Methods of analysis and innovative strategies for seismic assessment and retrofitting of existing masonry structures

The majority of existing structures in Italy are built with masonry, especially with clay bricks and lime mortar. Masonry structures exhibit in general very poor mechanical properties, showing a very low resistance to in-plane and particularly to out-of-plane loads. Excessively, the response of masonry structures is characterized by severe damages for a relatively low seismic intensity, highlighting their high vulnerability when subjected to seismic loads. Almost all the cultural and historical heritage assets are related to this typology of construction. Thenceforth their vulnerability assessment and their preservation become a critical task to be considered with high priority. In May 2012, a seismic sequence stroke Emilia Romagna region causing significant losses on the architectural heritage. Different churches and bell towers have experienced relevant damages of their structural and non-structural elements. Consequently, the resisting capacity of these structures is questionable and strengthening interventions are necessary for guaranteeing their safety. In fact, the past seismic events on the region have highlighted a high frequency of occurrence, and this situation demands for strategic plans of fast resilience of the structures. The knowledge on the structural response of non-damaged, damaged and strengthened structures is evolving, and investigations with numerical and experimental studies make an essential contribution. Different case studies with sufficient data for their performance investigation have been available from Curia di Ferrara for this study. Italian technical codes and the current research provide recommendations for different techniques of analyses methods and retrofitting possibilities. Both these approaches have been considered in this dissertation, which treats a comprehensive approach from the vulnerability assessment to the retrofitting solutions, seen from a computational standpoint. At present, the most crucial aspects are the limitations of retrofitting techniques related to their potential invasiveness and irreversibility. The thesis is focused on the numerical investigation of different real case studies, damaged by the last earthquake and which require strengthening interventions to bring them under safety conditions. Simplified models and analyses are here proposed in order to provide reliable and practical instruments to assess the vulnerability of these structures. Different complex analyses by means of FE codes, including both static and dynamic nonlinear analyses, are performed in order to estimate the accuracy of simplified analyses or to provide reliable results in cases when simplified models are not highly recommended. Such analyses provide a full panoramic view of the expected structural behavior of masonry structures, despite their acknowledged limitations. After a detailed investigation of the present state, different retrofitting techniques were conceived case by case, with an optimization approach of material used and invasiveness. Then, the structural compatibility of each proposed retrofitting is investigated in detail by means of a macro-scale approximation. In all cases, the solutions are found to be a reasonable compromise between the proposed retrofitting invasiveness and the enhancement of the global performance. For masonry towers, which include bell towers and industrial chimneys, a relevant enhancement is done for what regards their modeling and analysis by means of simplified models. Particular attention is focused on the failure mechanisms that are prone to occur, and enrichment with different kinematic mechanisms is proposed to account for structural and material deficiencies. Practitioners can utilize this approach and make simplified estimations on the expected vulnerability, corresponding seismic capacity and propose a retrofitting strategy based on the expected risk. For masonry churches, it is recognized the complexity of their structural response and consequently the derived error and limitations when considering simplified models. A simplified modeling technique is adopted and applicable to any commercial code which provides some minimal requirements related to material models, shell or 3D solid discretization and advanced numerical analysis. The macroscale modeling of the whole structure is quite challenging and reflects many drawbacks. However, it provides an essential tool that should be exploited for the strategy of risk mitigation measures. The obtained results reflect a simple methodology to investigate the suitable strengthening schemes, and it is demonstrated that localized interventions with high-quality materials can be a safe solution. The dissertation is an endeavor to provide an overview of the current challenges in modeling, analyzing and retrofitting of masonry churches and masonry towers. Dealing with the same specific problems, it was possible to utilize the present tools in order to provide a different perspective on the solution. The results are satisfactory to contribute to the built heritage preservation; however, many challenges that need to be addressed are acknowledged here.

