Advanced non-linear analysis of masonry vaults accounting for the fully 3D and orthotropic behavior

The aim of this thesis is the behavior modeling and the collapse and load carrying capacity evaluation of double curvature masonry structures (specifically, a cloister vault) using a FEs commercial software. Following a brief historical and architectural introduction about these masonry structures (arches, vaults and domes), the evolution of their methods of analysis is described up to the rising of Limit Analysis with Heyman’s hypothesis; hence, the most modern techniques (micro and macro modeling and FEM and DEM analysis) are briefly presented. Then, a digression about material modeling and analysis typologies precedes a presentation of the existing studies about the analyzed vault and the masonry complex to which it belongs. In this thesis, the vault will be analyzed using the FEs software Straus7 and modeled with homogeneous elastic blocks separated by elastic-plastic mortar joints (with variable cohesion), following the structural loading sequences. In the first part, the vault is modeled with “stack” joints disposition without and with backfill contribution, to demonstrate its benefits and consequent resistance increasing. Then, the vault is modeled and analyzed with “running bond” joints disposition and the load carrying capacity, energy dissipation and plastic hinges formation results of all the analysis are compared, underling their dependance on joints organization and mortar cohesion. A final comparison is performed with a monolithic elastic-plastic vault, which provides significantly worse results in terms of structural resistance and damage distribution.

Questa tesi si propone di modellare il comportamento e valutare il collasso e la capacità portante di strutture in muratura a doppia curvatura (nello specifico, una volta a padiglione) utilizzando un software commerciale a EF. A seguito di una rapida introduzione storica e architettonica su queste strutture (archi, volte e cupole), ne viene descritta l’evoluzione dei metodi di analisi fino all’avvento dell’Analisi Limite, arricchita dalle ipotesi di Heyman; da qui viene poi proposta una breve presentazione delle tecniche più moderne (modellazione micro e macro e analisi FEM e DEM). Successivamente, una digressione sulla modellazione dei materiali e sulle tipologie di analisi precede una presentazione degli studi esistenti riguardanti la volta analizzata e il complesso murario di cui fa parte. In questa tesi, la volta sarà analizzata attraverso il software a EF Straus7 e modellata con blocchi di materiale elastico omogeneo intervallati da giunti di malta elastoplastici (con coesione variabile), seguendo le sequenze di carico caratterizzanti la struttura. Nella prima parte, la volta modellata da giunti disposti “a rete” viene analizzata senza e con il riempimento, per dimostrarne i benefici e il conseguente aumento della resistenza della struttura. Successivamente, la volta modellata con giunti “running bond” viene analizzata e i risultati in termini di capacità portante, energia dissipata e cerniere plastiche di tutte le analisi svolte vengono confrontati evidenziando come questi risultati variano in funzione della disposizione dei giunti e della coesione associata alla malta. Un ultimo confronto è svolto in rapporto ad una volta con materiale unico elasto-plastico, che presenta risultati nettamente peggiori in termini di resistenza e diffusione del danno.