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DIAGNOSTICO. ESTADO DE LA ESTRUCTURA DE MADERA
Diagnóstico. Estado de la estructura Catedral de Santa María. Vitoria
de madera
Mlikel Landa Esparza. Dr. Arquitecto
El objetivo del diagnóstico de la estructura de las cubiertas de la catedral de Sta. María en Vitoria es el de conocer el estado de esta estructura analizando los elementos principales y secundarios desde cuatro campos; diagnosis estructural, análisis constructivo, análisis de humedades y análisis de agentes destructores de la madera.
INTRODUCCION
Se ha realizado un estudio para diagnosticar el estado de la estructura de madera de la catedral de Santa l\'laría de Vitoria-Gasteiz.
A lo largo del aI10 1998 se han realizado una serie de "isitas a la cubierta de la catedral en las que se han tomado los datos necesarios para la realización del presente trabajo.
La estructura de madera en la catedral, se circunscribe fundamentalmente a la techumbre, por encima de las bóvedas de piedra. Existen algunas zonas, tales como la sacristía, en que además dicho sistema estructural ha sido empleado para la realización de suelos de piso; tanto en unos casos como en otros, el empleo de entramados de madera se reduce a una función puramente estructural, y en ningún caso se emplea como ornamento.
La procedencia, configuración, interés y estado de las distintas partes de la estructura de madera de la catedral de Santa María, es muy diversa y varía en función de la época en que ha sido construida, del tipo de espacio a cubrir y de las modificaciones y reparaciones que ha sufrido a lo largo del tiempo.
La estructura de madera de la catedral de Santa María, comprende la techumbre de las naws principal y laterales y de elementos singulares como la capilla de Santiago, la sacristía, y la torre.
DIAGNOSTICO. OBJETIVOS. PROCEDIMIENTO
El objetivo del diagnóstico estructural del entramado de madera es el de conocer con precisión el estado de la estructura, de manera que englobado dentro del Plan Director, permita una correcta toma de decisiones para su restauración.
Para ello se ha realizado un estudio consistente en el análisis de todas las partes de entramado de madera desde cuatro puntos de \'ista, de manera que interrelacionándolos todos la información sobre el entramado de madera es completa. Los campos analizados son los siguientes: diagnosis estructural, diagnosis constructi\'a, análisis de humedades, y análisis de agentes destructores de la madera. Se ha comprobado, como era de esperar que los distintos ai1álisis están
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íntimamente relacionados. Se han analizado dos tipos de elementos: elementos
principales de estructura y elementos secundarios y se han desarrollado mapas para una fácil comprensión de los resultados. Para los elementos principales además de los mapas, se desarrollan fichas; estas fichas comprenden información complementaria a la de los mapas.
El objeto de los mapas es el de permitir un análisis rápido del estado de la estructura y de las distintas patologías que conlleva, de una manera rápida y eficaz. El objeto de las fichas es el de completar y complementar la información de los planos para un análisis más en profundidad para cada uno de los elementos constructivos para los que se han desarrollado fichas. Se han desarrollado fichas de todos aquellos elementos de mayor complejidad, como son cerchas o entramados.
ANÁLISIS ESTRUCTURAL
En un entramado de madera antiguo sobre el que se pretende actuar, es fundamental conocer la fiabilidad de los distintos elementos que la componen. La madera, a diferencia de la mayor parte de los materiales para la construcción es un material que proviene de la naturaleza. Ello introduce variables nuevas a los materiales de construcción convencionales, como son la anisotropía, la higroscopicidad, la variación dimensional en función de la humedad y los defectos naturales de la madera; estas variables se controlan por medio de normativas de clasificación de la madera que permiten emplear dicha madera como elemento estructural con fiabilidad.
En una estructura antigua, el número de variables a tener en cuenta es aún mayor, debido fundamentalmente a la vejez de los elementos, y las variaciones que la estructura ha podido sufrir por reparaciones, humedades, ataques de agentes xilófagos e incluso roturas de algunos elementos. Para conseguir determinar el grado de fiabilidad de los distintos elementos del entramado no sirven los métodos tradicionales de clasificación para la madera debido a que están pensados para madera aserrada nueva. Para la clasificación de la madera que forma parte de la estructura de la catedral de Santa María, se ha pensado un sencillo sistema para distinguir el estado en que se encuentra cada elemento de una manera eficaz.
