Sistema de seguimiento y análisis del comportamiento mecánico del Giraldillo

096 CRITERIOS I PH Boletín del Instituto Andaluz del Patrimonio Histórico Inº 68 Inoviembre 2008 Ipp. 96-109 Sistema de seguimiento y análisis del comportamiento mecánico del Giraldillo Resumen Entre 1999 y 2005, el Instituto Andaluz del Patrimonio Histórico se encargó de llevar a cabo un intenso proyecto de restauración integral del Giraldillo que culminó con su reposición sobre la torre de la Giralda. Dada la inaccesibilidad tras su reposición y su carácter mecánico como veleta, resulta conveniente disponer permanentemente de información acerca de su comportamiento. Así, en octubre de 2005 se inicia el proyecto “Seguimiento instrumental y análisis del comportamiento mecánico y físico del Giraldillo”, financiado por el IAPH. Este proyec- to supone la puesta en marcha de un complejo y singular sistema de monitorización por su especial ubicación, sus características y su finalidad. En este artículo se realiza una descripción del sistema de instrumentación instalado y del proceso de gestión y análisis de los datos obtenidos. Se presentarán también algunos de los resultados más significativos alcanzados durante los dos primeros años de funcionamiento del sistema. Mario Solís Muñiz, Antonio Romero Ordóñez, Pedro Galvín Barrera y José Domínguez Abascal Grupo de Estructuras, Escuela Técnica Superior de Ingenieros, Universidad de Sevilla Palabras clave Análisis IDetección de daños IEl Giraldillo IEscuela Técnica de Ingenieros IInstituto Andaluz del Patrimonio Histórico I Monitorización de estructuras IProyectos ISensores ISistema de instrumentación IUniversidad de Sevilla R Criterios PH Boletín del Instituto Andaluz del Patrimonio Histórico Inº 68 Inoviembre 2008 Ipp. 96-109 I CRITERIOS 097 WEl Giraldillo durante su reposición sobre la Giralda / Foto: José Manuel Santos Madrid, IAPH 098 CRITERIOS I PH Boletín del Instituto Andaluz del Patrimonio Histórico Inº 68 Inoviembre 2008 Ipp. 96-109 WImagen del Giraldillo durante el proceso de restauración / Foto: José Manuel Santos Madrid, IAPH El grueso de la restauración llevada a cabo en el IAPH lo constituyen la sustitución de la estructura interna de 1770, la construcción de un nuevo sistema de refuerzos internos y la adecuación del vástago de apoyo sobre la Giralda PH Boletín del Instituto Andaluz del Patrimonio Histórico Inº 68 Inoviembre 2008 Ipp. 96-109 I CRITERIOS 099 INTRODUCCIÓN El origen de la torre de la Giralda data de la segunda mitad del siglo XII, cuando se erigió como alminar de la nueva mezquita de Sevilla, construida en los terrenos que actualmente ocupa la Catedral. Del alminar se conserva hoy día el cuerpo principal, constituyendo el primer cuerpo de la torre de la Giralda. Desde la conquista de Sevilla en 1248 por Fernando III de Castilla, la torre sufrió varias remodelaciones en su remate hasta alcanzar su aspecto actual tras las obras de acrecentamiento de la torre diseñadas y dirigidas por el arquitecto Hernán Ruiz en el siglo XVI. Esta intervención supuso la construcción de los cuerpos superiores de la torre, culminándose con la colocación en 1568 del remate constituido por la escultura-veleta conocida como el Giraldillo y originalmente denominada “El Coloso de la Fe Victoriosa”. La fundición del Giraldillo se realizó siguiendo la técnica a la cera perdida, de pie y con una sola colada, constituyendo una de las esculturas en bronce más significativas del Renacimiento por su valor artístico pero también por su valor técnico dadas sus dimensiones y su carácter de ingenio mecánico. El Giraldillo representa la figura de una mujer que con la mano derecha sostiene una gran bandera o lábaro con su mástil, y con la izquierda una palma. Una estructura interna de barras de hierro le da consistencia y la une al eje sobre el que gira el conjunto. La estructura forma una especie de percha sobre la que cuelga la figura de bronce, compuesta básicamente por tres barras horizontales o crucetas y dos tirantes verticales entre ellas. El vástago de giro de la escultura se une rígidamente a la Cúpula del Penacho de la Giralda, acabando en su extremo superior en una punta de forma ojival que encaja en la pieza central de la cruceta superior de la estructura interna del Giraldillo, a la altura del pecho, de forma que éste es el único punto de apoyo y giro de la escultura. En 1770 se realizó en el Giraldillo