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1. INTRODUCCIÓN
La Basílica de Nuestra Señora de la Penha, Orden de los Hermanos Menores Capuchinos, es un edificio imponente en el paisaje urbano del sector de San Jose muy marcado por la presencia de torres delgadas altas y una enorme cúpula del cruzeiro, símbolos de una religiosidad fuerte que orientó el ambiente urbano de la formación inicial de la ciudad de Recife. Entre el inicio de la construcción (1656) y la termimación de la obra, fueron más de 200 años, debido a la expulsión de los calvinistas franceses de Recife, por orden del tribunal portugués (CECI,2014).
La Figura 1 muestra el registro histórico del edificio al inicio del siglo XX. El edificio tiene una nave central y un par de torres estilizadas como "minaretes", donde recientemente han sido observados en sus columnas internas, en la torre de la campana de espacio, una serie de rajaduras y deslizamientos de tierra y materiales de una acción bastante extensa, raíces de plantas que crecieron y ramificaron entre los bloques de una torre.
Figura 1 Imagen histórica de la Basílica de la Penha. Detalle de la torre del campanario sin ventilación.
En 1981, las intervenciones de refuerzo y llenado las ventanas ventilación (Araujo 2010) fueron hechos, los refuerzos fueron identificados con la inclusión de algunas columnas y barras de acero en elementos de hormigón armado.
En 2010, debido a lo grave de las manifestaciones patológicas tuvieron aberturas y rajaduras en algunas columnas y pérdida de revestimiento interno y externo, los refuerzos fueron insertados en estructuras de madera en las ventanas entre 8 columnas de estructura de bloques de las torres.
Las Figuras 2 y 3 muestran el aspecto externo de una de las torres, mostrando detalle del tipo de refuerzo utilizado en las columnas que constituyen la torre de la Epístola.
En las Figuras 4 a 6 es posible observar aspectos de grandes grietas en las columnas del campanário generadas por la oxidación de las armaduras en estas columnas.
2. INVESTIGACIONES REALIZADAS
Para realizar el proyecto de refuerzo para las dos torres fueron realizadas las caracterizaciones del comportamiento mecánico en las muestras retiradas de la edificación y un análisis numérico para determinar las acciones que actuan en las torres.
2.1 Caracterización físico-mecánica de la edificación
Las características físicas y mecánicas de la edificación fueron obtenidas a través de la inspección por prospección en áreas de la región de la torre de la Epístola, a través de la perforación y corte de lós bloques con disco doble diamantado, siendo las muestras enviadas al laboratório del ITEP-Instituto de Tecnologia de Pernambuco.
Las tentativas de obtención de muestras a través de la perforación con broca diamantada de 4” no se comportaron eficientemente, ya que la necesidad de cortar con lubrificación hidráulica favorecía la disolución del mortero y del propio bloque, ya que tanto el mortero base de cal como el bloque calcinado sufrían com la acción de los movimentos del disco y la acción del água. Para conseguir la obtención de muestras en la albañilería fué necesario utilizar disco de corte doble diamantado, según se muestra en las Figuras 7 y 8.
Las muestras fueron cortadas y preparadas en cuatro especímenes para la realización de los ensayos de compresión, siendo utilizada la prensa con control con capacidad de 30ton, permitiendo registrar el comportamiento posterior a la ruptura.
Para la determinación del módulo de elasticidad longitudinal y transversal fueron instalados deflectómetros con precisión de milésimas de milímetros en la sección transversal de aplicación de carga y utilizados LVDts en la medición de los movimientos longitudinales. La composición de las Figuras 9 a-d muestran aspectos característicos de los ensayos sobre el comportamiento a compresión de las muestras.
De esta evaluación, y análisis de la resistencia característica, conforme recomendacciones de la norma NBR 15182-2 fué obtenido
2.2 Tensiones solicitantes
Las cargas requeridas solicitantes fueron obtenidas con base al modelo numérico teniendo por base el método de los elementos finitos (Mamaghani, 2004) siendo la estructura de bloques modelada con elementos sólidos de formas variadas, los pisos en elementos de placas combinados con elementos de membrana y la flecha de la cubierta de las torres en elementos tipo casquete. Fue utilizado el sistema computacional SAP2000 para obtención de las tensiones, siendo a este informado de las densidades y las características del comportamiento a compresión (módulo de elasticidad y coeficiente de Poisson). La Figura 10 muestra aspectos de los elementos sólidos utilizados y los resultados de las tensiones en los elementos que componen una de las torres.
