LA RESTAURACIÓN DE LA OBRA CIVIL Y EL PATRIMONIO INDUSTRIAL Almuñecar 16-120 de julio de 2012
LA CONSERVACIÓN ESTRUCTURAL EN LA INTERVENCIÓN SOBRE LAS OBRAS DE INGENIERÍA RESTAURADAS P. Roca Universitat Politècnica de Catalunya
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
ÍNDICE INTRODUCCIÓN - OBJECTIVO RETOS PLANTEADOS POR LAS CONSTRUCCIONES HISTÓRICAS LIMITACIONES DE NORMAS Y MÉTODOS CONVENCIONALES INCERTIDUMBRE Y SUBJETIVIDAD RECOMENDACIONES DE ICOMOS/ISCARSAH. ENFOQUES PROPUESTOS ANEJO SOBRE CONSTRUCCIONES PATRIMONIALES DE ISO 13822 CONCLUSIONES
2
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
AUTENTICIDAD (Document de Nara, 1994)
Conservación del patrimonio cultural en todas sus formas y periodos históricos basada en los valores que le son atribuidos.
La autenticidad, considerada in de esta manera y afirmada en la Carta de Venecia, aparece como el factor calificador esencial en relación al valor cultural. La comprensión de la autenticidad juega un papel fundamental en todos los estudios científicos sobre patrimonio cultural […].
3
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
En el patrimonio arquitectónico, la búsqueda de la autenticidad lleva al principio de la mínima intervención. Sólo debieran ser aceptables intervenciones de carácter mínimo e indispensable (tales que no causen una fuerte alteración de la estructura).
IABSE 2010 Evaluaci贸n estructural de construcciones hist贸ricas
5
Los elementos del problema: Las personas, el contenido art铆stico, la estructura.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
OBJETIVO DE LA VERIFICACIÓN ESTRUCTURAL DEL PATRIMONIO ARQUITECTÓNICO
Evitar riestos inaceptables para las personas y el contenido artístico, intentado a la vez satisfacer el objetivo de la intervención mínima.
Supone ello un conflicto?
IABSE 2010 Evaluaci贸n estructural de construcciones hist贸ricas
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
RETOS (1) - EL MATERIAL Los materiales históricos o tradicionales (tierra, piedra, mampostería, madera) se caracterizan por fenómenos mecánicos y resistentes muy complejos que suponen todavía un reto para nuestras capacidades de modelado. La obra de fábrica se caracteriza por -su carácter compuesto (piedra / ladrillo y mortero) -respuesta frágil en tensión (casi nula resistencia a la tracción) -respuesta friccional a cortante en juntas -anisotropía (la respuesta depende de la orientación de las cargas)
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
RETOS (2) – LA GEOMETRIA Las estructuras históricas muestran una geometría muy compleja. A menudo incluyen elementos rectos (pilares) o curvos (arcos). Combinan elementos lineales (arcos, arbotantes) y 2D (bóvedas, cúpulas) y 3D (rellenos, pechinas ...). Combinan elementos esbeltos y masivos (pilares, muros contrafuertes, fundaciones ...).
