MEMORIAS SOMI XV SIS-9-1

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1 SISTEMA DE MONITOREO CONTINUO PARA ESTUDIAR EL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DEL PALACIO NACIONAL A. R. Sánchez, C. Terrones y R. Meli RESUMEN Instituto de Ingeniería UNAM Edificio No. 2, Cubículo 314, Ciudad Universitaria 14 Tel: (5) Fax: (5) En 1994 el gobierno de Italia donó un sistema de monitoreo continuo, para dar seguimiento al comportamiento estructural del Palacio Nacional. El sistema cuenta con una red de nivelómetros, sensores de temperatura e inclinómetros biaxiales. Mediante una computadora personal, integrada al mismo sistema, cada cuatro horas se adquieren datos de los sensores y son actualizadas las representaciones gráficas que muestran la evolución de cada uno de los parámetros medidos. En este trabajo son descritas las características y el funcionamiento del sistema; se comentan las ventajas y los problemas observados acerca de su funcionamiento. Entre 1995 y 2 el sistema registró un hundimiento diferencial superior a 12 mm, lo cual se ha traducido en agrietamientos de la estructura. La manera en la que se produjo la deformación y una breve descripción de los daños observados también son comentadas. ABSTRACT In 1994 the Italian government donated to Mexico an automatic monitoring system to study the structural behavior of the National Palace of Mexico. The system comprises a personal computer, a network of levelometric vessels, thermometers and tiltmeters. Every four hours, the system records movements, the graphics are updated showing the evolution of the measurement parameters. An overview of the monitoring system installed in the National Palace is presented. Up to date the system has recorded a differential settlement higher than 12 mm. General description about movements and damages are showed in this paper. Also, some details about the performance of the system are described and movement histories are commented. 1. INTRODUCCIÓN Los sistemas de monitoreo continuo, en los últimos años, han ganado ya cierta aceptación en los proyectos de rehabilitación de estructuras consideradas como monumentos históricos, especialmente porque la medición repetida en intervalos cortos de tiempo de las características y de los movimientos de la estructura durante un periodo amplio resulta necesaria para realizar un diagnóstico más objetivo del problema que se enfrenta, así como para determinar el efecto de intervenciones de refuerzo y, especialmente, para detectar algún síntoma desfavorable para la seguridad de la edificación. También, resulta una herramienta útil para calibrar los modelos matemáticos que se desarrollan con el propósito de estudiar el comportamiento estructural de la construcción. El Palacio Nacional es una de las construcciones más importantes de nuestro país. La alta deformabilidad del subsuelo sobre el que se encuentra apoyado, los diferentes grados de consolidación del mismo y la extracción del agua del subsuelo para abastecer a la población han provocado hundimientos diferenciales en su cimentación, mismos que han generado desplomes de sus muros y columnas, así como agrietamientos importantes en diversas partes de la estructura. En 1994, el gobierno de Italia donó un equipo de monitoreo continuo para dar seguimiento al comportamiento estructural de las zonas más afectadas del Palacio. Este equipo fue desarrollado

