Modelling of the seismic behaviour of TRM-strengthened rammed earth walls

Abstract

Earthen constructions constitute a considerable part of the existing heritage and a large percentage of the World population is still living or working in buildings built with this structural system. Like other types of masonry structures, rammed earth constructions are acceptably stable under gravity loads, although they are significantly vulnerable to earthquakes. Therefore, a precise understanding of their behavior in case of being subjected to ground motions and the proposing of effective strengthening techniques achieved a great interest both in research and practice. Strengthening methods should be not only to enhance capacity and ductility of the building, but also to satisfy a variety of criteria such as being compatible with the substrate, economical and reversible. Considering all, the low-cost textile reinforced mortar (LC-TRM) strengthening is introduced, and its efficiency on rammed earth walls is studied numerically in the present thesis. In the current study, the seismic performance of both unstrengthened and strengthened rammed earth structural components is investigated. In this regard, in-plane and out-of-plane behaviors are studied by means of different constructed nonlinear finite element models. At first, pushover analysis by massbased lateral load pattern is conducted on unstrengthened walls to evaluate their capacity and understand possible failure mechanisms. Furthermore, the outcomes of these analyses are employed to select the most proper modeling approach from shell or solid elements and the walls with appropriate geometrical dimensions. In the following, pushover analyses are conducted on strengthened walls to choose between different strengthening materials and assess the effectiveness of the adopted strengthening technique. Furthermore, the frequency change of the walls with the damage states (lateral displacement levels) is studied to represent the initiation and propagation of damage in unstrengthened walls and to evaluate the effectiveness of TRM strengthening method. Finally, an artificially generated ground motion record was applied to both unstrengthened and strengthened walls to perform nonlinear time-history analyses. The outcomes were used to compare the dynamic behavior of the walls against the results of the pushover analyses.

As construções de terra constituem uma parte considerável do património construído e uma grande parte da população mundial ainda vive ou trabalha em edifícios construídos com este sistema estrutural. Como outros tipos de estruturas de alvenaria, as construções de terra são estáveis face a cargas gravíticas, embora sejam significativamente vulneráveis a sismos. Portanto, a compreensão do seu comportamento perante a ocorrência de movimentos do solo e a proposta de técnicas efetivas de reforço despertam um grande interesse, tanto a nível da investigação como na prática. Os métodos de reforço devem ser adequados não só para aumentar a capacidade e a ductilidade da construção, mas também para satisfazer uma variedade de critérios, como a compatibilidade com o substrato, custo económico e reversibilidade. Considerando todos estes aspetos, apresenta-se uma técnica baseada em argamassa reforçada com malhas têxteis de baixo custo (LC-TRM), cuja eficiência em paredes de terra é estudada na presente tese do ponto de vista numérico. No presente trabalho, investiga-se o desempenho sísmico de componentes estruturais de taipa não reforçados e reforçados. A este respeito, estudam-se os comportamentos no plano e fora do plano, por meio de diferentes modelos de elementos finitos não lineares. Em primeiro lugar, realiza-se a análise pushover proporcional à massa em paredes não reforçadas para avaliar sua capacidade e compreender possíveis mecanismos de colapso. Adicionalmente, estes resultados são utilizados para selecionar a técnica de modelação mais apropriada (elementos de casca ou sólidos) e as dimensões geométricas mais apropriadas. De seguida, realiza-se a análise pushover em paredes reforçadas para escolher de entre diferentes materiais de reforço e avaliar a eficácia da técnica de reforço adotada. Além disso, a variação das frequências das paredes com os estados de dano (níveis de deslocamento lateral) é estudada para identificar o início e a propagação de dano em paredes não reforçadas e avaliar a estabilidade do método de reforço baseado na técnica TRM. Finalmente, selecionou-se um registro sísmico artificial para realizar análises temporais não lineares de paredes simples e reforçadas. Os resultados são utilizados para comparar o comportamento dinâmico das paredes com os resultados da análise pushover.