Aunque sigue siendo un reto, hoy en día existen métodos numéricos (como FEM) permiten una descripción realista, versátil y precisa de la geometría.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
RETOS (3) – MORFOLOGÍA Y CONEXIONES Los elementos estructurales son frecuentemente no homogéneos y muestran una estructura interna compleja, incluyendo varias capas, relleno, cavidades, elementos de refuerzo… Las conexiones constituyen regiones singulares con características geométricas y morfológicas específicas. La transferencia de fuerzas puede activar fenómenos resistentes específicos (problemas de contacto, fricción, carga excéntrica). Un modelado preciso de la morfología y las conexiones puede ser muy exigente desde el punto de vista computacional. Sin embargo, la principal dificultad se encuentra en la caracterización física por medio de procedimientos no (o casi no) destructivos.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
RETOS (4) ACCIONES Las estructuras históricas experimentan acciones de naturaleza muy diferente. Éstas deben ser caracterizadas en el tiempo histórico. Algunas son cíclicas y repetitivas (y acumulan efectos significativos a largo plazo), algunos se desarrollan gradualmente en períodos de tiempo muy largo, algunas se asocian a periodos de retorno largos... Carga gravitatoria Daño a largo plazo (fluencia) Asentamientos Ciclos térmicos y micro-temblores (múltiples repeticiones) Grandes terremotos Incendios, accidentes Alteraciones, restauraciones inadecuadas Ataque químico, biológico…
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
RETOS (5) - ESTADO ACTUAL El realismo y la precisión requieren que el modelo incluya y simule los daños existentes y las alteraciones (al menos, los que pueden afectar el desempeño estructural). las principales fisuras y la deformación deben ser incluidas en el modelo. Las fisuras, por ejemplo, puede ser modeladas mediante la desconexión de algunos elementos o a través del debilitamiento de las propiedades mecánicas de las regiones afectadas. El daño consiste en fisuras o grietas, material degradado (debido al ataque químico o físico) o en cualquier efecto que produzca una reducción de la capacidad original de los materiales y elementos estructurales.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
RETOS (6) - DATOS Los materiales y las estructuras históricos suelen ser muy heterogéneos y sus propiedades muestran gran dispersión. Las estructuras exhiben muchas adiciones o alteraciones(realizadas con diferentes materiales). La adquisición de datos se ve limitada por el debido respeto debido al monumento y material original.
En general se prefiere realizar ensayos no (o casi no) destructivos, de carácter indirecto. En su caso, sólo se admite un número muy limitado de calas para observación directa. En la práctica, sólo es posible recoger información limitada y parcial, siendo necesario realizar fuertes hipótesis adicionales sobre la morfología y las propiedades del material en la elaboración de un modelo.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
RETOS (7) – HISTORIA La historia es una característica muy importante de la construcción y debe ser considerada e integrada en el modelo. Los siguientes efectos ligados a la historia pueden haber tenido influencia en la respuesta estructural y en los daños existentes: Proceso constructivo Alteraciones arquitectónicas posteriores, adiciones ... Destrucción durante conflictos (guerras ...) Acciones naturales catastróficas (terremotos, inundaciones, incendios ...) Fenómenos de daño a largo plazo Sin embargo, la historia constituye también una fuente de conocimiento. El conocimiento de la evolución histórica del edificio (en caso de ser investigable), puede dar lugar a conclusiones sobre la resistencia estructural y sus debilidades. La historia constituye un experimento valioso ocurrido en escala real de espacio y tiempo. En cierto modo, la historia compensa la insuficiencia de datos antes mencionada.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
APLICABILIDAD LIMITADA DE NORMAS Y MÉTODOS CONVENCIONALES La mayoría de las normas y de los métodos no tratan adecuadedamente el comportamiento y la seguridad estructural real de las construcciones antiguas. El cumplimiento forzado de las normas sísmicas y geotécnicas orientadas al tratamiento de estructuras modernas puede conducir a implementar medidas drásticas e innecesarias al no tomar en cuenta el comportamiento estructural real.
Un planteamiento excesivamente conservador no es adecuado en las estructuras históricas en las que un intento forzado de mejorar la capacidad puede conducir a la pérdida de material cultural o histórico y a cambios en la concepción original de la estructura.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
SUBJETIVIDAD E INCERTIDUMBRE
La incertidumbre inherente a los datos (acciones, geometría, deformaciones, propiedades de los materiales...), utilizados en la investigación.
La dificultad de representar fenómenos reales de manera precisa con modelos matemáticos adecuados (los modelos proporcionan sólo una representación limitada de la realidad).
IABSE 2010 Evaluaci贸n estructural de construcciones hist贸ricas
Se precisa de un modelo, construido a partir de los datos disponibles, para elaborar predicciones sobre la respuesta estructural y para verificar la seguridad estructural
17
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
Fase 1. Recopilación de datos. Proporcionará información parcial que permite definir el modelo sólo en parte
18
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
19
Región “transparente” Características bien conocidas gracias a la recopilación de datos.
Región “oscura” Características totalmente o parcialmente desconocidas que deben ser supuestas. Incertidumbre, espacio para la subjetividad, conclusiones potencialmente incorrectas.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
Fase 2. Calibración y validación basadas en la comparación con la información empírica proporcionada por la historia, la inspección y la instrumentación.
