Seismic assessment of ancient masonry buildings: shaking table tests and numerical analysis

Abstract

Ancient masonry buildings were built for many centuries taking into account only vertical static loads, without reference to any particular seismic code. The different types of masonry present common features that are directly related to the high seismic vulnerability of this type of buildings, such as the high specific mass, the low tensile strength, low to moderate shear strength and low ductility (brittle behaviour). Besides the material properties, the seismic behaviour of ancient masonry buildings depends on other factors, such as geometry of the structure, connection between orthogonal walls, connections between structural walls and floors, connections between walls and roof, foundation strength, stiffness of the floors and strength of the non-structural elements. The Portuguese housing stock consists of several building typologies in which some of them present construction features associated with poor seismic performance. Thus, it is necessary to intervene in these types of buildings with the purpose of reducing their seismic vulnerability. The “gaioleiro” buildings correspond to a Portuguese building typology, built between the 19th century and the beginning of the 20th century, with the highest seismic vulnerability of the housing stock of Portugal. These buildings are, generally, four to six stories high, with stone masonry walls, timber floors and roof, and still remain in use nowadays. Motivated by the above reasons, this thesis aims at evaluating the seismic vulnerability of the “gaioleiro” buildings and proposing a strengthening technique to reduce it. The study involved shaking table tests and several types of numerical analysis. The tests were carried out on the shaking table of the National Laboratory for Civil Engineering (Lisbon). The experimental program involved the definition of a prototype representative of the average features of the “gaioleiro” buildings, which was later used for the construction of the mock-ups. Due the size and payload capacity of the shaking table, two mock-ups were built using a reduce scale: non-strengthened and strengthened mock-ups. The seismic load is composed by two orthogonal and uncorrelated accelerograms which induce, simultaneously, in-plane and out-of-plane behaviour of the mock-ups. In the strengthened mock-up steel elements were used to improve the connection between walls and floors, and ties in the upper storeys. Through the experimental program the dynamic properties of the mock-ups, the vulnerability curves, the crack patterns and the collapse mechanisms were obtained, and the efficiency of the strengthening technique adopted to reduce the seismic vulnerability of the “gaioleiro” buildings was evaluated. The experimental results were used for validating the numerical model of the nonstrengthened mock-up, which was later used in non-linear dynamic with time integration and pushover analyses. Furthermore, a sensitivity analysis varying the proprieties of the numerical model was carried out. The seismic vulnerability curves obtained from the dynamic identification tests show that the strengthened mock-up presents a reduction of the damage indicator of about 46% with respect to the non-strengthened mock-up. The results of the seismic tests show that the damage of the non-strengthened mock-up concentrates at the facades and the strengthening technique adopted improved significantly the seismic behaviour of the mock-up, leading to the conclusion that the strengthening technique was efficient in the reduction of its seismic vulnerability. Finally, the sensitivity analysis shows that the Young’s modulus of the masonry walls, the Young’s modulus of the timber floors and the compressive non-linear properties are the parameters that most influence the seismic behaviour of the numerical model. The stiffness of the floors influences significantly the capacity strength and the collapse mechanism of the structure. Thus, the strengthening of the floors is also an effective solution for reducing of the seismic vulnerability of the “gaioleiro” buildings, namely by improving the out-of-plane response of the walls.

Os edifícios antigos de alvenaria foram construídos durante muitos séculos tendo em consideração apenas ações estáticas e verticais, sem referência a qualquer regulamento sísmico. Os diferentes tipos de alvenaria apresentam caraterísticas comuns que estão relacionadas diretamente com a grande vulnerabilidade sísmica deste tipo de edifícios, tais como a elevada massa específica, a baixa resistência à tração, a baixa a moderada resistência ao corte e a baixa ductilidade (comportamento frágil). Além das propriedades dos materiais, o comportamento sísmico dos edifícios antigos de alvenaria depende de outros fatores, tais como: geometria da estrutura, ligação entre paredes ortogonais, ligação entre paredes e pavimentos, ligação entre paredes e cobertura, resistência da fundação, rigidez dos pavimentos e resistência dos elementos não estruturais. O parque habitacional de Portugal é constituído por várias tipologias de edifícios, entre as quais algumas apresentam características de construção associadas a um mau desempenho sísmico. Assim, torna-se necessário intervir nestas tipologias de edifícios, tendo por objetivo reduzir a sua vulnerabilidade sísmica. Os edifícios gaioleiros correspondem à tipologia de edifícios construídos no final do século XIX e inícios do século XX que apresenta a maior vulnerabilidade sísmica do edificado de Portugal. Estes edifícios têm, geralmente, quatro a seis pisos, paredes de alvenaria de pedra, pavimentos e cobertura em estrutura de madeira e encontram-se ainda em utilização nos dias de hoje. Tendo em consideração o anteriormente referido, a presente tese tem como principais objetivos a avaliação e redução da vulnerabilidade sísmica dos edifícios gaioleiros. O estudo envolveu ensaios em plataforma sísmica e diferentes tipos de análises numéricas. Os ensaios foram realizados na plataforma sísmica do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (Lisboa). O programa experimental envolveu a definição de um protótipo representativo das características correntes dos edifícios gaioleiros, que posteriormente foi utilizado para a construção dos modelos experimentais. Devido às dimensões e limite de capacidade de carga da plataforma sísmica, foram ensaiados dois modelos experimentais à escala reduzida: modelo não reforçado e reforçado. A ação sísmica aplicada é composta por dois acelerogramas ortogonais e não correlacionáveis que induzem, simultaneamente, comportamento no plano e para fora do plano dos modelos experimentais. No modelo reforçado utilizaram-se elementos metálicos para melhorar a ligação entre as paredes e os pavimentos, e tirantes nos pisos superiores. O programa experimental permitiu obter as propriedades dinâmicas dos modelos, as curvas de vulnerabilidade, os padrões de fendilhação e os mecanismos de colapso, bem como concluir sobre a eficiência da técnica de reforço adotada na redução da vulnerabilidade dos edifícios gaioleiros. Os resultados experimentais foram utilizados na calibração de modelos numéricos. Estes foram, posteriormente, utilizados em análise não lineares dinâmicos e estáticas. Além disso, foi realizada uma análise de sensibilidade variando as propriedades do modelo numérico. Como principais conclusões sobre os ensaios em plataforma sísmica, as curvas de vulnerabilidade sísmica obtidas através dos ensaios de identificação dinâmica demostraram que o modelo reforçado apresenta uma redução do indicador de dano de cerca de 46% relativamente ao modelo não reforçado. Os resultados dos ensaios sísmicos demostraram que o dano do modelo não reforçado concentra-se nas fachadas e que a técnica de reforço adotada melhorou significativamente o comportamento sísmico do modelo, concluindo-se que a técnica de reforço foi eficiente na redução da sua vulnerabilidade sísmica. Por último, os resultados da análise de sensibilidade demostraram que o módulo de elasticidade das paredes, o módulo de elasticidade dos pavimentos e as propriedades não-lineares em compressão são os parâmetros com maior influência no comportamento sísmico do modelo numérico. A rigidez dos pavimentos tem influência significativa na capacidade resistente e no mecanismo de colapso da estrutura. Assim, o reforço dos pavimentos é também uma solução efetiva para a redução da vulnerabilidade sísmica dos edifícios gaioleiros, melhorando sobretudo a resposta para fora do plano das paredes.