Comportamento e rinforzo sismico delle volte murarie nelle chiese storiche: uno studio di meso-modellazione tramite Applied Element Method

Unreinforced masonry buildings are widely recognized as structures characterized by high seismic vulnerability, even when referring to historical constructions located in seismic-prone areas. While the seismic behaviour of bending and shear walls has been extensively investigated by past studies, the knowledge about the response of vaulted systems, which are the most common horizontal element in historic buildings, remains largely limited. As a result, assessing their seismic behaviour becomes a key research topic. In this study, as a novelty in literature, the application of the Applied Element Method (AEM) in simulating the response of masonry vaults when subjected to ground shaking is explored. Due to its discrete nature, AEM is fully capable of reproducing the response of a structure starting from the elastic range, through the crack initiation and propagation, up to failure and debris detachment. A meso-modelling approach is proposed and developed within the AEM framework, originating from the need to assess historic churches in the area of Groningen, where seismicity is induced by gas extraction. This methodology is chosen to expedite the numerical modelling and limit the computational demand without losing accuracy. In this context, the progress in the study of efficient strengthening measures with limited architectural impact allows the retrofitting of masonry vaults without offending their original beauty. Consequently, the numerical modelling of reinforcement is also investigated. After an introduction on the historical developments of masonry vaulted constructions and the AEM formulation, this work presents the meso-modelling approach, its validation against experimental tests, and finally, its application on real historic churches. The obtained results demonstrate its capability in reproducing crack patterns, damage evolution, and failure mechanisms, thereby establishing it as a reliable and efficient tool for evaluating the seismic response of masonry vaults.

Gli edifici in muratura non armata sono caratterizzati da un’elevata vulnerabilità sismica, anche se costruite in zone riconosciute come soggette ad azione sismica. Mentre il comportamento sismico di elementi murari (maschi e fasce) è ancora oggi oggetto di uno studio intensivo, la conoscenza della risposta sismica delle volte murarie, che rappresentano uno dei più comuni sistemi di orizzontamento specialmente negli edifici storici, risulta piuttosto limitata. Di conseguenza, la valutazione del loro comportamento sismica è diventato un argomento di estrema rilevanza nella ricerca. In questo studio, come novità in letteratura, è analizzata l’applicazione dell’AEM per simulare la risposta sismica di volte murarie. L’AEM deriva dai metodi di modellazione discreta ed è in grado di riprodurre l’evoluzione della risposta di una struttura partendo dal campo elastico, formazione e propagazione delle fessure, fino al collasso con conseguente distacco di macerie. La proposta di una meso-modellazione sviluppata tramite AEM nasce dal bisogno di valutare un piccolo gruppo di chiese storiche della regione di Groningen, dove la sismicità è indotta dalle estrazioni di gas. Tale metodologia permette una elevata velocità di modellazione numerica con un ridotto onere computazionale senza perdere accuratezza. Inoltre, i progressi nello sviluppo di misure di rinforzo efficaci e caratterizzate da un limitato impatto architettonico permettono di rinforzare le volte murarie preservandone il valore artistico. Di conseguenza, in questa tesi viene trattata anche la modellazione numerica del rinforzo. Dopo aver richiamato gli sviluppi storici delle costruzioni con orizzontamenti voltati e illustrato la formulazione dell’AEM, viene presentata la metodologia della meso-modellazione, la sua validazione confermata da test sperimentali, e infine la sua applicazione a casi studio reali. I risultati ottenuti mostrano che questo approccio è in grado di riprodurre la formazione delle fessure, la propagazione del danno e i meccanismi di collasso, dimostrando di essere uno strumento efficace e robusto per la valutazione della risposta sismica delle volte.