Investigação sobre as patologias do Santuário de São Torcato. Relatório Final. Paulo B. Lourenço, Luís Ramos. Relatório 99-DEC/E-5

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1 Investigação sobre as patologias do Santuário de São Torcato. Relatório Final Paulo B. Lourenço, Luís Ramos Relatório 99-DEC/E-5 O presente trabalho foi realizado por solicitação de Irmandade de São Torcato Data: Dezembro 1999 Nº de páginas: 86 Palavras-chave: análise estrutural, modelação, patologias, fendilhação Departamento de Engenharia Civil Universidade do Minho Azurém, 4800 Guimarães - Tel Fax secg@eng.uminho.pt

2 O presente trabalho foi parcialmente financiado pelo Projecto de Investigação PRAXIS/P/ECM/13247/1998 da Fundação para a Ciência e Tecnologia.

3 ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO ENQUADRAMENTO HISTÓRICO A VILA DE S. TORCATO ANÁLISE ARQUITECTÓNICA PROCESSOS E HISTORIAL DE CONSTRUÇÃO DO MOSTEIRO LEVANTAMENTO E MONITORIZAÇÃO DAS ANOMALIAS LEVANTAMENTO DAS FENDAS MONITORIZAÇÃO DO MOVIMENTO DAS FENDAS LEVANTAMENTO DOS DESLOCAMENTOS MONITORIZAÇÃO DO MOVIMENTO DAS TORRES DESCRIÇÃO DAS CONDIÇÕES GEOTÉCNICAS ANÁLISE DOS RESULTADOS DA MONITORIZAÇÃO ANÁLISE ESTRUTURAL ANÁLISE PLANA DA FACHADA Análise Linear com a Aplicação Simultânea de Todas as Acções Análise Linear com a Aplicação Faseada das Acções Análise Não-Linear ANÁLISE TRIDIMENSIONAL DO EDIFÍCIO Análise Linear Sem Interacção Solo-Estrutura Análise Linear Com Interacção Solo-Estrutura Análise Não-Linear CONCLUSÕES ANEXO A. LEVANTAMENTO FOTOGRÁFICO DAS FENDAS A.1. FACHADA A.2. PAREDES LATERAIS A.3. CORO A.4. ARCOS DAS CAPELAS A.5. COBERTURA ANEXO B. RESULTADOS DA MONITORIZAÇÃO B.1. VALORES OBTIDOS NAS ESTAÇÕES DO CORO B.2. VALORES OBTIDOS NAS PAREDES LATERAIS B.3. VALORES OBTIDOS NAS ESTAÇÕES NA GALERIA B.4. VALORES OBTIDOS NOS PÊNDULOS DAS TORRES ANEXO C. RESULTADOS DA ANÁLISE ESTRUTURAL 3D C.1. RESULTADOS DA ANÁLISE LINEAR SEM INTERACÇÃO DO SOLO (DEFORMADA) C.2. RESULTADOS DA ANÁLISE LINEAR COM INTERACÇÃO SOLO-ESTRUTURA (DEFORMADA, TENSÕES PRINCIPAIS σ 1 E σ 3 ) C.3. RESULTADOS DA ANÁLISE LINEAR (TENSÕES PRINCIPAIS σ 1 E σ 3 ; EXTENSÕES PRINCIPAIS ε 1 ) ANEXO D. PEÇAS DESENHADAS i

4 1. INTRODUÇÃO O presente texto constitui o relatório final do estudo sobre as patologias do Santuário de São Torcato. Este estudo foi realizado a pedido da Irmandade de São Torcato, tendo sido iniciado em Para além deste capítulo introdutório, descreve-se, a seguir, o conteúdo dos restantes capítulos: O Capítulo 2 contém uma breve descrição da Vila de São Torcato e do seu Santuário, incluindo uma recolha fotográfica da construção do imóvel. O Capítulo 3 inclui o levantamento das anomalias apresentadas pela estrutura (fendas e deformações excessivas) e o levantamento topográfico do terreno, bem como os resultados da monitorização sobre a abertura de fendas seleccionadas e sobre o movimento das torres. O Capítulo 4 descreve brevemente as condições geotécnicas do terreno onde se encontra implantado o imóvel e apresenta as considerações teóricas que permitiram incluir o solo na modelação estrutural. O Capítulo 5 contém a análise dos resultados da monitorização da estrutura, em termos de aberturas de fendas e movimento das torres. O Capítulo 6 inclui a análise estrutural do imóvel, com interacção soloestrutura e comportamento não-linear do material, recorrendo a um modelo plano e a um modelo tridimensional. Efectua-se ainda uma comparação entre as patologias reais da estrutura (deslocamentos e fendas) e as patologias previstas pelo modelo. O Capítulo 7 apresenta as conclusões e recomendações deste estudo 1

5 2. ENQUADRAMENTO HISTÓRICO 2.1. A VILA DE S. TORCATO A Vila de S. Torcato situa-se a 7 km da Cidade de Guimarães, sendo uma localidade com importante relevo histórico e económico para a região. Com raízes muito antigas, a sua localização geográfica, desde sempre, proporcionou a fácil fixação da população que, em 1258 contabilizava 80 fogos e 440 habitantes, sendo uma grande população para a época. Actualmente S. Torcato tem fogos e habitantes, sendo recenseados 1. No sector agrícola, o Vale de S. Torcato é uma das mais significativas parcelas da região do Minho entre os rios Ave e Vizela, com enormes potencialidades para o cultivo do regadio, da vinha de meia encosta e de derivados industrializados. Na indústria, tem-se assistido a uma implantação crescente de empresas ligadas à área do calçado, vocacionadas principalmente para a exportação. O desenvolvimento foi complementado com um investimento na formação profissional nas áreas da cantaria, talha de madeira e técnicas de melhoramento agrícola. No plano do turismo, destaca-se um frondoso parque, com barcos de recreio num lago artificial, e a imponência do Santuário de São Torcato, cuja romaria atrai milhares de pessoas ver Figura 2.1. Figura 2.1 Planta da Vila de S. Torcato com a localização do imóvel em estudo A origem do nome da Vila é o primeiro mártir do Cristianismo Ibérico, S. Torcato, cujo corpo, interrupto à séculos, pode ser venerado no interior do templo em estudo ver Figura 2.2. De acordo com o Dicionário dos Santos 2, Torcato terá nascido em Toledo, filho de família aristocrática, nos tempos finais do reino visigótico na Península, e foi educado na escola da Catedral dessa cidade. Estudioso e sabedor, cedo foi feito arcipreste da Catedral de Toledo. Presente num concílio em Toledo, brilhou pela palavra e pelo conhecimento expresso. Foi bispo de Iria Flávia (Padrão), a seguir do Porto e, depois desse 2

