Flexural out-of-plane retrofitting of masonry walls in historical constructions

Abstract

Historic ruins are often peculiar types of masonry structures. These constructions are extremely vulnerable to out-of-plane actions – such as seismic movements and wind effects - often being left without any transversal bracing. Their historical, social and economical values however, make it very important to save them for the future. A comprehensive literature review revealed several techniques for the internal and external strengthening of walls, but applying these techniques to un-rendered heritage constructions often cause visual damage, which cannot be tolerated. This work aims to develop a reinforcing technique for the flexural strengthening of heritage masonry walls. Extending the idea of an existent technique, adding an enhanced constituent for anchoring, the method comprises an irregular grid that follows the joint texture of the wall. The insertion procedure is much alike a shallow repointing. As a result the technique upgrades the mechanical performance against out-of-plane actions (flexural) and increases the integrity of a structure, without causing visual impact. Applicability and workability issues remained key aspects of the investigation, which involved experimental and analytical studies. The constituents of the technique were tested individually. Based on the gathered information and on the analytical investigation, monotonic bending tests were prepared finally. The results proved the adequacy of the new technique and allowed decisions on future development. Improvement of anchors and pre-stressing the grid is necessary. For future numerical modeling, the bond behavior of the improved anchors needs to be tested in both axial and transversal direction. Finally a case study was presented with the discussion of the theoretical application of the new technique on the Alcáçova wall in Guimarães Castle, Portugal. The study showed the practical limits of the technique given by the geometrical constraints of the joint texture of the wall. It also demonstrated that the design abacus – proposed in the analytical investigation – is a powerful tool to define the failure modes and resistance of a strengthened construction. Conclusions were made on the future development of the technique, giving ideas about the protection of the reinforcement, the improvement of the anchors, alternative materials for the reinforcing grid, and necessary experiments to gather information for numerical modeling.

As ruínas de construções históricas em alvenaria constituem, geralmente, estruturas muito peculiares do ponto de vista estrutural. As ruínas são extremamente vulneráveis a ações para fora do plano - como a ação sísmica ou do vento – sendo muitas vezes deixadas sem a presença de travamento horizontal. Dado o valor patrimonial intangível e a sua importância económica na generalidade dos sítios históricos, torna-se muito importante a sua salvaguarda. A literatura científica mostra que existem várias técnicas de reforço para paredes de alvenaria, aplicáveis quer no interior, quer no exterior das paredes. Contudo, a sua aplicação a paredes de alvenaria sem revestimento – o caso da generalidade das ruínas – é muito limitada, dado que a maioria das técnicas introduz impactos visuais incompatíveis com este tipo de construções históricas. Esta tese visa o desenvolvimento de uma técnica de reforço à flexão para paredes de construções com valor patrimonial elevado tendo em conta a mínima intrusividade na construção. Trata-se de um melhoramento de uma técnica existente através da introdução de elementos que melhoram a ancoragem do reforço nas paredes de alvenaria. Concretamente, o método de reforço consiste na introdução de uma armadura flexível e irregular que consegue acompanhar a geometria das juntas das paredes de alvenaria, podendo ser posteriormente escondida nas juntas de argamassa. Como resultado, a técnica aumenta a capacidade de carga a esforços de flexão para fora do plano das paredes e aumenta a integridade estrutural sem causar impacto visual. Os pontos fortes desta investigação foram a análise da aplicabilidade e trabalhabilidade desta técnica a construções históricas, em comparação com o melhoramento do seu desempenho estrutural. Após uma análise analítica da aplicabilidade da técnica, foram escolhidos e testados todos os componentes do sistema, culminando numa campanha experimental que incluiu ensaios à flexão em paredes reforçadas à escala reduzida. Os resultados obtidos comprovam a adequabilidade da técnica e apontam alguns melhoramentos necessários para o sistema de reforço ser mais eficiente. É também apresentado um caso de estudo sobre a aplicabilidade do sistema de reforço na parede da Alcáçova (em ruina) no Castelo de Guimarães. O caso de estudo demonstrou os limites da aplicabilidade da técnica e permitiu aferir aspetos práticos e de dimensionamento, através da análise da geometria da parede e do recurso a um ábaco de dimensionamento desenvolvido para o efeito, prospectivamente. Finalmente foram apontadas algumas recomendações para futuros desenvolvimentos da técnica, nomeadamente relacionados com a proteção das armaduras, o melhoramento do sistema de ancoragem, materiais alternativos para o reforço e ensaios necessários para realizar análises numéricas do sistema.