2 MEMORIAS SOMI XV por el ISMES de Bergamo, Italia, su instalación en la estructura la realizó el mismo Instituto en colaboración con el Instituto de Ingeniería de la UNAM, éste último se ha hecho cargo de su mantenimiento y de la interpretación de los resultados. El propósito de este trabajo es describir las características principales del sistema de monitoreo y, en especial, el funcionamiento que se ha observado en la red de nivelómetros que forma parte del mismo sistema. Además, se presentan los resultados que muestran la manera en la que se ha deformado la esquina noroeste de la estructura en los últimos cuatro años. 2. ANTECEDENTES El Palacio Nacional [1], ubicado en el centro histórico de la ciudad de México, ocupa los terrenos en los que estuvieron situadas, durante el imperio Mexica, las casa nuevas de Moctezuma Xocoyotzin y parte del templo de Tezcatlipoca. En esos mismos terrenos, alrededor de 154, Hernán Cortes construyó un conjunto de casas con un estilo arquitectónico rudimentario, más tarde, a su muerte, su hijo vendió el inmueble a la Corona Española y el espacio fue destinado a la construcción del primer Palacio Virreinal, el cual fue incendiado en un motín acaecido en la segunda mitad del siglo XVII. Fue especialmente durante el siglo XVIII cuando el Palacio Nacional adquirió gran parte del aspecto que tuvo hasta el fin del periodo colonial y los primeros años de la época independiente (Fig. 1). Fig 1. Palacio Nacional durante el siglo XIX Durante la primera mitad del siglo XIX el Palacio parecía condenado a desaparecer debido a los atropellos a los que estuvo expuesto a causa de la inestabilidad política, social y económica de aquélla época, lo cual queda de manifiesto en los daños que sufrió el torreón suroeste (Fig. 2). En 1927 se rehabilitó el edificio y fue agregado un piso más, con lo que asume el aspecto que actualmente puede observarse (Fig. 3). Se trata de una de las construcciones más importante importantes de nuestro país; actualmente, debido a su riqueza arquitectónica y cultural, forma parte del patrimonio cultural de la humanidad. Fig 2. Daños en el torreón Sur (184) La estructura ha sido afectada severamente por los hundimientos diferenciales que se han venido produciendo en su cimentación desde el inicio de su construcción. Por ello, el edificio ha tenido que ser objeto de un proceso continuo de mantenimiento y de múltiples reparaciones a fin de subsanar los daños que lo afectan; en la última década fue necesario recimentar, mediante pilotes de control con funda antifriccionante, la esquina noroeste. La Fig. 4 muestra las deformaciones que han ocurrido, desde el inicio de su construcción, en las bases de los muros de cada una de las fachadas; en los cuatro casos puede observarse que la deformación es convexa y que en la fachada norte el hundimiento diferencial excede 1.8 m. La Fig. 5 muestra el aspecto que tienen las fachadas norte y oeste; en ella puede apreciarse la configuración convexa de la deformación.

3 FIG 3. VISTA DEL PALACIO NACIONAL, A PARTIR DE 1928 Elevación(m) 2 1 Norte 1 2 Longitud ( m ) Plaza de la Constitución Elevación(m) 2 1 Este 1 2 Longitud ( m ) Moneda Elevación(m) Este 1 2 Longitud ( m ) Corregidora Elevación(m) Norte 1 2 Longitud ( m ) Correo mayor FIG 4. DEFORMACIÓN ACUMULADA EN LAS CUATRO FACHADAS DESDE EL INICIO DE LA CONSTRUCCIÓN Fig 5. Vista general de la deformación que se ha producido en dos de las fachadas. En ambos casos la deformación adopta una configuración convexa. 3. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE MONITOREO Los sistemas de monitoreo pueden ser de dos tipos: estático o dinámico. Usualmente, tienen dos componentes principales: la unidad de adquisición y procesamiento de datos para manejar cierto número de canales y los sensores, los cuales operan eléctricamente y pueden registrar datos en intervalos predeterminados. En el Palacio Nacional, el sistema de monitoreo es estático, cuenta con una red de diez nivelómetros, cuatro sensores de temperatura y dos inclinómetros biaxiales. La ubicación de cada uno de estos dispositivos se muestra de manera esquemática en la Fig. 6. La señal eléctrica de cada sensor es transmitida, a través de cables, hasta una unidad periférica y de ahí a la unidad central (Fig. 7), la cual cuenta con un convertidor analógico-digital, paneles de advertencia para indicar síntomas de comportamiento inapropiado tanto de la estructura como del sistema, y una computadora en la que se procesa y almacena la información cada cuatro horas de manera

4 automática. El sistema también está diseñado para ser activado de manera manual, a fin de que el usuario realice una adquisición de datos en el momento en que lo desee. En la unidad central existe un modem para interrogar de manera remota al equipo. Un sistema de monitoreo semejante al aquí descrito fue instalado en la Catedral de México. La manera en la que se establece la comunicación entre los equipos, el ISMES y el Instituto de Ingeniería aparece en el diagrama de bloques de la Fig. 8. Fig 6. Ubicación de los sensores del sistema de monitoreo continuo en la estructura