6 concílio, assumiu o arcebispado de Braga, que vagara porque o seu arcebispo, Faustino, fora enviado para Sevilha. Foi mais tarde bispo de Dume. Por esse tempo, ter-se-á dado a grande invasão árabe da Península. Muça e os seus homens começaram a ocupar os territórios peninsulares e a destruir os focos de resistência cristã. Quando estes invasores chegaram às portas de Guimarães, Torcato e mais vinte e sete companheiros enfrentaramno a 26 de Fevereiro de 719 e Torcato exprobrou o general pelas crueldades e os morticínios feitos. Foram martirizados todos. Arremessados para um túmulo obscuro, ficaram sepultados largos séculos, até que um clarão celeste anunciou a presença das relíquias. Foi encontrado o corpo do Santo incorrupto ainda paramentado. Colocado num túmulo condigno, permaneceu numa capela. Figura 2.2 Corpo interrupto de S. Torcato dentro do templo Desde o achado do corpo de S. Torcato os seus devotos sempre procuraram encontrar um local apropriado para a edificação de um templo, propositadamente construído para a sua veneração. Primeiro, foi construída uma pequena capela ver Figura 2.3, contígua à igreja paroquial, onde era guardado o corpo do Santo num túmulo fechado. A partir de 1805 o corpo era mostrado aos fiéis apenas uma vez por ano, o que atraía ainda mais devotos. A Irmandade de S. Torcato viu-se pois, obrigada a construir um novo edifício mais amplo e adequado às necessidades. Foi então escolhido o local da devesa dos penedos Maria para a implementação do projecto do arquitecto alemão Bohnfledt 3 (1868), que sucedera ao projecto inicial do arquitecto vimaranense Barros Lima, com início da construção em Mais tarde, a Irmandade do Mosteiro resolveu novamente ajustar a sua topologia através do Arq. Marques da Silva (1894). A construção, iniciada em Oitocentos, atravessou todo o século XX e vai prosseguir para o novo século. O imponente templo ver Figura 2.3 (c) continua hoje a receber diariamente os seus fiéis, sendo um marco religioso importante para a região. Com mais de século de existência, a estrutura do templo apresenta um número considerável de anomalias, razão suficiente para a Irmandade de S. Torcato encomendar a elaboração do presente estudo à Universidade do Minho ANÁLISE ARQUITECTÓNICA O Mosteiro de S. Torcato situa-se no vale central da freguesia, desenvolvendo-se à sua volta todo o edificado da povoação. O templo de estilo híbrido 4, uma vez que apresenta uma variedade de elementos clássicos, góticos, renascentista e românticos, é todo construído em cantaria de pedra de granito da região. O gosto ecléctico, surge dentro do contexto da época, com predomínio de elementos decorativos neo-românicos. O conjunto de estilos exprime uma afirmação de autoridade e é o símbolo da imponência. A escala do templo é o reflexo dessa grandiosidade. 3

7 (a) (b) (c) Figura 2.3 Sucessivos templos de veneração: (a) capela edificada no local onde apareceu o Santo; (b) capela contígua à igreja paroquial; e (c) templo actual As suas dimensões, na globalidade, são consideráveis: nave central com m 2 e com uma altura até aos telhados de 26.5 m; transepto com m 2 ; e torres sineiras com m 2 e aproximadamente 50.0 m de altura. A fachada simétrica é constituída por duas torres esbeltas e um corpo central ver Figura 2.4 (a). As torres quadrangulares contêm janelas de dimensão considerável. Em cada torre desenvolve-se uma escadaria interior em cantaria de pedra, terminando numa laje que dá acesso aos sinos A finalização das torres é realizada por intermédio de pirâmides hexagonais, também em cantaria de pedra, onde se podem observar trabalhos de excelente decoração ornamental. No corpo central da fachada destacam-se, entre outros, uma rosácea com 2.2 m de diâmetro e, por cima desta, uma balaustrada / galeria a ligar as torres. Em planta, o templo tem a forma típica da cruz latina ver Figura 2.4 (c). A nave central é constituída por abóbadas de arco perfeito, que se desenvolvem ao longo do eixo principal. Estas são apoiadas nas paredes laterais e em arcos transversais que, por sua vez, descarregam para as colunas laterais. A abóbada, que pode ser classificada como do tipo abóbada de mestre com arcos dobrados ou mestres, apresenta uma decoração despida apenas assente sobre os arcos do transepto. Este último apresenta igual topologia. O altar-mor apresenta-se como o ponto de centralidade do edifício, pretendendo ser o local onde confluem todas as atenções, sendo deste ponto que se ergue a cúpula. O coro, elemento de estilo Gótico, encontra-se sobre a entrada do Templo e prolonga-se até uma colunata dupla, tendo uma altura de aproximadamente 8.7 m e possuindo uma balaustrada que permite a visualização da nave. 4

