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Monográfico | Agustín de Betancourt
La cimentación de la Catedral de San Isaac y su comportamiento posterior
Vladislav Anatolyevich Vasenin
Candidato de Ciencias Técnicas, director general adjunto del Instituto de Georreconstrucción.
Alexey Georgievich Shashkin
Doctor en Ciencias Geológicas y Mineralógicas, candidato de Ciencias Técnicas, ingeniero superior restaurador, director general del Instituto de Georreconstrucción.
Sergey Gennadievich Bogov
Jefe del Servicio de Seguimiento del Instituto de Georreconstrucción.
Konstantin Georgievich Shashkin
Candidato de Ciencias Técnicas, geotécnico jefe del Instituto de Georreconstrucción.
Vladimir Mikhailovich Ulitsky
Doctor en Ciencias Técnicas, profesor, director científico del Instituto de Georreconstrucción.
La catedral de San Isaac es el templo ortodoxo más grande del mundo, orgullo y pieza central de San Petersburgo. Fue construido hace 200 años y cimentado bajo la dirección y consejo de Agustín de Betancourt. Quizá como a muchos ingenieros de caminos les pueda ocurrir, las cimentaciones de una infraestructura pasan desapercibidas, aun siendo parte esencial de la futura construcción y explotación. Esto mismo ocurre también en San Isaac. El ingenio de Betancourt permitió erigir tamaña catedral y, así, durante todos estos años, los asientos de este grandioso edificio han ido evolucionando.
Los autores tienen un objetivo modesto: examinar los resultados de mediciones topográficas relativamente recientes a la luz de la información existente sobre la historia de las deformaciones de este monumento y evaluar el comportamiento de la solución puesta en práctica por Agustín de Betancourt. Esto exige realizar una breve descripción del contexto histórico.
Para ello se han utilizado las siguientes fuentes históricas, que tal vez son desconocidas en el entorno español: el Registro del Comité para la Consideración de los Comentarios del Arquitecto Mauduit sobre las obras de construcción de la Catedral de San Isaac; el trabajo de N. P. Nikitin; la nota de archivo de N. U. Malein «Fundamentos y Zapatas de Pilotes de la Catedral de San Isaac», escrito en 1947, y el Informe del Instituto Politécnico de Leningrado, compilado en 1954 bajo la supervisión de V. A. Florin y D. M. Tartakovsky.
Breve reseña histórica de la construcción
Se distinguen tres etapas en la historia de la construcción de la catedral existente. La primera etapa se refiere a la construcción de la llamada Tercera Catedral de San Isaac, iniciada según el diseño de A. Rinaldi, pero terminada según las ideas de V. Brenna en la segunda mitad del siglo XVIII. Las dos primeras catedrales de San Isaac son de la época de Pedro I y no están relacionadas con la historia de la construcción del monumento en cuestión; estaban ubicadas cerca del Jinete de Bronce, Медный всадник, a orillas del río Neva; entre el Almirantazgo y la sede la Corte Constitucional de la Federación Rusa.
El diseño de Rinaldi no se correspondía con la intención posterior del emperador Alejandro I de transformar San Petersburgo en la capital europea más bella; por ello se requería construir la nueva iglesia aprovechando al máximo las partes del edificio antiguo. En el dibujo conservado de Rinaldi sobre la disposición de los pilotes y los cimientos, los pilones de apoyo de la cúpula descansaban sobre pilotes de 5 sazhen de largo (10,65 m) y otros pilotes de 4 sazhen de largo (8,52 m). La distancia media entre ejes de pilotes era de 62 cm. Las cabezas de los pilotes se cortaron a una profundidad de 3,65 m desde la superficie del suelo.
La segunda etapa de la historia comenzó con la aprobación por parte del emperador del diseño inicial de A. Montferrand, «que proponía aumentar la Catedral de San Isaac en un tercio en comparación con el diseño de Rinaldi». Se planteó construir una cúpula imponente rodeada por cuatro más pequeñas preservando los cuatro pilones que sostenían la cúpula central y todos los muros excepto el occidental y el campanario, y desmantelar además las ménsulas semicirculares de tres lados de la estructura de Rinaldi (Fig. 1).
