Parametric study of a historical masonry building subjected to seismic loading

Abstract

Earthquakes are one of the natural hazards that have caused more losses to the mankind. Besides countless human lives, earthquakes have destroyed buildings and even cities in many places and civilizations around the world. However, the nature and origin of earthquakes, as well as their effect in built structures, have been studied in detail only recently. An important factor that influenced the progress of this science is the development of computing, which allowed to carry out complex calculations. In parallel to that, many researches have been done in the last years aimed at understanding and reproducing the effects of earthquakes in built structures. Thanks to the combination of new methods of structural analysis and powerful computing resources, accurate approaches of the behavior of a specific structure can be done nowadays. The two more widely used structural analysis methods are adopted in this thesis, namely Pushover Analysis and Time Integration Analysis. The Finite Element Method (FEM) is used to model a case study and to discuss the obtained results in detail. The case study is a ‘‘Gaioleiro’’ building, a traditional stone masonry typology used mainly in Lisbon, Portugal, between the 19th and 20th century. The study of this building started years ago with a shaking table test carried out by the National Laboratory of Civil Engineering in Lisbon (LNEC), together with University of Minho. Subsequently, a FEM model was calibrated by other authors according to the results obtained in this test. The present thesis starts with a brief introduction, some basic background about seismic engineering and a brief description of the adopted FEM model. Then the results obtained for the model with Pushover and Time History Analyses are discussed, with the aimed to contribute for the validation and application of pushover analysis in the seismic assessment of historical masonry buildings without box behavior. The main body of the thesis includes a sensitivity analysis intended to assess the influence of the material properties in the behavior of the structure, as well as the impact of rigid diaphragm floor structures and the load pattern distribution in the response of the building. The sensitivity analysis is performed for both Pushover and Time History Analyses, in order to discuss the objectivity of the results.

Os terremotos são um dos perigos naturais que causaram mais perdas para a humanidade. Além de inúmeras vidas humanas, os terremotos destruíram edifícios e até cidades em muitos lugares e civilizações ao redor do mundo. No entanto, a natureza e a origem de sismos, bem como o seu efeito em estruturas construídas, têm sido estudadas em detalhe apenas recentemente. Um fator importante que influenciou o progresso desta ciência é o desenvolvimento da computação, o que permitiu a realização de cálculos complexos. Em paralelo a isso, muitas investigações têm sido feitas nos últimos anos que visam compreender e reproduzir os efeitos de terremotos em estruturas construídas. Graças à combinação de novos métodos de análise estrutural e recursos computacionais poderosos, as abordagens precisas do comportamento de uma estrutura específica podem ser feitas hoje em dia. Os dois métodos de análise estrutural mais utilizados são adotados nesta tese, a saber a Análise Pushover e Análise dinâmica com integração no tempo. O Método dos Elementos Finitos (MEF) é usado para modelar um estudo de caso com estas técnicas e discutir os resultados obtidos em detalhe. O caso de estudo é um edifício gaioleiro, uma tipologia tradicional de alvenaria de pedra usado principalmente em Lisboa, Portugal, entre os séculos XIX e XX. O estudo deste edifício começou há alguns anos com um ensaio de mesa sísmica realizado pelo Laboratório Nacional de Engenharia Civil, em Lisboa (LNEC), em conjunto com a Universidade do Minho. Subsequentemente, um modelo MEF foi calibrado por outros autores de acordo com os resultados obtidos neste teste. A presente tese começa com uma breve introdução, algumas informações básicas sobre engenharia sísmica e uma breve descrição do modelo MEF adotado. Em seguida, os resultados obtidos para o modelo com Análises Pushover e com integração no tempo são discutidos, com o objetivo de contribuir para a validação e aplicação de análise avançada na avaliação sísmica de edifícios históricos de alvenaria sem comportamento do tipo caixa. O corpo principal da tese inclui uma análise de sensibilidade destinada a avaliar a influência das propriedades do material no comportamento da estrutura, bem como o impacto da rigidez da de diafragma do pavimento e do padrão de distribuição de carga na resposta do edifício. A análise de sensibilidade é realizada tanto para Pushover como para a integração no tempo, a fim de discutir a objetividade dos resultados.

Los terremotos son uno de los fenómenos naturales que han causado más pérdidas en la historia de la humanidad. Aparte de incontables vidas humanas, los terremotos han destruido edificios e incluso ciudades enteras en muchos lugares y civilizaciones diferentes alrededor del mundo. Sin embargo, la naturaleza y origen de los terremotos, así como su efecto en las estructuras, han sido estudiados en detalle solo en tiempos recientes. Un factor importante que ha influido en el progreso de esta rama de la ingeniería es el desarrollo de la informática, que ha permitido llevar a cabo cálculos complejos. En paralelo a esto, muchas investigaciones han sido realizadas en los últimos años, enfocadas a comprender y reproducir los efectos de los terremotos en las estructuras. Gracias a la combinación de nuevos métodos de análisis estructural y potentes recursos computacionales, aproximaciones precisas del comportamiento de una estructura específica ante cargas estáticas y dinámicas pueden ser realizados actualmente. Los dos métodos de análisis estructural más ampliamente usados en el campo académico son adoptados en esta tesis, a saber; análisis de Pushover y análisis de tiempo-historia. El método de elementos finitos (MEF) es usado para modelar el objeto de estudio y discutir en detalle los resultados obtenidos. El objeto de estudio es un edificio ‘‘Gaioleiro’’, una tipología tradicional basada en albañilería de piedra y usada principalmente en Lisboa, Portugal, entre los siglos 19 y 20. El estudio de este edificio comenzó hace años con un ensayo realizado en una mesa de vibración por el Laboratorio Nacional de Ingeniería Civil (LNEC) en Lisboa, junto con la Universidad de Minho. Posteriormente, un modelo realizado con el método de elementos finitos fue calibrado por otros autores de acuerdo con los resultados obtenidos en este ensayo. La presente tesis comienza con una breve introducción, algunos conocimientos básicos sobre ingeniería sísmica y una breve descripción del modelo adoptado. Los resultados obtenidos con el análisis de Pushover y de tiempo-historia son analizados y discutidos. El principal objetivo de este análisis es la contribución en la validación y aplicación del análisis de Pushover en la valoración sísmica de edificios históricos de albañilería sin comportamiento de ‘‘caja’’. El cuerpo principal de la tesis incluye un análisis de sensibilidad con el objeto de evaluar la influencia de las propiedades de los materiales en el comportamiento de la estructura, así como el impacto que diafragmas rígidos y diferentes patrones de distribución de cargas pueden tener en la respuesta del edificio. El análisis de sensibilidad es llevado a cabo para ambos análisis, los de Pushover y de tiempo-historia para discutir la objetividad de los resultados.