A numerical approach to investigate the collapse behaviour of ogival masonry domes

Masonry domes are largely diffused in all the word and always have an enormous relevance from an architectural point of view; indeed, their conservation is matter of interest, above all concerning the study of their mechanical behaviour in order to prevent collapse. Domes result highly effective sustaining vertical permanent loads, while strength against seismic actions is still an open issue and more knowledge in this field is needed. In this work, the dome of Anime Sante in L’Aquila (Italy) and the dome of Escuelas Pias in Valencia (Spain), two ogival masonry domes, are studied, with the aim of investigating the collapse behaviour for this kind of structures under the effect of both vertical and horizontal actions. Furthermore, a preliminary analysis concerning the lantern and its influence on the bearing lateral capacity is conducted. Structural analysis is performed using the Finite Element Method: in fact, a numerical approach represents a suitable strategy to face the problem. The commercial software ABAQUS is used, exploiting the Concrete Damage Plasticity model to deal with material nonlinearity. Static analyses under vertical loads allow to get global failure modes and quantify the vertical bearing capacity. Results are compared with others obtained by analytical approaches; since good agreement is found, the numerical method is judged validated. In addition, the numerical method is exploited to enhance the knowledge about effects of a seismic loading condition; an estimation about the lateral bearing capacity is provided and a global collapse mechanism is recognized. Because of its elevated position and because it adds mass to the system, the lantern increases seismic vulnerability of the structure. This is confirmed by results of the analyses. Further updates should be addressed to the numerical model to give an exhaustive evaluation about this latter issue.

Le cupole in muratura sono ampiamente diffuse in tutto il mondo e hanno sempre grande rilevanza da un punto di vista architettonico; infatti, la loro conservazione è oggetto di interesse, soprattutto per quanto riguarda lo studio del loro comportamento meccanico, finalizzato a prevenirne il collasso. Le cupole sono molto efficaci nel sostenere carichi permanenti verticali, mentre la loro resistenza alle azioni sismiche è oggetto di studio, in quanto è necessaria una maggiore conoscenza in tale ambito. In questa tesi, la cupola delle Anime Sante de L’Aquila (Italia) x e la cupola delle Escuelas Pias di Valencia (Spagna), due cupole ogivali in muratura, sono studiate allo scopo di investigare il comportamento a collasso per questo tipo di strutture sotto l’effetto di carichi sia verticali che orizzontali. Oltre alle indagini descritte, si è svolta un’analisi preliminare riguardante la lanterna e la sua influenza sulla capacità portante complessiva sotto carichi laterali. Le analisi strutturali sono implementate servendosi del Metodo degli Elementi Finiti: infatti, l’utilizzo di un approccio numerico rappresenta una strategia adeguata ad affrontare il problema in questione. Il software commerciale utilizzato è ABAQUS, sfruttando il modello Concrete Damage Plasticity per descrivere la non linearità del materiale. Le analisi statiche sotto carichi verticali consentono di ottenere i modi di rottura globali e di quantificare la capacità portante. I risultati sono comparati con quelli ottenuti mediante approcci analitici; siccome si è riscontrato un buon accordo, il metodo numerico è considerato validato. In aggiunta, il metodo numerico è sfruttato per estendere la conoscenza circa gli effetti di una condizione di carico sismica; si è fornita una stima della capacità portante sotto carichi laterali e si è proposto un meccanismo di collasso globale. A causa della sua elevata posizione e siccome questa aumenta la massa totale del sistema, la lanterna aumenta la vulnerabilità sismica della struttura. Questo è confermato dai risultati delle analisi. Una valutazione esaustiva riguardo quest’ultimo argomento necessiterebbe ulteriori aggiornamenti al modello.