hipótesis de las ciencias de la...
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Hipótesis de las Ciencias de la Construcción
Estabilización Torre de Pisa
Parte Uno: Investigación
Diseño Estructural UNCSetiembre 2015
Bibliografía: “The leaning tower of Pisa” Consorcio Progetto Torre di Pisa, revista “Ingeniería Internacional” Leonhardt.
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Objeto de estas imágenes y escritos
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• Una de las tareas del Diseño Estructural es el planteo riguroso de “hipótesis” tanto de la arquitectura como de la ingeniería estructural.
• Esta última es la parte del Diseño Estructural, allí se manejan una elevada cantidad de variables que de sus combinaciones surgen las posibles estructuras.
• En las tareas de consolidar la Torre fue necesario crear y configurar las hipótesis posibles de estabilización para luego someterlas a falsación o contrastación. De la rigurosa clasificación y calificación de esas hipótesis solo quedaron algunas pocas; fueron las que se aplicaron en las obras de recuperación.
• En el trabajo de gabinete y relevamiento de datos para la Torre se utilizó la metodología de investigación, eje firme para un buen diseño de la estabilización.
• En una obra nueva, obra a realizar, se utilizan hipótesis de diseño constructivo y estructural, sobre un edificio a futuro. En el caso del Torre, el edificio existe, pero con anomalías graves que hacen peligrar su estabilidad total. En ambos casos el procedimiento del Método de Investigación con las herramientas de las hipótesis es el mismo.
• El proceso de investigación de la Torre es más complejo que el de una obra nueva. La Torre presentaba tres inconvenientes: a) Investigar y definir las causas de sus anomalías, b) Investigar y establecer el diseño de estabilización, c) Preservar la imagen de la Torre: debía seguir estando inclinada (motivo de su fama) y las intervenciones debían ser “invisibles”, ocultas a la visual del turista profano. Estas intervenciones son denominadas “soft” o “ultra soft”.
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A fines de la década del ´80 la comunidad científica determinó que la Torre mostraba evidencias de un colapso en un período no mayor a los 30 años.
En 1989 el Comité Permanente de la Torre forma una Comisión Internacional con los mejores ingenieros y arquitectos expertos en diseño estructural. Participan representantes de todas las disciplinas que integran las Ciencias de la Construcción.
La encomienda del trabajo es diseñar las tareas, plan de trabajos y procedimientos para otorgarle a la Torre 300 años más de vida.Italia, como país deseaba entregar ese obsequio al mundo entero antes del nuevo milenio. Disponía de diez años entre las tareas de diseño y trabajos en obra.
Antecedentes
Parte de su historia y símbolo:
En el mundo no existe una torre más famosa. La construcción se inicia en 1173. Se inclina a los 3 pisos y medio. Se paraliza la construcción. Se reinicia en 1272 corrigiendo la vertical, toma el nombre de torre banana. Los trabajos se interrumpen de nuevo en el 7° piso. El campanario terminado en el 1350.
En 1989 en Pavia colapsa un campanario. La comunidad científica a través del Comité permanente de la Torre deciden investigarla y descubren un aumento de su inclinación hacia el sur continuo, imperceptible, pero de riesgo de colapso a pocas décadas.
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Planos antiguos.
Planos de fachada y corte realizados en el año 1817. Es asombrosa la precisión del dibujo.
Estos planos, miles de otros, más escritos y antecedentes sirvieron para la investigación en la primer fase: relevamiento de datos.
Corte Torre y estratos de suelo.
Fuente: gráfico del informe de Leonhardt en la revista “Ingeniería Estructural” (Leonhardtpertenecía a la comisión).
El gráfico muestra el corte total: de la Torre y de los estratos de suelos (datos de sondeos). En el esquema se destaca una singularidad: en el horizonte de suelo a profundidad de 15 metros existe una deformación del horizonte. Hay un manto de arcilla marina y sedimentos fluviales que se “deformó” hacia el sur por el enrome peso de la torre.
La torre tiene un peso de 15.00 toneladas.
Altura de 56 metros.
Cerrada al público en 1990.
Inclinación 5,5° (…cinco metros arriba)
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Tensión en interfase suelo fundación.
La torre presenta un asentamiento promedio total cerca de los 2,50 metros.
La inclinación hacia el sur se observa desde un plano horizontal que pasa por su eje: 0,90 metros desciende al sur y 0,90 metros se levanta en el norte.
Con la inclinación la presión del suelo aumenta en el sur y llega a 95 kPa (≈ 1,00 kg/cm2), mientras que en el norte disminuye hasta anularse.
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Tensión en paredes y bases.
Los esfuerzos de las paredes en el corte AA, inicio de las columnas sobre cornisa es de 790 kPa (7,9 Mpa) en zona sur y en zona norte 220 kPa (2,2 Mpa).
Se presentan diferenciales de tensión: a) en el suelo y b) en las paredes. Ambos son críticos.
La inclinación y el peso propio desplazado, producen un momento de volcamiento de 288 MNm (28.800 tnm)
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Histograma de 1911 al 1990.
