Typology based methodology for in situ testing of masonry

Abstract

Masonry and stone masonry in particular, has been the main building material throughout history in vast parts of the world. This extremely rich and variable material has a unique and not completely comprehendible nature, both in spatial-architectural terms and from the engineering point of view. The knowledge of material properties of historic masonry is often lacking, and furthermore, even when material properties are available, the constitutive laws coming from a good knowledge of the material are not enough. Many academic and practical efforts have been made offering different approaches to classify historic masonry, striving to unfold its complexity and to cast logic into its diagnostic approach. The aim of this thesis is to contribute to the gained knowledge of historic masonry in Portugal and its diagnosis procedures. The main objective is to propose practical methodologies for diagnosis of historic masonry structures, corresponding to their typological characteristics. The study is based on the Portuguese architectural landscape, yet has global classifications, and thus can be useful for any diagnosis procedure of a historic masonry wall. In order to develop such methodologies, information relating to historic masonry typologies in Portugal is gathered and classified. Consecutively, techniques for assessment of historic masonry are studied, and all information is integrated and utilized to develop typology oriented diagnosis procedures. These procedures are classified into rural, urban and military building types, and offer general guidelines for diagnosis of such structures, as well as in depth suggestions for specific diagnosis procedures. In addition, the recommended methodology is tested and validated in a diagnosis campaign carried out in the Guimarães Castle. The development process illustrates that many advantages can be drawn to the field of historic heritage diagnosis by utilizing typological information. By considering both physical (geometry, morphology, etc.) and theoretical aspects of the typologies, different approaches to their diagnosis arouse. The validation process highlights the importance and value of precise pre-planning of the diagnosis procedure on one hand, but finds the necessity of flexibility in the on-site campaign on the other. In order to employ this approach in practical campaigns, further study and classification must be attained. Yet hopefully this work can take us one step closer to decipher the comprehension of historic masonry.

A alvenaria e a alvenaria de pedra em particular têm sido o principal material de construção ao longo da história em vastas civilizações no mundo. Este material, extremamente rico e variável, tem natureza única e não completamente conhecida, tanto em termos espaciais e arquitetónicos, como do ponto de vista da engenharia. O conhecimento das propriedades da alvenaria histórica é muitas vezes inexistente. Muitas e diferentes abordagens têm surgido para classificar a alvenaria histórica, numa tentativa de compreender e reduzir a sua complexidade, a fim de se alcançar uma lógica nas abordagens de diagnóstico e de análise estrutural. O objetivo da presente dissertação é contribuir para o conhecimento adquirido sobre a alvenaria histórica em Portugal e para os procedimentos mais corretos de diagnóstico estrutural. O objetivo principal é propor metodologias para a prática do diagnóstico de estruturas históricas. O presente estudo baseia-se no panorama arquitetónico Português, utilizado a sua classificação global para trabalho, podendo ser uma ferramenta útil para qualquer procedimento de diagnóstico de uma parede de alvenaria de uma construção histórica. Para desenvolver as metodologias propostas, foram recolhidas e classificadas informações relativas às tipologias construtivas das alvenarias em Portugal. Consecutivamente, foram estudadas técnicas de inspeção. Toda a informação foi integrada e utilizada para o desenvolvimento de procedimentos de diagnóstico, orientados para cada tipologia. Os procedimentos foram desenvolvidos para três tipos de construções – rurais, urbanas e militares – e oferecem diretrizes gerais para o diagnóstico, bem como algumas sugestões para aprofundar cada diagnóstico específico. Além disso, a metodologia recomendada foi testada e validada numa campanha de diagnóstico realizada no Castelo de Guimarães. As metodologias propostas permitiram concluir que, utilizando as informações tipológicas, muitas vantagens podem ser atraídas durante a fase de diagnóstico. Ao considerar tanto os dados físicos (geometria, morfologia, etc.) como os aspetos teóricos das tipologias, diferentes abordagens para o diagnóstico estrutural foram sugeridas para cada tipologia. O processo de validação da metodologia demonstrou, por um lado, a importância do valor do planeamento prévio das campanhas de inspeção, mas considerou, por outro, a necessidade de flexibilidade na utilização dos métodos de ensaio aquando dos trabalhos de campo. Para que seja possível aplicar na prática estas abordagens, será necessário um estudo mais aprofundado das classificações e da metodologia proposta. No entanto, espera-se que este trabalho tenha contribuído para aumentar o conhecimento sobre a alvenaria histórica.

