Studio del comportamento sismico delle chiese : analisi dell'interazione tra copertura e muratura nel meccanismo d'aula

The seismicity of the Italian territory is among the highest in Europe and Worldwide (220 destructive events in the last thousand years, 150.000 victims in the last two centuries, over 70 billion euros of damage in the last 25 years). The relationship between the damage caused by earthquakes in Italy and the energy related to them is also much higher than what normally occurs in other countries with high seismicity, such as California or Japan. The reason for these differences is to be ascribed to the high vulnerability of buildings in Italy. This is mainly due to the presence of a large number of historic buildings or old buildings that do not offer guarantees of resistance from the seismic point of view. In recent years, in Italy two strong earthquakes (magnitude greater than 5.0), the first in Abruzzo in 2009 and the second in Emilia in 2012, produced extended damages to the building stock, especially to heritage buildings such as churches. For churches in particular, vulnerability assessment procedures have been developed. The basis is in recognizing the conditions that may evolve toward a collapse mechanism of the different elements constituting the building. This thesis focuses particularly on the mechanism involving the interaction of timber roof trusses and the nave walls. The purpose is to evaluate the reliability of a synthetic formula that, with few easily measurable geometric and mechanical parameters, estimates the acceleration activating the mechanism. The study is supported by a numerical model developed with the finite elements method. Modal analysis and non-linear analysis have been performed. The static non-linear analysis was carried out in a push-over modality, a procedure that is typically used in the overall analysis of buildings, with reference to the first mode shape. The local mechanism mentioned above, however, takes place in secondary mode shapes, therefore also the parameters used, as for example the masses activated and the modal participation factor, have been referred to them. The results that have been reached in terms of activation acceleration by the two approaches, the finite element method and the synthetic formulation, are very close. Even if further studies will be needed for a complete calibration of the formula, the result obtained so far is particularly satisfactory and indicates a good capability of interpreting the phenomenon.

La sismicità del territorio Italiano è tra le più elevate sia a livello europeo che mondiale (220 eventi distruttivi negli ultimi mille anni; 150 mila vittime negli ultimi due secoli; oltre 70 miliardi di Euro di danni negli ultimi 25 anni). Il rapporto tra i danni prodotti dai terremoti in Italia e l’energia associata agli stessi è, inoltre, molto più alto rispetto a quello che si verifica normalmente in altri paesi ad elevata sismicità quali la California o il Giappone. Il motivo di queste forti differenze è da ricercare nell’elevato livello di vulnerabilità del patrimonio edilizio italiano. Ciò è dovuto in buona parte alla presenza di un gran numero di edifici storici o di antica costruzione che non offrono garanzie di resistenza dal punto di vista sismico. Negli ultimi anni l’Italia è stata vittima di due grandi terremoti (magnitudo superiore a 5.0), il primo in Abruzzo nel 2009 e il secondo in Emilia nel 2012, che hanno prodotto un ingente numero di danni al patrimonio edilizio e agli edifici classificati come bene culturale, soprattutto alle chiese. Per questi edifici sono state sviluppate procedure di valutazione di vulnerabilità, che fanno riferimento al possibile sviluppo di meccanismi locali di collasso, che coinvolgono in modo sistematico specifici elementi. Questo elaborato si focalizza in particolare su uno di questi meccanismi, il meccanismo di risposta trasversale dell’aula, che riguarda l’interazione tra la copertura lignea e la parete della navata che funge da appoggio. Tale meccanismo ha portato nei terremoti recenti al collasso numerose chiese. Lo scopo è quello di valutare l’affidabilità di un procedimento speditivo che, con pochi parametri di tipo geometrico e meccanico facilmente misurabili, dà indicazioni in merito alla accelerazione che porta all’attivazione del suddetto meccanismo. Lo studio viene supportato da un modello numerico sviluppato con il metodo degli elementi finiti tramite cui si sono effettuate analisi sia modali sia statiche (non lineari). L’analisi non lineare è stata svolta in modalità push-over, un procedimento che viene tipicamente utilizzato nell’analisi globale dell’edificio e che fa in genere riferimento alla prima forma modale. Il meccanismo in esame tuttavia si presenta in forme modali successive, per cui anche i parametri utilizzati sono stati riferiti e calcolati in relazione ad esse, come per esempio le masse attivate e il fattore di partecipazione modale. Nonostante le differenze dei due metodi, quello semplificato che coglie in modo sintetico la situazione limite e l’analisi non lineare ad elementi finiti, i risultati in termini di accelerazione al suolo che attiva il meccanismo considerato sono molto simili. Anche se la formulazione sintetica dovrà essere ulteriormente calibrata con altri casi ed esempi, i risultati ottenuti per il caso studio hanno indicato una sua buona capacità di interpretazione del fenomeno.