la primera gran obra de mantenimien- to desde su instalación. La escultura había quedado dañada tras el terremoto de Lisboa de 1755, por lo que fue desmontada y su estructura interna original fue sustituida por otra nueva. Posteriormente en los años noventa se inicia un nuevo proceso de restauración integral del Giraldillo, tras algunas intervenciones menores realizadas durante los años ochenta en las que se había advertido que tenía unas orientaciones preferentes de la que era difícil moverlo debido a que el sistema de giro estaba defectuoso (JIMÉNEZ, 1988). En 1997 el Giraldillo es descendido a la Azotea de las Azucenas de la Giralda para evaluar con mayor precisión su estado de conservación. En 1999 se inicia finalmente el proceso de restauración definitivo realizado por el IAPH y que finalizará con la reposición del Giraldillo sobre la torre de la Giralda en el año 2005, desmontando para ello la réplica que lo había sustituido temporalmente, que fue realizada también en bronce y para la que se instaló una nueva estructura de apoyo sobre la torre. El grueso de esta restauración lo constituye la sustitución de la estructura interna de 1770 por una nueva, la construcción de un nuevo sistema de refuerzos internos para la escultura, y la adecuación del vástago de apoyo sobre la Giralda. Dado el valor de la pieza en cuestión, su inaccesibilidad y su carácter mecánico, resulta conveniente disponer permanentemente de información acerca de su comportamiento y estado de conservación. Por ello, durante el proceso de reposición del Giraldillo sobre la Giralda se llevó a cabo el diseño, instalación y puesta en marcha de un sistema de instrumentación que sirviera para controlar en la medida de lo posible el funcionamiento de la Veleta, registrar las acciones a las que se ve sometida e incluso detectar algún posible deterioro en su estado de conservación. Así, en octubre de 2005 se pone en marcha el proyecto titulado “Seguimiento instrumental y análisis del comportamiento mecánico y físico del Giraldillo”, financiado por el IAPH y encargado al Grupo de Estructuras de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de la Universidad de Sevilla, que ya se había responsabilizado anteriormente de los aspectos estructurales de la restauración del Giraldillo. EL SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN La mayoría de sensores que forman parte del sistema de instrumentación están instalados sobre el vástago, el cual es el elemento fundamental de cara a mantener la estabilidad del conjunto. Además, debido a la inaccesibilidad de la escultura y a su carácter giratorio, se descartó la instalación de sensores sobre la escultura y su estructura interna debido al alto coste y a la complejidad de operación e instalación. Las técnicas implementadas para estudiar el comportamiento del Giraldillo se basan en el análisis de la respuesta del conjunto formado por la escultura y su estructura portante ante cargas de servicio, siendo el viento la principal acción que excita dicho sistema. El sistema de instrumentación instalado permite un registro continuo de datos que es gestionado de forma remota desde la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de la Universidad de Sevilla. Las magnitudes registradas recogen el comportamiento mecánico del Giraldillo y el ambiente en el que éste se encuentra. Concretamente se registran las siguientes magnitudes: Esfuerzos mecánicos en el eje de giro en la sección comprendida entre la peana y la estructura del pararrayos, mediante tres montajes a puente completo con bandas extensométricas. Aceleración en tres secciones del eje de giro y en dos direcciones. Para ello se han instalado seis acelerómetros a lo largo del vástago que permiten medir la aceleración del movimiento del vástago en las direccio- 100 CRITERIOS I PH Boletín del Instituto Andaluz del Patrimonio Histórico Inº 68 Inoviembre 2008 Ipp. 96-109 nes Suroeste-Noreste (SO-NE) y Sureste-Noroeste (SE-NO), que son las direcciones de movimiento excitadas predominantemente por la acción del viento. Los acelerómetros se encuentran ubicados en el espacio comprendido entre los pies de la escultura y la peana y en el tramo del vástago interior a la tinaja. La inclinación del Giraldillo se registra mediante cuatro clinómetros en las direcciones SO-NE y SE-NO. Estos sensores están instalados en el espacio libre comprendido entre los pies