Thèses sur le sujet « Costruzioni in muratura »

2016 - 2017
Masonry curved elements, such as arches, vaults and domes, are among the most widespread, and fascinating, world historical Architecture structural elements. Written historical records about the set of technical rules used to erect masonry structures, even the most complex of them, date to quite recent times, around a couple of century before scientific discoveries of Galilei and Newton. These recordings show that the rules to build masonry structures like Gothic Cathedrals or domes and the European Baroque stairs were pure proportion rules. In fact, compressive stress inside masonry are typically very low, compared to the material resistance, hence the analysis of a masonry structure can be reduced mainly to the detection of a flux of compression forces equilibrating the external forces. A reasonable theory, explaining the bases of this phenomenon in modern terms, is based upon the constrains defining the Heyman’s unilateral material (No-Tension) evoking the rule system and the methods used by the ancient master builders and integrating the masonry structures analyses in the well defined limit analysis framework. In his 1966 work, entitled ”The Stone Skeleton”, Heyman casts his deep knowledge of the emerging Plasticity Theory of the time. Heyman theory was adopted and successfully applied to arches and domes only recently. Two alternate approaches have been proposed in this context. The first is the so called “Thrust Network Analysis” (TNA), while the second is the “Thrust Surface Method” (TSM). This thesis focuses on the “Thrust Surface Method” application, specifically in the implementation of an algorithm able to produce compressive membrane stress states on surfaces inside the masonry, in equilibrium with assigned external loads. Thrust Surface Method is based essentially on the loads equilibrium on a membrane surfaces. Such S surface represents the unique support of an admissible stress (i.e. a compression stress balanced with the loads) contained inside the vault thickness to which the loads action is transmitted by the surrounding continuum (small traction stresses are also used in the process). The freedom of choice of the S surface provides a wide catalogue of possible states of admissible stresses, much wider of the one available for the arches (whose possible shapes are heavily constrained by the equilibrium), and represents the specificity of both TNA and TSM. In details, with the TSM, membrane balance under assigned loads is a statistically determined problem, being three both the unknown stress components and the equilibrium condition. For a assigned shape S the catalogue of the balanced stresses is determined, indeed, by the boundary conditions. The choice of the S shape, however, is not fully free, since the membrane stresses have to be purely compression stresses. This thesis has the main purpose to introduce a method for the automation of the research of an admissible stresses field for a vault of chosen shape. Such method is based on the iterative resolution of a determined problem where the variable role is taken alternately by the shape and the stress. The practical ability to implement such iterative procedure is based on the the formulation of the membrane equilibrium on a surface S according to the Pucher scheme. In his 1934 work, Pucher used primitive analytical methods and introduced as primary variables the so called “projected stress”, showing how to decouple the three S equilibrium equation in two equations for the S surface equilibrium (equations which are independent from the membrane geometry) and one equation for the S transversal equilibrium, where the S curvature determine the coefficients. The general solution of the two surface equations can be expressed as a F function representing the stress potential (Airy function), while the transversal equilibrium equation is reduced to a differential linear second order equation in F whose coefficients are represented by the f Hessian function describing S in a Monge parametric representation. Constrain on the material to be exclusively compressed imposes a subsequent constrains on the stress potential: F has to be concave, i.e. its Hessian has to be semi-defined negative. F function is restricted too by the condition that f values are contained, for each point, in the interval defined by the vault extrados and intrados. The proposed iterative procedure, starting from an assigned surface f° , is built on a optimization based strategy to create sequences of stress functions F°, F1, F2, .., Fn, f1, f2, .., fn, with the purpose to automatically obtain a stress function as concave as possible and a membrane surface as close as possible to the vault median surface. [edited by author]
XVI n.s.

L'obiettivo della tesi è stato quello di indagare il complesso problema della vulnerabilità sismica dei ponte in muratura ad arco utilizzando modelli semplificati. Dopo una descrizione dei materiali da costruzione impiegati nella realizzazione e dei principali elementi dei un ponti in muratura, si è indirizzato lo studio di un ponte ad arco situato nel comune di San Marcello Pistoiese. Viene mostrato un modello numerico che permette di descrivere il comportamento strutturale del ponte sotto azione sismica e di valutare la capacità di carico del ponte sottoposto ad una azione trasversale. In un secondo momento viene descritta la realizzazione di un modello in scala del ponte, che è stato sottoposto a prove distruttive effettuate per valutare la capacità di carico del ponte rispetto ad un ipotetica azione orizzontale. Si è cercato poi di inquadrare il problema in un modello teorico che faccia riferimento all'analisi limite. Esso descrive un cinematismo di collasso a telaio che prende spunto dal quadro fessurativo del modello in muratura. Infine sono stati presentati modelli FEM numerici in ordine di complessità crescente, cercando di inquadrare il comportamento meccanico del prototipo del ponte. Tre tipi di modelli sono rappresentati: un telaio incernierato alle estremità costituito da elementi beam con resistenza alla flessione . Il secondo tipo è costituito da una reticolare equivalente che mima lo schema del ponte ed è formato solo da bielle. Infine, il terzo tipo cerca di descrivere l'intero modello con elementi tridimensionali.
The aim of the thesis was to investigate complex problem of seismic vulnerability of masonry arch bridge by using simplified models. After a description of construction materials used in building and the principals element of a masonry bridges, the study on the arch bridge located in the municipality of San Marcello Pistoiese is reported. Numerical model, that allows to describe the structural behaviour of the bridge under seismic action and to assess the carrying capacity of the bridge subjected to a transversal action, is shown. In second moment the construction of a scale model of the bridge is described, it was subjected destructive tests made to assess the carrying capacity of the bridge compared to a hypothetical seismic action. It tries to frame the issue in a theoretical model that refers to the analysis limit. It describes a kinematics collapse of the chassis which takes its inspiration from the crack of the masonry model. FEM numerical models are presented in order of increasing complexity, seeking to frame the mechanical behaviour of the prototype of the bridge. Three types of models are shown: the first is represented by a frame consisting of linear beam elements with bending resistance hinged at the ends. The second type consists of a reticular frame equivalent in roughly the trends of the bridge and is formed only of rod-free flexural behaviour. Finally, the third type tries to describe the entire model with three-dimensional elements.

L'obiettivo della tesi è stato quello di indagare il complesso problema della vulnerabilità sismica dei ponte in muratura ad arco utilizzando modelli semplificati. Dopo una descrizione dei materiali da costruzione impiegati nella realizzazione e dei principali elementi dei un ponti in muratura, si è indirizzato lo studio di un ponte ad arco situato nel comune di San Marcello Pistoiese. Viene mostrato un modello numerico che permette di descrivere il comportamento strutturale del ponte sotto azione sismica e di valutare la capacità di carico del ponte sottoposto ad una azione trasversale. In un secondo momento viene descritta la realizzazione di un modello in scala del ponte, che è stato sottoposto a prove distruttive effettuate per valutare la capacità di carico del ponte rispetto ad un ipotetica azione orizzontale. Si è cercato poi di inquadrare il problema in un modello teorico che faccia riferimento all'analisi limite. Esso descrive un cinematismo di collasso a telaio che prende spunto dal quadro fessurativo del modello in muratura. Infine sono stati presentati modelli FEM numerici in ordine di complessità crescente, cercando di inquadrare il comportamento meccanico del prototipo del ponte. Tre tipi di modelli sono rappresentati: un telaio incernierato alle estremità costituito da elementi beam con resistenza alla flessione . Il secondo tipo è costituito da una reticolare equivalente che mima lo schema del ponte ed è formato solo da bielle. Infine, il terzo tipo cerca di descrivere l'intero modello con elementi tridimensionali.
The aim of the thesis was to investigate complex problem of seismic vulnerability of masonry arch bridge by using simplified models. After a description of construction materials used in building and the principals element of a masonry bridges, the study on the arch bridge located in the municipality of San Marcello Pistoiese is reported. Numerical model, that allows to describe the structural behaviour of the bridge under seismic action and to assess the carrying capacity of the bridge subjected to a transversal action, is shown. In second moment the construction of a scale model of the bridge is described, it was subjected destructive tests made to assess the carrying capacity of the bridge compared to a hypothetical seismic action. It tries to frame the issue in a theoretical model that refers to the analysis limit. It describes a kinematics collapse of the chassis which takes its inspiration from the crack of the masonry model. FEM numerical models are presented in order of increasing complexity, seeking to frame the mechanical behaviour of the prototype of the bridge. Three types of models are shown: the first is represented by a frame consisting of linear beam elements with bending resistance hinged at the ends. The second type consists of a reticular frame equivalent in roughly the trends of the bridge and is formed only of rod-free flexural behaviour. Finally, the third type tries to describe the entire model with three-dimensional elements.

2009 - 2010
Lo spiccato comportamento inelastico delle strutture in muratura rende inapplicabile l’utilizzo di modelli statici lineari, e per tale motivo, sia per scopi accademici che eminentemente pratici, la comunità scientifica è chiamata all’adozione di più complessi modelli strutturali. A ciò si aggiunge l’esigenza di specifiche procedure statiche non lineari (NSP) che discendono dall’applicazione dei concetti alla base di un approccio perfomance‐based dell’ingegneria sismica. Tali procedure generalmente richiedono il confronto della domanda sismica con la capacità dell’edificio, tipicamente espressa in termini di spostamenti. In questa logica, la scelta dei più corretti modelli strutturali è di fondamentale importanza: da un lato l’esigenza di una previsione accurata porta all’adozione di modelli agli elementi finiti (EF) molto complessi ma, d’altra parte, l’alto costo in termini di tempo e di capacità computazionali richieste dai modelli agli EF suggerisce l’adozione, specie nella pratica professionale, di modelli semplificati, quali ad esempio il modello a telaio equivalente. Il modello a telaio equivalente non è una novità nel panorama della modellazione di strutture in muratura, tuttavia le effettive potenzialità del metodo meritano ancora oggi un sostanziale approfondimento, soprattutto in ambito non lineare. Scopo del presente lavoro di tesi è stata la realizzazione del software FREMA (Equivalent FRamE Analysis of MAsonry Structures), efficace strumento per l’analisi statica non lineare di pareti in muratura. Nel lavoro in esame sono quindi analizzate dapprima le principali caratteristiche del modello proposto (approccio a plasticità diffusa, processo di carico in controllo di spostamento, utilizzo di una legge accurata momento‐curvatura per il problema flessionale dei maschi murari, innovativi modelli a flessione per le fasce di piano) e successivamente una esaustiva validazione del software viene realizzata attraverso confronti con risultati teorici (analisi accurate agli EF) e riscontri sperimentali disponibili in letteratura. [a cura dell'autore]
IX n.s.

Le strutture in muratura caratterizzano il costruito emiliano e in muratura sono i suoi più significativi edifici storici. Il terremoto che ha colpito l’Emilia il 20 e 29 Maggio ne ha messo in evidenza le vulnerabilità. Lo scopo della presente tesi è l’analisi sismica di alcuni edifici storici in muratura danneggiati dal terremoto. La vulnerabilità delle strutture in muratura viene studiata in dettaglio grazie all’osservazione dei danni e alle analisi svolte con modelli ad elementi finiti. I casi studio esaminati sono: - La Torre Fornasini, localizzata a Poggio Renatico [1]; - Una struttura in muratura monumentale chiamata Prospettiva [2] [3] [4] [5]; - La volta a crociera presente nella torre maestra della rocca di San Felice sul Panaro [6]; - Palazzo Naselli Crispi, uno dei più importanti palazzi rinascimentali nella città di Ferrara. La simulazione e interpretazione del comportamento simico di queste strutture è svolta con analisi non lineari e diversi tipi di modellazione ed ha preso in considerazione lo stato di fatto dei manufatti, il loro stato di danno e gli interventi di progetto. Particolare attenzione è stata rivolta alle strutture voltate a crociera, per esse numerose simulazioni sono state svolte variando le condizioni al contorno, le proprietà dei materiali, il riempimento e la presenza di rinforzi in FRP [7]. [1] Cattari S., Lagomarsino S., Milani G., Rossi M., Simoni M., Tralli A.: Non linear modelling of fornasini tower after the 2012 emilia earthquake (italy). - Mexico City : SACH 2014 - 9th international Conference on Structural Analysis of Historical Construction, 2014. [2] Chiozzi A., Malagù M., Tralli A., Cazzani A.: ArchNURBS: NURBS-Based Tool for the Structural Safety Assessment of Masonry Arches in MATLAB. - [s.l.] : J. Comput. Civ. Eng. 10.1061/(ASCE)CP.1943-5487.0000481 , 04015010., 2015. - Vol. 30. [3] Chiozzi A., Simoni M. and Tralli A. Base isolation of heavy non-structural monolithic object at the top of masonry monumental construction. - [s.l.] : Materials and Structures, 2015. [4] Chiozzi A., Simoni M. and Tralli A. Rocking and overturing prevention for non-structural monolithic objects under seismic excitations through base isolation: a case study in Ferrara (Italy). - Florence : 5th European Conference of civil Engineering, 2014. [5] Chiozzi A., Simoni M. and Tralli A. Safety assessment and base isolation of heavy non-structural monolithic object. - Guwahaiti-India : 12th International conference on vibration problems, 2015. [6] Cattari S. [et al.] Vulnerabilità delle Rocche e dei Castelli Emiliani Danneggiati dal Sisma del Maggio 2012: Abaco dei principali meccanismi di danno.. - [s.l.] : Castellum n°55, 2014. [7] Milani G., Simoni M. and Tralli A. Advanced numerical models for the analysis of masonry cross vaults: a case study in italy. - [s.l.] : Engineering Structures, 2014. - Vols. 76, pp. 339-358.
The masonry structures are a very common and distinctive type among the Emilian historical construction and the earthquake of May 20th and 29th, 2012 highlighted their high vulnerability. Aim of the present thesis is the analysis of a series of existing masonry construction damaged by earthquake. Thus the seismic vulnerability of the masonry constructions is studied and deepened, based on an accurate damage assessment and analyses on finite element models of typical configurations, in terms of geometrical and constructive features. The cases study presented are: - Fornasini tower, located in Poggio Renatico [1]; - A masonry monumental construction named Prospettiva [2] [3] [4] [5]; - The cross vault in the main tower of Fortress located in San Felice sul Panaro [6], - Naselli Crispi, one of the most important Renaissance masonry buildings in the city of Ferrara. To simulate and interpret its seismic response, non linear numerical simulations are performed by using in an integrated way various modelling approaches. The seismic response of those are described in reference to their historical notes, the damage and their post seismic structural interventions. Particularly, great attention has been devoted to cross masonry vault for which several numerical simulation are performed varying constraint conditions, material properties, infill modeling and presence of FRP strips as reinforcement devices [7]. [1] Cattari S., Lagomarsino S., Milani G., Rossi M., Simoni M., Tralli A.: Non linear modelling of fornasini tower after the 2012 emilia earthquake (italy). - Mexico City : SACH 2014 - 9th international Conference on Structural Analysis of Historical Construction, 2014. [2] Chiozzi A., Malagù M., Tralli A., Cazzani A.: ArchNURBS: NURBS-Based Tool for the Structural Safety Assessment of Masonry Arches in MATLAB. - [s.l.] : J. Comput. Civ. Eng. 10.1061/(ASCE)CP.1943-5487.0000481 , 04015010., 2015. - Vol. 30. [3] Chiozzi A., Simoni M. and Tralli A. Base isolation of heavy non-structural monolithic object at the top of masonry monumental construction. - [s.l.] : Materials and Structures, 2015. [4] Chiozzi A., Simoni M. and Tralli A. Rocking and overturing prevention for non-structural monolithic objects under seismic excitations through base isolation: a case study in Ferrara (Italy). - Florence : 5th European Conference of civil Engineering, 2014. [5] Chiozzi A., Simoni M. and Tralli A. Safety assessment and base isolation of heavy non-structural monolithic object. - Guwahaiti-India : 12th International conference on vibration problems, 2015. [6] Cattari S. [et al.] Vulnerabilità delle Rocche e dei Castelli Emiliani Danneggiati dal Sisma del Maggio 2012: Abaco dei principali meccanismi di danno.. - [s.l.] : Castellum n°55, 2014. [7] Milani G., Simoni M. and Tralli A. Advanced numerical models for the analysis of masonry cross vaults: a case study in italy. - [s.l.] : Engineering Structures, 2014. - Vols. 76, pp. 339-358.

