MONITORAMENTO E AVALIAÇÃO ESTRUTURAL DA IGREJA DA PAMPULHA COMO RESOLVER UM PROBLEMA DE 50 ANOS

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1 MONITORAMENTO E AVALIAÇÃO ESTRUTURAL DA IGREJA DA PAMPULHA COMO RESOLVER UM PROBLEMA DE 50 ANOS José Eduardo de Aguiar (1); Abdias Magalhães Gomes (2); Paulo Roberto Takahashi (3); Fabiano Sales de Menezes (4) (1) Engenheiro civil, Recuperação Serviços Especiais de Engenharia Rua Paulo Afonso Belo Horizonte, Brasil recuper@terra.com.br tel: (31) (2) Professor Doutor, Universidade Federal de Minas Gerais Rua Espírito Santo 35 Centro, Belo Horizonte, Brasil abdias@demc.ufmg.br tel: (31) (3) Engenheiro Civil, Secretaria Municipal de Estrutura Urbana da Prefeitura de Belo Horizonte - Av. do Contorno takahash@pbh.gov.br tel: (31) (4) Engenheiro civil, Recuperação Serviços Especiais de Engenharia Rua Paulo Afonso Belo Horizonte, Brasil fabianomenez@hotmail.com tel: (31) Resumo A Igreja de São Francisco de Assis, Belo Horizonte é um monumento histórico, projetado por Oscar Niemayer. Desde sua inauguração em 1945 a casca apresenta problemas estruturais. Diversas intervenções já foram realizadas, mas não obtiveram o sucesso esperado. A Prefeitura de Belo Horizonte e o IPHAN, face à importância da obra, resolveram estudar profundamente o assunto, realizando um sofisticado monitoramento e uma avaliação estrutural com vistas a elaborar um diagnóstico dos problemas, de forma a resolve-los definitivamente. Foram realizados diversos ensaios especiais como extração de corpos de prova, análise por microscopia eletrônica, ultrassonografia, estudos de permeabilidade, além de um levantamento geotécnico. Através da fixação (Gages) na casca foi realizado um monitoramento por extensometria eletrônica, para avaliação da estabilidade termodinâmica da estrutura, que foi submetida a variações térmicas extremas. A partir das plantas originais, dos resultados obtidos na extensometria eletrônica, da incidência de insolação, dos ensaios de caracterização dos materiais utilizados, principalmente as resistências, módulos de elasticidade e espessuras do concreto, estudou-se matematicamente o comportamento da estrutura, utilizando a parametrização através de elementos finitos. Com os resultados obtidos foi possível elaborar um diagnóstico e projetar a solução de um problema que perdura há mais de meio século.

2 1 Introdução A nave central da Igreja da Pampulha apresenta patologias desde a sua inauguração em Ela foi inicialmente projetada com três nervuras que funcionariam como articulação da estrutura, mas que não foram construídas. Verificando-se plantas antigas, observa-se que em 1959 a casca já apresentava fissuras nas regiões onde deveriam estar as nervuras. Algumas intervenções foram realizadas na Igreja desde a sua construção, sendo que, na década de 1970 ocorreram as aberturas das juntas de dilatação nas regiões fissuradas. Mas na oportunidade foram executadas somente duas juntas, deixando de lado a junta na região de maior perímetro. A reforma de maior proporção aconteceu em 1990, quando havia grande deterioração interna devido à presença de infiltrações. Todo o revestimento da parte superior da casca foi retirado, preservando-se somente o mosaico na parte inferior. A recomposição foi feita com a aplicação de diversos materiais como manta asfáltica para impermeabilização, blocos leves (Sical), argamassa polimérica, reboco, telas galvanizadas, argamassa de assentamento das pastilhas e as pastilhas cerâmicas. Apesar do sistema de impermeabilização funcionar adequadamente a casca apresentou deterioração precoce com pouco tempo. Os diversos materiais aplicados no revestimento tiveram comportamentos termodinâmicos diferenciados, sem ligação forte entre as camadas (sistema não monolítico), provocando o aparecimento de inúmeras fissuras em toda a extensão da nova casca, com intensidade e direções diversas, sem nenhuma simetria. A prospecção realizada na casca mostrou que as fissuras ocorreram somente no revestimento, não se transferindo para o concreto, que se apresentava íntegro. Foto 1 Situação antes da reforma de 1990 Foto 2 Situação em 2000, mostrando a deterioração precoce do revestimento aplicado