8 0.0m 10.0m (a) (b) (c) Figura 2.4 Peças desenhadas: (a) fachada; (b) alçado lateral direito; e (c) planta 2.3. PROCESSOS E HISTORIAL DE CONSTRUÇÃO DO MOSTEIRO A primeira edificação a ser construída foi uma capela-mor, finalizada em 1855, onde desde 1852 já era possível venerar o corpo do mártir. Porém, esta capela não agradou aos devotos que, em 1871, optaram por construir outro templo, sendo voz corrente que, para realização do templo actual, se utilizaram apenas os alicerces da pequena capela existente. A parte esquerda do transepto foi a primeira a ser levantada até à altura das portas, seguindo-se as paredes laterais e torres até ao nível das portas interiores das mesmas. A fase seguinte foi a elevação do lado direito transepto. A última fase iniciou-se em Uma torre provisória tinha sido já construída em 1857, mas foi em 1877 que recebeu 14 sinos. Em 1895 o Arq. Marques da Silva toma posse da direcção da obra, alterando alguns pormenores decorativos e acrescentando um cúpula no cruzamento da nave com o transepto. Mais tarde, em 1910, a nave do templo encontrava-se praticamente acabada, faltando ainda levantar as torres sineiras e completar o transepto, o que viria a ocorrer nas décadas de 50 e 60 ver Figura

9 (a) (b) (c) (d) Figura 2.5 Fases de construção: (a) pormenor dos pilares dos arcos da nave central; (b) finalização das paredes laterais; (c) construção da balaustrada na fachada;e (d) acabamento do lintel da fachada e o arranque para a construção da primeira torre A construção do Templo esteve parada mais de 50 anos. A Irmandade de S. Torcato retomou o processo de construção ver Figura 2.6, conseguindo do Estado apoios financeiros para a revitalização da arte da cantaria, com a criação, em 1982, de uma Escola de Formação Profissional. As obras têm prosseguido, encontrando-se em construção a cobertura da capela-mor, que se erguerá 18 metros acima do nível do telhado do Templo, prevendo-se também a construção duma cúpula sobre o altar principal, constituída por gomos de betão armado pré-fabricado. Toda a estrutura existente é construída em cantaria de granito da região, exceptuando os telhados que são construídos em madeira. Nela se podem observar excelentes pormenores técnicos de execução e aparelhamento das pedras. Destacam-se aqui as escadarias das torres junto dos vãos, que foram construídas de forma a que cada degrau se apoie no seu antecessor, sem que exista qualquer apoio lateral, sendo o conjunto apoiando em patamares encastrados ver Figura 2.7. As espessuras das paredes de cantaria na fachada variam de 2.47 m ao nível do pavimento até 1.72 m na parte do coro. Nas torres a espessura média é de 1.45 m, constante em todo o seu desenvolvimento em altura. As paredes laterais da nave apresentam cerca de 1.35 m de espessura enquanto que as paredes do transepto apresentam cerca de 1.60 m. As abóbadas são em arco perfeito, com cerca de 1.0 m de espessura, considerando o recobrimento de betão realizado recentemente. 6

10 (a) (b) (c) (d) (f) Figura 2.6 Fases de construção: (a) finalização da primeira torre; (b) acabamento da segunda torre; (c) interior do altar-mor para o arranque da cúpula; (d) construção da cúpula; e (f) pormenor da capela mor, ainda sem cobertura (a) Figura 2.7 Escadaria da torre: (a) lanço sobre um vão; e (b) pormenor estrutural de um lanço 7 (b)

11 1 Instituto Nacional de Estatística, Censos de J.C. Tavares, Dicionário dos Santos, Lello & Irmão Editores 3 Segundo o Guia de Portugal da Fundação Calouste de Gulbenkian (1993) 4 Segundo o Guia de Portugal da Fundação Calouste de Gulbenkian (1993) 8

12 3. LEVANTAMENTO E MONITORIZAÇÃO DAS ANOMALIAS As anomalias que a estrutura apresenta incluem fendas localizadas na fachada principal, no coro e paredes laterais, bem como, deslocamentos significativos das torres e dos arcos da nave. Para o levantamento das anomalias utilizou-se uma estação total, um teodolito óptico, uma fita métrica, um distanciómetro laser, um termómetro, um medidor de fendas, uma escala de fendas e uma máquina fotográfica digital. O Anexo A apresenta a documentação fotográfica completa das fendas LEVANTAMENTO DAS FENDAS A estrutura actualmente apresenta um série de fendas com dimensões significativas na fachada, coro e nos arcos das capelas. Não é possível saber a data do seu aparecimento, contudo, em algumas fendas, existem tentos de gesso datados de 1976, sendo razoável admitir que se trata de um fenómeno que tem ocorrido de forma diferida. Na fachada principal pode-se observar uma grande fenda que, em alguns locais do seu desenvolvimento, atinge uma abertura superior a 50 mm. A fenda tem origem no arco da porta principal, desenvolvendo-se na vertical para a rosácea, continuando depois na direcção oblíqua e atravessando a galeria exterior ver Figura 3.1. (b) (c) E10 E11 E12 E13 E14 Abertura máxima entre 0 e 5mm Abertura máxima entre 5 e 10mm Abertura máxima entre 10 e 30mm Abertura máxima superior a 30mm E1 Estação de leitura N.º1 0.0m Alçado Principal 10.0m (a) Figura 3.1 Fendas visíveis da fachada: (a) Representação das fendas; (b) vista da fenda principal na galeria; (c) fenda principal na zona da rosácea; e (c) fenda principal na porta central 9 (d)