In questo studio, si affronterà essenzialmente la definizione dello stato di minima spinta della volta a crociera che si configura essere quello più probabile nell’ambito dell’ammissibilità dell’equilibrio dell’intera struttura nella quale la volta stessa è inserita. Lo stato di minima spinta della volta a crociera verrà analizzato dal punto di vista statico e dal punto di vista cinematico, seguendo i due procedimenti statico e cinematico indicati da Como [6,7]. Il lavoro evidenzia nella formulazione statica e cinematica la corrispondenza fra gli stati di sollecitazione e i quadri fessurativi individuati nella volta. In particolare vengono analizzate le lesioni di Sabouret citate in letteratura da vari autori [11,15]. Vengono inoltre fornite indicazioni operative di facile applicazione per l’analisi statica della volta a crociera in minima spinta. Quale applicazione del metodo proposto si riporta la valutazione della spinta della crociera centrale della copertura del Tepidarium delle antiche Terme di Diocleziano a Roma (oggi Basilica di Santa Maria degli Angeli e dei Martiri).
In this paper an analysis of the minimum thrust state in the cross vault has been presented. Minimum thrust condition has been analysed by the static and kinematics point of view, following static and kinematics approach by Como [6,7]. This study brings out static and kinematics formulation is closely connected to the stress and cracks map in the vault. Paticularly Sabouret cracks mentioned by different authors [11,15] has been analysed. A simple operative method to calculate the minimum thrust in the vault has been given. This procedure has been applied to evaluate the minimum vault thrust for the Tepidarium’s vault in the ancient Baths of Diocletian.

2015 - 2016
Parole chiave: Strutture in muratura, Algoritmo Genetico, Modello agli elementi finiti adattabile; Rinforzo, Materiali Compositi. Abstract: Gli edifici in muratura realizzati nei secoli scorsi costituiscono una parte significativa del patrimonio architettonico internazionale. Il progetto ottimale degli interventi di rinforzo di questi edifici rappresenta una priorità e richiede la valutazione del loro comportamento meccanico sotto carichi statici e dinamici. Sono disponibili in letteratura diversi modelli meccanici per lo studio di strutture murarie, basati sull'approccio in termini di analisi limite, come proposto da Heyman. Questi modelli non possono essere facilmente adottati nei codici FEM. In questo contesto, viene implementato algoritmo genetico (Genetic Algorithm; GA) accoppiato ad un software FEM commerciale nell’ambito di una modellazione elastico lineare di strutture curve mediante elementi shell a comportamento prevalentemente membranale. Il modello proposto ricerca, per una data volta in muratura, una superficie delle pressioni "sicura" all'interno di un dominio di progetto, riducendo al minimo il valore medio degli sforzi principali di trazione agenti sulla parte non rinforzata del materiale (funzione di fitness). Il dominio di progettazione coincide con il volume della volta, nel caso di elementi in muratura non rinforzati o con una zona esterna della volta in corrispondenza delle aree rinforzate, nel caso in cui siano stati applicati rinforzi in FRP o FRCM. La metodologia proposta consente di valutare la sicurezza strutturale della volta muraria e di definire un progetto ottimale dell’intervento di rinforzo. [a cura dell'autore]
Keywords: Masonry structures, Genetic algorithm, Adaptive finite element model, Strengthening, Composite materials Abstract. Masonry buildings realized in the last centuries are a significant part of the international architectural heritage. The optimal design of the retrofit interventions of these buildings represents a priority and requires the evaluation of their mechanical behavior under static and dynamic loads. Several mechanical models capable to study masonry structures are available in literature and are based on Heyman limit analysis approach. These models cannot be easily adopted within FEM codes. Within this context, a Genetic Algorithm is implemented within a refinement adaptive finite element model to computational mesh of shell surfaces. The proposed model researches a ‘safe’ thrust surface of a masonry vault within a design domain, by minimizing the mean value of the principal tensile stresses carried by the unreinforced portion of the material (fitness function). The design domain coincides with either the vault volume, in the case of unreinforced masonry members, or an external region of the vault in correspondence with the reinforced areas, in the case of the vault strengthened with either Fiber Reinforced Polymer or Fabric Reinforced Cementitious composites. The proposed methodology allows evaluating the structural safety of masonry vault and defining an optimal design of reinforcement pattern. [edited by author]
XV n.s. (XXIX)

This work is dedicated to the study of damaging phenomena involving reinforced concrete structures and masonry buildings and the consequences in terms of structural performances decay. In the Italian context there are many examples of structures that have already exceeded their service life, considering not only the ancient buildings but also infrastructures and R/C buildings that today are operating from more than 50th years. Climate change which is subject to the entire planet, with changing in seasonal weather and increasing in environmental pollution, is not excluded could have a harmful influence on the rate of building materials decay previously deemed as durables. If the aggressive input changes very fast, for example in a few decades, then it can also change the response of a construction material considered so far durable; in this way the knowledge about the art of good build, consolidated over the centuries, is thwarted. Hence this study is focused on the possibility to define the residual capacity for vertical or seismic loads for structures that are already at the limit of their service life, or for which is impossible to define a service life. The problem in an analysis of this kind, and that is what makes this research different from the main studies avaibles in the literature, is to keep in correlation – in a not so expensive computationally way – issues such as: - dangerous environmental inputs adequately simulated; - environmental conditions favorable to the spread of pollutants and development of the degradation reactions (decay’s speed); - link between environmental degradation and residual bearing capacity A more realistic assessment of materials residual performances that constitute the structure allows to leave the actual system for the residual load-bearing capacity estimation in which all factors are simply considered through the use of a safety factor on the materials properties.

This work is dedicated to the study of damaging phenomena involving reinforced concrete structures and masonry buildings and the consequences in terms of structural performances decay. In the Italian context there are many examples of structures that have already exceeded their service life, considering not only the ancient buildings but also infrastructures and R/C buildings that today are operating from more than 50th years. Climate change which is subject to the entire planet, with changing in seasonal weather and increasing in environmental pollution, is not excluded could have a harmful influence on the rate of building materials decay previously deemed as durables. If the aggressive input changes very fast, for example in a few decades, then it can also change the response of a construction material considered so far durable; in this way the knowledge about the art of good build, consolidated over the centuries, is thwarted. Hence this study is focused on the possibility to define the residual capacity for vertical or seismic loads for structures that are already at the limit of their service life, or for which is impossible to define a service life. The problem in an analysis of this kind, and that is what makes this research different from the main studies avaibles in the literature, is to keep in correlation – in a not so expensive computationally way – issues such as: - dangerous environmental inputs adequately simulated; - environmental conditions favorable to the spread of pollutants and development of the degradation reactions (decay’s speed); - link between environmental degradation and residual bearing capacity A more realistic assessment of materials residual performances that constitute the structure allows to leave the actual system for the residual load-bearing capacity estimation in which all factors are simply considered through the use of a safety factor on the materials properties.

L’evoluzione tecnologica e lo sviluppo di tecniche di produzione hanno portato il mondo delle costruzioni a poter fare affidamento su un repertorio di materiali da costruzione con valenza strutturale ben lontano da quello conosciuto fino a qualche anno fa. In particolare, dall’inizio degli anni Novanta hanno trovato spazio nell’edilizia i cosiddetti materiali compositi, creati dall’unione di fibre (solitamente di carbonio, vetro o aramidiche) annegate in una matrice (solitamente una resina). I compositi precedentemente venivano utilizzati solo in quei settori dove era richiesta una elevata resistenza o rigidezza specifica e dove il costo del materiale non costituiva un problema rilevante (applicazioni aeronautiche, navali, industria sportiva, ecc.). Nel corso degli ultimi anni, in ambito civile, si è assistito alla comparsa di nuove matrici e nuovi tipi di fibre. Tra i nuovi tipi di fibre vanno menzionate le fibre (o meglio “mini-trefoli”) in acciaio, le fibre naturali (canapa, lino, ecc.) e le fibre di basalto. In questo lavoro è stata posta l’attenzione proprio su queste ultime. Il basalto è una roccia derivata dalla solidificazione della lava vulcanica con un punto di fusione di circa 1400°C, usata fin dall’antichità, per la sua durezza, per lastricare le strade. Una volta fusa e riportata allo stato liquido, la roccia basaltica consente l’estrusione di filamenti continui di esiguo spessore: le fibre di basalto. Con semplici lavorazioni le fibre di basalto possono essere assemblate per realizzare prodotti destinati al mondo delle costruzioni, in particolare barre e corde, che in questo lavoro saranno caratterizzate dal punto di vista fisico, chimico e meccanico. In particolare le corde, per la loro estrema leggerezza e versatilità, sono il prodotto che ha fornito lo spunto per un’innovativa applicazione delle stesse per il consolidamento delle murature storiche. Dalla constatazione che una delle vulnerabilità più pericolose per una muratura è la mancanza di monoliticità, nasce l'idea di conferire questa importante caratteristica attraverso un sapiente gioco di trama e ordito, in cui elementi flessibili in fibra di basalto tengono assieme i vari conci. La tecnica proposta e testata attraverso test in laboratorio, in situ e successive analisi numeriche, ha l’obiettivo di consolidare i pannelli murari, confinandoli e al tempo stesso collegandone le facce attraverso cuciture continue flessibili. In pratica, un elemento continuo e flessibile cinge la muratura sui due lati dopo averne attraversato lo spessore in più punti, proprio come se venisse “cucita” dal “filo” di rinforzo. Il sistema così ideato integra ma non sostituisce o trasforma la materia originaria. È reversibile e può essere messo in opera anche “a secco”. In questo caso non contempla l’uso di sostanze tossiche o dannose per la salute, non necessita di particolari accorgimenti per lo smaltimento dei residui delle lavorazioni o all’atto della dismissione per fine servizio. Risulta così all’avanguardia sia dal punto di vista della sostenibilità ambientale che della sicurezza dei lavoratori. È compatibile con il supporto in muratura (la pietra che cuce la pietra), è rispettoso del minimo intervento (impiegabile quindi su murature delle quali si voglia salvaguardare l’aspetto “faccia a vista”, può essere localizzato anche nei giunti di malta). È economico: anche se applicato su murature irregolari, prevede fasi di lavorazione e tempi di applicazione ridotti rispetto a tecniche alternative, è durevole e con elevata resistenza al fuoco. Vantaggi, rispetto alle tecniche oggi utilizzabili, che proiettano questo sistema come utilizzabile con profitto nel campo del restauro e del consolidamento.
Due to technology evolution, a lot of innovative techniques are today available in constructions field for structural purposes. In particular, from the early nineties, composite materials, created through the union between fibres (usually carbon, glass or aramidic ones) and matrix (usually a resin) have been used in building industry. Previously composites were used only in several fields such as automotive, aviation industry and sporting equipment, where great stiffness and strength are required and cost is not a problem. Recently, innovative reinforcing fibres, like steel, and basalt ones, are emerging in FRP field. This work focuses on basalt fibre products. Basalt is a natural material that is found in volcanic rocks originated from frozen lava. Continuous basalt fibers are obtained by melting basalt and are characterized by high modulus, heat resistance, good resistance to chemical attack and they seem to be a good alternative to glass fibers. Continuous basalt fibers can be processed with classic textile transformation to obtain also ropes, unlike other kinds of reinforcing fibers. This work presents a physical, chemical and tensile characterization of BFRP rods and BF ropes, in particular ropes are evaluated to be used in masonry strengthening. From the awareness that one of the worst structural defects of an historic masonry wall is the lack of monolithic behavior, arise the idea of a strengthening technique able to connect the several masonry elements, stitching them. The proposed technique, based on the reinforcement and connection of masonry component using basalt fiber ropes, is able to change the failure mode of masonry wall, exploiting material properties, and it is able to impart to masonry monolithic behavior. Compared to traditional techniques, best advantages are represented by the fact that the application is very fast (and so cheap), the material used (basalt) presents an high compatibility with masonry (stone stitches stone) and the intervention is almost totally reversible. Moreover it is invisible and so respectful of masonry original aspect, it improves but not replaces original materials and, finally, it is fire and chemical resistant. To assess the effectiveness of proposed technique, laboratory test (on “three-leaf” masonry samples) and in situ test (on rubble stone masonry) have been performed, above all that also FEM analysis has been developed to better understand experimental results.

The great social, cultural and economic loss caused by seismic events on the cultural heritage assets have stimulated, in the last decades, studies on the risk and, in general, un the behaviour of historic structures. A great amount of data have been collected, and several databases have been developed to gather information about particular aspects of seismic risk on masonry historical heritage. The detail level of such databases is usually influenced by the required survey or intervention, with a generalised lack of boundary conditions, type of connections and constraints, parameters very important to understand the seismic behaviour of buildings. A global systematisation is required to take advantage from the considerable and precious amount of available data, linking all information on the basis of the relation between construction typologies and elements and failure mechanisms, including also survey and monitoring procedures and tools available in literature. A new web-based data warehouse has been developed to collect, systematise and analyse available data. This tool, different from all previous products, which were mere data collectors, is capable of new correlations among elements and parameters to optimise the use of the state-of-the art on the selection and development of materials and technologies for masonry building preservation. The interactive and dynamic functionalities, together with the capacity of cross-correlation of the information at different levels of knowledge and the sharing philosophy of a web-based system, make the data warehouse a powerful tool for a new innovative, integrated and knowledge based approach to the protection of cultural heritage, useful both to professionals and researchers
Le grandi perdite economiche, sociali e culturali causate dagli eventi sismici sul patrimonio storico, artistico e architettonico, hanno spinto, negli ultimi decenni, a studi sul rischio e, in generale, sul comportamento delle strutture storiche, in particolare mediante indagini in-situ. Tutto ciò ha procurato una ingente mole di dati, che ha spinto alla ideazione e alla costruzione di vari contenitori, per lo più organizzati in forma di generiche banche dati, con lo scopo di indagare i differenti aspetti legati al rischio sismico: materiali, tipologie strutturali, meccanismi di danneggiamento e collasso osservati, efficacia delle tecniche di riparazione e rinforzo, ecc.. Tali banche dati, però, sono di solito focalizzate su particolari tipologie di beni storici, con un livello di dettaglio rapportato allo scopo delle indagini. Al fine di sfruttare il potenziale offerto da questo bagaglio di conoscenza, occorre innanzitutto collegare le informazioni provenienti dalle diverse banche dati in rapporto alla relazione tra tipologie ed elementi strutturali e i meccanismi di rottura, includendo anche i metodi di valutazione e gli strumenti per le indagini e di monitoraggio in sito, già disponibili in letteratura. Sempre in letteratura sono inoltre disponibili valutazioni sulle proprietà di alcuni materiali (duttilità, capacità di dissipazione di energia, ecc..) e sulle tecniche di intervento usate fino ad oggi, ricavate principalmente da test di laboratorio. Al contrario, le condizioni al contorno, i vincoli e lo stato delle connessioni sono molto importanti per comprendere il comportamento sismico di un edificio, ma i loro effetti sono raramente riportati nelle banche dati esistenti. Da queste considerazioni è derivata la necessità di creare un nuovo sistema informatizzato, concettualmente e operativamente innovativo, che, mediante la raccolta, la riorganizzazione e l’analisi dei dati già disponibili in altre fonti in modo frammentato e non strutturato, od organizzati in relazione solo ad alcuni parametri, possa generare nuove e differenti correlazioni tra i fattori in gioco, permettendo così di ottimizzare l’uso del più aggiornato stato dell’arte per la selezione e lo sviluppo di materiali e tecnologie maggiormente appropriate alla conservazione del costruito. Le funzionalità dinamiche e interattive, unite alla capacità di correlazione delle informazioni a differenti livelli di approfondimento e alla facilità di condivisione, ne fanno uno strumento di conoscenza integrata utile sia a professionisti che a ricercatori, per un approccio completo alla protezione del patrimonio storico

