Studio e Monitoraggio del quadro fessurativo e del i i d l D di O icomportamento sismico del Duomo di Orvieto

Modello Numerico tridimensionaleModello Numerico tridimensionaleApplicazioni ENEA di Modellazione e Analisi agli Elementi Finiti per la Applicazioni ENEA di Modellazione e Analisi agli Elementi Finiti per la 

protezione sismica di macroelementi strutturali di edifici storico protezione sismica di macroelementi strutturali di edifici storico monumentali e singole opere d’artemonumentali e singole opere d’arte

Marialuisa Mongelli

monumentali e singole opere d’artemonumentali e singole opere d’arte

Laboratorio di Qualificazione Materiali e ComponentiENEA C.R. Casaccia UTT MAT‐QUAL

Kick off Meeting ‐ Orvieto, 9 Aprile 2013

marialuisa.mongelli@enea.itmarialuisa.mongelli@enea.itDIREZIONE REGIONALE PER I BENI 

CULTURALI E PAESAGGISTICI DELL’UMBRIA ‐Soprintendenza per i Beni Architettonici 

‐e Paesaggistici dell'Umbria

Studio del Modello 3DLe chiese sono elementi strutturali con:

‐) forma particolareRibaltamento della facciata

) p‐) elevate dimensioni

Presentano meccanismi di danno localePresentano meccanismi di danno locale

Studio dei singoli macroelementi :“parti delle chiese architettonicamente riconoscibile (facciata abside arco trionfale) caratterizzati da una Meccanismi di “fuori piano delle pareti laterali(facciata, abside, arco trionfale), caratterizzati da una risposta sismica autonoma dal resto della fabbrica” (Doglioni et al. 1994)

f p p

Criticità degli archi principali

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Studio del Modello 3DScomposizione  del manufatto in più elementi architettonici detti macroelementi…macroelementi…solitamente è formato da più pareti ed elementi orizzontali connessi tra loro a costituire una parte costruttivamente unitaria ...pur se in genere collegata e non indipendente dal complesso della costruzione[D li i 1994]

Analisi 3D statica e dinamica

[Doglioni 1994]. 

Analisi 3D statica e dinamica dell’intero complesso

Analisi non lineare dei macroelementi

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Modellazione e Analisi agli elementi finiti  

1 Valutazione del rischio sismico di un1. Valutazione del rischio sismico di un BC è imprescindibile dall’analisi strutturale

2. Analisi FE (statica lineare, non lineare

D.P.C.M. 09.02.11, “Linee Guida per la valutazione e riduzione  del i hi i i d l PC t t l t 2. Analisi FE (statica lineare, non lineare 

e dinamica) rappresenta una metodologia affidabile per valutare il comportamento sismico della

rischio sismico del P.C. tutelato con riferimento alle NTC 2008”, Supplemento ordinario G.U. n.54, 

comportamento sismico della struttura 26‐02‐2011

Forme modali

Analisi FE preliminare per Materiali e Vincoli ipotizzati diversi scenari possibili

FEA dinamica modale FEA statica non lineare

Forme modaliFrequenze proprie

Mappatura delle deformazioniMappatura delle sollecitazionipp

Nella validazione il modello FE viene tarato per passi successivi in funzione dei risultati sperimentali ottenuti dal monitoraggio in situ

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Modellazione e Analisi agli elementi finiti  

Definizione del modello numerico

A i i i d l ili f iAcquisizione del rilievo fotogrammetrico

Eventuale Integrazione dati tramite scansione laser

I t i i i di diti d ll t iImportazione in un pre‐processore e operazione di editing della geometria

Definizione del modello agli elementi finiti

Analisi preliminare agli elementi finiti al fine di individuare:Analisi preliminare agli elementi finiti al fine di individuare:

forme e modi di vibrare  della struttura 

aree critiche ai fini del monitoraggioaree critiche ai fini del monitoraggio 

Aggiornamento e Validazione del modello numericoIndagini per la caratterizzazione del sottosuolo (definizione del modelloIndagini per la caratterizzazione del sottosuolo  (definizione del modello  geologico del sottosuolo) e definizione della risposta sismica locale 

