Seismic vulnerability analysis of large-scale masonry building aggregates and monumental buildings of major importance

In the current world, the damage to masonry structures mainly comes from earthquakes. Up to now, experts and scholars have proposed various conceptual models for studying the collapse mechanism of masonry structures. This thesis also focuses on the seismic vulnerability of masonry pagodas and masonry aggregates in historical centers. A novel Limit Analysis Finite Element Model is proposed. A 3D limit analysis model is proposed to analyse the collapse of massive masonry structures and aggregates subjected to seismic loads. The approach belongs to the wide family of Distinct Element Methods because it is based on a discretization of the structure by means of infinitely resistant hexahedron elements and quadrilateral interfaces where all dissipation occurs. Any failure surface – after proper linearization – can be adopted for interfaces, for instance, a Mohr-Coulomb failure criterion with tension and compression cutoffs. Having discretized the continuum so that internal dissipation is allowed only between adjoining elements, the corresponding linear programming problem necessary to estimate the collapse load, can be obtained through both a kinematic and static approach. The first is more straightforward and the primal problem provides a failure mechanism, interfaces plastic multipliers, and a collapse multiplier. By the duality theorem, the second lower bound approach is associated with the same failure load, also providing the internal forces acting on interfaces. This theory was applied in three ancient Chinese masonry pagodas: Longhu pagoda, Zhongjiang south pagoda, and Huqiu pagoda. Among them, the plane of the Longhu pagoda is rectangular, while the other two have an octagonal plane, and the Huqiu pagoda has a higher slenderness ratio. The results obtained by the operation are consistent with other numerical simulation methods, theoretical research, and the actual situation, which shows that the method's reliability is very good. Similarly, the research also selected group walls for limit analysis calculation in the three historical centers of masonry aggregates. Observing and comparing the collapse mechanism law obtained by limit analysis and manually calculating according to C.I.N.E sheets also proved the method's feasibility. Overall, the limit analysis method proposed in this thesis can accurately and quickly evaluate the collapse mechanisms of typical masonry structures. In addition, this method has the characteristics of short calculation time, and fast calculation speed, and avoids overestimating the actual load-carrying capacity.

I danni e i collassi del patrimonio monumentale in muratura sono spesso dovuti ai terremoti. Finora esperti e studiosi hanno proposto diversi modelli analitici e numerici per lo studio dei meccanismi di collasso di strutture murarie monumentali. Questa tesi si concentra sulla vulnerabilità sismica delle pagode in muratura e degli aggregati edilizi nei centri storici. Viene proposto un nuovo modello di analisi limite 3D agli elementi finiti per analizzare in modo veloce e affidabile il collasso di strutture in muratura massiccia e aggregati soggetti ad azioni sismiche. L'approccio appartiene alla vasta famiglia dei modelli a elementi "rigidi" a masse e molle, perché si basa su una discretizzazione della struttura per mezzo di elementi esaedrici infinitamente resistenti e interfacce quadrilatere dove avviene tutta la dissipazione plastica. Qualsiasi superficie di collasso – dopo opportuna linearizzazione – può essere adottata per le interfacce, ad esempio un criterio di Mohr-Coulomb con cutoff a trazione e compressione. Avendo discretizzato il continuo in modo che la dissipazione interna sia consentita solo tra elementi contigui, il corrispondente problema di programmazione lineare necessario per stimare il carico di collasso può essere ottenuto attraverso un approccio sia cinematico che statico. Il primo è più semplice e il problema primario fornisce un meccanismo, moltiplicatori plastici di interfaccia e un carico di collasso. Per il teorema di dualità, il secondo approccio (del limite inferiore) è associato allo stesso carico di rottura, ma fornisce anche le azioni interne che agiscono in corrispondenza delle interfacce. Tale modello originale è stata applicato per l'analisi di tre pagode cinesi in muratura: la pagoda Longhu, la pagoda sud di Zhongjiang e la pagoda Huqiu. La pianta della pagoda Longhu è rettangolare, mentre le altre due presentano pianta a base ottagonale; la pagoda Huqiu ha un rapporto di snellezza particolarmente elevato. I risultati ottenuti sono coerenti con altri metodi di simulazione numerica, analisi semplificate e risposta reale (stato di fatto), il che dimostra che l'affidabilità del metodo proposto è molto buona. Analogamente, il codice di calcolo è stato applicato anche ad aggregati edilizi in tre diversi centri storici, specializzando il modello al caso di muratura non resistente a trazione. In questo caso sono stati discussi i risultati ottenuti con riferimento ad approcci alternativi basati sull'analisi limite NURBS e le ben note schede C.I.N.E., dimostrando che la metodologia proposta è affidabile. Nel complesso, il metodo di analisi limite proposto in questa tesi può rappresentare uno strumento di valutazione veloce e accurato dei meccanismi di collasso di tipiche strutture monumentali in muratura. Inoltre, esso è caratterizzato da tempi di calcolo molto ridotti e elevata stabilità dell'algoritmo. La specializzazione al caso di muratura non resistente a trazione consente di evitare la sovrastima dell'effettiva capacità portante.