Italy is a country characterized by urban realities that present an extremely heterogeneous morphology generated by the development of the buildings in different historical periods. These realities are often characterized by masonry structural aggregates, the result of unplanned development processes and the assembly of older buildings, materials, construction techniques, different construction details which form the backbone of the smaller historic centers. Due to their geographical position in the Italian orographic context, they are extremely exposed to seismic risk whose mitigation and reduction is a topic of particular interest. In recent years, precisely for this reason, numerous techniques and methodologies have been developed for the assessment of the safety of existing structures, especially for masonry buildings in order to reduce the disastrous results of earthquakes in terms of losses of cultural heritage and also of human lives. For this reason, the protection of the urban layout, but in particular of the historical centers, starts from a knowledge project aimed at highlighting the main vulnerability factors that contribute to the assessment of the risk to which they are subject. The knowledge process, especially in the survey phase, is particularly complex since it requires the management of extremely heterogeneous data ranging from the building unit to the structural aggregate and from the entire urban core to the environment. The representation models for displaying the main vulnerability phenomena provide important support for the analysis of structural vulnerability by means of procedures capable of understanding the behavior of buildings when they are seismically stressed. With this awareness, the present research has as its objective the definition of an integrated multilevel tool capable of managing, analyzing and representing the multiplicity, heterogeneity and complexity of the data necessary for the evaluation of the seismic vulnerability of masonry buildings constituting the historic centers. Through in-depth knowledge and the use of parametric modeling systems, such as Building Information Modeling (BIM), it is possible to determine the most likely collapse kinematics, on the basis of information deduced from a knowledge process, and therefore to evaluate the levels of seismic vulnerability of each structural unit both from a qualitative and quantitative point of view. This methodology, tested on a case study - San Rocco Village in Sora (FR) - also allows us to highlight how the information obtained from its application is supportive in the management of emergency conditions. The proposed procedure is innovative, since it combines aspects related to the knowledge of construction with different analysis methods in a rational and efficient way, organizing and connecting them at different levels and establishing relationships between them. It is evident that the approach used for the analysis of the seismic vulnerability of the building / aggregate is closely related to the information available, concerning the geometric and mechanical properties, as well as the history and evolution of the object. To this end, in the proposed procedure different levels of investigation and structural analysis are defined to arrive at the seismic safety assessment.
L’Italia è un paese caratterizzato da realtà urbane che presentano una morfologia estremamente eterogenea generata dallo sviluppo del tessuto in epoche storiche differenti. Spesso tali realtà sono caratterizzate da aggregati edilizi in muratura, frutto del risultato di processi non pianificati di sviluppo e dell’assemblaggio di edifici di età, materiali, tecniche di costruzione, dettagli costruttivi diversi i quali costituiscono l’ossatura dei centri storici minori. Data la loro posizione geografica nel contesto orografico italiano essi sono estremamente esposti al rischio sismico la cui mitigazione e riduzione costituisce un tema di particolare interesse. Negli ultimi anni proprio per questo motivo si sono sviluppate numerose tecniche e metodologie per la valutazione della sicurezza delle strutture esistenti, in particolar modo per gli edifici in muratura in modo da poter limitare gli esiti disastrosi dei terremoti in termini di perdite di patrimonio culturale ma soprattutto di vite umane. Per questo motivo la salvaguardia del tessuto urbano, ma in particolare dei centri storici, parte da un progetto di conoscenza teso ad evidenziare i principali fattori di vulnerabilità che contribuiscono alla valutazione del rischio a cui sono soggetti. Il processo di conoscenza, soprattutto nella fase di rilievo, è particolarmente complesso poiché richiede il management di dati estremamente eterogenei che vanno dall’unità edilizia all’aggregato strutturale e dall’intero nucleo urbano all’ambiente. I modelli di rappresentazione per la visualizzazione dei principali fenomeni di vulnerabilità forniscono un importante supporto per l’analisi della vulnerabilità strutturale per mezzo di procedure in grado di comprendere il comportamento degli edifici quando sono sollecitati sismicamente. Con questa consapevolezza la presente ricerca ha come obiettivo la definizione di uno strumento integrato multilivello in grado di gestire, analizzare e rappresentare la molteplicità, eterogeneità e complessità dei dati necessari per la valutazione della vulnerabilità sismica di edifici in muratura costituenti i centri storici. Attraverso la conoscenza approfondita e l’uso dei sistemi di modellazione parametrica, come i Building Information Modeling (BIM), è possibile determinare i più probabili cinematismi di collasso, sulla base di informazioni dedotte da un processo di conoscenza, e dunque di valutare i livelli di vulnerabilità sismica di ogni unità strutturale sia da un punto di vista qualitativo che quantitativo. Tale metodologia, testata su un caso di studio – Borgo San Rocco a Sora (FR) – consente altresì di evidenziare come le informazioni ottenute dalla sua applicazione siano di supporto nella gestione delle condizioni di emergenza. La procedura proposta è innovativa, poiché coniuga aspetti legati alla conoscenza della costruzione con differenti metodologie di analisi in modo razionale ed efficiente, organizzandoli e collegandoli a diversi livelli e stabilendo relazioni tra questi. Appare evidente come l’approccio utilizzato per l’analisi della vulnerabilità sismica della costruzione/aggregato sia strettamente correlato alle informazioni disponibili, riguardanti le proprietà geometriche e meccaniche, così come la storia e l’evoluzione dell’oggetto. A tale scopo, nella procedura proposta vengono definiti diversi livelli di indagine e analisi strutturale per arrivare alla valutazione della sicurezza sismica.

2009 - 2010
Gli edifici in muratura sono ancora piuttosto diffusi anche in zone ad elevata sismicità, come i Paesi del bacino del Mediterraneo ed altre zone del mondo recentemente colpite da terremoti anche di notevole intensità. Ragion per cui, il rinforzo strutturale di elementi portanti in muratura è spesso necessario per incrementare la resistenza sismica, anche in accordo ai moderni codici normativi. Il rinforzo a taglio di pannelli in muratura ed il confinamento delle colonne, sono alcuni degli interventi più comuni per incrementare la resistenza alle forze laterale della struttura ed aumentare la resistenza di elementi prevalentemente compressi, per far fronte al notevole incremento di sollecitazioni dovuto alle oscillazioni sismiche. L’uso di materiali compositi fibrorinforzati a tali scopi è una delle possibili soluzioni, caratterizzata da un insignificante incremento dei pesi strutturali. Diverse tipologie di materiali compositi sono attualmente utilizzati nell’edilizia civile, d’altra parte c’è un’enorme variabilità di tipologie di muratura, sia in termini di materiali che di tessitura, come si evince dalle strutture esistenti. Conseguentemente e anche per la scarsa sperimentazione disponibile a riguardo, le formule predittive reperibili per la muratura rinforzata con FRP sono al momento molto meno affidabili delle corrispettive formulazioni per elementi in calcestruzzo. Inoltre, pochissimi sono i codici normativi specifici per il rinforzo di elementi in muratura con materiali compositi. Il recente documento tecnico CNR 200 è tra i pochi, anche in ambito internazionale, a coprire tale campo le cui formulazioni presentate sono suscettibili di ulteriori migliorie. Sulla base di tali considerazioni, la prima parte della tesi indaga il comportamento di interfaccia tra tessuti in materiali compositi su varie tipologie di elementi in muratura. Sono dapprima presentati i risultati di un’ampia campagna sperimentale condotta dall’autore presso il Laboratorio di Ingegneria Strutturale dell’Università di Salerno. In particolare sono stati analizzati tessuti a base di fibre di vetro e di carbonio incollate al supporto con resina epossidica e rete a base di fibre di carbonio messa in opera con malta minerale (sistema CFRCM). Sono state utilizzate murature sia artificiali (laterizio) sia naturali (tufo, calcarenite e pietra calcarea) che, in via preliminare, sono state caratterizzate in termini di resistenza a compressione, trazione e modulo di Young. La scelta delle murature è stata dettata dal fatto che risultano tra le più diffuse proprio in Italia meridionale. Il lavoro è poi dedicato all’esposizione e discussione dei risultati sperimentali delle prove di aderenza condotte. Infine, i risultati sperimentali, sono stati utilizzati per la determinazione di una formula predittiva alternativa per la valutazione della massima forza di aderenza. Avendo determinato in maniera piuttosto precisa le principali caratteristiche meccaniche della muratura, si è potuto, infatti, pervenire ad una formulazione piuttosto vicina all’evidenza sperimentale. La seconda parte della tesi è finalizzata a ricavare e calibrare una formula di progetto per ricavare la resistenza a compressione di colonne in muratura confinate con FRP. Dopo una breve introduzione sui concetti fondamentali riguardanti il confinamento in generale e la sua applicabilità ad elementi in calcestruzzo e muratura, viene raccolto e presentato un ampio database di prove sperimentali. Il database è stato ricavato raccogliendo prove reperibili in bibliografia e prove presentate dallo stesso autore in un recente articolo su rivista. Tale database è stato dapprima utilizzato per testare e validare alcune delle più diffuse formulazioni disponibili per la valutazione della massima resistenza a compressione di elementi confinati, tra cui anche quei pochi disponibili per la muratura confinata con FRP. I modelli analizzati hanno mostrato un’eccessiva dispersione ed una valutazione della resistenza a compressione spesso a svantaggio di sicurezza, e sono spesso calibrati per un solo tipo di muratura di base. E’stata proposta per questo una formula generale calibrata sui dati sperimentali. In linea di principio sono stati possibili diversi livelli di accuratezza nella calibrazione della relazione, in dipendenza dal numero di parametri coinvolti: più sono i parametri calibrati sperimentalmente, più accurata è la corrispettiva formulazione. Infine, sono state proposte tre diverse formulazioni alternative per la valutazione della resistenza a compressione di colonne in muratura confinate con FRP, che permettono diversi livelli di approssimazione in termini di errore medio e dispersione. [a cura dell'autore]
IX n.s.

In comparison to past codes, the technical building codes published in 2008, updated in 2009 with instructions for their application, focus their attention mostly on existing buildings and provide smart instruments for the definition of the mechanical properties of the most available masonries. These codes have introduced three knowledge levels, which consider the structural survey of the analysed building. Every knowledge level is associated with its decreasing confidence factor of material mechanical property. The more the knowledge increases, the less the uncertainty of the parameters used during the elaborations will be and consequently the confidence factor will decrease until it will be equal to one. This methodological proposal, introduced by the European Code 8 Part 3 and concerning the seismic evaluation of existing buildings, has been supplied with operating procedures in the Italian Code, although these could be still refined. This new approach has made the testing on structures more opportune. Therefore, from it derives a great interest in in-situ masonry tests. The approach focuses mainly on existing masonry since from an analysis of the age and the structural typology of most of the Italian historical buildings, this results to be present in great measure in masonry buildings. These require maintenance due to damages or building adjustments in case of strategic activities or change of use. Starting from these very assumptions, the different test approaches usually applied to in situ masonries have been collected in this work in order to obtain those mechanical parameters useful for a structural analysis of the building. The attention has been focused on tests of different degrees in terms of invasive effect through the use of direct sonic tests, flat jack tests and diagonal compression tests in order to increase the knowledge level about the consistency, the compressive behaviour and in particular on the share behaviour of masonries. The work of this paper is supported by a presentation of in situ tests and laboratory tests using masonries made of materials and technologies similar to those present in historical buildings. Moreover, the efficacy of the strengthening maintenance through injection of hydraulic lime- based grouts has been estimated both in situ and in laboratory. In particular, the in situ activity has regarded masonries damaged by the seism, which took place in L’Aquila on April 6th 2009 while the laboratory activity has regarded three-leaf stone masonry specimen. Finally, calibration tests of the previous analysed methods on brick masonry and stone masonry have also been done in laboratory. The results of the research are meant for all those Project Managers working on existing buildings to reach the waited knowledge level.
Le Norme Tecniche per le Costruzioni, pubblicate nel 2008 e corredate d’istruzioni per la loro applicazione nel 2009, dedicano una maggior attenzione agli edifici esistenti rispetto alle precedenti normative, dando rapidi strumenti per la definizione dei parametri meccanici delle murature più comunemente reperibili. Sono stati introdotti tre livelli di conoscenza che tengono conto dell’effettivo percorso conoscitivo fatto su l’immobile oggetto di analisi. Ad ogni livello di conoscenza viene associato un fattore di confidenza riduttivo delle proprietà meccaniche dei materiali. All’aumentare della conoscenza diminuisce l’incertezza sui parametri utilizzati nelle elaborazioni, e conseguentemente il fattore di confidenza diminuisce, sino a diventare unitario. Tale proposta metodologica, introdotta dall’Eurocodice 8 Parte 3 che riguarda la valutazione sismica delle strutture esistenti, è stata corredata di strumenti operativi, per quanto ancora migliorabili, proprio all’interno della normativa nazionale italiana. Il nuovo approccio ha reso conveniente l’esecuzione di prove sulle strutture, pertanto ne risulta un rinnovato interesse per le prove in sito sulle murature. L’attenzione è posta in particolare su questo materiale giacché, considerando l’età e la tipologia strutturale del patrimonio immobiliare italiano, esso risulta costituito in gran parte di edifici in muratura. Questi richiedono interventi di manutenzione legata a dissesti, o interventi di miglioramento e adeguamento, nel caso siano sede di attività strategiche o sia programmato un cambio di destinazione d’uso. Partendo da questi presupposti si è cercato di raccogliere in questo lavoro le varie metodologie di prova abitualmente eseguite in sito sulle murature, per l’ottenimento dei parametri meccanici utili per il calcolo. Si è focalizzata l’attenzione su prove a diverso grado d’invasività, in particolare su prove soniche dirette, prove di martinetto piatto e prove di compressione diagonale. Il fine è quello di migliorare la conoscenza dello stato di consistenza e del comportamento a compressione, e soprattutto a taglio, delle murature. Il lavoro svolto nella presente tesi è stato strutturato affiancando campagne sperimentali eseguite in sito, a sperimentazioni di laboratorio su murature realizzate con materiali e tecniche simili a quelle presenti negli edifici storici. Inoltre, sia in sito sia in laboratorio, si è valutata l’efficacia d’interventi di consolidamento con iniezioni di miscele a base di calce idraulica. Quest’ultima attività ha riguardato, in particolare, murature appartenenti ad edifici danneggiati dal sisma che ha colpito L’Aquila il 6 aprile 2009, mentre in laboratorio è stata effettuata su campioni di muratura in pietra a tre paramenti. Infine, in laboratorio si è proceduto ad un lavoro di calibrazione dei diversi metodi di prova analizzati, su murature sia in mattoni sia in pietra. Dai risultati offerti dalle varie esperienze condotte, si possono fornire valide indicazioni sul raggiungimento del livello di conoscenza atteso, per i progettisti che operino su strutture esistenti.