Prove in situ: monitoraggio strutturale, endoscopia, georadar, ultrasuoni

Definizione delle condizioni al contorno

Carichi e vincoli

Proprietà degli elementi  (proprietà dei materiali)

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Modellazione e Analisi agli elementi finiti  

Struttura continua => Struttura a infiniti gradi di libertàStruttura continua => Struttura a infiniti gradi di libertà 

L’analisi FE approssima il comportamento di una strutturaL analisi FE approssima il comportamento di una struttura continua con un numero finito di nodi (gradi di libertà)

Il metodo agli elementi finiti (FEM)offre SOLUZIONI APPROSSIMATESOLUZIONI APPROSSIMATE

sostituendo alle equazioni differenziali alle derivate parziali un sistema di equazioni algebricheparziali un  sistema di equazioni algebriche

Il modello FE studia i macroelementi strutturali significativiIl modello FE studia i macroelementi strutturali significativi ai fini dell’individuazione delle zone critiche della struttura 

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Chiesa di Santa Maria in Gradi (VT)Meccanismi di collasso

Analisi agli elementi finiti per gli elementi macrostrutturali: Facciata e Timpanotipo I : ribaltamento verso l’esterno dell’intera facciata

tipo II: ribaltamento verso l’esterno del solo timpano

tipo III: rottura a taglio per azioni nel piano della facciatatipo III: rottura a taglio per azioni nel piano della facciata

Intervento di consolidamento  proposto

Tecnica CAM (cucitura attiva delle murature) per:

ammorsamento facciata‐timpano

azioni di taglio nel pianotipo I e II  tipo III

Distribuzione dell’ energia di deformazione per effetto di un’accelerazione costante fuori piano pari a 1g

Distribuzione dell’ energia di deformazione per effetto di un’accelerazione costante nel piano pari a 1g

Azioni fuori piano: tipo I e II Azioni nel piano: tipo IIIAzioni fuori piano: tipo I e II p p

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Tamburo della chiesa di San Nicolò l’Arena (CT)Collaborazione  ENEA “MAT‐QUAL” ‐ CE.P.I S CEntro di Prevenzione e Istruzione Sismica

ObiettiviR li i d ll i l 1 6Realizzazione  modello in scala 1:6Intervento di miglioramento: Sistema DIS‐CAM

Cucitura Attiva della Muratura con elementi DISsipativi

MetodologieStudio preliminare medianteStudio preliminare mediantemodelli numerici (FEM)Prove dinamiche su tavola vibrantedel modello integro danneggiato edel modello integro, danneggiato erinforzato mediante elementidissipativi in corrispondenza dellefinestrefinestre

Sezione trasversale del sistema cupola tamburo

Monitoraggio con sensori in fibra ottica a reticolo di Bragg (FBG)

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gg gg ( )Utilizzo del sistema 3DVision e messa in rete dell’esperimento

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Tamburo della chiesa di San Nicolò l’Arena (CT)Collaborazione  ENEA “MAT‐QUAL” ‐ CE.P.I S CEntro di Prevenzione e Istruzione Sismica

Risultati 3DVision e validazione del modello FE

3D‐Vision D1S marker = FEA 4841 nodo

Colfiorito Input time‐history 

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Distribuzione FE Sforzi-Deformazioni Laboratorio di “Qualificazione Materiali e Componenti” 

UTT MAT‐QUAL (C.R. ENEA Casaccia)

Progetto PERPETUATE (VII P.Q.)

• PERformance‐based aPproach to Earthquake proTection of cUlturAl h d dheriTage in European and mediterranean countries

• www.perpetuate.eu

ObiettiviIl progetto intende sviluppare delle linee guida per la 

valutazione e del rischio sismico e la protezione dei benivalutazione  e del rischio sismico e la protezione dei beni culturali mediante possibili interventi di  miglioramento sismicoRealizzazione modelli in scala ridotta o realeRealizzazione  modelli in scala ridotta o reale

Obelisco lateranense (Roma)Volta a crociera del Palazzo del Day (Algeri)