de la escultura y la peana y en el primer tramo del eje por encima de las cartelas de la unión a la cruceta superior en el interior de la cúpula del penacho, que es donde se considera que se produce el empotramiento del eje. Para la caracterización de la acción del viento se ha instalado un anemómetro y una veleta en la estructura del pararrayos, registrándose así la velocidad y dirección del viento incidente sobre el Giraldillo. WEl Giraldillo durante su reposición sobre la Giralda / Foto: José Manuel Santos Madrid, IAPH Dado el valor de la pieza en cuestión, su inaccesibilidad y su carácter mecánico, resulta conveniente disponer permanentemente de información acerca de su comportamiento y estado de conservación PH Boletín del Instituto Andaluz del Patrimonio Histórico Inº 68 Inoviembre 2008 Ipp. 96-109 I CRITERIOS 101 El ambiente externo e interno en que se encuentra la escultura se registra mediante un par de sondas de temperatura y humedad ubicadas en el exterior y en el interior de la tinaja. En el conjunto formado por el Giraldillo existen uniones entre diferentes metales, que puede dar lugar a un proceso de corrosión por la existencia de pares galvánicos entre estos materiales. Por un lado, el bronce de la escultura se une al acero inoxidable de su estructura interna, mientras que el acero al carbono del tramo inferior del vástago se une al acero inoxidable del tramo superior. Para controlar la posible tendencia a la corrosión en estas uniones se dispone de una sonda de corrosión instalada en el interior de la peana, donde las condiciones ambientales de temperatura y humedad son similares a las del interior del Giraldillo. Los cables de todos los sensores, exceptuando los de los acelerómetros, llegan a una caja de conexiones situada en la cúpula del penacho, donde se conectan a una manguera de 44 hilos de pares cruzados de una longitud de 40 m. La manguera y los seis cables correspondientes a los acelerómetros descienden siguiendo el vástago de los cuerpos superiores de la Giralda hasta el cuerpo del pozo, llegando al cuerpo del reloj a través del pozo que comunica a ambos. Todo el conjunto de cables se conectan al equipo de adquisición de datos instalado en la sala del cuerpo del reloj, que es el punto más alto de la Giralda al que se puede acceder sin dificultad. En este recinto se dispone de una conexión a internet que permite la gestión remota del sistema. RESULTADO El objeto del proyecto de monitorización del Giraldillo es caracterizar por un lado las acciones a las que se ve sometido y por otro lado realizar un seguimiento de su respuesta, para procesar posteriormente estos WSilueta del Giraldillo con esquema de su estructura interna y cotas de sus dimensiones / Fuente: Escuela de Estudios Árabes, Granada, Grupo de Estructuras, Universidad de Sevilla WInfografía con esquema del Giraldillo y su sistema de instrumentación sobre la Giralda / Fuente: Dpto. Infografía del Diario de Sevilla a partir del proyecto “Seguimiento instrumental y análisis del comportamiento mecánico y físico del Giraldillo” 5 m 5 m 102 CRITERIOS I PH Boletín del Instituto Andaluz del Patrimonio Histórico Inº 68 Inoviembre 2008 Ipp. 96-109 datos mediante técnicas de detección de daño que permitan identificar un posible deterioro estructural en el vástago del Giraldillo. Los métodos tradicionales de detección de daño se han basado en técnicas de inspección visual donde un técnico cualificado determinaba la existencia de fallos. Esta técnica está limitada a estados de daño que puedan ser detectados mediante medios ópticos, por lo que daños que no sean de carácter superficial no podrían ser cuantificados. Para solventar esta dificultad se han empleado otras técnicas como son el uso de partículas magnéticas, radiografías industriales, gammagrafías y ultrasonidos. Todas estas técnicas requieren una actuación in situ para su realización y que la ubicación de la zona dañada sea conocida a priori y accesible. Dada la inaccesibilidad del Giraldillo no es posible usar estas técnicas y es necesario recurrir a nuevos métodos de detección de daño. La necesidad de métodos de detección de daño de forma global para su aplicación en estructuras complejas ha sido determinante para el desarrollo de aquéllos que estudian los cambios en las características mecánicas de las estructuras. Todos estos métodos se basan en la idea de que el deterioro de un sistema