Comunicación PATORREB 2012 “Estudios estructurales en la rehabilitación de edificios monumentales”

Esta comunicación se presentó dentro del apartado de Patología estructural, con código CP12.
Autor: Juan P. Varcárcel.
Dr. arquitecto y licenciado en Ciencias Físicas. Catedrático de Estructuras de la Universidad de La Coruña. Ha desarrollado investigaciones sobre estabilidad estructural en edificios monumentales, como los claustros de las catedrales de Santiago y Lugo y diversas iglesias y monasterios con problemas de patología estructural. Destacan sus estudios sobre la modelización de muros medievales y su influencia en la estabilidad estructural del edificio completo, presentados en diversos foros internacionales.
Juan P. Varcárcel ha sido muy amable al permitirme publicar su trabajo en el blog. A continuación os transcribo la comunicación y las imágenes de la presentación.
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RESUMEN
En esta ponencia se analizan los aspectos estructurales que deben analizarse con carácter previo a la intervención arquitectónica. Se indican los modelos de cálculo que se consideran más adecuados y las modelizaciones recomendables. Se aportan tres ejemplos de actuaciones realizadas.
Palabras clave: Intervención en edificios históricos. Patrimonio monumental.
I.INTRODUCCIÓN
Cuando se trata de intervenir en el patrimonio monumental es necesario disponer de una información completa y exhaustiva en todos los aspectos. Un edificio monumental es por su propia naturaleza irrepetible, por lo que cualquier actuación debe ser cuidadosamente planificada. E incluso con una planificación perfecta la propia realidad puede desmentir los datos de partida, por lo que es necesario disponer de actuaciones alternativas, ya planificadas de antemano, para responder con la rapidez requerida. El ejemplo de Saint Denis es suficientemente expresivo: un arquitecto incompetente (François Debret) decidió que era preciso desmontar una de las torres de la abadía de Saint Denis y luego no supo volver a montarla. La intervención posterior de Viollet-le-Duc consiguió salvar el edificio, pero no la torre.
Las actuaciones de rehabilitación monumental afectan a muy distintos campos de la arquitectura como los aspectos geotécnicos y de cimentaciones, los estructurales, constructivos, de instalaciones y por supuesto funcionales cuya importancia es manifiesta y muchas veces se asumen con gran frivolidad.
II.ASPECTOS ESTRUCTURALES
En este artículo analizaremos los aspectos estructurales en los que incluiremos también las cimentaciones, puesto que su relación es siempre muy estrecha con la estructura y aún más en los grandes edificios monumentales. Y nos centraremos en los análisis estructurales previos a la intervención, que nos permiten definir las mejores pautas dentro de un conjunto de soluciones. Es importante no concentrarse a priori en una sola forma de actuación, puesto que la realidad construida puede aconsejarnos modificar nuestra primera opción y es posible que entonces la situación de la obra no nos permita gastar tiempo en estudios estructurales.
Estos estudios pueden ser necesarios por multitud de situaciones de las que las más comunes son:
        Comprobación de la estabilidad y resistencia del edificio.- Se trata de determinar si un edificio, bien porque presente patologías o porque vaya a cambiar de uso, es lo suficientemente estable y resistente o es necesario reforzarlo de alguna manera.
       Comprobación del edificio o parte de él ante una nueva intervención prevista en la rehabilitación.- Es posible que el edificio esté en razonables condiciones de seguridad, pero que la rehabilitación prevea actuaciones a corto o a largo plazo que puedan alterar dichas condiciones. Así por ejemplo la excavación de sótanos en dependencias o patios o incluso la simple excavación de zanjas de drenaje o instalaciones.
       Actuaciones de eliminación de añadidos.- Muchos edificios monumentales tienen edificaciones de mala calidad adosadas a ellos que se construyeron para funciones auxiliares que han perdido su sentido. También en ocasiones se observan elementos de refuerzo claramente exagerados o incluso innecesarios, que puede ser interesante disminuir a proporciones razonables, remover o sustituir por otras soluciones de refuerzo más sensatas.
III.MODELOS DE CÁLCULO
Para este tipo de análisis deben utilizarse modelos de cálculo específico que reproduzcan de forma más adecuada el comportamiento del edificio e incluso el comportamiento del conjunto terreno-edificio.
En ocasiones los elementos a comprobar son estructuras de barras para las que pueden aplicarse los habituales métodos matriciales. Muchos elementos comunes en edificación monumental como cerchas de cubierta, forjados de madera, etc. pueden ser calculados por estos métodos e incluso manualmente. Son soluciones perfectamente válidas y debemos ser conscientes de que métodos más complejos como el método de elementos finitos (MEF) no tienen por qué ser más precisos ni reproducir mejor el comportamiento real del edificio o de sus partes.
Con todo el MEF suele ser el más adecuado para calcular edificios monumentales, generalmente construidos con fábrica. Para que esta modelización responda adecuadamente a lo esperado es imprescindible que se adapte a la realidad construida de los elementos a estudiar. Para ello los analizaremos muy brevemente.
