Futuro de las Técnicas No Destructivas para Conservación y...

XVI Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica

Futuro de las Técnicas No Destructivas para Conservación y Catalogación del Patrimonio

Histórico

Ignacio Lydio CARAZO CARAZOa, 1, Jose Luis GALLEGOS MARQUEZ b , Daniel

MARTIN SANCHEZ c

a Director General Vorsevi México

b Director de Estudios Vorsevi México

c Director Técnico Vorsevi México

Abstract. El avance de la tecnología pone a nuestra disposición cada vez con más frecuencia métodos de análisis sofisticados mediante el uso de técnicas no destructivas que permiten efectuar un diagnostico fiable de una patología Con estas técnicas, se minimiza la realización de intervenciones agresivas sobre los elementos de carácter histórico y protegido a estudiar. En la continua investigación y desarrollo de métodos de diagnóstico por parte de Vorsevi, se han empleado métodos de exploración que permiten la obtención de unos resultados fiables para el análisis del estado de conservación o patología de determinados elementos estructurales o constructivos. Expondremos las actividades de Vorsevi para la catalogación y rehabilitación de varios sitios históricos de referencia; un lienzo de muralla musulmana del siglo IX en la localidad de Sevilla (España), sobre el palacio de Medinat Alzahara en la localidad de Córdoba, (España), construido entre los siglos IX y X, y en el Jardín del Generalife de La Alhambra de Granada, (España), entre otros casos. Finalmente, el futuro de la catalogación del patrimonio histórico en México a través de las nuevas tecnologías y el empleo de técnicas no destructivas.

Keywords. TND, Técnicas No Destructivas, Patrimonio Histórico

1. Introducción El avance de la tecnología pone a nuestra disposición cada vez con más frecuencia métodos de análisis sofisticados mediante el uso de técnicas no destructivas que permiten efectuar un diagnostico fiable de una patología. Llevándolo a la terminología de la ciencia médica, ya no es necesario una intervención quirúrgica para el diagnóstico de una enfermedad, dado que con la sola aplicación de un TAC es posible diagnosticar a un enfermo sin actuar de forma agresiva y dolorosa sobre el paciente. Gracias a estas técnicas se mejora en aspectos claves como seguridad, economía, previsión de tiempos y adecuación de los proyectos de restauración y/o rehabilitación de edificios. Como aproximación a las nuevas técnicas de caracterización in situ para patrimonio histórico, podríamos caracterizar los materiales empleados y el comportamiento de los elementos

1 Ignacio Lydio CARAZO CARAZO, E-mail: [email protected]


estructurales, mediante ensayos destructivos, pruebas in situ no destructivas (non destructive testing) y pruebas ligeramente destructivas (minor destrucive testing). Obviamente las pruebas no destructivas son preferibles a los ensayos que impliquen alteraciones de la estructura. Si no son suficientes, es preciso valorar el beneficio que se obtendrá haciendo catas o pequeñas intervenciones en la estructura teniendo en cuenta la pérdida de material con el valor resistente o cultural que ello pueda suponer. 2.- Técnicas para caracterización geométrica superficial La geometría tiene gran importancia en estructuras antiguas, cuyas cargas principales se deben al peso propio. La forma o geometría de la construcción es un condicionante principal del comportamiento y la seguridad. La caracterización geométrica de una estructura va mucho más allá del levantamiento de planos debidamente acotados de la envolvente exterior, puesto que a efectos estructurales es necesario conocer también la geometría interna de los elementos y los cambios de materiales con distintas propiedades, generalmente ocultos, o partes de un mismo material que ha sufrido distintos grados deterioro debido a diferentes grados de exposición al medio. Más allá de la determinación de las propiedades del material en cada uno de los puntos interiores de la estructura, pretendemos determinar zonas con propiedades similares que permitan una modelización de la estructura, interpolando propiedades en distintos puntos reconocidos según una malla interior de cada uno de los elementos. La determinación de la geometría externa puede hacerse, hoy en día, por cuatro métodos de complejidad creciente: • Métodos manuales: básicamente cinta métrica, nivel y plomada. • Instrumentos topográficos clásicos: teodolito y nivel. • Técnicas basadas en foto-rectificación y/o fotogrametría terrestre. • Técnicas de barrido laser 3D, combinadas con las anteriores.

Figura 1. Fotogrametría y laser 3D [1] Las técnicas de barrido laser suministran coordenadas de una nube de puntos de la superficie de la estructura, las cuales se combinan con modelado fotográfico (líneas de borde) y la textura. El conjunto de la información se procesa para obtener una imagen tridimensional del edificio


o estructura y, con el software adecuado, los planos de la misma son tratados en un sistema de CAD. Hay estudios en los que se avanza una técnica para detectar el daño en una estructura basada en el análisis de la intensidad reflejada del haz laser, que se sabe depende del ángulo de incidencia y de la rugosidad de la superficie, pero también de su composición [2]. Esta técnica permite construir mapas superficiales correspondientes a distintas situaciones (sillar sano, eflorescencias, humedad). Tiene la ventaja de que los resultados no son sensibles a la ilumi-nación como en la fotografía tradicional, pero está limitado al estudio del estado superficial, y no mide más que propiedades superficiales del material.

Figura 2. Detección de daño en un muro de fábrica de una capilla mediante el análisis de la intensidad reflejada del haz laser [2].

3.- Técnicas no destructivas para caracterización interior Los ensayos de caracterización in situ pueden clasificarse de diversas formas, siendo la más habitual la que los clasifica por el tipo de fenómeno físico en que se basa. En primer lugar relacionamos las técnicas que están más próximas a la geometría y a las propiedades físicas no mecánicas (endoscopia), para seguidamente pasar con aquéllas técnicas que permiten una correlación más directa con las propiedades mecánicas, que son aquéllas que utilizan la propagación de ondas elásticas (sónicas o ultrasónicas), y las que utilizan ondas electromagnéticas de alta penetración (georadar).