20
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
Fase 1 – Entrada de datos. NIVEL LOCAL
Fase 2 - Calibración por comparación con medidas experimentales a NIVEL GLOBAL
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
2A FASE
3A FASE
PREDICCIONES PARA VALIDACIÓN Y CALIBRACIÓN (COMPARACIÓN)
PREDICCIONES PARA VERIFICACIÓN (PROGNOSIS)
RECOPILACIÓN DE DATOS
1A
FASE
MODELO ESTRUCTURAL
Una vez que el modelo se valida (segunda fase), será utilizado para predecir aspectos desconocidos de la respuesta estructural. Por ejemplo, el modelo podría ser validado para carga gravitatoria (respuesta conocida) y luego ser utilizado para predecir la capacidad sísmica (en principio desconocida). Hay incertidumbre inevitable en el proceso.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
DOCUMENTOS RELEVANTES
ICOMOS / ISCARSAH RECOMMENDATIONS FOR THE ANALYSIS, CONSERVATION AND STRUCTURAL RESTORATION OF ARCHITECTURAL HERITAGE (2003, 2005)
ISO 13822 ASSESSMENT OF EXISTING STRUCTURES (2003) (ANNEX ON HERITAGE STRUCTURES IN DEVELOPMENT BY ISO TC98 SC2 WG6) “This international Standard is applicable to historical structures, provided additional considerations are taken into account concerning the preservation of the historical appearance of the structure and the preservation of its historical materials”.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
DIAGNOSIS & VERIFICACIÓN El análisis estructural es uno de los (cuatro) diferentes enfoques (o fuentes de información) que pueden ser considerados para investigar una estructura histórica. La evidencia proporcionada por éstas se integra dentro de un conocimiento conjunto. Los resultados del análisis estructural no deben estar en contradicción con la información proporcionada por las otras fuentes
HISTORIA
INSPECCIÓN
ANÁLISIS INSTRUMENTACIÓN ESTRUCTURAL
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
Las estructuras del patrimonio arquitectónico, por su peculiaridad y su compleja historia, requieren una organización de los estudios y análisis en distintos pasos, similares a los que se utilizan en medicina: anamnesis, diagnóstico, terapia y controles, que corresponden respectivamente a la inspección inicial, la identificación de las causas del daño y el deterioro, la elección de las medidas terapéuticas y el control de la eficacia de las intervenciones.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
El diagnóstico se basa en información histórica y análisis cualitativos y cuantitativos. El análisis cualitativo parte de la observación directa del daño estructural y el deterioro del material, así como de la investigación histórica y arqueológica, mientras que el análisis cuantitativo precisa ensayos de materiales y estructurales, monitorización y análisis de la estructura.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
La evaluación del nivel de seguridad, que es el paso posterior al diagnóstico, es la fase en la que se toma la decisión de intervenir y debe aunar el análisis cualitativo con el cuantitativo.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
VERIFICACIÓN –ENFOQUE PROPUESTO (ISCARSAH 2005) Una comprensión más amplia no sólo basada en cálculos. La comprensión resulta de la integración de distintos enfoques tanto cuantitativos como cualitativos. ENFOQUE HISTÓRICO Conocer a partir de la historia (Investigación sobre el comportamiento pasado) ENFOQUE CUALITATIVO Procedimiento inductivo (comparación y extrapolación de otros edificios) ENFOQUE EXPERIMENTAL Experimentos sobre los componentes individuales o sobre todo el edificio ENFOQUE ANALÍTICO Procedimiento deductivo. (Modelado y simulación por métodos de análisis estructural)
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
ENFOQUE HISTÓRICO Conocer a partir de la historia Experimento a escala real de tiempo y espacio
Investigar el comportamiento mostrado por la misma estructura, o estructuras similares, ante acciones históricas
IABSE 2010 Evaluaci贸n estructural de construcciones hist贸ricas
ENFOQUE CUALITATIVO Procedimiento inductivo (comparaci贸n y extrapolaci贸n de otros edificios)
IABSE 2010 Evaluaciรณn estructural de construcciones histรณricas
ENFOQUE ANALร TICO Procedimiento deductivo (analisis estructural)
Modelizaciรณn y anรกlisis de una estructura para obtener predicciones cuantitativas sobre la respuesta ante diferentes acciones.
