The structural intervention of St. Torcato Church : documentation and analysis of the strengthening works

Abstract

The church of São Torcato represents a masterpiece of the carving skills of Minho craftsmen. However, the arise of several structural anomalies of medium and high intensity, identified since 1976, prompted the beginning of a careful examination of the building that is still ongoing. The aim of this thesis is the retracing of the subsequent investigation steps that were able to identify the causes of the problems, the discussion on the strengthening works planned on the building and the relative assessment of the eventual harm induced by the intervention. The steps that have been followed for this discussion had started from the historical framework of the church construction, in order to understand how such phases could have trigged the damage phenomena. Subsequently, all the monitoring systems and surveys have been listed in order to understand the logical steps that have been followed to estimate the causes of such problems. The relative strengthening program has been discussed and cross-checked in all its aspect in order to evaluate a possible enhancement on the design. A minor design has been carried out as response of a new demand of the institution involved in the conservation of the building: the replacement of the crosses on top of both spires. Finally, the data of the static monitoring system placed on the tower since 2009 was analyzed and confronted to the actual situation, in order to evaluate the presence of interference with the structure induced by the executive works. From the analysis of the previous investigations it was possible to build a complete picture of the mechanical characteristics of the church and the causes which trigged the existent damage phenomena. Furthermore, it was possible to understand the level of activity of the damage and the effectiveness of the system of interventions that was designed in order to face the problems of the church. A cross-check on such interventions confirmed its reliability and enhanced as much as possible its defective parts. The analysis of the cross was satisfying except for one of the mathematical models, which should be improved after specific studies of the roof element. The future tasks will have to take into account the effective development of the intervention works and the comparison with both static and dynamic monitoring data. It is also necessary to perform more specific computational analysis regarding the mechanical behavior of the building considering cracked models and FEM that contemplate both settlement and thermal condition at the same time. Furthermore, several direct tests should be carried on the intervention wastes (such as coring samples) in order to evaluate the reliability of the non-destructive tests performed on the structure.

O Santuário de São Torcato representa a obra-prima em cantaria granito de toda a região do Minho. Todavia, devido à existência de um conjunto de anomalias estruturais de severidade moderada a severa foi necessário realizar um estudo de inspeção e diagnostico, que culminou na elaboração de um projeto de reforço, cujos trabalhos para a estabilização das fundações das torres estão precisamente em curso. O objetivo da presente dissertação é de registar e analisar as diferentes fases de investigação que permitiram a identificação das anomalias e as suas causas, o acompanhamento da obra em curso, incluindo a validação e controlo da intervenção em curso através da monitorização estrutural. A dissertação começou com a análise histórica da construção do santuário, a fim de compreender se o processo construtivo introduziu dano. Posteriormente, todas as inspeções, diagnósticos e monitorizações estruturais realizadas foram apresentadas para melhor se compreender como se determinaram as causas dos problemas estruturais. A intervenção de reforço estrutural foi discutida sobre todos os seus aspetos e também foi realizada uma análise para a substituição das cruzes no topo das duas torres, uma vez que estas se encontram muito deterioradas. Finalmente, os dados do sistema de monitorização estático, instalado desde 2009, foram analisados e confrontados com a situação atual (no decorrer de trabalhos de reforço), com o objetivo de avaliar o impacto da intervenção na construção e se, eventualmente, Através da análise dos anteriores estudos foi possível determinar as características mecânicas/estruturais do santuário e as causas que levaram ao aparecimento das anomalias existentes. Foi também possível compreender o nível de atividade das anomalias e a assertividade da intervenção estrutural proposta para a estabilização das mesmas. A verificação da conformidade do projeto reafirmou a sua necessidade e permitiu melhorar a eficiência de algumas das medidas de intervenção. A análise da substituição das cruzes foi satisfatória, com a exceção de um dos modelos que deverá ser aprofundada para melhor avaliar a sua estabilidade. Como tarefas futuras propõem-se a continuidade do acompanhamento dos trabalhos de intervenção e da análise dos dados dos sistemas de monitorização estático e dinâmico, quer durante, quer depois da intervenção. Também será necessária a realização de análises numéricas mais específicas sobre o comportamento mecânico do edifício considerando o tanto dano devido aos assentamentos da fundação, como o efeito da variação térmica na construção. Além disso, vários ensaios deverão ser realizados sobre os materiais sobrantes da intervenção (tais como os tarolos de carotagem), a fim de validar a confiabilidade dos ensaios não destrutivos realizados na estrutura.

La chiesa di San Torcato rappresenta un capolavoro nel paesaggio architettonico di Guimarães, emblema delle altissime capacità delle maestranze locali. Infelicemente, l’insorgere d’innumerevoli anomalie di moderata ed elevata intensità ha richiesto esami dettagliati dell’edificio, avviati alla fine degli anni settanta e protratti continuativamente fino ad oggi. L’obiettivo di questa tesi e la riproposizione delle varie investigazioni che hanno permesso di identificare i fattori scatenanti dei danni dell’edificio, la discussione dei lavori di rinforzo pianificati per sopperire a tali problematiche e la verifica dell’eventuale alterazione della struttura indotta dall’esecuzione dell’intervento. La trattazione del tema è iniziata dalla ricostruzione del processo evolutivo della chiesa, così da relazionare l’edificio al suo complesso quadro storico. Successivamente, tutti i sistemi di monitoraggio utilizzati e le indagini eseguite sono stati organizzati e descritti, in modo da ripercorrere il lungo processo logico che ha portato alla scoperta delle cause dei problemi attuali. L’intervento è stato discusso e vagliato da un attento calcolo, così da individuare e migliorare eventuali punti carenti del programma. Un progetto minore è stato eseguito personalmente come richiesto dall’istituzione coinvolta nella conservazione dell’edificio: la sostituzione delle croci sulla sommità dei campanili. Infine, i dati ricavati dai sistemi di monitoraggio statici, installati dal 2009 sono stati analizzati e confrontati con la situazione attuale, in modo da poter riscontrare la presenza di un eventuale danno indotto dai lavori. Dalle analisi delle precedenti investigazioni è stato possibile ricostruire il quadro completo delle caratteristiche meccaniche dell’edificio e delle cause che hanno scatenato gli attuali fenomeni di decadimento. Inoltre, è stato possibile conoscere il livello di attività del danno e l’efficienza del sistema d’interventi pianificato. Una verifica incrociata di tale progetto ne ha confermato l’affidabilità, ed ha permesso di migliorare il più possibile le sue prestazioni. L’analisi della croce è stata soddisfacente ad esclusione di uno dei modelli matematici utilizzati: tale schema dovrebbe essere migliorato a seguito di esami specifici sugli elementi decorativi. I compiti futuri dovranno prevedere l’analisi dell’effettivo sviluppo dei lavori esecutivi e lo studio incrociato con i dati dei sistemi di monitoraggio sia dinamici sia statici. Sarà inoltre necessario eseguire analisi computazionali più specifiche che tengano conto della reale mappa dei danni, oltre che modelli a elementi finiti dell’edificio che contemplino l’azione congiunta dei cedimenti differenziali del suolo e delle variazioni termiche. Inoltre, test distruttivi dovrebbero essere sviluppati sui preziosi scarti delle esecuzioni (come ad esempio i carotaggi delle torri) così da valutare l’affidabilità dei ND-test eseguiti sulla struttura e aggiornare le sue caratteristiche meccaniche.