ESTUDO DETALHADO DO SANTUÁRIO DE SÃO TORCATO

TEMA 4 Modelação e Segurança de Estruturas Antigas 417 ESTUDO DETALHADO DO SANTUÁRIO DE SÃO TORCATO Paulo B. LOURENÇO Luís RAMOS Francisco F. MARTINS Professor Auxiliar Bolseiro de Investigação Professor Associado Universidade do Minho Universidade do Minho Universidade do Minho Guimarães Guimarães Guimarães SUMÁRIO O santuário de São Torcato é uma obra prima do neomanuelino, cuja construção se iniciou na 2ª metade do século XIX e se desenrolou até hoje. Neste artigo descreve-se o estudo justificativo das patologias do imóvel, realizado pela Universidade do Minho no Santuário de São Torcato desde Maio de 1998. 1. INTRODUÇÃO A Vila de S. Torcato situa-se a 7 km da Cidade de Guimarães e tem origem no primeiro mártir do Cristianismo Ibérico, S. Torcato, cujo corpo pode ser venerado no interior do templo analisado no presente artigo. Para o projecto do imóvel foi escolhido o arquitecto alemão Bohnfledt, que sucedeu a um projecto inicial do arquitecto vimaranense Barros Lima. Mais tarde, a Irmandade do Mosteiro resolveu novamente ajustar a sua topologia através do Arq. Marques da Silva (1894). O Santuário 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, com 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. As suas dimensões, na globalidade, são consideráveis: nave central com 57.5 17.5 m 2 e com uma altura até aos telhados de 26.5 m; transepto com 37.1 11.4 m 2 ; e torres bbb

418 Encontro Nacional sobre CONSERVAÇÃO E REABILITAÇÃO DE ESTRUTURAS sineiras com 7.5 6.3 m 2 e aproximadamente 50.0 m de altura. A fachada simétrica é constituída por duas torres esbeltas e um corpo central, ver Figura 1a. A finalização das torres é realizada por intermédio de pirâmides hexagonais também em cantaria de pedra. No corpo central da fachada destacam-se uma rosácea com 2.2 m de diâmetro e uma balaustrada / galeria a ligar as torres. Em planta, o templo tem a forma típica da cruz latina, ver Figura 1c. A nave central é constituída por abóbadas de arco perfeito, que se 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. No altar-mor ergue-se a cúpula. O coro encontra-se sobre a entrada do Templo e prolonga-se até uma colunata dupla, tendo uma altura de 8.7 m. (a) (b) (c) Figura 1 : Peças desenhadas: (a) fachada, (b) alçado lateral direito e (c) planta 1.1 Processos e historial da construção do mosteiro Em 1871, foi iniciada a parte esquerda do transepto 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 1876. 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 2. A construção do Templo esteve parada mais de 50 anos. As obras foram retomadas em 1982, encontrando-se em construção a cobertura da capela-mor, que se erguerá 18 m acima do nível do telhado do Templo, prevendo-se também a construção duma cúpula sobre o altar principal, constituída por gomos pré-fabricados de betão armado. Desta forma, a construção, iniciada em 1868, atravessou todo o século XX e vai prosseguir para o novo século. 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 de um estudo à Universidade do Minho [1], cujas conclusões principais se apresentam neste artigo.

TEMA 4 Modelação e Segurança de Estruturas Antigas 419 (a) (b) (c) (d) Figura 2 : 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 2. CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA DO SOLO Para representar as características de resistência e de deformabilidade do solo de fundação procedeu-se à realização de uma prospecção geotécnica [2], que incluiu trinta e um ensaios com penetrómetros dinâmicos pesados (PDP), quatro sondagens contínuas, 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, junto de cada torre. A combinação dos ensaios PDP e das sondagens contínuas permitiu representar os perfis geotécnicos do solo, Figura 3. Na proximidade das torres identificou-se a presença de camadas de aterro e solo vegetal, com valores muito baixos de resistência mecânica. O Santuário encontra-se então implantado numa sobrelevação do terreno, com recurso a materiais de aterro, o que justifica a não detecção 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 a profundidade máxima de 2.8 m com o equipamento disponibilizado pela Irmandade de São Torcato, não tendo sido possível localizar a base das fundações. 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. 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, de acordo com a teoria e correlações de [3,4].

