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INSPECÇÃO, DIAGNÓSTICO E PROPOSTA DE INTERVENÇÃO NA FACHADA DA IGREJA DO CARMO EM COIMBRA

CARLOS REBELO Prof. Aux. DEC FCTUC Coimbra – Portugal

EDUARDO JÚLIOProf. Aux. DEC FCTUC Coimbra – Portugal

PAULO TIAGO Prof. Adj. DEC ISEC IPC Coimbra – Portugal

SUMÁRIO A Igreja de N. Sr.ª do Carmo é parte integrante do conjunto edificado do Colégio do Carmo, um dos cinco colégios construídos na Rua da Sofia, no reinado de D. João III, no âmbito da instalação definitiva da Universidade em Coimbra. O Colégio foi fundado por D. Frei Baltazar Limpo, tendo-se iniciado, em 1541, a construção do noviciado, projecto de Diogo de Castilho, e, em 1544, a construção da zona do dormitório adjacente à Rua da Sofia. Ainda neste ano, é mandada edificar, por D. Frei Amador Arrais, a Igreja de N. Sr.ª do Carmo, a qual é terminada apenas em 1597. Recentemente, face às anomalias visíveis na fachada, na abóbada e no coro-alto da Igreja do Carmo, a DGEMN encomendou um estudo à Universidade de Coimbra, incluindo inspecção, diagnóstico e proposta de intervenção. Neste artigo, descrevem-se alguns dos trabalhos realizados, como a utilização de técnicas de extracção modal no domínio da frequência, para a caracterização estrutural e consequente avaliação da integridade da parede de fachada. Apresentam-se, igualmente, propostas de reabilitação estrutural, tendo em vista a consolidação deste elemento. 1. INTRODUÇÃO O património histórico edificado apresenta, relativamente à construção nova, uma maior fragilidade no que respeita à sua segurança anti-sísmica. Os factores que contribuem para esta realidade são vários: (a) os materiais que constituem a estrutura não apresentam, regra geral, características mecânicas adequadas, ao contrário do aço ou do betão armado; (b) frequentemente, o seu estado de conservação é mau, devido à agressividade do meio ambiente, à presença de água, por infiltração, condensação ou por capilaridade, e a fenómenos resultantes desta; (c) a presença de danos, devido à ocorrência de sismos, assentamentos das fundações e de outro tipo de acções, condiciona negativamente a resposta da estrutura; e (d) a existência de alterações morfológicas e de intervenções intrusivas sem respeitar a compatibilidade com as preexistências contribui, igualmente, para diminuir a sua capacidade resistente. A análise do comportamento sísmico deste tipo de construções é complexa devido, por um lado, aos aspectos anteriormente enumerados e, por outro, à dificuldade associada à definição das mais elementares características mecânicas dos materiais como, por exemplo, o módulo de elasticidade de uma parede, não raras vezes constituída por paramentos exteriores de pedra aparelhada, com junta seca ou argamassada, e interior em taipa. Habitualmente, acresce ainda a dificuldade em definir os apoios da estrutura e as suas propriedades elásticas. Pelas razões atrás referidas, a metodologia a seguir na conservação de construções antigas deve ser a seguinte: (1) inspecção da estrutura, incluindo o seu levantamento geométrico rigoroso, o registo exaustivo e sistemático das anomalias e de todas as intervenções efectuadas, observáveis e/ou documentadas, e a realização de ensaios não destrutivos in situ e de ensaios laboratoriais para caracterização mecânica dos materiais; (2) construção de um modelo numérico que simule o comportamento da estrutura real, calibrado e validado com medições in situ; e (3) análise de diferentes alternativas e selecção da intervenção de conservação e reabilitação estrutural mais adequada, respeitando os princípios de reversibilidade, de mínima intrusão e de compatibilidade com a preexistência.

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Neste artigo, descreve-se a aplicação de alguns pontos da metodologia apresentada no parágrafo anterior, no âmbito da conservação da Igreja de N. Sr.ª do Carmo em Coimbra (Figura 1), incidindo nos estudos efectuados sobre a fachada principal e dando especial destaque às técnicas de análise modal utilizadas.

