Sistema de seguimiento y análisis del comportamiento mecánico del Giraldillo

096 CRITERIOS I PH Bole ín del Ins i u o Andaluz del Pa imonio His ó ico Inº 68 Ino iemb e 2008 Ipp. 96-109 Sis ema de seguimien o y análisis del compo amien o mecánico del Gi aldillo Resumen En e 1999 y 2005, el Ins i u o Andaluz del Pa imonio His ó ico se enca gó de lle a a cabo un in enso p oyec o de es au ación in eg al del Gi aldillo que culminó con su eposición sob e la o e de la Gi alda. Dada la inaccesibi- lidad as su eposición y su ca ác e mecánico como ele a, esul a con enien e dispone pe manen emen e de in o mación ace ca de su compo amien o. Así, en oc ub e de 2005 se inicia el p oyec o “Seguimien o ins- umen al y análisis del compo amien o mecánico y ísico del Gi aldillo”, inanciado po el IAPH. Es e p oyec- o supone la pues a en ma cha de un complejo y singu- la sis ema de moni o ización po su especial ubicación, sus ca ac e ís icas y su inalidad. En es e a ículo se ealiza una desc ipción del sis ema de ins umen ación ins alado y del p oceso de ges ión y análisis de los da os ob enidos. Se p esen a án am- bién algunos de los esul ados más signi ica i os alcanzados du an e los dos p ime os años de uncio- namien o del sis ema. Ma io Solís Muñiz, An onio Rome o O dóñez, Ped o Gal ín Ba e a y José Domínguez Abascal G upo de Es uc u as, Escuela Técnica Supe io de Ingenie os, Uni e sidad de Se illa Palab as cla e Análisis IDe ección de daños IEl Gi aldillo IEscuela Técnica de Ingenie os IIns i u o Andaluz del Pa imonio His ó ico I Moni o ización de es uc u as IP oyec os ISenso es ISis ema de ins umen ación IUni e sidad de Se illa R C i e ios PH Bole ín del Ins i u o Andaluz del Pa imonio His ó ico Inº 68 Ino iemb e 2008 Ipp. 96-109 I CRITERIOS 097 WEl Gi aldillo du an e su eposición sob e la Gi alda / Fo o: José Manuel San os Mad id, IAPH 098 CRITERIOS I PH Bole ín del Ins i u o Andaluz del Pa imonio His ó ico Inº 68 Ino iemb e 2008 Ipp. 96-109 WImagen del Gi aldillo du an e el p oceso de es au ación / Fo o: José Manuel San os Mad id, IAPH El g ueso de la es au ación lle ada a cabo en el IAPH lo cons i uyen la sus i ución de la es uc u a in e na de 1770, la cons ucción de un nue o sis ema de e ue zos in e nos y la adecuación del ás ago de apoyo sob e la Gi alda PH Bole ín del Ins i u o Andaluz del Pa imonio His ó ico Inº 68 Ino iemb e 2008 Ipp. 96-109 I CRITERIOS 099 INTRODUCCIÓN El o igen de la o e de la Gi alda da a de la segunda mi ad del siglo XII, cuando se e igió como almina de la nue a mezqui a de Se illa, cons- uida en los e enos que ac ualmen e ocupa la Ca ed al. Del almina se conse a hoy día el cue po p incipal, cons i uyendo el p ime cue po de la o e de la Gi alda. Desde la conquis a de Se illa en 1248 po Fe nando III de Cas illa, la o e su ió a ias emodelaciones en su ema e has a alcanza su aspec o ac ual as las ob as de ac ecen a- mien o de la o e diseñadas y di igidas po el a qui ec o He nán Ruiz en el siglo XVI. Es a in e ención supuso la cons ucción de los cue pos supe io es de la o e, culminándose con la colocación en 1568 del ema e cons i uido po la escul u a- ele a conocida como el Gi aldillo y o iginalmen e denominada “El Coloso de la Fe Vic o iosa”. La undición del Gi aldillo se ealizó siguiendo la écnica a la ce a pe di- da, de pie y con una sola colada, cons i uyendo una de las escul u as en b once más signi ica i as del Renacimien o po su alo a ís ico pe o ambién po su alo écnico dadas sus dimensiones y su ca ác e de ingenio mecánico. El Gi aldillo ep esen a la igu a de una muje que con la mano de