3 O nível de fissuramento existente na casca era inadmissível para uma obra tombada como Patrimônio Histórico da União. Para diagnosticar a origem dos problemas e projetar uma solução definitiva para a casca, o IPHAN e o IEPHA solicitaram à Prefeitura Municipal de Belo Horizonte a realização um estudo denominado Monitoramento, Instrumentação, Avaliação Estrutural e Projeto de Recuperação e Restauro da Igreja de São Francisco de Assis, sendo a Recuperação Serviços Especiais de Engenharia Ltda a empresa contratada para a execução dos trabalhos. Este estudo iniciou-se em maio de 2002, com duração de nove meses, período que foram desenvolvidas as seguintes atividades: Pesquisa histórica Levantamentos topográficos Cadastramento geométrico da construção Cadastramento das patologias externas Levantamento geotécnico das fundações Caracterização dos materiais através de ensaios especiais Controle das variações térmicas internas e externas Modelamentos matemáticos utilizando elementos finitos Monitoramento por extensometria eletrônica Avaliação das tensões e deformações Diagnóstico estrutural Projeto de Recuperação e Restauro 2 Estudo Geotécnico A primeira hipótese sempre levantada para justificar os sucessivos problemas estruturais da Igreja era relacionada com as fundações. Para esclarecer de vez o assunto foi executado um estudo das fundações. Procedeu-se a abertura de poços de inspeção para pesquisar as fundações existentes, quando verificou-se que a estrutura está assentada sobre uma íntegra laje de concreto armado em forma de radier, executada sobre estacas de madeiras em perfeito estado.

4 Foto 3 Estacas de madeira da fundação Foram realizadas sondagens a percussão para simples reconhecimento dos solos, sendo executados 4 (quatro) furos, perfazendo um total de 85,70 m, de forma a possibilitar o traçado do perfil geotécnico. O estudo mostrou que fundações estão íntegras e possuem comportamento satisfatório, não apresentando nenhum elemento que possa correlacionar as fissuras da casca com deficiência de suas bases. 3 Caracterização dos Materiais da Estrutura Foram realizados diversos ensaios para caracterizar os materiais utilizados na estrutura, particularmente o concreto armado. Foram extraídos corpos de prova de 50 mm da casca e da fundação, e a partir dos testemunhos foi possível avaliar a qualidade dos materiais. A média das resistências à compressão foi de 24,60 MPa e a média dos módulos de elasticidade foi de GPa, sendo estes resultados avaliados por ensaio de ultra-sonografia através do aparelho PUNDIT, em sistema de transmissão direta com transdutores de 54 khz.

5 Foto 4 Equipamento de ultra-sonografia Foram retiradas lâminas dos corpos de provas e as amostras foram observadas por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) em aumentos de 500 e 2400 vezes. As amostras retiradas das fundações mostraram a microscopia de uma estrutura típica compacta, com sinais da presença de silicatos bi-cálcicos hidratados em matriz de silicato tricálcico e pequenos sinais visíveis de carbonato de cálcio precipitado. As amostras retiradas da casca da nave central mostram basicamente a mesma composição acima, porém não tão compactas, mas em nenhuma das laminas foi observada anomalia ou presença de materiais deletérios na estrutura do concreto que tivesse como foco alguma patologia ou dano inerente à durabilidade. A permeabilidade do concreto foi determinada utilizando permeabilímetro GWT, que fornece o fluxo de água passante pelo concreto, a partir da aplicação de uma pressão de 0,4 BAR na superfície da casca. O resultado apresentou um fluxo médio passante de 2,3 x 10 5 mm/s, que é um fluxo característico de um concreto de boa compacidade.

