De la caractérisation du mouvement sismique associé à des séismes historiques : étude de Sant’Agata del Mugello en associant archéologie de la construction, génie sismique et sismologie

La déformation accumulée pendant plusieurs centaines (milliers) d'années dans les zones de failles est brusquement relâchée en seulement quelques secondes lorsqu'un séisme se produit. L'étude des séismes anciens à travers différentes échelles de temps est d'une importance capitale pour améliorer l'évaluation de l'aléa sismique. Au cours des dernières décennies des approches alternatives, telles que la sismologie historique, l'archéosismologie et la paléosismologie ont été développées pour chercher des sources d'informations. Parmi elles, les bâtiments historiques, tels des "sismomètres de pierre" peuvent être utilisés pour témoigner de cette sismicité passée qu'ils ont enregistrée dans leurs murs sous forme de dégâts ou de réparations. Je propose une méthodologie innovante reliant l'archéologie de la construction, la sismologie et le génie sismique afin de démontrer que la caractérisation archéologique des réparations post-sismiques sur les bâtiments historiques peut permettre de déduire les principales caractéristiques du mouvement sismique. Cette méthodologie est développée autour du cas de l'église médiévale de Sant'Agata del Mugello, un site exceptionnel dont les dommages et les réparations induits par les séismes sont décrits par de nombreuses sources historiques. Le site est situé dans le bassin du Mugello (Apennin central, Italie, Toscane), caractérisé par une sismicité modérée. Les plus grands événements connus se sont produits en 1542 (Mw ~ 6) et 1919 (Mw ~ 6.3). Nous commençons par retracer l'histoire sismique de l'église en combinant une analyse stratigraphique du bâtiment avec une étude approfondie des textes historiques. Un modèle de CAO est conçu à partir d'un relevé géométrique issu d'une campagne de scanner laser. Un modèle de CAO de l'église avant et après chaque séisme historique est ensuite extrapolé à partir du modèle de l'église actuelle et de son histoire constructive. Un code de maillage ad hoc a été développé pour générer un maillage aux éléments finis à partir du modèle de CAO. Deux campagnes de vibrations ambiantes ont été menées dans l'église de Sant'Agata. 8 modes de vibration (fréquence propre, déformée modale et amortissement) sont estimés. Un processus d'optimisation des paramètres modaux, permet de calibrer le modèle numérique de l'église dans sa partie linéaire. Un modèle d'endommagement continu est utilisé pour identifier la limite du modèle linéaire de l'église. Je me concentre ensuite sur l'étude du séisme historique de 1919 qui n'a pas causé de dommages. Une collection de mouvements sismiques compatibles avec le contexte sismotectonique est sélectionnée, corrigée et est utilisée pour simuler le modèle numérique linéaire calibré de l'église. Je présente des résultats préliminaires pour discuter des caractéristiques du mouvement sismique associé au séisme historique de 1919.A fault is charged during (hundred-) thousand years, then the accumulated elastic energy is released in few seconds when an earthquake occurs. To correctly assess seismic hazard it is of capital importance to study the seismic history. Over the last decades alternative approaches such as historical seismology, archaeoseismology and paleoseismology have been developped chasing alternative sources of information. Among them, historical buildings witnessed ancient earthquakes as “stone seismometers” recorded in their walls as structural disorders and repairs. I develop an innovative methodology connecting building archaeology, seismology and earthquake engineering. I aim to show that archaeological characterization of post-seismic repairs on historical buildings can successfully infer key ground motion characteristics of historical earthquakes. The test case is the medieval church of Sant’Agata del Mugello, an exceptional site with many historical sources describing the damages induced by past earthquakes, and their renovation. The site is located in the Mugello basin (Central Apennines, Italy, Tuscany), characterized by a moderate seismicity. The largest known events occurred in 1542 (Mw~6) and 1919 (Mw~6.3). I first trace the seismic history of the church by combing a stratigraphic analysis of the buidling with an in-depth study of historical texts. A CAD-based model of the current church is designed from a laser scanner survey. A CAD-model of the church before and after each historical earthquake is then extrapolated from the current church and its deduced constructive history. I have developed an textit{ad hoc} meshing code to generate a finite element mesh from the CAD-based model. We perform two ambient vibration testing surveys in the church. 8 modes of vibration (natural frequency, modal shapes and damping ratio) are estimated. A Vibration-Based model updating based on the identified experimental parameters and the constructive history of the church allows to calibrate the numerical model of the church in its linear part. A continuum damage model is used to identify the limit of the linear model of the church. I then focus on the study of the 1919 non damaging earthquake. A collection of waveforms compatible with the seismotectonic context is selected, corrected, and used to simulate the updated linear digital model of the church. I show preliminary results to discuss the ground motion characteristics of the 1919 earthquake

