The São Francisco portal in Almeida: modelling, analysis and conservation

Abstract

Portugal possesses a long history that is often conserved in the form of historical constructions. The fortress of Almedia in Guarda is one of those. Erected in the 17th century, it has been the object of repairs and adaptations throughout the centuries. Despite this, very little information can be found relatively to the construction techniques used, materials, and past interventions. Today, this monument needs some attention due to the continuous deterioration of materials and the need to increase knowledge about this building for future interventions. This works purpose is to study the structural stability of the San Francisco Gate with the purpose of determining its level of safety and level of interventions if necessary so it can continue keeping the history of the Portuguese nation. To do this a numerical finite element model was used. The model created was a 2D nonlinear model of the original structure followed by a nonlinear model including the damage in specific deteriorated sections by means of phase analysis. The mechanical properties of the materials were obtained from a sonic testing campaign. The amount of damage was measured with the help of 3D laser scanning. For the model sensitivity to variation of mechanical properties of the two materials used (stone masonry and infill) were studied. Results show that the model is highly sensible to the variation of the compressive value in the stonemasonry material and the type of infill used. Safety analysis was done for two locations of loading, a live load applied till failure in the top of the structure or only on its right side. This analysis was repeated for three different models that represent the gradually deterioration of the structure to the actual condition. Safety analysis demonstrated that for this type of macro model the structure is always safe. Furthermore five scenarios of hypothetical additional damage were modeled to study the vulnerable areas in the structure, results from these scenarios show that the critical condition would be to have additional damage in the middle of the arch where actually most of the present damage is located. This analysis indicated that even for additional damage that would leave only 5cm of width of the barrel vault that composes the Gate the structure can still sustain its self-weight and even a load factor of 10 times 5 kN/m. Further studies are proposed based on the results obtained in this project.

Portugal posee una larga historia que frecuentemente se conserva en forma de construcciones históricas. La Fortaleza de Almeida en Guarda es una de ellas. Levantada en el siglo 17, ha sido objeto de reparaciones y adaptaciones durante siglos. A pesar de esto, muy poca información se puede encontrar acerca de las técnicas de construcción usadas, materiales e intervenciones pasadas. Hoy, este monumento requiere atención debido al continuo deterioro de sus materiales y la necesidad de incrementar el conocimiento acerca de este edificio para futuras intervenciones. El propósito de este trabajo es estudiar la estabilidad estructural de la Puerta de San Francisco con el objetivo de determinar el nivel de seguridad y el nivel de intervención requerido para que continúe guardando la historia de la nación Portuguesa. Para lograr esto un modelo númerico de elemento finito fue utilizado. El modelo creado ha sido un modelo 2D no lineal de la estructura original seguido por un modelo no lineal de la estructura incluyendo el deterioro actual todo a través de un análisis de fases. Las propiedades mecánicas de los materiales fueron obtenidas mediante una campaña de ensayos sónicos. La cuantía del daño fue medida con la ayuda de escaneo laser 3D. La sensibilidad del modelo a las propiedades mecánicas de los dos materiales usados (mampostería de piedra y material de relleno) fue estudiada. Los resultados muestran que el modelo es altamente sensible a la variación de la capacidad en compresión en el material de mampostería de piedra y también es sensible a la variación del tipo de relleno. El análisis de sensibilidad fue hecho para dos tipos de carga, una carga viva aplicada hasta el momento de falla sobre toda el techo de la estructura o solamente en su lado derecho. El análisis fue repetido para tres modelos diferentes que representan el deterioro gradual de la estructura hasta su condición actual. El análisis de seguridad demostró que para este tipo de macro modelo la estructura puede ser considerada segura en todos los casos. Más allá del análisis de la estructura en su estado actual modelos para 5 escenarios de daño hipotético fueron creados para evaluar las áreas vulnerables de la estructura. Los resultados de estos escenarios muestran que la ubicación critica de daño adicional seria en el centro de la parte interior del arco derecho, donde la mayoría del daño existe actualmente. Este análisis indica que incluso para una condición de daño adicional que dejaría solamente un espesor de 5 cm en la bóveda la estructura aún sería capaz de sostener su propio peso e incluso una carga viva de 50 kN/m. Nuevos estudios fueron propuestos con base en estos análisis.

Portugal possui uma longa história, conservada muitas vezes, na forma de construções históricas. A fortaleza de Almeida, na Guarda, é um desses exemplos. Erguida no século 17, tem sido objeto de reparos e adaptações ao longo dos séculos. Apesar disso, a informação que pode ser encontrada relativamente às técnicas de construção utilizados, materiais e intervenções passadas é escassa. Hoje, este monumento precisa de alguma atenção devido à deterioração contínua dos materiais e da necessidade de aumentar o conhecimento sobre este edifício para futuras intervenções. Este trabalho tem como objetivo estudar a estabilidade estrutural do Portão de São Francisco, com o propósito de determinar o seu grau de segurança e o nível de intervenções necessárias, para que este possa continuar a manter a história da nação Portuguesa. Para isso, utilizou-se um modelo numérico de elementos finitos. Foi criado um modelo não-linear 2D da estrutura original seguido por um modelo linear, incluindo o dano das secções específicas deterioradas por meio de análise de fases. As propriedades mecânicas dos materiais foram obtidas a partir de um conjunto de ensaios sónicos. A quantidade de danos foi medida com a ajuda do varrimento a laser 3D. Para testar a sensibilidade do modelo à variação das propriedades mecânicas dos materiais utilizados, dois materiais (alvenaria de pedra e de enchimento) foram estudados. Os resultados mostram que o modelo é altamente sensível à variação do valor de compressão de ambos os materiais usados. A análise de segurança foi feita em dois locais, aplicando uma carga viva nas falhas do topo ou apenas no lado direito da estrutura. Esta, foi repetida em três modelos diferentes, que representam a gradual deterioração da estrutura com o estado real. Esta análise demonstra que, para este tipo de modelo macro, a estrutura é sempre segura. Além disso, cinco cenários de lesão hipotética adicionais foram modelados para estudar as áreas vulneráveis da estrutura. Os resultados, a partir destes cenários, mostram que o estado crítico seria quando houvessem danos adicionais no meio do arco, onde, na verdade, a maior parte do presente dano está localizado. Esta análise indicou que, mesmo com os danos adicionais, onde apenas restariam 5 centímetros de largura da abóbada de berço que compõe o portão da estrutura, esta ainda pode sustentar o seu próprio peso e até mesmo uma taxa de ocupação de 10 vezes 5 kN / m. Mais estudos são propostos com base nos resultados obtidos neste projeto.