Evaluation of seismic Vulnerability and Strengthening of heritage Buildings. Case Study: The Giralda of Seville

• Autores: Emilio Romero Sánchez
• Directores de la Tesis: Antonio Morales Esteban (dir. tes.), Jaime Navarro Casas (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2024
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 143
• Títulos paralelos:
  • Evaluación de la vulnerabilidad sísmica y refuerzo de edificios patrimoniales. Caso de estudio: la Giralda de Sevilla
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen
  • español

    La conservación del patrimonio cultural es un tema actual y desafiante para el desarrollo sostenible de los países. En el caso de la Unión Europea, este es un desafío importante por su riqueza y diversidad. Por lo tanto, las autoridades regionales y locales de los estados miembros de la UE están comprometidas a salvaguardar y mejorar el dicho patrimonio de Europa a través de políticas y programas. Históricamente, el patrimonio cultural mundial ha sido seriamente dañado por desastres naturales. Debido a esto, se ha acentuado la evaluación del impacto que los desastres naturales pueden tener sobre los mismos. En caso de terremoto, es crucial aumentar la resiliencia de estos edificios y minimizar el tiempo y coste de su posterior recuperación. El patrimonio cultural tiene un gran impacto en la identidad, el crecimiento económico y el desarrollo cultural de nuestras ciudades. Este es el caso de Sevilla, donde este patrimonio tiene una gran relevancia. En este sentido, la Torre de la Giralda de la Catedral de Sevilla es su edificio más representativo y su símbolo de identidad. Fue declarada Patrimonio de la Humanidad por la UNESCO debido a su gran valor patrimonial. La Giralda fue construida en 1384 como alminar de la mezquita mayor de Sevilla. Sin embargo, la torre ha experimentado diferentes fases de construcción a lo largo de su historia. Una de las modificaciones más relevantes fue la adición del campanario renacentista diseñado por el arquitecto Hernán Ruíz. Además, ha sufrido los efectos de varios terremotos históricos. La presente tesis tiene como objetivo mejorar la resiliencia del patrimonio cultural a través del análisis del comportamiento sísmico de los edificios patrimoniales y su posterior refuerzo. Para lograr este objetivo, el estudio se centra en evaluar la vulnerabilidad sísmica de la Giralda de Sevilla. Se han identificado los mecanismos de fallo y los daños que podría sufrir el edificio en caso de un terremoto. Cabe destacar, que la novedad de la propuesta radica en realizar un análisis preciso considerando simultáneamente el tipo de suelo, la cimentación y la estructura. Además, se han evaluado algunas soluciones de refuerzo sísmico, las cuales se pueden integrar en las futuras actividades de conservación del edificio. En primer lugar, se han evaluado los asientos históricos de la torre. Se ha llevado a cabo una exhaustiva caracterización de la cimentación y su modelo geotécnico. Para ello, se han desarrollado modelos de elementos finitos en 2D y 3D, considerando las diferentes fases constructivas, cargas, el tiempo de ejecución y la consolidación entre fases. Tras ello, se ha descubierto que la inclinación hacia el sureste ha sido causada posiblemente por los estratos más gruesos y blandos debajo de esta esquina, lo que ha provocado un asiento diferencial. A continuación, se desarrolló un FEM 3D preciso de la estructura. En este contexto, se ha aplicado un proceso de calibración y análisis de sensibilidad para calibrar el modelo numérico. Se han realizado análisis estáticos y dinámicos no lineales para evaluar el comportamiento sísmico de la torre. En base a estos resultados, se ha evaluado la seguridad sísmica de la torre. Para el desarrollo de los análisis dinámicos, se han seleccionado accelerogramas reales para diferentes periodos de retorno. Posteriormente, se ha llevado a cabo una evaluación exhaustiva del suelo, la cimentación y la estructura para desarrollar un modelo 3D FEM complejo. Los resultados numéricos resaltaron un impacto significativo del suelo en el comportamiento sísmico de la torre campanario, amplificando la aceleración y el daño en los cuerpos superiores del remate renacentista. Finalmente, varios métodos de refuerzo se han analizado numéricamente, comparándolos con los resultados de ensayos cíclicos realizados en laboratorio. Se han obtenido los parámetros mecánicos actualizados de los materiales, considerando las técnicas de refuerzo. Los parámetros obtenidos podrán ser aplicados al modelo numérico de la torre.

  • English

    The preservation of the cultural heritage is a current and challenging issue for the sustainable development of countries. In the case of the European Union (EU), this is an important challenge due to its richness and diversity. Therefore, regional and local authorities of the EU member states are committed to safeguarding and enhancing Europe’s cultural heritage through policies and programmes. Historically, the world´s cultural heritage has been seriously damaged by natural disasters. Due to that, the evaluation of the impact that natural disasters can have on that has been emphasized. In case of an earthquake, it is crucial to increase the resistance of these buildings and to minimize the time and cost of its subsequent recovery. The cultural heritage has a great impact in the identity, the economic growth and the cultural development in our cities. This is the case of Seville, where the cultural heritage has a great relevance. The Giralda tower of the Cathedral of Seville is its most representative building and its identity symbol. It has been declared as a Word Heritage Site by UNESCO due to its patrimonial value. The Giralda was constructed in 1384 as the Minaret of the major mosque of Seville. However, it has undergone different construction phases over time. One of the most relevant modifications was de addition of the Renaissance belfry designed by the architect Hernán Ruíz. In addition, it has suffered the effect of several historical earthquakes. This thesis aims to enhance the resilience of cultural heritage through by analysing the seismic behaviour of heritage buildings and their subsequent reinforcement. To achieve this goal, the study focuses on assessing the seismic vulnerability of the Giralda of Seville. The failure mechanisms and potential damage that the building could suffer in the event of an earthquake have been identified. Notably, the novelty of the proposal lies in conducting an accurate analysis that simultaneously considers the type of soil, the foundation and the structure. Furthermore, it should be noted that some seismic retrofitting solutions have been assessed. These can then be integrated into the future building’s conservation activities. To do so, first, the historical settlements of the tower has been assessed. A detailed characterisation of the foundation and its geotechnical model has been carried out. Both 2D and 3D Finite Elements Model (FEM) has been developed to analyse the settlements, considering the different construction phases, the loads, the time of execution and consolidation between phases. Therefore, the author has found that the tilt to the south-east direction has possibly been caused by the thicker, soft strata under this corner, resulting in differential settlement in this direction. Next, an accurate 3D FEM of the structure has been performed. In this context, a calibration and sensitivity analysis process have been applied to update the numerical model. Nonlinear static and dynamic analyses have been conducted to assess the seismic behaviour of the tower. The seismic safety of the tower has been evaluated based on these results. Real ground motions have been selected for different return periods to perform the dynamic analyses. Subsequently, a comprehensive evaluation of the soil, the foundation and the structure has been carried out to develop a complex 3D FEM. Numerical result highlighted the significant impact of soil on the bell tower seismic behaviour, amplifying the acceleration and its damage at the upper bodies. Finally, several strengthening methods have been numerically analysed, comparing them with in-situ cyclic laboratory test results. The updated mechanical parameters of the materials have been obtained, considering the retrofitting techniques. Then, these parameters can be applied to the numerical model of the tower.