Cross lam roof structures in seismic restoration of historical churches

In the present research , several roof-diaphragm structural solutions for improving the seismic nave transversal response of historical churches are discussed in relation to the effectiveness and the Cultural Heritage Offices requirements. Among the solutions, the cross lam panels (Cross Laminated Timber panels, CLT) one is pointed out, therefore the cross lam mechanical features are described and some different connection types (panel-to-panel, wall-to panel) are shown as well. The improvements due to the CLT are initially evaluated in terms of damped rocking given by ductile roof-diaphragm, for several church configurations different themselves for number of naves, spans and walls slenderness . The effects of the CLT roof are shown by performing nonlinear analyses on equivalent finite element models. The equivalent models are also validated by several numerical assessments. Each numerical approach is in-depth analyzed and comparative analyses with the different approaches are also performed. The nonlinear analyses on equivalent models are useful to fix the thickness of the panels and to preliminary design the steel connections (starting from the in-plane shear evaluation). The connections design is consequently optimized in terms of strength and stiffness by performing linear and nonlinear analyses focused on the dissipative effects evaluation in seismic response. The connections optimization is performed by adjusting the drift (with respect to the masonry walls mechanical features) and the in-plane shear on the CLT panels (is with respect to the different shear resistance values declared by the producers and the ones obtained by experimental tests). For deepening the CLT’s shear resistance and the average shear modulus, experimental tests results performed at University of Udine under the supervision of prof. eng. A. Gubana are considered too. Finally, the several numerical approaches here-in-depth analyzed are applied for the optimization of the cross lam roof structure for a specific case study. Final remarks about the seismic improvements due to the CLT strengthening are pointed out. The remarks are valid for several historical church configurations and for the specific case here discussed.

Nella presente ricerca, sono analizzate diverse soluzioni strutturali per la realizzazione del cosiddetto diaframma di copertura per migliorare la risposta trasversale dell’aula per Chiese storiche, sia in relazione all'efficacia del diaframma che e ai requisiti richiesti dalle Soprintendenze. Tra le soluzioni possibili, si evidenzia quella con pannelli con tecnologia cross lam (CLT) per i quali sono descritte le caratteristiche meccaniche e mostrati i principali tipi di connessione (pannello-pannello e pannello-muro). I miglioramenti dovuti al diaframma di copertura in pannelli di CLT sono inizialmente valutati con riferimento al cosiddetto dondolio (trasversale) smorzato. Tali valutazioni sono effettuate per diverse configurazioni di chiese tra loro diverse per numero di navate, campate e snellezza delle pareti laterali e di quelle interne. Gli effetti dovuti alla copertura in pannelli CLT vengono mostrati eseguendo analisi non lineari su modelli di elementi finiti equivalenti. I modelli equivalenti sono anche convalidati con differenti valutazioni numeriche. Le analisi non lineari su modelli equivalenti sono utili per fissare - inizialmente - lo spessore dei pannelli e per la progettazione preliminare delle connessioni in acciaio (a partire dalla valutazione di taglio nel piano dei pannelli stessi). Il progetto delle connessioni è conseguentemente ottimizzato in termini di resistenza e rigidità eseguendo analisi lineari e non lineari focalizzate sulla valutazione degli effetti dissipativi nella risposta sismica. L'ottimizzazione delle connessioni viene eseguita sul valore ottimale dello spostamento trasversale dell’aula, ottimale nei confronti delle caratteristiche meccaniche delle pareti in muratura e del valore di taglio agente nel piano dei pannelli. Quest’ultimo aspetto è importante poiché, relativamente alla resistenza a taglio nel piano dei pannelli, i produttori dichiarano valori tra loro differenti specie nei confronti di quelli ottenuti dai test sperimentali. Per approfondire la resistenza al taglio dei pannelli e valutare il modulo di taglio, sono stati effettuati test sperimentali presso l'Università di Udine sotto la supervisione della professoressa A. Gubana. Infine, i diversi approcci numerici (approfonditi nel corso della ricerca) sono stati applicati per l'ottimizzazione della struttura di copertura in CLT per uno specifico caso studio (Basilica di Collemaggio a L’Aquila). Nelle osservazioni finali sono evidenziati i benefici, in termine di risposta sismica, apportati dalla copertura in pannelli in CLT. Le osservazioni riportate possono essere valide per diverse configurazioni di chiese storiche.