A modified jointed rock model for masonry in soil-structure interaction problems

Abstract

The preservation of existing buildings regard to interventions that can undermine its stability and structural functionality, for natural or human-made reasons, is a burning topic of concern. This is particularly true in the case of historical and masonry buildings, characterized by a long and delicate interaction with the area in which they are located. In this context, the complex problem of the interaction between historical structures and excavations in the urban environment is increasingly emphasised, the latter being aimed at the construction of underground works such as car parks or metropolitan lines. This context is characterized by numerous and complex problems, the solution of which is necessary for the realization of the work in the strictest respect of the preservation of the constructions interacting with it. With approximate methods, today it is possible to combine more sophisticated methods, based on non-linear Finite Elements numerical analyses performed with specific codes developed in the academic field. The present contribution aims to identify an analysis approach that integrates both structural and geotechnical aspects to predict in a more realistic way the damage induced in historical structures as a consequence of geotechnical works. For this purpose, the Geotechnical Finite Element Code Plaxis 3D was used, in which the masonry behavior was modelled through the modified version of the Jointed Rock Model, already implemented in the code in its original version. This model, initially developed to describe fractured rock mass behavior, was modified in this work to describe the mechanical behavior of masonry structures characterised by a high degree of anisotropy. The comparison with advanced masonry models and experimental tests has demonstrated the reliability of the new developed Jointed Masonry Model to describe masonry response and to grasp the salient aspects of masonry. The opportunity to describe this class of works within a geotechnical code thus allowed two significant masonry structures such as the Nymphaeum of Genazzano, attributed to Bramante, and the Gothic Church of Santa Maria del Mar in Barcelona, were analyzed for the first time in a three-dimensional modelling that took into account their interaction with the ground, describing the latter with advanced constitutive models. For both works, the use of an integrated approach, geotechnical and structural, that takes into account the conditions evolution characterising the individual monument's history during their construction and their lifetime, allowed to understand and reproduce with sufficient degree of accuracy what happened to structures over time. The further aspect investigated with Jointed Masonry Model is, ultimately, the study of parametric analyses carried out to predict the effects induced in masonry structures as a result of a tunnel excavation. Having been able to take into account the three-dimensionality of the problem has enabled to grasp how the mechanisms underlying the historic structure's behaviour are influenced by the displacement field induced by this kind of works.

La salvaguardia dei fabbricati esistenti rispetto ad interventi che possano insidiarne la stabilità e la funzionalità strutturale, per cause naturali o antropiche, è un problema di scottante attualità. Ciò è particolarmente vero nel caso di strutture storiche e monumentali, caratterizzate da una delicata ed estesa nel tempo interazione con l’area nella quale sono insediate. In questo contesto assume crescente rilievo la complessa problematica dell’interazione tra strutture storiche e scavi in ambiente urbano, questi ultimi finalizzati alla realizzazione di opere in sotterraneo quali parcheggi o linee metropolitane. Tale contesto è caratterizzato da numerosi e complessi problemi, la cui soluzione appare necessaria ai fini della realizzazione dell’opera nel massimo rispetto della salvaguardia del costruito interagente con essa. Il presente contributo mira ad individuare un approccio di analisi che integri gli aspetti strutturali e quelli geotecnici allo scopo di prevedere in maniera più realistica il danno indotto in strutture storiche durante la realizzazione di opere geotecniche. A tal fine è stato utilizzato il codice di calcolo geotecnico agli Elementi Finiti tridimensionale Plaxis 3D, in cui la modellazione della struttura è stata affidata alla versione modificata del modello Jointed Rock, già implementato nel codice. Tale modello, nato originariamente per descrivere il comportamento di ammassi rocciosi fratturati, è stato modificato nel presente lavoro al fine di descrivere il comportamento meccanico delle strutture murarie caratterizzate da forte grado di anisotropia. Il confronto effettuato con modelli costitutivi avanzati per le murature e con tests sperimentali, ha dimostrato l’attendibilità del nuovo Jointed Masonry Model nel rappresentare il comportamento della muratura e nel cogliere gli aspetti salienti delle strutture murarie. La possibilità di poter descrivere questa classe di opere all’interno di un codice di calcolo geotecnico ha consentito che due importanti strutture in muratura come il Ninfeo di Genazzano, attribuito a Bramante, e la Chiesa gotica di Santa Maria del Mar a Barcellona, fossero analizzate per la prima volta nell’ambito di una modellazione tridimensionale che tenesse conto della loro interazione con il terreno, descrivendo quest’ultimo con modelli costitutivi avanzati. Per entrambe le opere, l’utilizzo di un approccio integrato, geotecnico e strutturale, che prendesse in considerazione l’evoluzione delle condizioni che hanno caratterizzato la storia dei singoli monumenti durante la loro costruzione e nel corso della loro vita, ha consentito di comprendere e riprodurre con sufficiente grado di accuratezza quanto occorso ai monumenti nel tempo. L’ulteriore aspetto investigato con Jointed Masonry Model si sostanzia, infine, dello svolgimento di analisi parametriche al fine di valutare il danno prodotto su strutture in muratura a causa della realizzazione dello scavo di una galleria. L’aver potuto tenere conto della tridimensionalità del problema ha consentito di comprendere la modalità con cui i meccanismi alla base del comportamento di strutture storiche siano influenzati dal campo di spostamenti indotto dalla realizzazione di questo tipo di opere.