3.1 Técnicas de inspección visual interna o endoscopia La endoscopia consiste en la observación indirecta del interior de algo, a través de una perforación practicada o existente. Su principal ventaja reside en que permite acceder a puntos no visibles de forma natural y en que proporciona diagnósticos visuales y objetivos. Un endoscopio incluye un sistema de iluminación, un sistema óptico y, habitualmente, una cámara de vídeo. Pueden ser rígidos (también llamados boroscopios,) o flexibles (también llamados flexoscopios). Los endoscopios rígidos pueden ser de lentes o de fibras ópticas. Los flexoscopios están necesariamente constituidos por un haz de fibras ópticas y se utilizan cuando el camino que atraviesa la estructura es preexistente.


Figura 3. Endoscopia. Vorsevi, 2008

Figura 4. Videoscopia en Muralla del Generalife, Alhambra de Granada, España. Vorsevi, 2005.

3.2 Termografía infrarroja La termografía de infrarrojos es una herramienta para el análisis de temperaturas e imágenes que mediante visión térmica permite detectar anomalías. Es necesaria la existencia de un gradiente térmico, que puede ser provocado por las oscilaciones térmicas diarias o estacionales, o por diferencias de temperatura entre el interior y el exterior o un gradiente de humedad para que la temperatura superficial no sea uniforme.


La termografía de infrarrojos se fundamenta en dos leyes principalmente: Ley de Wien y ley de Stefan y Boltzam, que depende de la emisividad del cuerpo que se mide. La medida se basa en que todo cuerpo a temperatura superior al cero absoluto (-273.15 ºC) emite radiación en forma de calor, con una distribución espectral en función de la temperatura, de la composición del cuerpo y de su emisividad. Al realizar una medida con una cámara termográfica de infrarrojos, los resultados obtenidos son definidos para una emisividad que se ajusta previamente y suponiendo que no existe ninguna otra fuente de radiación que influya en el objeto enfocado. Por ello es muy importante definir previamente esa emisividad y evitar los errores de medición. Igualmente, es muy importante definir la temperatura reflejada por cuerpos independientes del objeto sobre el que se realiza la medición, pero que estén cerca y puedan influir en la cámara, especialmente si la emisividad es muy baja. Para ello, se utiliza lo que se denomina “radiador Lambert” improvisado, mediante una lámina de papel de aluminio arrugada y alisada de nuevo colocada lo más cerca del objeto a medir. Se mide con la cámara la emisividad ajustada a 1 y la temperatura obtenida es cercana al a temperatura real reflejada, lo que permite ajustar la cámara para ese valor. Una vez realizada la inspección termográfica de un objeto, se originan unos mapas de temperaturas superficiales en los que el ajuste de la temperatura o radiación que corresponde a cada zona de color depende de muchas propiedades físicas que hay que tener en cuenta si queremos hacer una lectura correcta de los mismos. Así, hay que tener en cuenta las propiedades térmicas, (conductividad (l), calor específico (c), difusividad (a) y efusividad) , las propiedades espectrales (emisividad (s), la absorción , la reflexión y transmisión), así como otras características físicas (porosidad, contenido volumétrico de las masas y el contenido fisiológico del agua, así como el ángulo de incidencia con la superficie analizada, la atenuación de la radiación por la atmósfera de la radiación emitida, la presencia de otros cuerpos radiantes, los factores meteorológicos, etc.[3]. Son todas estas variables las que nos servirán de base para la detección de posibles variaciones o defectos del material mediante inspecciones termográficas, ya que la modificación de las propiedades térmicas quedará reflejada en las lecturas, con lo que bastará un acertada interpretación de las mismas. Así pues, un termograma o imagen termográfica o imagen térmica es la representación gráfica de las temperaturas superficiales de un objeto a partir de una imagen de infrarrojos, sin olvidar que una cámara de infrarrojos ofrece una imagen “calculada” de las temperaturas. En el caso del uso de termografía por infrarrojos para el estudio del patrimonio, es muy frecuente su uso para la detección de humedades [4]. El agua tiene una emisividad mayor que los materiales pétreos lo que afecta a las temperaturas aparentes. Debido a que el calor específico del agua es mayor que el de los materiales de construcción habituales, las zonas


húmedas se calientan más lentamente que las zonas secas. Cuando el agua se evapora de un material la temperatura de éste disminuye ya que emplea calor en la evaporación del agua Así mismo, la conductividad térmica de un material húmedo varía con respecto a uno seco, variando las transferencias de calor. El contenido en sales también puede variar la respuesta térmica del material estudiado. El paso del tiempo y el soleamiento, hace que el soporte pierda el agua de cristalizacion, transformandolo en sulfato calcico que, al haber otra aportacion de humedad, el sulfato se hidrata, cristaliza y aumenta de tamaño, ocasionando burbujas o típicos bufados. Al sufrir los revocos estas transformaciones, sus componentes van quedando libres y sueltos, disgregándose. Otra causa son los desconchados y las pérdidas de material debido a la escasa o nula adherencia entre la base del soporte y el mortero o revoco. Se aplica para la localización de líquenes y humedades, la identificación de problemas estructurales y diferencias de materiales, la localización de huecos cegados y la identificación de grietas.

Figura 5. Termografía infrarroja en La Alhambra de Granada, España. Vorsevi, 2006.

Figura 6. Termografía infrarroja en la Torre Norte de la Plaza de España, Sevilla, España. Vorsevi, 2010.

