Modelling of the seismic performance of connections and walls in ancient masonry buildings

Abstract

Unreinforced masonry construction is predominant in many urban areas world-wide. Many of these constructions are vulnerable to earthquakes, which are the main cause of damage and loss of cultural heritage. Lessons learned from earthquake surveys proved that a satisfactory seismic performance is attained when the structure behaves as a monolithic box. This thesis tackles the problem of earthquake-impact on heritage masonry construction, starting from the basic consideration that efficient protection and strengthening can only be achieved with the proper knowledge of the behaviour of the structural elements and its connections. A numerical approach is proposed aiming at studying and further characterize the behaviour of stone masonry walls and anchors injected in masonry walls (used to strengthen connections between structural components). The knowledge provided by these studies is then applied in the seismic assessment of a typical masonry building. The numerical study of the in-plane behaviour of masonry walls was carried out based on an experimental programme carried out at EUCENTRE. The finite element models, considering walls with distinct slenderness ratios and pre-compression levels, were calibrated against the experimental results. Good agreement between experimental and numerical results was achieved both considering the global force-displacement behaviour and failure mechanism. Moreover, the validated models were used to carry out parametric analyses varying the geometric wall configuration and pre-compression level and the influence of these parameters in the wall response was evaluated. The drift capacity of the walls numerically analysed was compared with the drift limits imposed by codes showing that drift limit recommended in codes for shear is not accomplished for all the walls. For this reason, some walls were analysed considering more realistic boundary conditions. In this cases, the drift limit was fulfilled for most of the walls. Finally, the usage of a simplified formulations to predict the strength capacity of walls is also addressed. The comparison between the numerical results with the lateral shear strength estimated by simplified models, demonstrated that these expressions can predict with very good approximation both the failure mode and the lateral resistance of a wall. The numerical study of injected anchors in masonry was supported by an experimental campaign carried out at University of Minho. This work resorted to a detailed finite element model, which reproduces the experimental test setup, validated against the experimental results. The modelling approach adopted allowed for an accurate characterization of the behaviour of all structural elements, both in terms of stress field and displacement distribution. Then, the numerical model was used as a “numerical laboratory”, where the sensitivity of the results to the input of material parameters, geometrical features and actions was analysed. Among all the conditions studied through the parametrical analyses, the anchor embedment depth was the parameter that most influences the structural behaviour of the system, increasing significantly the ultimate capacity. Finally, simplified analytical methods to estimate the strength capacity of injected anchors on masonry were reviewed and the achieved values and failure modes agreed reasonably well with the numerical analysis. Finally, the seismic assessment of a typical masonry building located in Lisbon was carried out. The seismic performance of this building was evaluated based on different assumptions related to the connections between structural components: lack of effective connections between elements, improved wall-to-wall connections and effective connections among all elements. Pushover analysis adopting the model that simulates the building response considering ineffective connections between structural elements showed rather low capacity when compared with the other models that include the strengthening of connections (either wall-to-wall or both wall-towall and wall-to-floor connections). These results demonstrated that the building seismic performance is significantly enhanced by the improvement of the connections behaviour, i.e. by accomplishing a monolithic box-like behaviour. Strengthening interventions for the improvement of the connections by installing injected anchors in masonry walls were also designed.

A conservação de edifícios antigos é um tema que tem suscitado um interesse crescente na comunidade em geral, pela necessidade de preservação do património edificado. As construções antigas de alvenaria não reforçada são predominantes em muitas cidades mundiais, e devido à sua vulnerabilidade às ações sísmicas, a avaliação da sua segurança torna-se essencial. Do estudo e análise do comportamento dos efeitos da ação sísmica neste tipo de edifícios, conclui-se que uma adequada resposta sísmica é alcançada quando a estrutura apresenta um comportamento monolítico. Este trabalho aborda o impacto sísmico em edifícios antigos de alvenaria, com o pressuposto base de que um reforço eficiente apenas se consegue com o conhecimento do comportamento dos vários elementos estruturais e sua interligação. Através da abordagem numérica proposta neste trabalho, pretende-se estudar e caracterizar o comportamento de paredes de alvenaria e soluções de reforço com ancoragens injetadas nestes elementos, uma vez que os estudos existentes são maioritariamente experimentais. O conhecimento obtido a partir destes estudos numéricos é depois aplicado na avaliação sísmica de um edifício típico de alvenaria. O estudo numérico do comportamento de paredes de alvenaria sujeitas a cargas no seu plano, baseou-se num programa experimental desenvolvido no EUCENTRE. Os modelos de elementos finitos utilizados foram calibrados com os resultados experimentais relativos a paredes com diferentes configurações geométricas e níveis de carga. Os modelos numéricos validados foram posteriormente utilizados em análises paramétricas, variando a configuração geométrica e o nível de compressão na parede, o que permitiu avaliar a influência destes parâmetros na resposta da mesma. Foram também analisados os deslocamentos laterais das paredes e comparados com os limites regulamentares, constatando-se que estes limites nem sempre são cumpridos. Por este motivo, algumas paredes das foram reanalisadas numericamente considerando diferentes condições de fronteira na tentativa de aproximar o seu comportamento a uma situação mais real. Estes novos resultados demonstraram que os limites regulamentares são cumpridos para a grande maioria das paredes estudadas. Posteriormente os resultados numéricos foram comparados com obtidos através da aplicação de expressões analíticas. O estudo numérico de ancoragens injetadas em paredes de alvenaria teve como suporte a campanha experimental realizada na Universidade do Minho, tendo sido construído um modelo de elementos finitos detalhado, posteriormente calibrado com estes resultados experimentais. Dada a confiança no modelo numérico, este foi utilizado como laboratório numérico, onde foi avaliada a sensibilidade dos resultados aos parâmetros materiais, geométricos e ações, fornecendo informação importante na compreensão do comportamento deste sistema em diversas condições. De todas as condições estudadas, o comprimento de ancoragem foi o parâmetro que mais influenciou o comportamento global da parede. A capacidade das ancoragens foi estimada por métodos analíticos simplificados, que demonstraram razoável aproximação aos resultados numéricos. A avaliação sísmica de um edifício típico em alvenaria localizado em Lisboa foi realizada recorrendo a três modelos numéricos que incluem a adoção de diferentes considerações relativas às ligações entre elementos estruturais. A análise “pushover” adotando um modelo que simula a resposta do edifício considerando ineficientes as ligações entre elementos estruturais, revelou uma baixa capacidade sísmica quando comparada com os resultados dos modelos que incluem reforço de ligações. Deste modo, demonstra-se que a resposta sísmica do edifício é significativamente melhorada com o reforço das ligações, que conferem um comportamento monolítico à estrutura. Apresenta-se ainda o dimensionamento das soluções de reforço para as diversas ligações dos elementos estruturais do edifício, considerando a utilização de sistemas de ancoragem.