Numerical analysis of a gravity retaining wall: the case of Volterra's urban walls.

The present thesis is focused on the study of masonry and takes the cue from a recent collapse occurred in the medieval urban walls of Volterra, a small town in the heart of Tuscany (Italy) the 31st January 2014, due to the heavy rainfall that hit the area during that night. The event offered a valid inspiration for research: as the structure was an ancient retaining wall, in addition to studying the ancient masonry behaviour, it also offered the possibility of assessing its interaction with a saturated soil. The main object of the present thesis was to constitute a numerical model able to describe the behaviour of the collapsed structure and, through the analysis, to understand the causes that led to its collapse. The greatest faced difficulty was the total absence of specific data concerning the mechanical strength features of the masonry. Its chaotic texture and its irregular nature, therefore, necessitated a parametric analysis of the failure, in which the procedure was to vary the parameters that most affect the breaking of such a structure: the maximum tensile strength and the fracture energy. The analyses result made it possible to distinguish the failure mechanisms that occur when these parameters change. Proceeding by comparing the results obtained with the evidence that was found during the collapse, it was possible to identify a possible mechanical features range of the treated retaining wall. It follows that these values, taken with due care according to the assumptions made, can provide a good starting point for any safety analysis of the entire Volterra’s surrounding walls, as they are built both with the same materials and with the same construction techniques. La presente tesi è basata sullo studio e la modellazione della muratura storica e prende le mosse da un recente crollo avvenuto nella cinta muraria medievale della città di Volterra, in Toscana, il 31 gennaio 2014, a seguito delle abbondanti precipitazioni che hanno colpito la zona durante quella notte. L’avvenimento ha offerto un importante spunto di ricerca: trattandosi di un antico muro di sostegno, oltre allo studio del comportamento della muratura antica ha offerto anche la possibilità di valutarne la sua interazione con un terreno saturo. L’oggetto principale della tesi è stato quello di costituire un modello numerico in grado di descrivere il comportamento della struttura crollata e, attraverso una sua analisi, comprenderne le cause che ne hanno portato al collasso. La maggiore difficoltà incontrata è stata la totale assenza di dati specifici riguardanti le caratteristiche meccaniche di resistenza della muratura in oggetto. La tessitura caotica del muro analizzato e la sua natura irregolare hanno reso dunque necessaria un’analisi parametrica del collasso, in cui si è proceduto a far variare i parametri che maggiormente influiscono sulla rottura di una struttura di questo tipo: resistenza massima di trazione ed energia di frattura. I risultati delle analisi hanno permesso di distinguere i tipi di meccanismo di collasso che si verificano al variare di tali parametri. In questo modo, confrontando i risultati ottenuti con le evidenze che si sono riscontrate durante il crollo, è stato possibile individuare un range delle reali possibili caratteristiche meccaniche del muro di sostegno in esame. Ne consegue che tali valori, presi con le dovute accortezze, possono fornire un buon punto di partenza per eventuali analisi di sicurezza dell’intera cinta muraria Volterrana, eretta con gli stessi materiali del muro considerato e con le medesime tecniche costruttive