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- Nonlinear dynamic analysis for safety assessment of heritage buildings: church of Santa Maria de BelémPublication . Roque, João; Oliveira, Daniel V.; Ferreira, Tiago Miguel; Lourenço, Paulo B.Despite the remarkable longevity of heritage constructions, they typically present several structural fragilities inherent to their own material and constructive features. This fact is particularly relevant when seismic loads are concerned, because a very significant portion of such constructions lack adequate seismic resistance and require retrofitting interventions in order to mitigate their vulnerability. However, to guarantee the success of the interventions, the interventions should be carefully selected based on a full understanding of the dynamic response of the building and, particularly, its most vulnerable structural elements. Due to many reasons, the issues associated with this kind of analysis are still difficult to address; therefore, research on this subject should be encouraged. Taking this into account, the church of Santa Maria de Belém, one of the most emblematic buildings of the monastery of Jer´onimos complex in Lisbon, is used in this work as a case study to discuss the nonlinear dynamic response of cultural heritage buildings. The nonlinear dynamic behavior of the church was numerically simulated with a three-dimensional (3D) model using artificially generated seismic acceleration time histories, in agreement with seismic hazard scenarios for return periods of 475, 975, and 5,000 years. The dynamic response of the church is discussed and a comparison against results derived from a pushover analysis is also presented. Finally, a modal analysis is presented, estimating the damage level that would be present in the church after the occurrence of such seismic scenarios.
- Frequências próprias na direção vertical de pontes em arco de alvenaria a partir de medições expeditas in-situPublication . Dick, Anelise; Braz-César, Manuel; Roque, JoãoMasonry arch bridges are generally old structures with historical and patrimonial value built based on empirical rules for small traffic loads. Identification of the dynamic properties could be an important parameter to evaluate the response of such bridges to actual traffic loads and to update numerical models used to study its structural response. Thus, this paper presents a expedite method to determine vertical natural frequencies for a set of several masonry arch bridges located in Bragança district, Portugal. The dynamic properties were obtained through environmental vibration tests allowing to identify the dynamic properties in the frequency domain. The identification of the natural frequencies allowed the analysis of the influence of some geometrical parameters of the bridges and the relationship between these and the frequency range of the excitation source. Moreover, the database of the study can be used in future analysis to update FEM models of these structure.
- Dynamic response of mansory arch bridges using "IN-SITU" expedite measurementsPublication . Dick, Anelise; Braz-César, Manuel; Roque, JoãoThe present study is based on the determination of dynamic parameters, namely natural frequencies associated with vertical vibration modes for a set of thirty-three masonry arch bridges located in the Bragança district, Portugal. These parameters were obtained through environmental vibration tests performed “in situ” and the identification of the dynamic properties was performed in the frequency domain using the peak-peaking technique. The identification of the natural frequencies allowed the analysis of the influence of some geometrical parameters of the bridges and the relationship between these and the frequency range of the excitation source.
- Métodos simplificados na avaliação sísmica de edifícios históricosPublication . Roque, João; Lourenço, Paulo B.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.