Las imágens presentadas en la Figura 10 muestran que las regiones más críticas de concentración de tensiones estan en la base de las columnas del campanário, alcanzando el valor de 0,52MPa debido apenas al peso propio es de 0,80MPa cuando se considera la acción combinada del peso propio y la acción del viento.
2.3 Análisis de seguridad estructural
Considerando los resultados de las tensiones solicitantes, en especial en la región próximo a las bases de las columnas del campanario, alcanzó valores máximos entre 0,52MPa y 0,80MPa y considerando que la resistencia característica de las muestras fué determinado en 0,63MPa.
Estos valores muestran que la acción del viento y las tensiones superan la capacidad resistente de las columnas, inclusive sin considerar los factores de seguridad normalmente existentes cuando se procede a un dimensionado. De esta forma las estructuras de refuerzo provisionales, construídas con estructuras de madera en las ventanas cerradas del campanário están actuando de forma decisiva, evitando colapso en esta región.
Los resultados de estos análisis están coherentes con la situación que se presenta en las columnas del campanario de la torre de Epístola, presentando un estado elevado de fisuración e indicativos de ruina localizada.
Así se concluye que es extremadamente necesario un refuerzo que duplique la capacidad resistente, atendiendo así a los princípios normativos de seguridad estructural.
3. ANTEPROYECTO DE REFUERZO ESTRUCTURAL
3.1 Princípios del anteproyecto de refuerzo
Los sistemas compuestos estructurados con fibras de carbono son eficientes para la absorción de esfuerzos de compresión, impidiendo, por medio del confinamiento de la sección de las piezas axialmente solicitadas, el crecimiento de la deformacción transversal de materiales, que originan la actuación de carga axial.
El efecto de la presión de confinamiento es inducir un estado triaxial de tensiones en las paredes y en esas condiciones los bloques, u otro material frágil, altera sustancialmente su comportamiento a compresión, tanto en la resistencia como en la ductilidad (Fiorelli,2002).
En las Figuras 11 y 12 muestran la diferencia de comportamiento a compresión de un elemento de concreto, que podría ser de bloque, con o sin confinamiento transversal.
Además del efecto propiciado por el confinamiento, promovido por el sistema de fibras de carbono y resina epoxy, habrá la sustitución del revestimiento de mortero a base de cal por revestimiento a base de mortero polimérico a base de cemento y aditivos químicos.
3.2 Determinación da influencia del refuerzo
Las características a compresión de este mortero polimérico en relación al mortero de cal son sustancialmente mayores, pudiendo superar en 15 veces la resistencia a compresión y en más de 35 veces el valor del módulo de elasticidad longitudinal, ver Tabla 1.
El efecto propiciado por el confinamiento, promovido con el uso del sistema compuesto de fibras de carbono y resina epoxy podrá llevar en hasta 30% la capacidad resistente de una pieza comprimida. Asi mismo combinando los efectos de la sustitución del revestimiento con el confinamiento en las secciones externas transversales de las columnas propicia un incremento de la capacidad resistente de esos elementos que ponen el campanário.
Las Figuras 13 y 14 muestran el posicionamiento de las columnas que presentam las situaciones más críticas en términos de concentración de tensiones.
La evaluación de las áreas de la sección transversal de una de las columnas a ser reforzadas está considerada en la Figura 15.
Figura 15 Evaluación del área posterior a las intervenciones necesarias a la colocación del refuerzo
Prácticamente luego de las intervenciones de corte (desbastamiento de las esquinas) y acondicionamiento, necesario para lograr el amarre transversal de las columnas, las áreas estimadas de paredes y revestimiento no se alteran.
La evaluación de las cargas actuantes y resistentes en la base de las columnas del campanario, puede ser estimada en:
a) Carga total actuante, debido al peso propio, considerando el modelado numérico
b) Carga total actuante, debido a la acción combinda de peso propio y viento, se tiene:
c) Resistencia de las paredes actualmente, considerando la resistencia característica del ensayo.
d) Resistencia estimada para las paredes reforzada con sustitución del revestimiento de mortero de cal por mortero polimérico
e) Resistencia estimada para el refuerzo con uso de la cinta fibra de carbono
De esta forma se puede considerar que el refuerzo propuesto posibilita una elevación de la resistencia de las columnas en 7 veces su capacidad resistente y si se compara la carga actuante en la base de las columnas debido a la acción combinada del peso propio y el viento. De esta forma, el refuerzo propuesto presenta un coeficiente de seguridad en el orden de 7,0, muy superior a los 2,0 recomendado por las normas de albañilería.
