Abstract
Preservation of architectural heritage is considered a fundamental issue in the cultural
life of modern societies. In addition to their historical interest, monuments significantly
contribute to the economy of cities and countries by providing key attractions. In this
context, structural damage identification at an early stage plays an important role for
heritage preservation.
Damage on masonry structures mainly relates to cracks, foundation settlements,
material degradation and displacements. When cracks occur, generally they are localized,
splitting the structures in macroblocks. Dynamic based methods to assess the damage are
an attractive tool to this type of structures because they are non-destructive methods and
are able to capture the global structural behavior.
Motivated by the above reasons, this thesis aims at exploring damage in masonry
structures at an early stage by vibration measurements. For this purpose, and after a state of
the art review, one arch and one wall model were constructed in the laboratory.
These replicates of historical constructions were built as reference, undamaged, state.
Afterwards, progressive damage was induced and sequential modal identification analysis
was performed at each damage stage, aiming at finding adequate correspondence between
dynamic behavior and internal crack growth. Comparisons between different techniques
based on vibrations measurements were made to evaluate which method is more adequate
to identify damage in masonry constructions. The dynamic based methods allowed
detecting and locating the damage in the specimens. The different methods were also
classified with respect to the damage identification level and a methodology based on the
combination of different methods is proposed for damage identification in masonry
structures.
In order to further apply the conclusions resulting from the analyses in the laboratory
tests to real case studies, two monuments in Portugal were also studied: the Clock Tower
of Mogadouro and the Church of Jerónimos Monastery, in Lisbon. Vibration sensors,
temperature sensors, relative air humidity sensors and wind sensors were installed in the
two monuments. Dynamic based analysis was used to estimate the modal parameters,
followed by statistical analysis to evaluate the environmental and loading effects on the
dynamic response. The aim is to use the dynamic based methods as a part of a health
monitoring approach to preserve the historical constructions. A relevant conclusion is that
environmental effects are very significant and, if not properly tackled, mask any dynamic
damage analysis.
Resumo
A preservação do património arquitectónico é actualmente um aspecto fundamental
das sociedades modernas. Para além do interesse histórico, ao criarem pontos de atracção
os monumentos contribuem significativamente para a economia das cidades e dos países.
Neste âmbito, a identificação de dano estrutural numa fase inicial torna-se muito
importante para a preservação do património.
O dano em estruturas de alvenaria caracteriza-se, essencialmente, pela ocorrência de
fendas, assentamento das fundações, degradação dos materiais e deformações excessivas.
Quando ocorrem fendas, normalmente elas são localizadas e dividem as estruturas em
macroblocos. Por serem métodos não-destrutivos e capazes de identificar o comportamento
estrutural global, os métodos de identificação de dano baseados na análise dinâmica são
muito atractivos para este tipo de estruturas.
Em função destas considerações, a presente tese tem como objectivo a identificação
de dano em estruturas de alvenaria ainda num estado muito inicial. Para esse fim e após
uma revisão do estado da arte, foram estudados em laboratório dois modelos à escala
reduzida, nomeadamente um arco e uma parede. Em ambos os modelos foram aplicados
cenários de dano progressivo. Para o estado inicial e para cada cenário de dano foram
realizadas identificações dinâmicas para estudar a relação entre a progressão do dano e a
variação da resposta dinâmica. Vários métodos de identificação de dano foram utilizados
com o intuito de avaliar qual ou quais métodos são mais adequados para a identificação de
dano em estruturas de alvenaria. A partir dos métodos dinâmicos foi possível identificar o
dano nos modelos. Os diferentes métodos foram ainda classificados de acordo com o nível
de identificação e uma metodologia de análise baseada na combinação de alguns métodos
foi proposta para identificar o dano em estruturas de alvenaria.
Tendo em vista aplicar em casos reais o conhecimento adquirido nos testes
laboratoriais, dois monumentos em Portugal foram estudados: a Torre do Relógio em
Mogadouro e a Igreja do Mosteiro dos Jerónimos em Lisboa. Foram instalados nos
monumentos sensores de vibração, temperatura, humidade, deformação e vento.
As propriedades modais das estruturas foram medidas experimentalmente e os efeitos dos
parâmetros ambientais foram avaliados por intermédio de uma análise estatística.
O objectivo final é possibilitar a utilização de métodos baseados na medição de vibrações
como parte do plano de monitorização e manutenção dos monumentos. Uma conclusão
relevante é que os parâmetros ambientais têm um efeito significativo na resposta dinâmica
da estruturas, sendo necessário avaliá-los convenientemente para ser possível a
identificação de dano.