13 Dentro da galeria observam-se também um conjunto de cinco fendas, todas verticais, situadas da parte esquerda da mesma, com aberturas máximas de 5 mm e espaçamento igual a 1.0 m, aproximadamente. No coro constata-se o prolongamento da maior fenda da fachada principal. Para além de percorrer a parte interior da parede exterior, a fenda também se desenvolve na direcção perpendicular à fachada, atravessando o arco do coro até à balaustrada ver Figura 3.2. Na balaustrada identificam-se três fendas verticais, localizadas aos quartos do vão. Na Figura 3.2 representam-se ainda a localização das estações de leitura da largura de fendas E1 a E5. E5 E1 E4 E2 E3 Abertura máxima entre 0 e 5mm Abertura máxima entre 5 e 10mm Abertura máxima entre 10 e 30mm Abertura máxima superior a 30mm E1 Estação de leitura N.º1 (a) 0.0m 10.0m (b) (c) (d) (e) Figura 3.2 Fendas do coro: (a) planta do coro com a localização das fendas; (b) vista do coro da grande fenda da fachada interior; (c) desenvolvimento da fenda desde a parede exterior pelo pavimento do coro; (d) desenvolvimento da mesma fenda até à estação E1; e (e) desenvolvimento da fenda até à estação E3 Em cada arco da primeira capela existem fendas perpendiculares às paredes laterais, que dividem os arcos. Estas fendas com uma dimensão máxima de 20 mm ver Figura 3.3, progridem para a zona da cobertura, onde as paredes laterais apresentam também quatro fendas, duas em cada parede lateral e sobre aos arcos da primeira e terceira capela, com abertura máxima entre 5 a 10 mm e com direcção vertical. 10

14 (a) (b) Figura 3.3 Fendas dos arcos da primeira capela: (a) arco lateral esquerdo; e (b) arco lateral direito A fendilhação que a estrutura apresenta está registada e classificada, detalhadamente, nos Desenhos nº 1 a 10, apresentados no Anexo D MONITORIZAÇÃO DO MOVIMENTO DAS FENDAS Desde Maio de 1998 que a estrutura do santuário se encontra monitorizada. Inicialmente, foram colocados tentos de gesso para determinar as fendas activas, tenso sido seleccionadas catorze fendas activas, com abertura significativa e presentes em locais de acesso conveniente. Nestas fendas foi colada uma estação de leitura, formada por um conjunto de placas que, através de um medidor de fendas, permite determinar a variação da sua abertura na direcção normal e transversal ver Figura 3.4. Para além da variação da dimensão da fenda, também é registada a temperatura da estrutura no local da fendas. Na Tabela 3.1, Tabela 3.2 e Tabela 3.3 apresentam-se as leituras mensais realizadas em todas as estações de leitura. Na Tabela 3.4 e Tabela 3.5 apresentam-se ainda as leituras diárias realizadas nas estações de leitura E1 a E5 e E9 a E14, com o objectivo de demonstrar os efeitos da temperatura / amplitude de movimentos diários sobre as estações com movimentos mais significativos. A identificação completa das estações de leitura está indicada nos Desenhos nº 2 a 4, apresentados no Anexo D. (a) (b) (c) Figura 3.4 Monitorização de fendas: (a) placas dispostas em triângulo destinadas à leitura na estação E1; (b) medidor de fendas; e (c) termómetro de vareta 11

15 Tabela 3.1 Leituras das Estações E1 a E3 (balaustrada do coro) e E4 a E5 (face interior da parede da fachada principal) DATA Estação E1 Estação E2 Estação E3 Estação E4 Estação E5 H D T H D T H D T H D T H D T mm ºC mm ºC mm ºC Mm ºC mm ºC Tabela 3.2 Leituras das estações E6 a E9 (paredes transversais) e E10 (galeria) DATA Estação E6 Estação E7 Estação E8 Estação E9 Estação E10 H D T H D T H D T H D T H D T mm ºC mm ºC Mm ºC mm ºC mm ºC

16 Tabela 3.3 Leituras das estações E11 a E14 (galeria) DATA Estação E11 Estação E12 Estação E13 Estação E14 H D T H D T H D T H D T mm ºC mm ºC mm ºC mm ºC ,4* Tabela 3.4 Leituras diária das estações E1 a E3 (balaustrada do coro) e E4 a E5 (face interior da parede da fachada principal) HORA Estação E1 Estação E2 Estação E3 Estação E4 Estação E5 H D T H D T H D T H D T H D T mm ºC mm ºC mm ºC Mm ºC mm ºC 7: : : : : : : : : : : : Tabela 3.5 Leituras diária das estações E9 (paredes transversais) e E10 a E14(galeria) HORA Estação E9 Estação E10 Estação E11 Estação E12 Estação E13 Estação E14 H D T H D T H D T H D T H D T H D T mm ºC mm ºC mm ºC mm ºC mm ºC mm ºC 7: : : : : : : : : : : :

17 3.3. LEVANTAMENTO DOS DESLOCAMENTOS Recorrendo a um teodolito óptico foi possível medir os deslocamentos das torres sineiras e dos arcos da nave. Através dos gráficos representado na Figura 3.5 verifica-se que ambas as torres têm deslocamentos transversais na mesma direcção, com inclinações da ordem dos rad para a torre esquerda e de rad para a torre direita. Torre Esquerda Torre Direita Altura (m) Altura (m) , , , , , , , , , m 10.0m Alçado Principal -0,07-0,06-0,05-0,04-0,03-0,02-0,01 0,00 0,01 Deslocamento transversal (m) Deslocamento transversal (m) (a) (b) (c) Figura 3.5 Deslocamentos das torres sineiras: (a) torre esquerda; (b) localização dos pontos observados; e (c) torre direita Os arcos da nave central apresentam todos eles deslocamentos consideráveis ver Figura 3.6. Aqui a designação dos arcos inicia-se com o Arco 1, do lado do coro, até ao Arco 4, do lado do transepto. Os deslocamentos horizontais do arco representam os deslocamentos perpendiculares ao seu desenvolvimento em planta. Os valores elevados apresentados (na ordem dos m) não têm qualquer significado e representam apenas a variação da geometria das medições em planta, da base da coluna à chave do arco. Os deslocamentos horizontais apenas do arco (pontos acima da cota de 14 m) são praticamente nulos em todos os arcos, excepto no Arco 4, que apresenta um empenamento claro em planta com um diferencial de 0.05 m. Os deslocamentos verticais são caracterizadas por um desnível entre os pontos mais elevados do primeiro e quarto arco da nave, de 0.20 m. Também se verifica que, ao nível da base esquerda dos arcos, existe um desnível de 0.09 m. Este desnível foi comprovado com um levantamento do pavimento da nave e transepto recorrendo a uma estação total, cujos resultados estão indicados no Desenho nº 11 do Anexo D. Este levantamento confirma que o pavimento possui um desnível de 0.09 m, do transepto para as torres ver Figura