3.3 Técnicas radar (Georadar o GPR-Ground Penetrating Radar)


La técnica de radar es una aplicación basada en el estudio de las reflexiones de ondas electromagnéticas. La energía electromagnética se genera en una antena y las ondas reflejadas en el interior de la estructura (o del suelo) se reciben en otra antena. La velocidad de propagación de una onda electromagnética en un medio transparente a ella, está determinado por la constante dieléctrica del medio (o permitividad eléctrica relativa) y la velocidad de la luz en el vacío. Si el medio no es perfectamente transparente, la onda se amortigua, y el coeficiente de amortiguación (expresado como pérdida relativa de amplitud de señal por metro de recorrido de la onda) es proporcional, en una primera aproximación, a la conductividad del medio. La existencia de una conductividad finita, afecta también a la velocidad de la onda [5]. Davis and Annan muestran que la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en un material de tipo geológico es aproximadamente independiente de la frecuencia para conductividades inferiores a 100 S/m en el intervalo situado entre 10 y 10 Hz (10-1.000 MHz)

y la mayor parte de los equipos de GPR trabajan en ese rango. Igual que en la propagación de ondas en a frecuencias visibles, cuando la onda llega a una superficie de separación de dos medios con diferentes propiedades dieléctricas, parte de la onda incidente se refleja y parte se refracta (se transmite). Los equipos de GRP utilizan esta propiedad para determinar el tiempo que separa la emisión del pulso de la llegada de los pulsos reflejados en las interfaces de materiales con propiedades dieléctricas diferentes. A partir de estos tiempos construyen un radar-grama, similar al de la figura 7, en los que en un eje se representa la distancia a lo largo de la línea exterior barrida por el equipo (en horizontal en la figura), y en vertical se representa el tiempo de ida y vuelta de los pulsos. Para un ejemplo

reciente de aplicación a una obra histórica, véase [6]. Las principales aplicaciones son la localización de grandes vacíos e inclusiones de materiales diferentes, la identificación del estado de conservación o daño de estructuras, la definición de la presencia y nivel de humedad, el control de la eficacia de reparación por técnicas de inyección y la determinación de la morfología de la sección de muros de múltiples hojas.

Figura 7. Ejemplo de un radar grama. Iglesia de Santiago en Jerez de la Frontera, Cádiz, España (Emilio Yanes Bustamante, Vorsevi.


Las ondas electromagnéticas son sensibles a interfaces con agua, mientras las ondas sónicas son a interfaces con aire, por ello que se utilizan como dos métodos de inspección complementarios.

Figura 8. Ejemplo de un radar grama. Iglesia de Santiago en Jerez de la Frontera, Cádiz, España (Emilio Yanes Bustamante, Vorsevi.

3.4 Técnicas sónicas y ultrasónicas Estos sistemas se basan en la generación de impulsos sónicos o ultrasónicos mediante percusión o por un dispositivo emisor, habitualmente piezoeléctrico, siendo después recibidos por un receptor, normalmente un acelerómetro, que puede estar situado en varias posiciones diferentes. Las señales son registradas por un analizador de onda acoplado con un computador para realizar procesados posteriores. La frecuencia óptima se elige considerando los requerimientos de resolución y de atenuación. Cuanta más alta sea la frecuencia, la resolución será mayor y los defectos pequeños serán más reconocibles. Sin embargo, a medida que la frecuencia se incrementa, la proporción de energía atenuada también incrementa, limitando el espesor del elemento que puede ser investigado. Cuando la frecuencia principal está en el rango de frecuencias audibles (20 Hz a 20 kHz) se habla de métodos sónicos, y cuando está por encima del rango audible se dicen de los métodos

que son ultrasónicos. En cualquier caso, el sistema se basa en medir el tiempo t de llegada al receptor del tren de ondas generado en el emisor, a partir del cual, cuando el medio puede considerarse homogéneo se calcula la velocidad del sonido c como el camino s

recorrido por el tren de ondas partido por el tiempo t. Figura 9. Ensayo sónico. Vorsevi,

1995. En un medio elástico ideal, se propagan dos tipos de ondas sónicas (P y S) a distinta velocidad. La velocidad de las ondas P es siempre mayor que el de las ondas S. La relación cp / cs crece


monótonamente con v, desde un valor mínimo de v 2 para v = 0 y se hace infinito para un material incompresible (v = 0.5). Para v = 0.18, cP / cs = 1.6. En general, se utilizan las ondas P para el análisis sónico o ultrasónico, que corresponde al primer tren de ondas que llega al receptor. El equipo mide el tiempo transcurrido desde la emisión del pulso hasta que llega al receptor, bien en vuelo directo o después de ser reflejado por las posibles discontinuidades de las propiedades acústicas. La reflexión de las ondas de presión de presión en la superficie de separación de dos medios depende de la diferencia entre las impedancias acústicas de los dos materiales. Deben tomarse tres medidas como mínimo por cada elemento (parte inferior, media y superior). Por medio de tablas o fórmulas puede conocerse la compacidad y resistencia del hormigón. Además pueden obtenerse otros datos de interés para el conocimiento de sus características más importantes, como:

• La uniformidad de elementos de concreto. Las técnicas acústicas permiten clasificar la fábrica a través de la morfología de la sección de la pared, detectar la presencia de vacíos y defectos, controlar la eficacia de la reparación por técnicas de inyección, y detectar cuando las características físicas de los materiales han cambiado.

• Cuando el material es homogéneo, y se tiene una determinación independiente de la

densidad, es posible determinar el módulo de elasticidad y el coeficiente de Poisson a partir de la determinación de las velocidades sónicas de las ondas P y S.

• Comparación de la calidad de un hormigón con respecto a una especificación

particular dada.

• Estimación orientativa de la resistencia de los concretos en las diferentes zonas que conforman la estructura objeto del estudio.

Como todos los ensayos no destructivos, sus valores pueden ser fiables, si se cumplen una serie de condiciones tales como: - Las piezas a ensayar deben de tener un espesor adecuado al rango de utilización del aparato. - El aparato debe estar tarado y en perfecto uso. - No conviene utilizarlo sobre superficies húmedas. - Es conveniente realizar medidas sobre probetas realizadas durante los ensayos de control o probetas testigo extraídas del elemento. De esta forma existe un contraste adecuado


con ese tipo de concreto. Cuidar que el emisor y el receptor están en la misma posición en caras opuestas, etc...

