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1. INTRODUCCIÓN
En el marco de las investigaciones realizadas en el Taller de Investigación de Diseño Estructural de la Facultad de Arquitectura de la UNC, se presenta este trabajo con el estudio de las tipologías estructurales de madera utilizadas por los jesuitas en la construcción de la Estancia Santa Catalina, provincia de Córdoba, declarada Patrimonio de la Humanidad en al año 2000. Esta Estancia, ubicada a 20 km de la ciudad de Jesús María, comprende entre otros, la iglesia, y la residencia con sus tres patios, ver Figura 1. En las áreas destinadas al servicio y las habitaciones, la construcción, característica de la época, consiste en gruesos muros de mampostería sobre los que apoyan estructuras de madera que soportan el paquete constructivo compuesto por bovedillas, mortero de asiento y tejas. Las tipologías empleadas son columnas, vigas inclinadas y vigas reticuladas. Para su análisis, se ha realizado primero la tipificación de la madera, y luego los ensayos para conocer sus características físico-mecánicas. Una vez investigada la conformación estructural, se resolvieron las estructuras con modernos procedimientos de análisis y se procedió a la verificación seccional siguiendo los lineamientos de la Norma brasilera BR 7190, determinando su grado de seguridad.
Del estudio del comportamiento estructural de estas tipologías de más de 360 años de antigüedad, se redactan recomendaciones de actuación orientadas a su conservación y mantenimiento.
2. INVESTIGACIÓN DE LA CONFORMACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE CUBIERTA DE LA GALERÍA DEL PATIO DE LOS ESCLAVOS
La investigación tuvo por objeto reconocer el sistema estructural utilizado en la conformación de la cubierta de la galería del patio de los esclavos (también denominado patio de servicio), como se indica en la Figuras 1 y 2.
2.1 Determinación de la conformación de cubierta, y análisis de cargas
Se identificaron los materiales que conforman la cubierta y sus correspondientes espesores: teja muslera (100 kg/m2), mortero de cemento (63 kg/m2), tejuela de 3cm espesor (42 kg/m2), alfajías de 8,5 x 1,5 cm (35.10 kg/m2), ver Figura 3.
Se realizó el analisis de cargas permanentes g = 209.80 kg/m2, y variables, p = 23 kg/m2. Se determinó la carga sobre cabios: de cubierta por área de influencia (ver esquema estructural de Figura 4) más peso propio de los cabios de 12.5 x 15 cm. Para el cálculo de solicitaciones se mayoraron las cargas con la combinación (1) según Norma brasilera BR 7190.
(1)
2.2 Determinación de las características físicas y mecánicas de la madera de los cabios: Aspidosperma quebracho-blanco (Apocinaceae)
Para identificar la especie de madera de los cabios, se realizó el estudio macro y microscópico de las muestras enviadas al Laboratorio de Dendrología y Xilología, INSIMA, Fac. Ciencias Forestales, U. N. de Santiago del Estero. Los resultados del Laboratorio certificaron que las piezas correspondían a la especie: quebracho blanco.
Posteriormente, se realizaron ensayos para la determinación de las características físicas y mecánicas en el laboratorio del Taller de Investigación y Diseño Estructural de la Facultad de Arquitectura: densidad = 1015 kg/m3; resistencia característica, fc0k = 454 kg/cm2; resistencia de cálculo, fc0d = 145.28 kg/cm2; módulo de elasticidad medio, Em = 118322 kg/cm2; módulo de elasticidad efectivo (para verificación de la deformación teniendo en cuenta la fluencia lenta ) (2):
(2)
2.3 Verificación seccional de los cabios
Para los cabios de 12.5 x 15 cm de sección y una luz entre apoyos de 2.02m, se obtienen el momento máximo: Mmáx = 125.54 kgm, para la verificación de la resistencia seccional (3).
(3)
Con la combinación de cargas (4) se calcula la flecha máxima para evaluar el estado límite de deformación (5).
(4)
(5)
2.4 Determinación de las características físicas y mecánicas de la madera de columnas: Algarrobo Prosopis alba (Mimosaceae)
Se procedió de igual modo que con los cabios para identificar la especie de madera de las columnas, resultando éstas de madera de algarrobo.
Se realizaron ensayos en laboratorio para la determinación de las características físicas y mecánicas: densidad = 690 kg/m3; resistencia característica, fc0k = 379 kg/cm2; resistencia de cálculo, fc0d = 103.95 kg/cm2; módulo de elasticidad medio, Em = 63667 kg/cm2, módulo de elasticidad efectivo, Eef = 24448 kg/cm2.
2.5 Verificación seccional de columna
Con los datos de la geometría graficados en la Figura 5 y los datos del material, se realiza la verificación seccional para un esfuerzo normal de compresión de N = 1374 kg, y una esbeltez de λ = 66, (7) - (9).
(7)
(8)
(9)
(10)
3. INVESTIGACIÓN ESTRUCTURAL DE LAS CABRIADAS DE MADERA EN CUBIERTA DE LAS HABITACIONES DEL PATIO DE LAS HIGUERAS
La estructura que se verificó corresponde a la habitación E11 ubicada en el Patio de las Higueras, como se indica en la Figura 6, y en la cual se observaron manifestaciones patológicas. Primero se procedió a relevar in situ la sala en cuestión, tanto en sus dimensiones en planta, como también la organización estructural del plano superior. Para el relevamiento en alzado se utilizaron además los datos suministrados por el equipo de topógrafos, ver Figura 7.
