Un sistema di rinforzo strutturale innovativo per strutture in muratura non rinforzata: impatto sul comportamento sismico e considerazioni sulla sostenibilità ambientale

The present thesis is a scientific study on a newly proposed timber system for the structural upgrade of light masonry buildings exposed to induced seismicity. It fits within the framework of a comprehensive project aiming at characterising the seismic response of masonry buildings typical of the Groningen region (The Netherlands), interested by earthquake events induced by gas-extraction activities. The mechanical interaction between masonry and retrofit system was initially investigated through in-plane quasi-static shear-compression tests on two identical full-scale masonry piers, one in bare and one in retrofitted configuration. Experimental results allowed to evaluate the effectiveness of the solution in improving the lateral performance of masonry elements and to derive analytical prediction equations. These activities were followed by the dynamic incremental shake-table tests up to near collapse conditions performed on two nominally identical full-scale unreinforced masonry cavity-wall buildings, the former in un-strengthened conditions and the latter in retrofitted configuration. Experimental results were used to assess the impact of the retrofit system from an overall building point of view, considering its beneficial effects also in improving the connections masonry-to-floor systems. Damage limit thresholds were experimentally defined and correlated to an engineering demand parameter for both configurations. A numerical study was carried out to assess the impact of the timber retrofit system on the variability of the lateral response of a case-study building characterized by the most common features that can be found in the Groningen region, considering simultaneously global and local failure mechanisms. The related multi-degrees-of-freedom models were derived from the ones calibrated on the incremental dynamic tests, and reduced to single-degree-of-freedom oscillators to perform cloud non-linear time-history analysis using the latest ground motion database representative of the area. Numerical results were post-processed to produce damage state global fragility functions conditioned to the seismic intensity for bare and retrofitted conditions. The local out-of-plane assessment of masonry piers was carried out as well through cloud non-linear time-history analysis. The latest ground motion database was employed for element at the ground floor level while filtered accelerations from global analysis were employed for elements at the first-floor level. The outcomes were used to fit collapse fragility functions conditioned to the seismic intensity for bare and retrofitted masonry piers. Finally, global and local vulnerability assessments were unified into single damage states fragility functions that consider simultaneously global and local behaviours. The concluding section of the thesis discusses qualitatively the main aspects of environmental sustainability within the proposal of a new structural upgrading intervention. The review of retrofit details under the light of “life cycle thinking” allows to reach more ambitious environmental and economical goals, especially with the view of large-scale applications.

La presente tesi è uno studio scientifico su un nuovo sistema di rinforzo strutturale in legno per edifici in muratura esposti a sismicità indotta. La proposta del nuovo sistema rientra nel contesto di ampio progetto volto alla caratterizzazione della risposta sismica di edifici in muratura tipici della provincia di Groningen (Paesi Bassi), interessata da eventi sismici indotti dalle attività di estrazione di gas. L’interazione meccanica tra la muratura e il sistema di rinforzo è stata inizialmente investigata mediante test a taglio-compressione quasi statici nel piano su due maschi murari identici in scala reale, uno in condizioni non-rinforzate e uno rinforzato. I risultati sperimentali hanno permesso di valutare l’efficacia del sistema nel migliorare la capacità laterale dei maschi murari e la derivazione di equazioni per le predizioni analitiche. Queste attività sono state seguite da due test dinamici incrementali su tavola vibrante su due edifici identici in scala reale in muratura non rinforzata, il primo in condizioni non rinforzate e il secondo rinforzato, fino al raggiungimento dello stato limite di collasso. I risultati sperimentali hanno permesso di valutare l’impatto del sistema di rinforzo dal punto di vista di un edificio reale, considerando anche i benefici del sistema nel migliorare le connessioni tra muratura e solai. I limiti corrispondenti al superamento degli stati di danno sono stati definiti sperimentalmente e correlati a un parametro di domanda sismica per entrambe le configurazioni. Uno studio numerico è stato svolto per valutare l’impatto del sistema di rinforzo sulla variabilità della risposta sismica di un edificio caso studio caratterizzato dalle caratteristiche più comuni che si possono trovare nella regione di Groningen, considerando contemporaneamente meccanismi di collasso globali e locali. I sistemi a più gradi di libertà del caso studio sono stati derivati da quelli calibrati sui test incrementali dinamici sulla tavola vibrante, e successivamente ridotti a oscillatori a un grado di libertà per svolgere analisi dinamiche non-lineari utilizzando un database aggionato di eventi sismici rappresentativo della regione. I risultati numerici sono stati utilizzati per produrre curve di fragilità globali associate ai vari stati di danno condizionate all’intensità sismica, per condizioni rinforzate e non. La verifica fuori-piano delle capacità dei maschi murari è stata effettuata analogamente tramite analisi dinamiche non-lineari. Lo stesso database utilizzato per le verifiche globali è stato utilizzato per la verifica di elementi al piano terra, mentre la storia delle accelerazioni filtrate tramite analisi non lineare globale sono state utilizzate per elementi al primo piano. Infine, i risultati delle valutazioni delle vulnerabilità globali e locali sono stati combinati in singole curve di fragilità associate ai vari stati di danno dell’edificio che tengono in conto contemporaneamente vulnerabilità globali e locali. La sessione conclusiva della tesi discute qualitativamente gli aspetti più importanti della sostenibilità ambientale nell’ambito della proposta di un nuovo sistema di rinforzo. La rivisitazione dell’intervento dal punto di vista del “life cycle thinking” ha permesso di raggiungere obiettivi più ambiziosi in termini ambientali ed economici, specialmente se considerate applicazioni su larga scala.