La supervisión de la construcción de la catedral fue encargada a Betancourt, fundador de la escuela de ingeniería rusa. Sin embargo, su participación en muchas otras misiones no le permitió implicarse a fondo en el diseño de la catedral. La mayor contribución de Betancourt se centró en el método de elevación de columnas de granito de los pórticos y del tambor de apoyo de la cúpula. Por lo demás, fue consultor y guía permanente de Montferrand, que era su protegido y que había presentado al emperador.
En la primavera de 1818 se iniciaron los trabajos de desmantelamiento de los muros de la antigua iglesia así como de construcción de las estructuras auxiliares, movimiento de tierras y bombeo de agua de los pozos. Sin embargo, en septiembre de 1821 la construcción se detuvo debido al consejo de А. А. Mauduit, que obligaba a revisar todo el diseño y someterlo a su vez a un comité especialmente organizado que incluía a los mejores arquitectos rusos.
Según su consejo, Mauduit observó que el principal inconveniente del diseño era el hecho de que «según el plan del Sr. Montferrand y el método aceptado para su implantación, no hay posibilidad de preservar los cuatro pilones existentes que sostienen la antigua linterna de ladrillo de la cúpula […]. La nueva linterna con la nueva cúpula debería descansar sobre dos pilones antiguos y dos nuevos que tendrían asentamiento diferencial». Los miembros del comité coincidieron con Mauduit: «para mayor estabilidad y seguridad es mejor hacer nuevos los cuatro pilones que sostendrán la nueva linterna de mampostería y su cúpula». El peligro de desarrollar asientos diferenciales considerables entre estructuras antiguas y nuevas no fue la única desventaja de la solución de diseño. La cúpula tenía problemas importantes ya que no descansaba directamente sobre los pilones que tenía debajo. Después de considerarlo, se decidió informar al emperador: «Todos los miembros del comité consideran necesario detener todos los trabajos de construcción de la Catedral de San Isaac hasta solucionar los inconvenientes».
La tercera etapa de la historia de la construcción comenzó después de una reelaboración completa del diseño de Montferrand tras las objeciones del comité. Había que desmantelar los dos viejos pilones occidentales de Rinaldi. Montferrand ubicó cuatro nuevos pilones de modo que el tambor debajo de la cúpula descansara sobre los mismos. En 1825 los cimientos según el diseño antiguo estaban casi terminados. Los cimientos de los pilones de la iglesia de Rinaldi se mantuvieron sin cambios; se construyeron más tarde y se desmantelaron hasta las hileras inferiores de mampostería de granito. Los cimientos de los pilones orientales debajo de la cúpula se reforzaron agregando nuevos tramos de mampostería. Se ejecutaron cimientos de pilotes adicionales debajo de los cuatro campanarios y dos de los pórticos (sur y norte) y más tarde, debajo de los pórticos este y oeste.
Todos los pilotes se hincaron, como se acepta comúnmente, cuando la distancia entre pilotes es igual al diámetro. Después de cortar las cabezas de los pilotes al nivel de los apoyos, se ordenó «llenar el espacio entre los pilotes con piedra triturada apisonada y verter mortero líquido». Los cimientos sobre pilotes se ejecutaron de mampostería continua de losas de granito y piedra caliza. En los lugares de carga máxima (pilones y esquinas de edificios) había mampostería de granito. Debajo de las fachadas y filas de columnas, alternaba la mampostería de piedra caliza y de granito. La mampostería sobre mortero de cal conformó una base de piedra maciza de 7,5 m de espesor cuya base se encontraba en una elevación absoluta de aproximadamente -2,6 m. La construcción de todos los cimientos se completó en 1827.
Las decisiones relativas a la distribución en planta y los cimientos de la catedral que fueron tomadas en 1825 permanecieron sin cambios (Fig. 2).
