Characterization of the seismic behaviour of traditional timber frame walls

Abstract

Timber frame structures constitute an important cultural heritage of many countries, since they represent a typical anti-seismic construction adopted worldwide. Therefore, the preservation of these structures is of the utmost importance. Although recent earthquakes have pointed out the good seismic behaviour of this kind of structures, few experimental studies are available on the performance of traditional half-timbered walls and their retrofitting solutions. Aiming at filling this research gap and at better understanding the behaviour of these historic elements under seismic loads, an extensive experimental campaign has been carried out, performing in-plane cyclic tests on real scale half-timbered and timber frame walls, adopting connections and dimensions found in real structures and considering different infill types (brick masonry and lath and plaster). Moreover, considering possible damages caused by earthquakes, after the unreinforced tests, the walls were retrofitted and re-tested to compare the efficiency of the retrofitting solutions in terms of maximum load, ductility, cyclic stiffness, energy dissipation and equivalent viscous damping. Both traditional and innovative retrofitting techniques were adopted, namely bolts, steel plates and near surface mounted steel flat bars. Moreover, since the behaviour of the walls was governed by their connections, in-plane cyclic and pull-out tests were performed on traditional connections used in the walls. Additional retrofitting techniques were adopted, such as self-tapping screws and glass fibre sheets, to overcome some limitations found during the in-plane tests on the walls. From the experimental results, an analytical hysteretic model was derived, based on the modification of existing models and calibrated on experimental results. This can be used in simplified numerical models to represent the hysteretic response of the walls. Finally, numerical analyses were performed on timber frame walls with and without infill. The models were calibrated on the experimental results. Parametric analyses were then performed taking into account different variables.

Os edifícios com paredes de madeira tradicionais constituem um importante património cultural de muitos países, uma vez que representam uma construção anti-sísmica típica adoptada mundialmente. Portanto, a preservação dessas estruturas é de extrema importância. Embora os terremotos recentes tenham apontado o seu bom comportamento sísmico, relativamente poucos estudos experimentais estão disponíveis sobre o desempenho sísmico das paredes tradicionais. Tendo como objectivo alargar a investigação e de obter uma melhor compreensão do comportamento destes elementos construtivos (paredes de frontal em edifícios Pombalinos) sujeitos a cargas sísmicas, foi realizada uma extensa campanha experimental composta por um conjunto de ensaios cíclicos no plano em escala real de paredes de frontal. Foram consideradas paredes sem preenchimento, utilizando ligações e dimensões encontradas em estruturas reais e considerando os diferentes tipos de enchimento (alvenaria de tijolo e fasquio). Por outro lado, considerando os possíveis danos causados em caso de terremoto, após os ensaios, as paredes foram reforçadas e ensaiadas novamente para comparar a eficácia das soluções de reforço em termos de carga máxima, ductilidade, rigidez cíclica, dissipação de energia e de amortecimento viscoso. Foram adoptadas técnicas de reforço tradicionais e também inovadoras, nomeadamente parafusos, chapas de aço e barras de aço inseridas ao nível das ligações. Além disso, uma vez que o comportamento das paredes é controlado pelas suas ligações, foram realizados ensaios cíclicos no plano e ensaios de pull-out em ligações tradicionais utilizadas nas paredes. Foram adoptadas técnicas de reforço adicionais, tais como parafusos auto-perforantes e folhas de fibra de vidro, para superar algumas limitações encontradas durante os ensaios cíclicos das paredes. A partir dos resultados experimentais, foi derivado um modelo de histerese analítico, com base na modificação de modelos existentes e calibrado com base em resultados experimentais. Este modelo pode ser utilizado em modelos numéricos simplificados para representar a resposta de histerese das paredes. Finalmente, foram realizadas análises numéricas em paredes de frontal com e sem preenchimento. Os modelos foram calibrados com os resultados experimentais. Foram realizadas análises paramétricas tendo em conta diferentes variáveis.