Influenza delle volte a crociera sul comportamento sismico di edifici storici in muratura

Historical buildings are essential expressions of the artistic and cultural heritage of a country and thus, their preservation becomes of primary importance, especially in regions frequently affected by remarkable seismic events. Most recent earthquakes have clearly pointed out the seismic vulnerability of monumental masonry buildings and, specifically, critical issues associated with complex structural elements like vaults. The main purpose of this thesis is just the analysis of how quadripartite vaults influence the seismic behaviour of historical constructions. On the basis of both their geometrical and mechanical complexity and their purely structural intent, vaults are generally characterized by high tensional levels. The study of such members subjected just to gravitational loads is very difficult by itself. Consequently, it is by far harder to define how they behave with respect to lateral loads and, secondly, how they influence the global response of a structural system. The analysis of the effects of vaults is afterward dealt with by referring to three different buildings: the Church of the Nativity, one of the most ancient examples of basilical structure listed as a world heritage site by UNESCO, with a specific attention to its narthex; Torre Fornasini, which is a rather stocky building built up near Poggio Renatico; the bergfried of the rock of San Felice sul Panaro, a structure with bulky masonry walls. For all masonry structural members, a Concrete Damage Plasticity (CDP) constitutive model has been used in order to properly highlight how damage phenomena develop during non-linear static and dynamic analyses carried out through the software ABAQUS. Finally, since the computational burden related to the direct modelling of complicated members like vaults is rather significant, a simplified mechanical model has been set up replacing the vaults with equivalent elastic slabs. The aim of such a simplification is to introduce into the analysis the effect of the vaults in terms of structural behaviour reducing at the same time the analysis duration.

La salvaguardia degli edifici storici, in quanto espressioni essenziali del patrimonio artistico e culturale di una nazione, risulta ovunque di capitale importanza e assume una connotazione ancor più significativa nelle regioni interessate da eventi sismici di notevole entità. I terremoti più recenti hanno chiaramente messo in luce la vulnerabilità sismica delle costruzioni monumentali in muratura e la criticità di elementi strutturali complessi come le volte. Il principale tema affrontato nella presente tesi è lo studio dell’influenza delle volte a crociera sul comportamento sismico di differenti tipologie di edifici storici. In virtù della loro complessità geometrica nonché della loro finalità prettamente strutturale, le volte sono generalmente sottoposte a tensioni significative. Se la loro analisi in riferimento ai soli carichi gravitazionali è di per sé un argomento complesso, lo è ancor di più lo studio della loro risposta a sollecitazioni laterali e, pertanto, l’analisi della loro influenza sulla risposta globale di un sistema strutturale. Il problema è nel seguito affrontato in riferimento a tre strutture differenti: la Basilica della Natività di Betlemme, uno dei più antichi esempi di edifici a pianta basilicale e patrimonio dell’UNESCO, con particolare attenzione al suo nartece; torre Fornasini, costruzione tozza che sorge presso Poggio Renatico; il mastio della rocca di San Felice sul Panaro, struttura dotata di massicce murature portanti. Tutti gli elementi strutturali in muratura sono modellati utilizzando un legame costitutivo di tipo Concrete Damage Plasticity, volto ad evidenziare come si sviluppa il fenomeno di danno nelle strutture durante analisi statiche e dinamiche non lineari eseguite con il software ABAQUS. L’onere computazionale richiesto dalla modellazione di elementi strutturali complessi come le volte è significativo. In seguito allo studio completo delle strutture in oggetto, si è proceduto alla definizione di un modello meccanico semplificato delle volte che, mediante piastre elastiche, consenta di tradurre l’effetto di tali elementi strutturali sulla risposta del sistema a fronte di una consistente riduzione dei tempi di calcolo.