Figura 10. Real Alcázar de Sevilla. Fachada de Don Pedro I. Clases de degradación en función de la velocidad de los ultrasonidos. [4]

Una variante de las técnicas acústicas es el método del Impacto-Eco [7], en el que se busca determinar la posición de una discontinuidad, típicamente una grieta extensa paralela a la superficie libre de una pieza prismática, o el espesor de una placa que sólo es accesible por una de sus caras. En este caso, se producen reflexiones múltiples de las ondas entre las dos superficies libres, por lo que el pulso inicial aparece en el receptor como una secuencia de pulsos cuyo periodo principal es el tiempo que tarda el pulso en ir y volver entre las dos superficies. La técnica puede aplicarse a la localización de tizones, determinación del espesor de secciones transversales y localización de vacíos en construcciones de varias hojas. El impacto-eco es atractivo porque solamente se necesita el acceso a la estructura por una cara. 3.5 Técnicas eléctricas De los diversos métodos eléctricos usados en patrimonio, destacamos dos de los más comúnmente usados en patrimonio histórico, que son los medidores portátiles de humedad, tanto basados en la medida de la resistividad (equivalente de humedad en madera WME %) o de la capacitancia o inducción. Menos frecuentes, pero también utilizados en el patrimonio caben destacar la tomografía de resistividad eléctrica y la tomografía axial computerizada, como variante que también permite conocer la composición interna de una fábrica mediante el movimiento combinado de un tubo de rayos X. En el caso de medidores de humedad portátil se realizan medidas de superficie, mientras que en la tomografía podemos alcanzar valores de profundidad de hasta un sexto de la longitud de medida en superficie. Ambos métodos, se utilizan para determinar la humedad


y las sales basándose en la baja resistividad del agua y del agua salada. La medida de la resistividad representa la facilidad de un material a permitir el paso de una corriente eléctrica en relación con la presencia de agua. A menor resistividad del agua (más salada), menor resistividad. 3.5.1.- Métodos portátiles de medición de humedad Estos aparatos suelen tomar dos tipos distintos de medidas. Por un lado mediante dos pasadores metálicos realizan una medida de humedad directa en superficie, expresada en porcentaje de contenido de humedad real de la madera (%WME) y por otro lado, mediante una señal de radio que penetra en la superficie del material, miden el nivel de humedad relativa del material en una escala del 0 a 999 (capacitancia). 3.5.2.- Tomografía de resistividad eléctrica La tomografía de resistividad eléctrica es una técnica geofísica que normalmente se emplea en el estudio del subsuelo, y que consiste en determinar la resistividad del suelo a partir de un número elevado de medidas realizadas desde la superficie del terreno, o desde perforaciones.

Figura 11. Prospección eléctrica. Tomografía. Vorsevi, 2007 La base teórica de su funcionamiento se basa en la existencia de 4 electrodos que una vez introducidos en el terreno en línea recta y a una misma profundidad a dos de ellos se les introduce una corriente continua, mientras que los otros dos electrodos miden la diferencia de potencial eléctrica, parámetro a partir del cual se calcula la resistividad. La medición de resistividad depende de la distancia entre electrodos y de la resistividad del terreno, pero no


dependen del tamaño y forma de los electrodos y de su material. El dispositivo de medición nos reflejará una sección del terreno en 2D con las diferentes resistividades reales del terreno, ya que el propio dispositivo se encargará mediante un programa de inversión, de transformar las resistividades aparentes medidas directamente en el terreno, en reales La resistividad eléctrica es un valor que varía en función de ciertas características del material, como son el grado de saturación de agua, la temperatura, la porosidad, la salinidad del fluido en los poros y el tipo de roca. A mayor saturación de agua, menores son los valores de resistividad, al igual que el resto de los factores, que se comportan te manera análoga al del agua. Si bien estos métodos en origen son métodos geofísicos para estudios del terreno, se han comenzado a utilizar en patrimonio para evaluar la distribución de patrones de humedad con el fin de probar patrones de deterioro de la piedra.

3.6.- Determinación de la dureza superficial. Existen diversos aparatos para determinar la dureza superficial en un material, en función del tamaño de la masa que golpea el material (esclerómetro o martillo de Schmidt, microdurómetro, etc.). Las resistencias mecánicas de los materiales se miden mediante aparatos basados en la dureza al rebote. El microdurómetro (Equotip), se basa en el lanzamiento de un cuerpo de impacto impulsado por un resorte contra una superficie de prueba. Las velocidades de impacto y retroceso (Vi, Vr) se miden y se procesan para convertirlas en el valor de dureza L (Escala Leeb, L=1000*Vr/Vi). Los valores resultantes se convierten automáticamente a las unidades de dureza convencionales como Rockwell (HRC, HRB), Brinell (HB), Vickers (HV) y Shore (HS). Figura 12. Principio físico del Equotip. Proceq. . Imagen del microdurómetro, Vorsevi.

4.- Técnicas Semidestructivas para caracterización del material


4.1.- Técnicas dilatométricas La técnica dilatométrica o presiométrica es un ensayo de carga in situ realizado sobre un muro en el que se introduce una tensión mediante una sonda cilíndrica que alojada en una perforación practicada en la pared puede dilatarse radialmente. El procedimiento de ensayo consiste en inicialmente taladrar una perforación (en general, de unos 50-70 mm) e introducir una sonda que se desliza hasta la profundidad deseada. A continuación, se aplica presión en incrementos iguales y la sonda ejerce una tensión radial conocida contra el material que la rodea. Una unidad de control registra la presión y el incremento de volumen. Relacionando esta tensión con la deformación medida se obtiene la curva tensión-deformación de la fábrica en la zona de aplicación, de la que puede estimarse el módulo de elasticidad. Los resultados de los ensayos dilatométricos se interpretan de acuerdo a la Teoría de Elasticidad, según la cual un tubo de diámetro interno D, espesor infinito, constituido por un material homogéneo, isótropo, elástico y lineal, con módulo de elasticidad E y coeficiente Poisson v, al estar sometido a una presión interna p, sufre una deformación diametral e dada por:

� = �1 + �� ∗ � ∗ ��1�

En cualquier caso, el módulo de elasticidad determinado por la ecuación anterior no corresponde al de una obra de fábrica heterogénea y anisótropa. La técnica dilatométrica se utiliza en elementos de fábrica de gran espesor ya que existe la posibilidad de desplazar la sonda y realizar el ensayo en distintos puntos a lo largo del recorrido.