Gli eventi sismici significativi che hanno colpito la nostra penisola, hanno evidenziato l’elevata vulnerabilità sismica del patrimonio architettonico italiano, caratterizzato da costruzioni in muratura di grande valore storico e artistico. Il patrimonio edilizio, tramandato nei secoli e portatore dell’identità dei nostri luoghi, merita di essere preservato con attenzione e precauzione al fine di salvaguardare il portato di informazioni che contiene e garantire la sicurezza delle persone di fronte a eventi calamitosi come i terremoti. È proprio a tale scopo che questa tesi si propone di indicare una procedura consequenziale ben definita per una corretta prevenzione. Il primo passo è quello di individuare, all’interno di un campione, i centri storici più a rischio (fase 1: valutazione a scala urbana); all’interno di quest’ultimi il passo successivo è quello di individuare, quali sono gli aggregati edilizi più vulnerabili e quindi meritevoli di attenzioni maggiori (fase 2: valutazione a scala aggregato). Questo permette di individuare all’interno dei centri storici zone dell’edificato con maggior criticità e le Amministrazioni Pubbliche possono di conseguenza convogliare su di esse le risorse per indagare sulla vulnerabilità degli edifici in muratura mediante analisi strutturali dettagliate e per intervenire al fine di ridurre o eliminare le vulnerabilità riscontrate. Esperienze del passato hanno mostrato come gli edifici storici in muratura sotto l’azione sismica tendono a discretizzarsi per parti ben distinte (macroelementi): pertanto l’approccio utilizzato in questa tesi è proprio quello di rappresentare e analizzare il comportamento strutturale dei singoli edifici, nei confronti delle azioni sismiche, mediante analisi per meccanismi locali di collasso. Con questo stesso approccio è poi stata affrontata la problematica del dimensionamento degli interventi al fine di ottenere un miglior comportamento e una maggior sicurezza della fabbrica storica nei confronti del sisma (fase 3: valutazione a scala edificio). A conclusione della ricerca è stato implementato un metodo per la creazione di mappe di isorischio degli aggregati edilizi visualizzando uno scenario di danno atteso, derivante dalla vulnerabilità sismica dell’edificato e dalla pericolosità sismica locale.

Structural Health Monitoring ha ricevuto un ampio riconoscimento e sviluppo negli ultimi anni. Sono stati fatti progressi in molti campi, come le tecnologie di rilevamento, le applicazioni e l'elaborazione dei dati. A causa della crescente necessità di preservare gli edifici del patrimonio culturale che sono interessati dall'ambiente multi-pericoloso e in particolare dai terremoti, l'automazione delle tecniche di monitoraggio della salute strutturale è diventata un importante argomento di ricerca. La conservazione del patrimonio culturale richiede la combinazione di indagini in situ e modelli analitici accurati al fine di comprendere e interpretare correttamente l'evidenza empirica al fine di applicare con successo analisi strutturali avanzate e valutare lo stato degli edifici del patrimonio. La Tesi si concentra sui metodi computazionali, sulle tecniche di correlazione e sull'aggiornamento dei modelli con un algoritmo metaeuristico ispirato alla natura indicandone vantaggi e svantaggi. L'applicazione di tutti i componenti si presenta sotto forma di un caso studio in cui il comportamento dinamico della Torre Civica di Ostra viene approfondito mediante un modello numerico dettagliato e calibrato rispetto alle caratteristiche modali sperimentali. L’applicazione si basa sulla procedura automatica di calibrazione mediante un algoritmo genetico metaeuristico basato sulla popolazione e sull'uso dell'apprendimento automatico. Questo passaggio consente di stimare con successo le incertezze dei parametri sconosciuti del materiale, considerando sia un modello comportamentale isotropo che ortotropo per la muratura. I risultati consentono di convalidare la metodologia e stabilire informazioni di base sulle condizioni della struttura insieme a standard di prestazione che serviranno a controllare l'integrità strutturale nel tempo.
Structural Health Monitoring has received wide recognition and development the last years. Advancements have been made in many of the fields, like sensing technologies, applications and data processing. Due to the increasing need for preservation of Cultural Heritage buildings that are affected by the multi hazardous environment and specifically earthquakes, the automatization of Structural Health Monitoring techniques has become an important research subject. The preservation of Cultural Heritage requires the combination of in situ investigations and accurate analytical models in order to understand and correctly interpret the empirical evidence in order to to successfully apply advanced structural analyses and assess the state of Heritage Buildings. The Thesis focuses on the computational methods, correlation techniques and model updating with a nature-inspired metaheuristic algorithm indicating their advantages and drawbacks. The application of all the components comes under the form of a case study where the dynamic behavior of the Civic Tower of Ostra is thoroughly investigated by means of a detailed numerical model and calibrated against the experimental modal features. The pairing is based on the automatic procedure of calibration by a metaheuristic population-based genetic algorithm and use of machine learning. This step allows to successfully estimate the uncertainties of the unknown material parameters, considering both an isotropic and an orthotropic behavioral model for masonry. The results enable to validate the methodology and establish baseline information of the condition of the structure along with performance standards that will serve to control the structural integrity over time.

Questo lavoro di tesi presenta il percorso di ricerca che ha permesso di individuare un indice di danneggiamento applicabile a strutture non rinforzate e rinforzate con il TRM. Per raggiungere questo obiettivo, è stata prima condotta un'indagine sulla capacità del TRM di migliorare la risposta delle strutture in muratura utilizzando sia prove sperimentali che modelli numerici. Il comportamento microscopico di questo composito è stato studiato utilizzando test di qualificazione. Con questi test è stata effettuata anche un'analisi di sensitività per valutare quale approccio di modellazione sia il più appropriato per modellarlo su una struttura. Successivamente è stata indagata, invece, dell'efficienza del rinforzo attraverso due differenti sperimentazioni: (i) prove pseudo dinamiche su una struttura in muratura ad U, realizzate prima sulla struttura as-built e poi sulla struttura rinforzata (prove effettuate nel laboratorio ICITECH dell'Università di Valencia) (ii) prove pseudo-statiche su archi di mattoni diversamente rinforzati (prove condotte nel laboratorio ISISE dell'Università del Minho). Utilizzando questi risultati sperimentali e incrociandoli con i rispettivi modelli numerici si è cercato di calibrare un indice di danno. Le prove che si sono rivelate più adeguate a perseguire lo scopo sono quelle sugli archi, in quanto consentivano di valutare il degrado della rigidezza e contemporaneamente identificare le variazioni delle frequenze all’evolvere del danno. Il nuovo indice di danno individuato considera il momento flettente come la principale causa di danneggiamento degli archi; A partire dalla rigidezza flessionale, quindi, è stato sviluppato un indice di danno funzione del rapporto delle frequenze tra scenari danneggiati e non danneggiati. L'indice individuato è stato validato sia attraverso dati sperimentali che numerici.
This thesis work presents the research path that allowed to identify a damage index applicable to structures unreinforced and reinforced with TRM. To achieve this goal, a survey was first conducted on the ability of the TRM to improve the response of masonry structures using both experimental tests and numerical models. The microscopic behaviour of this composite was studied using qualification tests. With these tests, a sensitivity analysis was also carried out to evaluate which modelling approach is the most appropriate to model it on a structure. Subsequently, the efficiency of the reinforcement was investigated through two different experiments: (i) pseudo-dynamic tests on a U-shaped masonry structure, carried out first on the as-built structure and then on the reinforced structure (tests carried out in the ICITECH laboratory of the University of Valencia) (ii) pseudo-static tests on differently reinforced adobe arches (tests conducted in the ISISE laboratory of the University of Minho). Using these experimental results and crossing them with the respective numerical models, an attempt was made to calibrate a damage index. The tests that proved to be most adequate to pursue the aim are those on the arches. They allowed to follow the degradation of the stiffness and simultaneously identify the frequencies variations as the damage increased. The new damage index identified considers the bending moment as the main cause of damage to the arches; Starting from the bending stiffness, therefore, a damage index was developed as a function of the frequencies ratio between damaged and undamaged scenarios. The identified index was validated both through experimental and numerical data.

In this work new techniques for seismic protection of historical buildings based on energetic dissipation and seismic isolation are proposed . The research activity was applied to three different building typologies: RC industrial frames built in the early 20th century, slender masonry towers and, lastly, monumental buildings (place of worship with a basilica plan). Introduction presents a literature review and an overview of current guidelines about seismic improving interventions for historical buildings. After that, the work is organized in three parts dealing with the three typologies of buildings above mentioned. The first part concerns seismic retrofitting of historical RC frames designed only for dead loads. Industrial buildings built in the early 20th century belong to this category. In detail, the proposed innovative technique is a seismic retrofitting through eccentric bracing systems using a new method of design. The developed method is easy to apply and then it could be used by engineers freelancers. The procedure was validated by applying it to two case studies: a 2D RC frame and a 3D frame belonging to industrial historical buildings of the early 20th century. The second part is a study about techniques for seismic improvement of slender masonry towers. Firstly, after analyzing the particular seismic behavior of these buildings, a literature overview about classic techniques of seismic improvement was presented. In particular, vertical pre-compression and introduction of SMAD devices (with shape memory alloy). Then, a new technique of seismic improvement through introduction of hysteretic devices together partial pre-compression of the tower was elaborated. The new method was validated by numerical analysis and experimental tests on a scale model subjected to seismic input. The third part, although less developed than the other ones, deals with an application of seismic isolation and dissipation techniques at the base of a worship building with a basilica configuration. The analyzed case study is the Santo Stefano Cathedral in Concordia Sagittaria (VE), characterized by a particular structural system. In this part preliminary results of a possible seismic improvement intervention are presented. The work on the three types of buildings was carried out by means of Finite Element Models using different analyses: dynamic, static, non-linear for material and for geometry. The post-processing of numerical results allowed to evaluate the efficiency of the proposed techniques also by means of energy comparisons between existing structure and structure after seismic retrofitting. In the study of slender masonry towers the validation of the method was performed also using experimental tests on a tower model in reduced scale.
Nel presente lavoro vengono studiate e proposte tecniche innovative per la protezione sismica di edifici storico-monumentali basate sull’isolamento e la dissipazione energetica. Lo studio pur se di carattere generale è stato applicato in particolare a tre tipologie di costruzioni: i telai in cemento armato dell’edilizia industriale dei primi del ‘900, le torri snelle di muratura ed infine gli edifici monumentali (edifici di culto a pianta basilicale). Dopo una parte introduttiva che riassume lo stato dell’arte e le linee guida in merito agli interventi di miglioramento sismico per gli edifici storico-monumentali, la tesi è organizzata in tre parti riguardanti le tre tipologie di costruzioni citate. La prima parte è dedicata all’adeguamento simico di telai in cemento armato progettati per i soli carichi gravitazionali. In questa tipologia ricadono anche i telai storici in cemento armato dell’edilizia industriale dei primi anni del ‘900. La tecnica innovativa studiata nel dettaglio è l’adeguamento mediante introduzione di controventi eccentrici. Per tale tecnica è stato sviluppato un nuovo metodo di progetto e di verifica dell’adeguamento di facile applicazione e pertanto con possibili ricadute sulla pratica ingegneristica professionale. Il metodo di progetto e verifica dell’adeguamento mediante controventi eccentrici è stato validato mediante applicazione a due casi studio: un telaio piano in cemento armato e un telaio tridimensionale dell’edilizia industriale dei primi del ‘900 soggetto a tutela storico-artistica. La seconda parte riguarda l’analisi delle possibili tecniche per il miglioramento sismico di torri snelle in muratura. Dopo lo studio del particolare comportamento dinamico di tali costruzioni, con riferimento ad un caso studio sono state verificate alcune classiche tecniche di miglioramento sismico già proposte in letteratura, quali la precompressione verticale e l’introduzione di dispositivi SMAD (dispositivi con leghe a memoria di forma). Comprovata la scarsa efficacia di tali metodologie di intervento, è stata sviluppata una nuova tecnica di miglioramento sismico mediante l’introduzione di dispositivi isteretici e precompressione parziale della canna della torre. Questa nuova tecnica è stata validata mediante analisi numeriche e test sperimentali su un modello in scala sottoposto ad input dinamico. La terza parte consiste in una particolare applicazione delle tecniche di isolamento e dissipazione alla base ad un edificio di culto a pianta basilicale. Il caso di studio analizzato è la Cattedrale di Santo Stefano in Concordia Sagittaria (VE) che presenta una singolare configurazione strutturale allo stato di fatto. In questa terza parte, che è stata portata ad un grado di approfondimento inferiore rispetto alle altre due, vengono esposti i primi risultati ottenuti dallo studio di una possibile proposta di intervento. I risultati incoraggianti ottenuti suggeriscono la percorribilità di tali tecniche di intervento alla base degli edifici monumentali aprendo nuove prospettive di ricerca in questo campo che, ad oggi, presenta ancora pochi contributi scientifici. Le indagini relative alle tre tipologie di costruzioni studiate sono state condotte mediante l’ausilio di analisi, statiche e dinamiche, non-lineari per materiale e per geometria su modelli numerici ad elementi finiti. Mediante il post-processo dei risultati ottenuti dalle analisi numeriche si è valutata l’efficacia delle tecniche proposte anche mediante comparazioni energetiche fra gli esiti di una struttura esistente e la corrispondente post-adeguamento. Nella parte inerente il miglioramento sismico di torri snelle in muratura si è ricorsi anche alla validazione sperimentale mediante modellazione in scala ridotta.

Masonry arch bridges are an important part of architectural historical heritage. Their presence is a characteristic feature of the Italian and European landscape. A large number of research and studies about. This theme have been produced in literature during time. Regarding Venetian bridges, except for the most famous architectures. Data are lacking given by research results are lacking. A procedure for structural identification and for the evaluation of the material mechanical characteristics for historical masonry bridges is here presented with the aim of their conservation and restoration. The procedure, based on experimental measurements and numerical analyses, requires, at first, the measurements of the bridge’s fundamental frequencies, then, through the calibration of bridge FE Model, allows the estimation of the average materials characteristics. In particular, for the frequency acquisition data, the procedure proposes the use of a compact digital tromograph, a highly sophisticated measuring device, equipped with accelerometric and velocimetric transducers, that allows fast and low cost vibration measurements. Successive analyses, by means of fast Fourier transform, permit to estimate the fundamental frequency of the structure. For one study case the validity of the results obtained is confirmed by making a comparison with a measurement campaign performed using accelerometers as instruments.