De la caractérisation du mouvement sismique associé à des séismes historiques : étude de Sant’Agata del Mugello en associant archéologie de la construction, génie sismique et sismologie

A fault is charged during (hundred-) thousand years, then the accumulated elastic energy is released in few seconds when an earthquake occurs. To correctly assess seismic hazard it is of capital importance to study the seismic history. Over the last decades alternative approaches such as historical seismology, archaeoseismology and paleoseismology have been developped chasing alternative sources of information. Among them, historical buildings witnessed ancient earthquakes as “stone seismometers” recorded in their walls as structural disorders and repairs. I develop an innovative methodology connecting building archaeology, seismology and earthquake engineering. I aim to show that archaeological characterization of post-seismic repairs on historical buildings can successfully infer key ground motion characteristics of historical earthquakes. The test case is the medieval church of Sant’Agata del Mugello, an exceptional site with many historical sources describing the damages induced by past earthquakes, and their renovation. The site is located in the Mugello basin (Central Apennines, Italy, Tuscany), characterized by a moderate seismicity. The largest known events occurred in 1542 (Mw~6) and 1919 (Mw~6.3). I first trace the seismic history of the church by combing a stratigraphic analysis of the buidling with an in-depth study of historical texts. A CAD-based model of the current church is designed from a laser scanner survey. A CAD-model of the church before and after each historical earthquake is then extrapolated from the current church and its deduced constructive history. I have developed an textit{ad hoc} meshing code to generate a finite element mesh from the CAD-based model. We perform two ambient vibration testing surveys in the church. 8 modes of vibration (natural frequency, modal shapes and damping ratio) are estimated. A Vibration-Based model updating based on the identified experimental parameters and the constructive history of the church allows to calibrate the numerical model of the church in its linear part. A continuum damage model is used to identify the limit of the linear model of the church. I then focus on the study of the 1919 non damaging earthquake. A collection of waveforms compatible with the seismotectonic context is selected, corrected, and used to simulate the updated linear digital model of the church. I show preliminary results to discuss the ground motion characteristics of the 1919 earthquake.La déformation accumulée pendant plusieurs centaines (milliers) d'années dans les zones de failles est brusquement relâchée en seulement quelques secondes lorsqu'un séisme se produit. L'étude des séismes anciens à travers différentes échelles de temps est d'une importance capitale pour améliorer l'évaluation de l'aléa sismique. Au cours des dernières décennies des approches alternatives, telles que la sismologie historique, l'archéosismologie et la paléosismologie ont été développées pour chercher des sources d'informations. Parmi elles, les bâtiments historiques, tels des "sismomètres de pierre" peuvent être utilisés pour témoigner de cette sismicité passée qu'ils ont enregistrée dans leurs murs sous forme de dégâts ou de réparations. Je propose une méthodologie innovante reliant l'archéologie de la construction, la sismologie et le génie sismique afin de démontrer que la caractérisation archéologique des réparations post-sismiques sur les bâtiments historiques peut permettre de déduire les principales caractéristiques du mouvement sismique. Cette méthodologie est développée autour du cas de l'église médiévale de Sant'Agata del Mugello, un site exceptionnel dont les dommages et les réparations induits par les séismes sont décrits par de nombreuses sources historiques. Le site est situé dans le bassin du Mugello (Apennin central, Italie, Toscane), caractérisé par une sismicité modérée. Les plus grands événements connus se sont produits en 1542 (Mw ~ 6) et 1919 (Mw ~ 6.3). Nous commençons par retracer l'histoire sismique de l'église en combinant une analyse stratigraphique du bâtiment avec une étude approfondie des textes historiques. Un modèle de CAO est conçu à partir d'un relevé géométrique issu d'une campagne de scanner laser. Un modèle de CAO de l'église avant et après chaque séisme historique est ensuite extrapolé à partir du modèle de l'église actuelle et de son histoire constructive. Un code de maillage ad hoc a été développé pour générer un maillage aux éléments finis à partir du modèle de CAO. Deux campagnes de vibrations ambiantes ont été menées dans l'église de Sant'Agata. 8 modes de vibration (fréquence propre, déformée modale et amortissement) sont estimés. Un processus d'optimisation des paramètres modaux, permet de calibrer le modèle numérique de l'église dans sa partie linéaire. Un modèle d'endommagement continu est utilisé pour identifier la limite du modèle linéaire de l'église. Je me concentre ensuite sur l'étude du séisme historique de 1919 qui n'a pas causé de dommages. Une collection de mouvements sismiques compatibles avec le contexte sismotectonique est sélectionnée, corrigée et est utilisée pour simuler le modèle numérique linéaire calibré de l'église. Je présente des résultats préliminaires pour discuter des caractéristiques du mouvement sismique associé au séisme historique de 1919