18 Arco 1 deslocamento vertical x Arco 2 deslocamento vertical x x z x Arco 1 deslocamento horizontal Arco 2 deslocamento horizontal Arco 3 deslocamento vertical x x z Arco 4 deslocamento vertical x x Arco3 deslocamento horizontal Arco 4 deslocamento horizontal Figura 3.6 Levantamento geométrico dos arcos (o Arco 1 representa o arco do lado do coro e o Arco 4 representa o arco do lado do transepto) 15

19 0.0 cm Perfil do pavimento sobre a linha de maior declive -0.3 cm 0.0 cm cm cm cm cm cm cm cm Planta ao nível do pavimento Figura 3.7 Levantamento do pavimento da nave central e transepto 3.4. MONITORIZAÇÃO DO MOVIMENTO DAS TORRES As torres sineiras também se encontram monitorizadas através da aplicação de dois clinómetros, um em cada torre ver Figura 3.8. Os clinómetros são formados por pêndulos que foram fixados sob a laje que dá acesso aos sinos e estão mergulhados num balde com um líquido viscoso. As leituras são efectuadas ao nível do início da escadaria. Os pêndulos têm, aproximadamente, uma altura de 28.0 m, o que proporciona um rigor na leitura da inclinação das torres da ordem dos rad, ver também o Desenho nº 7 no Anexo D. Na Tabela 3.6 apresentam-se as leituras mensais realizadas nos dois pêndulos. 16

20 (b) h rad E1 E2 E3 d 0.0m 10.0m Corte AA' (a) (c) Figura 3.8 Pêndulos: (a) localização dos pêndulos; (b) balde onde está mergulhado o peso do pêndulo; e (c) esquema de leitura Tabela 3.6 Leituras mensal dos pêndulos DATA Pêndulo da torre Pêndulo da torre Direita h = m H T H T esquerda h = m cm cm 24-Apr ,3(2) 15-May Jun Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Mar May Jul Sep Oct Nov

21 4. DESCRIÇÃO DAS CONDIÇÕES GEOTÉCNICAS Para representar as características de resistência e de deformabilidade do solo de fundação procedeu-se à realização de uma prospecção geotécnica, que incluiu trinta e um ensaios com penetrómetros dinâmicos pesados (PDP), quatro sondagens contínuas (SC), através da introdução no terreno de tubos metálicos com cerca de 1 m de comprimento contendo no interior tubos plásticos para a recolha de amostras, e dois poços de reconhecimento (PC), junto de cada torre ver Figura 4.1. As informações detalhadas sobre a prospecção geotécnica encontram-se num relatório anterior Penetrómetro dinâmico pesado Sondagem contínua Poço 10.0 m Pdp26 Pdp27 1,1 m 1,5 m 1,3 m Pdp28 Pdp25 Pdp24 Pdp23 Pdp22 Pdp29 Pdp21 Pdp30 Pdp20 Pdp14 Pdp19 Pdp18 Pdp10 Pdp1 Pdp13 Sc1 Pdp2 Sc2 Pc1 Sc3 Pdp3 Pdp4 Pdp15 Pdp5 Pdp6 Pdp12 Pdp9 Pdp11 Pdp8 Pc2 Sc4 Pdp7 Pdp31 Pdp16 Pdp17 Figura 4.1 Representação dos ensaios e sondagens realizados Devido ao aparecimento do firme do terreno (admitiu-se como nega o valor das 120 pancadas), os ensaios PDP foram terminados a maiores profundidades na zona da fachada principal e torres, cerca de 7.0 a 8.0 m de profundidade, e a menores profundidades na zona do transepto e altar-mor, cerca de 4.0 m de profundidade. A combinação dos ensaios PDP e das sondagens contínuas permitiu representar os perfis geotécnicos do solo ver Figura 4.2 e Figura 4.3. Salienta-se que, na proximidade das torres, se identificou a presença de camadas de aterro e solo vegetal, com valores extraordinariamente baixos de resistência mecânica. Na Figura 4.3 é possível observar camadas com solo vegetal posicionadas a diferentes profundidades. 18

22 Aterro heterogéneo de saibro granítico com solo vegetal à mistura Aterro de saibro granítico Solo vegetal Saibro granítico não coesivo Saibro granítico de grão grosso natural Bedrock 0.0m 10.0m Figura 4.2 Perfil geotécnico longitudinal 19

23 Aterro heterogéneo de saibro granítico com solo vegetal à mistura Aterro de saibro granítico Solo vegetal Saibro granítico não coesivo natural Bedrock 0.0m 10.0m Figura 4.3 Perfil geotécnico sob as torres Conclui-se que o Santuário se encontra implantado numa sobrelevação do terreno, com recurso a materiais de aterro, o que justifica a não detecção da profundidade do nível freático na prospecção realizada. Os poços de reconhecimento foram realizados com o objectivo de determinar a profundidade das fundações das torres e caracterizar a sua constituição. Devido à fraca qualidade do terreno de fundação apenas foi possível atingir as profundidades de 2.1 m para o Pc1 e 2.8 m para o Pc2, com o equipamento disponibilizado pela Irmandade de São Torcato, não tendo sido possível localizar a base das fundações ver Figura 4.4. As fundações das torres são constituídas por blocos de granito aparelhados de grandes dimensões. Desta forma, apenas é possível concluir que as torres se encontram fundadas a uma profundidade superior a 2.8 m, não tendo sido possível verificar se as mesmas se encontram fundadas em saibro não coesivo, em saibro de grão grosso natural ou no firme. Atendendo à prática de construção de fundações da época, será razoável admitir que a fundação se encontra ao nível superior do saibro de grão grosso natural, a uma profundidade média de 3.5 a 4.0 m. 20