Il patrimonio edilizio in Italia è costituito per la maggioranza da strutture in muratura, costruite principalmente con mattoni d’argilla e malta di calce. Tali strutture presentano, in generale, proprietà meccaniche limitate, avendo una bassa resistenza rispetto alle carici nel piano e resistenza ancor peggiore rispetto ai carichi fuori piano. Sovente, la risposta delle strutture in muratura agli eventi sismici è caratterizzata da danni ingenti, perfino quando l'intensità sismica è relativamente bassa, evidenziando l’alta vulnerabilità di tale tipologia costruttiva. La quasi totalità dei beni architettonici italiani appartengono a questa tipologia e, di conseguenza, la valutazione della vulnerabilità e dello stato di conservazione di tali strutture è divenuto una questione di massima priorità ed importanza. Nel maggio 2012, una sequenza sismica ha colpito la regione Emilia-Romagna causando perdite significativi a danno del patrimonio architettonico. Nello specifico, diverse chiese e campanili hanno subito danni rilevanti ad elementi strutturali e non strutturali, vedendo pregiudicata la propria staticità e rendendo necessari una serie di interventi atti a garantire la sicurezza. Inoltre, dai terremoti, che avevano colpito la regione in precedenza, si è evinta un'alta frequenza di eventi, manifestando la necessità di interventi in grado di garantire la resilienza delle strutture. Parallelamente all’acquisizione delle informazioni sulla risposta strutturale degli edifici indenni, danneggiati e rafforzati, le indagini con metodi numerici e sperimentali costituiscono un contributo essenziale. In questa ricerca, sono stati considerati diversi casi di studio e una notevole quantità di dati, messi a disposizione dalla Curia di Ferrara, necessari per eseguire le indagini. Le norme tecniche Italiane e la letteratura forniscono raccomandazioni riguardo i metodi di analisi e tecniche di restauro ed irrobustimento degli edifici. Queste due tematiche sono state affrontante in questo lavoro di ricerca, che tratta da un punto di vista computazionale un approccio globale dalla valutazione della vulnerabilità alle soluzioni di interventi. Al momento, gli aspetti più cruciali sono i limiti delle tecniche di retrofitting relativamente alla loro potenziale invasività e irreversibilità. La tesi è incentrata sull'analisi numerica di diversi casi studio reali, danneggiati a seguito dell’ultimo terremoto e che richiedono interventi di rafforzamento atti a garantirne la sicurezza strutturale. Vengono proposti diversi modelli e analisi semplificati al fine di fornire strumenti affidabili e pratici per la valutazione della vulnerabilità di queste strutture. Sono state eseguite diverse analisi complesse, dalle statiche alle dinamiche non lineari, mediante codici ad elementi finiti per stimare l'accuratezza dei metodi di analisi semplificati o per fornire risultati affidabili nei casi in cui i modelli semplificati non forniscano risultati affidabili. Tali analisi forniscono una visione complessiva del comportamento strutturale delle costruzioni in muratura. Dopo un'indagine dettagliata sullo stato di fatto, diverse tecniche di interventi sono state concepite caso per caso, con un approccio di ottimizzazione del materiale utilizzato e minimizzare la invasività. Successivamente, la compatibilità strutturale di ciascun retrofitting proposto è stata esaminata in dettaglio mediante un'approssimazione su macro-scala. In tutti i casi, le soluzioni si rivelano essere un ragionevole compromesso tra l'invasività dell’intervento proposto e il miglioramento delle prestazioni globali. Per quanto riguarda le torri in muratura, che comprendono campanili e ciminiere industriali, è stato apportato un significativo miglioramento nella modellazione e nelle analisi mediante modelli semplificati. Particolare attenzione è stata rivolta ai possibili meccanismi di collasso, analizzando in aggiunta anche gli ulteriori meccanismi cinematici più probabili, al fine di identificare le carenze strutturali e dei materiali. I tecnici possono utilizzare questo approccio e stimare in maniera semplificata la vulnerabilità degli edifici in muratura e la corrispondente capacità sismica e proporre una strategia di adeguamento in base al rischio atteso. In riferimento alle chiese in muratura, viene riconosciuta la complessità della loro risposta strutturale che produce errori considerevoli e limita l’utilizzo di modelli semplificati. È stata adottata una tecnica di modellazione semplificata, applicabile a qualsiasi codice di calcolo commerciale, che soddisfa i requisiti minimi relativi a modelli di materiali, con elementi a finiti bidimensionali o tridimensionali, e analisi numeriche avanzate. La modellazione su macro-scala dell'intera struttura è piuttosto impegnativa e produce molti inconvenienti. Tuttavia, fornisce uno strumento essenziale che dovrebbe essere preso in considerazione nello sviluppo di strategia di mitigazione del rischio. I risultati ottenuti caratterizzano una semplice metodologia per identificare le misure di rafforzamento appropriati e dimostrano che interventi localizzati con materiali di alta qualità possono essere una soluzione sicura. L’obbiettivo della tesi è fornire una panoramica delle attuali problematiche nella modellazione, analisi e retrofit delle chiese e torri in muratura. Affrontando tale sfida, è stato possibile utilizzare gli strumenti attuali per fornire una nuova prospettiva sulla soluzione. I risultati forniscono un importante contributo alla conservazione del patrimonio costruito; tuttavia, molte questioni devono essere ancora essere risolte e vengono solo discusse in questa sede.