4. PROCEDIMIENTOS DE REFUERZO
A continuación, serán presentados los procedimientos para la ejecución del refuerzo estructural.
4.1 Procedimientos básicos para refuerzo de las estructuras de albañilería.
Los procedimientos básicos seguidos para la ejecución de refuerzo en paredes fueron:
4.1.1 Demolición y retiro del revestimiento existente, con desbaste de las esquinas y limpieza de las áreas que serán reforzadas
En las áreas a ser reforzadas los revestimientos existentes deberán ser retirados, pudiendo para ello utilizar piedra de amolar de corodur acoplado al esmeril, de esta forma no habrá impactos significativos en la estructura de bloques, como se muestra en la Figura 16a.
Las esquinas vivas deben ser rebajadas, y luego de hacerlo y retirado todo el revestimiento, las áreas deberán ser limpiadas eliminando el polvo, pudiendo para ello utilizar chorro de aire a presión, ligeramente húmedo, según se muestra en la Figura 16b.
4.1.2 Preparación y emparejado de la superficie
Las áreas que recibirán refuerzo, según el proyecto, se les debe preparar la superfície recibiendo aplicación de una capa primaria para poder llenar los vacíos y colocar la capa de mortero polimérico que homogeniza la superficie, como es indicado en las Figuras 17a e 17b.
Este mortero deberá tener consistencia adecuada para su aplicación con brocha metálica sobre la superfície imprimada.
La superfície final debe presentar acabado liso y compacto.
Luego de 3 días de la aplicación del mortero se procede a la aplicación de otra capa primaria.
4.1.3 Procedimiento de aplicación de mantas de fibra de carbono
La superficie de las paredes ya preparada con una capa primaria de epoxi aplicada con un rodillo. Tipicamente, este producto tiene una baja viscosidad lo que facilita su penetración a la pared. La función de esta capa es proporcionar una adherencia adecuada a la superficie de la estructura (Grande 2011).
Luego de la aplicación y homogenización en la masa es entonces aplicado el epóxi + carbonatos para corregir y eliminar los defectos de superfície que pueden perjudicar la aplicación.
Luego de regularizar y hacer la aplicación de la primera capa de resina. La superfície de la estructura es cubierta con saturación de resina epoxi. Esta resina, de alta viscosidad, ayuda a mantener el CFC en la posición correcta. La saturación impregnada de la fibra siendo aplicada, también ayuda en los esfuerzos de las fibras y protección contra la abrasión.
La aplicación de las mantas de fibras de carbono, cortadas en la dimensión de las superfícies y la geometría del área, es aplicada a la saturación de resina epoxi.
Se continua con la aplicación de resina saturante de la capa superior reforzado y son hechas a lo largo de toda el área de modo que el sistema no se vea.
Posterior a que todas las camadas de CFC hayan sido aplicadas, se regulariza con compuesto de mortero polimérico y fibras plásticas.
La Figura 18 muestra los procedimientos para la aplicación de las mantas de fibra de carbono.
4.2 Estrategia para la recuperación de las torres
Considerando la situación crítica en que están los elementos que componen las torres, desde la pérdida de revestimiento de las piezas de cobre en la cubierta de las flechas, ocasionando la degradación de elementos estructurales de dicha cubierta, de la acción de degradación de arbustos que crecieron y se ramificaron en el tambor de la torre de la epístola hasta el cuadro indicativo de ruina en las bases de las columnas del campanário. Para proceder a la recuperación de las torres, se debe desarrollar una estrategia para su ejecución en las etapas de refuerzo de las torres.
4.2.1 Procedimiento para la limpieza e inyección de epóxi en las columnas fisuradas
En las columnas fisuradas en lo alto del campanario hay la necesidad de limpiar y rellenar con resina epoxy para la recuperacción del estado monolitico, esquematicamente presentada en la Figura 19 [5].