Figura 13. Esquema de ensayo dilatométrico [8] y ejecución de ensayo dilatométrico en la fábrica de la torre de Pisa [9]

4.2.- Técnica hole drilling La técnica hole drilling es una adaptación del ensayo de la norma ASTM E837-99: “Standard test method for determining residual stresses by the hole-drilling strain-gage method” y se basa en la medida de las deformaciones captadas por tres bandas extensométricas (galgas) cuando se elimina por taladrado una parte del material. Sin embargo, la norma mencionada es aplicable únicamente a materiales homogéneos de grano muy fino (el taladro tiene un diámetro del orden de 1 mm). La versión para fábricas históricas es un desarrollo del Profesor Santiago Sánchez Beitia y colaboradores y bautizada como método “Donostia”. En las versiones más recientes del método Donostia se usan 8 bandas extensométricas en lugar de 3, alineadas por pares en 4 ejes según puede verse en la figura 14.


La eliminación de material produce una relajación de las tensiones en la zona analizada y esta relajación es captada por las bandas extensométricas. El estado tensional al que estaba sometida la zona analizada antes del taladrado puede deducirse mediante el adecuado proceso matemático. El procedimiento incluye los siguientes pasos: 1) Elección y pegado de las bandas extensométricas. 2) Registro de deformaciones antes del taladrado. 3) Taladrado. 4) Registro de las deformaciones después del taladro. 5) Obtención de los estados tensionales a partir de las deformaciones medidas por las bandas. El resultado final, con la calibración adecuada (es necesario determinar el módulo de elasticidad y el coeficiente de Poisson en ensayos independientes) es el estado tensional completo en el punto donde se ha realizado el taladro.

Figura 14. Procedimiento ejecución del ensayo hole drilling [10].

4.3.- Técnica de gatos planos El ensayo de gatos planos (flat jacks) es un método directo e in situ que necesita extraer una porción de mortero de las juntas de una fábrica. Además, se considera un ensayo ligeramente destructivo al ser un daño temporal y fácilmente reparable después de realizar el ensayo. El ensayo se divide en dos fases. En la primera fase se utiliza un gato plano para estimar el estado tensional de compresión en el punto elegido de la estructura y en la segunda fase se utilizan dos gatos planos para estimar las características de deformabilidad de la fábrica que se encuentra entre los dos gatos planos. Existen varias normativas vigentes para la evaluación de fábricas mediante la técnica de gatos planos. Por un lado, está la normativa ASTM (American Society for Testing and Materials) aprobada en 1991 (C1196-04: “Standard test method for in situ compressive stress within solid unit masonry estimated using flat jack measurements”; C1197-04: “Standard test method for in situ measurement of masonry deformability properties using the flat jack method”). Por otro lado, en Europa se emplea la normativa RILEM aprobada en 1990 (RILEM LUM.D.2: “In-situ stress tests on masonry based on the flat jack”; RILEM LUM.D.3: “In-situ strength/elasticity tests on masonry based on the flat-jack”).


La técnica se aplica para estimar el estado tensional de compresión en una zona muy local de la estructura y las características de deformabilidad (módulo de deformación y coeficiente de Poisson) de la fábrica. Para ello, se usan los dos procedimientos que siguen:

4.3.1.- Estimación in situ del estado tensional a compresión Inicialmente se colocan sobre la estructura unas bases verticales de medida midiéndose la distancia di entre puntos por medio de un comparador. A continuación, se realiza un corte normal entre los dos puntos mencionados empleando una sierra con disco de diamante u otro útil de corte. Como consecuencia, la distancia d existente entre dichos puntos será menor que la inicial: d < di. Después, se coloca un gato plano en el corte realizado y finalmente se introduce gradualmente presión en el gato hasta que se recupera la distancia original existente entre los puntos de medida d = di.

Figura 15. Fases del ensayo de gato plano simple [10]. La presión en el interior del gato plano (pi) puede relacionarse con el estado tensional preexistente en la dirección normal al plano de corte (p) de la siguiente manera:

� = � ∗ �� ∗ �� (2)

- p: Presión comunicada al gato plano por la bomba hidráulica, en kp/cm2. - Km: Constante adimensional propia de cada gato plano. - Ka: Relación entre el área de contacto del gato plano y el área media del corte realizado en la estructura (Ka

<1).

4.3.2.- Determinación de las características de

deformabilidad Inicialmente se colocan unas bases verticales de medida dentro de la zona comprendida entre los futuros cortes y a una distancia determinada mediante comparador.

Figura 16. Extensometría en Bóveda de Convento de Los Terceros, Sevilla, España. Vorsevi, 2008.

E


A continuación, se realizan dos cortes normales a la superficie de la estructura a una distancia de unos 40-50 cm entre ellos. Estos cortes producen el aislamiento de la parte del muro de fábrica situado entre los cortes, constituyendo una probeta in situ que se considera liberada de cargas. Después, se introducen los gatos planos y se aplican pequeños escalones de presión mediante bomba hidráulica. Se toma lectura de la distancia entre puntos de referencia di (di <

d) para cada escalón de presión i. Estimada la presión y deformación para cada uno de los escalones de presión i, se puede dibujar la gráfica tensión-deformación y estimar el módulo de elasticidad para cada uno de los escalones de presión i. También pueden simularse ciclos carga-descarga. En el mismo ensayo, también se puede estimar el coeficiente de Poisson colocando horizontalmente puntos de medida a una distancia inicial D conocida y aplicando escalones de

presión.

