Progettazione e messa in opera di un setup sperimentale per eseguire prove dinamiche incrementali fuori piano su timpani in muratura non armata considerando l'interazione con la copertura soggetti a eccitazione sismica

Typical low-rise masonry buildings in Europe often feature unreinforced masonry (URM) walls with various pitched roof configurations supported by triangular gables. These buildings, prevalent in several seismic-prone regions, exhibit high seismic vulnerability, particularly in their gables. This vulnerability arises from factors such as high slenderness, poor roof connections, and exposure to amplified seismic excitation with minimal overburden load. Interaction with flexible roof diaphragms further exacerbates this issue. Despite their significance, experimental data on the performance of URM gables is scarce and usually derived from tests on complete buildings rather than focused studies on these elements. To address this gap, the ERIES SUPREME project (Seismic oUt-of-Plane REsponse of Masonry gablEs) was conceived at EUCENTRE Pavia in collaboration with the University of Pavia, Delft University of Technology (TU Delft), and the Netherlands Organisation for Applied Scientific Research (TNO), aiming to improve the understanding of the out-of-plane dynamic response of URM gables. This project builds on the extensive research on seismic vulnerability conducted by these institutions for the building stock in Groningen, the Netherlands, where shallow earthquakes caused by gas extraction have highlighted the need to address the seismic risk of URM structures not designed to resist seismic loads. Gables supporting timber roofs are extremely common in the Groningen building stock. Within the larger scope of this project, the objective of this thesis is the design and implementation of an experimental test setup capable of testing URM gables in the out-of-plane direction under incremental dynamic excitation. A unique feature of this setup and the 9D shake table itself is its ability to apply different seismic excitations at the top and bottom of the gable, simulating the filtering effect of the building and roof structure independently without constructing the whole structure or roof itself. The setup is also designed to replicate idealised and easily numerically replicable boundary conditions. The core of this work involves the modelling and dimensioning of the experimental test setup, with attention to handling full-scale URM gables efficiently, performing tests in succession within short timeframes despite their complexity, and ensuring simplicity of assembly. This thesis begins with an introduction to the seismic vulnerability of URM gables, followed by a chapter detailing the construction of full-scale URM gable prototypes under a controlled environment for testing and their mechanical characterisation. The modelling, design, and verification of the experimental setup for testing the constructed gables are then discussed. The assembly phases of the designed experimental test setup are detailed, highlighting logistical aspects. Executive drawings of the experimental test setup to assist EUCENTRE personnel in assembling and using the test structure are finally provided.

Gli edifici in muratura non armata, tipicamente di modesta elevazione, caratterizzati da varie configurazioni di coperture a falde, rifiniti o supportati da timpani, costituiscono, in Europa, una aliquota significativa del patrimonio edilizio. Queste strutture ed in particolare i timpani che le compongono, risultano essere particolarmente vulnerabili all’azione sismica. Proprietà come l’elevata snellezza, la scarsa efficacia delle connessioni con la copertura, il carico verticale minimo, nonché la posizione elevata rispetto al terreno dei timpani e di conseguenza l’amplificazione dell’azione sismica cui sono sottoposti, sono le ragioni di tale vulnerabilità. Nonostante l’importanza in termini di sicurezza di questi fattori, i dati sperimentali a disposizione sul comportamento dei timpani in muratura sono limitati e derivanti da test eseguiti su interi edifici piuttosto che sul singolo elemento. Allo scopo di colmare tale lacuna, e comprendere in modo approfondito la risposta dinamica fuori piano dei timpani in muratura, nasce il progetto ERIES SUPREME (Seismic oUt-of-Plane REsponse of Masonry gablEs) ideato presso EUCENTRE Pavia, in collaborazione con l’università di Pavia, Delft Univeristy of Technology (TU Delft), e la Netherlands Organizatiuon for Applied Scvientific Research (TNO). La necessità di tale studio trova origine dal fenomeno della sismicità indotta, verificatasi nella regione di Groningen, Paesi Bassi, a seguito dei processi di estrazione di gas dal sottosuolo. Le ripercussioni sugli edifici esistenti, non sismo resistenti, della regione hanno evidenziato l’importanza di una valutazione di rischio sismico. Oggetto di questa tesi è la progettazione e la messa in opera di una struttura di prova per l’esecuzione del test sperimentale, sui timpani in muratura non rinforzata (URM), sottoposti a eccitazione dinamica incrementale in direzione fuori piano. Qualità principale del setup e della tavola vibrante 9D stessa è la possibilità applicare un’azione sismica differente, in cima e alla base del timpano, simulando e filtrando l’effetto dell’edificio e della copertura separatamente, senza dover costruire l’intero edificio. Inoltre, il setup è progettato per replicare condizioni al contorno idealizzate e facilmente replicabili numericamente. Il fulcro di questo lavoro è la modellazione e il dimensionamento della struttura di prova, prestando particolare attenzione ad aspetti fondamentali come la possibilità di eseguire i test in successione in tempi relativamente brevi, nonostante la sua complessità ed assicurando un facile assemblaggio. Questa tesi presenta brevemente il problema della vulnerabilità dei timpani in URM, proseguendo con la descrizione dettagliata della realizzazione dei campioni e dei provini comprensivi delle prove di caratterizzazione. In seguito, la progettazione e la verifica della struttura di prova, le fasi di assemblaggio, con particolare enfasi nella logistica. Alla fine del documento sono riportate le carpenterie e i disegni tecnici che hanno permesso al personale di EUCERNTRE di assemblare e utilizzare la struttura di prova.