Figura 1: Igreja de N. Sr.ª do Carmo. 2. SINOPSE HISTÓRICA Em 1540, D. Frei Baltasar Limpo, bispo do Porto, funda o Colégio do Carmo para que os clérigos da diocese do Porto viessem estudar para a Universidade de Coimbra. Entre 1541 e 1548 é construído o noviciado, da autoria do arquitecto Diogo de Castilho. Em 1547, o colégio é doado aos Carmelitas Descalços. A 7 de Agosto de 1571 são definidos os estatutos do colégio e, a 7 de Setembro do mesmo ano, uma carta régia de D. Sebastião insere o colégio na Universidade. Entre 1597 e 1600 são construídos a igreja e o claustro por D. Frei Amador Arrais que, após renunciar ao cargo de bispo de Portalegre, reingressou no colégio coimbrão. Esta campanha foi executada por Francisco Fernandes, nomeado Mestre das Obras da Cidade no ano seguinte, contando ainda com a participação dos mestres Manuel João, António Fernandes e Onofre Simões. Já no século XIX o Colégio do Carmo foi cedido à Ordem Terceira que, em 1846, iniciou as obras de adaptação do edifício a hospital, abruptamente interrompidas na altura da revolução cabralista, no momento em que a Junta Governativa provisória de Coimbra requisita o Colégio para albergar o quartel de forças populares. O hospital entra em funcionamento a 15 de Junho de 1851. Em 1854, são executadas alterações na fachada da igreja, construindo-se umas escadas de acesso e um átrio com guardas e portão em ferro. 3. DESCRIÇÃO DA IGREJA A Igreja do Carmo (Figura 2) apresenta planta longitudinal, composta por uma única nave com quatro capelas laterais intercomunicantes, encimadas por dois corredores, transepto inscrito com capelas nos topos, capela-mor flanqueada por duas sacristias, coro-alto, duas galerias laterais e duas torres sineiras.

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Figura 2: Alçado principal e plantas do Colégio e da Igreja do Carmo. 4. INSPECÇÃO 4.1. Objectivos e metodologia O estudo realizado teve como principais objectivos: (1) diagnosticar o estado de conservação da estrutura da Igreja do Carmo; (2) avaliar a necessidade de proceder à sua consolidação e/ou reforço; e (3) apresentar uma proposta de intervenção. A metodologia adoptada na prossecução dos três objectivos referidos foi definida após a realização de uma inspecção preliminar. Foram identificadas e consideradas críticas as seguintes anomalias: (a) deformação do coro-alto; (b) fendilhação da fachada principal; e (c) fissuração da abóbada da nave. Os procedimentos considerados adequados à formulação do diagnóstico do segundo caso são descritos nos parágrafos seguintes. 4.2. Identificação modal por medição da vibração ambiente A inspecção da fachada principal consistiu, inicialmente, no mapeamento de anomalias no exterior (Figura 3a), tendo-se procedido igualmente no interior à sua observação e registo fotográfico (Figura 3b). Da análise destes elementos verificou-se existir fendilhação significativa, colocando-se a questão da efectiva ligação da fachada à estrutura, motivo pelo qual se decidiu realizar uma análise dinâmica, utilizando o método de identificação modal por medição da vibração ambiente. O sistema de medida utilizado, PULSE – Type 3560/D da firma BRÜEL & KJAER®, consiste num PC com interface LAN, software PULSE de nove canais, e um condicionador de sinal para aquisição, amplificação e digitalização do sinal. O armazenamento é feito no disco rígido do computador. Os nove transdutores de aceleração usados nas medições são do tipo Brüel&Kjaer 4378, com uma sensibilidade de 316 mV/g e do tipo PCB 393B12 com uma sensibilidade nominal de 10000 mV/g, o que permite medir

