Metodologia integrada para avaliação e mitigação da vulnerabilidade sísmica das construções históricas em alvenaria: a Igreja dos Jerónimos como caso de estudo

Tese de doutoramento em Engenharia Civil / EstruturasA preservação das construções históricas de elevado valor patrimonial é hoje um tema muito actual nas sociedades modernas tanto mais quanto estas construções desempenham um papel cada vez mais importante na indústrias do turismo e, consequentemente, na economia e na imagem e auto-estima dos países e seus povos. A perigosidade sísmica de Portugal e de muitas outras regiões do globo de que se destacam, pela sua proximidade, os países da bacia Mediterrânica, coloca um elevado número de construções históricas, nomeadamente as construções em alvenaria, particularmente vulneráveis a acções sísmicas, sob potencial risco de colapso. Pese embora a complexidade e a peculiaridade destas construções, em geral caracterizadas por uma falta generalizada de informação de que se destaca a ausência de elementos de projecto e o desconhecimento da constituição interna dos seus elementos estruturais e do seu estado actual, são as lacunas metodológicas ainda existentes no estudo destas construções, geralmente orientado por regras e procedimentos adequados para novas construções, que conduzem frequentemente a intervenções desajustadas ou desproporcionadas à dimensão dos problemas e ao valor patrimonial das construções. Além disso, as soluções destinadas a incrementar a resistência sísmica colidem frequentemente com a necessidade de preservar o valor histórico, cultural e arquitectónico. Se, adicionalmente, se atender às incertezas existentes na caracterização da acção sísmica, a avaliação da segurança das construções históricas, em particular da segurança sísmica, permanece ainda um imenso desafio para técnicos, investigadores e para a indústria. Neste contexto, este trabalho pretende dar um contributo para promover a conservação, reabilitação e reforço das construções históricas em alvenaria através de uma metodologia própria que sustente diagnósticos mais verosímeis e intervenções mais adequadas e proporcionadas, em respeito pelos princípios hoje aceites que procuram minimizar a extensão e a intrusividade das intervenções, mas que garantam as indispensáveis condições de segurança. Propõe-se assim uma metodologia multidisciplinar e integrada cujo lema é “maximizar a investigação para minimizar a intervenção” e onde se dá primazia à observação da construção, baseada na auscultação e na monitorização estrutural, e à prática de intervenções faseadas e interactivas com os resultados. A engenharia de estruturas desempenha um papel fulcral funcionando como o elemento integrador da metodologia. Como passos principais da metodologia proposta destacam-se: (i) pesquisa, compilação e análise de dados históricos relevantes para a caracterização genérica da construção; (ii) instalação de sistemas de monitorização estática e dinâmica; (iii) caracterização mecânica dos materiais e/ou de elementos estruturais; (iv) identificação dinâmica da estrutura; (v) caracterização da acção sísmica, desde a identificação de potenciais áreas sismogénicas, que condicionam a perigosidade geográfica, até à geração artificial de acelerogramas incluindo a consideração dos efeitos de sítio; (vi) desenvolvimento de modelos de simulação numérica do comportamento estrutural, calibrados a partir de danos identificados e de resultados experimentais; (vii) análises estáticas não-lineares do tipo “pushover” e de análises dinâmicas não-lineares, no domínio do tempo, para diferentes níveis de perigosidade sísmica, consistentes com o enquadramento tectónico regional; (viii) identificação da capacidade e das vulnerabilidades estruturais, dos modos de colapso e avaliação da segurança; (ix) recomendações para minimizar risco sísmico das construções, incluindo propostas de eventuais soluções de intervenção para a conservação/reabilitação ou reforço. A metodologia proposta é aplicada a um emblemático caso de estudo, constituído pela Igreja de Santa Maria de Belém, como parte integrante do complexo do Mosteiro dos Jerónimos, em Lisboa. Apresentam-se e discutem-se os resultados mais relevantes do estudo efectuado, na sequência da aplicação da metodologia, através dos quais se sustenta o diagnóstico da construção. Para as simulações numéricas do comportamento dinâmico da Igreja recorreu-se a sinais sísmicos artificiais correspondentes a três cenários sísmicos de perigosidade crescente traduzida por períodos de retorno com 475, 975 e 5000 anos. Finalmente, tendo presente o elevado valor patrimonial da construção, propõem-se, analisam-se e discutem-se possíveis estratégias de intervenção/reforço com vista à redução das vulnerabilidades identificadas e à mitigação do risco sísmico da Igreja.The preservation of historical constructions with high cultural heritage value is a current theme in modern societies as these constructions play an important role in the industry of tourism and culture, and consequently in the economy and in the image of countries and self-esteem of people. The seismic hazard of Portugal and, due to its vicinity, of the Mediterranean basin puts under potential risk of damage and collapse a high number of historical constructions, namely most of the old masonry constructions, particularly vulnerable to seismic actions. In spite of the complexity and the peculiarity that historical constructions present, in general characterized by a widespread lack of information, the gaps in methodological approaches followed for the study of these constructions, usually guided by rules and procedures appropriate for new constructions, are frequently responsible for inadequate interventions or even disproportional to the size of problems and to the heritage value of the constructions. Besides, the solutions to increase the seismic resistance are usually incompatible with the need of preserving the historical, cultural and architectonical values. Considering further the uncertainties in the seismic action characterization, the assessment of the constructions’ safety, in particular its seismic safety, becomes a huge challenge for technicians, researchers and industry. Within this context, this work intends to contribute to promote the conservation, maintenance and rehabilitation of historical masonry constructions. For that purpose, it’s developed and proposed a suitable methodology that supports the diagnoses and consequently more appropriate and proportionate interventions, with respect to the principles of the “minimum intervention” approach, but that guarantees the indispensable safety conditions. It is proposed a multidisciplinary and integrated methodology whose philosophy is "maximize the investigation to minimize the intervention" and that promotes the observation of constructions, based on structural monitoring, and phased interventions with interaction with the results. In this methodology the structural engineering carries out a key role working as an integrator element. The proposed methodology stands in the following main steps: (i) research, compilation and analysis of relevant historical data for generic characterization of the construction; (ii) installation of static and dynamic monitoring systems; (iii) experimental tests for mechanical characterization of materials and/or structural elements; (iv) dynamic identification of the structure; (v) characterization of the seismic action, from the identification of potential source areas to the artificial generation of acceleration time histories, including local site effects; (vi) numerical modelling and model calibration against existing experimental results, as a tool to simulate the structural behaviour; (vii) non-linear static analyses (pushover analysis) and non-linear dynamic analyses, in the time domain, for different seismic hazard levels; (viii) identification of structural vulnerabilities, collapse modes and safety evaluation; (ix) recommendations to minimize the seismic vulnerability of the construction, including possible intervention solutions for its conservation/rehabilitation or reinforcement. The proposed methodology is then applied to an emblematic case study, constituted by the Church of Santa Maria of Belém, an integrated part of the Jerónimos Monastery compound, in Lisbon. Based on this methodology, the most relevant results of the study are presented and discussed in detail, and further used to support the diagnosis of the construction. The seismic behaviour of the Church was numerically simulated using artificial seismic acceleration time histories in agreement with three seismic hazard scenarios for 475, 975 and 5000 years return periods, respectively. Finally, considering the high heritage value of the construction, some possible intervention strategies intent to reduce the identified vulnerabilities and the seismic risk of the Church are proposed, analyzed and discussed.Comissão Europeia - Projecto “EU-India Economic Cross Cultural Programme - Improving the Seismic Resistance of Cultural Heritage Buildings”, Protocolo ALA-95-23-2003-077-121