Datos y referencias del gráfico:Desplazamiento del extremo superior para α = 1° → ≈ 100 cm = 1,00 metros.Desplazamiento del extremo superior para α = 5° → ≈ 500 cm = 5,00 metros.Desplazamiento del extremo superior para α = 1´ → ≈ 100/60 ≈ 1,7 centímetros.Desplazamiento del extremo superior para α = 1´´ → ≈ 1,7/60 ≈ 0,03 centímetros.
Entre los años de 1911 a 1990 se desplazó 450 ´´ → ≈ 13 centímetros.
Zona crítica desde la MF.
Estudio de zona crítica en la primer cornisa con inicio de columnas: Punto “C”.
Las paredes tienen un ancho debajo de cornisa: 4,50 metros. Ancho por arriba de cornisa: 2,70 metros.
Desde MF (mecánica de fracturas): la zona posee dos irregularidades, a) el hueco de la escalera y b) el cambio de espesor de paredes. Esto produce la fisura vertical en parte superior del hueco escalera.
Desde LF (líneas de flujo): las líneas de los esfuerzos de compresión son alterados por la irregularidad: generan tracción en zona de escalera con tensión de 50 kPa.
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Estudio de placa de mármol en paredes.
Las paredes poseen en ambas caras placas de mármol de espesor 20 cm, en su interior una masa relleno de piedra, arena y aglomerantes de 235 cm.
Desde la elasticidad y plasticidad: el módulo de elasticidad “E” del mármol es muy superior al del relleno. Las cargas son resistidas por el material más rígido: el mármol.
Desde biela y tensor: las líneas de flujo de los esfuerzos de compresión se ajustan a las irregularidades del ancho del mármol, por ello aparecen resultantes de fuerzas excéntricas.
Hipótesis de las causas
En subsuelo.• Consolidación del manto de arcilla (15.000 toneladas durante casi 1.000 años).
• Ascenso de la napa freática (1,5 metros por debajo de terreno).
• Acrecimiento del momento de vuelco con la inclinación (desplazamiento del centro de gravedad de la Torre).
• Aumento de peso por intervenciones inadecuadas durante los últimos 150 años (inyección en los muros de mortero cemento).
• Aceleraciones sísmicas de bajo valor pero suficiente para perturbar las partículas del primer manto superior (arena suelta).
En torre.• Diferencia de rigidez “EI” en paredes (placas de mármol y relleno).
• Toma de compresión por el mármol (mayor rigidez).
• Irregularidad en espesor y forma de placas de mármol. Diferentes direcciones del flujo de compresión: componentes de fuerzas expansivas hacia interior o exterior.
• Imperfecciones de forma en el diseño original: a) primer cornisa y b) hueco de escalera en la masa de pared.
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Hipótesis de intervención
En subsuelo.
• Inyección de cemento en suelo mediante “jet grouting”.
• Aplicación de ósmosis en suelo.
• Bombeo subterráneo agua región norte a sur (aumento de presión de poros en zona sur).
• Colocación de placas de plomo sobre placa fundación zona norte.
• Tensores a profundidad como estabilizadores en zona norte.
• Congelamiento de suelo permanente (se congela el agua de la napa y se rigidiza al suelo).
• Debilitamiento del subsuelo en zona norte.
En torre.
• Perforación paredes y colocación de tensores de sujeción.
• Inyección de cemento en relleno paredes.
• Zunchado de paredes (estribos en tensión).
• Sistema de anclaje a distancia mediante tensores.
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Hipótesis de zunchado superior.
Se proyectan zunchos de cables de acero especial que actúan con fuerza radial para generar una pos compresión en las placas externas de mármol.
Posición: bajo cornisa y en el primer tramo de pared superior.
Condición: los tensores no deben ser visualizados desde nivel de terreno.
Sistema: deben ser controlados en el tiempo para regular losesfuerzos.
Monitoreo: colocación de sensores en placa de mármol para medir la compresión generada por los tendones.
Hipótesis aceptada con una mejora en el diseño de colocación, ubicación y sistema de tensado.
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Hipótesis de zunchado inferior.
Hipótesis de resguardo, protección y refuerzo de la fundación original. Se aplica un zunchado dentro de un anillo de hormigón armado con control de fuerzas.
Hipótesis aceptada.
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Hipótesis de ubicación placas de plomo.
Hipótesis de ubicación lingotes de plomo sobre anillo de hormigón armado pos tesado.
Hipótesis aceptada.
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Hipótesis de carga placas plomo.
Hipótesis de carga en sector norte con lingotes de plomo, para estabilizar y reducir el efecto de vuelco de la excentricidad de carga por la inclinación de la torre.
Hipótesis aceptada hasta tanto se diseñe un sistema “invisible” de presión sobre sector norte. La solución invisible se la proyecta mediante tensores ubicados a en el manto de arena densa, a más de 40 metros de profundidad.
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Relevamiento de datos.Histograma de la recuperación del movimiento hacia el norte durante la
aplicación de lingotes de plomo. De Junio del 1993 a Marzo del 1994.