Observaciones geológicas de la cimentación
Mauduit reprochó a Montferrand que ni siquiera sabía «la profundidad que debían tener los cimientos; solo debía hacerlos con losas de piedra en bruto habituales en las casas privadas, no realizó catas para determinar la profundidad de los nuevos cimientos». Estas investigaciones debían realizarse responsablemente en la construcción de estructuras.
Montferrand se opuso al comentario de Mauduit diciendo que: «utilizó un método mejor que las catas, que solo podían mostrar las propiedades del suelo», «ordenó cavar una amplia zanja cerca de la esquina norte, bombeó agua, evaluó los cimientos y abrió galerías en ellos para descubrir un grado de firmeza de la base».
Las primeras investigaciones geotécnicas desde el conocimiento contemporáneo no se realizaron hasta el periodo 1927‑1939 (Fig. 3), y las investigaciones sobre las propiedades del subsuelo, en 1954. En 2009 se lleva a cabo un reconocimiento geológico detallado por parte de la Universidad de Minas de San Petersburgo. La Catedral de San Isaac está situada en la ladera de un profundo paleovalle enterrado que desciende en dirección norte. En la parte suroeste de la catedral, el techo de los depósitos vendienses (precámbricos) se encuentra a una profundidad de 44,5 m. Sobre el mismo se deposita de forma discordante la cobertera cuaternaria, con cambios de espesor de hasta 20-25 m según R. E. Dashko, lo que condiciona la evolución de los asientos diferenciales de la catedral. El perfil de los depósitos cuaternarios incluye depósitos intermorrénicos, glaciales, lacustres-glaciales y lacustres-marinos cubiertos por suelos antropogénicos. En la parte superior del perfil hay capas intermedias de turba y depósitos de turba. Durante las investigaciones de 2009, el nivel del agua subterránea se registró a una profundidad entre 1,80 y 1,2,0 m desde la superficie del suelo. Las investigaciones realizadas bajo la dirección de R. E. Dashko muestran que durante el último medio siglo se produjeron cambios negativos considerables en la composición química del agua subterránea debido a las fugas del sistema de alcantarillado a lo largo del contorno de la catedral.
Las arenas arcillosas lacustres y marinas y las margas lacustrinas-glaciales tienen una consistencia líquida y plástica, con un contenido de agua natural que varía entre 34 y 51%. La permeabilidad al agua de las arenas llega a equipararse a valores característicos arcillosos. Los suelos arcillosos glaciares y morrénicos se caracterizan por ser depósitos cuasiplásticos.
Evaluación de la capacidad portante de los pilotes
En una carta a Montferrand fechada el 3 de abril de 1818, Betancourt ordenó «hincar pilotes de 6 a7 vershok de diámetro (26,4‑30,8 cm) hasta el rechazo usando martillos de 75 a 80 pud (1.2‑1.3t) desde una altura de 11‑12 pies (3,35‑3,65 m) hasta que después de 10 golpes se hinquen menos de un centímetro» y Montferrand siguió estas instrucciones en la construcción.
La primera evaluación de la carga de pilotes la realizó en 1912 P. I. Dmitriev, profesor de la Facultad de Construcción de la Universidad de Arquitectura y Construcción, quien realizó cálculos estáticos de los elementos estructurales de las catedrales. Según sus cálculos, la carga media por pilote era de 18 toneladas. En 1947, N. U. Malein hizo la primera evaluación calculada de la capacidad de carga de un pilote de madera de 6,4 m de largo y la fijó en unos 18t. Según su evaluación, la cantidad total de pilotes bajo la iglesia de Rinaldi y la nueva catedral es de 24 000, y el peso total de la estructura es de 300 000 toneladas, con una carga media de 12,5 toneladas. En 1954, unos estudios de la Universidad Politécnica de San Petersburgo llegaron a la conclusión de que cada pilote soporta en promedio 15t y que los situados bajo los pilones de cúpula, unas 22,5t. El nivel del agua subterránea a más de 3 m de agua subterránea encima de las cabezas de los pilotes protege la madera de la descomposición.