Figura 17. Gato plano doble [10] Las técnicas de gatos planos introducen grandes ventajas como la rapidez de ejecución, la posibilidad de realizar el ensayo en cualquier posición de la fábrica, el bajo coste respecto a los ensayos de laboratorio y la mayor representatividad de los resultados obtenidos. Además, al finalizar el ensayo se retira el gato de la fábrica y se restaura el daño realizado. En contrapartida, las limitaciones de las técnicas de gatos planos se encuadran en el desarrollo del ensayo: los resultados obtenidos están ligados a la capacidad del operario que lleva a cabo el ensayo y la fiabilidad de los resultados obtenidos dependen de la ejecución de los cortes para la inserción de los gatos.

4.4.- Técnicas aplicadas para la caracterización mecánica de morteros 4.4.1. Resistencia al corte de la junta de mortero de fábricas (“shove test” o “push test”). La norma ASTM C1531-02: “Standard test methods for in situ measurement of maonry mortar joint shear strength index”, describe tres procedimientos para la determinación de la resistencia al corte media in situ de la junta de mortero en fábricas. El método denominado como “A” es el más completo ya que se utilizan dos gatos planos para controlar la tensión normal de compresión y otro gato para provocar el desplazamiento de la pieza sobre los tendeles de mortero.


Los métodos “B” y “C” son más simples porque el ensayo de corte solo se realiza para un nivel de tensión de compresión que es estimado mediante cálculo. En el ensayo “B” se controla el desplazamiento horizontal a lo largo del ensayo. En el ensayo “C”, en cambio, no se controla este desplazamiento horizontal. La resistencia a corte de la junta de mortero obtenido mediante los métodos anteriores puede relacionarse con la resistencia a corte de la fábrica.

4.4.2. Resistencia a la penetración. La resistencia de un mortero se relaciona con la penetración de un útil en su seno. Algunos técnicas se basan en la esclerometría de rechazo que consiste en evaluar la dureza superficial de un mortero mediante un esclerómetro similar al martillo Schmidt, pero con un impacto de baja energía. El índice esclerométrico determinado puede correlacionarse con el tipo de mortero y su resistencia.

4.4.3. Resistencia al arrancamiento (“pull-out test”). La resistencia del mortero se determina a partir de la fuerza necesaria para extraer una llave helicoidal de una junta de mortero. En la figura 18 puede hacerse idea del procedimiento del ensayo.

Figura 18. Pull-out test [10].

4.4.4. Resistencia a la perforación (“drilling resistance”). Los micro taladros proporcionan dos señales: fuerza (F) que representa la fuerza realizada para vencer la resistencia al avance del taladro con la profundidad, y par (T) que representa la resistencia al giro. Se obtiene la resistencia a la penetración (DRMS, drilling resistance measurement system).

5.- Monitorización La monitorización en sí misma es una técnica no destructiva que permite, con la colocación de una serie de referencias y equipos, conocer cómo se deforman las estructuras en un periodo de tiempo, ya sea mediante instrumentación de lectura in situ o remota.

5.1.- Monitorización manual La monitorización manual consiste en la colocación de una serie de referencias que se fijan a las zonas de la estructura a estudiar para su lectura manual mediante equipamiento portátil. En función del riesgo existente, el periodo de medida puede variar entre un máximo de tres meses


y el mínimo que se desee, incluso con periodicidad diaria en situaciones de posible riesgo estructural.

5.2.- Monitorización remota Los datos que se obtienen con la monitorización remota son mucho más numerosos y con mayor precisión. La medida habitual de registro de datos suele ser dos veces al día, discriminando además los posibles efectos por variación de temperatura.

Figura 19. Monitorización de un edificio. Vorsevi, 2008.

Los equipos empleados en la monitorización remota pueden agruparse en tres familias:

• Sensores convencionales habituales en laboratorios tales como: draw-wire, inclinómeros, galgas extensométricas, etc.

• Sensores basados en la tecnología de hilo vibrante: sistema que destaca por su estabilidad de medida a largo plazo.

• Sensores de fibra óptica, basados en interferometría de baja coherencia.

6.- Estudio geofísico mediante georadar en el Salón del Rico. Complejo arqueológico de Medina Azahara (Córdoba, España) La ciudad de Medinat al-Zahara fue mandada construir por el primer califa de Al-Ándalus, Abd al-Rahman al-Násir (891–961), también conocido como Abderramán III por motivos de índole política-ideológica para mostrar su superioridad sobre sus grandes enemigos de la zona norte del continente africano. Transcurridos poco menos de cien años de la fundación de la ciudad, todo este conjunto monumental quedó reducido a ruinas, después de su saqueo por los bereberes en el año 1010 como consecuencia de la guerra civil que puso fin al Califato de Córdoba. Figura 20. Panorámicas Salón del Rico


No sería hasta los primeros años del siglo XX, concretamente en 1911 cuando comenzó el interés por recuperar esta ciudad. Ya a principios del siglo XXI se iniciaron las intervenciones planteadas en el Salón Rico se dividieron en varias fases.; una primera fase que tenía como objetivo resolver el problema de humedades del edificio y para la sustitución del suelo de cemento por uno de mármol procedente de la cantera de Estremoz (Portugal), tal como el que había originalmente. En otra fase posterior se realiza la catalogación, limpieza y consolidación de los más de 5000 atauriques para su posterior reposición sobre los muros y recuperación de la alberca situada frente al salón.

Figura 21. Fotografía de satélite donde se marca la zona del estudio. (Google Earth) El objetivo del estudio que se presenta es detectar la presencia de huecos o cavidades bajo la capa de mortero de cal presente en la superficie del Salón del Rico. Éste se trata de un espacio

dividido por arcadas. La sala principal posee una planta tipo basílica con tres naves longitudinales y otra transversal, con unas dimensiones de aproximadamente 38 x 28 metros. Junto a estas tres naves centrales y en paralelo, flanqueando ambos lados, se sitúan dos naves exteriores divididas en tres cámaras de desigual tamaño. En este estudio únicamente han sido estudiadas las tres naves centrales, la transversal y dos pequeñas naves que flanquean a la ésta última.