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acelerações a partir de 10-5 ms-1. Na Tabela 1 estão resumidas as suas características principais e, na Figura 4, indicam-se as respectivas localizações. Os métodos designados de vibração ambiente ou métodos output-only baseiam-se na hipótese de que a excitação dinâmica da estrutura é feita através do ‘ruído ambiente’ ou seja, tem origem na movimentação de tráfego nas zonas circundantes, microsismos, vento, ou quaisquer outras fontes não identificadas. No entanto, o modelo matemático subjacente admite que o conjunto das diversas acções dinâmicas obedece aos requisitos definidos para os campos estocásticos estacionários do tipo ‘ruído branco’, ou seja, em sentido estatístico não existe correlação temporal nem espacial, garantindo que todos os modos de vibração são excitados e que os espectros de potência obtidos da medição da resposta estrutural apenas reflecte as características dinâmicas do sistema. Para que, em sentido estatístico, a análise se aproxime suficientemente deste modelo matemático é habitualmente necessário realizar medições com duração de vários minutos, dependendo do tipo de estrutura e do nível de vibração, estimando posteriormente os parâmetros através dos valores médios e da dispersão. Com base neste modelo é também possível fazer medições não simultâneas nos vários pontos de medição definidos previamente com base em modelos numéricos dos modos de vibração. Para o efeito apenas deve ser garantido que existem pontos de medição de referência, nos quais existe resposta significativa da estrutura em todos os modos de vibração que se pretendem identificar. A extracção dos parâmetros modais a partir das séries temporais de resposta de aceleração é feita, em geral, no domínio da frequência. Uma das metodologias para a identificação dos parâmetros modais em estruturas de engenharia civil baseia-se no método de Peak-picking, o qual consiste em seleccionar os picos das estimativas espectrais da resposta medida nos diversos pontos da estrutura, identificando assim os valores das frequências próprias. Por sua vez as formas dos modos de vibração podem ser obtidos através da representação, na geometria da estrutura, de deslocamentos proporcionais aos valores desses mesmos picos espectrais normalizados relativamente aos picos obtidos nos pontos de referência. O amortecimento modal pode ser obtido, por exemplo, através do ‘método da meia-potência’ (Bendat&Piersol, 1993). Contudo, este procedimento, embora de simples aplicação, está sujeito a erros originados pela hipótese de baixo amortecimento e de separação clara dos modos de vibração, o que não é possível de garantir em muitas situações práticas. Assim, por exemplo, um pico espectral constituído por dois modos de vibração diferentes mas com frequências próprias muito próximas é identificado como um único modo (Hu, 2007). Técnicas matemáticas com desenvolvimentos recentes como sejam a decomposição no domínio da frequência e a identificação estocástica em sub-espaços têm possibilitado ultrapassar alguns dos inconvenientes inerentes aos métodos anteriores e fornecem estimativas geralmente mais precisas para os parâmetros modais (Brincker et al, 2000, 2001). Com vista à identificação modal da estrutura em análise, em especial os modos de vibração, frequências próprias e amortecimento da fachada principal, foi medida a resposta de aceleração horizontal, transversal à fachada, sem qualquer excitação directa, ou seja, apenas com a excitação natural introduzida principalmente pela acção do tráfego rodoviário na rua adjacente. Por dificuldades de acesso aos locais de medição e da limitação de tempo para a execução do estudo foram feitas medições num número limitado de pontos pertencentes à fachada do edifício, identificados na Figura 4, os quais se revelaram suficientes para fazer a caracterização desta parte do monumento. Dos pontos medidos, sete foram mantidos, como referência (nós 15 e 25 a 30 na Figura 4), em todas as configurações e os restantes foram colocados sucessivamente nos restantes pontos de medição (nós 8, 11, 14, 17, 20 e 23) Na análise das séries temporais resultantes de períodos de medição de cerca de 30 a 45 minutos foram usadas técnicas de extracção modal no domínio da frequência (peak picking e enhanced frequency domain decomposition, EFDD) implementadas no software ARTeMIS (SVS, 2006). Estas técnicas permitem, não só, a

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extracção dos parâmetros modais fornecendo estimativas para as frequências próprias e amortecimentos modais mas, também, estimar as formas de vibração em cada modo. Dado que o número de pontos em que se fazem medições é sempre limitado, são considerados pontos auxiliares para a definição de uma malha que permita a visualização dos modos de vibração. O movimento dos pontos auxiliares é considerado linearmente dependente dos pontos vizinhos em que se efectuaram medições. Este procedimento, feito a posteriori, serve exclusivamente para a visualização dos modos e não tem qualquer interferência com a sua identificação.

