Development of a design method for reinforced masonry subjected to in-plane loading based on experimental and numerical analysis

Abstract

Masonry walls consist of the main elements responsible for the global stability of masonry buildings when subjected to lateral loads such as wind and seismic forces. These elements are subjected to gravity forces, bending moments and shear forces due to the horizontal loading. The masonry beams above the openings are important structural elements promoting the coupling behaviour of the masonry piers enabling the transfer of forces between them. Besides, the consideration of these elements leads to higher stiffness of the building. The anisotropic behaviour added to bi-axial stress state generated by the combination of those efforts becomes the behaviour of masonry walls and beams very complex. Therefore, this research aims at better understanding the behaviour of masonry walls and beams subjected to in-plane loading and propose analytical methodology for their design. Based on the literature review, an extensive experimental program is planned, being composed by experimental tests for the characterization of mechanical behaviour of masonry and masonry materials, in-plane cyclic tests on masonry walls and tests on masonry beams under flexure and shear. Based on experimental results, calibration of numerical micro-model using software DIANA® is presented. Moreover, a parametric analysis of masonry walls and beams is performed in order to assess the influence of different boundary conditions, aspect ratios, loading and reinforcement arrangements that could not by studied in experimental program. Results indicates that masonry walls and beams are described by similar flexural and shear resisting mechanisms. Unreinforced walls and beams present a very brittle behaviour. On the other hand, the application of reinforcement increases the deformation capacity, controls the crack opening and allows a better distribution of stresses. Longitudinal reinforcements (vertical in case of walls and horizontal in case of beams) increase the flexural strength, even if they seem not to influence the shear behaviour. Transversal reinforcements (horizontal in case of walls and vertical in case of beams) increase the shear strength, even if they do not influence the flexural behaviour. Effectiveness of reinforcements on the increase of the resistance of masonry walls and beams is highly related to the failure mode of the element. Based on numerical and experimental results, a new analytical method is proposed for the design of masonry walls and beams subjected to in-plane loading. Comparison between the results provided by the proposed method with other design methods presented in literature and experimental results of several authors is presented.

As paredes consistem no elemento estrutural responsável pela estabilidade global dos edifícios em alvenaria estrutural quando sujeitos a acções laterais como vento e sismos. Estes elementos estão sujeitos a forças verticais e adicionalmente a momentos flectores e esforços de corte devido as forças laterais. Um elemento estrutural secundário mas muito importante na interacção de paredes são as vigas sobre as aberturas. Este elemento permite a transferência de esforços entre os troços de parede e confere uma maior rigidez à estrutura. O comportamento anisotrópico da alvenaria aliado ao estado bi-axial de tensão provocado pela combinação dos esforços referidos torna o comportamento das paredes e vigas bastante complexo. Desta forma, este trabalho tem como principal objectivo a melhor compreensão do comportamento de paredes e vigas de alvenaria quando sujeitos a acções no plano e a proposição de um método de dimensionamento para estes elementos. Assim, com base na revisão bibliográfica relativa ao comportamento de paredes e vigas de alvenaria, tanto em termos numéricos quanto experimentais, é proposto um plano extenso de ensaios para a caracterização mecânica dos materiais, para o estudo do comportamento de paredes sob a acção combinada de forças verticais e horizontais cíclicas aplicadas no plano das paredes e, finalmente, para o estudo do comportamento de vigas de alvenaria sujeitos à flexão e ao corte. Com base nos resultados experimentais é feita a calibração de um micro-modelo numérico com o aplicativo DIANA®, utilizando como ferramenta básica o método dos elementos finitos (MEF). Além disso, uma análise paramétrica é realizada nas paredes e nas vigas para avaliar o efeito das condições de fronteira, da geometria, da relação altura/largura dos elementos e das percentagens de armadura transversal e longitudinal. Os resultados indicam que o comportamento das paredes e vigas é descrito pelos mesmos mecanismos de resistência. Ambos os elementos apresentam um comportamento bastante frágil quando não são armados. Por outro lado, a utilização de armaduras aumenta a capacidade de deformação, controla a abertura de fissuras e permite uma melhor distribuição de tensões. As armaduras longitudinais (verticais no caso das paredes e horizontais no caso das vigas) aumentam a resistência à flexão dos elementos mas parecem não ter grande influência no comportamento ao corte. As armaduras transversais (horizontais no caso das paredes e verticais no caso das vigas) aumentam a resistência ao corte dos elementos não tendo grande influência no comportamento à flexão. A eficiência das armaduras no aumento de resistência das paredes e vigas está bastante relacionada com o modo de ruptura. Com base nos resultados numéricos e experimentais é proposto um método de dimensionamento de paredes e vigas sujeitos a acções no plano. A comparação dos resultados fornecidos pelo método proposto e por outros métodos de dimensionamento com resultados experimentais de diversos autores é apresentada.