5 Fig 8. Comunicación entre el Palacio Nacional, la Catedral, el ISMES y la UNAM Fig 7. Unidad central Una descripción breve de cada uno de los sensores y algunos comentarios acerca de su funcionamiento se presentan a continuación: Sensores de temperatura. Estos instrumentos están ubicados en la azotea, en la planta baja y en las galerías de los pilotes; en los mismos sitios en los que se localizan los inclinómetros y el nivelómetro 5. Estos dispositivos son comerciales (Fig. 9), su comportamiento ha sido estable desde su instalación; sin embrago, el sensor ubicado junto al inclinómetro de azotea ha sufrido problemas de vandalismo por lo que en múltiples ocasiones ha dejado de registrar los cambios de temperatura. Inclinómetros. Los inclinómetros están colocados en la fachada poniente, del lado norte de la puerta principal; uno está en la planta baja, dentro de una garita, y el otro se localiza sobre la azotea, adosado al imafronte y alineado, en un eje vertical, con el primer (Fig. 1). Fig 9. Sensor de temperatura Fig 1. Inclinómetro El propósito de los dispositivos es medir los cambios de inclinación que sufre esta parte de la construcción, especialmente en la dirección oriente poniente. Se trata de instrumentos comerciales con precisión de.1 mm/m, su comportamiento ha sido estable desde su instalación. El sensor localizado sobre la azotea también ha sufrido problemas de vandalismo, por lo que sus registros han sido interrumpidos en varias ocasiones. Red de nivelómetros. Los asentamientos diferenciales de la cimentación de estructuras pueden ser medidos mediante vasos niveladores llamados nivelómetros, se trata de vasos cilíndricos de cristal que se conectan entre ellos a través de mangueras para formar un sistema de vasos comunicantes. El fluido que utiliza el sistema es aceite de silicón. Los vasos tienen 3 mm de altura, y 25 mm de diámetro interior y están montados sobre un marco de acero inoxidable. En el extremo inferior del vaso existe una pieza a la que se conecta una celda eléctrica de presión y una válvula de paso para controlar el flujo del aceite hacia la línea de conducción. La celda de presión permite determinar el tirante de aceite contenido en el vaso, con una precisión de.1 mm. Las líneas de conducción son mangueras de plástico cuyo diámetro es de 8 mm. Los nivelómetros se

6 encuentran distribuidos en la esquina noroeste de la construcción; dentro de las galerías de los pilotes (Fig. 11). La red abarca una longitud total de 74m; 37.5 m sobre la fachada norte y 36.6 m sobre la fachada poniente. En el periodo comprendido entre el mes de marzo de 1995 y diciembre de 1999, el volumen de líquido contenido en los vasos experimentó una reducción del orden del 1 por ciento sin que se manifestaran problemas de fugas. La causa de está pérdida es atribuible principalmente a la presencia de aire dentro de la línea de conducción y de algunas conexiones, parte del cual ha ido desalojándose paulatinamente, reduciéndose con ello el tirante de aceite en los nivelómetros. Fig 11. Nivelómetro Además, se ha observado que de manera consistente los tirantes de aceite en los nivelómetros se modifican con los cambios de la temperatura; durante los periodos correspondientes a los meses de calor el líquido aumenta de volumen y, en los meses invernales, sucede exactamente lo contrario. Esta situación también indica que existe aire dentro de la línea, ya que el aceite solo modifica ligeramente su volumen a causa de los cambios de temperatura, mientras que el volumen de aire resulta más sensible a los mismos cambios, lo cual modifica el tirante del aceite contenido dentro de los nivelómetros. A pesar de esta situación, como más adelante se comentará, los resultados obtenidos son consistentes con aquellos que se obtienen de nivelaciones topográficas. Para corregir esta situación fue necesario purgar la línea de conducción. Durante esta actividad pudo observarse que la mayor parte del aire atrapado se concentra en las conexiones, sobre todo en aquéllas a la que se conectan las celdas de presión. Este proceso resultó complicado, especialmente porque el sistema carece de dispositivos adecuados para expulsar el aire de manera práctica. Después de haber implementado esta medida, la variación del volumen de aceite se redujo notablemente, ya que durante los tres primeros meses, después de la intervención, el aceite solo experimentó un incremento de volumen inferior dos por ciento atribuible al aumento de temperatura del medio ambiente. Para estimar la magnitud de los hundimientos diferenciales de la estructura a partir de la red de nivelómetros, se sabe [5 y 6] que un incremento de elevación, H, en uno de los dispositivos, ocasiona un incremento uniforme en el resto de los nivelómetros, h, equivalente a: h = H ( n 1) donde n es el número de nivelómetros que integran a la red. La Fig. 12 muestra de manera esquemática esta situación. Cuando más de un aparato experimenta un cambio de elevación puede aplicarse el principio de superposición Fig 12. Modificación en los tirantes de aceite al inducir un desplazamiento vertical en uno de los vasos