Figura 3: Anomalias da fachada da Igreja do Carmo – (a) mapeamento exterior e (b) foto interior.

Tabela 1 - Características principais dos acelerómetros usados.

transdutor tipo posição sensibilidade (mV/g)

peso (g)

gama freq.s

(Hz) 1 B&K4378 28 316 175 0.2-2800 2 B&K4378 27 316 175 0.2-2800 3 B&K4378 17 316 175 0.2-2800 4 B&K4378 15 316 175 0.2-2800 5 B&K4378 25 316 175 0.2-2800 6 B&K4370 14 316 175 0.2-2800 7 PCB 393B12 30 10000 210 0.15-1000 8 PCB 393B12 29 10000 210 0.15-1000 9 PCB 393B12 26 10000 210 0.15-1000

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Figura 4: Esquema de colocação dos acelerómetros na parede. Na Tabela 2 apresentam-se os valores médios das frequências próprias identificadas, correspondentes aos picos indicados na Figura 5, bem como os valores médios de amortecimento modal e os respectivos desvios padrão. Na Figura 6, ilustram-se os cinco primeiros modos de vibração estimados a partir das medições. Na zona espectral onde seria de esperar encontrar a primeira frequência própria existem dois picos espectrais que correspondem a modos de vibração ligeiramente diferentes (Figura 6 a, b). Dado que os sensores colocados nos pontos 25 e 30 se situam junto às torres sineiras contíguas à fachada, no exterior da zona da fachada delimitada pelas fissuras verticais junto à ligação desta com aqueles, o movimento definido por estes sensores nos modos de vibração tem significado relevante. Assim, verifica-se que, apesar da proximidade de valores de frequência própria dos modos 1 e 2, o primeiro modo apresenta deslocamentos naqueles pontos de medição, os quais são compatíveis com um modo de vibração conjunto da parede de fachada com as torres, enquanto que no segundo modo estes deslocamentos são praticamente nulos, ou seja, existe um deslocamento transversal da parede de fachada que não é acompanhado pelas torres. Ao analisar o terceiro e quarto modos verificam-se diferenças semelhantes às realçadas para o primeiro e segundo modos. O terceiro modo de vibração apresenta uma frequência próxima da do quarto modo, diferindo as formas modais quase exclusivamente no deslocamento junto à ligação da parede de fachada com as torres. Este será porventura um dado importante a ter em conta no ajuste do modelo de E.F. que se seguirá à análise modal experimental, podendo a ligação entre a parede e as torres vir a ser modelada através de elementos de

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rigidez discreta como, por exemplo, molas elásticas, cuja rigidez influenciará a diferença entre as frequências próprias com modo de vibração semelhante (den Hartog, 1956)

Tabela 2 - Parâmetros modais.

Modo Frequência (Hz) Amortecimento (%) Média Desv. Pad. Média Desv. Pad.

1 7.71 0.11 1.86 1.19 2 9.16 0.037 3.94 1.09 3 15.08 0.075 2.45 0.12 4 16.65 0.123 1.06 0.12 5 26.46 0.123 1.11 1.01

Figura 5: Identificação dos picos espectrais: A e B – modo conjunto parede/torres; B – Modo de vibração da parede independente das torres; C – 3.º modo de vibração; D – 4.º modo de vibração.

4.3. Interpretação dos resultados As vantagens de se obterem as frequências próprias e os modos de vibração através de medições de vibração de uma estrutura residem, por um lado, na possibilidade de ajustar os parâmetros de um modelo numérico de elementos finitos de forma a poder ser usado para simular numericamente situações que não são possíveis ou dificilmente o seriam na prática, como por exemplo simular o efeito de um sismo ou de outro tipo de acção extrema, e, por outro lado, permitir identificar anomalias não expostas. No caso presente, apesar do objectivo mais ambicioso de ajustar o modelo de elementos finitos, é possível, de forma preliminar, através da análise dos modos de vibração extraídos, tecer algumas considerações sobre o estado estrutural da fachada e confirmar algumas das anomalias reconhecidas visualmente. Da análise efectuada pode concluir-se que existe um modo de vibração correspondente à vibração da parede independentemente das torres sineiras (modo 2), o qual só é possível se as fissuras visíveis na superfície interior da parede corresponderem a uma separação estrutural quase completa da parede relativamente às torres. Uma análise mais detalhada poderá ser feita através da calibração de um modelo numérico, que servirá também para justificar e analisar soluções de reabilitação estrutural daquelas fissuras

