Seismic vulnerability of Roman concrete vaulted monuments : two case studies dating back to imperial Rome

The aim of this dissertation is the seismic assessment of vaulted monuments made of Roman concrete. Both their structural forms and constituent materials are here explored, whose combination enabled to build such large-scale structures, and whose knowledge is essential for assessing and maintaining the safety of the structures that today are still preserved. Specifically, two different monuments dating back to Imperial age are analyzed: the Calidarium of the Baths of Caracalla and the Calidarium of the Diocletian’s Baths. The two structures were built at a distance of less than one century from one another and both were erected with the same construction technique. Nowadays both Calidarium structures are no longer existing: the first one still conserves two monumental pillars, while the ruins of the second were demolished in the Sixteenth century. Therefore, the present work aims at investigating the causes behind their collapse and the way in which their collapse occurred by performing both simplified analyses and more advanced simulations. Specifically, pushover and non-linear dynamic analyses are carried out on Finite Element (FE) models in the software Abaqus/CAE. Moreover, in order to apply a classical approach and to verify the reliability of the results obtained from FEM analysis, limit analysis is also carried out. From the comparison between the different results, it is observed that the pushover analyses and the limit analysis are able to correctly reconstruct the collapse behavior of this type of structures and to provide a knowledge of the fracture mechanisms developed within them. However, due to the strong vulnerability of these structures with respect to cyclic actions, the capacity of the Calidarium is strongly overestimated if the seismic action is modeled through a system of incremental static forces. Therefore, it is considered necessary to perform non-linear dynamic analyses to correctly assess their seismic vulnerability. For both case studies it is discovered that the collapse of the Calidaria is not associated with a single seismic event, but it is due to the repetition of multiple earthquakes. Therefore, an interesting follow-up of this research is to perform repeated time-history analyses with damage accumulation to assess the level of damage and the fracture mechanisms that these structures suffered before their collapse.

Il presente elaborato di tesi ha per oggetto la valutazione della vulnerabilità sismica di strutture voltate in calcestruzzo Romano. Si sono esplorate sia le proprietà meccaniche del materiale costituente che le forme architettoniche, la cui combinazione ha reso possibile la costruzione e il mantenimento di molti di questi monumenti. In particolare, si sono analizzati i Calidarium appartenenti alle Terme di Caracalla e alle Terme di Diocleziano. Entrambe le strutture risalgono all’epoca Imperiale e sono state realizzate a distanza di meno di un secolo, con le medesime tecniche costruttive. Attualmente entrambe le strutture non sono più presenti: il primo conserva ancora due monumentali pilastri, mentre ciò che rimaneva del Calidarium dei bagni di Diocleziano venne demolito nel sedicesimo secolo. Infatti, lo scopo di questo elaborato risiede nella ricostruzione delle cause e delle modalità del loro collasso, impiegando sia metodi di analisi semplificati che simulazioni complesse. In particolare, si sono eseguite analisi di pushover e analisi dinamiche non lineari su modelli ad elementi finiti, attraverso il Software Abaqus/CAE. Inoltre, al fine di verificare l’affidabilità dei risultati ottenuti dalle analisi FEM, si è applicato il metodo più classico per studiare le strutture voltate, ovvero l’analisi limite. Dal confronto dei risultati ottenuti dai diversi approcci, si è osservato che l’analisi di pushover e l’analisi limite consentono di ricostruire correttamente il comportamento a collasso di tali strutture e di fornire un’ottima conoscenza dei meccanismi di frattura che hanno luogo. Tuttavia, la particolare geometria che contraddistingue le strutture voltate, rende la loro risposta molto vulnerabile nei confronti delle azioni cicliche, perciò la loro capacità viene sovrastimata se l’azione sismica è simulata tramite l’applicazione di forze statiche incrementali. Di conseguenza, al fine di valutare accuratamente la loro risposta sismica, si ritiene necessario condurre analisi dinamiche non lineari. Infine, per entrambi i Calidarium, si è scoperto che il loro collasso non può essere imputabile ad un singolo evento sismico, bensì a molteplici terremoti che si sono ripetuti nella storia ed hanno generato un accumulo di danno nelle strutture. Perciò, potrebbe essere di notevole interesse eseguire ulteriori analisi dinamiche danneggianti attraverso l’applicazione di accelerogrammi ripetuti. In questo modo sarebbe possibile ottenere una valutazione ancora più accurata dei meccanismi di collasso associati a tali strutture.