De la caractérisation du mouvement sismique associé à des séismes historiques. Etude de Sant’Agata del Mugello en associant archéologie de la construction, génie sismique et sismologie.

A fault is charged during (hundred-) thousand years, then the accumulated elastic energy is released in few secondswhen an earthquake occurs. To correctly assess seismic hazard it is of capital importance to study the seismic history.Over the last decades approaches such as historical seismology, archaeoseismology and paleoseismology have beendevelopped chasing alternative sources of information. Among them, historical buildings witnessed ancient earthquakesas “stone seismometers” recorded in their walls as structural disorders and repairs. I develop an innovative methodologyconnecting building archaeology, seismology and earthquake engineering. I aim to show that archaeological characteri-zation of post-seismic repairs on historical buildings can successfully infer key ground motion characteristics of historicalearthquakes. The test case is the medieval church of Sant’Agata del Mugello, an exceptional site with many historicalsources describing the damages induced by past earthquakes, and their renovation. The site is located in the Mugellobasin (Central Apennines, Italy, Tuscany), characterized by a moderate seismicity. The largest known events occurredin 1542 (Mw 6) and 1919 (Mw 6.3). I first trace the seismic history of the church by combing a stratigraphic analysisof the buidling with an in-depth study of historical texts. A CAD-based model of the current church is designed from alaser scanner survey. A CAD-model of the church before and after each historical earthquake is then extrapolated fromthe current church and its deduced constructive history. I have developed an ad hoc meshing code to generate a finiteelement mesh from the CAD-based model. We perform two ambient vibration testing survey in the church. 8 modes ofvibration (natural frequency, modal shapes and damping ratio) are estimated. A Vibration-Based model updating basedon the identified experimental parameters and the constructive history of the church allows to calibrate the numericalmodel of the church in its linear part. A continuum damage model is used to identify the limit of the linear model of thechurch. I then focus on the study of the 1919 non damaging earthquake. A collection of waveforms compatible with theseismotectonic context is selected, corrected, and used to solicit the updated linear digital model of the church. I showpreliminary results to discuss the ground motion characteristics of the 1919 earthquake.La déformation accumulée pendant plusieurs centaines (milliers) d’années dans les zones de failles est brusquementrelâchée en seulement quelques secondes lorsqu’un séisme se produit. L’étude des séismes anciens à travers dif-férentes échelles de temps est d’une importance capitale pour améliorer l’évaluation de l’aléa sismique. Au cours desdernières décennies des approches, telles que la sismologie historique, l’archéosismologie et la paléosismologie ontété développées pour chercher diverses sources d’informations. Parmi elles, les bâtiments historiques, tels des "sis-momètres de pierre" peuvent être utilisés pour témoigner de cette sismicité passée qu’ils ont enregistrée dans leursmurs sous forme de dégâts ou de réparations. Je propose une méthodologie innovante reliant l’archéologie de la con-struction, la sismologie et le génie sismique afin de démontrer que la caractérisation archéologique des réparationspost-sismiques sur les bâtiments historiques peut permettre de déduire les principales caractéristiques du mouvementsismique. Cette méthodologie est développée autour du cas de l’église médiévale de Sant’Agata del Mugello, un siteexceptionnel dont les dommages et les réparations induits par les séismes sont décrits par de nombreuses sourceshistoriques. Le site est situé dans le bassin du Mugello (Apennin central, Italie, Toscane), caractérisé par une sismicitémodérée. Les plus grands événements connus se sont produits en 1542 (Mw∼6) et 1919 (Mw∼6.3). Nous commençonspar retracer l’histoire sismique de l’église en combinant une analyse stratigraphique du bâtiment avec une étude appro-fondie des textes historiques. Un modèle de CAO est conçu à partir d’un relevé géométrique issu d’une campagne descanner laser. Un modèle de CAO de l’église avant et après chaque séisme historique est ensuite extrapolé à partir dumodèle de l’église actuelle et de son histoire constructive. Un code de maillage ad hoc a été développé pour générerun maillage aux éléments finis à partir du modèle de CAO. Deux campagnes de vibrations ambiantes ont été menéesdans l’église de Sant’Agata. 8 modes de vibration (fréquence propre, déformée modale et amortissement) sont estimés.Un processus d’optimisation des paramètres modaux, permet de calibrer le modèle numérique de l’église dans sa partielinéaire. Un modèle d’endommagement continu est utilisé pour identifier la limite du modèle linéaire de l’église. Je meconcentre ensuite sur l’étude du séisme historique de 1919 qui n’a pas causé de dommages. Une collection de mouve-ments sismiques compatibles avec le contexte sismotectonique est sélectionnée, corrigée et est utilisée pour solliciter lemodèle numérique linéaire calibré de l’église. Je présente des résultats préliminaires pour discuter des caractéristiquesdu mouvement sismique associé au séisme historique de 1919