הבניה באבן, על סוגיה השונים, היוותה את שיטת הבניה העיקרית לאורך ההסטוריה ברחבי העולם. כחומר בניה, האבן מגוונת ורב שימושית, ובעלת מאפיינים ייחודיים וטבע שלעיתים אינו לחלוטין מובן. זאת הן בהקשרים חלליים-אדריכליים והן מנקודת המבט ההנדסית. לרוב, הידע הקיים על תכונותיה ההנדסיות של האבן כחומר בבניה היסטורית הינו חסר, ומעבר לכך, גם כאשר קיים ידע מעין זה, החוקים הקונסטיטואטיביים הנובעים ממנו אינם מספקים. מחקרים אקדמיים, כמו גם ניסיונות מעשיים רבים, מציעים גישות שונות לסווג בנייה היסטורית באבן, בשאיפה לפשט את מורכבותה ולייצר גישות אבחוניות מותאמות לסוגיה השונים. מטרת עבודה זו, היא לנסות ולתרום לגוף הידע הקים בתחום הבניה ההיסטורית באבן בפורטוגל ותהליכי האבחון שלה. הכוונה העיקרית הינה להציע מתודולוגיות מעשיות לאבחון מבני אבן היסטוריים בהתאם למאפיינים הטיפולוגים שלהם. המחקר מבוסס על הנוף האדריכלי המצוי בפורטוגל, אך היות והוא נבחן במאפיינים גלובליים, יכול לשמש לכל תהליך דיאגנוסטי של בנייה היסטורית באבן באשר הוא. על מנת לפתח שיטות אלו, נאסף ומויין בעבודה זו מידע העוסק במאפייני הבנייה ההיסטורית באבן ברחבי פורטוגל. במקביל, נלמדו טכניקות אפשריות לאבחון של מבני אבן הסטוריים, והמידע המשותף תוכלל לטובת פיתוח תהליכי אבחון מבוססי טיפולוגיה. תהליכים אלה מסווגים על פי שלוש קטגוריות בנייה שונות: בנייה כפרית, עירונית וצבאית. ביחס לקבוצות אלו מוצעים קווים מנחים לאבחון קירות הנכללים בקטגוריות השונות, וכן הנחיות לתהליכי אבחון נקודתיים. בנוסף, המתודולוגיה המוצעת נבחנה ותוקפה במערך בדיקות דיאגנוסטי שבוצע הלכה למעשה על קירות הטירה בעיר גימראש בפורטוגל. תהליך פיתוח המתודולוגיות המחיש כי השימוש במידע הטיפולוגי מייצר יתרונות רבים לתהליך האבחוני של המורשת ההיסטורית. מתוך ההתייחסות לאספקטים הפיזיים )גאומטריה, מורפולוגיה וכו׳( והתיאורטיים של הטיפולוגיות, עלו מן המחקר גישות שונות לאבחונן. הבדיקות המעשיות שבוצעו באתר הדגישו את חשיבות תכנונו של התהליך האבחוני על פי מתודולוגיה ברורה, כפי שמוצעת בעבודה זו. מנגד, עלה גם הצורך בגמישות במהלך ביצוע המערך המתוכנן באתר. על מנת להשתמש בשיטות המוצעות בעבודה זו בתהליכים דיאגנוסטיים מעשיים, נדרשים המשך בחינה ולימוד של התחום, והמשך שכלולן ופריטתן לכדי כלים פרקטים תקפים. עם זאת, כולי תקווה כי עבודה זו תאפשר התקדמות בצעד קטן נוסף אל עבר פענוח החידה ששמה בנייה היסטורית באבן.