- Structural monitoring of the Monastery of JerónimosPublication . Oliveira, Daniel V.; Ramos, Luis F.; Lourenço, Paulo B.; Roque, JoãoThe paper details two monitoring systems implemented in the main nave of Santa Maria of Belém Church of the Monastery of Jerónimos, in Lisbon. The monitoring systems were installed to better understand the static and dynamic behavior of the structure, aiming at the damage detection and the improvement of seismic resistance of the monument. Preliminary investigations, numerical non-linear analyses and the first dynamic modal identification analyses are described in the paper. Also the preliminary works for the monitoring systems are presented, including the points selected for observation, discussion of the sensors technical characteristics, as well as preliminary inspection and diagnosis. The first results of the dynamic monitoring system are shown and the future developments on the systems are presented, aiming at a full integration of all the adopted techniques. INTRODUCTION Architectural heritage is a key issue to modern societies due to both cultural and economical aspects. Besides the historical aspect, tourism and leisure will be a major industry in the 3rd millennium and the existence of a monument or a monumental compound is often a key attraction of cities and countries. In the process of preservation of ancient masonry structures, damage evaluation and monitoring procedures are particularly attractive, due to the modern context of minimum repair and observational methods, with iterative and step-by-step approaches. High-priority issues related to damage assessment and monitoring are global non-contact inspection techniques, improved sensor technology, data management, diagnostics (decision making and simulation), improved global dynamic (modal) analysis, self-diagnosing / self-healing materials and improved prediction of early degradation. The present paper aims at several of the referred issues and is focused in the structural observation of a Portuguese monument: the Santa Maria of Belém Church of the Monastery of Jerónimos, in Lisbon. In the main nave of the church two monitoring structural systems were recently installed in order to understand the static and dynamic structural behaviour with the purpose of damage detection and the improvement of seismic resistance of the monument. Preliminary investigations, numerical non-linear analysis and the first dynamic modal identification analysis are described. Also the preliminary works for the monitoring systems are presented, including the selected points for observation, the discussion of the technical characteristics of the sensors, as well as preliminary inspection and diagnosis. The first results of the dynamic monitoring system are shown and the future developments on the two systems are presented. GENERAL DESCRIPTION OF THE MONUMENT The Monastery of Jerónimos is, probably, the crown asset of Portuguese architectural heritage dating from the 16th century. The monumental compound has considerable dimensions in plan, more than 300×50 m2, and an average height of 20 m (50 m in the towers). The monastery evolves around two courts. The construction resisted well to the earthquake of November 1, 1755. Later, in December 1756, a new earthquake caused the collapse of one column of the church that supported the vaults of the nave, which resulted in the partial ruin of the nave. In this occasion also the vault of the high choir
- Caracterização mecânica de paredes antigas de alvenaria : um caso de estudo no centro histórico de BragançaPublication . Roque, João; Lourenço, Paulo B.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. Analisa-se e comentam-se os resultados da sua aplicação num edifício antigo, com paredes estruturais em alvenaria de pedra, inserido no Centro Histórico de Bragança.
- Possibilidade de intervenção estrutural para mitigar o risco sísmico da igreja do Mosteiro dos JerónimosPublication . Roque, João; Lourenço, Paulo B.; Oliveira, Daniel V.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.
- Identification of vertical frequency response of masonry arch bridges for numerical analysisPublication . Dick, Anelise; Braz-César, Manuel; Roque, JoãoMasonry arch bridges are generally old structures with historical and patrimonial value built based on empirical rules for small traffic loads. Identification of the dynamic properties could be an important parameter to evaluate the response of such bridges to actual traffic loads and to update numerical models used to study its structural response. Thus, this paper presents a expedite method to determine vertical natural frequencies for a set of several masonry arch bridges located in Bragança district, Portugal. The dynamic properties were obtained through environmental vibration tests allowing to identify the dynamic properties in the frequency domain. The identification of the natural frequencies allowed the analysis of the influence of some geometrical parameters of the bridges and the relationship between these and the frequency range of the excitation source. Moreover, the database of the study can be used in future analysis to update FEM models of these structure.
- Monitoring historical masonry structures with operational modal analysis: two case studiesPublication . Ramos, Luis F.; Marques, Leandro; Lourenço, Paulo B.; Roeck, G.; Costa, Alfredo Campos; Roque, JoãoThe paper addresses two complex case studies of modal and structural identification of monuments in Portugal: the ClockTower of Mogadouro and the Church of Jerónimos Monastery, in Lisbon. These are being monitored by University of Minho with vibration, temperature and relative air humidity sensors. 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 a nearly stage by vibration signatures, as a part of a health monitoring process that helps in the preservation of historical constructions. The paper presents the necessary preliminary dynamic analysis steps before the monitoring task, which includes installation of the monitoring system, system identification and subsequent FE model updating analysis, automatic modal identification and investigation of the Influence of the environment on the identified modal parameters.
- Metodologia integrada para avaliação e mitigação da vulnerabilidade sísmica das construções históricas em alvenaria : a Igreja dos Jerónimos como caso de estudoPublication . Roque, JoãoA 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 indústria 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.