Attività ENEADefinizione delle misure di valutazione del danno (WP1)Tecniche diagnostiche, proprietà dei materiali, ed identificazione strutturale (WP4)g , p p , ( )Individuazione degli elementi macrostrutturali da verificare su tavola vibrante, progettazionedei modelli in scala e prove sperimentali su tavola vibrante (WP5)Contributo alla definizione di nuove linee guida per la protezione del P.C. (WP8)g p p ( )

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Obelisco Lateranense (Roma)

ObiettiviStudio cinematico dei possibili meccanismiStudio cinematico dei possibili meccanismi di “sliding” e “rocking” dei tre blocchi

MetodologieMonitoraggio Ambientale a lungo termine dovuto al traffico e/o microsismi/Prove NDT per la definizione delle proprietà meccaniche dei materialiEndoscopia, tomografia sonica, e georadarp g gModello e analisi agli elementi finitiVulnerabilità sismica

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Volta a Crociera – Progetto PERPETUATEMoschea del Palazzo del Dey (Algeri)Moschea del Palazzo del Dey (Algeri)

Modello in scala reale con pareti non simmetricheDue campagne sperimentali:

Modello Rinforzato (catene).M d ll T l Q l ( i f )Modello Tal Quale (non rinforzato)

Studio del comportamento degli inserti in legno inseriti alla base di ogniarcoarco.

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Hagia Irene (Complesso Topkapi ‐ Istanbul)

ObiettiviIndividuazione zone criticheValutazione possibili interventi di rinforzoRealizzazione modello (scala 1:10) con rigidezza e massa riproducenti le proprietàmeccaniche del macro‐elemento strutturale arco centrale ‐ pilastri (punto  critico)

MetodologieStudio preliminare mediante modelli numerici(FEM)

. 

(FEM)Prove dinamiche u tavola vibrante del modellointegro, danneggiato e rinforzato mediantediverse tecniche:diverse tecniche:‐) tradizionali‐) non tradizionali

Il sistema 3DVision consente la misuradiretta degli spostamenti e la messa in retedelle campagne sperimentali

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Isolamento sismico dei Bronzi di Riace Museo Archeologico Nazionale della Magna Grecia (R C )

ObiettiviMassimo isolamento dal terremoto   

d b d

Museo Archeologico Nazionale della Magna Grecia (R. C.)

Bassa rigidezza + basso attrito + Grandi SpostamentiIsolamento 3D (nelle 3 direzioni XYZ) 

Coefficiente di isolamento >90 % (no rocking)I l i l d iIsolamento componente verticale dannosa per i 

punti critici (braccia e gambe)Riduzione delle celle di carico applicate ai tiranti pari a 2/3 d l l tt l2/3 del valore attuale

Materiali CompatibiliReversibilitàSemplice manutenzioneSemplice manutenzioneDurabilità

MetodologieProve sperimentali su tavola vibrante con input sismici di:terremoti artificiali (spettro compatibili con lo spettro sismico di 

Stato Limite Ultimo (SLU) al piano espositivo dell’edificio) terremoti naturali con periodo di ritorno 24745 anni (Max hazard).

Granito / Marmo /

CeramicaLaboratorio di “Qualificazione Materiali e Componenti” 

UTT MAT‐QUAL (C.R. ENEA Casaccia) marialuisa.mongelli@enea.itmarialuisa.mongelli@enea.it

Isolamento sismico dei Bronzi di Riace Museo Archeologico Nazionale della Magna Grecia (R. C.)Museo Archeologico Nazionale della Magna Grecia (R. C.)

Convenzione ENEA e Direzione Regionale per i Beni Culturali e Paesaggistici della Calabria

http://webtv.sede.enea.it/index.php?page=listafilmcat2&idfilm=495&idcat=32

Riduzione delle forze di ritenuta applicate ai tiranti pari a 1/3 del valore attuale

marialuisa.mongelli@enea.itmarialuisa.mongelli@enea.it

pari a 1/3 del valore attuale

Laboratorio di “Qualificazione Materiali e Componenti” UTT MAT‐QUAL (C.R. ENEA Casaccia)

Grazie a tutti per la partecipazione!!!

marialuisa.mongelli@enea.itmarialuisa.mongelli@enea.it

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