Vulnerability analysis aimed at the safeguard of the Ererouyk basilica in Armenia

Also thanks to its inclusion in the list of the 7 most endangered sites in Europe in 2016, the basilica and the archaeological site of Ererouyk have finally attracted the attention of the Armenian government, which has decided to promote its preservation by commissioning the National University of Architecture and Construction of Armenia to coordinate a group of Italian and Armenian experts headed by: Politecnico di Milano, Centro Studi e Documentazione della Cultura Armena, Europa Nostra and Armenian regional Office for Cultural Heritage Preservation. Built in the sixth century, the three-nave basilica of Ererouyk is unique in Armenia for its size, importance, and typology, which suggests relations with Syrian architecture. For this reason, it has interested many scholars since the late 19th century. Archaeological excavations and historical-artistic and anthropological studies, conducted by international experts under the supervision of Prof. Donabédian, have allowed us to formulate hypotheses about the original form of the basilica, which has come down to us partially in ruins. In this thesis work, the path followed to know in an accurate way the structural response, to evaluate the vulnerability and then get to define a seismic risk reduction project will be described. The first phase of the study consisted in an in-depth analysis of the damages and restoration interventions that the basilica has undergone during its history, conducted through an accurate collection of archival data and the visual observation of the wall faces and mortar. Subsequently, the identification of the material properties both using results of tests performed on the basilica material and referring to literature data was performed. Then the seismic input was defined, following Armenian standards. Aware of the huge uncertainties inherent in the behaviour of a sack masonry building that has undergone changes over the centuries, it was decided to perform the structural analysis using methods/models of increasing complexity described here in order: 1) linear kinematic approach, based on the identification of macro-elements and related collapse mechanisms; 2) modal analyses using three-dimensional finite element models with elastic-linear properties of the masonry for the study of dynamic properties of the structure; 3) nonlinear time history analyses using three-dimensional finite element model with non-linear properties of the masonry, spatially variable according to the survey of damage and interventions carried out in the past, as well as locally variable according to the uncertainties of the material properties, for the study of seismic response over time. The systemization of all the information collected has allowed giving a complete and exhaustive picture of the vulnerability of the structure, highlighting the necessity to intervene for the improvement of its structural behavior towards seismic action. The proposed preservation project aimed to find a balance between the will to preserve the historical-artistic icon of the basilica and the needs for the structural improvement, suggesting interventions that minimized the visual impact, such as mortar injections or the insertion of chains. The effective efficiency of the preservation project was then verified by recalculating the collapse mechanisms related to the identified macro-elements and running again the nonlinear time history analyses using updated models taking into account the effect of the proposed interventions.

Anche grazie alla sua iscrizione nella lista dei 7 siti più a rischio in Europa nel 2016, la basilica e il sito archeologico di Ererouyk hanno finalmente attirato l'attenzione del Governo Armeno che ha deciso di promuoverne la conservazione, incaricando la National University of Architecture and Construction of Armenia di coordinare un gruppo di esperti italiani e armeni facenti capo a: Politecnico di Milano, Centro Studi e Documentazione della Cultura Armena, Europa Nostra e l’Ufficio regionale per la conservazione del patrimonio culturale armeno. Costruita nel VI secolo, la basilica a tre navate di Ererouyk è unica in Armenia per dimensioni, importanza e per la sua tipologia che suggerisce rapporti con l'architettura siriana. Per questo ha interessato molti studiosi fin dalla fine del XIX secolo. Gli scavi archeologici e gli studi storico-artistici e antropologici, condotti da esperti internazionali sotto la supervisione del prof. Donabédian, hanno permesso di formulare delle ipotesi sulla forma originale della basilica che è giunta a noi parzialmente in rovina. In questo lavoro di tesi sarà descritto il percorso seguito per conoscerne la risposta strutturale, valutarne la vulnerabilità e quindi arrivare a definire un progetto di riduzione del rischio sismico. La prima fase dello studio è consistita in una approfondita analisi dei danni e degli interventi di restauro che la basilica ha subito nel corso della sua storia, condotta tramite un’accurata raccolta dei dati di archivio e l’osservazione visuale dei paramenti murari e delle malte. Successivamente si è passati alla identificazione delle proprietà dei materiali sia utilizzando risultati di test eseguiti sul materiale della basilica che rifacendosi a dati di letteratura. Quindi sì è definito l’input sismico, in accordo con le norme armene. Consci delle enormi incertezze insite nel comportamento di un edificio in muratura a sacco che ha subito modifiche nei secoli, si è deciso di operare l’analisi strutturale utilizzando metodi/modelli di complessità crescente qui descritti in ordine: 1) approccio cinematico lineare, basato sull’individuazione di macroelementi e dei relativi meccanismi di collasso; 2) analisi modale, tramite l’utilizzo di modelli ad elementi finiti tridimensionali con proprietà elastico-lineari della muratura per lo studio proprietà dinamiche della struttura; 3) analisi dinamiche non lineari, tramite l’utilizzo di modelli ad elementi finiti tridimensionali con proprietà non lineari della muratura, variabili spazialmente in base al rilievo dei danni e degli interventi svolti in passato e localmente in base all’incertezza dei dati, per lo studio della risposta sismica nel tempo. La messa a sistema di tutte le informazioni raccolte ha permesso di dare un quadro completo ed esaustivo sulla vulnerabilità della struttura, evidenziando la necessità di intervenire per il miglioramento del suo comportamento strutturale nei confronti dell’azione sismica. Il progetto di conservazione proposto mira a di trovare un equilibrio tra la volontà di conservare l’icona storico-artistica della basilica e le necessità strutturali di miglioramento, proponendo interventi che minimizzino l’impatto visivo, come ad esempio iniezioni di malta o l’inserimento di catene. L’effettiva efficienza dell’intervento è stata poi verificata aggiornando sia i meccanismi di collasso relativi ai macroelementi individuati sia i modelli ad elementi finiti. L'effettiva efficacia del progetto di conservazione è stata poi verificata ricalcolando i meccanismi di collasso relativi ai macroelementi individuati ed eseguendo nuovamente le analisi dinamiche non lineari utilizzando modelli aggiornati che tengono conto dell'effetto degli interventi proposti.