L’obiettivo della ricerca è stato quello di sviluppare un metodo di calcolo semplificato per l’analisi non lineare di strutture in muratura soggette ad azione sismica, attraverso l’implementazione di un codice caratterizzato da un’elevata versatilità e semplicità di utilizzo, in grado di conseguire un bilanciato compromesso tra validità teorico-sperimentale e praticità applicativa. Il codice, sviluppato in ambiente Microsoft Excel tramite il linguaggio di programmazione Microsoft Visual Basic 6.3, punta a guidare il progettista, attraverso un’interfaccia semplice ed intuitiva, nel delicato compito di svolgere un’analisi non lineare di pareti murarie caricate nel proprio piano, fornendo, in corrispondenza di ogni singolo step di carico, una rappresentazione puntuale e intuitiva degli elementi costituenti la parete, individuandone immediatamente le possibili criticità. Attraverso un’interfaccia user-friendly l’utente ha la possibilità di inserire le caratteristiche geometriche e meccaniche della parete, giungendo agevolmente alla definizione del modello a telaio equivalente e alla definizione della curva di capacità della struttura. Attraverso il calcolo della domanda sismica e la valutazione del punto di funzionamento, il codice indirizza l’utente all’individuazione mirata degli interventi di miglioramento necessari, a seconda che si voglia diminuire la domanda o aumentare la capacità di spostamento della parete. Essendo il sottoscritto un Ufficiale del Corpo degli Ingegneri dell’Esercito Italiano, un codice di questo tipo si presterebbe ad essere utilizzato dall’Amministrazione Difesa nell’ambito delle verifiche di vulnerabilità sismica degli edifici strategici: con tale applicativo, infatti, i Reparti del Genio Militare potrebbero effettuare una prima verifica (caratterizzata da un accettabile compromesso tra la speditezza e l’accuratezza dei risultati forniti) di tali strutture, individuando le maggiori criticità relative agli immobili del demanio militare e progettando, ove necessario, i conseguenti interventi di consolidamento, per poi programmare in modo maggiormente oculato l’affidamento delle verifiche di vulnerabilità previste dalla normativa attualmente in vigore.
The aim of this thesis work is to develop a simplified method for non linear analysis of masonry structures subjected to seismic action, throughout the implementation of an high versatility and simple-use code, in order to have a balanced compromise between theoretical and experimental efficiency and practical applicability. The code, written for Microsoft Excel using Microsoft Visual Basic 6.3 programming language, aims for guiding the structural designer, through a simple and intuitive interface, in the delicate task of a non linear analysis of masonry wall loaded in its own plane, giving, in correspondence of each load step, a punctual and intuitive representation of its elements, instantly defining the critical masonry panels and their failure mode. Thanks to a user-friendly interface, the user can insert geometrical and mechanical features of masonry wall, easily arriving to define the equivalent frame model and the capacity curve. Through the calculus of the seismic request and the evaluation of performance point, the code guides the user to the focused identification of proper improvement interventions, either decreasing seismic demand or increasing seismic capacity. Since I am an Officer of Italian Army Corps of Engineers, a code like the one developed could be efficiently used by military engineers for seismic vulnerability verifications of so called strategic buildings: with this application, each military unit could carry out a first approach (characterized by an acceptable compromise between rapidity and accuracy of the supplied results) for that kind of structures, identifying the main critical issues related to military buildings and designing, if necessary, the adequate improvement interventions, in order to carefully program the externalization of seismic vulnerability analysis services provided for by actual law.

L’obiettivo della ricerca è stato quello di sviluppare un metodo di calcolo semplificato per l’analisi non lineare di strutture in muratura soggette ad azione sismica, attraverso l’implementazione di un codice caratterizzato da un’elevata versatilità e semplicità di utilizzo, in grado di conseguire un bilanciato compromesso tra validità teorico-sperimentale e praticità applicativa. Il codice, sviluppato in ambiente Microsoft Excel tramite il linguaggio di programmazione Microsoft Visual Basic 6.3, punta a guidare il progettista, attraverso un’interfaccia semplice ed intuitiva, nel delicato compito di svolgere un’analisi non lineare di pareti murarie caricate nel proprio piano, fornendo, in corrispondenza di ogni singolo step di carico, una rappresentazione puntuale e intuitiva degli elementi costituenti la parete, individuandone immediatamente le possibili criticità. Attraverso un’interfaccia user-friendly l’utente ha la possibilità di inserire le caratteristiche geometriche e meccaniche della parete, giungendo agevolmente alla definizione del modello a telaio equivalente e alla definizione della curva di capacità della struttura. Attraverso il calcolo della domanda sismica e la valutazione del punto di funzionamento, il codice indirizza l’utente all’individuazione mirata degli interventi di miglioramento necessari, a seconda che si voglia diminuire la domanda o aumentare la capacità di spostamento della parete. Essendo il sottoscritto un Ufficiale del Corpo degli Ingegneri dell’Esercito Italiano, un codice di questo tipo si presterebbe ad essere utilizzato dall’Amministrazione Difesa nell’ambito delle verifiche di vulnerabilità sismica degli edifici strategici: con tale applicativo, infatti, i Reparti del Genio Militare potrebbero effettuare una prima verifica (caratterizzata da un accettabile compromesso tra la speditezza e l’accuratezza dei risultati forniti) di tali strutture, individuando le maggiori criticità relative agli immobili del demanio militare e progettando, ove necessario, i conseguenti interventi di consolidamento, per poi programmare in modo maggiormente oculato l’affidamento delle verifiche di vulnerabilità previste dalla normativa attualmente in vigore.
The aim of this thesis work is to develop a simplified method for non linear analysis of masonry structures subjected to seismic action, throughout the implementation of an high versatility and simple-use code, in order to have a balanced compromise between theoretical and experimental efficiency and practical applicability. The code, written for Microsoft Excel using Microsoft Visual Basic 6.3 programming language, aims for guiding the structural designer, through a simple and intuitive interface, in the delicate task of a non linear analysis of masonry wall loaded in its own plane, giving, in correspondence of each load step, a punctual and intuitive representation of its elements, instantly defining the critical masonry panels and their failure mode. Thanks to a user-friendly interface, the user can insert geometrical and mechanical features of masonry wall, easily arriving to define the equivalent frame model and the capacity curve. Through the calculus of the seismic request and the evaluation of performance point, the code guides the user to the focused identification of proper improvement interventions, either decreasing seismic demand or increasing seismic capacity. Since I am an Officer of Italian Army Corps of Engineers, a code like the one developed could be efficiently used by military engineers for seismic vulnerability verifications of so called strategic buildings: with this application, each military unit could carry out a first approach (characterized by an acceptable compromise between rapidity and accuracy of the supplied results) for that kind of structures, identifying the main critical issues related to military buildings and designing, if necessary, the adequate improvement interventions, in order to carefully program the externalization of seismic vulnerability analysis services provided for by actual law.

Gli ultimi eventi sismici in Italia hanno evidenziato un problema già noto da tempo ma che è riemerso a seguito dei danni provocati dai terremoti recenti, quello della vulnerabilità di gran parte degli edifici storici e quindi la necessità di intervenire migliorando il loro comportamento strutturale andando ad incrementare la resistenza alle azioni orizzontali. In questo contesto si pone sempre più attenzione al consolidamento strutturale realizzato con tecniche sia tradizionali che innovative tra cui i materiali compositi. L’obiettivo di questa ricerca in particolare è stato quello di studiare il comportamento meccanico dei rinforzi FRCM applicati alle murature attraverso prove sperimentali e modellazioni numeriche. Attraverso l’analisi critica di fenomeni propri dei rinforzi di murature con materiali compositi quali l’aderenza ed il confinamento si è giunti alla comprensione di aspetti più macroscopici come la fessurazione di pannelli in muratura. Prendendo in considerazione quindi il contesto attuale della letteratura scientifica in cui sono ancora pochi i casi di applicazione su murature di materiali compositi a matrice cementizia, si è deciso di iniziare il percorso partendo dalle già più consolidate conoscenze sugli FRP. Lo studio del debonding degli FRCM di fatti risulta molto più complesso in quanto, data la geometria stessa del rinforzo, può dare luogo a diverse possibilità di scorrimento (malta-supporto, fibra-malta ecc.). Passando per la comprensione del comportamento meccanico a trazione degli FRCM si è valutato il loro contributo in termini di confinamento su colonne in muratura. Si è quindi giunti all’obiettivo principale della mia ricerca ovvero quello di analizzare il problema strutturale nel senso macroscopico del termine, studiando quindi il comportamento di pareti in muratura rinforzate con FRCM soggette a azioni nel piano. Sono stati quindi sviluppati modelli numerici seguendo approcci standard a cui sono stati applicati alcuni concetti originali che saranno esposti in ogni singolo capitolo.
The latest earthquakes in Italy have highlighted a problem already known for some time but that has re-emerged as a result of the damage caused by recent earthquakes, the vulnerability of most historic buildings and therefore the need to reinforce by improving their structural behavior to improve strength to horizontal forces. In this context, more and more attention is paid to the structural consolidation achieved with both traditional and innovative techniques. The aim of this research in particular was to study the mechanical behavior of FRCM reinforcements applied to the masonry by first studying the phenomenon on the basis of experimental tests and then through the implementation in a numerical FEM. Taking into consideration therefore the current context of scientific literature in which there are still very few cases of application on masonries of composite materials with cement matrix, it was decided to start the path starting from the already more consolidated knowledge on FRP, studying first of all the problem of their delamination on masonry supports. The study of the FRCM debonding of facts is much more complex because, given the geometry of the reinforcement itself, it can give rise to different sliding possibilities (mortar-support, fiber-mortar, etc.). Passing on the understanding of the mechanical traction behavior of the FRCMs, their contribution in terms of confinement on masonry columns was evaluated, also analyzing what could be the effects in the transversal direction to the reinforcement. The main objective of my research was therefore that of analyzing the structural problem in the macroscopic sense of the term, thus studying the behavior of masonry walls reinforced with FRCM subject to actions in the plane. Numerical models have therefore been developed following standard approaches to which some original concepts have been applied, which will be presented in each chapter.

Lo scopo di questo lavoro di ricerca è presentare lo sviluppo di approcci discontinui e l'influenza della stereotomia per simulare il comportamento dinamico non lineare di strutture storiche in muratura di grandi dimensioni. Gli obiettivi sono quindi le valutazioni qualitative e quantitative dei diversi approcci esistenti e delle principali leggi costitutive, l'analisi e la calibrazione dei parametri meccanici e fornire forti indicazioni sul miglior livello di discretizzazione necessario per questo tipo di approcci. Pertanto, lo studio prevede l'utilizzo di schemi di integrazione temporale implicita ed esplicita per la dinamica strutturale, rispettivamente nel metodo della Dinamica di Contatto Non Regolare e Modello di Zona Coesiva implementati nel codice LMGC90©, dove i moti di scorrimento sono governati dalla condizione di impenetrabilità di Signorini e dalla legge di attrito di Coulomb, e nel Metodo degli Elementi Discreti con comportamenti coesivi e di resistenza a trazione dei giunti nel codice 3DEC©. Una serie di casi studio di strutture esistenti è stata rappresentata adottando quattro diversi modelli geometrici che andavano da quello più complesso, comprese le pareti in muratura a geometria piena e disordinata (a sacco), a quello più semplice, includendo le murature con singolo paramento come semplificazione delle opere murarie esistenti. I risultati numerici hanno evidenziato le modalità di cedimento dipendenti dalla forma, dimensione e tessitura della muratura e le modalità di danneggiamento progressivo sotto azioni dinamiche. Inoltre, gli approcci numerici presentati si sono dimostrati in grado di simulare grandi spostamenti e separazioni complete di blocchi, riprodurre comportamenti meccanici complessi e fare previsioni sulla valutazione di vulnerabilità degli edifici storici in muratura. I risultati discussi sono positivi e preziosi nell'ottica della preservazione del patrimonio culturale da danni futuri proponendo linee guida per il rinforzo e l'adeguamento sismico delle strutture.
The aim of this research work is to present the development of discontinuous approaches and the influence of stereotomy to simulate the nonlinear dynamic behavior of historical large-scale masonry structures. Thus, the objectives are the qualitative and quantitative evaluations on the different existing approaches and the main constitutive laws, the analyses and calibration of mechanical parameters, and providing strong indications on the best level of discretization needed for these kinds of approaches. Thus, the study involves the use of implicit and explicit time integration schemes for structural dynamics, respectively in the Non-Smooth Contact Dynamics method and Cohesive Zone Model implemented in the LMGC90© code, where sliding motions are governed by Signorini's impenetrability condition and dry-friction Coulomb's law, and in the Discrete Element Method with cohesive and tensional behaviors at the joints in the 3DEC© code. A set of case studies from real structures was represented adopting four different geometric models ranged from the most complex one, including the full geometry and multi-leaf masonry walls, to the simplest one, including the single-leaf walls as a simplification of the real masonry. The numerical results highlighted the failure modes depending on the shape, size and texture of the masonry and the modalities of progressive damage under dynamic actions. Moreover, the numerical approaches presented have proven to be capable of simulating large displacements and complete block separations, reproducing complex mechanical behaviors and making predictions on the vulnerability assessment of the historical masonry buildings. The results discussed are successful and valuable in view of preservation of the cultural heritage from future damages proposing guidelines for strengthening and seismic retrofitting of structures. ​

L’ingegneria civile ha conosciuto negli ultimi anni un enorme progresso legato allo studio e alla ricerca di nuovi materiali da costruzione oltre che a nuove possibilità di diagnosi del patrimonio edificato esistente. Nel nostro paese la diagnostica strutturale andrà a rivestire un ruolo sempre crescente, soprattutto in relazione alla riscoperta del vasto patrimonio storico - monumentale di cui si dispone. La possibilità di conoscere in termini quantitativi lo stato di conservazione di una struttura, potrebbe permettere al progettista di ottenere fondamentali informazioni per il progetto dell’intervento di recupero. Lo scopo della presente tesi è pertanto quello di studiare le tecniche non distruttive (in particolare le tecniche acustiche) finalizzate ad un’inversione tomografica dei dati, reputando questa la strada da percorrere verso una diagnostica strutturale sempre più dettagliata.

The aim of this thesis is to propose a new efficient numerical tool, based on the kinematic theorem of limit analysis, for the study of masonry shell and 3D structures with or without FRP reinforcement. The approach consists of two steps. In step I unreinforced masonry strength domains are obtained with a FE limit analysis procedure applied to a representative element of volume constituted by a central brick interacting with its six neighbours by means of rigid plastic interfaces (mortar joint). In step II, the unreinforced strength domains are implemented in a novel upper bound FE limit analysis code for the analysis at collapse of entire masonry curved and 3D structures.

Nel corso degli ultimi decenni, le costruzioni in terra cruda sono tornate al centro del dibattito tra architetti e ingegneri di tutto il mondo, non solo perché costituiscono una vasta porzione del patrimonio architettonico mondiale, ma anche perché rappresentano una valida alternativa nell’ambito della sostenibilità alle tradizionali tipologie costruttive. In Portogallo, fino alla metà del XX secolo, ebbero molta diffusione gli edifici realizzati in adobe, ovvero in muratura di mattoni in terra cruda. Ad oggi, molte di queste architetture, di cui alcune in stile Art Noveau di grande valore storico e artistico, si trovano in pessimo stato di conservazione. Risulta quindi fondamentale promuovere programmi di ricerca multidisciplinari finalizzati a fornire validi strumenti per il recupero e il rinforzo strutturale di questi edifici. In questo contesto, il presente studio ha come obiettivo quello di implementare la conoscenza delle proprietà della muratura in adobe e in particolare dei parametri di resistenza meccanica. A questo scopo, ho condotto test sperimentali su mattoni provenienti dalla città portoghese di Aveiro per meglio caratterizzare le proprietà e la natura del materiale. Nello specifico, ho analizzato campioni cubici di adobe tramite prova di assorbimento d’acqua, analisi della distribuzione granulometrica, calcimetria e diffrattometria a raggi X. Sono stati poi effettuati test di compressione assiale su dodici provini cubici di adobe con diversi tenori di umidità per verificare in che modo e in che misura la presenza di umidità influenzi il comportamento meccanico e la resistenza di questo materiale. Ho inoltre realizzato la calibrazione di un programma di modellazione numerica (Nastra In-Cad) e, nella parte finale della ricerca, lo stesso programma è stato utilizzato per prevedere il comportamento di porzioni murarie in adobe con diversi tenori di umidità, utilizzando i valori ottenuti dai test di compressione sperimentali.

