Settlement-induced damage analysis of church San Silvestro, Casto

Historical masonry structures play a vital role in the cultural heritage of societies; thus, their effective protection and preservation are essential to prevent cultural loss. While these structures are often recognized for their vulnerability to seismic hazards, they are also susceptible to various other risks, such as soil movements and settlements. The inherent properties of masonry materials lead to brittle behaviour under tensile forces, making these structures particularly prone to damage from ground movements and compromising their structural integrity. This thesis investigates settlement-induced damage in a historic stone masonry church located in northern Italy through comprehensive geometric and structural modelling. It assesses the current state of damage by meticulously comparing the results of structural simulations with existing data on crack propagation. The aim is to accurately represent the differential settlement profile that occurred, correlating it with the observed damage patterns in the church and evaluating the effectiveness of the numerical approach in simulating the effects of soil settlements. To accomplish this, a geometrical 3D model was constructed for an accurate structural analysis. A finite element (FE) model of the structure was developed using Abaqus CAE, analysing the building in two different configurations: under rigid base conditions and with applied settlement conditions. The methodology employed included a linear elastic and linear dynamic analysis in initial state to assess the global behaviour of the structure and the construction of the geometry, and a non-linear analysis that incorporated concrete damage plasticity, allowing for a clear visualization of the damage state and crack formation within the church. Consequently, the propagation of damage was detailed and compared between the existing conditions and the numerical simulations. The results are presented in terms of displacements, stress states, and tensile damage. The maximum vertical displacement reached approximately 78 mm in arched elements when the structure was subjected to a maximum vertical sagging settlement profile of 30 mm. All numerical models provided an effective representation of the existing damage to the structure due to differential settlements.

Le strutture murarie storiche svolgono un ruolo fondamentale nel patrimonio culturale delle società; pertanto, la loro efficace protezione e conservazione sono essenziali per prevenire la perdita culturale. Sebbene queste strutture siano spesso riconosciute per la loro vulnerabilità ai rischi sismici, sono anche soggette a vari altri rischi, come movimenti del terreno e cedimenti. Le proprietà intrinseche dei materiali murari portano a un comportamento fragile sotto forze di trazione, rendendo queste strutture particolarmente soggette a danni da movimenti del terreno e compromettendone l'integrità strutturale. Questa tesi indaga i danni indotti da cedimenti in una chiesa storica in muratura di pietra situata nel nord Italia attraverso una modellazione geometrica e strutturale completa. Valuta lo stato attuale dei danni confrontando meticolosamente i risultati delle simulazioni strutturali con i dati esistenti sulla propagazione delle crepe. L'obiettivo è rappresentare accuratamente il profilo di cedimenti differenziali che si è verificato, correlandolo con i modelli di danno osservati nella chiesa e valutando l'efficacia dell'approccio numerico nella simulazione degli effetti dei cedimenti del terreno. Per raggiungere questo obiettivo, è stato costruito un modello geometrico 3D per un'analisi strutturale accurata. È stato sviluppato un modello a elementi finiti (FE) della struttura utilizzando Abaqus CAE, analizzando l'edificio in due diverse configurazioni: in condizioni di base rigida e con condizioni di cedimento applicate. La metodologia impiegata includeva un'analisi elastica lineare e dinamica lineare nello stato iniziale per valutare il comportamento globale della struttura e la costruzione della geometria, e un'analisi non lineare che incorporava la plasticità del danno al calcestruzzo, consentendo una chiara visualizzazione dello stato del danno e della formazione di crepe all'interno della chiesa. Di conseguenza, la propagazione del danno è stata dettagliata e confrontata tra le condizioni esistenti e le simulazioni numeriche. I risultati sono presentati in termini di spostamenti, stati di stress e danni da trazione. Lo spostamento verticale massimo ha raggiunto circa 78 mm negli elementi arcuati quando la struttura è stata sottoposta a un profilo di cedimento verticale massimo di 30 mm. Tutti i modelli numerici hanno fornito una rappresentazione efficace del danno esistente alla struttura dovuto a cedimenti differenziali.