Seismic behaviour and strengthening of barrel vaults of Augustinian churches in Mexico

Abstract

Os conventos do século XVI são um exemplo significativo do rico e variado Património Cultural Mexicano, difundido em mais de metade do país. As construções agostinianas caracterizam-se por projetos muito ambiciosos, com naves únicas, atingindo até 70 m de comprimento e mais de 13 m de largura, cobertas por abóbadas de berço. Concebido maioritariamente para suportar cargas estáticas verticais, este sistema de cobertura demonstrou ser extremamente vulnerável a eventos sísmicos moderados. O México está localizado numa zona com elevada sismicidade e vários Estados estão em perigo sísmico constante. A maioria dos conventos mexicanos do século XVI estão situados nesses Estados. Recentemente, após os terremotos de Chiapas e Puebla em 2017, várias dessas estruturas, pertencentes à “La Ruta de los Conventos” (A Rota dos Conventos), foram severamente danificadas. O principal objetivo da presente tese é fornecer informações valiosas sobre o comportamento sísmico das igrejas agostinianas de nave única do período colonial e apoiar a sua preservação através da análise de técnicas de reforço adequadas para prevenir os danos causados por sismos. Assim, foi selecionado um caso de estudo relevante, nomeadamente o templo de Santo Agostinho, localizado no centro histórico da cidade de Morelia (Michoacan), reconhecida como Património Cultural pela UNESCO desde 1991. Foi realizada uma inspeção visual da igreja e ensaios de identificação dinâmica utilizando vibração ambiental. Foi desenvolvido um modelo numérico 3D FEM detalhado no programa DIANA, adotando uma abordagem de macro-modelação, e calibrado relativamente às frequências naturais identificadas experimentalmente. O Modal Assurance Criterion (MAC) validou a precisão do modelo calibrado. Por forma a avaliar o desempenho sísmico da igreja, foram realizadas análises dinâmicas não lineares (NLDA) e análises estáticas não lineares (POA). Após a determinação da capacidade da estrutura, foram definidas e analisadas seis configurações de reforço usando a POA, tendo por objetivo avaliar a melhoria da capacidade sísmica. A análise do edifício não reforçado demonstrou que a igreja suportaria o sismo de projeto, de acordo com o mapa de perigosidade sísmica produzido pelo INEEL, embora apresentando um fator de segurança baixo. A abóbada de berço, os arcos transversais, a cúpula, a fachada, o presbitério e a abóbada de aresta são os elementos mais vulneráveis, apresentando mecanismos de colapso característicos e semelhantes aos identificados durante os levantamentos pós-sismo. As técnicas de reforço adotadas produziram um incremento máximo na capacidade estrutural de 92% e 57% na direção transversal e longitudinal, respetivamente.

Convents from the 16th century are a significant example of the rich and varied Mexican Cultural Heritage, widespread in more than half of the country. Among them, Augustinian constructions are characterised by very ambitious projects, with single naves, reaching up to 70 m in length and more than 13 m in width, covered by barrel vaults. Being conceived mostly to stand vertical static loads, this roofing system is particularly concerning and proved to be extremely vulnerable against moderate seismic events. Mexico is located in a highly seismic area known as the ring of fire and several states are under a constant seismic hazard. The majority of the Mexican convents from the 16th century is located in these states. Recently, after the earthquakes of Chiapas and Puebla of 2017, several of these structures, belonging to “La Ruta de los Conventos” (The Route of the Convents), were severely damaged. The main objective of the present thesis is to provide valuable insight into the seismic behaviour of Augustinian single-nave churches from the colonial period and support their preservation by analysing suitable strengthening techniques to prevent or reduce the damage caused by earthquakes. To achieve it, a relevant case study was selected, namely the temple of San Agustin, located in the historic city centre of Morelia (Michoacan), recognised as Cultural Heritage by UNESCO since 1991. An accurate visual inspection of the church and dynamic identification tests, using ambient vibration, were carried out. A detailed numerical 3D FEM model was developed in the environment of the DIANA software, adopting a macro-modelling approach, and calibrated to the experimentally identified natural frequencies. The Modal Assurance Criterion (MAC) validated the accuracy of the updated model. In order to evaluate the seismic performance of the church, nonlinear dynamic analyses (NLDA) and pushover analyses (POA) were performed. After determining the capacity of the structure, six strengthening configurations were defined and analysed using POA, aiming at improving the seismic capacity. The analysis of the unreinforced building demonstrated that the church would stand the expected earthquake, according to the hazard map by INEEL, although presenting a low safety factor. The barrel vault, transverse arches, dome, façade, presbytery and groin vault are the most vulnerable elements, presenting collapse mechanisms and damage scenarios similar to those identified during post-earthquake surveys. The strengthening techniques adopted produced a maximum increment in the structural capacity of 92% and 57% in transverse and longitudinal direction, respectively.