6 500 x 2400 x Fotos 5 e 6 Microscopia Eletrônica por Varredura (MEV) As armaduras existentes e os recobrimentos foram identificados utilizando o equipamento Profometer. A nave central possui uma malha de 10 cm x 10 cm com diâmetro de 8,0 mm (5/16 ). Com a apuração de todos os resultados verificou-se que a qualidade do concreto utilizada na construção é satisfatória e adequada para o tipo desta estrutura, e as armaduras estão convenientemente protegidas contra corrosão, uma vez que os aços encontram-se passivados, com preservação da vida útil. 4 Controle das Variações Térmicas Internas e Externas Foi realizado um estudo do comportamento térmico da casca da Igreja. A primeira providência foi determinar o eixo de insolação da estrutura utilizando um mapa de solstício da cidade de Belo Horizonte. Este mapa mostra o caminhamento e as projeções horizontais do sol sobre a casca durante todos os meses do ano, de hora em hora, indicando o ângulo de insolação vertical e horizontal em Kcal/h/m². A partir do solstício obteve-se o mapa de sombreamento da casca da Igreja. Utilizando termômetros digitais a laser e a instalação de termopares foram realizados monitoramentos das variações de temperatura (absorvidas) no interior da Igreja, no interior da massa de concreto e no revestimento da casca durante 24 horas, em vários dias. Os estudos mostraram que a superfície do revestimento da Igreja está submetida a extremos elevados, superiores a 50 C, mas este alto gradiente térmico não está sendo transferido para o concreto da casca, indicando que o revestimento atual, apesar de extremamente fissurado e com deficiência de aderência, está garantindo uma boa proteção térmica ao concreto da estrutura, devido a presença da manta asfáltica utilizada para impermeabilização.

7 Abaixo apresentamos um dos gráficos obtidos, onde observa-se que a curva de temperatura absorvida do revestimento da casca é bem mais alta que curva do concreto, que mantém-se com relativa estabilidade. Figura 1 Gráfico Temperaturas Absorvidas x Tempo (Concreto e Revestimento) 5 Monitoramento por Extensometria Eletrônica A extensometria é a técnica que permite definir o comportamento de elementos estruturais sujeitos a solicitações mecânicas, permitindo obter em uma peça estrutural, através de uma resistência elétrica, sua deformação através de leitura direta. As tensões, cargas e pressão são obtidas através de medidas indiretas, determinadas a partir de relações matemáticas (Lei de Hook). Os extensômetros elétricos (strain gages) são filamentos plásticos flexíveis de fina espessura, dotados de fios de resistência de pequeno diâmetro. Os extensômetros elétricos se baseiam no principio da variação da resistência elétrica e são cuidadosamente colados sobre a superfície do concreto. As solicitações aplicadas acarretam a sua deformação junto com a superfície onde estão fixados.

8 O monitoramento das deformações é feito utilizando um sistema de aquisição de dados digital, com leitura em tempo real e em alta velocidade. Os gages são ligados neste aparelho através de cabos elétricos, individuais e protegidos, que são adequadamente conectados em seus terminais. O aparelho de aquisição de dados é interligado à um computador, que apresenta uma tela permitindo a visualização e impressão dos gráficos gerados pelas movimentações. Os gráficos gerados mostram a movimentação da estrutura, por amostragem e em intervalos pré-determinados. Os resultados são apresentados em ìs (Micro Strain), que é um valor adimensional. Foram instalados 10 (dez) gages no concreto da casca e o monitoramento foi realizado de forma permanente, abrangendo às 24 horas diárias, durante seis meses, e os resultados apontaram para uma grande estabilidade termodinâmica, mesmo quando submetida a variações térmicas extremas, registrando baixas tensões e deformações, compatíveis com o modelo estrutural adotado. Foto 7 Monitoramento por extensometria eletrônica