420 Encontro Nacional sobre CONSERVAÇÃO E REABILITAÇÃO DE ESTRUTURAS Aterro heterogéneo de saibro granítico com solo Saibro vegetal à granítico não coesivo mistura Aterro de saibro granítico Saibro granítico de grão grosso Solo vegetal natural Saibro granítico não coesivo Bedrock Saibro granítico de grão grosso natural Bedrock 0.0m 10.0m 0.0m Aterro heterogéneo de saibro granítico com solo vegetal à mistura Aterro de saibro granítico Solo vegetal Saibro granítico não coesivo natural Bedrock (a) (b) Figura 3 : Perfis geotécnicos: (a) longitudinal e (b) transversal sob as torres. 3. LEVANTAMENTO E MONITORIZAÇÃO DAS ANOMALIAS 3.1 Levantamento das anomalias A estrutura apresenta uma série de fendas com dimensões significativas na fachada, coro e nos arcos das capelas. Não é possível saber a data do seu aparecimento, sendo razoável admitir que se trata de um fenómeno que tem ocorrido de forma diferida. As fendas foram todas registadas e classificadas em diversos desenhos e foram documentadas fotograficamente. 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, Figura 4a. Dentro da galeria observa-se também um conjunto de cinco fendas, todas verticais, situadas da parte esquerda da mesma, com aberturas máximas E10 E11 E12 E13 E14 E5 E1 E4 E2 E3 Aterro heterogéneo de saibro granítico com solo vegetal à mistura Aterro de saibro granítico Solo vegetal 0.0m 10.0m (a) (b) Figura 4 : Representação das fendas da estrutura: (a) alçado principal e (b) planta.

-41.10 cm -22.00 cm TEMA 4 Modelação e Segurança de Estruturas Antigas 421 de 5 mm e espaçamento de cerca de 1.0 m. Na Figura 4a representam-se ainda a localização das estações de leitura da largura de fendas E1 a E5. No coro verifica-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, Figura 4b. Na balaustrada identificam-se três fendas verticais, localizadas aos quartos do vão. Adicionalmente, em todas as chaves dos arcos da paredes laterais existem fendas que dividem os arcos. Estas fendas com uma dimensão máxima de 20 mm, progridem para a zona da cobertura, onde as paredes laterais apresentam também fendas 3.2 Monitorização da estrutura Recorrendo a um teodolito óptico foi possível medir os deslocamentos das torres sineiras e dos arcos da nave, verificando-se que ambas as torres têm deslocamentos transversais na mesma direcção, com inclinações da ordem dos 8 10-4 rad para a torre esquerda e de 12 10-4 rad para a torre direita, ver Figura 5a. Os arcos da nave central apresentam todos eles deslocamentos consideráveis, ver Figura 5b, sendo o 1º arco do lado do coro e o 4º arco do lado do transepto. Os deslocamentos verticais dos arcos 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 apresentados na Figura 5c. 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 20 16 12 8 4 0-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 (b) 10,0-50.0 cm 5,0 0,0-0,06-0,04-0,02 0,00 0,02 (a) (c) Figura 5 : Deslocamentos observados: (a) na torre sineira esquerda, (b) no 1º arco da nave principal e (c) ao nível do pavimento da nave central e transepto