Método de clasificación
Se ha realizado una clasificación de los elementos que conforman el entramado en cuatro calidades ordenadas en orden de calidad decreciente; las dos primeras calidades son equivalentes a madera nueva y por lo tanto pueden ser empleadas incluso empleando un cálculo, la tercera corresponde a elementos de muy baja calidad, y la cuarta a elementos que deben ser eliminados.
La clasificación de cada uno de los elementos se realiza
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"in situ" en base a una valoración que tiene en cuenta dos aspectos: defectos fisicos de la madera en origen tales como fendas, nudos, ... o debidos al paso del tiempo como pueden ser pérdidas de sección y roturas, y defectos biológicos, que fundamentalmente consisten en pérdida de sección.
Para la realización de los mapas de clasificación de la los elementos de madera de la cubierta de la catedral se ha inspeccionado cada uno de ellos de manera que se han podido comprobar los defectos de cada uno de los elementos de madera y del grado o de la importancia de los mismos. Se han inspeccionado visualmente y se han comprobado la magnitud de los daños por medio de herramienta de mano.
Calidades de los elementos
Se han establecido cuatro calidades para la madera atendiendo a su estado, para permitir una rápida lectura de los
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mapas de calidades, que es el objetivo de dicho análisis. Las calidades no establecen valores de resistencia, debi
do a dos motivos fundamentalmente: el primero de ellos es que para establecer dichos valores sería necesario un estudio que incluyera ensayos de laboratorio para cada una de las especies estudiadas, y el segundo de ellos es que lo que se pretende es una gradación de calidades para cada especie de manera que Calidad 1 suponga mejor madera que Calidad 2, y establecer para ello unos par' metros que establezcan la relación de cada una de las calidades con las que le preceden o le siguen.
La calidad de los elementos estudiados está afectada además por el paso de los ai'ios y por ello una clasificación no es tan sencilla como pueda ser la que se realiza con madera nueva en un aserradero, aplicando alguna de las normativas de clasificación existentes; el paso del tiempo y las condiciones de conservación y mantenimiento de las distintas partes del edificio hacen que a los defectos de la madera que se contemplan en cualquier normativa de clasificación (nudos, fendas, gemas, bolsas de resina, desviación de la fibra, tamai'io de los anillos de crecimiento ... ) hay que ai'iadir aquellos que han sido producidos a lo largo del tiempo y que pueden ser de naturaleza estructural, (deformaciones por sobrecargas prolongadas ... ) constructiva (apoyos mal ejecutados, empotramientos en muros, o falta de ventilación, que generan otras patologias) humedades excesivas, y ataques de agentes destructores de la madera.
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Para la realización de los mapas de calidades y para asignar una calidad a un elemento constructivo, se han tenido en cuenta todos los aspectos antes mencionados, alguno de los cuales se desarrollan más adelante.
Debido a la gran complejidad que representa tener en cuenta tantos aspectos que influyen en la calificación final, se ha simplificado el método de manera que se han establecido cuatro calidades que tienen en cuenta todos estos aspectos pero de manera global; quiere esto decir que en la Calidad 2 se puede encontrar madera nueva de Roble, o madera vieja de Pino, e incluso grandes escuadrías de vigas o pequei'ias escuadrías de pares o cabios. Se ha pretendido que los mapas resulten sencillos en su manejo y que la información que aportan sea comprendida incluso por personas no habituadas al manejo de estructuras de madera.
Calidad I
La primera calidad es la que representa la madera que se encuentra en mejor estado.
Se ha aplicado a maderas tanto nuevas como antiguas (llamo nuevas a aquellos elementos de madera cuya edad de puesta en obra corresponde a la última actuación de los ai'ios 60, y viejas a las de actuaciones anteriores).
Para su empleo se han buscado maderas de calidad.
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La calidad l se define de la siguiente manera: por una parte se trata de elementos de madera cuyo estado de conservación no supone una merma en la resistencia y por otra parte se trata de elementos de madera que en origen presentaban unas condiciones de calidad (nudos, fendas, desviación de la fibra, aserrío, gemas ... ) que permiten calificarla en el primer grupo.
Traducido esto a criterios de rehabilitación desde el punto de vista puramente mecánico, se trata de elementos que en la ubicación en que se encuentran cumplen satisfactoriamente las solicitaciones estructurales a que son sometidos, y que incluso pueden ser empleados en nuevas ubicaciones siempre y cuando la escuadría del elemento sea la que dicta el cálculo. Los elementos que se engloban en la calidad l son elementos limpios y sin defectos dignos de mención, y pueden ser calculados como elementos estructurales empleando cualquier normativa de cálculo. En el caso del Eurocódigo 5, o su versión española provisional NBE-EM-98 se pueden englobar en la Clase resistente C22 tanto para la madera de Roble como para la madera de conífera.