De la caractérisation du mouvement sismique associé à des séismes historiques : étude de Sant’Agata del Mugello en associant archéologie de la construction, génie sismique et sismologie

A fault is charged during (hundred-) thousand years, then the accumulated elastic energy is released in few seconds when an earthquake occurs. To correctly assess seismic hazard it is of capital importance to study the seismic history. Over the last decades alternative approaches such as historical seismology, archaeoseismology and paleoseismology have been developped chasing alternative sources of information. Among them, historical buildings witnessed ancient earthquakes as “stone seismometers” recorded in their walls as structural disorders and repairs. I develop an innovative methodology connecting building archaeology, seismology and earthquake engineering. I aim to show that archaeological characterization of post-seismic repairs on historical buildings can successfully infer key ground motion characteristics of historical earthquakes. The test case is the medieval church of Sant’Agata del Mugello, an exceptional site with many historical sources describing the damages induced by past earthquakes, and their renovation. The site is located in the Mugello basin (Central Apennines, Italy, Tuscany), characterized by a moderate seismicity. The largest known events occurred in 1542 (Mw~6) and 1919 (Mw~6.3). I first trace the seismic history of the church by combing a stratigraphic analysis of the buidling with an in-depth study of historical texts. A CAD-based model of the current church is designed from a laser scanner survey. A CAD-model of the church before and after each historical earthquake is then extrapolated from the current church and its deduced constructive history. I have developed an textit{ad hoc} meshing code to generate a finite element mesh from the CAD-based model. We perform two ambient vibration testing surveys in the church. 8 modes of vibration (natural frequency, modal shapes and damping ratio) are estimated. A Vibration-Based model updating based on the identified experimental parameters and the constructive history of the church allows to calibrate the numerical model of the church in its linear part. A continuum damage model is used to identify the limit of the linear model of the church. I then focus on the study of the 1919 non damaging earthquake. A collection of waveforms compatible with the seismotectonic context is selected, corrected, and used to simulate the updated linear digital model of the church. I show preliminary results to discuss the ground motion characteristics of the 1919 earthquake.La déformation accumulée pendant plusieurs centaines (milliers) d'années dans les zones de failles est brusquement relâchée en seulement quelques secondes lorsqu'un séisme se produit. L'étude des séismes anciens à travers différentes échelles de temps est d'une importance capitale pour améliorer l'évaluation de l'aléa sismique. Au cours des dernières décennies des approches alternatives, telles que la sismologie historique, l'archéosismologie et la paléosismologie ont été développées pour chercher des sources d'informations. Parmi elles, les bâtiments historiques, tels des "sismomètres de pierre" peuvent être utilisés pour témoigner de cette sismicité passée qu'ils ont enregistrée dans leurs murs sous forme de dégâts ou de réparations. Je propose une méthodologie innovante reliant l'archéologie de la construction, la sismologie et le génie sismique afin de démontrer que la caractérisation archéologique des réparations post-sismiques sur les bâtiments historiques peut permettre de déduire les principales caractéristiques du mouvement sismique. Cette méthodologie est développée autour du cas de l'église médiévale de Sant'Agata del Mugello, un site exceptionnel dont les dommages et les réparations induits par les séismes sont décrits par de nombreuses sources historiques. Le site est situé dans le bassin du Mugello (Apennin central, Italie, Toscane), caractérisé par une sismicité modérée. Les plus grands événements connus se sont produits en 1542 (Mw ~ 6) et 1919 (Mw ~ 6.3). Nous commençons par retracer l'histoire sismique de l'église en combinant une analyse stratigraphique du bâtiment avec une étude approfondie des textes historiques. Un modèle de CAO est conçu à partir d'un relevé géométrique issu d'une campagne de scanner laser. Un modèle de CAO de l'église avant et après chaque séisme historique est ensuite extrapolé à partir du modèle de l'église actuelle et de son histoire constructive. Un code de maillage ad hoc a été développé pour générer un maillage aux éléments finis à partir du modèle de CAO. Deux campagnes de vibrations ambiantes ont été menées dans l'église de Sant'Agata. 8 modes de vibration (fréquence propre, déformée modale et amortissement) sont estimés. Un processus d'optimisation des paramètres modaux, permet de calibrer le modèle numérique de l'église dans sa partie linéaire. Un modèle d'endommagement continu est utilisé pour identifier la limite du modèle linéaire de l'église. Je me concentre ensuite sur l'étude du séisme historique de 1919 qui n'a pas causé de dommages. Une collection de mouvements sismiques compatibles avec le contexte sismotectonique est sélectionnée, corrigée et est utilisée pour simuler le modèle numérique linéaire calibré de l'église. Je présente des résultats préliminaires pour discuter des caractéristiques du mouvement sismique associé au séisme historique de 1919

