Innovative retrofitting materials for brick masonry infill walls

Abstract

Last seismic events in Southern Europe have highlighted the vulnerability in the most usual constructive typology in contemporary architecture: framed structures with masonry infills. Contemporary structures have a good capacity to withstand these actions, given that they were considered for their design according to modern codes. Nonetheless, nonstructural elements as masonry infills show a high degree of damage even for medium magnitude earthquakes, causing casualties and high economic losses. For decades, these elements have been considered as nonstructural and therefore they were not requested to have resisting conditions. Given this, there is a large segment within the building stock in seismic prone areas that needs to undergo preventive action, specially for out-of-plane loads. This can range from a mere union of the infills to the frame structures to a reinforce of the elements, which can also be applied to the case of already damaged elements. The potential benefits go beyond the mere stability of nonstructural elements, as this would improve the behaviour of the whole structure to face seismic events. Some new fibre-based materials for structural reinforcement based in braiding techniques have been developed in the last years in the Universidade do Minho, as an alternative to conventional FRP rods. These materials have several advantages, out of which it can be remarked the possibility of designing the composition according to mechanical requirements and the implication of low-tech and low-cost procedures for its production. The main purpose on this thesis will be the assessment of the application of this material as reinforcement for clay brick masonry, using the technique of Textile Reinforced Mortars, considering out-of-plane actions. This has been done through a basic experimental campaign in which it has been evaluated the improvement in the behaviour of masonry samples subjected to flexural loads. The material was applied with variations in reinforcement ratio in order to have some parametrical confrontation. Other samples included commercial solutions, so as to have a reference on already existing materials, and the control samples were unreinforced. The obtained results for the innovative materials were highly satisfying in terms of ductility enhancement, obtaining big deformations with a considerable flexural capacity, and a considerable increase in strength. Furthermore, the use of different materials within a composite results in the combination of its properties. The future development and enhancement of this material presents a high potential as an economic and easy to apply method for brick masonry reinforcement, with the possibility of tailor-made properties.

Os recentes eventos sísmicos ocorridos no sul da Europa destacaram as vulnerabilidades de um dos sistemas construtivos mais utilizados na arquitectura contemporânea: estruturas em pórtico preenchidas com paineis de alvenaria. Enquanto as estruturas modernas, dimensionadas de acordo com os códigos em vigor, resistem bem a esse tipo de acções, o mesmo já não se passa com os elementos não-estruturais. De facto, é comum os paineis de alvenaria sofrerem elevados danos, mesmo para sismos de intensidade media, causando vitimas fatais e elevadas perdas económicas. Durante décadas estes elementos foram considerados como sendo não-estruturais e consequentemente nunca lhes foi exigido quaisquer propriedades the resistência. Sendo assim, é natural que nas zonas sismicas exista uma larga porção de patrimonio edificado com necessidade de sofrer medidas preventivas, especialmente para acções fora do plano.Estas medidas podem significar desde a simples união dos paneis à estrutura até um reforço dos elementos individuais da alvenaria, o qual pode ser aplicado mesmo que já existam danos. Os potenciais benefícios destas técnicas vão para além da mera estabilidade destes elementos uma vez que o seu reforço poderá implicar uma mehoria das caracteristicas sismicas da estrutura como um todo. Durante os últimos anos a Universidade do Minho tem vindo a desenvolver novos materiais à base de fibras como alternativa aos sistemas convencionais de polimetros reforçados com fibras (FRP).. Estes materiais possuem várias vantagens entre as quais se destaca a possibilidade de poderem ser dimensionados com base em requisitos mecânicos de uma forma barata e tecnologicamente acessível. O principal objectivo desta tese é a avaliação da aplicação deste material como reforço de alvenaria de tijolo cerâmico, utilizando a técnica de argamassas reforçadas com texteis e considerando acções fora do plano. Este estudo foi realizado através de uma série de ensaios experimentais simples, na qual foi avaliada a melhoria do comportamento de várias amostras sujeitas a cargas de flexão. Vários espécimens foram preparados com diferentes densidades de reforço, de modo a possibilitar a comparação de vários parâmetros. Outras amostras incluíram soluções comerciais, de forma a ter uma referência de materiais já existentes, e amostras de controlo não-reforçadas. Os resultados obtidos para os materiais inovadores foram altamente satisfatórios em termos de aumento de ductilidade, tendo-se verificado deformações elevadas enquanto mantendo uma capacidade de suporte de carga considerável, e um aumento da capacidade de carga no estado fendilhado. O continuado desenvolvimento e aperfeiçoamento destes materiais apresenta um elevado potencial, sendo um método economico e de fácil aplicação em alvenaria de tijolo cerâmico.

Los últimos eventos sísmicos en el Sur de Europa han puesto de relieve la vulnerabilidad de una de las tipologías constructivas más usuales de la arquitectura contemporánea: las estructuras porticadas –metálicas o de hormigón- con cerramientos de ladrillo. Si bien las estructuras soportan bien las acciones, los elementos no estructurales como fachadas o petos sufren graves daños, provocando altas pérdidas económicas y víctimas mortales incluso para acciones sísmicas de mediana magnitud. Durante décadas, estos elementos constructivos se han considerado no estructurales, y por tanto no se les han exigido condiciones de resistencia. Nos encontramos por tanto con un amplio sector del parque inmobiliario en zonas de riesgo sísmico necesitado de acciones de prevención. Dichas acciones incluyen una mejor unión de los cerramientos a la estructura general, así como posibles refuerzos de los elementos en sí. El beneficio, más allá de la estabilidad de los elementos en sí, incluye un mejor comportamiento de la estructura general ante acciones sísmicas En la Universidade do Minho se han venido desarrollando nuevos materiales de refuerzo estructural, basados en la técnica del entrenzado de fibras, como alternativas a las barras de FRP convencionales. Estos materiales están compuestos por un núcleo de material resistente rodeado de una funda entrenzada de material económico, que mejora la adherencia del material al mortero a la vez que protege al núcleo del ataque alcalino. Entre sus ventajas, la posibilidad de diseñar composiciones del material dependiendo de los requerimientos mecánicos y el uso de una tecnología sencilla y de bajo coste. La producción y caracterización de estos materiales será tratada a fondo en este trabajo. La validación de estos nuevos materiales en su aplicación al refuerzo de muros de fábrica de ladrillo se ha hecho mediante una campaña experimental básica, comprobando la mejora que supone su uso en la resistencia a flexión unidireccional de unas muestras de obra de fábrica, realizados con los materiales más usuales para esta solución constructiva. Se ha intentado confrontar el resultado de estos materiales, con parámetros variables, con el de materiales disponibles comercialmente, así como con muestras de control sin refuerzo. Los resultados obtenidos para los materiales desarrollados son muy satisfactorios en cuanto a la mejora de la ductilidad, obteniendo grandes deformaciones manteniendo la capacidad de carga, incluso para ratios de refuerzo relativamente bajos. Para los ejemplares con más refuerzo, se observa además una redistribución de tensiones dentro de la fábrica, dando lugar a un fallo a flexión muy dúctil y a un comportamiento con incremento de resistencia en el estado fisurado. El desarrollo de este material presenta una gran potencialidad como método económico y de fácil aplicación para el refuerzo de muros de fábrica.