The structural characteristics of the houses of the Kasbah of Algiers (tests and simulations)

The organization of traditional urban fabrics into aggregates is one of the main characteristics of vernacular architectures, such as the Kasbah of Algiers, which underwent an almost total reconstruction after the 1716 earthquake. Beyond the macrostructure configuration of the houses, various empirical and preventive techniques were used to reduce the seismic vulnerability of the houses, whose effectiveness remains undemonstrated on a scientific base. Through multidisciplinary research, we study the structural characteristics of the houses of the Kasbah of Algiers built in the form of a compact aggregate category. We proceed with a mechanical characterization of historic building materials followed by a series of static and seismic Finite Element structural Analyzes at different scales. A historiographical, methodological and operational contribution is proposed in order to restore the image of the historic center and ensure its sustainability. For this, we propose a complete and multidisciplinary methodological process of a structural rehabilitation project of an authentic aggregate from in-situ 3D scanning to the proposal for structural intervention. First, an urban analysis highlights three distinct categories of aggregates, allowing the selection of a representative case study. The latter is the subject of a series of technical surveys including the application of 3D lasergrammetry allowing 188 scans to be obtained. The generated point cloud is an essential reference during the 3D modeling process based on the ten Grades of Generation and on a series of software based on BIM and NURBS. In addition, mechanical characterization through destructive, semi-destructive and non-destructive tests is carried out on samples of historical terracotta bricks, lime and clay mortar and Thuja logs. This step reveals mechanical properties higher than those suggested in the literature and enriches the database of the properties of building materials for houses in the Kasbah of Algiers. Parameterized Finite Element Modeling FEM is therefore carried out thanks to the HBIM model obtained with a high degree of accuracy as well as the mechanical characteristics of building materials. Different analyzes are undertaken including Static Linear Analysis LSA, Modal Analysis MA and Pushover Analysis PA, considering different configurations of the aggregate: with and without rigid horizontal diaphragms; in the aggregate and disaggregated state. The results clearly demonstrate a better structural response of the aggregate at the aggregated state rather than the disaggregated one, highlighting several local collapse mechanisms. These are the subject of a targeted structural upgrade proposal in order to improve the structural performance of this category of aggregate and consequently reduce its seismic vulnerability. Three distinct strategies are proposed in accordance with the recommendations of international restoration charters as well as those resulting from the various structural numerical simulations. The tie rod system is chosen as the most advantageous technique and is the subject of another post-intervention seismic structural analysis. The latter demonstrates a considerable reduction in the seismic vulnerability of the aggregate in all directions. The structural rehabilitation project constituting a complete guide for vernacular architectures, is completed by a reference catalog of the local collapse mechanisms of compact type aggregates.

L'organizzazione dei tessuti urbani tradizionali in aggregati è una delle caratteristiche principali delle architetture vernacolari come la Casbah di Algeri. Quest'ultima ha subito una ricostruzione pressoché totale in seguito al terremoto del 1716. Tenuta la configurazione macrostrutturale delle abitazioni, sono state utilizzate varie tecniche empiriche e preventive per ridurre la vulnerabilità sismica delle abitazioni, la cui efficacia rimane scientificamente non dimostrata. Attraverso una ricerca multidisciplinare, studiamo le caratteristiche strutturali delle case della Casbah di Algeri sotto forma di una categoria di aggregati compatti. Si procede prima con una caratterizzazione meccanica dei materiali da costruzione storici seguita da una serie di analisi strutturali agli elementi finiti statiche e sismiche a diverse scale. Si propone il processo di un progetto di riabilitazione strutturale di un autentico aggregato dalla scansione 3D in sito alla proposta di intervento strutturale, fornendo un contributo storiografico, metodologico e operativo volto a ripristinare l'immagine del centro storico e garantirne la perennità. Si è partita da un'analisi urbana che ha evidenziato tre categorie distinte di aggregati che consentono la selezione di un caso di studio rappresentativo. Quest'ultimo è oggetto di una serie di rilievi tecnici tra cui l'applicazione del laser scanning 3D che ha permesso di ottenere 188 scansioni dell’area. La nuvola di punti generata dalle scansioni è stata un riferimento essenziale durante il processo di modellazione 3D basato sui dieci Grades of Generation e su una serie di software basati su BIM e NURBS. Si è poi eseguita la caratterizzazione meccanica mediante prove distruttive, semi distruttive e non distruttive sui seguenti campioni storici: mattoni in terracotta, malta di calce e argilla e tronchi di Thuja. Questo step rivela valori superiori a quelli suggeriti in letteratura e permette di arricchire il database relativo alle proprietà dei materiali da costruzione delle case della Casbah di Algeri. La Modellazione agli Elementi Finiti FEM parametrizzata viene quindi realizzata grazie al modello HBIM ottenuto con un alto grado di precisione oltre che alle caratteristiche meccaniche dei materiali da costruzione. Vengono condotte diverse analisi tra cui l’Analisi Statica Lineare LSA, l’Analisi Modale AM e l’Analisi Pushover PA considerando differenti configurazioni dell'aggregato: con e senza diaframmi orizzontali rigidi; nello stato aggregato e disaggregato. I risultati dimostrano chiaramente una migliore risposta strutturale dell'aggregato allo stato aggregato piuttosto che disaggregato evidenziando diversi meccanismi di collasso locale. Quest’ultimi sono oggetto di una proposta mirata di ammodernamento strutturale al fine di migliorare le prestazioni strutturali di questa categoria di aggregati e di conseguenza ridurne la vulnerabilità sismica. Infine, si propongono proposte tre distinte strategie in accordo con le raccomandazioni delle carte internazionali del restauro e quelle risultanti dalle varie simulazioni strutturali numeriche. Il sistema di tiranti è stato scelto come la tecnica più vantaggiosa ed è stato oggetto ad un'ulteriore analisi strutturale sismica post-intervento. Quest'ultima mostra una notevole riduzione della vulnerabilità sismica dell'aggregato in tutte le direzioni. Il progetto di riabilitazione strutturale, che costituisce una guida completa per le architetture vernacolari, è completato da un catalogo di riferimento dei meccanismi di collasso locale degli aggregati di tipo compatto.