IABSE 2010 Evaluaci贸n estructural de construcciones hist贸ricas
ENFOQUE EXPERIMENTAL
Experimentos en componentes individuales o en globalmente en la estructura Ejemplo: pruebas de carga en forjados, losas o b贸vedas
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
DISEÑO DE LA INTERVENCIÓN
Respeto hacia los materiales y la estructura existentes y mínimo impacto
Bases para el diseño de la intervención: Requisitos de seguridad Compatibilidad entre los materiales o elementos originales y los añadidos (química, mecánica, reológica, térmica, física...) Mínima invasividad Durabilidad Reversibilidad (desmantelabilidad) Controlabilidad - Monitorizabilidad
IABSE 2010 Evaluaci贸n estructural de construcciones hist贸ricas
La terapia debe dirigirse a la ra铆z de los problemas, no a los s铆ntomas.
IABSE 2010 Evaluaci贸n estructural de construcciones hist贸ricas
No debe emprenderse ninguna acci贸n sin haber evaluado los beneficios y perjuicios que pueda suponer para el patrimonio arquitect贸nico y sus efectos secundarios a largo plazo.
IABSE 2010 Evaluaci贸n estructural de construcciones hist贸ricas
Las imperfecciones y las alteraciones, cuando se hayan convertido en parte de la historia de la estructura, deben conservarse, siempre y cuando no comprometan los requisitos de seguridad.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
Sólo debe recurrirse al desmontaje y la reconstrucción cuando lo requiera la naturaleza de los materiales y de la estructura y/o cuando la conservación por otros medios resulte más perjudicial.
IABSE 2010 Evaluaci贸n estructural de construcciones hist贸ricas
Un mantenimiento adecuado puede limitar o retrasar la necesidad de otras intervenciones.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
Las medidas de conservación y consolidación deben tener en cuenta tanto la evaluación del nivel de seguridad como la comprensión del significado histórico y cultural de la estructura.
IABSE 2010 Evaluaci贸n estructural de construcciones hist贸ricas
No debe emprenderse ninguna acci贸n si no se ha demostrado que es indispensable.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
Las intervenciones serán proporcionales a los objetivos de seguridad y se mantendrán en el nivel mínimo de intervención que garantice la seguridad y durabilidad causando el menor perjuicio posible a los valores patrimoniales.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
El diseño de la intervención debe basarse en una total comprensión del tipo de acciones (fuerzas, aceleraciones, deformaciones, etc.) que han causado el daño y el deterioro, así como de aquellas que actuarán en el futuro.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
La elección entre técnicas «innovadoras» y «tradicionales» debe ser sopesada caso por caso; se dará preferencia a aquellas que resulten menos invasivas y más compatibles con los valores patrimoniales, teniendo siempre presentes los requisitos de seguridad y durabilidad.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
Siempre que sea posible, las medidas que se adopten deberán ser «reversibles», de tal modo que puedan ser eliminadas y sustituidas por otras más adecuadas a raíz de nuevos conocimientos. Cuando las intervenciones no sean completamente reversibles, no deben impedir intervenciones posteriores.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
Las características de los materiales que se usen en los trabajos de restauración (especialmente los materiales nuevos) y su compatibilidad con los existentes deben ser completamente conocidas (por ejemplo, para evitar el riesgo de una reacción química negativa). En cualquier caso, tiene que quedar claro que la compatibilidad es una condición necesaria pero no suficiente para aceptar un producto, ya que sus beneficios deben ser demostrados. Este conocimiento debe incluir los efectos a largo plazo, de modo que se eviten efectos secundarios indeseables.
IABSE 2010 Evaluaci贸n estructural de construcciones hist贸ricas
No deben destruirse las caracter铆sticas distintivas de la estructura y su entorno en su estado original o de cualquier cambio posterior significativo.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
Toda intervención debe respetar, en la medida de lo posible, la concepción y las técnicas constructivas originales, así como el valor histórico de la estructura (incluidos los materiales históricos) y las pruebas históricas que proporciona.
