mismo se encuentran sujetos a empotramientos en otros elementos estructurales de distinta naturaleza.
Al eliminar parte de las uniones empotradas, que retienen las tensiones acumuladas a causa de las deformaciones sufridas por el material estructural durante el incendio, la superposición de fuerzas existentes contenidas en las uniones, una vez liberadas da lugar a la aparición de desplazamientos y momentos flectores perpendiculares a la proyección de las citadas acciones."
Se procedió a la realización de grandes rozas en sentido diagonal, oblicuo al eje longitudinal de los muros, habilitadas en dos fases de realización (intradós, extradós) para la disposición en el interior del núcleo de los muros hastiales de armaduras de calibre igual a (h*1/5)*100mm (80mm, vigueta "U" S-275JR 2 x 2 x 4 ud.) de la cota de alzado de los muros en ambas caras capaces de introducir mejoras a modo de corrección en el módulo de elasticidad de los mismos, proporcionando nuevas capacidades de trabajo a los muros mencionados. Y del tipo "L" Ángulo 90º x 2 x 2 x 4 unidades (intradós, extradós), de 60x60mm de ala y 5mm de espesor, en disposición longitudinal horizontal en cota superior, hasta la carrera de cubierta de los muros hastiales laterales de los transeptos (h/2.18m. / h/2.48m. x l/2.74m.), y del tipo "L" Ángulo 90º x 2 x 2 x 4 (intradós, extradós), de 60x60mm para la base de los mismos muros (De igual longitud a los dispuestos en cota de durmiente y a h/0.18m. / h/0.48m. x l/2.74m.), y , en cota de línea de carrera del faldón de cubierta de la nave principal, y de, para el caso de los pilares existentes, en los extremos de los muros, del tipo "L" Ángulo 90º x 2 x 2 x 4 (intradós, extradós), de 60x60mm (h/-0.10 – h/2.62m.)
Y, dotando al conjunto de la estructura portante de nuevos elementos (nudos) de conexión y descarga a elementos preexistentes en la estructura original (Torres, y muro Hastial Oeste) transformando así la totalidad de su conjunto, en un sistema hiperestático capaz de añadir no solo valor y rigidez estática al conjunto de la obra original, sino además y en primer término, implementar un nuevo grado de seguridad estructural al conjunto de la edificación.
Se procedió a la concepción y dimensionado de un nuevo modelo dinámico/mecánico para el “componente externo” del conjunto estructural superior de cerramiento de la envolvente, capaz de solucionar todos los factores analizados, y además, proporcionar una mayor capacidad de resiliencia al conjunto de elementos estructurales capaces de ofrecer un nivel de seguridad y protección a los usuarios del templo ante acciones características del entorno y su clasificación.
Otrosí dotar al conjunto de un nuevo elemento portante de los elementos de cubrición superior de la envolvente del edificio, basado en lo aprendido de lo sucedido y adaptado a las necesidades climatológicas actuales y previsibles en un futuro cercano debido al “calentamiento global”. Con prestaciones suficientes como para proporcionar y ser constituido como un "elemento" activo de protección añadida al conjunto, capaz de evitar futuros daños por problemáticas de similar naturaleza, susceptibles de poder volver a suceder en un futuro, durante la vida útil de la estructura. Capaz de minimizar los daños que otramente se pudiesen ocasionar a los elementos decorativos dispuestos en su interior tras este último proceso de reforma integral del edificio. Rediseñando y facilitando la conducción de las citadas acciones mediante la implementación de armaduras en el núcleo de la totalidad de los muros hastiales de la nave transversal, en sus extremos norte y sur, y con la correspondiente implementación de elementos susceptibles de proporcionar factores de corrección a los efectos y casuísticas mencionadas de naturaleza estática en los párrafos anteriores de esta nota técnica.
Se implementó en la elaboración de todas las masas conglomerantes y de revestimiento empleadas respectivamente para todos y cada uno de los usos comprendidos en cada proceso o actuación realizado sobre la totalidad de los elementos contenidos en el proyecto de reconstrucción indicados por el proyectista.
La adición de químicos solubles, en la composición, de naturaleza EPOXI, con propiedades hidrofugantes y baja permeabilidad térmica, con el fin de proteger a los componentes conglomerantes de las masas y demás elementos de refuerzo implementados en su interior, de la sobreexposición a los condicionantes medioambientales existentes y características del lugar de emplazamiento del monumento.