1. Muros.
Los muros medievales suelen estar compuestos de dos hojas exteriores de sillería o mampostería de buena calidad y un relleno en la parte central de restos de piedra con cal o barro. Las bóvedas se apoyan sobre la hoja interior y los contrarrestos sobre la exterior.
Pueden usarse diversos tipos de modelización que se indican en la referencia (1). Las dos hojas más resistentes están unidas sólidamente por las piedras de enmarcado de los huecos y en ocasiones por la coronación del muro, aunque esta última puede faltar cuando la obra se ha dejado incompleta a la espera de construir en el futuro una bóveda de piedra. Sucede en muchas iglesias de Galicia y es muy notorio en la de Hospital de Incio.
En obras de menor importancia se hacía un muro de mampostería cubriendo todo su ancho que podemos entender como casi homogéneo. En este caso las piedras de mejor calidad se colocaban en los paramentos con lo que la parte central es más débil. Este tipo de muros es muy común y pueden modelizarse como un sólido continuo.
2. Bóvedas.
Existen dos tipos bien diferenciados: Las bóvedas nervadas de tipo gótico en la que los elementos resistentes básicos son los nervios aunque la plementería siempre colabora y las bóvedas continuas como las románicas o barrocas en las que el elemento resistente es la propia bóveda. En este caso las posibles nervaduras (como los arcos fajones) son secundarias y en algunos casos contraproducentes. En el caso de las bóvedas nervadas se modelizan con elementos lineales para los nervios y superficiales de tipo lámina para la plementería. Las bóvedas continuas pueden modelizarse con elementos de tipo lámina.
Un aspecto esencial en el correcto comportamiento de una bóveda es el relleno que generalmente tiene en los riñones. En ocasiones restauradores inexpertos han procedido a retirarlo causando serios años. Debe ser tenido cuenta y modelizado con elementos de tipo sólido (2), que también pueden emplearse en el resto de la bóveda.
3. Columnas.
Puede ser modelizadas como elementos lineales en el caso de columnas sencillas. En los grandes pilares de los edificios monumentales lo más adecuado suele ser utilizar elementos sólidos.
IV.ESTUDIOS PREVIOS.
Para abordar los estudios previos es conveniente el uso de modelos planos, mucho más sencillos de construir y que proporcionan una idea general del comportamiento del edificio ante las distintas posibilidades de actuación. Sin embargo el análisis final siempre debe hacerse con modelos tridimensionales.
Una cuestión abierta a la discusión es el tipo de comportamiento mecánico que debemos suponer en el modelo. En principio son posibles tres.
       Análisis elástico lineal.
       Análisis no lineal.
       Análisis de fractura.
La fábrica, que es el material habitual en este tipo de edificios, tiene un comportamiento claramente no lineal que además depende de las propiedades de la piedra o ladrillo y las del mortero. Además si está sometida a tensiones de tracción puede romperse, con lo que el conjunto deja de ser un material continuo. Estas consideraciones parecen avalar el uso tanto de métodos no lineales como de fractura.
Sin embargo la realidad demuestra que no tienen por qué ser siempre los métodos más adecuados. Así el método de fractura supone que, al rebasarse la capacidad resistente a tracción en una zona del edificio, la fábrica se rompe. El programa redistribuye los elementos para considerar la fractura existente y hace nuevos cálculos que la tienen en cuenta.
El principal problema es que no existe ninguna garantía de que esta fractura realmente exista en la forma que prevén los cálculos. Se produciría en esa localización si la fábrica fuese homogénea y las condiciones de contorno fueran exactas. Como no es así, lo normal es que las grietas reales del edificio no correspondan con las pautas teóricas. Por ello suelen dar mejores resultados, al menos para los estudios previos, los modelos elásticos lineales que por otra parte son más sencillos. Naturalmente, si el edificio presenta grietas, éstas deben incorporarse al modelo. Las reales, no las teóricas.
Con estos planteamientos generales veamos su aplicación a algunos ejemplos.
V EJEMPLOS
Dadas las limitaciones de la presentación analizaremos tres simples ejemplos del uso de los estudios estructurales previos en las tres situaciones que se señalaron en el párrafo II.
1.- Comprobación de la estabilidad y resistencia del edificio.- Elementos singulares del monasterio de Monfero.
El monasterio de Monfero fue abandonado a raíz de la invasión napoleónica y desde entonces se había producido una considerable ruina. En 1971 Pons Sorolla realizó una intervención centrada en la limpieza del conjunto y la consolidación del claustro gótico con un recrecido de hormigón. Recientemente Patricia Sabin y Enrique Blanco han iniciado un proyecto para convertir el monasterio en hotel -balneario. En una primera fase se trataba de limpiar y consolidar las ruinas para lo que se solicitó la colaboración de Juan Pérez Valcárcel y Manuel Muñoz para efectuar un estudio estructural del conjunto (3).
En este estudio se analizaron las condiciones resistentes de los distintos muros y también dos recintos singulares como son el refectorio y el escritorio.
