Approcci innovativi all’identificazione dinamica delle strutture e del danno strutturale per le costruzioni in muratura

This work concerns the study and development of innovative approaches to dynamic structural identification and dynamic damage identification for masonry constructions. The architectural heritage, mainly composed of masonry constructions, represents a fundamental part of the cultural heritage of countries; therefore, its preservation is an essential goal for our society and for the scientific community. Anyway, one of the most critical issue is the lack of knowledge on the structural behavior of these constructions. Dynamic testing and dynamic-based structural damage identification techniques could play a major role for overcoming this obstacle. Indeed, the combined use of these techniques makes it possible to get information about the global and the local structural features, essential for calibrating structural models and designing specific and effective conservation interventions. However, these techniques still show some drawbacks which hinder their application to masonry constructions: the traditional experimental setup for dynamic testing of structures is complex and highly demanding; moreover, most dynamic-based damage identification methods are too general and do not take into account the peculiar characteristics of masonry constructions. This thesis proposes original solutions to both problems, through the combination of original theoretical approaches and advanced experimental techniques, applied in an innovative way. As to dynamic testing, the potentials and limitations of the radar interferometry – a highly innovative technique for remotely measuring structural vibrations – were explored. In particular, because of the inability to reconstruct the three-dimensional and spatial characteristics of mode shapes of structures by using a single radar interferometer, theoretical models and expeditious experimental approaches involving the simultaneous use of two radar interferometers were developed. As to dynamic-based structural damage identification techniques, due to the fundamental role played by arches in masonry constructions, an ad hoc natural frequency-based approach for the localization and quantification of multiple damages in masonry arches was proposed. This approach has been developed considering the main structural features of blocky masonry arches and the most relevant damage phenomena possible for this type of structures. All of the proposed approaches have been validated through laboratory and in situ experimental tests.

Il presente lavoro riguarda lo studio e lo sviluppo di approcci innovativi all’identificazione dinamica delle strutture e del danno strutturale per le costruzioni storiche in muratura. Il patrimonio storico architettonico, prevalentemente costituito da costruzioni in muratura, rappresenta una parte fondamentale del patrimonio culturale di una nazione; la sua salvaguardia è dunque un’attività strettamente necessaria per la conservazione nel tempo dell’identità culturale dei popoli. Questa necessità si scontra spesso con la scarsa conoscenza del comportamento strutturale di questo genere di costruzioni. Le tecniche di identificazione dinamica delle strutture e del danno si inseriscono in questo contesto. Il loro utilizzo combinato, infatti, consente di ottenere informazioni sulle caratteristiche meccaniche globali e locali delle strutture, necessarie a calibrare i modelli strutturali e progettare interventi di conservazione mirati ed efficaci. Tuttavia, queste tecniche presentano ancora diverse problematiche che ne limitano l’applicazione alle costruzioni in muratura: il tradizionale set-up sperimentale per l’identificazione dinamica delle strutture è alquanto complesso e impegnativo; inoltre, gran parte delle tecniche di identificazione dinamica del danno è troppo generale e non tiene conto delle peculiari caratteristiche di queste costruzioni. In questo lavoro vengono proposte soluzioni originali ad entrambe le problematiche, attraverso la combinazione di approcci teorici originali e di tecniche sperimentali avanzate, applicate in modo innovativo. Per l’identificazione dinamica delle strutture, sono state esplorate le potenzialità e i limiti dell’interferometria radar, una tecnica innovativa per la misurazione a distanza delle vibrazioni strutturali. In particolare, considerata l’incapacità di ricostruire lo sviluppo tridimensionale e spaziale delle forme modali di una struttura con un solo interferometro, sono stati sviluppati modelli teorici e approcci sperimentali speditivi che prevedono l’utilizzo simultaneo di due interferometri. Per l’identificazione dinamica del danno, dato il ruolo portante che gli archi rivestono all’interno delle costruzioni in muratura, è stato sviluppato un approccio ad hoc che, dalla variazione delle frequenze naturali, permette di localizzare e quantificare danni multipli in questi elementi strutturali. L’approccio è stato sviluppato considerando le principali caratteristiche strutturali degli archi in muratura e dei fenomeni di danneggiamento di maggiore rilevanza per tale tipo di strutture. Tutti gli approcci proposti sono stati validati attraverso prove sperimentali in laboratorio e in situ.