A dolgozat magyar címe: Történeti falazatok síkra merőleges hajlításokra történő megerősítése A történeti romok gyakran bármilyen merőleges megtámasztás nélküli, falazott szerkezetekből állnak. Ezek a szerkezetek különösen érzékenyek az őket érő transzverzális hatásokra (szeizmikus hatások, szélterhek). Megmentésük a jövő számára különösen fontos, hiszen történelmi, gazdasági és társadalmi értékük felbecsülhetetlen. Az irodalmi áttekintés kitért a fellelhető megerősítési technikákra. A kutatás azt a következtetést engedte levonni, hogy a technikák többsége nehezen, vagy egyáltalán nem alkalmazható vakolatlan történeti szerkezetek megerősítésére, az okozott vizuális elváltozások miatt. A dolgozat célja egy új, hajlításra történő erősítési technológia kifejlesztése volt történeti falazatok számára. Egy meglévő módszer elméletének kiterjesztésével, valamint egy egyedi fejlesztésű lehorgonyzó elem alkalmazásával, az új rendszer egy a falazat hézagstruktúráját követő, szabálytalan hálóból áll. E háló elhelyezéséhez szükséges a habarcshézagok külső 2-3 cm-ének eltávolítása, majd pótlása a műveletek végeztével. Eredményképpen, a rendszer fejleszti a szerkezet hajlításokra történő működését, valamint fokozza a falazat integritását anélkül, hogy közben károsan érintené annak vizuális megjelenését. Az alkalmazhatóság és az egyszerű megmunkálhatóság kérdései kulcsszerepet játszottak a kutatás során, mely különböző kísérleteket, és analitikai tanulmányozást is magába foglalt. Végül lehetőség volt hajlítási tesztek elvégzésére is, 1:2 arányú falazott kőfalak alkalmazásával, valamint az új rendszer kipróbálásával. Az eredmények amellett, hogy igazolták a technológia alkalmazhatóságát, segítettek új fejlesztési irányok kijelölésében is a kutatás további folytatásához: Az egyedi lehorgonyzó elemek továbbfejlesztése, valamint előfeszítési eljárás kifejlesztése szükséges. Továbbá szükséges az egyedi kapcsolóelemek lehorgonyzási viselkedésének kiterjedt kísérleti és elméleti jellemzése ‒ tengely, valamint tengelyre merőleges irányban ‒, esetlegesen numerikus modellezéshez is. Végül egy esettanulmány keretein beül került sor az új rendszer alkalmazhatósági kérdéseinek elméleti tárgyalására. A megerősítendő szerkezet a Guimaraes-i Kastély északi fala, az Alcáçova fal volt, Portugáliában. A tanulmány bemutatja az alkalmazhatósági korlátokat, valamint demonstrálja a tervezési segédlet használhatóságát a különböző tönkremeneteli módok, valamint a teljes ellenállási görbe meghatározásában (a tervezési segédlet létrehozása az analitikai tanulmány részét képezte). A végértékelés magába foglalta a további fejlesztési irányok következő kérdéseit: Erősítő kábelek fokozott védelme; lehorgonyzó elemek fejlesztése; előfeszítés; alternatív háló anyag; valamint további kísérletek elvégzése információgyűjtéshez, numerikus modellezéshez.