La tesi è rivolta allo studio comparativo delle tecniche costruttive datate tra tardo antico e romanico (fine IV-XII secolo), con particolare attinenza agli edifici di culto milanesi. L'obiettivo principale è stato quello di delineare le linee evolutive delle tecniche costruttive e identificare la presenza di caratteri tecnici particolari che avessero valore di indicatore cronotipologico. Il quadro complesso e articolato degli studi pregressi sulle più note basiliche medievali milanesi ha reso necessaria l'indagine, per la presenza di ipotesi interpretative contraddittorie e la frequente carenza di indagini aggiornate sotto il profilo metodologico. Per questa ragione, la prima parte del lavoro è stata rivolta alla definizione della storia degli studi editi riguardanti temi di carattere archeologico e architettonico, che hanno costituito la base di riferimento per l'individuazione delle campionature murarie da analizzare. Nell'ambito di questa stessa sezione si è resa poi indispensabile la stesura di una parte destinata alla trattazione del metodo utilizzato che, per quanto riguarda l'analisi del materiale da costruzione in laterizio, ha previsto l'applicazione, in via sperimentale su un raggio di indagine così esteso, del metodo mensiocronologico al materiale di recupero. La seconda parte della tesi ha riguardato l'analisi dei principali contesti architettonici esaminati (S. Giovanni alle Fonti, S. Tecla, S. Simpliciano, S. Nazaro Maggiore, S. Ambrogio, S. Eustorgio), affrontata con schede apposite destinate all'inquadramento dei dati storico-archeologici pregressi, delle campionature murarie esaminate, in pietra e laterizio, e dei risultati delle analisi metriche. Ogni fase costruttiva individuata è stata poi approfondita in sezioni specifiche nelle quali sono confluiti i risultati raggiunti. La terza ed ultima parte del lavoro, è stata infine rivolta alla trattazione delle cronotipologie dei tipi costruttivi elaborate (in opus latericium, opus latericium spicatum e opera di spolia), a quella dei principali indicatori cronotipologici individuati e alle loro modalità di trasformazione nel tempo. Il lavoro di ricerca ha aperto molteplici prospettive di approfondimento, relative ai singoli monumenti trattati ma anche a problematiche di più ampio respiro nel settore dell'edilizia medievale, che sono state trattate nel capitolo conclusivo.
The thesis is dedicated to the comparative study of construction techniques dating from late antiquity and Romanesque (end of 4th-12th century), with particular attention to the religious buildings in Milan. The main objective was to represent the evolutionary lines of the construction techniques and to identify the presence of technical characteristics that have a specific age-typology meaning. The contradictory interpretative hypotheses and the lack of up-to date - in terms of methodology - investigations within the complex and extensive literature on the most known medieval basilicas in Milan has inspired this investigation. For this reason, the first part of the work treats the definition of the history of the published studies on the archaeological and architectural subjects, which have represented the reference for the identification of the masonry samples to be analyzed. As part of this section it was necessary the drafting of a description of the method used. With regard to the analysis of structural clay material, such process provided for the application - on an experimental basis on a so extensive investigation - of the metric-age analysis method to the recovered material. The second part of the thesis concerned the analysis of the main architectural complexes examined (S. Giovanni alle Fonti, S. Tecla, S. Simpliciano, S. Nazario Maggiore, St. Ambrose, St. Eustorgio), performed through dedicated files for the classification of former historic-archaeological data, of the masonry and the stone and brick samples tested, and of the results of the metric analysis. Each identified construction phase was then further investigated in specific sections where the results are gathered. The third and final part of the work concerns the discussion of the developed age-typologies of the construction materials (opus latericium, opus spicatum latericium and works in spolia), the main age-typology indicators identified and the different ways they changed over time. The research has opened up many scenarios for further studies, in relation to the individual monuments treated but also to broader issues in the sector of the Middle Ages building activity, as discussed in the final section.

La tesi è rivolta allo studio comparativo delle tecniche costruttive datate tra tardo antico e romanico (fine IV-XII secolo), con particolare attinenza agli edifici di culto milanesi. L'obiettivo principale è stato quello di delineare le linee evolutive delle tecniche costruttive e identificare la presenza di caratteri tecnici particolari che avessero valore di indicatore cronotipologico. Il quadro complesso e articolato degli studi pregressi sulle più note basiliche medievali milanesi ha reso necessaria l'indagine, per la presenza di ipotesi interpretative contraddittorie e la frequente carenza di indagini aggiornate sotto il profilo metodologico. Per questa ragione, la prima parte del lavoro è stata rivolta alla definizione della storia degli studi editi riguardanti temi di carattere archeologico e architettonico, che hanno costituito la base di riferimento per l'individuazione delle campionature murarie da analizzare. Nell'ambito di questa stessa sezione si è resa poi indispensabile la stesura di una parte destinata alla trattazione del metodo utilizzato che, per quanto riguarda l'analisi del materiale da costruzione in laterizio, ha previsto l'applicazione, in via sperimentale su un raggio di indagine così esteso, del metodo mensiocronologico al materiale di recupero. La seconda parte della tesi ha riguardato l'analisi dei principali contesti architettonici esaminati (S. Giovanni alle Fonti, S. Tecla, S. Simpliciano, S. Nazaro Maggiore, S. Ambrogio, S. Eustorgio), affrontata con schede apposite destinate all'inquadramento dei dati storico-archeologici pregressi, delle campionature murarie esaminate, in pietra e laterizio, e dei risultati delle analisi metriche. Ogni fase costruttiva individuata è stata poi approfondita in sezioni specifiche nelle quali sono confluiti i risultati raggiunti. La terza ed ultima parte del lavoro, è stata infine rivolta alla trattazione delle cronotipologie dei tipi costruttivi elaborate (in opus latericium, opus latericium spicatum e opera di spolia), a quella dei principali indicatori cronotipologici individuati e alle loro modalità di trasformazione nel tempo. Il lavoro di ricerca ha aperto molteplici prospettive di approfondimento, relative ai singoli monumenti trattati ma anche a problematiche di più ampio respiro nel settore dell'edilizia medievale, che sono state trattate nel capitolo conclusivo.
The thesis is dedicated to the comparative study of construction techniques dating from late antiquity and Romanesque (end of 4th-12th century), with particular attention to the religious buildings in Milan. The main objective was to represent the evolutionary lines of the construction techniques and to identify the presence of technical characteristics that have a specific age-typology meaning. The contradictory interpretative hypotheses and the lack of up-to date - in terms of methodology - investigations within the complex and extensive literature on the most known medieval basilicas in Milan has inspired this investigation. For this reason, the first part of the work treats the definition of the history of the published studies on the archaeological and architectural subjects, which have represented the reference for the identification of the masonry samples to be analyzed. As part of this section it was necessary the drafting of a description of the method used. With regard to the analysis of structural clay material, such process provided for the application - on an experimental basis on a so extensive investigation - of the metric-age analysis method to the recovered material. The second part of the thesis concerned the analysis of the main architectural complexes examined (S. Giovanni alle Fonti, S. Tecla, S. Simpliciano, S. Nazario Maggiore, St. Ambrose, St. Eustorgio), performed through dedicated files for the classification of former historic-archaeological data, of the masonry and the stone and brick samples tested, and of the results of the metric analysis. Each identified construction phase was then further investigated in specific sections where the results are gathered. The third and final part of the work concerns the discussion of the developed age-typologies of the construction materials (opus latericium, opus spicatum latericium and works in spolia), the main age-typology indicators identified and the different ways they changed over time. The research has opened up many scenarios for further studies, in relation to the individual monuments treated but also to broader issues in the sector of the Middle Ages building activity, as discussed in the final section.

La presenza di tamponamenti in muratura all’interno delle maglie di strutture intelaiate induce, in presenza di azioni laterali, una sostanziale modificazione della risposta globale rispetto a quella dei telai nudi in termini di rigidezza, resistenza e capacità di spostamento. La tesi presenta i risultati di una campagna sperimentale su telai tamponati con diverse tipologie di muratura soggetti a prove di carico cicliche. Successivamente viene proposto un criterio per la modellazione semplificata del comportamento ciclico attraverso un macromodello a puntone diagonale equivalente. Una ulteriore indagine numerica è eseguita per valutare l'entità degli effetti locali dovuti all'interazione fra telaio a tamponamento proponendo un criterio per la loro inclusone nella modellazione a puntone concentrico. Infine viene eseguita una calibrazione del puntone diagonale attraverso un modello a fibre. Tale modellazione è utilizzata per studiare il comportamento nel piano e fuori piano dei pannelli in presenza di azioni sismiche provenienti da qualsiasi direzione.
The presence of infill masonry in RC framed structures substantially modifies of the overall response in presence of seismic actions with respect of bare frames in terms of stiffness, strength and displacement capacity . The thesis presents the results of an experimental campaign on infilled frames with different kinds of masonry subjected to cyclic loading tests. Subsequently, a criterion for the simplified modeling of the cyclic hysteretic behavior through a macromodel equivalent diagonal strut is proposed. A further numerical investigation is carried out to assess the influence of local effects due to the interaction between infill a frame and a criterion for their inclusion when concentric strut models are used is developed. Finally calibration of the equivalent strut by means of a fiber model is performed. This approach is also applied to study the in plane-out of plane behavior of masonry infill panels when in the presence of seismic actions acting in any direction .

Il presente lavoro riguarda lo studio e lo sviluppo di approcci innovativi all’identificazione dinamica delle strutture e del danno strutturale per le costruzioni storiche in muratura. Il patrimonio storico architettonico, prevalentemente costituito da costruzioni in muratura, rappresenta una parte fondamentale del patrimonio culturale di una nazione; la sua salvaguardia è dunque un’attività strettamente necessaria per la conservazione nel tempo dell’identità culturale dei popoli. Questa necessità si scontra spesso con la scarsa conoscenza del comportamento strutturale di questo genere di costruzioni. Le tecniche di identificazione dinamica delle strutture e del danno si inseriscono in questo contesto. Il loro utilizzo combinato, infatti, consente di ottenere informazioni sulle caratteristiche meccaniche globali e locali delle strutture, necessarie a calibrare i modelli strutturali e progettare interventi di conservazione mirati ed efficaci. Tuttavia, queste tecniche presentano ancora diverse problematiche che ne limitano l’applicazione alle costruzioni in muratura: il tradizionale set-up sperimentale per l’identificazione dinamica delle strutture è alquanto complesso e impegnativo; inoltre, gran parte delle tecniche di identificazione dinamica del danno è troppo generale e non tiene conto delle peculiari caratteristiche di queste costruzioni. In questo lavoro vengono proposte soluzioni originali ad entrambe le problematiche, attraverso la combinazione di approcci teorici originali e di tecniche sperimentali avanzate, applicate in modo innovativo. Per l’identificazione dinamica delle strutture, sono state esplorate le potenzialità e i limiti dell’interferometria radar, una tecnica innovativa per la misurazione a distanza delle vibrazioni strutturali. In particolare, considerata l’incapacità di ricostruire lo sviluppo tridimensionale e spaziale delle forme modali di una struttura con un solo interferometro, sono stati sviluppati modelli teorici e approcci sperimentali speditivi che prevedono l’utilizzo simultaneo di due interferometri. Per l’identificazione dinamica del danno, dato il ruolo portante che gli archi rivestono all’interno delle costruzioni in muratura, è stato sviluppato un approccio ad hoc che, dalla variazione delle frequenze naturali, permette di localizzare e quantificare danni multipli in questi elementi strutturali. L’approccio è stato sviluppato considerando le principali caratteristiche strutturali degli archi in muratura e dei fenomeni di danneggiamento di maggiore rilevanza per tale tipo di strutture. Tutti gli approcci proposti sono stati validati attraverso prove sperimentali in laboratorio e in situ.
This work concerns the study and development of innovative approaches to dynamic structural identification and dynamic damage identification for masonry constructions. The architectural heritage, mainly composed of masonry constructions, represents a fundamental part of the cultural heritage of countries; therefore, its preservation is an essential goal for our society and for the scientific community. Anyway, one of the most critical issue is the lack of knowledge on the structural behavior of these constructions. Dynamic testing and dynamic-based structural damage identification techniques could play a major role for overcoming this obstacle. Indeed, the combined use of these techniques makes it possible to get information about the global and the local structural features, essential for calibrating structural models and designing specific and effective conservation interventions. However, these techniques still show some drawbacks which hinder their application to masonry constructions: the traditional experimental setup for dynamic testing of structures is complex and highly demanding; moreover, most dynamic-based damage identification methods are too general and do not take into account the peculiar characteristics of masonry constructions. This thesis proposes original solutions to both problems, through the combination of original theoretical approaches and advanced experimental techniques, applied in an innovative way. As to dynamic testing, the potentials and limitations of the radar interferometry – a highly innovative technique for remotely measuring structural vibrations – were explored. In particular, because of the inability to reconstruct the three-dimensional and spatial characteristics of mode shapes of structures by using a single radar interferometer, theoretical models and expeditious experimental approaches involving the simultaneous use of two radar interferometers were developed. As to dynamic-based structural damage identification techniques, due to the fundamental role played by arches in masonry constructions, an ad hoc natural frequency-based approach for the localization and quantification of multiple damages in masonry arches was proposed. This approach has been developed considering the main structural features of blocky masonry arches and the most relevant damage phenomena possible for this type of structures. All of the proposed approaches have been validated through laboratory and in situ experimental tests.

I recenti eventi sismici hanno mostrato che le strutture in muratura risultano vulnerabili ai terremoti e, nonostante vi sia un crescente interesse scientifico verso questo tema, la loro valutazione sismica rimane ancora oggi una sfida. Questo lavoro quindi si aggancia agli studi sul comportamento dinamico delle strutture curve in muratura ed intende proporre, sulla base di un approccio teorico appropriato, una nuova strategia sperimentale che utilizza modelli in scala ridotta capaci di riprodurre le condizioni specifiche che caratterizzano la dinamica di strutture reali. Cogliere la dinamica delle costruzioni in muratura, specie quelle di carattere storico, è particolarmente complesso in quanto richiede il ricorso a teorie non lineari che vanno sotto il nome di teorie del rocking. In questo studio la dinamica del rocking descritta da Housner e approfondita da Oppenheim, per il caso specifico degli archi costituiti da blocchi, è inquadrata nelle metodologie di analisi che considerano il materiale muratura come materiale “Non Resistente a Trazione”, un modello meccanico che traduce in chiave razionale le ipotesi di Heyman. La proposta poi di un nuovo approccio sperimentale deriva dalla mancanza di risultati pienamente soddisfacenti in prove di laboratorio effettuate sia su modelli in scala reale che su modelli in scala ridotta. La strategia adottata nasce dall’idea di sfruttare le tecniche di stampa 3D per realizzare meta-modelli di archi da sottoporre a prove dinamiche che, da una parte possano interpretare correttamente le leggi di scala che governano il fenomeno del rocking e dall’altra presentare una stereotomia dei conci che ne consenta l’incernieramento ma ne impedisca lo scorrimento. Questo sistema non solo consente di effettuare una stima veritiera del comportamento sismico degli archi, oggetto del presente lavoro, ma può essere esteso a strutture curve più complesse come volte e cupole in muratura.
Recent seismic events have shown that masonry structures are vulnerable to earthquakes. Although there is a growing scientific interest in this issue, seismic assessment of these still remains a challenge. In this context, the thesis is linked to previous studies on dynamic behavior of curved masonry structures and intends to propose, on the basis of an appropriate theoretical approach, a new experimental strategy based on small-scale models capable of reproducing the particular behavior that characterizes the dynamics of real structures. Understanding the dynamics of masonry buildings, especially those of historical interest is particularly complex as it requires the use of non-linear theories capable of describing rocking conditions. In this study, the dynamics of rocking described by Housner and deepened by Oppenheim for the specific case of arches made of blocks is framed in analysis methodologies considering masonry material as a "Normal Rigid No-Tension (NRNT) material": therefore, in a mechanical model that translates Heyman's hypothesis in a rational key. The proposal of a new experimental approach stems from the lack of fully satisfactory results in laboratory tests carried out both on full-scale and reduced-scale models. The adopted strategy follows the idea of exploiting 3D printing techniques to create meta-models of arches to be subjected to dynamic tests. Then meta-models on one hand can correctly represent the scale laws governing the phenomenon of rocking and, on the other hand, present a stereotomy of the voussoirs that allows them to hinge but prevents them from sliding. This system allows making a true estimate of the seismic behavior of masonry arches, for the extension of the proposed approach to more complex curved structures such as masonry vaults and domes.