Limpieza de las fisuras con chorro de aire a presión;
Sujeción de partes de las armaduras impregnadas dentro de las fisuras, de manera de no provocar daños mayores;
Perforación de orificios a lo largo de la fisura y colocación de los coples, rellenando la parte externa con epoxi + cemento;
Inyección de resina epoxy, con baja presión, en lós coples, de abajo hacia arriba, de forma a rellenar las fisuras.
4.2.2 Procedimientos para retirar las chapas de cobre de la cubierta de lós pórticos.
Preparación de estructura auxiliar para apoyo de una plataforma para andamios: Insertar en las bases del campanario elementos de madera que apoyarán 4 perfiles metálicos traspasantes, que sostendrán las líneas de andamios.
Montar las 8 columnas de andamios hasta llegar al borde de la base del pórtico, apretándolos contra las paredes del bloque;
Colocar una reja/red de protección sobre los andamios para evitar la caída de objetos del pórtico;
Con ayuda de una grúa, acoplada a una estructura de protección, retirar las piezas de cobre de la cubierta de los pórticos.
4.2.3 Procedimiento para refuerzo en las columnas del campanario
Las ocho columnas que componen| el campanario, están actualmente con refuerzo provisional con estructura de madera y con bloques de ventilación.
Para promover el refuerzo de estas columnas, en pares y opuestas, deberá ser utilizada la técnica de refuerzo con sustitución del revestimiento existente y amarre con fibras de carbono.
Luego se inicia el tratamiento de fisuras, según 4.2.1.
Se promueve el corte del área de ventilación alrededor del par de columnas seleccionadas;
Remover el revestimiento y su desbaste de las esquinas, conforme lo descrito en 4.1.1;
Promover el refuerzo conforme lo descrito en 4.1.2 y 4.1.3;
Respetar este procedimiento para otros pares de columnas opuestos.
4.2.4 Procedimiento para la retirada de los arbustos enraizados en la torre de la Epístola y ejecución del refuerzo de la estructura de madera de la cubierta.
Los arbustos que crecieron y se enraizaron en la torre de la Epístola necesitan ser cuidadosamente retirados.
Luego del retiro del revestimiento de las flechas se procede a la investigación de la estructura de madera que compone las flechas de la cubierta de las torres.
Identificar los elementos de madera que se dañaron y promover su refuerzo;
Los refuerzos pueden utilizar chapas de acero y tornillos inoxidables, pudiendo ser necesario preparar nuevas piezas de madera.
4.2.5 Procedimiento de refuerzo con cintas en el contorno externo de las torres
En las regiones externas del contorno de las torres, en los niveles 18,00, 25,00, 27,00, 29,00 y 31,00, serán desarrollados refuerzos, conforme las etapas que se ilustran en la Figura 23:
Preparación de estructura auxiliar para apoyo de una plataforma para andamios: Insertar en las bases del campanario elementos de madera que apoyarán 4 perfiles metálicos traspasantes, los cuales sustentarán las líneas de andamios.
Montar las 8 columnas de andamios hasta alcanzar el borde de la base de la flecha, ajustándolos contra las paredes de bloque;
Colocar una reja/red de protección sobre los andamios en el sentido de evitar la caída de objetos de la flecha;
Con auxílio de una grúa, acoplado a una estructura de protección, retirar las piezas de cobre de la cubierta de las flechas.
5. CONSIDERACIONES FINALES
La situación en que se encuentran las torres de la Basílica de la Penha muestra indicativos preocupantes en lo que se refiere a la estabilidad estructural. En la evaluación realizada no existe reserva de seguridad, el refuerzo provisional implantado está actuando de forma efectiva y plena, pero nuevos indicios de ruina están a la vista.
La propuesta de refuerzo presentada posibilita no solo la retirada del refuerzo provisional con los aislamientos de ventilación construidos posteriormente a la construcción de la basílica en el siglo XVIII.
El uso de refuerzo a base de sustitución de mortero de cal por mortero polimérico y cintas en fibras de carbono, pueden ser recubiertas por una nueva capa de mortero a base da cal con reconstitución de detalles arquitectónicos y detalles semejantes a los originales.
El refuerzo con fibras de carbono y mortero polimérico no sufren degradación con la humedad y acciones naturales de intemperismo, son así consideradas durables.