echa sos iene una g an bande a o lába o con su más il, y con la izquie da una palma. Una es uc u a in e na de ba as de hie o le da consis encia y la une al eje sob e el que gi a el conjun o. La es uc u a o ma una espe- cie de pe cha sob e la que cuelga la igu a de b once, compues a bási- camen e po es ba as ho izon ales o c uce as y dos i an es e ica- les en e ellas. El ás ago de gi o de la escul u a se une ígidamen e a la Cúpula del Penacho de la Gi alda, acabando en su ex emo supe io en una pun a de o ma oji al que encaja en la pieza cen al de la c uce a supe io de la es uc u a in e na del Gi aldillo, a la al u a del pecho, de o ma que és e es el único pun o de apoyo y gi o de la escul u a. En 1770 se ealizó en el Gi aldillo la p ime a g an ob a de man enimien- o desde su ins alación. La escul u a había quedado dañada as el e emo o de Lisboa de 1755, po lo que ue desmon ada y su es uc- u a in e na o iginal ue sus i uida po o a nue a. Pos e io men e en los años no en a se inicia un nue o p oceso de es- au ación in eg al del Gi aldillo, as algunas in e enciones meno es ealizadas du an e los años ochen a en las que se había ad e ido que enía unas o ien aciones p e e en es de la que e a di ícil mo e lo debi- do a que el sis ema de gi o es aba de ec uoso (JIMÉNEZ, 1988). En 1997 el Gi aldillo es descendido a la Azo ea de las Azucenas de la Gi alda pa a e alua con mayo p ecisión su es ado de conse ación. En 1999 se inicia inalmen e el p oceso de es au ación de ini i o ealiza- do po el IAPH y que inaliza á con la eposición del Gi aldillo sob e la o e de la Gi alda en el año 2005, desmon ando pa a ello la éplica que lo había sus i uido empo almen e, que ue ealizada ambién en b on- ce y pa a la que se ins aló una nue a es uc u a de apoyo sob e la o e. El g ueso de es a es au ación lo cons i uye la sus i ución de la es uc- u a in e na de 1770 po una nue a, la cons ucción de un nue o sis e- ma de e ue zos in e nos pa a la escul u a, y la adecuación del ás ago de apoyo sob e la Gi alda. Dado el alo de la pieza en cues ión, su inaccesibilidad y su ca ác- e mecánico, esul a con enien e dispone pe manen emen e de in o mación ace ca de su compo amien o y es ado de conse a- ción. Po ello, du an e el p oceso de eposición del Gi aldillo sob e la Gi alda se lle ó a cabo el diseño, ins alación y pues a en ma cha de un sis ema de ins umen ación que si ie a pa a con ola en la medida de lo posible el uncionamien o de la Vele a, egis a las acciones a las que se e some ida e incluso de ec a algún posible de e io o en su es ado de conse ación. Así, en oc ub e de 2005 se pone en ma cha el p oyec o i ulado “Seguimien o ins umen al y análisis del compo amien o mecánico y ísico del Gi aldillo”, inan- ciado po el IAPH y enca gado al G upo de Es uc u as de la Escuela Técnica Supe io de Ingenie os de la Uni e sidad de Se illa, que ya se había esponsabilizado an e io men e de los aspec os es uc u- ales de la es au ación del Gi aldillo. EL SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN La mayo ía de senso es que o man pa e del sis ema de ins umen a- ción es án ins alados sob e el ás ago, el cual es el elemen o unda- men al de ca a a man ene la es abilidad del conjun o. Además, debido a la inaccesibilidad de la escul u a y a su ca ác e gi a o io, se desca ó la ins alación de senso es sob e la escul u a y su es uc u a in e na debido al al o cos e y a la complejidad de ope ación e ins alación. Las écnicas implemen adas pa a es udia el compo amien o del Gi aldillo se basan en el análisis de la espues a del conjun o o mado po la escul u