De la caractérisation du mouvement sismique associé à des séismes historiques. Etude de Sant’Agata del Mugello en associant archéologie de la construction, génie sismique et sismologie.

A fault is charged during (hundred-) thousand years, then the accumulated elastic energy is released in few secondswhen an earthquake occurs. To correctly assess seismic hazard it is of capital importance to study the seismic history.Over the last decades approaches such as historical seismology, archaeoseismology and paleoseismology have beendevelopped chasing alternative sources of information. Among them, historical buildings witnessed ancient earthquakesas “stone seismometers” recorded in their walls as structural disorders and repairs. I develop an innovative methodologyconnecting building archaeology, seismology and earthquake engineering. I aim to show that archaeological characteri-zation of post-seismic repairs on historical buildings can successfully infer key ground motion characteristics of historicalearthquakes. The test case is the medieval church of Sant’Agata del Mugello, an exceptional site with many historicalsources describing the damages induced by past earthquakes, and their renovation. The site is located in the Mugellobasin (Central Apennines, Italy, Tuscany), characterized by a moderate seismicity. The largest known events occurredin 1542 (Mw 6) and 1919 (Mw 6.3). I first trace the seismic history of the church by combing a stratigraphic analysisof the buidling with an in-depth study of historical texts. A CAD-based model of the current church is designed from alaser scanner survey. A CAD-model of the church before and after each historical earthquake is then extrapolated fromthe current church and its deduced constructive history. I have developed an ad hoc meshing code to generate a finiteelement mesh from the CAD-based model. We perform two ambient vibration testing survey in the church. 8 modes ofvibration (natural frequency, modal shapes and damping ratio) are estimated. A Vibration-Based model updating basedon the identified experimental parameters and the constructive history of the church allows to calibrate the numericalmodel of the church in its linear part. A continuum damage model is used to identify the limit of the linear model of thechurch. I then focus on the study of the 1919 non damaging earthquake. A collection of waveforms compatible with theseismotectonic context is selected, corrected, and used to solicit the updated linear digital model of the church. I showpreliminary results to discuss the ground motion characteristics of the 1919 earthquake.La déformation accumulée pendant plusieurs centaines (milliers) d’années dans les zones de failles est brusquementrelâchée en seulement quelques secondes lorsqu’un séisme se produit. L’étude des séismes anciens à travers dif-férentes échelles de temps est d’une importance capitale pour améliorer l’évaluation de l’aléa sismique. Au cours desdernières décennies des approches, telles que la sismologie historique, l’archéosismologie et la paléosismologie ontété développées pour chercher diverses sources d’informations. Parmi elles, les bâtiments historiques, tels des "sis-momètres de pierre" peuvent être utilisés pour témoigner de cette sismicité passée qu’ils ont enregistrée dans leursmurs sous forme de dégâts ou de réparations. Je propose une méthodologie innovante reliant l’archéologie de la con-struction, la sismologie et le génie sismique afin de démontrer que la caractérisation archéologique des réparationspost-sismiques sur les bâtiments historiques peut permettre de déduire les principales caractéristiques du mouvementsismique. Cette méthodologie est développée autour du cas de l’église médiévale de Sant’Agata del Mugello, un siteexceptionnel dont les dommages et les réparations induits par les séismes sont décrits par de nombreuses sourceshistoriques. Le site est situé dans le bassin du Mugello (Apennin central, Italie, Toscane), caractérisé par une sismicitémodérée. Les plus grands événements connus se sont produits en 1542 (Mw∼6) et 1919 (Mw∼6.3). Nous commençonspar retracer l’histoire sismique de l’église en combinant une analyse stratigraphique du bâtiment avec une étude appro-fondie des textes historiques. Un modèle de CAO est conçu à partir d’un relevé géométrique issu d’une campagne descanner laser. Un modèle de CAO de l’église avant et après chaque séisme historique est ensuite extrapolé à partir dumodèle de l’église actuelle et de son histoire constructive. Un code de maillage ad hoc a été développé pour générerun maillage aux éléments finis à partir du modèle de CAO. Deux campagnes de vibrations ambiantes ont été menéesdans l’église de Sant’Agata. 8 modes de vibration (fréquence propre, déformée modale et amortissement) sont estimés.Un processus d’optimisation des paramètres modaux, permet de calibrer le modèle numérique de l’église dans sa partielinéaire. Un modèle d’endommagement continu est utilisé pour identifier la limite du modèle linéaire de l’église. Je meconcentre ensuite sur l’étude du séisme historique de 1919 qui n’a pas causé de dommages. Une collection de mouve-ments sismiques compatibles avec le contexte sismotectonique est sélectionnée, corrigée et est utilisée pour solliciter lemodèle numérique linéaire calibré de l’église. Je présente des résultats préliminaires pour discuter des caractéristiquesdu mouvement sismique associé au séisme historique de 1919

