Numerical evaluation of the influence of vertical accelerations on the rocking response of unreinforced masonry elements

This thesis aims at assessing the effect of the vertical acceleration component of ground motions on the dynamic rocking response of unreinforced masonry (URM) elements, using simplified single-degree-of-freedom (SDOF) numerical models. The research was motivated by recent post-earthquake observations of significant structural damage at sites near the fault, where horizontal and vertical ground motions were strong and well synchronised. This could affect the out-of-plane overturning stability of non-structural masonry elements with low axial loads such as chimneys and parapets. The SDOF models are calibrated on the basis of experimental results from a series of shake-table tests on full-scale URM buildings with chimneys, parapets, and gable walls. The numerical models are used to simulate the rocking response of those non-structural elements, considered as initially cracked. The effects of the multi-directionality of input accelerations are evaluated through a series of non-linear time-history analyses, using carefully selected two-component ground motions. The vertical component of ground motions seems to have a little impact on the rocking response of the considered non-structural elements, characterised by different geometrical properties and parameters describing the force-displacement rules. Also, the orientation (i.e. upwards or downwards) of the vertical component at the instant of the horizontal peak ground acceleration does not introduce a substantial difference in the displacement response of the URM elements.

Questa tesi mira a valutare l’effetto della componente di accelerazione verticale del sisma sul comportamento dinamico oscillante (rocking) di elementi in muratura non armata, mediante l’utilizzo di modelli numerici semplificati a un singolo grado di libertà. Tale ricerca nasce dalla recente osservazione, a seguito di terremoti, di gravi danni strutturali in zone adiacenti a faglie, dove le accelerazioni nei piani orizzontale e verticale hanno un’intensità significativa e sono ben sincronizzate. L’applicazione simultanea di accelerazioni verticali e orizzontali potrebbe influire sul meccanismo di ribaltamento fuori piano di elementi non strutturali in muratura non armata soggetti a bassi carichi assali, ad esempio camini e parapetti. I modelli numerici sono stati calibrati sulla base dei risultati sperimentali derivanti da una serie di prove dinamiche su tavola vibrante su prototipi di edifici in scala reale in muratura non armata e provvisti di camini, parapetti e timpani. I modelli sono stati utilizzati per simulare la risposta di rocking di tali elementi non strutturali, i quali sono stati considerati come inizialmente fessurati. Gli effetti della multi-direzionalità del moto sismico sono stati valutati attraverso analisi dinamiche non lineari, utilizzando una serie di terremoti selezionati accuratamente. La componente di accelerazione verticale di un sisma sembra avere solo una leggera influenza sul comportamento di rocking degli elementi non strutturali considerati nelle analisi, nonostante questi fossero caratterizzati da differenti proprietà geometriche e diversi parametri che ne hanno definito i legami forza-spostamento. Inoltre, la direzione (verso l’alto o verso il basso) della componente verticale nell’istante di massima accelerazione orizzontale non ha generato notevoli discrepanze nella risposta dinamica degli elementi in muratura non armata.