a y su es uc u a po an e an e ca gas de se icio, siendo el ien o la p incipal acción que exci a dicho sis ema. El sis ema de ins u- men ación ins alado pe mi e un egis o con inuo de da os que es ges io- nado de o ma emo a desde la Escuela Técnica Supe io de Ingenie os de la Uni e sidad de Se illa. Las magni udes egis adas ecogen el compo - amien o mecánico del Gi aldillo y el ambien e en el que és e se encuen- a. Conc e amen e se egis an las siguien es magni udes: Es ue zos mecánicos en el eje de gi o en la sección comp endida en e la peana y la es uc u a del pa a ayos, median e es mon ajes a puen- e comple o con bandas ex ensomé icas. Acele ación en es secciones del eje de gi o y en dos di ecciones. Pa a ello se han ins alado seis acele óme os a lo la go del ás ago que pe - mi en medi la acele ación del mo imien o del ás ago en las di eccio- 100 CRITERIOS I PH Bole ín del Ins i u o Andaluz del Pa imonio His ó ico Inº 68 Ino iemb e 2008 Ipp. 96-109 nes Su oes e-No es e (SO-NE) y Su es e-No oes e (SE-NO), que son las di ecciones de mo imien o exci adas p edominan emen e po la acción del ien o. Los acele óme os se encuen an ubicados en el espacio comp endido en e los pies de la escul u a y la peana y en el amo del ás ago in e io a la inaja. La inclinación del Gi aldillo se egis a median e cua o clinóme os en las di ecciones SO-NE y SE-NO. Es os senso es es án ins alados en el espacio lib e comp endido en e los pies de la escul u a y la peana y en el p ime amo del eje po encima de las ca elas de la unión a la c uce- a supe io en el in e io de la cúpula del penacho, que es donde se con- side a que se p oduce el empo amien o del eje. Pa a la ca ac e ización de la acción del ien o se ha ins alado un ane- móme o y una ele a en la es uc u a del pa a ayos, egis ándose así la elocidad y di ección del ien o inciden e sob e el Gi aldillo. WEl Gi aldillo du an e su eposición sob e la Gi alda / Fo o: José Manuel San os Mad id, IAPH Dado el alo de la pieza en cues ión, su inaccesibilidad y su ca ác e mecánico, esul a con enien e dispone pe manen emen e de in o mación ace ca de su compo amien o y es ado de conse ación PH Bole ín del Ins i u o Andaluz del Pa imonio His ó ico Inº 68 Ino iemb e 2008 Ipp. 96-109 I CRITERIOS 101 El ambien e ex e no e in e no en que se encuen a la escul u a se egis a median e un pa de sondas de empe a u a y humedad ubica- das en el ex e io y en el in e io de la inaja. En el conjun o o mado po el Gi aldillo exis en uniones en e di e en es me ales, que puede da luga a un p oceso de co osión po la exis en- cia de pa es gal ánicos en e es os ma e iales. Po un lado, el b once de la escul u a se une al ace o inoxidable de su es uc u a in e na, mien- as que el ace o al ca bono del amo in e io del ás ago se une al ace o inoxidable del amo supe io . Pa a con ola la posible endencia a la co osión en es as uniones se dispone de una sonda de co osión ins alada en el in e io de la peana, donde las condiciones ambien ales de empe a u a y humedad son simila es a las del in e io del Gi aldillo. Los cables de odos los senso es, excep uando los de los acele óme- os, llegan a una caja de conexiones si uada en la cúpula del penacho, donde se conec an a una mangue a de 44 hilos de pa es c uzados de una longi ud de 40 m. La mangue a y los seis cables co espondien es a los acele óme os descienden siguiendo el ás ago de los cue pos supe io es de la Gi alda has a el cue po del pozo, llegando al cue po del eloj a a és del pozo que comunica a ambos. Todo el conjun o de cables se conec an al equipo de adquisición de da os