Advanced numerical modelling of reinforced curved masonry structures

Masonry structures represent most of the cultural landmarks that allow Italy to remain an important crossing point in the touristic routes. However, their safety and vulnerability are crucial aspects that deserve attention when a strengthening system is designed. Indeed, the aesthetic importance of palaces, castles, churches, and historical centers requires a reinforcement able not only to improve the structural behavior itself but also to ensure different levels of combability with the masonry substrate. Arches, vaults, and domes are the most charming features of masonry structures, but, as well, the most vulnerable elements. In the field of masonry curved structures, several numerical approaches have been presented in the literature, with different levels of complexity and accuracy. However, the necessity to consider a strengthening system in the numerical model might lead to an unpracticable computational time. The Thesis aims to implement an innovative numerical method that enables to assess the structural performance of unreinforced and reinforced masonry curved structures. The strengthening technique that will be discussed is the so-called FRCM (Fiber reinforced cementitious matrix) or TRM (Textile reinforced mortar). The proposed method allows taking into account all the features of masonry material. Moreover, despite the presence of the reinforcement, the computational burden is remarkably low. The validation of the method is robustly proved by means of available experimental data, an experimental campaign conducted personally, and advanced numerical analyses carried out with more demanding and complex approaches.

Le costruzioni storiche in muratura sono ancora oggi le più importanti attrazioni culturali che consentono all'Italia di rimanere un importante punto di passaggio nelle rotte turistiche. Tuttavia, la loro sicurezza e vulnerabilità sono aspetti cruciali che meritano attenzione quando viene progettato un sistema di rinforzo. Infatti, l'importanza estetica di palazzi, castelli, chiese e centri storici richiede un intervento di adeguamento che non sia solo in grado di migliorare il comportamento strutturale stesso ma anche di garantire compatibilità con la muratura stessa. Archi, volte e cupole sono sicuramente gli elementi più affascinanti delle costruzioni storiche, ma al tempo stesso sono anche quelli più vulnerabili. La letteratura, nel campo delle strutture curve in muratura, è oltremodo ricca di diversi approcci numerici, con vari livelli di complessità e accuratezza. Tuttavia, la necessità di considerare un sistema di rinforzo nel modello numerico porta spesso a tempi di calcolo non praticabili. Con questo obiettivo, la tesi propone un metodo numerico innovativo che consente di valutare il comportamento di strutture curve in muratura sia rinforzate che no. La tecnica di rinforzo oggetto di discussione nella tesi è quella basata sull’applicazione di materiale composito all’interno di matrice inorganica. Il metodo proposto consente di tenere in conto di tutte le caratteristiche proprie della muratura. Inoltre, nonostante la presenza del rinforzo, l'onere computazionale è notevolmente basso. Il metodo è validato nel dettaglio mediante i dati sperimentali disponibili in letteratura, una campagna sperimentale condotta personalmente e analisi numeriche avanzate eseguite con approcci più impegnativi e complessi.