Tecniche innovative per il miglioramento sismico di edifici storico-monumentali

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.