Computational strategies for discrete modeling of Cultural Heritage structures

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. ​

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.