Structural identification for heritage buildings: an HBIM-based approach applied to cultural masonry structures

Abstract

A avaliação estrutural de edifícios históricos é uma atividade multidisciplinar desafiadora que envolve diferentes tarefas, como pesquisa histórica e documental, levantamento geométrico, inspeção direta, complementada por testes experimentais, e análise numérica. O diagnóstico do estado de construção das estruturas do patrimônio cultural deve resultar de uma investigação experimental que deve ser não destrutiva (END), na medida do possível. A maioria dos procedimentos de END pode fornecer apenas resultados essencialmente qualitativos. O analista é solicitado a selecionar os ensaios necessários e a interpretar os resultados obtidos. A avaliação estrutural envolve a coleta de dados de uma ampla variedade de fontes e o subsequente processo de seleção. Um alto nível de informação é necessário para simular com precisão o comportamento global do edifício histórico. As informações adquiridas para a avaliação estrutural podem ser armazenadas em um banco de dados para simplificar as análises de pesquisa, prevenindo uma possível perda de informações. Incertezas críticas relacionadas a geometrias e propriedades dos materiais precisam ser minuciosamente investigadas para a obtenção de modelos numéricos confiáveis. Para simular o comportamento estrutural global de um edifício histórico, pode se aplicar uma investigação dinâmica estrutural. Em condições operacionais, é possível obter informações quantitativas globais, como frequências ressonantes e modos vibracionais. Essas informações são representativas da condição estrutural e contribuem notavelmente para o percurso do conhecimento do edifício, reduzindo a incerteza do problema. A proposta da tese foi desenvolver uma metodologia para avaliação estrutural de edifícios do patrimônio cultural, que parte de uma pesquisa histórica e arquitetônica registradas por meio do Historical Building Information Modelling (H-BIM) e complementada pelo levantamento dinâmico. A identificação estrutural baseada em análise modal operacional contribui para o aumento do conhecimento sobre o comportamento estrutural do edifício de patrimônio histórico e a subsequente atualização dos parâmetros do modelo de elementos finitos para uma aprimorada representação numérica. A validação da metodologia é feita através de dois estudos de caso de edifícios de patrimônio histórico. O primeiro estudo de caso é a Galleria degli Antichi, na cidade de Sabbioneta (Itália). Este edifício monumental, construído no século XVI, pertence à lista de Patrimônio Mundial da UNESCO desde 2008. O segundo estudo de caso é o Quartel da Tropa, edifício do século XVIII, que é um dos principais edifícios da Fortaleza de Santa Cruz, localizado na Ilha Anhatomirim, município de Governador Celso Ramos, Estado de Santa Catarina, Brasil. A avaliação das informações, coletadas pela pesquisa histórica e arquitetônica, o H-BIM e os testes dinâmicos, permitiram a validação da metodologia, reduzindo as principais incertezas quanto à definição de modelos numéricos e à avaliação do estado de preservação da estrutura do edifício, de maneira totalmente não destrutiva. A compreensão do comportamento estrutural da estrutura foi aprimorada pela avaliação do modelo numérico atualizado, aumentando o nível de conhecimento ao respeito dos edifícios patrimoniais analisados. Assim, foi desenvolvida uma metodologia para identificação estrutural de edifícios do patrimônio cultural, que otimiza a gestão de informações através do H-BIM favorecendo a colaboração multidisciplinar necessária para projeto e ações de intervenção em patrimônio.

Abstract: The structural assessment of heritage buildings is a challenging multidisciplinary activity involving different tasks, e.g. historical and documentary research, geometric survey, direct inspection supplemented by experimental tests, numerical analysis. Moreover, the diagnosis of the as-built state of the cultural heritage structures should result from an experimental in-situ investigation that must be a non-destructive test (NDT) as far as possible, still giving consistent information. However, most of the NDTs provide results which are essentially qualitative. The designer is asked to select the necessary tests and to interpret the obtained results. Therefore, structural assessment involves the collection of data from a wide range of sources and the subsequent selection process. The information acquired for the structural evaluation can be stored in a database to simplify the research analysis, preventing a possible loss of information. Hence, a high level of information is required to accurately simulate the global behaviour of the heritage building. However, such input data are not easily available. Critical uncertainties related to geometries and material properties must be sufficiently investigated to obtain reliable numerical models. Furthermore, dynamic investigation in operational conditions provides global quantitative information, i.e. resonant frequencies, mode shapes. Such information is3 representative of the structural condition and remarkably contribute to the path to knowledge of the building, reducing the uncertainty of the problem. In this research, the author develops a methodology involving historical and architectural research complemented by H-BIM and dynamic survey for the structural assessment of cultural heritage buildings. A threedimensional informative model is created through the Heritage Building Information Model (H-BIM). Moreover, vibration-based structural identification through operational modal analysis allows increasing the knowledge of the heritage building structural behaviour and the subsequent Finite Element model tuning for an improved numerical representation of the structural behaviour of the heritage building. The development and validation of the methodology are proposed through two heritage building case studies. The first is the Galleria degli Antichi in the historic town of Sabbioneta (Italy). This monumental building, built in the 16th-century, belongs to the UNESCO World Heritage list since 2008. The second is the Quartel da Tropa, which is the largest among Brazilian military fortifications of the 18th-century. It is one of the main buildings of the Fortress of Santa Cruz, located on Anhatomirim Island, municipality of Governador Celso Ramos, State of Santa Catarina, Brazil. The information collected by historical and architectural investigations, H-BIM and dynamic tests allowed validating the methodology, reducing the main uncertainties associated with the numerical models and assessing the structural state of preservation of the building, in a fully nondestructive way. Moreover, the understanding of the overall structural behaviour was improved by the evaluation of the updated numerical model, increasing the level of knowledge of the analysed heritage buildings. Thus, a methodology was developed for the structural identification of cultural heritage buildings, which optimizes information management through H-BIM, improving the multidisciplinary collaboration necessary for heritage projects and intervention actions.