Methodologies for assessing the structural integrity of historic masonry domes and vaults

Abstract

Modern non-destructive investigation techniques and computational tools for nonlinear analysis allow understanding the structural behavior and damage of existing buildings, aiming at the least possible extent of intervention. Careful and minimal intervention is essential to preserve the authenticity of the built cultural heritage. An investigation with a historical, experimental, and numerical approach was carried out in the Theatro Municipal do Rio de Janeiro, in Brazil, a building with an eclectic architecture from the beginning of the twentieth century. Its masonry domes and vault have paintings by renowned artists on their intrados and were strengthened in the 1970s. The adopted methodology was based on anamnesis, characterization and observation of the structure employing non-destructive tests, and on the assessment of its vulnerability by nonlinear analyses of calibrated numerical models. Several hypotheses of differential settlement under gravitational actions were investigated, seeking to reproduce the cracking pattern and to identify the causes of damage to the masonry domes and vault before the strengthening. The nonlinear analysis of the structure allowed to evaluate the causes of the observed damage, assess the level of safety, identify the most vulnerable parts, and characterize the collapse mechanisms, in addition to demonstrating the efficiency of the intervention measures adopted in the past.

Técnicas modernas de investigação não destrutiva e ferramentas computacionais para análise não linear permitem compreender o comportamento estrutural e danos em edifícios existentes, visando a menor intervenção possível. A intervenção cuidadosa e mínima é essencial para preservar a autenticidade do patrimônio cultural construído. Uma investigação de abordagem histórica, experimental e numérica foi realizada no Theatro Municipal do Rio de Janeiro, no Brasil, edifício de arquitetura eclética do início do século XX. Suas cúpulas e abóbada em alvenaria possuem pinturas de renomados artistas no intradorso e foram reforçadas na década de 1970. A metodologia adotada baseou-se na anamnese, caracterização e observação da estrutura por meio de ensaios não destrutivos e na avaliação de sua vulnerabilidade por análises não lineares de modelos numéricos calibrados. Diversas hipóteses de recalque diferencial sob ações gravitacionais foram investigadas, buscando reproduzir o padrão de fissuração e identificar as causas dos danos nas alvenarias antes do reforço. A análise não linear da estrutura permitiu avaliar as causas dos danos observados, estimar o nível de segurança, identificar as partes mais vulneráveis e caracterizar os mecanismos de colapso, além de demonstrar a eficácia das medidas de intervenção adotadas no passado.