mecánico produce una variación en su comportamiento y en su funcionamiento (DOEBLING et ál., 1996). La detección y la cuantificación de estas variaciones respecto a un estado de referencia en ausencia de daño son la base de las técnicas que actualmente se aplican en el Giraldillo para la evaluación de su correcto funcionamiento como veleta y para el control de su estado de conservación. El sistema mecánico constituido por el Giraldillo y su estructura portante poseen dos elementos claves: el mecanismo de giro para asegurar un correcto funcionamiento como veleta y el eje de giro para mantener la estabilidad del sistema. Un deterioro en el mecanismo de giro produciría unas posiciones preferentes del Giraldillo y unos desfases importantes con la dirección del viento, aumentando el nivel de velocidad del viento necesario para hacerlo girar. Por otro lado, un deterioro en el eje de giro, ya sea en las uniones entre los diferentes tramos que lo forman o bien en la unión a la cruceta superior de la cúpula del penacho,produciría una pérdida de rigidez y disminuiría su capacidad portante, lo que en último extremo pondría en peligro la estabilidad del conjunto. Para detectar la presencia de un estado de daño en el eje de giro se evalúa la respuesta dinámica del Giraldillo debida a las diferentes acciones que actúan sobre éste, realizando un análisis espectral de las señales registradas por acelerómetros, clinómetros y puentes de extensometría. Este análisis espectral incluye la aplicación de las técnicas de peak-picking (BENDAT y PIERSOL, 1993) y descomposición en el dominio de la frecuencia (BRINCKER et ál., 2001), que permiten obtener distintos parámetros modales asociados a la respuesta dinámica de la estructura. Las técnicas de detección de daño estudian la evolución a largo plazo de estos parámetros modales realizándose caracterizaciones estadísticas que permiten evaluar las desviaciones en el comportamiento del Giraldillo. El sistema de instrumentación instalado permite un registro continuo de datos gestionado de forma remota desde la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de la Universidad de Sevilla PH Boletín del Instituto Andaluz del Patrimonio Histórico Inº 68 Inoviembre 2008 Ipp. 96-109 I CRITERIOS 103 A continuación se presentarán las conclusiones más importantes obtenidas a partir de los registros de las distintas magnitudes medidas y, finalmente, los resultados más importantes obtenidos a partir de las técnicas de detección de daño. Los resultados que se presentan comprenden los dos primeros años de funcionamiento del sistema. Temperatura, humedad y corrosión Se han registrado nítidamente los ciclos diarios de temperatura y humedad en el interior y exterior de la escultura, siendo más acusadas las variaciones en el exterior. En el caso de la temperatura, la diferencia típica entre el interior y el exterior es de 5 ºC. En el caso de la sonda de corrosión, se ha observado cierta correlación entre la humedad interior y los potenciales galvánicos registrados, lo cual indica que el ambiente húmedo acelera el proceso de corrosión. Dirección y velocidad del viento El registro de la dirección y velocidad del viento es necesario para caracterizar la acción principal a la que se ve sometido el Giraldillo y que provoca sus movimientos como veleta y las oscilaciones y esfuerzos mecánicos más relevantes sobre su estructura soporte. La distribución estadística de estas variables ha permitido comprobar que los vientos predominantes en Sevilla corresponden aproximadamente con las direcciones Noreste (45º) y Suroeste (225º), mientras que la velocidad del viento típica es del orden de 2 m/s. Estudio de la orientación del Giraldillo El Giraldillo no se encuentra siempre correctamente alineado con la dirección del viento, debido a su elevada masa y al rozamiento que es necesario vencer en su sistema de giro. Cuando no está orientado con la dirección de viento, los esfuerzos producidos en el vástago del Giraldillo debidos a la acción del viento son mayores ya que existe una mayor superficie de la escultura que se opone a éste. Por otra parte, una reiterada desalineación de la Veleta con la dirección del viento sería indicativa de un desgaste en el mecanismo de giro. Por todas estas razones, resulta de gran interés el estudio de la orientación del Giraldillo. El peso total de la escultura y su eje es de 1 705 kg, de los