La medición en “arco segundo” se recupera un total de 32 arco segundos que equivale un desplazamiento en la parte superior de 0,96 centímetros ≈ 1,0 centímetro.
Desplazamiento del extremo superior para α = 1´´ → ≈ 1,7/60 ≈ 0,03 centímetros
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Hipótesis trayectorias líneas de presión en suelo.
Con las cargas de placas de plomo (1.000 tn) se establecen las posible líneas de presión en el sub suelo y su influencia en el estrato de arcilla compresibles.
Las trayectorias de esfuerzos de compresión en el suelo se abren y disipan con la profundidad: de arriba hacia abajo.
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Hipótesis de carga con tensores anclados en profundidad.
En este caso las trayectorias de presión tienen dos direcciones: de arriba hacia abajo (parte superior) y de abajo hacia arriba (parte inferior de anclaje). El efecto que esto produce en la arcilla compresible es mayor que el caso de las placas de plomo.
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Diseño de anclajes profundos.
Sistema de estabilización profunda zona norte:Construir un anillo de hormigón postesado sobre muros de fundación.
En zona norte perforar el hormigón del anillo y el suelo hasta una profundidad de 45 metros, colocar un caño camisa de diámetro 10 cm.
Por dentro del caño se coloca un cable tensor con extremo rugoso para adherencia. Luego se inyecta mortero cemento especial para crear un bulbo en el extremo inferior.
El cemento del bulbo durante el proceso de frague se adhiere al extremo del tensor.
En la parte superior del cable, mediante sistema de tornillo rosca especiales se pone en tracción al tensor, de manera que apriete al suelo en zona norte.
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Alternativa de tensores.
Hipótesis similar a la anterior. Placa de hormigón armado más alejada de la Torre y tensores anclados en profundidad.
Los tendones ingresan a tracción con un sistema tuerca y tornillo ubicados en la placa de hormigón.
Esta hipótesis fue aprobada.
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Detalle tensor parte superior.Plano proyecto de placa de hormigón, placas de plomo y
dispositivo de tuerca y tornillo para tensor.
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Hipótesis de tensor.
Construirr en zona norte un sistema de pilotes con cabezal único para anclar un cable de estabilización.
Esta hipótesis de proyecto se rechaza por cuestiones de pérdida de valor estético de la torre. El sistema es visible.
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Hipótesis de puntal y tensor.
Construirr en zona norte y sur, alejados unos 40 metros de las torres un sistema de pilotaje y cabezal.
En la zona norte se fabrica un dispositivo de tracción que une el cabezal de suelo con el anillo de tendones a nivel de cornisa.
En la zona sur lo mismo pero con dispositivo a compresión.
Se genera un momento estabilizador que pueda superar al de vuelco.
Tiempo de uso del sistema: permanente.
Esta hipótesis de proyecto se rechaza por cuestiones de pérdida de valor estético de la torre.
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Hipótesis de tensor en zona norte.
Similar a la hipótesis anterior pero solo con cables en tracción del lado norte.
Hipótesis también rechazada por razones similares a la anterior.
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Hipótesis de tensor con anclaje oculto en zona norte.Efecto de estabilidad similar a las anteriores, pero los dispositivos de anclaje se
ubican detrás de otras edificaciones, quedan ocultas de la vista directa.
Los soportes metálicos (biela y tensor) son definitivos. Se logró ubicarlos detrás de edificios para no perturbar la estética de la zona.
Hipótesis aceptada.
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Hipótesis de tensor con anclajeoculto.
Planta de la hipótesis de estabilidad mediante tensores anclados a columnas soportes distantes, detrás de otros edificios.
Hipótesis aceptada.
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Hipótesis de subsidencia de suelo.
Mediante extracción de pequeñas cantidad de suelo en el horizonte de arcilla arenosa, se debilita su capacidad soporte para debilitar el suelo en zona norte.
Hipótesis aceptada, con previo ensayo en escala media en el lugar.
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Hipótesis de presión de poros.
Mediante un sistema continuo de bombeo, se inyecta agua del lado sur para aumentar la presión de poros del suelo y se extrae del lado norte.
Esta hipótesis no fue aprobada.
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Diseño pruebas en escala.
Esquema del modelo en escala en hormigón de configuración excéntrica de carga, copiando el efecto de vuelco de la torre.
Esquema de las mechas helicoidades, su inclinación y alcance.
Mecha o hélice que se desliza sobre un eje de guía. Para la extracción del suelos se retira la mecha y queda clavado en profundidad el eje guía.
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Hipótesis drenado napa freática.En zona norte se construyen cuatro pozos permeables (A, B,
C, D y E a mayor profundidad que el nivel de napa freática.
Con las cañerías secundarias A1, A2…se recoge el agua de la fosa circular. De esa manera se mantiene regulado el nivel de napa.
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Corte hipótesis drenado napa freática.En corte se detallan las fosas y cañerías para el control de
napa.
Torre de Pisa
fin primera parte
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