Rectangular blocks vs polygonal walls in archaeoseismology

Collapsed or deformed walls in ancient structures constitute important evidence in archaeoseismology, where damage is interpreted in terms of earthquake ground motion. A large variety of wall types have been developed during the millennia in different cultural backgrounds. Often walls with polygonal-shaped building blocks are regarded as more earthquake-resistant than a wall consisting of rectangular elements and, as is sometimes speculated, that the irregular wall types were intentionally developed for that purpose. We use simply structured discrete element models of four walls with different block geometries, perfect rectangular, an Inca-type structure and two polygonal designs, to test their dynamic behavior. In addition to an analytic calculation of ground motion, we use measured strong motion signals as boundary conditions for the 3D wall models with varying height to width ratios. At peak ground accelerations between 1.0 and 9.0 m/s(2) and major frequencies of 0.5 to 3 Hz, numeric experiments with the horizontally applied analytic ground motions result in clear differences in the resistance of the four wall types with the rectangular block wall being most vulnerable. For more complex measured 3D motions the Inca-type wall proves more stable than the rectangular block wall; however, height to width ratio still has equally strong influence on the stability. Internal deformation of non-collapsed walls shows some correlation with the parameters of the driving motion. For simple impulsive ground motions, a peak ground displacement threshold exists between toppling and remaining upright for all four models but peak acceleration cannot be reliably back calculated

Mettre en évidence l'impact de l'histoire de la construction d'un bâtiment du patrimoine culturel grâce à un modèle aux éléments finis calibré à partir de mesures vibratoires via une une optimisation par essaims particulaires

International audienceNumerical models play a primary role in Cultural Heritage preservation. Nevertheless, the design of a realistic model remains challenging due not only to the complex behavior of masonry but also to the asynchronous building phases, the damage induced by natural and anthropic aggression, and the associated repairs. This paper discusses the impact of the information provided by an in-depth analysis of the construction history on the updating process of a Finite Element building model. The case study is the church of Sant'Agata del Mugello (Italy); for this building, a previous historical-archaeological study identified and recorded the asynchronous construction phases, the repair techniques, and the damage induced by three historical earthquakes (1542, 1611, and 1919)—moreover, a dense ambient vibration survey allowed to identify the modal parameters. The information from previous works is summarized in five Finite Element models with increasing complexity. A vibration-based model updating methodology based on a Particle Swarm Algorithm is developed. This work shows that the best minimization of the difference between the numerical and experimental modal parameters is obtained with the numerical model considering the identified construction techniques, repair phases, and connection relations between the bell tower and the nave