IABSE 2010 Evaluaci贸n estructural de construcciones hist贸ricas
48
Elementos que aportan valores culturales intangibles (evidencia sobre las t茅cnicas y los procedimientos constructivos hist贸ricos)
IABSE 2010 Evaluaci贸n estructural de construcciones hist贸ricas
49
Elementos que aportan valores culturales intangibles (evidencia sobre las t茅cnicas y los procedimientos constructivos hist贸ricos)
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
La intervención debe ser el resultado de un plan integral que dé la importancia adecuada a los distintos aspectos de la arquitectura, la estructura, la tecnología constructiva, las instalaciones y la funcionalidad de la construcción, y sus aspectos simbólicos, históricos y documentales.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
La eliminación o alteración de cualquier material histórico o cualquier característica arquitectónica distintiva debe evitarse en la medida de lo posible.
IABSE 2010 Evaluaci贸n estructural de construcciones hist贸ricas
La reparaci贸n es siempre preferible a la sustituci贸n.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
No se adoptarán medidas cuyo control durante la ejecución sea imposible. Cualquier propuesta de intervención debe ir acompañada de un programa de monitorización que se llevará a cabo, en la medida de lo posible, durante la ejecución de los trabajos.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
EXTRACTO DE NUEVA ISO13822 (ANEXO SOBRE CONSTRUCCIONES PATRIMONIALES) Las estructuras históricas tienen valor cultural y patrimonial en sí mismas. Deben ser preservadas por su propio bien y no sólo como soporte para el resto del material histórico.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
La evaluación de una estructura patrimonial incluye dos aspectos: el desempeño estructural, familiar para los ingenieros, y el valor como recurso cultural. Estos dos aspectos deben ser igualmente considerados en cualquier decisión que implique una intervención. Deben evitase enfoques de la evaluación estructural excesivamente cautelosos porque puede llevar a intervenciones innecesarias y dar lugar a una pérdida significativa de valor cultural.
55
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
Los juicios sobre el valor patrimonial y la autenticidad pueden diferir de una cultura a otra. No hay criterios fijos. En algunas zonas geográficas, el mantenimiento de la práctica de la construcción tradicional se privilegia sobre la conservación de los materiales originales.
56
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
Además de estado límite último de la seguridad, se considerarán estados de servicio, tales como el límite de la deformación necesaria para evitar el deterioro de las pinturas y contenidos artísticos.
57
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
A pesar del esfuerzo dedicado a la validación, la incertidumbre puede persistir debido a diversos factores tales como la heterogeneidad de los materiales, los detalles constructivos, el alcance del deterioro, o la limitación de la información recogida por la inspección directa. En este caso, el juicio ingenieril debe tener en cuenta el enfoque comparativo y el enfoque histórico.
Enfoque comparativo: Comparación con una serie de construcciones similares cuyo comportamiento ya es entendido y puede utilizarse para obtener comprensión sobre el desempeño y la capacidad de una estructura. Aproximación histórica: Teniendo en cuenta la historia de la estructura como valiosa fuente de información sobre su desempeño.
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
En algunos casos, la protección del valor patrimonial puede exigir la aceptación de un nivel de fiabilidad más bajo que el implícitamente en las instrucciones o normas de diseño estructural.
En estos casos, es preciso adoptar medidas paralelas para limitar las consecuencias de un fallo estructural sobre las personas sobre de los contenidos artísticos (por ejemplo, un uso restringido puede limitar el número de personas en riesgo).
IABSE 2010 Evaluación estructural de construcciones históricas
CONCLUSIONES Los cálculos no serán normalmente suficientes
Enfoque científico que integre evidencia cualitativa y cuantitativa Combinación de distintos enfoques (incluyendo historia, inspección, instrumentación, experimentos, análisis estructural).
Enfoque ingenieril. Considerar un conjunto de soluciones alternativas y seleccionar la solución óptima (intervención mínima que cumple con requisitos de seguridad).
Existe un importante margen para la subjetividad Importancia del juicio ingenieril Necesidad de técnicos expertos