24 Poço Pc1 Profundidade da fundação desconhecida (superior a 2.8 m). Fundação em cantaria de granito de grandes dimensões Poço Pc2 Figura 4.4 Caracterização das fundações das torres por inspecção dos poços Pc1 e Pc2 Atendendo à heterogeneidade do solo, a sua caracterização em termos de resistência e de deformabilidade, tendo em vista a análise estrutural, é relativamente complexa. Por outro lado, para a profundidade esperada das fundações, a realização de ensaios de placa ao nível das fundações teria custos incomportáveis para o presente estudo. Desta forma, adoptaram-se os resultados da resistência de ponta, obtida nos ensaios de PDP, para a determinação do módulo de elasticidade do meio. Para informações adicionais sobre a teoria e correlações utilizadas recomenda-se a consulta de referência 2. Admitindo que o solo é homogéneo, elástico e isotrópico e que as fundações têm um comportamento similar ao de uma sapata contínua, o assentamento vertical num ponto de fundação rectangular, provocado pela aplicação de uma pressão, resulta na seguinte expressão: 2 1 ν δ = pi b I s, ( 4.1 ) E v em que: δ - é o assentamento vertical; p i - é a pressão de contacto considerada como uniformemente distribuída; b - é o menor desenvolvimento da fundação em planta; ν - é o coeficiente de Poisson do solo; E v - é o módulo de elasticidade vertical do solo; I s - é o factor de influência que depende da forma e rigidez da fundação, do ponto da laje onde se está a calcular o assentamento e o meio ou tipo de maciço envolvente. Em seguida apresenta-se a forma da constante de reacção elástica vertical do solo, K v, associada ao deslocamento vertical da sapata, normalmente designado por coeficiente de Winkler, que será utilizada no Capítulo 6. Para um elemento genérico i ver Figura 4.5 assente num meio elástico, que sofre um assentamento de valor y i, a reacção sobre o elemento p i é directamente proporcional à rigidez da mola: p i = K v yi, com v K em 3 KNm. ( 4.2 ) 21

25 (a) (b) Figura 4.5 Elemento estrutural apoiado sobre molas: (a) modelo tridimensional; (b) determinação de K v Admitindo um assentamento vertical δ da laje de fundação uniforme, obtém-seδ igual a y i, 1 ν p 2 i δ = p i b I s = yi =. ( 4.3 ) Es Kv Desta igualdade, resulta o coeficiente de Winkler, dado pela expressão: K v = E ( b I KNm s 2 ( 1 ν ) s K v, (rigidez vertical do solo), 3 ), ( 4.4 ) onde os factores de influência I s são obtidos da Tabela 4.1. Tabela 4.1 Valores de I s para o centro de sapatas sobre um meio elástico com fronteira rígida à profundidade H. H B Círculo Diâmetro =B Rectângulo LB= 1 LB= 15. LB= 2 LB= 3 LB= 5 LB= Adoptando a relação usual entre o módulo de elasticidade longitudinal e transversal, Ev E h =, ( 4.5 ) 2 ( 1+ν ) obtém-se para o coeficiente de Winkler horizontal K h, a expressão 22

26 Kv K h =. ( 4.6 ) 2 ( 1+ν ) Em face da prospecção geotécnica realizada, recorrendo a Penetrómetros Dinâmicos Pesados (PDP), e atendendo a que os resultados apontavam para um solo de baixa resistência, considerou-se que o módulo de elasticidade poderia ser estimado a partir da seguinte expressão 3 : Rpi i= 1 ES = α n ( MPa), ( 4.7 ) em que α = 2.5; R pi Resistência de ponta da amostra i; n número de amostras. n 1 Relatório de prospecção geotécnica junto ao Santuário de S. Torcato, Processo LEC 79/97, Laboratório de Engenharia Civil da Universidade do Minho, Guimarães (1999) 2 Bowles, J.E., Foundation analysis and design, 4 th Ed., Mc-Graw Hill (1988) 3 Folque, J., Caracterização de maciços terrosos por ensaios in situ, Seminário nº 276, Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa (1982) 23