High resolution operational modal analysis of Sant’Agata del Mugello in light of its building history

International audienceThe building history of a cultural heritage building and the after-effects induced by extreme loads such as earthquakes have a durable impact on its modal parameters. This article aims to discuss the peculiarities of some modal parameters extracted from ambient vibration measurements in light of the complex history of Sant’Agata del Mugello. The Romanesque church located in the Mugello basin (Tuscany, Italy) suffered from many earthquakes, at least from 1542. In this context, we carried out two dense ambient vibration campaigns in March and June 2019. We extracted each mode’s natural frequency, mode shape, and damping using the Enhanced Frequency Domain Decomposition. We identified ten modes. Some modes highlight structural singularities related to the building history of the church: rocking of the base of the bell tower; phase opposition between the bell tower and the nave; bending of the walls of the nave. Since the instrumentation benefited from a vast number of recording positions (83), we tested the impact of the sensor placement strategy on the resolution of the identified modal parameters in the specific case of Sant’Agata del Mugello. The resolution of the higher-order modes decreases strongly in case of degraded sensor placement strategy impacting the dynamic analysis of the church

Tracing the seismic history of Sant’Agata del Mugello (Italy, Tuscany) through a cross-disciplinary approach

International audienceHistorical seismicity is mainly defined from historical sources which are not always available. Yet historical buildings are a unique opportunity to record and study effects of past earthquakes at a given place. An innovative methodology is defined to improve knowledge of local historical seismicity. Such a methodology is based on an interdisciplinary approach combining: analysis of historical sources, stratigraphic analysis and structural analysis of an historical building. The church of Sant’Agata del Mugello (Italy, Tuscany) is considered as a case of study. The stratigraphic analysis is performed by identifying the repairs using the RECAP methodology. 80 repairs units using 13 building techniques are identified in the church. The identified repairs are associated with unknown events, earthquakes or routine reconstructions. When post-earthquake reconstructions are found, damage mechanisms are associated with them. 13 constructive phases of the church have been traced combining stratigraphic analysis and historical sources. A proto-church was built before 948 A.D. and is nowadays below the current one. The first phase of the current church appears between the 9th and the 12th century. A significant event of unknown origin occurred during the 12th century which probably led to an important collapse and then a significant reconstruction of the church. The church is then deeply affected by the 1542 seismic event (epicentral macroseismic intensity 9, deduced magnitude 6.02) which resulted in the collapse of the upper part of the bell tower and the two lateral chapels as well as the overturning of the front wall and of the two lateral walls of the nave. The 1611 seismic event (epicentral macroseismic intensity 7, deduced magnitude 5.1) damaged the upper part of the bell tower as described in historical records. In spite of the confirmed occurrence of seismic events in the area from the middle of the 17th century and the beginning of the 20th century, no information relating seismic damage of the church has been found in historical records nor in the startigraphic analysis. The most important earthquake which struck the area on June 19th, 1919, produced only some small cracks in the church (magnitude 6.38)

An Open Database to Evaluate the Fundamental Frequency of Historical Masonry Towers through Empirical and Physics-Based Formulations

International audienceThe fundamental frequency plays a primary role in the dynamic assessment of Cultural Heritage towers. Local and global features may impact its value: geometric, material features, interaction with the soil and adjacent buildings, aging, the construction phase, and repairs. A database is assembled to study the relationship between the fundamental frequency and the slender masonry structure features. Empirical and physics-based approaches were developed to assess the fundamental frequency from different sources of information. A Rayleigh–Ritz approach is proposed and compared with a 3D finite element model. A sensitivity analysis is then performed to quantify the contribution of each feature. As expected, it is shown that the height of the tower contributes the most to the fundamental frequency. The other tower features have a second-order impact on both the fundamental frequency and the mode shape. A comparison between the different approaches shows that the Rayleigh–Ritz drastically minimizes the difference between numerical and experimental frequencies when all information is available. Empirical relations are a good compromise when less information is available