9 6 Modelos Matemáticos Utilizando Elementos Finitos A partir das plantas com o cadastro geométrico e arquitetônico da casca, do estudo de incidência de insolação e temperatura, do monitoramento eletrônico e dos ensaios de caracterização dos materiais, principalmente a resistência, módulo de elasticidade e espessura do concreto, estudou-se matematicamente o comportamento da estrutura da nave central utilizando a parametrização através de elementos finitos. Foram realizadas simulações considerando 2 e 3 juntas radiais e a variação de temperatura entre 0º e 55º C. Abaixo apresentamos um dos modelos mais relevantes, onde a simulação considerou somente as duas juntas radiais existentes, com a temperatura variando entre 30º e 55º C. Observa-se a existência de uma concentração de tensões radiais no primeiro módulo, indicando a necessidade de abertura de uma junta naquele local. Figura 2 Modelo Matemático utilizando elementos finitos Arco total da Igreja com indicação das duas juntas radiais existentes (vista lateral e superior).

10 7 Diagnóstico Estrutural Os resultados obtidos nas pesquisas, ensaios e monitoramentos são convergentes e apontam para o seguinte diagnóstico, que norteará o projeto de recuperação e restauro: O interior da igreja apresenta-se estanque, sem a presença de infiltrações. O sistema de impermeabilização a ser projetado deve garantir a impermeabilidade no interior do monumento. As fissuras existentes na casca são superficiais, restringindo-se somente aos materiais utilizados no revestimento, que por terem módulos de elasticidade diferentes, e submetidos a gradientes térmicos superiores a 50 C, fissuraram-se em função das movimentações termodinâmicas diferenciadas e por não apresentarem ligação forte entre as camadas. As fissuras não estão relacionadas com o comportamento das fundações. Todo os materiais aplicados na reforma anterior (1990) deverão ser retirados, incluindo os utilizados para conformação da superfície do concreto da casca e nas juntas de dilatação, preservando-se os mosaicos originais. Deve ser projetada a abertura da terceira junta de dilatação. Os modelos matemáticos apontaram para uma concentração de tensões na região onde deveria ter sido construída a terceira junta de dilatação, ou seja, na região onde originalmente foi projetada uma nervura, e não executada, mostrando a clarividência e competência do calculista da obra. A nova junta de dilatação e as duas existentes deverão ter movimentação livre, sem restrições. Para evitar que fiquem aparentes, prejudicando o aspecto visual do monumento, deverão ser projetadas pastilhas flutuantes sobre as juntas, procurando disfarçar seu alinhamento. A reconstituição do revestimento da casca e a execução das juntas de dilatação deverão utilizar materiais com comportamento termodinâmico semelhantes de base cimentícia, com forte ligação entre si, e que garantam impermeabilidade e proteção térmica ao concreto. O projeto executivo deverá contemplar a menor quantidade possível de materiais para o revestimento, procurando manter semelhança com o revestimento do mosaico existente, ou seja, a concepção original do projeto. Os estudos, projeto de recuperação e restauro da Igreja de São Francisco de Assis abrangem somente a face externa da nave central da estrutura, sendo necessário projetos complementares para a restauração completa do monumento.