27 5. ANÁLISE DOS RESULTADOS DA MONITORIZAÇÃO É um facto conhecido que as variações de temperatura conduzem a movimentos significativos nas estruturas. Para a análise dos resultados da monitorização desta estrutura, a temperatura conduz a resultados cíclicos (com período de um ano) que se adicionam ou subtraem a um eventual movimento contínuo da estrutura, provocado por assentamentos das fundações e / ou patologias estruturais (fendas e esmagamento). Deste modo, a análise do movimento contínuo da estrutura é particularmente complexa. A monitorização efectuada da estrutura é manifestamente insuficiente para permitir uma análise completa dos resultados pelas seguintes razões: O número de valores das medições é pouco significativo (18 medições); O número de ciclos das medições é pouco significativo (1 ½ ciclos), entendendo-se como ciclo o período de um ano, a que estão associadas variações significativas dos valores por acção da temperatura e exposição solar. Para permitir obter resultados fiáveis do ponto de vista estatístico, com aplicação de séries temporais, seria conveniente dispor de uma amostra com, pelo menos, cerca de 30 valores e 3 ciclos. A Universidade do Minho pretende continuar a proceder a estas medições, sujeitas a aprovação pela Irmandade de São Torcato. Desta forma, e nesta fase, as conclusões expressas neste capítulo deverão ser encaradas com muita reserva, podendo inclusivamente, estar incorrectas. Para tentar corrigir os resultados em função da variação da temperatura, procedeuse a uma monitorização contínua durante um dia do movimento de estações seleccionadas, ver Capítulo 3. A utilização de uma constante de correcção dos efeitos da temperatura, baseada nesta medição diária, conduziu a resultados incoerentes pelo que não é possível utilizar-se. É razoável admitir que a correcção dos dados depende não apenas da temperatura local diária mas de toda a inércia térmica da estrutura, a que corresponde uma variação de temperatura sazonal. No Anexo B, apresentam-se gráficos com os resultados das leituras mensais dos movimentos e temperaturas, em todas as estações e nos dois pêndulos, sendo possível extrair as seguintes conclusões: As estações E1 a E3 (balaustrada do coro) apresentam movimentos muito pouco significativos, respectivamente amplitudes de movimento máximas de 0.2, 0.35 e 0.5 mm. No ciclo de verão integrado no estudo, a estação E3 acusou movimentos de abertura ligeiros, enquanto que as estações E1 e E2 acusaram movimentos de fecho ligeiros. As estações E4 e E5 (parede da fachada principal interior) apresentam movimentos significativos (amplitudes na ordem do 1 mm) ver Figura 5.1. A diferença entre os valores máximos de verão (Junho de 99 para Julho de 98) é de 0.09 mm/ano e 0.05 mm/ano, o que parece indiciar um movimento continuado de abertura das fendas da fachada principal, correspondendo a um afastamento das torres, a que deverá estar associado o colapso da abóbada da nave central. 24

28 Variação da Abertura da Fenda da estação E4 Variação mm 0,750 0,500 0,250 0,000-0,250-0,500-0,750 M-98 A-98 M-98 J-98 J-98 A-98 S-98 O-98 N-98 D-98 J-99 F-99 M-99 A-99 M-99 J-99 J-99 A-99 S-99 O-99 N-99 D-99 (a1) Tempo Variação horizontal Variação vertical Variação da Temperatura na Fenda da Estação E4 Temperatura ºC M-98 A-98 M-98 J-98 J-98 A-98 S-98 O-98 N-98 D-98 J-99 F-99 M-99 A-99 M-99 J-99 J-99 A-99 S-99 O-99 N-99 D-99 (a2) Tempo Variação da Abertura da Fenda da estação E5 Variação mm 0,600 0,400 0,200 0,000-0,200 M-98 A-98 M-98 J-98 J-98 A-98 S-98 O-98 N-98 D-98 J-99 F-99 M-99 A-99 M-99 J-99 J-99 A-99 S-99 O-99 N-99 D-99-0,400-0,600 Tempo (b1) Variação horizontal Variação vertical Variação da Temperatura na Fenda da Estação E5 Temperatura ºC M-98 A-98 M-98 J-98 J-98 A-98 S-98 O-98 N-98 D-98 J-99 F-99 M-99 A-99 M-99 J-99 J-99 A-99 S-99 O-99 N-99 D-99 (b2) 25 Tempo Figura 5.1 Variação da abertura das fendas e da temperatura: (a1,a2) estação E4 e (b1,b2) estação E5

29 As estações E6 a E8 (paredes laterais ao nível da cobertura interior) apresentam movimentos diferenciados, com as seguintes diferenças entre os valores máximos de verão (Junho de 99 para Julho de 98), 0.13 mm/ano, 0.07 mm/ano, 0.02 mm/ano e 0.11 mm/ano, respectivamente para E6, E7, E8 e E9. Salienta-se ainda que E8 possui amplitudes de movimento superiores a 1 mm ver Figura 5.2. É provável que as amplitudes de movimentos medidas incluam a influência negativa da elevada amplitude térmica na zona da cobertura (que atinge valores superiores a 20º C entre o verão e inverno). Os movimentos das estações E6 e E9 parecem ser preocupantes, correspondendo a assentamentos continuadas das torres, que conduzem a fendilhação das paredes transversais. Variação da Abertura da Fenda da estação E8 Variação mm 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000-0,100-0,200-0,300-0,400-0,500-0,600 M-98 A-98 M-98 J-98 J-98 A-98 S-98 O-98 N-98 D-98 J-99 F-99 M-99 A-99 M-99 J-99 J-99 A-99 S-99 O-99 N-99 D-99 (a) Tempo Variação da Temperatura na Fenda da Estação E8 Variação horizontal Variação vertical 30,0 25,0 Temperatura ºC 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 M-98 A-98 M-98 J-98 J-98 A-98 S-98 O-98 N-98 D-98 J-99 F-99 M-99 A-99 M-99 J-99 J-99 A-99 S-99 O-99 N-99 D-99 Tempo (b) Figura 5.2 Variação da (a) abertura das fendas e (b) da temperatura para a estação E8 Os valores das estações na galeria exterior (E10 a E14) são os que apresentam resultados de mais difícil análise. Julga-se que o facto da parede estar exposta directamente à radiação solar contribui significativamente para a irregularidade nos resultados. De qualquer forma parece ser possível concluir que as fendas associadas à estação E10, E13 e E14 estão a fechar, 26

30 enquanto que as fendas associadas às estações E11 e E12 estão a abrir, resultando um saldo total aproximadamente nulo. Os valores medidos nos pêndulos ver Figura 5.3 parecem comprovar também o afastamento entre as duas torres e o aumento da inclinação para a frente da fachada para dois anos consecutivos (exemplo posições 1 para 14, 5 para 17, ou 9 para 19), na ordem do 1 mm / comprimento do cabo, i.e rad. É de realçar que a torre direita possui oscilações substancialmente superiores à torre esquerda. Finalmente, salienta-se que a precisão de leitura ( rad) deveria ser mais elevada de forma a permitir leituras mais correctas. Leitura N.º DATA 1 24-Apr May Jun Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jul Sep Oct Nov-99 y Pêndulo da torre direita x 0.0 m 10.0 m Pêndulo da torre esquerda Planta ao nível do coro Variação em yy' (mm) 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0-1,5 Variação da Posição do Pêndulo da Torre Direita ;9 7 2;11-4,5-4,0-3,5-3,0-2,5-2,0-1,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 Variação em xx' (mm) 12 3;1 6 17; ,50 1,00 0,50 0,00 Variação da Posição do Pêndulo da Torre Esquerda 1 11;12; 14;15 10;19 9;13 3; -0,50 6 1;17; -1, ;4 5;16-1,50-1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 Variação em xx' (mm) 8 7 (a) (b) Figura 5.3 Variação da posição dos pêndulos da (a) torre direita e (b) torre esquerda 27