This paper presents a study of a reconstruction hypothesis of collapsed masonry vaults with archaeological value, by taking advantage of the features of frictional bearings, either flat or curvilinear. Such study finds a natural application to the case of the “Galleria delle Volte Crollate”, which is a collapsed rubble masonry barrel vault, dating back to the I century BC and placed in the Roman Forum, in Italy. The proposed intervention strategy is based on the need to fulfill both philological and structural criteria. As to the former, the solution has to reconstruct the original geometry, while suggesting the historical memory of the occurred collapse. As to the latter, both geometrical and tribological features of the isolation system have to be designed in order to fulfill both static and seismic ultimate limit states. This design can be carried out by means of a parametric study. In fact, based on the case-study herein dealt with, parametric studies are conducted in order to single out the values of the parameters corresponding to the optimal solution. Non-linear dynamical analyses with site-spectrum compatible accelerograms are performed by means of the commercial Finite Element software SAP2000®. The innovative aspects of the proposed solutions are highlighted along with limits and possible further developments.

L’attività di ricerca si propone di mettere a punto una metodologia in grado di fornire gli strumenti per una gestione agevole delle varie incertezze presenti nella valutazione sismica di strutture esistenti in muratura. Il livello di confidenza nella determinazione della risposta del sistema viene valutato ricorrendo a simulazioni statistiche di tipo Monte Carlo realizzate su un modello numerico non lineare sviluppato ad hoc e rappresentativo di una struttura in muratura. Lo studio probabilistico sviluppato nel lavoro impiega una procedura deterministica che ha origine dallo studio di una particolare classe di fabbricati di muratura, gli aggregati edilizi. Tuttavia, per i motivi di semplificazione, le simulazioni menzionate sono state condotte su US di muratura isolate, ossia trascurando gli effetti del fenomeno noto come martellamento. Le simulazioni Monte Carlo sono effettuate su alcune decine di variabili di input che identificano delle US di riferimento; in questo modo vengono generate diverse migliaia di US che costituiscono una base statistica sufficientemente rappresentativa. Gli studi di sensitività condotti hanno consentito di individuare i gruppi di variabili che incidono maggiormente sulla variabilità della grandezza di output; con essi è possibile orientare in maniera efficace la campagna di indagini, concentrando l’attenzione solo su un ristretto campione di parametri di input. Lo strumento analitico sviluppato permette una valutazione quantitativa, in termini probabilistici, dell’effetto di tali incertezze sulla risposta sismica globale, oltre a fornire informazioni dettagliate anche a livello locale, ad esempio riguardo le modalità di collasso dei diversi piani o individuando le pareti che sono causa delle ridotte prestazioni delle US. Questo approccio permette tra l'altro di pianificare gli interventi di rinforzo, non necessariamente indirizzati all'adeguamento strutturale, e di ottimizzare al tempo stesso le attività di diagnostica e di reperimento dei documenti di archivio. Nella seconda parte del lavoro di tesi si è sviluppato il metodo denominato del frattile inferiore o "α", un approccio semplificato in grado di stimare la confidenza nell'esito stesso delle valutazioni di sicurezza sismica, in alternativa a complesse simulazioni statistiche. Tale approccio consiste nell'esecuzione di un limitato numero di analisi deterministiche, condotte variando opportunamente i parametri di input in relazione al livello di confidenza che si vuole perseguire, consentendo al professionista di ottenere misure probabilistiche della vulnerabilità di manufatti di muratura in maniera semplice, rapida e soprattutto affidabile. Lo studio consente, inoltre, di calcolare un qualunque frattile della distribuzione di output associato ad una confidenza assegnata, ricorrendo a Fattori di Confidenza applicati all'esito della valutazione ottenuta attribuendo a tutti i parametri di input il proprio valor medio.

La presente tesi riguarda lo studio del comportamento meccanico di murature esistenti, sia di mattoni che di pietra, consolidate con tecniche d’intervento caratterizzate dall’impiego di prodotti a base di calce, ossia di materiali a maggior compatibilità chimicofisica e meccanica con quelli originari. Lo studio prende in esame le tecniche di riparazione e rinforzo più comunemente adottate nell’edilizia storica, raccoglie e riordina i dati presenti in letteratura in relazione al comportamento meccanico desunto da studi sperimentali in sito e laboratorio, per giungere all’individuazione delle tecniche di consolidamento più adeguate alle due tipologie studiate, in relazione a problemi strutturali specifici, quali: (i) le discontinuità tra i paramenti e l’incoerenza dell’eventuale nucleo interno, per murature in pietra multistrato; (ii) la suscettibilità a crolli improvvisi di strutture in mattoni soggette ad elevati sforzi di compressione (campanili, cinte murarie, etc..). La ricerca fa emergere, accanto ad alcune tecniche più tradizionali o di recente interesse nel campo del restauro (iniezioni e ristilatura per le murature in pietra, ristilatura armata per quelle in mattoni), interventi a carattere innovativo (uso di tiranti trasversali e interventi combinati iniezioni-tiranti-ristilatura nelle murature in pietra), la cui validità ed efficacia vengono comprovate da test di laboratorio di compressione su modelli fisici rappresentativi delle murature esistenti, applicazioni in sito su casi reali di studio, e mediante tecniche d’indagine non invasive (martinetti piatti, prove soniche con elaborazione tomografica, ispezioni), applicate sia in laboratorio che in sito. Per quanto riguarda la tecnica delle iniezioni, un’estesa campagna sperimentale effettuata su diversi tipi di miscele consolidanti ha consentito di definire procedure di prova per la caratterizzazione delle proprietà reologiche delle miscele, studiate sia a livello intrinseco (fluidità, stabilità) che in relazione al supporto (iniettabilità di cilindri). In particolare, si è indagata l’influenza su tali caratteristiche di diversi prodotti additivanti e di supporti a diversa granulometria. Risultati significativi si sono ottenuti, infine, riguardo l’applicazione di modelli semplificati, calibrati in base ai risultati sperimentali ottenuti, in grado di valutare la resistenza di murature in pietra iniettate sulla base delle resistenze dei materiali e dei componenti strutturali della muratura.

Scuola di Dottorato Scienza e Tecnica "Bernardino Telesio" Ciclo XXVII, a.a. 2014
Il 1783 segna per la Calabria una data infausta, un terremoto dalle proporzioni inaudite colpisce la Calabria Ulteriore con repliche che continuarono incessantemente per circa tre anni. Le conseguenze furono catastrofiche intere città completamente rase al suolo, circa 30.000 morti a cui si aggiunsero ulteriori 5.000 per gli stenti successivi al terremoto, l’economia della regione completamente annientata. Ferdinando IV in maniera tempestiva attua una serie di iniziative tra le quali la promulgazione delle Istruzioni generali, il primo regolamento antisismico di Europa. Tale codice rappresenta la sintesi dei più avanzati principi della nascente ingegneria antisismica, come il perseguire la connessione delle pareti murarie e quindi l’”effetto scatolare”, la regolarità in pianta ed in alzato, la riduzione della massa sismica. L’attuazione delle Istruzioni Borboniche è rappresentata da un sistema costruttivo costituito da muratura rinforzata da telai; una tecnologia che si fonda su un sapere costruttivo intorno alle strutture di legno esistente in Calabria da tempo immemore. Infatti, già durante la civiltà italica, modellini fittili scoperti a nord di Sibari, testimoniano un utilizzo d’intelaiature irrigidite da croci di sant’andrea; altri esempi di edifici a struttura lignea, oltre a quelli di epoca romana caratterizzati dall’opus craticium presenti nel Regno di Napoli e a costruzioni relative alla prima conquista Normanna, sono descritti in alcune cronache d’epoca del XVII e XVIII secolo. La riedificazione successiva all’evento tellurico del 1783 previde una buona organizzazione degli interventi, vera e propria protezione civile ante-litteram e lo sviluppo di diverse tipologie di edifici “baraccati”, tra i quali, forse il più noto, quello incluso nel trattato di Vivenzio e indicato come “Case formate di legno”. I catastrofici terremoti del 1905 e 1908 “collaudarono” il sistema, che diede prova di una corretta risposta ad azioni di tipo dinamico mostrando, unico dissesto comune alle diverse costruzioni Borboniche analizzate, per apparecchi murari non eseguiti a regola d’arte, il ribaltamento di porzione di paramento murario esterno. La campagna sperimentale, che ha incluso prove cicliche quasi statiche su riproduzioni in scala 1 a 1 di parete Borbonica, ha mostrato un appropriato comportamento del campione sotto azioni cicliche, in cui la muratura, almeno per spostamenti di non importante entità, viene riportata al cessare dell’azione della forza orizzontale, nella posizione originaria o prossima grazie alla presenza del telaio ligneo caratterizzato da un’alta flessibilità. Il telaio di legno non ha mostrato alcuna deformazione non reversibile o lesione per tutta la durata della prova, mentre piccole lesioni nei giunti di malta ed espulsioni di pietra hanno caratterizzato il riempimento di muratura. La durabilità del sistema risulta limitata nonostante i diversi accorgimenti suggeriti dalle Istruzioni, a causa dell’alto tenore di umidità generato nell’apparecchio murario e quindi di condizioni favorevoli per attacchi di tipo biotico.
Università della Calabria

La tesi di dottorato ha come oggetto il patrimonio architettonico rappresentato dalle cosiddette case baraccate, la cui tecnica costruttiva, definita alla fine del XVIII secolo dal governo borbonico, ha rappresentato il modello per la ricostruzione post-terremoto di diverse città italiane nell’arco di tempo compreso tra il 1783 ed il 1908. In tali costruzioni la concezione della struttura portante, rappresentata da una gabbia ligne immersa nelle pareti murarie perimetrali ed interne, è il risultato di una “memoria sismica” basata su una tradizione costruttiva pregressa e su intuizioni e conoscenze scientifiche la cui fondatezza è stata per lo più verificata solo da un punto di vista empirico. In questo senso la ricerca ha avuto come obiettivo principale quello di valutare l’efficienza sismica del sistema costruttivo in esame attraverso la definizione di uno specifico modello meccanico di analisi. In aggiunta, la ricerca si è interessata all’analisi e descrizione degli aspetti costruttivi, tipologici e morfologici, che caratterizzano la tecnica baraccata, riscontrati in alcuni esempi ancora esistenti sul territorio calabrese. Uno degli edifici più emblematici di questa tecnica costruttiva, il palazzo vescovile di Mileto (VV), è stato analizzato in dettaglio ed ha rappresentato l’oggetto di analisi del modello meccanico sviluppato. In relazione agli ambiti di ricerca sopra descritti, la tesi è struttura in tre parti, in ciascuna della quale la tecnica antisismica baraccata è stata indagata da un diverso punto di vista: Analisi storico-costruttiva La prima parte della tesi, di carattere introduttivo, indaga la genesi e la diffusione della tecnica costruttiva in relazione ad esempi analoghi, presenti nei territori ad alto rischio sismico dell’Italia e più in generale del mondo. Le peculiarità del sistema costruttivo sono indagate da un punto di vista qualitativo, individuando i principi antisismici che lo contraddistinguono. Accanto a questa attività di “ricostruzione storica” della tecnica costruttiva, la prima parte della tesi contiene anche un’indagine sul patrimonio esistente volta a documentare l’esistenza e lo stato di conservazione di costruzioni baraccati ancora esistenti, alcune delle quali scoperte “ex-novo” a seguito di una campagna di indagini in-situ in diversi centri calabresi. Analisi meccanica Nella parte centrale della tesi, invece, viene descritto il modello meccanico definito per l’analisi di sistemi baraccati. L’obiettivo è stato quello di tradurre in un linguaggio scientifico moderno le intuizioni empiriche che caratterizzano la configurazione strutturale delle case baraccate. Attraverso un’analisi meccanica multiscala, è stata definita una metodologia di modellazione semplificata per descrivere i complessi fenomeni meccanici che caratterizzano il comportamento sismico delle strutture miste in legno e muratura. In particolare, in una prima fase è stata condotta un’analisi micro-meccanica su una parete baraccata, già oggetto di test sperimentali al Laboratorio CNR-Ivalsa di Trento nel 2013, che ha permesso la calibratura dei parametri meccanici che caratterizzano gli elementi della parete (telaio ligneo, connessioni, muratura). Successivamente, l’approccio di analisi semplificata chiamato a Telaio equivalente (EFM – Equivalente Frame Method), largamente diffusa in letteratura per lo studio di strutture murarie, è stato implementato per l’analisi sismica di un intero edificio baraccato. Caso studio L’ultima parte della tesi, infine, si è interessata dello studio di un caso emblematico di casa baraccata sette-ottocentesca. In particolare, il palazzo vescovile di Mileto (VV), dato il suo enorme valore storico, costruttivo e culturale, è stato scelto come oggetto di uno studio specifico, finalizzato all’applicazione e validazione del modello meccanico definito. Parallelamente all’analisi sismica, è stata condotta una dettagliata analisi costruttiva del palazzo, il cui pessimo stato conservativo ha consentito di rilevare dettagliatamente le soluzioni costruttive originarie. In aggiunta, al fine di evitare la completa perdita del palazzo vescovile, interessato negli ultimi anni ad estesi crolli e numerosi atti vandalici, la tesi si è interessata alla ricostruzione delle vicende amministrative degli ultimi decenni relative al bene. Tali ricerche fanno parte un’attività di recupero, materiale e culturale, promossa dal Dipartimento di Architettura di Roma TRE, che ha recentemente consentito l’avvio di una procedura di apposizione del vincolo architettonico sul palazzo, che dovrebbe dare l’avvio alla sua definitiva salvaguardia e valorizzazione.
The doctoral dissertation concerns about architectural heritage represented by the so-called “Baraccato” houses. The most ancient Baraccato structural system was defined by the Bourbon Government in the late 18th century and it represented the anti-seismic model for the reconstruction of several italian cities between 1783 and 1908. In such constructions the load-bearing system, composed by a timber-framed masonry infill, is the result of a "seismic memory" based on a experience and pratical knowledge whose scientific validity has been mostly verified only from an empirical point of view. For this reason, the main scope of the thesis was to assess the seismic efficiency of the constructive system by defining a specific mechanical model. In addition, the research deals with the analysis and description of the typological and morphological aspects that characterize the Baraccato houses found in some examples still existing in Calabria, a region in the South of Italy. One of the most emblematic buildings of this construction technique, the Episcopal Palace of Mileto, was analyzed in detail and has been the object of analysis of the mechanical model proposed. With reference to the research areas of interest described above, the thesis consists of three main parts: Historical and constructive analysis The first part explores the genesis and spread of the Baraccato technique with regard to similar examples, widespread in the territories of high seismic risk of Italy and more generally in the world. The research shows the constructive characteristic of the Baraccato building, identifying the anti-seismic quality. In addition to the "historical reconstruction" of the Baraccato technique, the first part of the thesis contains the results of a survey on existing heritage aimed at evaluating the extent of Baraccato heritage in different centres of Calabria and its conservation status. Mechanical analysis In the central part of the thesis, the mechanical model proposed for the analysis of the most ancient Baraccato system is shown. The aim was to translate the empirical intuitions that characterize the structural configuration of the Baraccato buildings with a modern scientific language. Through a multiscale mechanical analysis, a simplified modeling methodology has been defined to describe the complex mechanical phenomena that characterize the seismic behaviour of mixed wood and masonry structures. As a matter of fact, in a first phase a micro-mechanical analysis was carried out on a single Baraccato wall, already undergoing experimental tests at the CNR-Ivalsa Laboratory of Trento in 2013, which allowed the calibration of the mechanical parameters that characterize the wall elements, like wooden frame, connections and masonry. Subsequently, the simplified analysis approach, called EFM (Equivalent Frame Method), widely used in the literature for the study of masonry structures, has been implemented for the seismic analysis of an entire Baraccato building. Case study The last part of the thesis concerns about the study of an emblematic case of eighteenth-century Baraccato house. In particular, the Bishop palace of Mileto (South Italy), because of its enormous historical, cultural and constructive value, was chosen as the subject of a specific study, aimed at application and validation of mechanical model defined. In addition, the poor state of conservation of the building has allowed to detect the original construction solutions, providing a rare testimony of the original Baraccato technique. As a matter of fact, in order to avoid the complete loss of the Bishop's Palace, affected by several collapses and acts of vandalism in the last few years, the thesis contains the results of a recovery activity, material and cultural life, promoted by the Architecture Department of Rome Tre University, which has recently led to the beginning of a procedure for affixing the architectural constraint on the Palace, which should guarantee its definitive preservation and enhancement.