Sobre la evaluación de la capacidad portante de los pilotes de madera hay que tener en cuenta que los pilotes tenían una longitud limitada (en función de la altura del tronco del árbol). Además, según las condiciones geológicas, nunca podrían alcanzar capas de suelo resistentes y poco compresivas. Así, una gran cantidad de depósitos arcillosos blandos saturados permaneció debajo de las puntas de los pilotes. Por ello, el grupo de pilotes consideraba empíricamente la compactación del suelo producida en la hinca para fiar su resistencia, aumentando así la rigidez de las capas superficiales y contribuyendo de este modo a disminuir los asientos diferenciales.
De esta manera, se puede generalizar que los depósitos arenosos superficiales del subsuelo de San Petersburgo resisten bastante bien la redistribución de la presión de los edificios hacia los suelos blandos subyacentes, que actúan como un colchón de arena natural si estos edificios son de poca altura. No debían ser más altos que la cornisa del Palacio Imperial de Invierno —hoy el Hermitage—, no solo por razones simbólicas, sino también por seguridad.
Las estimaciones modernas de los asientos permiten determinar asientos en el entorno de 1,0 m. Por lo tanto, los campos de pilotes soportados por suelos arcillosos blandos y saturados no pueden facilitar asientos viables.
Deformaciones durante la construcción
En 1827 se construyeron los estilóbatos (plinto de apoyo de las columnatas) de los pórticos; en el otoño de 1830 los cuatro pórticos estaban sobre sus estilóbatos, no recubiertos aún de granito. En el lado este, detrás del pórtico oriental, quedaron restos del antiguo altar de la catedral de Rinaldi. Ciertamente, la construcción de estos pórticos, más ligeros, y antes del cuerpo principal del edificio, mucho más pesado, produjo importantes asientos diferenciales.
Muchos investigadores han acusado a Montferrand de esta secuencia constructiva, aunque reconocieron que actuó así porque la instalación de los grandiosos monolitos de columnas de granito requería suficiente espacio.
La ejecución de los muros de fábrica, pilares interiores, alzados con capas intermedias de granito en la parte inferior del edificio y piedra arenisca en la parte superior comenzó simultáneamente y se desarrolló en todo el perímetro del edificio. El espesor final de los muros construidos fue de unos 2,5 m.
Durante 1836‑1837 se construyó un recinto alrededor de todo el edificio y la mayor parte del cuerpo superior. Los pilones interiores se completaron y conectaron en arcos bajo cúpula con enjutas. En 1842, el edificio de la catedral estaba terminado en bruto. Se iban a realizar algunos acabados menores y la decoración interior. La catedral fue inaugurada el 30 de mayo de 1858.
Una vez asentado, el espacio del edificio principal tiró de los frontones. El desplazamiento de las columnas provocó tensiones locales crecientes que amenazaban con fisurarlas. En 1841, para evitar aplastamientos locales en las bases de las columnas, Montferrand ordenó introducir cuñas de cobre en las ranuras abiertas de la base inferior de la columna y en la base superior del soporte de granito. Sin embargo, las deformaciones continuaron en 1873; cuando los arquitrabes deformados comenzaron a aplastarse se colocaron andamios debajo de los pórticos de la Catedral de San Isaac, que tuvieron que soportar el peso del entablamento y el frontón. Estas obras de reparación duraron hasta 1895.
En 1927, según observaciones personales de N. P. Nikitin, después de retirar las decoraciones de bronce de las bases de las columnas se encontraron fragmentaciones importantes en la parte inferior de las columnas y sus soportes de granito. Son muy visibles en la columna n.º 47, incluida en el cuerpo de mampostería del campanario suroeste por una cuarta parte de su sección (Fig. 4).
Las mediciones de N.P. Nikitin constituyeron la base de todo el sistema de observaciones. N. P. Nikitin descubrió que en 1927 el movimiento de asientos del edificio se dirigía de este a oeste y de norte a sur. La diferencia de asientos entre el punto más alto y el punto más bajo ubicado casi a lo largo de la diagonal del edificio (90 m) era de 0,472 m. Mientras tanto, la bola de la cúpula central se desplazó 270 mm hacia el oeste.
