Performance-based approach on masonry buildings by means of experimental and numerical pushover analysis

Abstract

Os edifícios de alvenaria não aramada constituem uma percentagem significativa do parque imobiliário e têm uma extensa história. Avanços recentes na investigação experimental e numérica fizeram progressos notáveis no projeto de estruturas sismo-resistentes e na construção de edifícios de alvenaria não armada. Este trabalho investiga o efeito da irregularidade do plano, um dos principais parâmetros que influenciam o comportamento sísmico dessas estruturas, avaliando as implicações da torção na resposta devido à irregularidade do plano. O presente trabalho pretende colmatar a lacuna de investigação associada a ensaios quase estáticos em edifícios de alvenaria não armada com diafragma rígido e irregularidade em planta. O programa experimental incluiu caracterização dos materiais, testes cíclicos quase estáticos, testes de identificação dinâmica e correlação de imagens digitais num modelo experimental em escala reduzida (1:2). A partir dos resultados dos cíclicos quase estáticos, foi possível obter o comportamento pós-pico do edifício e definir estados limite de desempenho associados a determinado nível de deformação e consequente dano. Os limites de desempenho foram considerados inferiores aos indicados nos códigos e que estão associados a mecanismos rotura no plano. Considerase que a definição dos limites de desempenho deve ser realizada em termos de mecanismos de dano combinados e não apenas no comportamento no plano de componentes individuais no caso de um edifício com um diafragma rígido e com irregularidade no plano. Um conjunto de dados consistente foi obtido e posteriormente utilizado para calibração e validação de modelos numéricos, nomeadamente propriedades de materiais, parâmetros chave que caracterizam resposta quase estática do modelo experimental e parâmetros resultantes da identificação dinâmica do modelo experimental. No que diz respeito à análise numérica, para além de uma comparação de diferentes abordagens de modelação com o objetivo de avaliar diferenças nos resultados de modelação de edifícios de alvenaria, foi elaborado um modelo numérico do edifício experimental com base em elementos finitos. Para este efeito, optou-se pela abordagem de macro modelação contínua para simular a resposta experimental, tendo-se obtido resultados confiáveis. Os ensaios de identificação dinâmica tiveram um papel muito importante na calibração dos modelos numéricos. Os resultados das análises experimentais e numéricas revelaram a importância de se considerar a interação entre a resposta no plano e fora do plano na avaliação do desempenho sísmico em edifícios de alvenaria com diafragmas rígidos.

Unreinforced masonry buildings constitute a significant percentage of global building stock and have an extensive history. These structures were built according to intangible and intuitive principles, shaped by generations of experience, traditional methods, and cultural knowledge. Recent advances in experimental and numerical research have made noteworthy progress in earthquake-resistant design and construction of these buildings. Following past earthquakes, seismic codes encourage the design of regular structures, which is an idealised concept and often challenging to achieve in the context of unreinforced masonry (URM) buildings. This thesis investigates plan irregularity, one of the key parameters influencing the seismic behaviour of such structures, assessing the implications of torsional effects on response due to plan irregularity. This research integrates experimental study with numerical simulations, such as cyclic quasi- static testing and pushover analyses. While shake-table tests have been common in experimental testing, the present thesis intends to address the research gap linked to quasi-static tests on unreinforced masonry buildings with rigid diaphragm and plan irregularity. The experimental programme included characterisation of the materials, cyclic quasi-static testing, dynamic identification tests, and digital image correlation on a half-scale two-story residential building. By performing cyclic quasi-static testing, the post- peak behaviour of the building was achieved, and performance limits were identified. The performance limits were found to be lower than those ruled by the codes relevant to in-plane mechanisms. It is considered that the definition of damage limits should be carried out in terms of combined damage mechanisms rather than solely on the in-plane behaviour of single components when a rigid diaphragm and plan irregularity are present. As a result, a consistent dataset of material properties, quasi-static response, and modal behaviour was obtained and later used for input and validation of numerical models. Concerning numerical modelling, besides a benchmark among different numerical approaches aiming at analysing discrepancies in results in modelling masonry buildings, a representative finite element method model of the experimental building was prepared. The continuum macro-modelling approach simulated the experimental response effectively and reliable results were achieved. Dynamic identification tests played a significant role in the calibration of the numerical models where model updating was carried out considering tuning modulus of elasticity. The findings from both experimental and numerical analyses highlighted the importance of considering in-plane and out-of-plane responses of masonry buildings with rigid diaphragms when performance-based assessment is of relevance in the structural analysis.