422 Encontro Nacional sobre CONSERVAÇÃO E REABILITAÇÃO DE ESTRUTURAS Desde Maio de 1998 que a estrutura do santuário se encontra monitorizada. Inicialmente, foram colocados tentos de gesso para determinar as fendas activas, tendo 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 6a. Para além da variação da dimensão da fenda, também é registada a temperatura da estrutura no local da fendas. As torres sineiras também se encontram monitorizadas através da aplicação de dois pêndulos, um em cada torre, ver Figura 6b. A monitorização efectuada da estrutura é manifestamente insuficiente para permitir uma análise completa dos resultados uma vez que o número de valores das medições é pouco significativo (18 medições) e o número de ciclos das medições é pouco significativo (1 ½ ciclos), entendendo-se como ciclo o período de um ano. Apesar disso parece ser razoável afirmar que os valores máximos de abertura de fendas encontrados são da ordem dos 0.1 mm/ano, salienta-se ainda que foram encontradas amplitudes de movimento superiores a 1 mm. Os valores medidos nos pêndulos parecem comprovar o afastamento continuado das duas torres e o aumento da inclinação para a frente da fachada. Variação mm Temp. º C 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2 M-98-0,4 A-98 N-98 F-99 M-99 A-99 N-99-0,6 Variação horizontal Tempo Variação vertical 30 20 10 0 M-98 A-98 N-98 F-99 M-99 A-99 N-99-4,5-3,0-1,5 0,0 1,5 Tempo Variação em xx' (mm) (a) (b) Figura 6 : Monitorização da estrutura: (a) deslocamentos e variação de temperatura da Estação E4 (fachada principal) e (b) deslocamentos do pêndulo da torre direita Variação em yy' (mm) 3 2 1 0-1 -2 5 4 4. 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. Estas modelações recorrem ao método dos elementos finitos, tendo-se admitido comportamento linear e não-linear dos materiais. A estrutura é sujeita predominantemente a acções verticais (peso próprio da estrutura, peso das coberturas e peso dos sinos), considerando-se a interacção solo-estrutura através de molas. Os ensaios referidos na Secção 2 permitiram calcular os coeficientes de Winkler, que foram considerados diferentes para diversos blocos de fundação.

TEMA 4 Modelação e Segurança de Estruturas Antigas 423 4.1 Análise plana A análise plana serviu, essencialmente, para analisar os efeitos da aplicação faseada das cargas, devido ao processo de construção, ver Figura 7. Concluiu-se que o efeito do faseamento da construção nos resultados é muito pouco significativo em termos de tensões principais de compressão e, apenas localmente, significativo em termos de tensões principais de tracção [1]. Os efeitos localizados conduzem a um aumento para o triplo das tensões de tracção no contacto da porta principal do santuário com a fundação, devido à construção das torres. Verificou-se ainda que este aumento local, de valor substancial, depende fortemente das características consideradas para o solo pelo que deverá ser encarado com algumas reservas. Atendendo à dificuldade de caracterização das propriedades mecânicas do solo, à dificuldade em seleccionar um faseamento da construção adequado e ao efeito muito localizado do faseamento nos resultados, decidiu-se não considerar este efeito na análise tridimensional final. Fase 2 Fase 4 Fase 6 Fase 8 Figura 7 : Modelação plana. Exemplo das fases admitidas para a construção do santuário 4.2 Análise tridimensional Entendeu-se que a representação plana do edifício era insuficiente para analisar todas as patologias que a estrutura apresenta, pelo que se decidiu proceder a uma modelação tridimensional do edifício. Para a análise tridimensional considerou-se a modelação da fachada central, da zona das torres e de toda a nave central até à intersecção com o transepto, recorrendo a elementos de volume. Nesta modelação não foram incluídas as pirâmides telhadas e a cobertura em asnas de madeira, que foram substituídas pelas respectivas acções aplicadas à estrutura, o transepto e toda a parte de altar do templo, por não se ter observado quaisquer patologias relevantes. Foram efectuadas três análises distintas de estrutura, nomeadamente: (a) Análise Linear sem interacção solo-estrutura, (b) Análise Linear (com interacção solo-estrutura) e (c) Análise Não-linear (com interacção solo-estrutura). A análise linear sem interacção solo-estrutura permite ilustrar o comportamento isolado da estrutura, ver Figura 8a,b, salientando-se: o afastamento das duas torres, que necessariamente