cuales unos 190 kg corresponden al lábaro y a los estandartes superiores, unos 96 kg a la palma y 215 kg al brazo izquierdo relleno de plomo. Estos elementos se pueden considerar como un sistema de cargas excéntricas que soportan la escultura y su estructura de barras internas. La escultura soporta más peso del lado izquierdo que del lado derecho, pero en este lado la carga está menos separada del eje, por lo que tan sólo existe un pequeño desequilibrio del lado del lábaro. El centro de masas de la escultura no está contenido por tanto en el eje del vástago del Giraldillo, existiendo una excentricidad de unos 120 mm. Este desequilibrio produ- XPegado de bandas extensométricas sobre el eje / Fuente: Grupo de Estructuras, Universidad de Sevilla XAcelerómetro y clinómetro en la estructura del pararrayos / Fuente: Grupo de Estructuras, Universidad de Sevilla 104 CRITERIOS I PH Boletín del Instituto Andaluz del Patrimonio Histórico Inº 68 Inoviembre 2008 Ipp. 96-109 ce un esfuerzo de flexión constante en el eje de giro que es registrado mediante los dos puentes de extensometría. A este esfuerzo de valor constante se suma el provocado por la acción del viento sobre la escultura. La componente producida por el viento provoca pequeñas oscilaciones en torno a un nivel cuasi estacionario relacionado con la excentricidad del centro de masas del Giraldillo y la orientación que tenga en cada momento, de forma que la detección de las variaciones de estos niveles permiten conocer en todo momento la orientación del Giraldillo. Para poder evaluar el funcionamiento del Giraldillo como veleta es importante estudiar su posición, comparándola con la dirección del viento y estableciendo una correlación entre la velocidad de éste y el desfase que existe entre ambos. Para ello son de gran interés los datos registrados desde octubre de 2005, que han permitido disponer de resultados estadísticos de la posición del Giraldillo, de la dirección del viento y del desfase que existe entre ambos, permitiendo evaluar la probabilidad de que el Giraldillo esté correctamente orientado ante una determinada velocidad del viento. El análisis de todos estos resultados ha permitido realizar un seguimiento del funcionamiento del nuevo mecanismo de giro desde la reposición del Giraldillo, no advirtiéndose ningún deterioro de éste. La posición del Giraldillo y la dirección del viento presentan distribuciones estadísticas muy similares, resultado que se puede corroborar con la distribución del desfase estadístico entre ambos, pudiéndose afirmar que el 45% del tiempo el Giraldillo se encuentra correctamente orientado con el viento. La distribución de probabilidad de una correcta orientación para distintos valores de la velocidad del viento indica que para asegurar que el Giraldillo se orienta según la dirección del viento es necesaria una velocidad de 40 km/h (11m/s), si bien con vientos de 20 km/h existe una probabilidad del 50% de que su orientación sea la correcta. Esfuerzos e inclinación del eje de giro Una de las solicitaciones más importantes a las que se ve sometida la estructura portante del Giraldillo es la acción del viento. Su aleatoriedad y su variabilidad hacen que sea de especial importancia el estudio de la respuesta del eje de giro. Durante el proyecto de reposición del Giraldillo se tuvo la oportunidad de observar in situ su comportamiento ante la acción del viento, comprobándose que la oscilación predominante se da en sentido frontal a la figura, independientemente de la acción del vien- to. Estas observaciones se vieron corroboradas posteriormente cuando se analizaron los registros dinámicos del movimiento del Giraldillo que registran los acelerómetros y los clinómetros. A partir del análisis espectral de las señales de los acelerómetros y los clinómetros se ha comprobado que el Giraldillo y la Giralda vibran como una viga en ménsula cuya primera frecuencia natural es de 1.025 Hz y 0.68 Hz, respectivamente. Dada la predominancia de este movimiento como respuesta a la acción del viento es importante obtener una caracterización dinámica de los esfuerzos que se producen en el eje de giro y de la inclina- WAnemómetro y veleta sobre la estructura del pararrayos / Fuente: Grupo de Estructuras, Universidad de Sevilla WCableado e instalación de sonda de temperatura y humedad en el interior de la Tinaja / Fuente: Grupo de Estructuras, Universidad de Sevilla