Negli ultimi anni, le metodologie di valutazione di prestazioni sismiche ed energetiche del patrimonio edilizio esistente sono diventate un tema centrale della ricerca tecnico-scientifica. Una delle principali criticità riguarda la notevole complessità legata alle valutazioni degli edifici esistenti rispetto alla nuova progettazione dovuta alle incertezze connesse al percorso di conoscenza delle effettive caratteristiche degli edifici e alle numerose variabili coinvolte. Inoltre, gli eventi sismici degli ultimi anni e gli obiettivi di breve termine imposti dall’Unione Europea per il miglioramento dell’efficienza energetica, hanno fatto emergere l’urgenza di valutare gli attuali livelli prestazionale per pianificare e attuare adeguati interventi di miglioramento e adeguamento. Questo implica la necessità di eseguire analisi a larga scala per un enorme numero di edifici per i quali non è possibile l’uso delle procedure generalmente impiegate per valutare il singolo edificio a causa del livello di dettaglio di informazioni richieste e del considerevole onere computazionale. Per questa ragione, a larga scala è necessario utilizzare procedure semplificate, facilmente implementabili sulla base di informazioni limitate e in grado di fornire risultati con affidabilità e accuratezza accettabile, ottimizzando costi e tempi connessi ai processi di realizzazione di archivi di informazioni e di implementazione di procedure di valutazione. In questo quadro, l’obiettivo del presente lavoro di ricerca è quello di fornire un approccio innovativo alla valutazione degli edifici esistenti in un contesto di incertezza e informazioni limitate, tipico delle analisi a larga scala, per mezzo di un adeguato percorso di conoscenza finalizzato alla realizzazione di una opportuna base di informazioni finalizzato all’implementazione di procedure semplificati di valutazione. Il punto di partenza è la costruzione di un database multi-sorgente georeferenziato (GMSD) del patrimonio edilizio residenziale corrente in ambiente GIS mediante estrazione, integrazione ed elaborazione di dati ricavati da diverse fonti. Le informazioni raccolte, catalogate ed implementate in ambiente nel GMSD, sono strutturate secondo tre livelli di dettaglio: le sezioni di censimento (CS), i blocchi urbani (UB), i singoli edifici (SB) ai quali viene associato un insieme di informazioni “standard”. Successivamente, il database GMSD viene integrato con informazioni di maggior dettaglio estrapolate dal catalogo “CARTIS”, contenente informazioni sulle caratteristiche tipologico-strutturali di comparti urbani omogenei, in maniera da affinare i dati e ottenere informazioni dettagliate associate a ciascun edificio. Il formato alfanumerico dei dati consente l’implementazione automatica, con un limitato onere computazionale, di metodi indiretti che forniscono un indice di vulnerabilità sismica di carattere qualitativo a scala differente (intero comparto urbano, sezione di censimento, blocco urbano, edificio singolo), i risultati vengono comparati per verificare l’affidabilità e l’accuratezza dei dati e collocati con le altre informazioni nel database GMSD. Vengono proposte due diverse applicazioni sviluppate per casi studi localizzati in Puglia: la città di Taranto e la città di Bisceglie per le quali è stato costruito il database GMSD ed è stata implementata una rapida procedura di valutazione di vulnerabilità sismica rispettivamente 12674 blocchi urbani e 3726 edifici. Le informazioni disponibili nel database GMSD consentono l’esecuzione di differenti tipologie di valutazioni a larga scala per grandi insiemi di edifici esistenti, nello specifico, vengono proposte due metodologie: la prima, permette una valutazione a larga scala di edifici in muratura in aggregato; la seconda, riguarda l’integrazione dei due aspetti di vulnerabilità sismica e prestazioni energetiche del patrimonio edilizio esistente. È stato elaborato e testato un approccio tipologico-meccanico per la valutazione del comportamento sismico di edifici in muratura in aggregato a larga scala. Le informazioni delle diverse classi tipologico-strutturali di edifici presenti nel database GMSD vengono utilizzate per eseguire un campionamento statistico del patrimonio edilizio esistente, implementando in maniera automatica la modellazione e l’analisi numerica tramite l’utilizzo di un codice informatico con un basso onere computazionale. Lo scopo è identificare relazioni e regole semplificate per prevedere il comportamento sismico e strutturale di un aggregato in muratura a partire dalla conoscenza di informazioni di base del singolo edificio componente. La seconda proposta è finalizzata all’implementazione di una procedura semplificata di valutazione integrata delle prestazioni sismiche ed energetiche a scala urbana, due aspetti generalmente trattati in maniera separata, ignorando i vantaggi e i benefici che potrebbero derivare da una strategia integrata. La procedura integrata si basa sui dati contenuti nel database GMSD integrata da ulteriori informazioni riguardanti l’involucro dell’edificio e le caratteristiche impiantistiche ottenuta da documentazione tecnica, fotografica, ispezioni e indagini speditive. L’algoritmo proposto prevede il calcolo di due indici di vulnerabilità sismica (IVS) e prestazione energetica (IVE) per ciascun edificio utilizzando opportune procedure nelle quali, per ciascuno dei due aspetti, opportuni parametri caratteristici vengono selezionati e valutati. I due indici vengono normalizzati in maniera tale da avere due grandezze coerenti e combinati in un indice sintetico integrato (IVI). l’approccio è stato applicato ad un quartiere del centro storico di Foggia ottenendo in maniera rapida una valutazione integrata per un campione di 148 edifici. Sulla base delle procedure proposte è possibile elaborare un’analisi preliminare dello stato corrente del patrimonio edilizio esistente in maniera da identificare livelli prestazionali critici, elaborare differenti scenari e pianificare analisi più dettagliate e futuri interventi, ottimizzando le risorse disponibili.
In the last few years, the seismic and energy performance assessment methodologies of existing building stock have become a central topic in ongoing research. One of the most important issues is the considerable complexity of the evaluation of the existing buildings compared to the new design due to the uncertainties inherent the process of knowledge of the effective characteristics the buildings and the several variables involved. Moreover, the seismic events of the last few years together with the short-term objectives imposed by European Union for the improvement of energy efficiency have brought to light the urgent need of assessing the actual performance levels to plan and realize suitable retrofitting interventions. This implies the necessity to perform large-scale surveys for a huge number of buildings for which it is not possible to use the procedures generally employed to assess single buildings, due to the detailed information required and the considerable computational burden. For this reasons, at large scale it is required the use of simplified procedures, easily implementable on the basis of limited information and able to provide results with acceptable reliability and accuracy, optimizing the cost and time connected to the process of realization of an inventory of building characteristics and subsequent implementation of the assessment procedures. In this framework, the objective of the present research work is to provide an innovative approach for the assessment of the existing buildings in a context of uncertainty and incomplete information typical of the large scale analysis by means of a properly knowledge path to realize a suitable base of information finalized to the implementation of simplified assessment procedures. The starting point is the construction of a geo-referenced multi sources database (GMSD) of the current residential buildings stock in GIS environment through the extraction, integration and elaboration of data from different sources. The information, collected, catalogued, and implemented in GMSD database, is structured according three level of GIS entities: census section (CS), urban block (UB), and single building (SB), to which a “standard” set of minimum data has been associated. Subsequently, the georeferenced database has been supplemented by more detailed information extracted by “CARTIS” catalogue, containing information about the typological and structural features of homogenous urban districts, to refine the data and to obtain more detailed information associated to each building. The alphanumeric format of data allows the automatic implementation of indirect methods with a low computational effort, which provide a qualitative seismic vulnerability index at different scales (whole urban district, an urban block, a single building), the results have been compared to verify the reliability and accuracy of the data set and stored in the GMSD database together with all the information. Successively, a powerful 3D interactive tool has been realized for the knowledge, characterization and analysis at the urban scale. Two Applications have been developed for case studies in Puglia, Italy: the cities of Taranto and Bisceglie for which GMSD has been constructed and implement a rapid seismic vulnerability assessment respectively of 12674 urban blocks and 3726 single buildings. The information available in GMSD allows to perform several types of assessment at large scale for a large set of existing buildings, in particular two methodologies have been proposed; the first, allows a large scale assessment of masonry building aggregates; the second, regard the integration of the two aspect of seismic vulnerability and energy performance of existing building stock. A typological-mechanical approach has been elaborated and tested to assess the seismic behaviour of the masonry buildings and aggregates at large scale. The information of the different structural-typological building classes stored in GMSD database have been used to perform a statistical sampling of the existing building stock, automatically elaborating the numerical models and analyses by means of a computer code with low computational effort. The aim is to identify a simplified relations and rules to predict the seismic behaviour of masonry buildings aggregates starting from the limited information about the single building. The second proposal is finalized to implementation of an integrated simplified evaluation procedure of the seismic vulnerability and energy performance at urban scale, two aspects generally treated in a disconnected way, ignoring the advantages and benefits that could result from an integrated strategy. The integrate procedure is based the data collected in GMSD database complemented by a further information about building envelope and plant system feature, obtained by available technical documentations, photographic record, expeditious inspections and survey. The proposed algorithm provides the calculation of a seismic vulnerability (IVS) and an energy performance (IVE) index for each building by means of suitable procedure in which, for each of the two aspects, a proper set of characteristic parameters have been selected and appraised. The two indices are normalized to obtain two consistent values and combined in a synthetic integrated index (IVI). The approach has been applied to a neighbourhood in the historical centre of Foggia obtaining in a rapid way an integrated assessment of a sample composed by 148 buildings. On the bases of the proposed procedures it is possible to elaborate a preliminary analysis of the current state of the existing building stock in order to identify the criticality performance levels, elaborate different scenarios and plan more detailed analyses and future interventions, optimizing the available resources.

La figura e l’opera di Alessandro Antonelli si possono considerare al margine delle aree di influenza che attualmente si riconoscono all’architetto ed all’ingegnere. Storicamente si inquadrano in una epoca in cui sta emergendo la figura dell’ingegnere quale tecnico addetto alla risoluzione delle problematiche relative al controllo della produzione, tra cui quella edilizia. Anche in Italia, soprattutto dopo la ventata innovativa del periodo napoleonico, questa figura, espressione di una certa cultura francese e dell’Ecole des Ponts et Chaussées, si affermerà rapidamente estendendo la sua sfera d’azione dapprima alle opere edilizie di particolare impegno e pubblica funzionalità per poi controllare anche le opere di ordinaria utilità. Con ciò viene ad essere relegato ad un ruolo secondario l’impegno dell’architetto. Quest’ultimo si trova di fronte a due possibili alternative: arroccarsi nell’ambito delle accademie, limitandosi al controllo degli aspetti formali della costruzione, oppure scendere in lizza coll’ingegnere per mantenere il ruolo di capo dei costruttori che gli era ormai proprio da alcuni secoli. Antonelli non ha dubbi: il suo ruolo positivo nella società in progresso deve estrinsecarsi in una attività direttamente produttiva che ponga a frutto le risorse del suo paese. Egli però non intende agire con le stesse metodologie dell’ingegnere ovvero non adotta il calcolo quale elemento di valutazione ma, nell’ambito della tradizione costruttiva muraria, assume l’empiria del cantiere ed il proporzionamento classico quali guide per la sua progettazione. Antonelli non rinuncerà per questo agli aspetti formali della progettazione, anzi la sua opera è precisamente definibile nell’alveo dell’architettura neoclassica anche se l’istanza strutturale delle sue opere, di eccezionale importanza rispetto a quelle coeve di altri architetti, impone dapprima modifiche all’ordine canonico e poi, gradualmente, fin quasi il suo abbandono per proporzioni sempre meno classiche e più influenzate dalla funzione strutturale. A cavallo tra i due schieramenti, Egli non avrà mai il consenso pieno degli ingegneri, perché alieno dal loro modo di intendere la progettazione strutturale attraverso l’approccio numerico, né l’approvazione degli architetti per la “bizzarria” delle sue opere che non rientrano nei canoni tradizionali. Antonelli prosegue però per il suo cammino, verso una costruzione razionale ed economica, con un atteggiamento di combattente solitario e coraggioso tipico dello spirito positivo e romantico che pervade l’epoca. La sua è un’attività intensissima che gli consente di produrre numerosi edifici e un notevole corpus di progetti. Con questa ampia produzione Antonelli ha modo di distillare, dall’esperienza diretta, dallo studio delle costruzioni antiche e attraverso le moderne suggestioni delle strutture metalliche, un metodo costruttivo che si pone al livello di quello romanico-gotico. Le costruzioni eccezionali di Antonelli possono forse solo attribuirsi alla genialità del personaggio e considerarsi frutto singolare di una particolare coincidenza di intenti e possibilità. Ma oltre ad esse Antonelli produce una metodologia costruttiva ed un approccio alla struttura che sono perfettamente ripetibili. Tant’è che furono immediatamente replicate dai suoi allievi . Certo non per edifici di tanto ardimento costruttivo quali la Mole o la cupola di San Gaudenzio, ma in edifici economici, per quel tempo, arditi anch’essi eppure saldi visto che ancor oggi permangono in perfetta funzione. L’eccezionalità delle opere maggiori fu dunque la sperimentazione necessaria per la maturazione di una procedura adottabile con successo ed economia nelle costruzioni ordinarie. Ma al di là di una possibile attualità per questa tecnologia, verificabile peraltro se la si considera quale particolare tipo di muratura armata, l’argomento proposto sembra comunque di particolare interesse nell’ambito di studi sulla conservazione dei monumenti. Uno specifico contributo attiene alla storia delle tecniche costruttive ma, oltre all’aspetto storico, costruttivo ed a quello strutturale delle costruzioni originarie, sembra pertinente anche un ulteriore ambito di interesse legato al loro restauro strutturale, per chiarire sia la possibilità di intervento così come la intese Antonelli stesso sia le modalità con cui fu realizzato sulle sue opere dopo la morte dell’Architetto. L’arditezza delle costruzioni eccezionali ed il collasso di una di esse fece sì che i dubbi sempre vivi sulle stabilità di questi edifici si materializzassero in interventi di restauro statico. Dallo studio di queste diverse posizioni è forse possibile desumere una attuale possibilità di intervento strutturale che viene peraltro indagata con analisi numeriche.