Integrated monitoring and structural analysis strategies for the study of large historical construction : application to Mallorca cathedral

Abstract

Historical structures are vital to the realization of how the technical, artistic, and scientific skills of the human kind have developed over time. These structures are one of the motors of the tourism industry, and therefore, the studies related to their conservation do not only have social benefits but as well economical ones. It is unfortunately that many countries rich with valuable architectural heritage are characterized by high seismic activity, Italy and Turkey are obvious examples. Due to earthquakes, many invaluable historical structures have been lost forever. Consequently, there is an increasing need for more research on the topic of seismic assessment and protection of this class of buildings. This work contributes to the methodological approaches adopted for the seismic assessment of historical structures. In many cases, due to the lack of knowledge about the assessed historical structure, it is essential to combine many investigation activities in such approaches. The aim is to minimize any possibly required seismic strengthening interventions (minimum intervention concept) by increasing the level of knowledge about the structure. In the current research, the employed experimental investigation activities are the dynamic identification tests and the dynamic monitoring. Most approaches for dynamic monitoring are based on the use of a threshold limit which is used to trigger the system when the parameters measured surpass the limit. Here, an alternative is considered that consists of a continuous monitoring system based on the permanent measurement of the ambient vibration. A thermography monitoring is used as a complementary system for the measurement of temperature. The integration between the dynamic investigation and the numerical modeling is essential and it includes two main features. On one hand, tentative structural analyses are carried out to identify important aspects of the dynamic tests and monitoring strategies such as critical points of the structure where to place the sensors. On the other hand, the results of the dynamic investigation are used to perform model updating until obtaining a satisfactory structural model adequately matching the measured dynamic properties of the structure. Once the structural model is validated, it is used to carry out the seismic assessment of the structure. This assessment is performed using different methods, to cross check the results, including the pushover analysis, the kinematic limit analysis and the nonlinear dynamic analysis. It is then possible with these assessments to identify the seismic behavior of the structure. Using the N2 method, the evaluation of the structural performance and its safety are carried out. Hence, the needs for any possible seismic strengthening are revealed, keeping in mind, the respect to the "minimum intervention" concept. As an application, the cathedral of Mallorca (Spain) is taken as a case study. This structure is one of the largest cathedrals built during the Middle Age. For each of the previously mentioned research steps, the followed criteria and the experience gained are transferred into recommended methodological approaches to be applied to other historical structures. Finally, the integration of these partial steps into one integrated methodology is discussed.

Las estructuras históricas son de vital importancia para la comprensión del desarrollo de las habilidades técnicas, artísticas y científicas de la especie humana en el tiempo. Actualmente, estas estructuras son uno de los motores de la industria del turismo, y por ello, los estudios relacionados con su conservación no sólo tienen beneficios sociales, sino también económicos. Por desgracia, muchos países con abundante y en valioso patrimonio arquitectónico se caracterizan por una alta actividad sísmica. Entre ellos, Italia y Turquía son ejemplos obvios. Debido a los terremotos, muchas estructuras históricas de valor incalculable se han perdido para siempre. En consecuencia, existe una creciente necesidad de investigación sobre el tema de la evaluación sísmica y protección de esta clase de edificios. Este trabajo desea contribuir a la metodología adoptada para la evaluación sísmica de estructuras históricas. En muchos casos, y debido a las limitaciones en la comprensión de una estructura histórica en estudio, es esencial combinar distintas actividades de investigación con la finalidad de aumentar el conocimiento sobre la estructura. El objetivo es reducir al mínimo las intervenciones de refuerzo sísmico que pueden resultar necesarias (aplicando el concepto de intervención mínima) a través del aumentar el nivel de conocimiento acerca de la estructura. En esta investigación, las actividades experimentales empleadas son las pruebas de identificación dinámicas y la instrumentación dinámica. La mayoría de los enfoques para la instrumentación dinámica se basan en el uso de un umbral que se utiliza para activar el sistema cuando los parámetros medidos superan un límite. En el presente trabajo se considera una alternativa que consta de un sistema de instrumentación continua basado en la medición permanente de la vibración ambiente. Se utiliza un monitoreo termografíco como un sistema complementario para la medición de la temperatura. La integración entre la investigación dinámica y el modelado numérico es esencial. Esta integración incluye dos características principales. Por un lado, los análisis estructurales provisionales se llevan a cabo para identificar aspectos importantes de las pruebas dinámicas y de las estrategias de monitoreo, tales como los puntos críticos de la estructura donde colocar los sensores. Por otra parte, los resultados de la investigación dinámica se utilizan para realizar una actualización del modelo numérico estructural hasta la obtención de un modelo satisfactorio cuyos parámetros dinámicos coincidan satisfactoriamente con los medidos experimentalmente. Una vez que el modelo estructural se valida, se utiliza para llevar a cabo la evaluación sísmica de la estructura. Esta evaluaciónse lleva a cabo usando diferentes métodos incluyendo el análisis estático no lineal, el análisis límite cinemático y el análisisdinámico no lineal. Con estas evaluaciones es posible identificar el comportamientosísmico de la estructura. Utilizando el métodode N2, es posible llevar a cabo una evaluación del comportamiento estructural y de la seguridad ante el sismo. Ello permite determinar las necesidades refuerzo sísmico. El refuerzo propuesto debe tener en cuenta el concepto de "intervención mínima".La catedral de Mallorca (España) se toma como caso de estudio para la aplicación de la metodología propuesta. Esta estructura es una de las mayores catedrales construidas en Europa durante la Edad Media. Para cada uno de los pasos de la investigación mencionados anteriormente, los criterios seguidos y la experiencia adquirida han sido transferidos a los enfoques metodológicos recomendados para su posible aplicación a otras estructuras históricas. Se presenta una discusión sobre la integración de estos pasos parciales en una metodología global.