A B

C

D E

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(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Figura 6: Modos de vibração: (a) 1º modo de vibração da parede em conjunto com as torres; (b) 1º modo de vibração da parede independente das torres; (c) 2º modo de vibração da parede em conjunto com as torres; (d) 2º

modo de vibração da parede independente das torres; (e) 3 º Modo. 5. DIAGNÓSTICO E PROPOSTA DE INTERVENÇÃO Da inspecção efectuada, concluiu-se que a parede da fachada se encontra praticamente desligada das torres sineiras, devido à fendilhação entre a primeira e as segundas, visível sobretudo do interior da igreja. A causa desta anomalia pode estar ligada à ocorrência do sismo de 1969, confirmando o testemunho dos elementos da Ordem Terceira que acompanharam as inspecções. Este facto está relacionado com a significativa diferença de massa entre a fachada e as torres sineiras. Propõe-se a colocação estratégica de tirantes metálicos segundo duas direcções: (1) tirantes horizontais e paralelos à fachada, com o objectivo de recuperar o monolitismo do conjunto fachada/torres sineiras; e (2) tirantes horizontais e inclinados 45º relativamente à fachada, para ligar esta ao corpo da igreja. O frontão triangular, que encima a fachada, deverá igualmente ser eficazmente travado, propondo-se ligá-lo por meio de buchas químicas a uma treliça metálica, de traçado poligonal acompanhando o extradorso da abóbada, devidamente ancorada nas paredes da nave. Os tirantes paralelos à fachada devem ser colocados em cinco níveis, uniformemente distribuídos entre a cota imediatamente acima do fecho da serliana e a cota imediatamente abaixo da nascença da abóbada da nave. A fachada deverá ainda ser travada através da colocação de dois feixes de tirantes metálicos, partindo desta e amarrados a 45º na parede mais próxima da nave, desenvolvendo-se a uma cota ligeiramente inferior à cota do pavimento do coro-alto.

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6. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem: à DREMC, na pessoa do Eng.º Afonso Mira, os elementos disponibilizados sobre o monumento estudado, incluindo a Figura 1; ao Prof. Arquitecto Alexandre Alves Costa e aos Arquitectos Rui Lobo e Adelino Gonçalves, a cedência das peças desenhadas relativas aos colégios da Rua da Sofia, incluindo a Figura 2; e à Arq.ª Ana Dourado, aluna do mestrado em “Reabilitação do Espaço Construído”, a cedência da Figura 3a. 7. REFERÊNCIAS [1] Bendat, J.S. & Piersol, A.G. (1993). Engineering application of correlation and spectral analyisis, John

Wiley&Sons [2] Brincker, R.; Zhang, L. and Andersen, P. (2001). Modal identification of output-only systems using

frequency domain decomposition Smart Mater. Struct. 10 441-445 [3] Brinker R. Zhang L.,and Andersen P. (2000) “Modal identification from ambient response using frequency

domain decomposition”. Proceedings of IMAC 18, the international Modal Analysis Conference, San Antonio, TX,USA.

[4] Den Hartog, J.P. 1956. Mechanical vibrations, McGraw-Hill, New York [5] Hu, Weihua (2007). OUTPUT-ONLY MODAL IDENTIFICATION - A TOOLKIT FOR LABVIEW,

CMNE/CILAMCE 2007, Porto, 13-15 Junho, 2007, APMTAC, Portugal [6] Humar, J.L. 2005. Dynamics of Structures, Balkema, The Netherlands [7] StatSoft, Inc. (2001). STATISTICA (data analysis software system), www.statsoft.com [8] SVS – Structural Vibrations Solutions, (2006). ARTeMIS Extractor software