Seismic assessment and strengthening of monumental masonry structures, with a particular focus on churches [Valutazione della vulnerabilità sismica e strategie di miglioramento per strutture monumentali in muratura, con particolare attenzione alle chiese]

This thesis investigates the seismic assessment and strengthening of monumental masonry structures, with a particular focus on unreinforced masonry (URM) churches. It frames churches as vulnerable heritage structures due to their complex and irregular configurations, weak connections among macro-elements, and brittle materials. These characteristics lead to frequent susceptibility to out-of-plane (OOP) local mechanisms rather than a global box-like behavior. The thesis highlights key research gaps, such as the choice of an appropriate modeling strategy, the trade-off between accuracy and computational cost in analysis methods, the lack of a practitioner-oriented framework that links global and local responses, and the need for retrofit decision-support for vulnerable secondary elements. After reviewing the available seismic assessment procedures for URM churches in the literature, the thesis adopts the Church of Nostra Signora delle Grazie e Sant’Egidio in Bussana Vecchia, Italy, as the case study. Using this case study, the thesis compares three numerical modeling strategies, namely finite element model (FEM), discrete element model (DEM), and equivalent frame model (EFM), to assess their ability in reproducing modal properties, pushover response, and damage mechanisms. Following that comparison, the thesis proposes a practitioner-oriented seismic assessment framework that combines modal pushover analysis on a global FE model with nonlinear kinematic analysis of local mechanisms. This method is for URM churches whose behavior lies between full global behavior and full independent macro-element responses, allowing the engineers to account for both the structural interactions and post-peak local collapse development. The procedure is then applied on the case study, focusing on the OOP mechanism of façade and nave wall. Finally, the thesis moves from the assessment problem toward retrofit design decision-support, with a particular focus on bell gables as vulnerable secondary elements. It develops a multi-objective optimization procedure to compare retrofit solutions in terms of seismic effectiveness, ductility, and implementation costs. Overall, the draft presents a research path from vulnerability understanding, to comparative assessment of modeling strategies, to an integrated assessment framework, and finally to retrofit optimization, contributing scientifically and practically to seismic assessment of historic masonry churches.

La presente tesi affronta il tema della valutazione sismica e degli interventi di miglioramento di strutture monumentali in muratura, con particolare riferimento alle chiese in muratura non armata (Unreinforced Masonry, URM). Le chiese vengono considerate come strutture storiche particolarmente vulnerabili a causa della loro configurazione complessa e irregolare, delle deboli connessioni tra i macro-elementi e della natura fragile dei materiali. Tali caratteristiche determinano una frequente suscettibilità all’attivazione di meccanismi locali fuori piano (Out-of-Plane, OOP), piuttosto che a un comportamento scatolare globale della struttura. La tesi evidenzia inoltre alcune rilevanti lacune della ricerca attuale, tra cui la scelta della strategia di modellazione più appropriata, il compromesso tra accuratezza e costo computazionale dei metodi di analisi, la mancanza di un approccio operativo capace di collegare risposta globale e locale, e la necessità di strumenti di supporto decisionale per la progettazione degli interventi di retrofit degli elementi secondari vulnerabili. Dopo una revisione critica delle procedure disponibili in letteratura per la valutazione sismica delle chiese URM, la tesi assume come caso studio la Chiesa di Nostra Signora delle Grazie e Sant’Egidio a Bussana Vecchia, in Italia. Attraverso tale caso studio vengono confrontate tre differenti strategie di modellazione numerica — modello agli elementi finiti (FEM), modello agli elementi discreti (DEM) e modello a telaio equivalente (EFM) — al fine di valutarne la capacità di riprodurre le proprietà modali, la risposta pushover e i meccanismi di danneggiamento. Successivamente, la tesi propone una metodologia operativa per la valutazione sismica che combina l’analisi pushover modale su un modello globale agli elementi finiti con l’analisi cinematica non lineare dei meccanismi locali. Tale approccio è rivolto alle chiese URM il cui comportamento si colloca tra una risposta globale completa e una risposta governata da macro-elementi completamente indipendenti, consentendo ai progettisti di considerare sia le interazioni strutturali sia l’evoluzione post-picco dei collassi locali. La procedura viene quindi applicata al caso studio, con particolare attenzione al meccanismo fuori piano della facciata e della parete della navata. Infine, la tesi si sposta dal problema della valutazione a quello del supporto decisionale per la progettazione degli interventi di retrofit, con particolare riferimento ai campanili a vela quali elementi secondari vulnerabili. A tal fine viene sviluppata una procedura di ottimizzazione multi-obiettivo per confrontare diverse soluzioni di intervento in termini di efficacia sismica, duttilità e costi di realizzazione. Nel complesso, il lavoro di ricerca propone un percorso che va dalla comprensione della vulnerabilità, alla valutazione comparativa delle strategie di modellazione, fino allo sviluppo di un approccio integrato per la valutazione sismica e all’ottimizzazione degli interventi di retrofit, fornendo contributi sia scientifici sia applicativi nel campo della valutazione sismica delle chiese storiche in muratura.