Earthquake-induced damage assessment in an historical bell-tower based on long-term dynamic monitoring data

Abstract

San Pietro bell tower belongs to a monumental complex of exceptional historical, cultural and artistic value and it is considered one of the landmarks of Perugia. The preservation of this structure has been considered an essential issue over centuries and even more nowadays. For this reason, a permanent vibration-based structural health monitoring (SHM) system able to detect anomalies in the structural behavior by means of statistical process control tools has been installed in the tower. The SHM is based on the continuous identification of the natural frequencies of the bell tower and on the analysis of their variations. Environmental parameters, i.e. temperature and humidity, are monitored as well. The aim of this work is to present the results of the most recent investigations carried out on the monument after 2016-2017 Central Italy earthquakes whose effects were perceived also in Perugia. In particular, visual inspection, Ambient Vibration Test (AVT) and sonic tests were performed. The visual survey allowed verifying the information about the monument and constituted the first step of the in-situ investigation. The objective of AVT was to detect any changes in the dynamic properties of the tower following the earthquakes as well as better characterize its mode shapes by means of a higher number of sensors. Twelve uniaxial piezoelectric accelerometers, placed at four different heights, were used. The results are compared with those of previous dynamic investigations. Sonic tests are carried out on the shaft of the tower in correspondence and their results of the test are used to characterize the materials of the monument. Based on the material and geometrical survey, a Finite Element model of the tower was implemented. Following, a sensitivity analysis is executed with the purpose of evaluating the influence of material properties on numerical outcomes. The results of the sensitivity analysis are used for model calibration. The mechanical parameters of masonry are updated until the dynamic behavior of the model is consistent with the experimental data. Not only the natural frequencies are compared but also the mode shapes by means of the MAC values. The model is calibrated twice, considering the pre- and post- earthquakes conditions. Furthermore, data related to natural frequencies and temperature are presented and the acquiring and processing methodology is described. The correlation between data is studied separately in pre- and post-earthquakes conditions. In particular, the correlation between natural frequencies themselves and between natural frequencies and temperature is investigated. The dependences of the dynamic parameters on the environmental factors is studied by means of AutoRegressive output with an eXogenous input (ARX) models. The comparison of results in pre- and post-earthquakes conditions allows detecting modifications in the structural behavior of the tower.

A torre sineira de San Pietro pertence a um complexo monumental de excepcional valor histórico, cultural e artístico e é considerado um dos pontos de referência de Perugia, Itália. A preservação desta estrutura tem sido considerada uma questão essencial ao longo dos séculos e com mais peso no período atual. Por esta razão, foi instalado na torre um sistema permanente de monitorização da condição estrutural (SHM) baseado em vibrações, capaz de detectar anomalias no comportamento estrutural por meio de ferramentas estatísticas de controlo. O SHM é baseado na identificação contínua das frequências naturais da torre e na análise de suas variações. Os parâmetros ambientais, nomeadamente a temperatura e a humidade, também são monitorizados. O objetivo deste trabalho é apresentar os resultados das investigações mais recentes realizadas no monumento após os recentes sismos no centro de Itália, cujos efeitos foram sentidos também em Perugia. Em particular, foram realizadas inspeções visuais, ensaios de Vibração Ambiental (AVT) e ensaios sónicos. A inspeção visual permitiu verificar a informação sobre o monumento e constituiu o primeiro passo da investigação in-situ. O objetivo da AVT foi detectar qualquer alteração nas propriedades dinâmicas da torre após os sismos, além de caracterizar melhor as suas formas modais através de um maior número de sensores. Foram utilizados doze acelerómetros piezoelétricos uniaxiais colocados a quatro alturas diferentes. Os resultados são comparados com os das investigações dinâmicas anteriores. Os resultados dos ensaios sónicos foram usados para caracterizar os materiais do monumento. Um modelo de elementos finitos da torre foi construído com base no levantamento material e geométrico. A seguir, foi realizada uma análise de sensibilidade com o objetivo de avaliar a influência das propriedades materiais sobre os resultados numéricos. Os resultados da análise de sensibilidade foram utilizados para a calibração do modelo. Os parâmetros mecânicos da alvenaria foram atualizados até que o comportamento dinâmico do modelo ficou consistente com os dados experimentais. Não só foram comparadas as frequências naturais, com também as formas modais por meio coeficientes MAC. Finalmente, o modelo foi calibrado duas vezes, considerando as condições pré e pós-sismos. Os dados de monitorização que relacionam as frequências naturais com as temperaturas foram apresentados, assim como a metodologia de aquisição e processamento de dados. A correlação entre os dados foi estudada separadamente nas condições pré e pós-sismos. Em particular, foram analisadaa a correlação entre as próprias frequências naturais e entre as frequências naturais e a temperatura ambiente. As dependências dos parâmetros dinâmicos nos fatores ambientais foram estudadas por meio de modelos ARX. A comparação dos resultados nas condições pré e pós-sismos permitiu a detecção de modificações no comportamento estrutural da torre.