31 6. ANÁLISE ESTRUTURAL Tendo em vista a correcta análise e justificação das patologias apresentadas pela estrutura, recorreu-se a dois tipos de modelação distintas: uma modelação plana da fachada e uma modelação tridimensional de toda a nave (a zona do transepto, construída numa fase posterior em betão armado encontra-se desligada da nave pelo que não é necessário considerá-la na análise). Estas modelações recorrem ao método dos elementos finitos, tendose admitido comportamento linear e não-linear dos materiais. A estrutura é sujeita predominantemente a acções verticais, considerando-se a interacção solo-estrutura ANÁLISE PLANA DA FACHADA Para a análise plana da fachada considerou-se a modelação da fachada, da zona das torres e de toda a zona resistente posterior até uma distância de m, ponto de cota máxima do arco da primeira capela, recorrendo a elementos de estado plano de tensão. Desta forma, as espessuras admitidas para a estrutura são as representadas na Figura 6.1. Figura 6.1 Esquema das espessuras adoptadas para a modelação da fachada com elementos de estado plano de tensão (vista posterior da fachada) As propriedades mecânicas lineares que se adoptaram para o material foram: módulo de elasticidade E igual a 15 GPa (valor médio de forma a simular uma parede composta de cantaria de granito) e um coeficiente de Poisson ν igual a 0.2. Para o peso específico γ, adoptou-se um valor de 25 kn/m 3. Como acções (de carácter permanente) considerou-se: O peso próprio da estrutura; 28

32 O peso da cobertura piramidal telhada (587 kn), simulada em cada torre e por cada parede através de uma carga vertical uniformemente distribuída de kn/m e por um impulso horizontal de 2.84kN/m; O peso da laje em betão armado que serve de pavimento para o patamar onde se encontram os sinos (259.2 kn), novamente simulada por intermédio de uma carga vertical uniformemente distribuída de 9.0 kn/m, em cada parede; O peso da cobertura da nave, constituída por asnas de madeira, madres, ripas e telhas de marselha, simulada através de uma carga vertical e uniforme, com valor de 6.5 kn/m, distribuída na largura da zona central da fachada; Devido ao desconhecimento do peso do conjunto dos sinos, optou-se por admitir uma acção vertical adicional ao nível da laje de 2.0 kn/m 2, simulada por uma acção uniformemente distribuída de 3.6 kn/m em cada parede. Para informações detalhadas sobre a determinação das características de resistência e de deformabilidade do solo de fundação ver Capítulo 4. Nos poços realizados junto de cada torre, tendo em vista verificar a profundidade das fundações, apenas foi possível atingir uma profundidade mínima de 2.0 m. Deste modo e neste modelo bidimensional, optou-se por modelar as paredes em alvenaria das fundações até à profundidade de 2.0 m ver Figura 6.1. Os apoios da estrutura são realizados por intermédio de elementos de interface que simulam, através da sua rigidez, os coeficientes de Winkler do solo de fundação. Corte AA' Aterro heterogénio de saibro granítico com solo vegetal à mistura Aterro de saibro granítico Solo vegetal Saibro granítico de grão grosso natural Bedrock 0.0m 10.0m (a) (b) Figura 6.1 Modelo bidimensional (a) corte da fachada com solo de fundação; (b) modelo bidimensional da estrutura Salientamos que na análise dos resultados apenas nos referimos à estrutura que se encontra acima da cota do pavimento exterior, uma vez que esta é a parte visível da estrutura nas condições de observação e monitorização realizadas. 29

33 Para melhor simular a heterogeneidade do solo de fundação, consideramos que este está dividido em 5 solos com valores diferentes para o coeficiente de Winkler, a saber: Solo1 sob a torre esquerda; Solo2 sob a parte esquerda do corpo central da fachada; Solo3 sob a parte central do mesmo corpo; Solo4 novamente o mesmo corpo, mas agora da parte direita; e Solo5 sob a torre direita. Os ensaios utilizados para o cálculo dos coeficientes de Winkler dos diferentes solos, bem como os blocos de fundação considerados, estão assinalados na Figura 6.2. Solo1 Solo5 Solo2 Solo3 Solo4 Figura 6.2 Diferentes solos de fundação e respectivos blocos de fundação Tabela 6.1 Cálculo dos coeficientes de Winkler Es L B L/B Is ν s K v K h Solo MPa m M MPa/m MPa/m Solo Solo Solo Solo Solo ANÁLISE LINEAR COM A APLICAÇÃO SIMULTÂNEA DE TODAS AS ACÇÕES Numa primeira análise, admitiu-se que a acção permanente teria sido aplicada toda de uma vez e não sequencialmente, de forma a simular o processo de construção da estrutura. Os resultados da análise, admitindo comportamento linear elástico dos materiais, encontram-se ilustrados na Figura 6.3, em termos de coloração das tensões principais máximas e mínimas na estrutura deformada. É possível observar que a estrutura se inclina para o lado esquerdo (zona onde a deformabilidade do solo é maior). Verifica-se ainda que o valor máximo das tensões de tracção e das tensões de compressão são elevados, respectivamente +0.7 MPa (tracção) e 3.3 MPa (compressão). 30