Caracterização mecânica de paredes antigas de alvenaria : um caso de estudo no centro histórico de Bragança

Este artigo refere algumas técnicas, de carácter não-destrutivo, actualmente disponíveis, para a caracterização in-situ do estado das alvenarias antigas do ponto de vista mecânico-estrutural. Faz-se a análise e comentários dos resultados da sua aplicação num edifício antigo, com paredes estruturais em alvenaria de pedra, inserido no Centro Histórico de Bragança

Simplified indexes for the seismic vulnerability of ancient masonry buildings

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - projecto SAPIENS 33935-99This paper presents a contribution for the safety assessment of historical masonry buildings under seismic loading. Three different simplified safety indexes (in-plan area ratio, area to weight ratio and base shear ratio) are analyzed, taking into account a large sample of fifty-eight Portuguese churches. The sample of building has been organized according to the seismic zonation, from high to low seismicity. The results indicate that valuable information can be obtained from simplified methods, with respect to performing a first screening and to prioritizing further, deeper investigations. A new proposal is made regarding the combined usage of two of the indexes.European-Indian Economic Cross Cultural Programme - ALA/95/23/2003/077-122 “Improving the Seismic Resistance of Cultural Heritage Buildings”

Métodos simplificados na avaliação sísmica de edifícios históricos

Esta comunicação pretende dar uma contribuição para a avaliação do estado das construções históricas, nomeadamente edifícios, com paredes em alvenaria antiga, perante o cenário de ameaça sísmica em que o nosso território se enquadra. Neste contexto apresentam-se, e aplicam-se a uma amostra nacional de cinquenta e oito igrejas em diferentes zonas sísmicas, métodos simplificados de aplicação expedita. Ainda que os métodos simplificados devam ser usados com reservas, apresenta-se ainda uma análise crítica dos resultados da amostra que precede recomendações para a utilização destes métodos em Portugal