Les estructures històriques són de vital importància per a la comprensió del desenvolupament de les habilitats tècniques, artístiques i científiques de l'espècie humana en el temps. Actualment, aquestes estructures són un dels motors de la indústria del turisme, i per això, els estudis relacionats amb la seva conservació no només tenen beneficis socials, sinó també econòmics. Per desgràcia, molts països amb abundós i valuós patrimoni arquitectònic es caracteritzen per una alta activitat sísmica, Itàlia i Turquiaen són exemples obvis. A causa dels terratrèmols, moltes estructures històriques de valor incalculable s'han perdut per sempre. En conseqüència, hi ha una creixentnecessitat d’investigació sobre el tema de l'avaluació i protecció sísmica d'aqueste tipus d'edificis.Aquest treball desitja contribuir a la metodologia adoptada per a l'avaluació sísmica d'estructures històriques. En molts casos, i a causa de les limitacions en la comprensió d’una estructura històrica en estudi, és essencial combinar diferents activitats de recerca amb la finalitat d’augmentar el coneixement sobre l’estructura. L'objectiu és reduir al mínim les intervencions de reforç sísmic que poden resultar necessàries (tot aplicant el concepte d'intervenció mínima) a través d’augmentar el nivell de coneixement sobrel’estructura.En la present investigació, les activitats de recerca experimentals emprades són les proves d'identificació dinàmiques i la monitorització dinàmica. La majoria dels enfocaments per la monitorització dinàmica es basen en l'ús d'un llindar que s'utilitza peractivar el sistema quan els paràmetres mesurats superen un límit. En el present treball esconsidera una alternativa que consta d'un sistema de monitoratge continu basat en el mesurament permanent de la vibració ambient. Alhora, s’utilitza un monitoratgetermogràfic com a sistema complementari per al mesurament de la temperatura. La integració entre la recerca dinàmica i el modelatge numèric és essencial. Aquesta integració inclou dues característiques principals. D'una banda, les anàlisis estructuralsprovisionals es duen a terme per a identificar aspectes importants de les proves dinàmiques i de les estratègies de monitorització, com ara punts crítics de l'estructura oncol·locar els sensors. D'altra banda, els resultats de la recerca dinàmica s'utilitzen per realitzar una actualització d'un model estructural fins a la obtenció d’un model satisfactori del qual els paràmetres dinàmics coincideixin satisfactòriment amb les propietatsdinàmiques mesurades experimentalment. Una vegada validat el model estructural, s'utilitza per dur a terme l'avaluació sísmicade l'estructura. Aquesta avaluació es porta a terme utilitzant diferents mètodes incloent l'anàlisi estàtica no lineal , l'anàlisi límit cinemàtica i l'anàlisi dinàmica no lineal. És llavorspossible, amb aquestes valuacions,caracteritzar el comportament sísmic de l'estructura.Utilitzant el mètode de N2 és possible dur a terme una avaluació del comportament estructural i de la seguretat davant de sisme. Aquesta avaluació permet determinar lesnecessitats de reforç sísmic. El reforç finalment proposat ha de tenint en compte el concepte d'intervenció mínima.La catedral de Mallorca (Espanya) es pren com a cas d'estudi per a l’aplicació de la metodologia proposada. Aquesta estructura es Una de les catedrals més grans construïdes a Europa durant l’Edat Mitja.Per a cada un dels passos de la investigació esmentats anteriorment, els criteris utilitzats i l'experiència adquirida es transfereixen han estat transferits als enfocaments metodològics recomanats l’aplicació a altres estructures històriques. Finalment, es presenta una discussió sobre la integració d’aquests passos parcials en una metodologiaglobal.