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1 Studio e Monitoraggio del quadro fessurativo e del comportamento sismico i del lduomo di Orvieto Modello Numerico tridimensionale Applicazioni ENEA di Modellazione e Analisi agli Elementi Finiti per la protezione sismica di macroelementi strutturali di edifici storico monumentali e singole opere d arte Marialuisa Mongelli Laboratorio di Qualificazione Materiali e Componenti ENEA C.R. Casaccia UTT MAT QUAL Kick off Meeting Orvieto, 9 Aprile 2013 DIREZIONE REGIONALE PER I BENI CULTURALI E PAESAGGISTICI DELL UMBRIA Soprintendenza per i Beni Architettonici e Paesaggistici dell'umbria

2 Studio del Modello 3D Le chiese sono elementi strutturali con: )) forma particolare ) elevate dimensioni Ribaltamento della facciata Presentano meccanismidi 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 risposta sismica autonoma dal resto della fabbrica (Doglioni et al. 1994) Criticità degli archi principali

3 Studio del Modello 3D Scomposizione del manufatto in più elementi architettonici detti 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 [Doglioni i 1994]. Analisi 3D statica e dinamica dell intero complesso Analisi non lineare dei macroelementi

4 Modellazione e Analisi agli elementi finiti 1. Valutazione delrischiosismicodiun sismico di D.P.C.M , Linee Guida BC è imprescindibile dall analisi per la valutazione e riduzione del strutturale rischio sismico i del lpc P.C. tutelato t t 2. Analisi FE (statica lineare, non lineare con riferimento alle NTC 2008, e dinamica) rappresenta una Supplemento ordinario G.U. n.54, metodologia affidabile per valutare il comportamento sismico della struttura Analisi FE preliminare per Materiali e Vincoli ipotizzati diversi scenari possibili FEA dinamica modale FEA statica non lineare Forme modali Frequenze proprie Mappatura delle deformazioni Mappatura delle sollecitazioni Nella validazione il modello FE viene tarato per passi successivi in funzione dei risultati sperimentali ottenuti dal monitoraggio in situ

5 Modellazione e Analisi agli elementi finiti Definizione del modello numerico Acquisizione i i dlili del rilievo fotogrammetrico Eventuale Integrazione dati tramite scansione laser Importazione in un pre processore e operazione di editing dll della geometria ti Definizione del modello agli elementi finiti Analisi preliminare agli elementi finiti al fine di individuare: forme e modi di vibrare della struttura aree critiche ai fini del monitoraggio Aggiornamento e Validazione del modello numerico Indagini 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)

6 Modellazione e Analisi agli elementi finiti Struttura continua => Struttura a infiniti gradi di libertà L analisi FEapprossima il comportamento di una struttura continua con un numero finito di nodi (gradi di libertà) Il metodo agli elementi finiti (FEM)offre SOLUZIONI APPROSSIMATE sostituendo alle equazioni differenziali alle derivate parziali un sistema di equazioni algebriche Il modello FE studia i macroelementi strutturali significativi ai fini dell individuazione delle zone critiche della struttura

7 Chiesa di Santa Maria in Gradi (VT) Meccanismi di collasso Analisi agli elementi finiti per gli elementi macrostrutturali: Facciata e Timpano tipo 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 facciata Intervento di consolidamento proposto Tecnica CAM (cucitura attiva delle murature) per: ammorsamento facciata timpano azioni di taglio nel piano tipo 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 III

8 Tamburo della chiesa di San Nicolò l Arena (CT) Collaborazione ENEA MAT QUAL CE.P.I S CEntro di Prevenzione e Istruzione Sismica Obiettivi Realizzazione i modello dll in scala 1:6 16 Intervento di miglioramento: Sistema DIS CAM Cucitura Attiva della Muratura con elementi DISsipativi Metodologie Studio preliminare mediante modelli numerici (FEM) Prove dinamiche su tavola vibrante del modello integro, danneggiato e rinforzato mediante elementi dissipativi in corrispondenza delle finestre Sezione trasversale del sistema cupola tamburo Monitoraggio con sensori in fibra ottica a reticolo di Bragg (FBG) Utilizzo del sistema 3DVision e messa in rete dell esperimento

9 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 Distribuzione FE Sforzi-Deformazioni

10 Progetto PERPETUATE (VII P.Q.) PERformance based approach to Earthquake protection of cultural heritage in European and mediterranean countries Obiettivi Il progetto intende sviluppare delle linee guida per la valutazione e del rischio sismico e la protezione dei beni culturali mediante possibili interventi di miglioramento sismico Realizzazione modelli in scala ridotta o reale Obelisco lateranense (Roma) Volta a crociera del Palazzo del Day (Algeri) Attività ENEA Definizione delle misure di valutazione del danno (WP1) Tecniche diagnostiche,,proprietàp dei materiali, ed identificazione strutturale (WP4) Individuazione degli elementi macrostrutturali da verificare su tavola vibrante, progettazione dei modelli in scala e prove sperimentali su tavola vibrante (WP5) Contributo alla definizione di nuove linee guida per la protezione del P.C. (WP8)

11 Obelisco Lateranense (Roma) Obiettivi Studio cinematico dei possibili meccanismi di sliding e rocking dei tre blocchi Metodologie Monitoraggio Ambientale a lungo termine dovuto al traffico e/o microsismi Prove NDT per la definizione delle proprietà meccaniche dei materiali Endoscopia, tomografia sonica, e georadar Modello e analisi agli elementi finiti Vulnerabilità sismica

12 Volta a Crociera Progetto PERPETUATE Moschea del Palazzo del Dey (Algeri) Modello in scala reale con pareti non simmetriche Due campagne sperimentali: Modello Rinforzato (catene). Modellod TlQ Tal Quale (non rinforzato) Studio del comportamento degli inserti in legno inseriti alla base di ogni arco.

13 Hagia Irene (Complesso Topkapi Istanbul) Obiettivi Individuazione zone critiche Valutazione possibili interventi di rinforzo Realizzazione modello (scala 1:10) con rigidezza e massa riproducenti le proprietà meccaniche del macro elemento strutturale arco centrale pilastri (punto critico). Il sistema 3DVision consente la misura diretta degli spostamenti e la messa in rete delle campagne sperimentali Metodologie Studio preliminare mediante modelli numerici (FEM) Prove dinamiche u tavola vibrante del modello integro, danneggiato e rinforzato mediante diverse tecniche: )tradizionali ) non tradizionali

14 Isolamento sismico dei Bronzi di Riace Museo Archeologico Nazionale dellamagna Grecia (R. C) C.) Obiettivi Massimo isolamento dal terremoto Bassa rigidezza + basso attrito + Grandi Spostamenti Isolamento 3D (nelle 3 direzioni XYZ) Coefficiente di isolamento >90 % (no rocking) Isolamento componente verticale dannosa per i punti critici (braccia e gambe) Riduzione delle celle di carico applicate ai tiranti pari a 2/3 del dlvalore attuale Materiali Compatibili Reversibilità Semplice manutenzione Durabilità Metodologie Prove 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 anni (Max hazard). Granito / Marmo / Ceramica

15 Isolamento sismico dei Bronzi di Riace Museo Archeologico Nazionale della Magna Grecia (R. C.) Convenzione ENEA e Direzione Regionale per i Beni Culturali e Paesaggistici della Calabria Riduzione delle forze di ritenuta applicate ai tiranti pari a 1/3 del valore attuale

16 Grazie a tutti per la partecipazione!!!

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