Experimental and numerical analysis of blocky masonry structures under cyclic loading

Abstract

The work presented in this thesis was developed at both the Civil Engineering Department of Universidade do Minho and at the Structural Technology Laboratory of Universitat Politècnica de Catalunya, Spain. This study is composed of both an experimental part and a numerical pan, aimed at contributing to a better knowledge of the behaviour of blocky masonry structures under cyclic loading. Uniaxial monotonic and cyclic deformation-controlled tests were performed on stone and brick specimens as well as prisms, aiming at a complete characterization of the cyclic behaviour of these materials. Complementary to these tests, seven dry stone masonry walls were constructed and tested under combined compressive and shear loading. The main objective of this experimental work was to provide adequate data concerning the mechanical behaviour of historical masonry components and structures, capable of being used for numerical purposes, both for calibration of constitutive models and for validation of numerical results. The micro- modelling strategy was adopted for the numerical analysis of the cyclic behaviour of masonry structures. Starting from an existing monotonic constitutive model developed for interface elements, fully based on the plasticity theory, a new constitutive model able to describe the cyclic loading of interface elements is proposed. This new model is also entirely founded on the incremental theory of plasticity. Elastic un is assumed only for the shear component. The normal component is described ii a non- linear fashion. Thus, for unloading/reloading, two new auxiliary yield surfaces, termed unloading surfaces, similar to the monotonic ones, are introduced. The motion of the unloading surfaces is controlled by a mixed hardening law. The proposed constitutive model has been implemented in a pilot version of the DIANA finite element code. Afterwards, some experiments available in the literature are simulated using the developed model. A good agreement between numerical and experimental results has been found.

O trabalho apresentado nesta Tese foi desenvolvido no Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho e no Laboratório de Tecnologia de Estruturas da Universidade Politécnica da Catalunha, Espanha. Este trabalho, composto por uma parte experimental e por uma parte numérica, pretende contribuir para uma melhor compreensão do comportamento das estruturas de alvenaria de blocos sob acções cíclicas. Foram realizados ensaios uniaxiais monotónicos e cíclicos, sob controlo de deslocamento, em provetes e prismas de pedra e tijolo, tendo em vista a caracterização do comportamento cíclico destes materiais. Complementarmente, foram ensaiados sete muros de alvenaria de pedra de junta seca, sob a acção combinada de forças normais e de corte. O principal objectivo deste trabalho experimental relaciona-se com a obtenção de um conjunto adequado de resultados sobre o comportamento mecânico de alvenaria histórica, susceptíveis de serem usados tanto na calibração de modelos constitutivos como na validação de resultados numéricos. Para a análise numérica do comportamento cíclico de estruturas de alvenaria, foi adoptada a estratégia da micro-modelação. Com base num modelo constitutivo de elemento de junta existente, baseado na teoria da plasticidade e desenvolvido para carregamento monotónico, propõe-se neste trabalho uma extensão desse modelo para a inclusão do comportamento cíclico de elementos de junta. Este novo modelo é também totalmente baseado na teoria da plasticidade. O comportamento elástico em descarga é considerado apenas para a componente de corte. Para a componente normal, a descarga é regida por leis não lineares. Assim, os casos de descarga/recarga são considerados através da introdução de duas novas superfícies de cedência auxiliares, ditas de descarga, para compressão e para tracção, semelhantes às superfícies de cedência monotónicas. O movimento das superfícies de descarga é controlado por leis de endurecimento misto. O modelo constitutivo proposto foi implementado numa versão piloto do código de elementos finitos DIANA. No final deste trabalho apresentam-se vários exemplos de aplicação do modelo numérico desenvolvido a ensaios experimentais de referência, evidenciando-se a capacidade do modelo em simular devidamente os resultados experimentais.