Modelling and safety assessment of the Santa Maria Maddalena Church, Ischia, Italy

Abstract

The church of Santa Maria Maddalena in Casamicciola Terme, Ischia Island, Italy, represents one of the very rare examples of the particular building technique of the Borbonic Baraccato system, one of the earliest engineered earthquake resisting systems developed in Southern Italy between the 18th and 19th Centuries. Its unicity lies on the materials adopted. It presents Neapolitan yellow tuff-masonry walls embraced in iron frames, while the traditional Baraccato system utilizes embedded timber frames in the masonry texture. The church was stroke by the recent earthquake of 21st August, 2017 with epicenter in Casamicciola Terme. Though the moderately high seismic intensity of the event, the post-seismic surveys carried out in the frame of the emergency protocols did not evidence relevant structural damage thanks to the constructive system. The present work aimed at developing a better understanding of the structural behavior of the church. The scope was addressed by developing a three-dimensional numerical Finite Element Model (FEM) in order to assess the structural safety of the building under gravitational and seismic loads performing advanced numerical analyses. The modelling workflow has been guided by the following preliminary tasks which are considered mandatory to rely on the outcomes of the numerical analyses: historic review and definition of the territorial framework in terms of geology and seismicity proneness; geometrical overview of the church and description of the structural elements main features, understanding also the level of knowledge reached for the structural details; description of the observed pre- and post-seismic damage; definition of the modelling strategies to adopt in the numerical model and the material characteristics to use; modal identification of the structure through the post-processing of ambient vibration tests performed under operational conditions; calibration of the numerical model. The execution of preliminary safety assessment of the structure was carried out through the application of nonlinear static analyses to different model versions, capable of describing a possible range of responses of the building under horizontal loads. The numerical models considered for the analyses namely involved the response of the structure under the assumption of a behavior mainly governed by the non-linear response of the masonry walls, discarding the contribution of the Baraccato frames (lower-bound response), conversely a second model was analyzed by taking the response of the frames as infinitely elastic (upper-bound response). The work accomplished the full implementation of the numerical model and the performance of sensitivity analyses based on its response with regards to the uncertainties and the modelling strategies adopted. However, the refinement of the knowledge of structural details, deeper investigation of the influence of different modelling strategies for the Baracccato system, more experimental tests, and the improvement of ambient vibration tests are recommended in the scope of executing non-linear dynamic analyses that could comply with the effective observed post-seismic damage and better define the seismic safety assessment of the church.

A igreja de Santa Maria Madalena em Casamicciola Terme, Ilha de Ischia, Itália, representa um dos exemplos mais raros da singular técnica construtiva do sistema Baraccato de época Borbonica, um dos primeiros sistemas resistentes aos terramotos existentes, desenvolvidos no sul da Itália entre os séculos XVIII e XIX. A sua unicidade está nos materiais adotados. Apresenta paredes de alvenaria napolitanas de tufo amarelo envolvidas por armações de ferro, enquanto o sistema Baraccato tradicional utiliza molduras de madeira embebidas na textura de alvenaria. A igreja foi atingida pelo recente terremoto que aconteceu no dia 21 de agosto 2017 com epicentro em Casamicciola Terme. Apesar da intensidade sísmica moderadamente alta do evento, as inspeções pós-sísmicas realizadas no âmbito dos protocolos de emergência não evidenciaram danos estruturais relevantes devido ao bom funcionamento do sistema construtivo. O presente trabalho teve como objetivo obter uma melhor compreensão do comportamento estrutural da igreja. O tema foi abordado com o desenvolvimento de um modelo numérico aos elementos finitos (FEM) tridimensional para avaliar a segurança estrutural do edifício sob cargas gravitacionais e sísmicas realizando análises numéricas avançadas. O fluxo de trabalho de modelação foi guiado pelos seguintes passos preliminares que são considerados obrigatórios para validar os resultados das análises numéricas: revisão histórica e definição do quadro territorial em termos de geologia e propensão à sismicidade; visão geral geométrica da igreja e descrição das características dos elementos estruturais principais, analisando também o nível de conhecimento alcançado nos detalhes estruturais; descrição dos danos pré e pós-sísmicos observados; definição das estratégias de modelação que tem de ser adotadas no modelo numérico e as características do material utilizadas; identificação modal da estrutura através do pós-processamento de ensaios de vibrações ambientais realizados em condições operacionais; calibração do modelo numérico. A execução da avaliação preliminar de segurança da estrutura foi realizada através da aplicação das análises estáticas não lineares considerando diferentes versões de modelos capazes de descrever uma possível gama de respostas do edifício sob cargas horizontais. Os modelos numéricos considerados para as análises envolviam a resposta da estrutura sob o pressuposto de um comportamento principalmente governado pela resposta não linear das paredes de alvenaria, descartando a contribuição do esqueleto (ou armação) de Baraccato (resposta conservadora), por outro lado um segundo modelo foi analisado tomando a resposta da armação como infinitamente elástica (limite superior da resposta). O trabalho realizou a implementação completa do modelo numérico e o desempenho das análises de sensibilidade baseado na sua resposta em relação às incertezas e às estratégias adotadas durante a fase de modelagem adotadas. No entanto, o refinamento do conhecimento dos detalhes estruturais, a investigação mais profunda da influência de diferentes estratégias de modelação para o sistema Baraccato, mais ensaios experimentais e a melhoria dos ensaios de vibração ambiental são recomendados para a executar análises dinâmicas não lineares que podem validar os danos pós-sísmicos observados e mais bem definir a avaliação da segurança sísmica da igreja.