424 Encontro Nacional sobre CONSERVAÇÃO E REABILITAÇÃO DE ESTRUTURAS conduz a tensões de tracção adicionais nas paredes da fachada principal e nas paredes transversais da nave; o funcionamento tipo pórtico da nave, com a flexão provocada nas sssssssd paredes / colunas da nave pela rotação da abóbada / arcos; o levantamento da zona posterior da nave (zona do lado direito da Figura 8b) provocado pela diferença substancial nas tensões verticais nas torres e paredes. Estes resultados são apresentados a título informativo, dado que o comportamento adoptado para a estrutura e solo se afastam substancialmente da realidade. No caso da análise linear com interacção solo-estrutura, a deformabilidade do solo é tão elevada que apenas é possível observar os deslocamentos de corpo rígido da estrutura, não sendo possível comprovar devidamente a componente da deformação devida aos esforços na estrutura, ver Figura 8b,c. Neste caso, as tensões principais máximas (tracção) atingem valores anormalmente elevados, sendo registados tensões na ordem dos 2.5 MPa nos arcos da nave central, na ordem dos 2.0 MPa na abóbada do coro e na ordem dos 1.0-1.5 MPa nas paredes laterais da nave e na abobada central. Surgem ainda tensões principais elevadas de tracção na zona dos últimos pilares da nave (pilares posteriores). Estes valores são provocados pelo levantamento desta zona da estrutura, devido à elevada diferença de tensões transmitidas ao solo entre as torres e paredes da nave. Do ponto de vista de modelação implica que o solo esteja a comportar-se à tracção, o que não é razoável. Para corrigir esta deficiência, ir-se-á admitir na análise não-linear que o solo, modelado por elementos de interface com os coeficientes de Winkler descritos anteriormente, possui resistência à tracção nula. As tensões principais mínimas (compressão) atingem, na totalidade da estrutura, valores bastante reduzidos, sendo o máximo de tensão apenas na ordem dos 3 MPa. (a) (b) (c) (d) Figura 8 : Modelação elástica linear (a,b) sem e (c,d) com interacção solo-estrutura Os valores elevados obtidos para as tensões de tracção indicam que a presente análise não representa convenientemente o comportamento da estrutura, sendo necessário introduzir o comportamento não-linear da estrutura. Apesar disso, é possível desde já definir zonas previstas para a fendilhação da estrutura, em correspondência com as zonas de ocorrência de tensões elevadas de tracção. Os resultados finais, introduzindo o comportamento não-linear da estrutura e solo, permitem concluir que: (a) a fendilhação prevista no modelo, ver Figura 9, está de acordo com a fendilhação observada na estrutura. Comprova-se a fendilhação generalizada da estrutura, ocorrendo as fendas mais importantes ao nível da abóbada e arcos da nave, bem como da fachada frontal. São ainda visíveis fendas ao nível das paredes laterais e da abóbada do coro; (b) os valores máximos das tensões principais mínimas (compressão) ocorrem ao nível dos arcos da nave, particularmente ao nível do 3º arco, e passam de um valor de cerca de 3.0 MPa (análise linear) para um valor na ordem dos 7.0 MPa (análise não-

TEMA 4 Modelação e Segurança de Estruturas Antigas 425 linear). Este valor é razoavelmente elevado, sendo provável que exista risco de início de esmagamento deste arco; ggggg (c) verifica-se o princípio da formação de um mecanismo de colapso com duas rótulas (linhas de rotura) na abóbada da nave, ver Figura 9b; (d) os assentamentos da estrutura são muito substanciais, atingindo um máximo de 0.19 m sob a torre direita, e aumentando gradualmente ao longo da nave, no sentido do transepto para as torres. A diferença entre a base do 1º arco (do lado das torres) e a base do 4º arco (do lado do transepto) é de 0.08 m. Este valor é próximo do valor obtido com recurso a meios topográficos, Secção 3, que é igual a 0.09 m; (e) em oposição ao verificado na estrutura, a fendilhação obtida no cálculo não ocorre ao nível da chave dos arcos. A razão para esta diferença não é clara, mas é possível que a fenda longitudinal da nave, se tenha iniciado imediatamente após a construção da nave, enquanto que os assentamentos seriam progressivos; (f) a análise indica que ambas as torres as torres se encontram inclinadas para a esquerda da estrutura, sendo o efeito mais grave na torre esquerda (1.5 10-3 rad) do que na torre direita (1.2 10-3 rad). Estes valores são próximos dos medidos na estrutura. Fenda principal no exterior da fachada Fenda na face superior da abóbada Fenda na face inferior do arco entre a torre e a nave Fendas na face inferior das paredes da nave Fenda na face inferior da abóbada e arcos (a) (b) (c) Figura 9 : Fendilhação obtida com a modelação não-linear: (a) fachada, (b) corte transversal nos arcos da nave principal e (c) corte longitudinal 5. CONCLUSÕES Em função do estudo apresentado foi possível concluir o seguinte: A fachada principal e torres do imóvel encontram-se implantadas sobre um solo de muito fraca qualidade até cerca de oito metros, profundidade para a qual se atinge o firme do solo. Na zona do transepto a camada de solo de fraca qualidade possui uma possança de apenas quatro metros, profundidade para a qual se atinge o firme do solo. As diferenças de deformabilidade do solo e as diferenças de níveis de tensão induzidas pela estrutura conduziram a um assentamento do solo de cerca de 0.10 m, das torres relativamente ao transepto.