ins alado en la sala del cue po del eloj, que es el pun o más al o de la Gi alda al que se puede accede sin di icul ad. En es e ecin o se dispone de una cone- xión a in e ne que pe mi e la ges ión emo a del sis ema. RESULTADO El obje o del p oyec o de moni o ización del Gi aldillo es ca ac e iza po un lado las acciones a las que se e some ido y po o o lado ealiza un seguimien o de su espues a, pa a p ocesa pos e io men e es os WSilue a del Gi aldillo con esquema de su es uc u a in e na y co as de sus dimensiones / Fuen e: Escuela de Es udios Á abes, G anada, G upo de Es uc u as, Uni e sidad de Se illa WIn og a ía con esquema del Gi aldillo y su sis ema de ins umen ación sob e la Gi alda / Fuen e: Dp o. In og a ía del Dia io de Se illa a pa i del p oyec o “Seguimien o ins umen al y análisis del compo amien o mecánico y ísico del Gi aldillo” 5 m 5 m 102 CRITERIOS I PH Bole ín del Ins i u o Andaluz del Pa imonio His ó ico Inº 68 Ino iemb e 2008 Ipp. 96-109 da os median e écnicas de de ección de daño que pe mi an iden i ica un posible de e io o es uc u al en el ás ago del Gi aldillo. Los mé odos adicionales de de ección de daño se han basado en écnicas de inspección isual donde un écnico cuali icado de e mina- ba la exis encia de allos. Es a écnica es á limi ada a es ados de daño que puedan se de ec ados median e medios óp icos, po lo que daños que no sean de ca ác e supe icial no pod ían se cuan i ica- dos. Pa a sol en a es a di icul ad se han empleado o as écnicas como son el uso de pa ículas magné icas, adiog a ías indus iales, gammag a ías y ul asonidos. Todas es as écnicas equie en una ac uación in si u pa a su ealización y que la ubicación de la zona dañada sea conocida a p io i y accesible. Dada la inaccesibilidad del Gi aldillo no es posible usa es as écnicas y es necesa io ecu i a nue os mé odos de de ección de daño. La necesidad de mé odos de de ección de daño de o ma global pa a su aplicación en es uc u as complejas ha sido de e minan e pa a el desa- ollo de aquéllos que es udian los cambios en las ca ac e ís icas mecá- nicas de las es uc u as. Todos es os mé odos se basan en la idea de que el de e io o de un sis ema mecánico p oduce una a iación en su com- po amien o y en su uncionamien o (DOEBLING e ál., 1996). La de ec- ción y la cuan i icación de es as a iaciones espec o a un es ado de e e encia en ausencia de daño son la base de las écnicas que ac ual- men e se aplican en el Gi aldillo pa a la e aluación de su co ec o uncio- namien o como ele a y pa a el con ol de su es ado de conse ación. El sis ema mecánico cons i uido po el Gi aldillo y su es uc u a po an e poseen dos elemen os cla es: el mecanismo de gi o pa a asegu a un co ec o uncionamien o como ele a y el eje de gi o pa a man ene la es abilidad del sis ema. Un de e io o en el mecanismo de gi o p oduci ía unas posiciones p e e en es del Gi aldillo y unos des ases impo an es con la di ección del ien o, aumen ando el ni el de elocidad del ien o necesa io pa a hace lo gi a . Po o o lado, un de e io o en el eje de gi o, ya sea en las uniones en e los di e en es amos que lo o man o bien en la unión a la c uce a supe io de la cúpula del penacho,p oduci ía una pé - dida de igidez y disminui ía su capacidad po an e, lo que en úl imo ex emo pond ía en pelig o la es abilidad del conjun o. Pa a de ec a la p esencia de un es ado de daño en el eje de gi o se e alúa la espues a dinámica del Gi aldillo debida a las di e en es acciones que ac úan sob e és e, ealizando un análisis espec al de las señales egis adas po ace- le óme os, clinóme os y puen es de