Calidad 2
La segunda calidad ebgloba madera de inferior calidad a la comentada como Calidad.
Se ha aplicado a maderas tanto nuevas como antiguas (llamo nuevas a aquellos elementos de madera cuya edad de puesta en obra corresponde a la última actuación de los años 60, y viejas a las de actuaciones anteriores).
Calidad 2: se define como aquella madera que estando sus capacidades mermadas, éstas aun le permiten seguir siendo empleada como elemento resistente. El estado de conservación de dichos elementos supone una ligera merma en la resistencia.
Se trata de elementos de madera que en origen presentaban buena calidad, pero que por el paso del tiempo, han perdido algunas de las propiedades que en origen poseían, o
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que si haber perdido un ápice de calidad, ésta se ha visto mermada por ataques de agentes destructores de la madera, o por deformaciones excesivas ...
Desde el punto de vista mecánico, se trata de elementos que en la ubicación en que se encuentran cumplen satisfactoriamente las solicitaciones estructurales a que son sometidos, y que incluso pueden ser empleados en nuevas ubicaciones siempre y cuando la escuadría del elemento sea la que dicta el cálculo, del mismo modo que los elementos englobados en la Calidad 1, pero con un nivel de prestaciones inferior. La capacidad portante de los elementos englobados en la Calidad 2 son elementos con algunos defectos que les impiden englobarse en la Calidad l pero que pueden ser empleados en futuras rehabilitaciones. Pueden ser calculados como elementos estructurales empleando cualquier normativa de cálculo pero en su calidad más baja. En el caso del documento provisional NBE-EM-98 se pueden englobar en la Clase resistente C 14 tanto para la madera de Roble como para la madera de conífera.
Calidad 3
La tercera de las calidades presenta prestaciones inferiores a las calidades 1 y 2.
Se ha aplicado a maderas tanto nuevas como antiguas aunque en general son las maderas viejas las que mayoritariamente engloban esta calidad.
Calidad 3: se define como aquella madera que tienen capacidad resistente mermada, que puede seguir cumpliendo su misión mientras no se modifiquen las condiciones de trabajo en las que se encuentra pero que debe ser eliminada si se modifican estas condiciones.
El estado de conservación de dichos elementos supone una merma considerable en la resistencia mecánica.
Se trata de elementos de madera que no presentan buena calidad en origen (rollizos, elementos no aserrados, ele-
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mentas de directriz no recta, nudos, gemas ... ), y de elementos que presentando en origen una calidad aceptable, han visto mermadas sus cualidades debido a ataques de agentes destructores de la madera, o por deformaciones excesivas ...
Desde el punto de vista mecánico, se trata de elementos que en la ubicación en que se encuentran cumplen las solicitaciones estructurales a que son sometidos, pero que no son capaces de soportar un cambio en las condicines en que se encuentran, tanto por no soportar un aumento de cargas, como por disponer de una geometría que imposibilita su reutilización. En una rehabilitación de la parte de estructura en que se encuentran deberían ser eliminados, y no soportarían ser englobados en Clase res istente alguna.
Calidad 4
La Calidad 4 es la que representa la madera en peor estado.
Se ha aplicado a maderas tanto nuevas como antiguas aunque en general son las maderas viejas las que mayoritariamente engloban esta calidad.
Calidad 4: se define como aquella madera que tienen capacidad resistente completamente mermada y que debe ser eliminada bajo cualquier circunstancia; tanto si varían sus condiciones de trabajo, como si no se pretende actuar sobre la estructura en la que están englobados.
El estado de conservación de dichos elementos no les permite disponer de resistencia mecánica alguna.
Se trata de elementos de madera que no presentan buena calidad en origen (rollizos, elementos no aserrados, elementos de directriz no recta, nudos, gemas ... ), y de elementos que presentando en origen una calidad aceptable, han perdido sus cualidades debido a ataques de agentes destructores de la madera, o por deformaciones excesivas o por cargas excesivas que en muchos casos han llegado a la rotura.
Desde el punto de vista mecánico, se trata de elementos sin capacidad resistente y que deben ser eliminados y sustituidos.
ANÁLISIS CONSTRUCTIVO
Como complemento al análisis anterior, se ha realizado otro que consiste en el conocimiento de las patologías constructivas existentes en el entramado. El objeto de dicho análisis se comprende por el hecho de que una estructura puede tener cada uno de sus elementos en buen estado y por el contrario no estar en condiciones de carga debido a problemas constructivos.
