Development of a computational tool for seismic vulnerability assessment and reinforcement design for historical masonry buildings

Masonry buildings are an important part of European architectural and historical heritage and are particularly sensitive to horizontal forces and seismic actions. Human, economic and social impacts related to collapse of those buildings stimulate the design of appropriate strengthening solutions and the development of analysis methods and tools for design computation. Nowadays, several reinforcement techniques are available but are not governed by specific European standards because of the relative novelty of such reinforcement systems and because of the variability of the mechanical properties of masonry supports on which they are installed. The subject of this Master Thesis is about strengthening solutions using reinforcement bars for traditional masonry buildings under static and seismic solicitations. The aim of this project is to develop a tool which meets three fundamental issues of a structural diagnosis: assess the stability and vulnerability of a building under static and/or seismic loads, design the required reinforcement to avoid the formation of local failure mechanisms, and carry out the verifications needed in terms of detailing provisions and resisting efforts. This tool is implemented as functions coded into AutoLISP language to be integrated into a Computer-Aided Drawing software (AutoCAD). In order to establish a design strategy, a theoretical approach is followed, relying on failure modes that are frequently observed in masonry at a global or local scale. From the Italian Reference Guidelines for the built Heritage, ten types of critical mechanisms are identified and studied using kinematic limit analysis and principle of virtual works to assess ultimate loads that can be applied to the structure, vulnerability of the building and forces to be sustained by the rebars. A bond-slip model for composite rebars (FRP), which are often used for masonry reinforcement, is suggested to derive the development length of rebars. Material strengths and resisting efforts are finally checked to confirm the design. The operating philosophy of the computational tool, which takes into account those theoretical elements, is presented through a real-case example. Results from different benchmarks are compared to those obtained with ReLUIS C.I.N.E. spreadsheet, which is based on a similar method but is limited in terms of geometry and loading conditions. Then three case studies dealing with masonry aggregates in the city of Arsita, affected by 2009 L’Aquila earthquake, are analysed to compare the results from the developed code with those obtained with more sophisticated methods presented in the literature. The most critical components are detected and strengthening solutions with tie-rods are proposed and checked. The developed tool is characterized by the automation of the computational process, the possibility to study complex geometry and loading conditions and the interaction with a 3D model of the structure. These features facilitate missions involving diagnosis and recommendations on built heritage. The advantages and limits of the AutoLISP code in seismic assessment and reinforcement design are discussed. Finally, the perspective is widened to potential future improvements towards full automation of the procedure with machine learning techniques.

Gli edifici in muratura sono una parte importante del patrimonio architettonico e storico europeo e sono particolarmente sensibili alle forze orizzontali e alle azioni sismiche. Gli impatti umani, economici e sociali legati al crollo di questi edifici stimolano la progettazione di soluzioni di rinforzo appropriate e lo sviluppo di metodi di analisi e strumenti per il calcolo della progettazione. Al giorno d'oggi, sono disponibili diverse tecniche di rinforzo che non sono regolate da specifiche norme europee a causa della relativa novità di tali sistemi di rinforzo e a causa della variabilità delle proprietà meccaniche dei supporti in muratura su cui vengono installati. L'argomento di questa tesi di Master riguarda le soluzioni di rinforzo con barre di rinforzo per edifici tradizionali in muratura sotto sollecitazioni statiche e sismiche. L'obiettivo di questo progetto è quello di sviluppare uno strumento che soddisfi tre questioni fondamentali di una diagnosi strutturale: valutare la stabilità e la vulnerabilità di un edificio sotto carichi statici e/o sismici, progettare il rinforzo necessario per evitare la formazione di meccanismi di rottura locale, ed effettuare le verifiche necessarie in termini di disposizioni di dettaglio e sforzi di resistenza. Questo strumento è implementato come funzioni codificate nel linguaggio AutoLISP per essere integrate in un software di disegno assistito dal computer (AutoCAD). Al fine di stabilire una strategia di progettazione, viene seguito un approccio teorico, basandosi sulle modalità di fallimento che sono frequentemente osservate nella muratura a scala globale o locale. Dalle Linee guida di riferimento italiane per il patrimonio costruito, dieci tipi di meccanismi critici sono identificati e studiati utilizzando l'analisi cinematica limite e il principio delle opere virtuali per valutare i carichi ultimi che possono essere applicati alla struttura, la vulnerabilità dell'edificio e le forze da sostenere per le armature. Un modello bond-slip per le armature composite (FRP), che sono spesso usate per il rinforzo della muratura, è proposto per derivare la lunghezza di sviluppo delle armature. Le forze dei materiali e gli sforzi di resistenza sono infine controllati per confermare il progetto. La filosofia di funzionamento dello strumento di calcolo, che tiene conto di questi elementi teorici, è presentata attraverso un esempio di caso reale. I risultati di diversi benchmark sono confrontati con quelli ottenuti con il foglio elettronico ReLUIS C.I.N.E., che si basa su un metodo simile ma è limitato in termini di geometria e condizioni di carico. Vengono poi analizzati tre casi di studio riguardanti gli aggregati in muratura nella città di Arsita, colpita dal terremoto dell'Aquila del 2009, per confrontare i risultati del codice sviluppato con quelli ottenuti con metodi più sofisticati presentati in letteratura. Vengono individuati i componenti più critici e vengono proposte e verificate le soluzioni di rinforzo con tiranti. Lo strumento sviluppato è caratterizzato dall'automazione del processo di calcolo, dalla possibilità di studiare geometrie e condizioni di carico complesse e dall'interazione con un modello 3D della struttura. Queste caratteristiche facilitano le missioni che coinvolgono la diagnosi e le raccomandazioni sul patrimonio costruito. Vengono discussi i vantaggi e i limiti del codice AutoLISP nella valutazione sismica e nella progettazione delle armature. Infine, la prospettiva si allarga a potenziali miglioramenti futuri verso la completa automazione della procedura con tecniche di apprendimento automatico.