Figura 22. Detalle de la superficie del Salón Rico durante la ejecución de los trabajos, donde se observa la cama de mortero de cal y las irregularidades de la misma producidas por el asiento de las losas de mármol retiradas. El Salón del Rico, que cuenta con una superficie aproximada de 600 m2, se encuentra en proceso de restauración, habiendo sido retiradas las losas de mármol que cubrían dicha superficie. Estas losas se asientan en una “cama” realizada a base de mortero de cal. Al retirar las losas de mármol, ha quedado al descubierto dicho mortero de cal produciendo una superficie irregular debido a los “lomos” o juntas que marcan la posición que ocupaban las losas de mármol.


6.1.- Metodología de reconocimiento El funcionamiento del georadar consiste en la radiación al terreno de un pulso electromagnético mediante una antena emisora (Figura 23). Cuando la onda radiada encuentra una heterogeneidad en las propiedades dieléctricas de los materiales del subsuelo, parte de la energía se refleja de nuevo a la superficie y parte se transmite hacia profundidades mayores.

Figura 23. Izquierda. Distribución de la energía generada por una antena de georadar (Tx) cuando en el medio de propagación existe una heterogeneidad en la constante dieléctrica. El pulso reflejado es registrado por la antena receptora Rx. Centro. Atenuación exponencial de la energía electromagnética de baja frecuencia a medida que aumenta la profundidad de investigación. Derecha. Atenuación exponencial de la energía electromagnética de alta frecuencia a medida que aumenta la profundidad de investigación. La señal reflejada es captada por la antena receptora que está situada a una distancia fija de la antena emisora, esta distancia es específica para cada tipo de antena. Al desplazar el dispositivo de antenas sobre el terreno y repetir el proceso anteriormente descrito se obtiene una sección en la que se representan tiempos dobles en ordenadas y distancia horizontal en abscisas. Sus ventajas principales son la rapidez en la toma de datos (cada punto de medida se adquiere en pocas fracciones de segundo), su versatilidad (por la posibilidad de intercambiar antenas con diferentes frecuencias) y su carácter no destructivo. Para estudiar de manera efectiva y completa toda la superficie es necesario realizar múltiples perfiles cubriendo la totalidad del área. Con toda la información recopilada por los distintos perfiles se construye un modelo tridimensional que permite un análisis pormenorizado a


distintas profundidades. Para ello existe una nueva generación de antenas compuestas por múltiples sensores que permiten, en una única pasada, estudiar un ancho de 2,1 metros.

Figura 24. Arriba. Secuencia de escaneo de frecuencias de una antena de georadar con tecnología step-frequency. Abajo. Ancho de banda que se consigue (línea roja) mediante el empleo de una antena tipo step-frequency.

Figura 25. Ejemplo de radargramas tridimensionales producidos por una antena multicanal de tipo step-frequency.


Gracias a la tecnología step-frequency (Figura 24) cada uno de estos sensores puede registrar de manera simultánea varias frecuencias barriendo un ancho de banda que permite maximizar la información superficial proveniente de las altas frecuencias y la de capas más profundas gracias a las bajas frecuencias. 6.2.- Inspección con Georadar Los trabajos que se presentan consistieron en la adquisición de datos mediante georadar tridimensional multifrecuencia cubriendo la práctica totalidad del área de estudio. Para la realización de la campaña, se protegió la solera de mortero de cal mediante una serie de capas formadas por un geotextil anti-punzamiento, una doble capa anti-impacto y sobre esta de nuevo un geotextil anti-punzamiento.

Figura 26. Izquierda. Instalación de la doble malla anti-impacto. Derecha. Adquisición de datos sobre la malla geotextil superficial.

Figura 27. Vista en planta de las pasadas realizadas. Vorsevi, 2010.


En la figura 27 Se muestra la disposición de las pasadas realizadas en la zona de estudio con la antena de georadar tridimensional. La posición del inicio y final de cada barrido se tomó mediante distanciómetro láser a las paredes del salón. Cada pasada con la antena de georadar se realizó en dirección paralela a los lomos del mortero de cal con el fin de dañarlos lo menos posible. Todas las pasadas fueron referenciadas in situ mediante un distanciómetro láser sobre los planos proporcionados. En total se realizaron 32 pasadas de georadar multicanal independientes, cada una de los cuales constó de 29 sensores espaciados cada 7,5cm en la dirección perpendicular al desplazamiento. En total se generaron 928 (32x29) perfiles de georadar cubriendo un área total de 362,34 m2 (entorno al 60% de la superficie total). Los datos de georadar fueron registrados con un equipo multicanal de 16 bits, utilizando un rango de frecuencias de entre 100MHz y 3,0 GHz. Se realizaron lecturas de georadar cada 1,0 centímetros, que fueron medidos con una rueda odométrica específica para el georadar. 6.3. Análisis de resultados Los trabajos de gabinete han consistido en la edición de la geometría y reordenación de los perfiles, el procesado e interpretación de los datos geofísicos obtenidos en campo, la realización de planos de posicionamiento y resultados, y en la elaboración de este informe. Una vez realizado el procesado básico, los perfiles se interpretan utilizando diferentes postprocesados y ganancias buscando cambios estructurales para identificar anomalías que puedan indicar la presencia de posibles huecos o estructuras enterradas (muros, bloques, etc.).

0 1 2 3 4

Distancia (m) Figura 28. Ejemplo de radar grama en el que se observan las anomalías características producidas por la presencia de cavidades en el terreno.


Del procesado y posterior análisis de los perfiles de georadar realizados durante este estudio no se detectaron anomalías significativas que indicaran la presencia de grandes huecos ocultos bajo la superficie del mortero (con un espesor medio estimado en 0,20m). Si se observaron algunas anomalías puntuales de pequeño tamaño que indican la presencia de pequeñas grietas o huecos de pequeñas dimensiones cuya posición se presenta de manera gráfica en la siguiente figura.