Ejemplos de lo comentado anteriormente son: cerchas con apoyos deslizados, uniones mal ejecutadas o en mal estado, fOljados en buen estado pero con flechas excesivas, empotramientos en muros de fábrica sin ventilación ...
Se han realizado mapas en los que se han reflejado las distintas patologías observadas. Los mapas están ordenados por plantas. El objetivo de estos mapas no es el de valorar el alcance de los dai10s o las mermas en la capacidad portante de la estructura, sino permitir de un vistazo la comprensión del estado de la estructura y el grado de corrección constructiva de la misma.
Algunas de las patologías observadas afectan a la calidad y resistencia de la madera; en los casos en que esto se produce, las mermas que dichas patologías producen en los elementos resistentes ya se han tenido en cuenta en el apartado anterior, independientemente de que se reflejen en los planos correspondientes a patología constructiva.
Patologías estudiadas
En una buena parte de los casos varias de las patologías se dan al mismo tiempo, en tal caso se han indicado todas en el lugar en el que se producen.
Las patologías que se han reflejado en los mapas denominados patología constructi\'a son las siguientes:
Apoyo en mal estado
Se trata de aquellos apoyos que por el moti\·o que fuere, no reunen .las condiciones para transmitir las cargas a la fábrica o a otros elementos de madera. Normalmente se asocian a ataques de agentes destructores de la madera.
Necesita ventilar
Una buena parte de los apoyos de \'igas sobre la fábrica se producen a tra\'és de un empotramiento en el muro de carga, de manera que la testa de la \'iga no puede wntilar. En tales casos es frecuente el deterioro de las cabezas de las vigas debido a ataques de agentes destructores de la madera debido al ni\'el de humedad que dicha falta de wntilación provoca. Estas dos primeras patologías son las mas frecuentes que se han encontrado en la estructura de la catedral.
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Apoyo insuficiente
Se trata de aquellos elementos de madera que debido a pérdidas de sección o motivados por la ejecución o el diseño de la unión, no presentan una superficie de apoyo suficiente para garantizar una correcta transmisión de los esfuerzos que soportan.
Reparación antigua
En algunas vigas se han encontrado reparaciones de rotunlS a tracción por medio de medios mecánicos, normalmente empleando pletinas metálicas y abrazaderas. Algunas de ellas incluso se encuentran descargadas desde el momento de la reparación, lo que indica el grado de confianza de dicha reparación por parte del autor de la misma.
Necesita prótesis
Un elemento que necesita una reparación por medio de una prótesis es normalmente un elemento que combina la mayor parte de las patologías anteriormente comentadas. Como criterio general se ha procedido a indicar la patología existente sin indicar los métodos para su subsanamiento, sin embargo en algunos casos en los que dicha reparación no plantea dudas, se ha indicado directamente el método a emplear.
Unión mal diseñada
No solamente las condiciones que ha sufrido la estructura a lo largo del tiempo han afectado a la calidad y fiabilidad de la misma; en algunos casos, se produce un fallo en origen que hace que una unión o un apoyo no esté correctamente diseñada y por lo tanto correctamente ejecutada.
Necesita pasadores
Se ha introducido esta indicación en aquellos elementos de madera de secciones gruesas en los que se han producido fendas de dimensiones considerables de modo que pueden llegar a producir problemas en la forma de trabajo del elemento; en estos casas se estima que la manera más sencilla de reparar el elemento es por medio de unos pasadores que conecten las dos partes separadas por la fendas o grupo de fendas de manera que el elemento vuelva a trabajar de manera solidaria. Este caso se da en los pilares del chapitel de la torre, que estando clasificados en las dos primeras calida-
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des, solamente necesitan ésta reparación para poder continuar con su trabajo durante largo tiempo.
Torsión
En algunos elementos de la estructura como son aquellos que conformas las cerchas nuevas de la cubierta de la nave, se han producido tor'i,iones en los pares y en lo'i, tirantes debidos a la gran esbeltez de estas secciones y debido a los movimientos que se héU1 producido en la fábrica y que han generado desplazamientos horizontales de los apoyos y de las correas; dichos desplazamientos generan torsiones en los elementos que afectan a la resistencia de los mismos y a su vez generan desplazamientos en 105 apoyos, de manera que la estabilidad del conjunto, queda en entredicho debido a la falta de superficie para la transmisión de los esfuerzos y a que incluso algunos tirantes se encuentran de cerca deslizarse completamente del apoyo en el embarbillado del tirante al que acomete.