426 Encontro Nacional sobre CONSERVAÇÃO E REABILITAÇÃO DE ESTRUTURAS O Santuário apresenta fendilhação excessiva e generalizada a toda a estrutura antiga. Refere-se, em particular, a fachada principal, as paredes laterais, o coro, os arcos e a abóbada da nave. Apresenta ainda deformações excessivas, ao nível dos arcos (diferencial de deslocamento vertical entre o primeiro e último arco de cerca de 0.10 m) e das torres (rotações no mesmo sentido das duas torres de cerca de 1 10-3 rad); A análise estrutural permitiu verificar que, para as características que o terreno de fundação possui, as fendas e rotações das torres encontradas são as esperadas, pelo que as patologias que a estrutura apresenta são devidas essencialmente ao deficiente comportamento da fundação para as acções aplicadas. O diferencial de deslocamento vertical entre o arco do coro e o arco do transepto (0.10 m) medido na estrutura é cerca de dez vezes superior ao calculado no modelo; O modelo adoptado para o cálculo da estrutura indicou o princípio da formação de um mecanismo de colapso, com duas rótulas, na abóbada da nave; Os valores máximos das tensões de compressão ao nível dos arcos da nave, obtidos no modelo da estrutura, são elevados, particularmente ao nível do 3º arco onde atingem cerca 7.0 MPa. Este valor parece indicia o início do esmagamento deste arco; Finalmente, salienta-se que a monitorização da estrutura indicia um aumento continuado da abertura das fendas das paredes laterais, da abertura das fendas pelo interior da fachada principal e do afastamento entre as duas torres. Ainda que a análise temporal dos dados seja complexa (atendendo a que o período de monitorização é demasiado curto), o indício destes movimentos continuados recomenda o reforço da estrutura. Baseado nestas conclusões, recomendou-se uma intervenção na estrutura, sugerindo-se que a mesmo inclua o reforço das fundações, bem como o atirantamento das torres, dos arcos da nave e das paredes laterais, por forma a restabelecer condições de segurança adequadas à utilização da estrutura e prevenir a progressão dos danos na estrutura. Eventualmente, o reforço poderá ser minimalista se a estrutura for dotada de um sistema de monitorização adequado. 6. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Irmandade de São Torcato pela autorização para publicar este trabalho e agradecem o empenho dos técnicos do Laboratório de Engenharia Civil da Universidade do Minho neste estudo. O trabalho foi parcialmente financiado pelo Projecto de Investigação PRAXIS/P/ECM/13247/1998 da Fundação para a Ciência e Tecnologia. 7. REFERÊNCIAS [1] Lourenço, P.B., Ramos, L., Investigação sobre as patologias do Santuário de São Torcato. Relatório Final, Relatório 99-DEC/E-5, Universidade do Minho.1999, 86 p. [2] Martins, F.F., Relatório de prospecção geotécnica junto ao Santuário de S. Torcato, Processo LEC 79/97, Laboratório de Engenharia Civil da Universidade do Minho. 1999, 91 pp [3] Bowles, J.E., Foundation analysis and design, 4th Ed., Mc-Graw Hill, 1988, pp. 405-411 [4] Folque, J., Caracterização de maciços terrosos por ensaios in situ, Seminário nº 276, LNEC. 1982, pp. 49-64