Possibilidades de intervenção estrutural para mitigar o risco sísmico da Igreja do Mosteiro dos Jerónimos

De acordo com um diagnóstico previamente estabelecido, o comportamento dinâmico da Igreja do Mosteiro dos Jerónimos, para acções horizontais, é condicionado pelo comportamento dos pilares da nave que aparecem como os elementos mais vulneráveis [1]. Os resultados de simulações numéricas do comportamento sísmico da Igreja sugerem mesmo a possibilidade de colapso dos pilares para cenários de casualidade sísmica com períodos de retorno iguais ou superiores a 5000 anos. Os resultados para estes cenários sugerem também a eminência de colapso do campanário da torre Sul. Neste contexto, tendo presente o elevado valor patrimonial do monumento – Igreja do Mosteiro dos Jerónimos – apresentam-se neste trabalho um conjunto de possibilidades de intervenção estrutural, compatíveis com o valor arquitectónico da construção, com vista à melhoria do desempenho dinâmico e à mitigação do risco sísmico da Igreja. As soluções de intervenção propostas visam essencialmente a melhoria do desempenho sísmico dos pilares, pela incidência das vulnerabilidades detectadas no diagnóstico e pela sua importância na segurança global da nave da Igreja. Com base em resultados de ensaios de simulação numérica, discutem-se as vantagens e as desvantagens das diferentes estratégias de solução e indica-se aquela que conduz ao melhor desempenho dos pilares de forma a salvaguardar a integridade estrutural da Igreja para aqueles cenários sísmicos

Seismic safety assessment of the church of Monastery of Jerónimos, Portugal

Preservation of historical constructions with high cultural heritage value is an actual theme in modern societies as these constructions play an important role in the industry of tourism and culture, and consequently in the economy and in the image of countries and self-esteem of people. The seismic hazard of Portugal and, due to its vicinity, of the Mediterranean basin puts under potential risk of damage and collapse a high number of historical constructions, namely most of the old masonry constructions, particularly vulnerable to seismic actions. The seismic behaviour of the Church of Monastery of Jerónimos, Portugal, is discussed here with a numerical simulation, using artificial seismic acceleration time histories in agreement with three seismic hazard scenarios for 475, 975 and 5000 years return periods, allowing to assess its seismic safety

Monitoring of historical masonry structures with operational modal analysis: Two case studies

Two monuments in Portugal are being monitoring by the University of Minho: the Clock Tower of Mogadouro and the Church of Jerónimos Monastery, in Lisbon. Vibration sensors and temperature and relative air humidity sensors are installed in the two monuments. Operational modal analysis is being used to estimate the modal parameters, followed by statistical analysis to evaluate the environmental effects on the dynamic response. The aim is to explore damage assessment in masonry structures at an early stage by vibration signatures as a part of a heath monitoring process to preserve the historical constructions. The paper presents all the preceding dynamic analysis steps before the monitoring task, which includes the installation of the monitoring system, the system identification and subsequent FE model updating analysis, the automatic modal identification and the investigation of the influence of the environment on the identified modal parameters.(undefined

Towards a methodology for seismic assessment of monuments : the case study of Santa Maria of Belém Church

This paper presents an integrated methodology for the seismic behavior characterization of ancient masonry structures of significant cultural heritage importance, towards the mitigation of the seismic risk. The proposed methodology is here applied to an outstanding case study composed by the Santa Maria of Belem Church, in Lisbon, Portugal. This Church was built during the 16lh century and is included in the Monastery of Jeronimos compound, which is one of the most emblematic Portuguese monuments. The methodology includes the following main steps: local seismic action characterization including site effects; simple numerical modelling for a preliminary knowledge of the structural behaviour; experimental mechanical characterization of materials and structural elements; establishment and installation of static and dynamic monitoring systems aiming at a better understanding of the static and dynamic behaviour; development of advanced numerical models including the necessary calibration against relevant experimental data; non-linear dynamic analysis of the structure for different earthquake levels. According to the non-linear dynamic analyses performed in the time domain, the results obtained so far show that the monument will be under great stress against a far-field earthquake as strong as M = 7.4 (475 yrp), able to cause damage but neither local or global collapse are to be expected

Structural monitoring of the Monastery of Jerónimos

European-Indian Economic Cross Cultural Program - Contract ALA/95/23/2003/077-122