Structural performance of shells of historical constructions: the Municipal Theatre of Rio de Janeiro

Abstract

Heritage construction must be object of special care due to its historical and cultural value. In the modern concept, conservation of these structures should mainly respect their authenticity. With this in view, prior to any intervention on the structure, a detailed study should be carried out to guarantee full understanding on the structure conditions, allowing the minimum intervention to be applied. The analysis of these structures should gather most information as possible on the structural conditions, involving historical research, visual inspection, non-or minor destructive tests, monitoring and numerical modelling. The structural analysis by numerical simulation is crucial for understanding the structural behaviour under different conditions, allowing evaluate causes of damages, capacity of the structure and the efficiency of strengthening techniques. The object of this study is the Municipal Theatre of Rio de Janeiro, built in the beginning of the 20th century and considered a masterpiece of the Brazilian eclectic style. This work is mainly focused on the structural analysis of the shells located on the front part of the theatre, namely a barrel vault and two lateral domes. In general, the structure presents itself in good conditions. However, important damages were reported in the 1970s, that led to an intervention in order to guarantee the structural safety. The study is divided in four main parts, namely (i) a study on the state of the art of structural analysis of shell elements made of masonry together with a historic and architectonic review on the theatre, (ii) in-situ investigation by NDT tests, such as dynamic identification tests, (iii) preparation of the numerical model, including its calibration and validation by comparison with experimental data, (iv) non-linear structural analysis, aiming at identifying the possible cause of reported damage and evaluation on the structural capacity. According to the results obtained in this study, the differential soil settlements can be one of the causes for the damages identified in the 1970s, namely settlements at the base of the main façade and towers. The shells present a considerable safety level under vertical loads and the strengthening intervention performed in 1970 increased significantly the load capacity of the barrel vault. Even though the study carried out allows a good understanding on the structural behaviour of the shell elements, further analysis is recommended in order to improve the current conclusions.

As construções históricas devem ser tratadas com especial cuidado devido ao seu valor histórico e cultural. De acordo com os conceitos atuais, essas estruturas devem ser conservadas respeitando a sua autenticidade. Desta forma, é necessário um estudo detalhado antes de qualquer intervenção no edifício, permitindo um conhecimento detalhado sobre as propriedades estruturais, garantindo assim que a intervenção seja mínima. A análise dessas estruturas deve reunir a maior quantidade de informação possível. Deste modo, deve-se realizar uma pesquisa histórica, inspeção visual, ensaios não ou semi-destrutivos, monitoramento e a execução de análises numéricas. A análise estrutural através de simulações numéricas é essencial para entender o comportamento da estrutura sob diferentes condições, permitindo avaliar as causas de danos, a capacidade da estrutura e avaliar a eficiência de técnicas de reforço. O objeto desse estudo é o Theatro Municipal do Rio de Janeiro, construído no início do século XX, considerado uma obra-prima do estilo eclético no Brasil. Esse trabalho tem por objetivo principal a análise estrutural das cascas localizadas na parte frontal da construção, incluindo uma abóboda de berço central e dois domos laterais. Em geral, a estrutura apresenta-se em boas condições de conservação. No entanto, na década de 1970 foram detetados danos que levaram a uma intervenção nas cascas para garantir a sua estabilidade estrutural. Este trabalho está divido em quatro partes, incluindo: (i) uma pesquisa do estado da arte sobre a análise estrutural de elementos de casca, em conjunto com uma investigação sobre a história e arquitetura do teatro; (ii) investigações das condições estruturais in-loco através de testes não destrutivos, abarangendo ensaios de identificação dinâmica; (iii) preparação de um modelo numérico, englobando a sua calibração e validação através da comparação com os resultados obtidos experimentalmente; (iv) execução da análise estrutural não-linear estática, tendo por objetivo identificar possíveis causas para o dano relatado nos anos 1970 e avaliar da capacidade da estrutura. De acordo com os resultados deste estudo, os assentamentos diferencias do solo são uma das causas prováveis para os danos observados em 1970, particularmente assentamento diferenciais na base da fachada principal e da torres laterais. A análise da capacidade de carga da estrutura comprovou que as cascas apresentam um considerável nível de segurança para ações verticais. Por fim, foi concluído que as intervenções realizadas em 1975 aumentaram substancialemente a capacidade estrutural da abóbada de berço. Os estudos realizados permitem obter um bom nível de conhecimento a cerca do comportamento estrutural dos elementos de casca. Porém, são recomendados outros estudos complementares com o objetivo de aprimorar as conclusões atuais.