El refectorio estaba cubierto por una extraordinaria bóveda de cañón formalmente encasetonada pero resuelta con una sillería de magnífica labra. Sin embargo los constructores la apoyaron directamente sobre los muros, lo que ocasionó que toda la zona central se hundiera. El estudio estructural solicitado debía resolver la seguridad del conjunto y la posible actuación sobre el mismo.
En primer lugar se analizaron diversas propuestas para lo que se realizó un modelo plano especialmente sencillo. Se estudió la posibilidad de trasdosar la bóveda para no intervenir sobre ella y colgarla de la parte superior de los muros por medio de celosías metálicas o muros diafragma de hormigón, que quedarían ocultos. Sin embargo la decisión de la Dirección Xeral de Patrimonio de no permitir trasdosados llevó a plantear una solución convencional con tirantes de acero inoxidable. En este caso se comprobó con un modelo tridimensional en el que están incluidas las grietas realmente existentes.
2.- Comprobación del edificio o parte de él ante una nueva intervención prevista en la rehabilitación.- Actuaciones previstas de drenaje en el monasterio de Bonaval.
En este caso el autor participó la toma de datos para el plan director del monasterio  redactado por Xerardo Estévez y Celestino García Braña. Se trataba de determinar la seguridad estructural no sólo del recinto inicial sino también de las actuaciones de rehabilitación previas de Pons Sorolla y de Rafael Baltar. Se realizó una completa revisión estructural que no desarrollaremos ahora por ser una comprobación de estabilidad y resistencia que ya se ha comentado.
Dentro de las actuaciones previstas existe una muy relevante en la funcionalidad del edificio, aunque bastante simple desde el punto de vista estructural. Un serio problema del conjunto es la filtración de agua del terreno que afecta especialmente al ala norte y que supone un grave inconveniente para su uso como museo. Para solucionarla se propuso la creación de una cámara bufa adosada a la parte enterrada del muro de fachada. Se trataba de determinar si su construcción podría afectar estructuralmente al edificio y comprometer su estabilidad.
Para comprobarlo se hizo un modelo tridimensional simple de una sección de muro comparando su estado inicial con las distintas situaciones de empuje del terreno, con la cámara construida. Los resultados permitieron comprobar la viabilidad de la solución.
3.- Actuaciones de eliminación de añadidos.- Iglesia de San Esteban de Ribas de Miño.
Esta iglesia tiene la curiosa particularidad de unos arbotantes apoyados sobre el ábside que, aunque parezca increíble, tienen como función sostener el muro de contención posterior. Dentro de un convenio de colaboración entre la Xunta de Galicia y la universidad de A Coruña se decidió estudiar, entre otros casos, este curioso ejemplo (4).
Para ello se hizo un modelo tridimensional muy simple, puesto que al desconocer el estado del relleno entre las hojas exterior e interior de los muros de ábside, se optó por no incluirlo en el modelo. Los cálculos permitieron demostrar que, en el caso de un empuje de tierras excesivo, los esfuerzos sobre los arbotantes serían muy superiores a los de la iglesia, por lo que serían ellos los que colapsarían. Entendemos que estos arbotantes podrían ser eliminados sin riesgo para el edificio, pero en todo caso son un curioso testimonio de una solución especialmente pintoresca.
VI CONCLUSIONES
Cómo se ha visto en los tres ejemplos el uso de modelizaciones simples en elementos finitos permite analizar en muchos casos los problemas que realmente necesitamos resolver sin que sean precisos estudios más sofisticados.
AGRADECIMIENTOS
El autor agradece a los arquitectos Patricia Sabín, Enrique Blanco, Xerardo Estévez, Celestino García Braña y a la Xunta de Galicia su confianza al encargarle los estudios que han permitido el desarrollo de esta ponencia.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) Pérez Valcárcel, Juan.; Escrig Pallarés, Félix ; Martín Gutiérrez, Emilio; Domínguez Díez, Eloy. “Structural Modeling of Medieval Walls”. Historical Constructions. University of Minho. 2001. ISBN:972-8692-01-3.
(2) Pérez Valcárcel, Juan.; Escrig Pallarés, Félix ” Structural Behaviour of Gothic Vaults “. 8th International Conference On Structural Studies, Repairs And Maintenance Of Heritage Architecture STREMAH VIII. Halkidiki, Grecia. 2003. pp 241-249.
(3) Pérez Valcárcel, Juan.; Muñoz Vidal, Manuel. Capítulo: “Verificación estrutural”. pp 38-45. Libro Memoria e Monumento: Limpeza e consolidación do Mosteiro de Monfero. Sabín-Blanco Arquitectos (Coordinadores de la edición). Lugami Artes Gráficas. A Coruña 2011. ISBN: 978-84-615-3182-0
(4) Pérez Valcárcel, Juan.; Escrig Pallarés, Félix “La eficacia estructural de los antiguos refuerzos sobre edificios históricos: Las iglesias de Guimarei y Ribas de Miño en Lugo (España”. IV Congreso Internacional de Rehabilitación del Patrimonio Arquitectónico y Edificación. La Habana. Julio 1998 pp 280-282.
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