Las columnas de los pórticos norte y sur, empotradas en las esquinas de los campanarios, sufrieron desviaciones de decenas de centímetros. Las bases de granito agrietadas debajo de cada columna se reforzaron con tirantes metálicos.
Las mediciones de N. P. Nikitin en 1927 se han ido repitiendo de manera periódica hasta la actualidad y permiten evaluar el asiento. Así, durante el periodo 1927-2008 la evolución es uniforme con una tasa de 0,3 mm/año. Durante el mismo período los muros de la Catedral también tuvieron asientos (Fig. 5).
Es muy probable que las diferencias en los asientos teóricos calculados se hayan producido en el proceso de construcción del edificio. Por eso no se observan grietas significativas en las mamposterías. Durante la construcción hubo diferencias en la carga del subsuelo: los pilones de Rinaldi permanecieron en la parte del altar del edificio, la mitad de la planta ya había soportado cargas a lo que se sobrepuso el diseño de Montferrand. Evidentemente, debido a esta circunstancia, la parte oriental de la catedral tiene los asientos más pequeños, y la occidental los más grandes, que caracterizan un contorno triangular.
Cabe destacar que la reducción general del techo del zócalo vendiense, dirigida de sur a norte, no cambia la distribución de asientos. Esto demuestra un hecho evidente: el desarrollo de las deformaciones del suelo se produce principalmente justo debajo de la base del campo de pilotes (colchón de arena natural consolidado por pilotes cortos de madera).
La gran rigidez espacial obtenida por el edificio después de la construcción no permitió una diferencia creciente de asientos. En cambio, en referencia a los pórticos, sin especial rigidez, la diferencia de asientos siguió creciendo en el tiempo (Fig. 6).
Conclusión
La contribución de Betancourt en la construcción de la Catedral de San Isaac es fiel reflejo de su actividad en Rusia: gestor, ingeniero y pedagogo. Este trabajo muestra muy bien la complejidad de los problemas que tuvo que resolver desde sus funciones en los que no solo la técnica era el único ingrediente. Gestionar personas, controlar las iniciativas del desarrollo de infraestructuras, etc. eran quizás más problemáticos. Técnicamente, la evaluación de los asientos de la Catedral de San Petersburgo sigue siendo un reto.
Hoy en día, gracias al desarrollo en software de cálculo existe la posibilidad de modelar el desarrollo de las deformaciones de una estructura tan compleja como la Catedral de San Isaac para evaluar riesgos para el monumento. El ejemplo de estos modelos es el cálculo para la Catedral Naval de Nicolás en Kronstadt, construida en 1902-1913. Para identificar las causas principales de los defectos en las estructuras, los expertos realizaron modelos numéricos de la interacción «suelo-cimientos-superestructura», proporcionando convincentes diagnósticos de las causas del desarrollo de deformaciones y permitiendo identificar zonas en riesgo. Desafortunadamente, no se ha hecho lo mismo para la Catedral de San Isaac, aunque este edificio los necesita desesperadamente.
Referencias
1
Dashko R.E., Shidlovskaya А.V., Alexandrova О.Yu., Alexeev I.V. «Engineering-geological and hydro-geological problems of substantion of long-term stability of St.Isaac’s cathedral (St. Petersburg)» En: Proceedings of Mining Institute.V.195. pp. 28-31.
2
Lem I.М. (1803). The regulation with practical instruction how to construct different buildings such as churches, entertainment houses, rural houses for civil servants for permanent or temporary residence, mills, locks, dams, wooden and stony structures, together with corresponding rules of decoration and location. p. 1-2. St. Petersburgo.
3
Nikitin N.P. (1939) August Montferrand. Design and construction of St.Isaac’s cathedral and Alexander column. Leningrado, p. 348.
4
Shashkin А.G, Shashkin К.G., Bogov S.G., Shashkin V.А., Shashkin М.А. (2021). Monitoring of buildings and structutes at construction and operation. p. 640. St. Petersburgo.
5
Montferrand A. R. (1845). Eglise cathédrale de Saint Isaac. Description architecturale, pittoresque et historique de ce monument. p. 137. San Petersburgo.