Figura 29. Sillar enterrado Figura 30. Perfil individual (P13) donde se observa la anomalía en sección y en planta (centrada en círculo amarillo). La línea azul marca la base del mortero

7.- El futuro de la intervención para la catalogación del patrimonio histórico

Vorsevi ha participado en el desarrollo de nuevos procedimientos para la catalogación y

gestión sostenible de inmuebles históricos, facilitando su mantenimiento futuro y permitiendo establecer los protocolos necesarios para planificar y diseñar las posibles intervenciones a efectuar en los mismos.


A continuación se presentarán los resultados conseguidos mediante la aplicación de las

TND a un sistema de catalogación tradicional mejorado con factores que perfeccionan las bases de datos de catalogación, y permiten obtener registros históricos de las intervenciones realizadas en un conjunto monumental, tanto en el pasado como que se vayan a llevar a cabo en el futuro. Se desarrolla así un Sistema de Gestión que permite gestionar mejor el conjunto, ayudando a la priorización de las actuaciones de acuerdo a los criterios de optimización de medios y recursos. Los datos se integran en un sistema informático que permite priorizar y optimizar económicamente las intervenciones y dotaciones presupuestarias futuras para tales actuaciones.

Figura 31. Distintas fases de la introducción de información de la aplicación informática PHAI [11] Se ha desarrollado una plataforma de trabajo moderna y dinámica, tanto en su consulta

como en la introducción de datos mediante la creación de tres estructuras:

o Una base de datos especializada, que sirve de soporte, mediante la generación de distintas capas, a toda la información existente de un edificio y permita una actualización rápida.

o Una aplicación que permite la recogida de datos mediante satélite durante los trabajos de campo, de manera instantánea, actualizando de forma permanente la base de datos creada. Aspecto fundamental es la posibilidad de introducir la información obtenida in situ de las inspecciones realizadas mediante técnicas no destructivas.

o Un sistema de gestión para la toma de decisiones y la priorización de las actuaciones. Figura 32. Distintas fases de la introducción y consulta de base de datos de catalogación en la aplicación informática

PHAI [11]

8.- Conclusiones


Antes de restaurar o rehabilitar un edificio es necesario estudiar su historia, la documentación original, y analizar la condición de los materiales de construcción. Es cada vez más importante “poner en valor” la información obtenida a lo largo de la vida del inmueble, como medio para analizar su estado y priorizar las intervenciones necesarias a partir de un histórico de registros de pruebas realizadas y del mayor o menor éxito de las intervenciones realizadas. Técnicas no destructivas, bases de datos y algoritmos expertos, que deben complementar a los trabajos de catalogación tradicional del patrimonio histórico. En estas líneas hemos ilustrado intervenciones realizadas con diversas técnicas (imágenes infrarrojas y georadar en particular) para obtener las propiedades más importantes de los materiales utilizados, o bien su estado de deterioro. Los resultados de las inspecciones visuales, registros, e información de las pruebas comentadas, se recogen en bases de datos que permiten imprimir un nuevo enfoque al futuro de la conservación y gestión del patrimonio histórico. Es obvio que el importante deterioro que afecta al patrimonio histórico (eflorescencias, humedades por capilaridad, pérdidas de material, evolución de las propiedades del material, cambio en su modelo resistente, etc.), requiere un importante análisis que debe primar la preservación del patrimonio, mediante el empleo de métodos que “respeten” la construcción. La gran parte de los daños causados a los materiales de construcción se debe al efecto del agua de lluvia. La proyección de imagen termográfica puede ayudar a detectar estas alteraciones y crear un enfoque sostenible que evita el uso de métodos destructivos. Se puede observar el efecto de enfriamiento cuando el agua se evapora de la superficie de una fachada, así como identificar el frente húmedo causado por capilaridad y la altura alcanzada por la humedad en un momento dado. La subida de las aguas subterráneas por capilaridad (humedad ascendente) genera un frente húmedo dentro de las paredes que puede ser identificado por imágenes termográficas, y los resultados pueden compararse con ensayos de laboratorio o resultados teóricos. Cuando las sales solubles precipitan en la superficie, la densidad local aumenta y este efecto puede verse en dichas imágenes. El análisis muestra que cuando la densidad aparente es mayor, aumenta la temperatura registrada, por lo que podemos probar diferentes áreas del mismo material en las mismas condiciones y comparar la densidad aparente de las diferentes áreas con la respuesta térmica para entender las zonas que han sufrido mayor deterioro. Técnicas como el georadar y técnicas sónicas y ultrasónicas, pueden ayudarnos a conocer el interior de las construcciones históricas y nos proporcionan información sobre sus condiciones de conservación. A partir de éstas podemos comprobar si su modelo resistente sigue siendo el mismo para el que fue concebido o por el contrario ha experimentado cambios en el tiempo y necesita ser monitoreado y/o reforzado. De la experiencia en el uso de estas técnicas, hemos realizado un resumen esquemático en el que hacemos una valoración de la indicación de cada una de las técnicas mencionadas, y caso de existir, la normativa de aplicación.


Técnicas Normativa Caract.

mecánicas material

Características elemento constructivo

Morfología constructiva

Estado degradación

Integridad elemento

estructural

Endoscopia + + + + + + + +

Termografía infrarroja +

Georadar + +

Sónicas R1LEMMS.D.1 + + + +

Ultrasónicas R1LEMMS.D.5 + +

Impacto - eco ASTMC1383 + + + +

Tomografía eléctrica + +

+ +

TAC + + +

Dilatométricas + +

Gatos planos

ASTMC1196-04

RILEM LUM.D.2

ASTMC1197-04

RILEM LUM.D.3

+ + +

Hole drilling ASTME837-99 + + +

Resistencia a la penetración

ASTMC403 +

Resistencia al arrancamiento

ASTMC900 +

Técnicas Espesor

de material

Localización de

anomalías Localización barras

de refuerzo Presencia de

Humedad Evaluación de intervenciones

Integridad del elemento

estructural

Georadar + + + + + -

Sónicas y ultrasónicas -

+ - - + +

Tomografía eléctrica +

- + + +

Termografía - - - + - -

Figuras 33 y 34. Indicaciones para la aplicación de las distintas técnicas. Vorsevi, 2014


BIBLIOGRAFIA

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