Characterization of the response of quasi-periodic masonry : geometrical investigation, homogenization and structural application

Abstract

In many countries, historical buildings were built with masonry walls constituted by random assemblages of blocks and stones of variable dimensions, being this feature an issue for studying these structures since they display a non-linear behavior. The analysis of historic masonry structures requires often complex and expensive computational tools that in many cases are difficult to handle, given this condition of large variability of masonry. The present thesis attempts to show a strategy to face up the problematic of the characterization of the response of rubble masonry. First the objectives and motivation of the study are presented, followed by a brief state of the art regarding homogenization techniques and approaches in elastic and inelastic range, discussing the advantages and disadvantages of both approaches. Then, the characterization of the masonry and statistical analysis of the dimensions of the stone units from the walls of Guimarães castle are carried out. This is followed by the homogenized limit analysis of representative volume elements (RVEs) from the Alcaçova wall in the Guimarães castle in order to obtain its in-plane an out-of-plane failure surfaces at different orientations of a load and increasing compressive loads considering, respectively, the case of masonry with weak and strong mortar independently. Afterwards, the limit analysis was carried out in two numerical models of Alcaçova wall, being the first one built with a heterogeneous material and the second one with a homogeneous material that was obtained by means of homogenized the limit analysis of representative volume elements. The purpose is to determinate the reliability of results, limit load and failure mechanism, from the homogenized model, compared to the heterogeneous model. Finally, the conclusions of the study are presented.

Em muitos países, os edifícios históricos foram construídos com paredes de alvenaria constituída por conjuntos aleatórios de blocos e pedras de dimensões variáveis, sendo esta característica relevante para estudar estas estruturas uma vez que as mesmas exibem um comportamento não-linear. A análise de estruturas históricas de alvenaria exige muitas vezes ferramentas computacionais complexas e caras que em muitos casos, são difíceis de aplicar, dada esta característica de grande variabilidade da alvenaria. A presente tese procura mostrar uma estratégia para enfrentar a problemática da caracterização da resposta de alvenaria irregular. Em primeiro lugar os objetivos e motivação do estudo são apresentados, seguido por um breve estado da arte sobre técnicas de homogeneização e abordagens em regime elástico e inelástico, discutindo as vantagens e desvantagens de ambas as abordagens. Em seguida, a caracterização da alvenaria e análise estatística das dimensões das unidades de pedra das paredes de Guimarães castelo são realizadas. Depois uma análise limite com homogeneização de elementos de volume representativos (RVEs) a partir da parede Alcáçova no castelo Guimarães, Portugal, é realizada a fim de obter superfícies no plane e fora do plano de rotura em diferentes orientações de uma carga, aumentando a pré-compressão vertical e considerando, respetivamente, o caso de alvenaria com argamassa fraca e forte de forma independente. Posteriormente, a análise limite foi realizado em dois modelos numéricos da parede da Alcáçova, sendo o primeiro construído com um material heterogéneo e um segundo com um material homogéneo que foi obtido por meio de homogeneização de elementos de volume representativos. O objetivo é discutir a fiabilidade dos resultados, do fator de carga e dos mecanismos de rotura, a partir do modelo homogeneizado e em comparação com o modelo heterogéneo. Finalmente, apresentam-se as conclusões do estudo.

En muchos países, los edificios históricos fueron construidos con muros de mampostería constituida por conjuntos de bloques al azar y piedras de dimensiones variables, siendo esta característica un problema para el estudio de estas estructuras, ya que presentan un comportamiento no lineal. El análisis de las estructuras de mampostería histórica requiere de herramientas computacionales a menudo complejas y costosas que en muchos casos son difíciles de manejar, teniendo en cuenta esta condición de la gran variabilidad de la mampostería. La presente tesis presenta una estrategia para enfrentar la problemática de la caracterización de la respuesta de la mampostería. En primer lugar los objetivos y la motivación del estudio se presentan, seguido de un breve estado del arte sobre las técnicas de homogeneización y enfoques en el rango elástico e inelástico, comentando las ventajas y desventajas de ambos enfoques. Despues, la caracterización de la mampostería y el análisis estadístico de las dimensiones de las unidades de piedra de las paredes de Guimarães castillo se llevan a cabo. Seguido por el análisis límite homogeneizado de elementos de volumen representativo (RVE) de la pared de la Alcáçova que pertenece al Guimarães con el fin de obtener la superficie de falla en el plano y la superficie de falla fuera del plano considerando diferentes orientaciones de carga y una carga incremental de compresión respectivamente, en el caso de mampostería con mortero de débil y fuerte de forma se consideran por separado uno de otro. Posteriormente, el análisis límite se llevó a cabo en dos modelos numéricos de Alcáçova pared, siendo el primero construido con un material heterogéneo y la segundo con un material homogéneo que se obtuvo por medio del análisis límite homogeneizado de los elementos de volumen representativos. El propósito es determinar la fiabilidad de los resultados, carga limite y mecanismos de falla, a partir del modelo homogéneo, en comparación con el modelo heterogéneo. Por último, las conclusiones del estudio se presentan.