ex ensome ía. Es e análisis espec- al incluye la aplicación de las écnicas de peak-picking (BENDAT y PIER- SOL, 1993) y descomposición en el dominio de la ecuencia (BRINCKER e ál., 2001), que pe mi en ob ene dis in os pa áme os modales asocia- dos a la espues a dinámica de la es uc u a. Las écnicas de de ección de daño es udian la e olución a la go plazo de es os pa áme os modales ealizándose ca ac e izaciones es adís icas que pe mi en e alua las des iaciones en el compo amien o del Gi aldillo. El sis ema de ins umen ación ins alado pe mi e un egis o con inuo de da os ges ionado de o ma emo a desde la Escuela Técnica Supe io de Ingenie os de la Uni e sidad de Se illa PH Bole ín del Ins i u o Andaluz del Pa imonio His ó ico Inº 68 Ino iemb e 2008 Ipp. 96-109 I CRITERIOS 103 A con inuación se p esen a án las conclusiones más impo an es ob e- nidas a pa i de los egis os de las dis in as magni udes medidas y, inalmen e, los esul ados más impo an es ob enidos a pa i de las écnicas de de ección de daño. Los esul ados que se p esen an com- p enden los dos p ime os años de uncionamien o del sis ema. Tempe a u a, humedad y co osión Se han egis ado ní idamen e los ciclos dia ios de empe a u a y hume- dad en el in e io y ex e io de la escul u a, siendo más acusadas las a iaciones en el ex e io . En el caso de la empe a u a, la di e encia ípica en e el in e io y el ex e io es de 5 ºC. En el caso de la sonda de co osión, se ha obse ado cie a co elación en e la humedad in e io y los po enciales gal ánicos egis ados, lo cual indica que el ambien e húmedo acele a el p oceso de co osión. Di ección y elocidad del ien o El egis o de la di ección y elocidad del ien o es necesa io pa a ca ac- e iza la acción p incipal a la que se e some ido el Gi aldillo y que p o- oca sus mo imien os como ele a y las oscilaciones y es ue zos mecá- nicos más ele an es sob e su es uc u a sopo e. La dis ibución es adís ica de es as a iables ha pe mi ido comp oba que los ien os p edominan es en Se illa co esponden ap oximada- men e con las di ecciones No es e (45º) y Su oes e (225º), mien as que la elocidad del ien o ípica es del o den de 2 m/s. Es udio de la o ien ación del Gi aldillo El Gi aldillo no se encuen a siemp e co ec amen e alineado con la di ección del ien o, debido a su ele ada masa y al ozamien o que es necesa io ence en su sis ema de gi o. Cuando no es á o ien ado con la di ección de ien o, los es ue zos p oducidos en el ás ago del Gi aldillo debidos a la acción del ien o son mayo es ya que exis e una mayo supe icie de la escul u a que se opone a és e. Po o a pa e, una ei e ada desalineación de la Vele a con la di ección del ien o se ía indica i a de un desgas e en el mecanismo de gi o. Po odas es as azones, esul a de g an in e és el es udio de la o ien ación del Gi aldillo. El peso o al de la escul u a y su eje es de 1 705 kg, de los cuales unos 190 kg co esponden al lába o y a los es anda es supe io es, unos 96 kg a la palma y 215 kg al b azo izquie do elleno de plomo. Es os ele- men os se pueden conside a como un sis ema de ca gas excén icas que sopo an la escul u a y su es uc u a de ba as in e nas. La escul u- a sopo a más peso del lado izquie do que del lado de echo, pe o en es e lado la ca ga es á menos sepa ada del eje, po lo que an sólo exis- e un pequeño desequilib io del lado del lába o. El cen o de masas de la escul u a no es á con enido po an o en el eje del ás ago del Gi aldillo, exis iendo una excen icidad de unos 120 mm. Es e desequilib io p odu- XPegado de bandas ex ensomé icas sob e el eje / Fuen e: G upo de Es uc