Tirante apoyado en bóveda
En la nave principal la luz que separa los muroS exteriores se salva gracias al empleo de cerchas nuevas de escuadrías esbeltas (cuyas patologías hemos comentado) y de falsas cerchas antiguas de gruesas escuadrías; estas falsas cerchas en su mayor parte apoyan en el centro de su luz sobre las bóvedas de piedra, trasmitiéndoles una carga puntual. Esta patología es fácilmente solucionable eliminando el camino que discurre a través de la parte superior de las bóvedas y obligando a dichos elementos a transmitir las cargas exclusivamente a la fábrica .
Rotura a tracción
Se ha indicado la rotura a tracción en todos aquellos elementos flexionados principales en que se encuentra esta patología. Como se ha comentado anteriormente, esta patología afecta a la calidad de la madera y por ello además de estar indicada en los mapas de patología constructiva, se ha tenido en cuenta en la clasificación de los elementos de la manera que se ha explicado en el capítulo anterior.
Apoyo deslizado
De la misma manera que en el apartado de torsión , en
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, ,
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las cerchas nueyas se producen desplazamientos en los apoyos de los elementos de madera de forma que afectan a la estabilidad de las mismas,
Comentario
Cada una de las patologías comentadas, tiene un origen diferente y una solución diferente; algunas afectan a la resistencia del elemento estructural y por ello se contemplan en la clasificación realizada en el capítulo anterior y otras no afectan a dicha resistencia , pudiendo afectar a la estabilidad de la estructura,
ANÁLISIS DE HUMEDADES EN LA MADERA
Las humedades en la madera producen la mayor parte de las patologías que se aprecian en la madera que forma parte de estructuras antiguas; estas patologías no suelen ser procluci-
das directamente por la humedad; pero la humedad facilita que dichas patologías se produzcan, Gran parte de los agentes xilófagos atacan la madera cuando la humedad en ésta sobrepasa un nivel determinado,
Metodología de trabajo
Se han tomado mediciones de humedad en todos los elementos principales de la estructura, y se ha controlado si los niveles de humedad exceden aquellos recomendables y los lugares donde se producen, pudiendo establecer si procede la relación entre humedades y patologías, aportando por tanto datos fundamentales para concretar las líneas de actuación futuras,
Se han tomado mediciones de humedad con higrómetro de precisión , con sonda con maza incorporada (permite lecturas a cierta profundidad) y en los puntos más representativos de cada uno de los elementos, siempre buscando las zonas de mayor riesgo de humedad,
Niveles de humedad
Se han reunido todas las humedades en tres grandes grupos:
Grupo 1,
Grupo 2,
Grupo 3,
Elementos con humedad inferior al 20%,
Elementos con humedad superior al 20% e inferior al 30%,
Elementos con humedad superior al 30%,
Estas clasificaciones atienden a \'arias razones:
La humedad por encima de la cual se produceú la mayor parte de los ataques de agentes destructores de la madera es el 20%, que es además la humedad por encima de la cual no es aconsejable el empleo de sistemas de reparación basados en colas de resorcina ni morteros en base a resinas epoxy; por ello todos los elementos de madera cuya humedad está por debajo del 20% se han agrupado debido a que el nivel de humedad que poseen no alcanza \'alores críticos y se consideran como adecuados,
Se ha establecido el 30(% como segundo límite debido a que aquellos elementos de madera cuya hum edad supera dicho niwl , significa que la humedad que posee n es muy ele\'ada y que se necesita actuar sobre el elemento de madera o sobre aquel aspecto const ructi\'o del edificio que permita reducir el ni\'el de humedad en la madera, :\io es rele\'ante conocer los \'alores de la hum edad por encima del nivel indicado del 30 % debido a que en todos los casos se trata de humedades excesi\'as y las acciones que se deberán emprender para su eliminación serán la s mismas,
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ANÁLISIS DE AGENTES XILÓFAGOS
Este análisis está ligado a los anteriores debido a que gran parte de los ataques se deben a la excesiva humedad y derivan después en bajas calidades estructurales, pérdidas de sección, deformaciones excesivas y roturas.
Metodología de trabajo
Se ha procedido de manera similar a los puntos anteriores; se han realizado mapas por tipos de agentes xilófagos para cada uno de los niveles de la estructura del edificio, indicando el grado del ataque para cada uno de los elementos estructurales.
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