Experimental and numerical investigations on the seismic dynamic response of masonry barrel vaults [Indagini sperimentali e numeriche sul comportamento dinamico sismico di volte in muratura a botte]

Masonry is one of the oldest and most widespread construction materials, adopted across civilizations worldwide. Despite its historical relevance, research on the seismic behaviour of masonry structures remains limited, with most investigations focusing on static capacity rather than dynamic response. Among masonry typologies, vaults are particularly underrepresented in literature studies, even though many are located in seismic-prone regions, making their assessment an open research challenge. The aim of this thesis is to investigate the dynamic seismic response of masonry barrel vaults subjected to increasing levels of seismic excitation, combining experimental and numerical approaches. The research follows three complementary directions. On the experimental side, the work builds upon a previous campaign in which two full-scale vault specimens with identical geometry were tested on shaking tables: (i) the Unreinforced Vault (UV), representative of existing structures, and (ii) the Reinforced Vault (RV), built ex-novo and strengthened with an innovative hemp-rope based bio-composite reinforcement. A new campaign was then performed on (iii) the Repaired-Damaged Unreinforced Vault (R-DUV), corresponding to the UV specimen after damage and subsequently repaired using the same reinforcement system. Comparative analyses are carried out to systematically evaluate the seismic performance of unreinforced, reinforced, and repaired specimens. Special attention is given to the onset of damage, failure mechanisms, and both qualitative and quantitative indicators, thus addressing several aspects on masonry vault behaviour. On the numerical side, finite element-based simulations are developed, calibrated, and validated against the experimental results. Particular focus is placed on modelling rocking mechanisms as damage-induced phenomena and capturing their evolution under dynamic input, providing a benchmark for future applications. This dual experimental–numerical investigation contributes to a deeper understanding of the seismic behaviour of masonry vaults and evaluates the effectiveness of innovative bio-composite reinforcement techniques for structural risk mitigation.

La muratura è uno dei materiali da costruzione più antichi e diffusi, adottato da numerose civiltà in tutto il mondo. Nonostante la sua rilevanza storica, la ricerca sul comportamento sismico delle strutture in muratura rimane limitata, con la maggior parte delle indagini concentrate sulla capacità statica piuttosto che sulla risposta dinamica. Tra le diverse tipologie costruttive, le volte risultano particolarmente poco rappresentate in letteratura, sebbene molte di esse si trovino in aree ad elevata sismicità, rendendo la loro valutazione un tema di ricerca ancora aperto. L’obiettivo di questa tesi è indagare la risposta dinamica sismica di volte in muratura a botte sottoposte a livelli crescenti di eccitazione sismica, combinando approcci sperimentali e numerici. La ricerca si sviluppa lungo tre direzioni complementari. Dal punto di vista sperimentale, il lavoro si basa su una precedente campagna in cui due volte a scala reale, caratterizzate dalla stessa geometria, sono state testate su tavole vibranti: (i) la Volta Non Rinforzata (Unreinforced Vault, UV), rappresentativa di strutture esistenti, e (ii) la Volta Rinforzata (Reinforced Vault, RV), costruita ex novo e consolidata mediante un innovativo rinforzo biocomposito a base di corde di canapa. Una nuova campagna è stata successivamente condotta su (iii) la Volta Non Rinforzata Danneggiata e Riparata (Repaired-Damaged Unreinforced Vault, R-DUV), corrispondente al provino UV dopo il danneggiamento e poi riparato utilizzando lo stesso sistema di rinforzo. Sono state effettuate analisi comparative per valutare in modo sistematico le prestazioni sismiche dei prototipi non rinforzato, rinforzato e riparato. Particolare attenzione è rivolta all’inizio del danno, ai meccanismi di collasso e ad indicatori qualitativi e quantitativi, affrontando così diversi aspetti del comportamento delle volte in muratura. Dal punto di vista numerico, simulazioni basate su elementi finiti sono state sviluppate, calibrate e validate rispetto ai risultati sperimentali. Un’attenzione specifica è dedicata alla modellazione dei meccanismi di rocking come fenomeni indotti dal danno e alla loro evoluzione sotto input dinamico, fornendo un riferimento per future applicazioni. Questa indagine congiunta sperimentale–numerica contribuisce a una comprensione più approfondita del comportamento sismico delle volte in muratura e valuta l’efficacia di tecniche innovative di rinforzo biocomposito per la mitigazione del rischio strutturale.