7 RESULTADOS La Fig. 13 presenta la variación de la temperatura dentro de las galerías de los pilotes, durante un periodo de cuatro años; se aprecia una variación periódica, la cual se atribuye a los cambios anuales de estación; dicha variación oscila entre 289 y 294 grados Kelvin. Fig 13. Variación de la temperatura dentro de las galerías de los pilotes De acuerdo con los inclinómetros, en especial con el que se localiza en la planta baja, la parte central de la fachada principal se inclinó hacia el norte y hacia la plaza de la constitución durante el periodo de observación; los giros fueron del orden de.4 y.3 mm/m, respectivamente (Fig. 14) Fig 14. Evolución de la inclinación registrada en la planta baja

8 En la Fig. 15 se presenta la evolución del tirante de aceite en los nivelómetros localizados del lado de la Plaza de la Constitución; a partir de estos registros y de los correspondientes a la calle de la Moneda fue estimada la deformación que sufrió la estructura, misma que fue comparada con la que se obtiene mediante un equipo topográfico. Fig.15 Registros de los nivelómetros ubicados en la fachada oeste En la Fig. 16 aparecen estos resultados; en ella también se incluyen las configuraciones obtenidas de manera manual, midiendo directamente el tirante del aceite mediante reglas graduadas, las cuales están fijas dentro de cada nivelómetro; como puede apreciarse, los resultados son coherentes y corresponden con el patrón de agrietamiento que ha surgido en la estructura durante los dos últimos años (Fig. 17).

9 15 Deformación parcial (mm) Topográfico Manual Automático Longitud (m) Calle de la Moneda 15 Deformación parcial (mm) Topográfico Automático Manual Longitud (m) Plaza de la Constitución Fig 16. Deformación de la esquina noroeste registrada con los nivelómetros. Los resultados se comparan con mediciones manuales del tirante de aceite contenido los nivelómetros y con mediciones realizadas con equipo topográfico.

10 Fig 17. Agrietamientos en muros debido a los hundimientos diferenciales que se producen en la cimentación de la construcción CONCLUSIONES La evolución de la deformación en función del tiempo y de la temperatura permite separar los efectos térmicos de la deformación debida a otras causas como: asentamientos de la cimentación, modificaciones en la estructura, nuevas fuerzas inducidas a ésta y envejecimiento de los materiales, entre otras. La información que se obtiene del los inclinómetros es consistente con la deformación medida en la cimentación; sin embargo, deben tomarse ciertas reservas en su interpretación, ya que las características propias de la mampostería pueden hacer que los sensores registren movimientos locales que no sean representativos de la estructura. El purgado de la línea de aceite seguramente mejorará la estabilidad de los registros; sin embargo, es deseable implementar algunas modificaciones en el diseño del sistema a fin de que el aire atrapado en la línea de conducción y en las conexiones pueda ser expulsado de manera práctica. El sistema de monitoreo continuo ha demostrado ser herramienta fundamental para entender el comportamiento estructural de la construcción. Su uso en el Palacio ha permitido conocer con mayor detalle la manera en la que se deforma su esquina noroeste. Además, ha servido de referencia para manipular los pilotes que se han instalado en la cimentación de la construcción para controlar el descenso de dicha parte de la estructura. REFERENCIAS 1. Presidencia de la república, El Palacio Nacional,(Ed. Sep ),México,15-2,(198 ) 2. R. Giles, Mecánica de los fluidos e hidráulica, (Ed. McGraw-Hill, E,U ), 3-1, ( 197 ) 3. G. Sotelo, Hidráulica general, ( Ed. Limusa-Noriega ), México, y 114, R. Resnick y D. Halliday, Física,( Ed. Continental ),México, , E. Levi, Hidráulica, ( Ed Limusa ), México, 8-3, J. Gutiérrez, Enciclopedia de Física, ( Ed. Salvat ), México, ,1978

11 7. G. Croci, The Conservation and Structural Restoration of Architectural Heritage, (Ed. Computational Mechanics Publications ), Boston, 74-76, TGC, Ingeniería, Informe técnico del mantenimiento de los pilotes con funda antifriccionante instalados en la zona de S.H.C.P. I, México D. F., 1997 RECONOCIMIENTO El proyecto de rehabilitación del Palacio Nacional está a cargo del Consejo Nacional para la Cultura y las Artes, y es encabezado por el Arq. Sergio Zaldívar Guerra, Coordinador General de Obras Especiales, de dicho Consejo. Los autores agradecen al Ing. Juan Manuel Velasco Miranda su apoyo en la instalación del sistema de monitoreo continuo. Además, se reconoce la valiosa colaboración del Sr. José Rosales Enríquez en las labores de mantenimiento del mismo sistema.

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