u as, Uni e sidad de Se illa XAcele óme o y clinóme o en la es uc u a del pa a ayos / Fuen e: G upo de Es uc u as, Uni e sidad de Se illa 104 CRITERIOS I PH Bole ín del Ins i u o Andaluz del Pa imonio His ó ico Inº 68 Ino iemb e 2008 Ipp. 96-109 ce un es ue zo de lexión cons an e en el eje de gi o que es egis ado median e los dos puen es de ex ensome ía. A es e es ue zo de alo cons an e se suma el p o ocado po la acción del ien o sob e la escul- u a. La componen e p oducida po el ien o p o oca pequeñas oscila- ciones en o no a un ni el cuasi es aciona io elacionado con la excen- icidad del cen o de masas del Gi aldillo y la o ien ación que enga en cada momen o, de o ma que la de ección de las a iaciones de es os ni eles pe mi en conoce en odo momen o la o ien ación del Gi aldillo. Pa a pode e alua el uncionamien o del Gi aldillo como ele a es impo - an e es udia su posición, compa ándola con la di ección del ien o y es ableciendo una co elación en e la elocidad de és e y el des ase que exis e en e ambos. Pa a ello son de g an in e és los da os egis ados desde oc ub e de 2005, que han pe mi ido dispone de esul ados es a- dís icos de la posición del Gi aldillo, de la di ección del ien o y del des a- se que exis e en e ambos, pe mi iendo e alua la p obabilidad de que el Gi aldillo es é co ec amen e o ien ado an e una de e minada elocidad del ien o. El análisis de odos es os esul ados ha pe mi ido ealiza un seguimien o del uncionamien o del nue o mecanismo de gi o desde la eposición del Gi aldillo, no ad i iéndose ningún de e io o de és e. La posición del Gi aldillo y la di ección del ien o p esen an dis ibuciones es adís icas muy simila es, esul ado que se puede co obo a con la dis- ibución del des ase es adís ico en e ambos, pudiéndose a i ma que el 45% del iempo el Gi aldillo se encuen a co ec amen e o ien ado con el ien o. La dis ibución de p obabilidad de una co ec a o ien ación pa a dis in os alo es de la elocidad del ien o indica que pa a asegu a que el Gi aldillo se o ien a según la di ección del ien o es necesa ia una elo- cidad de 40 km/h (11m/s), si bien con ien os de 20 km/h exis e una p o- babilidad del 50% de que su o ien ación sea la co ec a. Es ue zos e inclinación del eje de gi o Una de las solici aciones más impo an es a las que se e some ida la es uc u a po an e del Gi aldillo es la acción del ien o. Su alea o iedad y su a iabilidad hacen que sea de especial impo ancia el es udio de la espues a del eje de gi o. Du an e el p oyec o de eposición del Gi aldillo se u o la opo unidad de obse a in si u su compo amien o an e la acción del ien o, comp obándose que la oscilación p edominan e se da en sen ido on al a la igu a, independien emen e de la acción del ien- o. Es as obse aciones se ie on co obo adas pos e io men e cuando se analiza on los egis os dinámicos del mo imien o del Gi aldillo que egis an los acele óme os y los clinóme os. A pa i del análisis espec al de las señales de los acele óme os y los cli- nóme os se ha comp obado que el Gi aldillo y la Gi alda ib an como una iga en ménsula cuya p ime a ecuencia na u al es de 1.025 Hz y 0.68 Hz, espec i amen e. Dada la p edominancia de es e mo imien o como es- pues a a la acción del ien o es impo an e ob ene una ca ac e ización dinámica de los es ue zos que se p oducen en el eje de gi o y de la inclina- WAnemóme o y ele a sob e la es uc u a del pa a ayos / Fuen e: G upo de Es uc u as, Uni e sidad de Se illa WCableado e ins alación de sonda de empe a u a y humedad en el in e io de la Tinaja / Fuen e: G upo de Es uc u as, Uni e sidad de Se illa