11 8 Projeto de Recuperação e Restauro As principais recomendações que constam do projeto de recuperação e restauro da Igreja de São Francisco de Assis são: 8.1 Proteções Executar as proteções necessárias para evitar acidentes juntos aos usuários locais e visitantes. Proteger com lonas plásticas toda a área externa e as juntas de dilatação para manter a estanqüeidade da parte interna da igreja durante os trabalhos de recuperação. 8.2 Fabricação das pastilhas As pastilhas existentes deverão ser aproveitadas, mas é inevitável a aquisição de novas pastilhas para o complemento. A definição das tonalidades das pastilhas é um processo lento e demanda muito tempo, pois se trata de um estudo por tentativas. Em função disto, a mobilização da obra deve ocorrer somente após a aprovação da matriz das pastilhas. 8.3 Andaimes de acesso à obra Os andaimes não podem ser apoiados na estrutura da nave central, a fim de não interferir na execução dos trabalhos. Os andaimes serão cobertos com lona plástica com o objetivo de proteger as partes externas e internas da nave das intempéries. 8.4 Levantamento topográfico da casca Logo após a instalação dos andaimes deverá ser executado um rigoroso cadastro topográfico da superfície externa da casca, de forma a possibilitar sua reconstituição nas cotas originais. 8.5 Remoções Deverão ser removidos todos os revestimentos existentes na abóbada localizados acima do mosaico original, inclusive os tijolos leves. Estes materiais, que não são originais, foram aplicados na reforma de 1990 e devem ser removidos, de forma a permanecer na estrutura somente o concreto original, mas com preservação integral do mosaico. O trabalho de remoção das pastilhas na região do mosaico, para a instalação da nova junta, deverá ser realizado por profissional especializado em obras de restauração.

12 Figura 3 Remoção dos revestimentos existentes 8.6 Abertura da nova junta A terceira junta de dilatação deverá ser aberta de acordo com a indicação dos modelos matemáticos. A posição da junta deverá ser confirmada no local, pois existindo fissuras na casca ou outro indício de segmentação, mostrando que já existe uma junta espontânea, para este local deve ser transferida a junta. Esta junta não segmentará toda a espessura da casca, sendo do tipo induzida, através de corte parcial. 8.7 Reconstituição do concreto da casca A casca deverá ser reconstituída e regularizada com argamassa de base cimentícia (espessuras até 3 cm) e com micro concreto (espessuras maiores que 3 cm). As características destes materiais deverão se aproximar ao máximo do concreto original. A aplicação será manual, sobre o substrato saturado, seguido de cura úmida rigorosa por 7 dias, para evitar o surgimento de fissuras.

13 8.8 Instalação das juntas de dilatação As juntas de dilatação serão de perfis de alumínio com vedação em neoprene. As juntas serão fixadas diretamente no concreto através de parafusos galvanizados. Os perfis de alumínio deverão ser adequados ao formato parabólico da casca. Para isto serão feitas incisões no metal, com posterior soldagem, de forma garantir uma estrutura continua e sem infiltração. Figura 4 Instalação das juntas de dilatação Aplicação da camada de impermeabilização O material a ser utilizado na impermeabilização da casca deverá ser uma camada de revestimento polimérico flexível, de base cimentícia, impermeável à água sob pressão e capaz de suportar fissuras dinâmicas de pouca movimentação.

14 8.10 Argamassa colante para assentamento das pastilhas As pastilhas, por apresentarem absorção de água inferior a 0,5 %, necessitam de argamassas especiais para o seu assentamento. É importante que a argamassa colante a ser utilizada apresente propriedades não inferiores às das argamassas do tipo AC III Rejuntamento das pastilhas O rejuntamento das pastilhas será feito utilizando argamassa de rejunte industrializada, feita com cimento branco. Salienta-se ainda a importância deste material apresentar em sua constituição aditivos hidrofóbicos (carga repelente a água) e aditivos fungicidas e antiencardimento, no sentido de garantir a durabilidade e a estética do revestimento final. Figura 5 Aplicação dos novos revestimentos

15 9 Conclusão Este trabalho teve a duração de nove meses, gerando cinco volumes, que estão à disposição dos interessados. Para esta publicação procuramos nos ater somente nos tópicos principais e que foram relevantes para o diagnóstico e o projeto. Participaram do trabalho vários profissionais de grande experiência em suas áreas de atuação e que se esforçaram ao máximo para resolver um problema que perdura há mais de 50 anos, em um monumento histórico que é o símbolo de Belo Horizonte. Agradecimentos: Prefeitura Municipal de Belo Horizonte Instituto do Patrimônio Histórico Artístico Nacional (IPHAN) Instituto Estadual do Patrimônio Histórico e Artístico (IEPHA)