El campanario de San Pietro pertenece a un complejo monumental de excepcional valor histórico, cultural y artístico y es considerado uno de los edificios emblemáticos de Perugia. La preservación de esta estructura ha sido considerada como una cuestión esencial durante siglos pasados y más aún en la actualidad. Por este motivo, se ha instalado en la torre un sistema permanente de vigilancia de la salud estructural (SHM) capaz de detectar anomalías en el comportamiento estructural mediante herramientas estadísticas de control. El SHM se basa en la identificación continua de las frecuencias naturales del campanario y en el análisis de sus variaciones. También se controlan los parámetros ambientales, es decir, la temperatura y la humedad. El objetivo de este trabajo es presentar los resultados de las investigaciones más recientes realizadas sobre el monumento después de los recientes terremotos en el centro de Italia cuyos efectos se perciben también en Perugia. En particular, se realizaron inspecciones visuales, pruebas de vibración ambiental (AVT) y pruebas sónicas. La inspección visual permitió verificar la información sobre el monumento y constituyó el primer paso de la investigación in situ. El objetivo de AVT fue detectar cualquier cambio en las propiedades dinámicas de la torre después de los terremotos, así como caracterizar mejor sus formas de modo mediante un mayor número de sensores. Se utilizaron doce acelerómetros piezoeléctricos uniaxiales, colocados a cuatro alturas diferentes. Los resultados se comparan con los datos obtenidos de las investigaciones dinámicas anteriores. Los resultados de la prueba sonica se utilizan para caracterizar los materiales del monumento. Se implementó un modelo de elementos finitos de la torre sobre la base del levantamiento material y geométrico, con el cual se realiza un análisis de sensibilidad con el fin de evaluar la influencia de las propiedades de los materiales sobre los resultados numéricos Los resultados del análisis de sensibilidad se utilizan para la calibración del modelo. Los parámetros mecánicos de la mampostería se actualizan hasta que el comportamiento dinámico del modelo sea consistente con los datos experimentales. No sólo se comparan las frecuencias naturales, sino también las formas de modo mediante los valores MAC. El modelo se calibra dos veces, considerando las condiciones pre y post terremotos. Además, se presentan datos relacionados con las frecuencias naturales y la temperatura y se describe la metodología de adquisición y procesamiento. La correlación entre los datos se estudia por separado en condiciones pre y post terremotos. En particular, se investiga la correlación entre las propias frecuencias naturales y entre las frecuencias naturales y la temperatura. Las dependencias de los parámetros dinámicos sobre los factores ambientales se estudian mediante la salida AutoRegressive con modelos de entrada eXógena (ARX). La comparación de los resultados en condiciones pre y post terremotos permite detectar modificaciones en el comportamiento estructural de la torre.

Il campanile di San Pietro fa parte di un complesso monumentale di eccezionale valore storico, culturale e artistico ed è considerato uno dei simboli di Perugia. La sua conservazione è stata una tematica di primaria importanza nei secoli passati e lo è a maggior ragione al giorno d’oggi. Per questo motivo, un sistema permanente di monitoraggio strutturale (SHM) a base vibrazionale è stato installato nella torre. Esso è in grado di rilevare anomalie nel comportamento della struttura mediante strumenti statistici di controllo. Il SHM si basa sulla continua identificazione delle frequenze naturali del campanile e sull'analisi delle loro variazioni. Anche parametri ambientali, quali temperatura e umidità, vengono monitorati. L'obiettivo di questo lavoro è presentare i risultati delle più recenti indagini che sono state condotte sul monumento dopo terremoti dell'Italia Centrale del 2016-2017. In particolare, sono stati effettuati: ispezione visiva, prove ambientali di vibrazione(AVT) e prove soniche. L'ispezione visiva ha permesso di avvalorare le informazioni sul monumento e costituisce il primo passo dell'indagine in situ. Le finalità delle AVT sono molteplici, in particolare individuare eventuali cambiamenti nelle proprietà dinamiche della torre a seguito dei terremoti così come di caratterizzare meglio le sue forme modali con un numero maggiore di sensori. Sono stati impiegati dodici accelerometri piezoelettrici uniassiali, posizionati a quattro diverse altezze. I risultati sono stati confrontati con quelli delle precedenti indagini dinamiche. Per quanto riguarda i test sonici, i risultati sono stati utilizzati per caratterizzare i materiali che del monumento. Sulla base delle suddette indagini si è costruito un modello ad Elementi Finiti della torre. Una volta ottenuto il modello, si è eseguita un’'analisi di sensibilità allo scopo di valutare l'influenza delle proprietà di materiali sui risultati numerici. I risultati dell'analisi di sensibilità sono poi utilizzati per la calibrazione del modello. I parametri meccanici della muratura vengono aggiornati finché il comportamento dinamico del modello non è coerente con i dati sperimentali. Non solo le frequenze naturali vengono confrontate, ma anche le forme modali tramite i valori MAC. Il modello viene calibrato due volte, considerando le condizioni pre- e post-terremoti. Inoltre, vengono presentati i dati relativi a frequenze naturali e a temperature e viene descritta la metodologia di acquisizione e di elaborazione. La correlazione tra i dati viene studiata separatamente prima e dopo lo sciame sismico. In particolare, viene analizzata la correlazione tra frequenze naturali e tra frequenze naturali e temperatura. Le dipendenze dei parametri modali sui fattori ambientali sono studiati per mezzo di modelli “Auto Regressive output with an eXogenous input (ARX)”. Il confronto dei risultati nelle condizioni di pre- e post-terremoti consente di individuare eventuali modifiche nel comportamento strutturale della torre.