Esta estructura, característica de la época, está constituida por una cabriada central de madera azuelada con pares y nudillos, que se apoya sobre muros de un ancho aproximado de 0,90 mts.
Se completa el mecanismo con cabios transversales colocados cada 20 cm, apoyados sobre la cabriada de madera y en los muros extremos. Éstos reciben el paquete constructivo compuesto por las bovedillas, el mortero de asiento y las tejas. Las uniones de las diferentes barras se materializan por encastre, sin presencia de clavos u otro conector, como se aprecia en la Figura 8.
Durante las tareas de relevamiento desarrolladas, se observaron importantes manifestaciones patológicas, indicadas en la Figuras 9.
3.1 Determinación de las características físicas y mecánicas de la madera de la cabriada: Prosopis sp (Algarrobo)
Del mismo modo que en los casos anteriores, se realizó el estudio macro y microscópico de una muestra para la identificación de la madera, correspondiendo a la especie: Prosopis sp. (ALGARROBO) con presencia de galería de insectos, ver la Figura 10.
Se realizaron ensayos en el Laboratorio y las características físico-mecánicas de la madera obtenidas son: densidad = 690 kg/m3; resistencia característica: fc0k = 379 kg/cm2; resistencia de cálculo: fc0d = 103.95kg/cm2; módulo de elasticidad medio, Em = 63667 kg/cm2; módulo de elasticidad efectivo, Eef = 24448.128 kg/cm2.
3.2 Características de la Cubierta de techo sobre la cabriada y análisis de cargas
La imposibilidad de realizar un análisis invasivo, ha obstaculizado la determinación fehaciente de la constitución material de la cubierta, en los aspectos que no estaban a la vista. Se ha supuesto, entonces, su conformación y las características físicas y mecánicas de los materiales componentes, en base a antecedentes de estudios que se realizaron en otras construcciones similares contemporáneas a la estancia, como la Estancia de Alta Gracia, y el Museo de Jesús María. En base a esos estudios y a los relevamientos de campo y planialtimétrico, se determinaron los espesores de cada uno de los materiales constitutivos, tarea que permitió cuantificar la carga por metro cuadrado. La cubierta es de similares características que la de la galería del Patio de los Esclavos: conformada por bovedillas de 18 cm x 28 cm x 3 cm de alto, asentadas sobre los cabios, y sobre ellos se encuentran colocadas tejas españolas con una argamasa de 4,5 cm de espesor, utilizada como mortero de asiento.
Una vez estudiada la conformación y geometría de la cubierta, se realiza el análisis de cargas sobre la misma. Las cargas sobre la cabriada resultan: cargas permanentes g = 382.48 kg/m y cargas variables p = 40.48 kg/m. Para el cálculo de las solicitaciones y de la deformabilidad de la estructura, con los datos ya obtenidos se utilizó el software Strap, ver Tabla 1 y Figura 11.
3.3 Combinaciones de cargas (según lo establecen las Normas Brasileras BR7190)
Para cálculo de las solicitaciones y verificación de la resistencia se utilizó la combinación (11) y para verificar la deformabilidad se adoptó la combinación (12).
(11)
(12)
3.5 Verificación seccional de los pares - barra 3
La esbeltez es λ = 10.94 < 40, entonces se verifica como pieza corta (13).
(13)
3.7 Verificación seccional del nudillo - barra 8
Como la esbeltez de la pieza es λ = 114 > 80, se verifica como pieza esbelta (15) - (22).
Según las NBR 7190, se calcula la excentricidad accidental mínima y excentricidad inicial (15); la carga crítica (16); la excentricidad complementaria debido a la fluencia lenta de la madera (17) - (18), y la excentricidad efectiva de primer orden (19):
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
(20)
(21)
(22)
3.8 Verificación del estado límite de deformación
La flecha máxima de cálculo obtenida de Strap (Figura 13): α = 0.303 cm es < que l/250 = 0.96 cm. Dada la irregularidad del tensor, la medición del descenso realizada en obra arrojó un valor aproximado de 1 cm. Surge entonces que la flecha máxima de cálculo α : 0.303 cm < flecha máxima relevada f = 1 cm .
4. CONCLUSIONES
Las deformaciones detectadas en la obra superan en algunos casos las consideradas admisibles; eso se puede atribuir a una disminución de la sección neta de las barras por la formación de galerías producidas por insectos, detectadas en el estudio microscópico. La verificación de todos los elementos estructurales analizados en el presente trabajo se ha realizado considerando las secciones netas relevadas sin disminución por defectos en la madera, producidos a través de su vida útil.
En la cabriada analizada se puede observar que las tensiones de compresión en nudillo, considerando la estabilidad al pandeo son superiores a las resistencias de cálculo. Se sugiere entonces, como medida de seguridad, el agregado de una nueva barra que disminuya la longitud de pandeo del nudillo, pero conservando la pieza original.
Con respecto a las galerías de insectos, que debilitan la madera y facilitan su putrefacción, se propone en primer lugar realizar las reparaciones necesarias para restituir la sección original de las piezas de madera. Se aconsejan también acciones para impedir el aumento de contenido de humedad de la madera, y luego aplicar insecticidas líquidos en los muros en lugares donde estén en contacto con las vigas, y luego realizar el tratamiento de la madera original utilizando un insecticida fungicida específico.
Como conclusión del trabajo se puede considerar que en general el comportamiento de la estructura ha sido satisfactorio sobre todo considerando una antigüedad cercana a los 360 años y una marcada falta de mantenimiento en períodos prolongados.
