Numerical modelling of masonry vaults strengthened with transversal diaphragms

Abstract

Masonry vaults and arches are one of main structural elements present in most of historical constructions. Due to the impact of time, load and other construction features their strength capacity decreases making them more vulnerable to failure. Deflection and dislocation of units create internal condition of higher stress state, which in consequence can lead to premature collapse. That is why, to maintain the role of the vaults and arches and prevent them from failure, strengthening is needed. During the strengthening evaluation it cannot be forgotten that historical constructions are part of our cultural heritage and engineers are required to follow the conservation doctrine of minimum intervention. This condition involves detailed studies before proceeding with application of strengthening. Within, this framework, numerical modelling appears as a very useful method to define the accuracy of the intervention before it is applied. The main objective of this thesis is numerical study of masonry arches and vaults strengthened by means of extrados stiffening diaphragms. Preparation and validation of numerical models was done according to an experimental arch tested by Paolo Girardello at University of Brescia, Italy. Based on the experimental parameters and geometry, two numerical models, built up on macroand micro- approaches, were constructed in DIANA Finite Element Analysis program. The purpose of making two models was comparison of structural response of each one to monotonic, incremental load and conclude on usefulness of macro-modelling approach for masonry arch-type constructions. Further, analysis of the efficiency of strengthening techniques throughout the non-linear analysis on both model types was performed. As a final step, parametric study of the strengthening technique was done for the macro-model of the arch. Data comparison between analyzed reinforced models was conducted and final conclusions on which parameter affects the structural response are stated.

Os arcos e as abóbadas de alvenaria são dos principais elementos estruturais presentes na maioria das construções históricas. Devido às ações atuantes, efeito dapassagem do tempo e outrosaspetos da construção, a sua capacidade resistente diminui progressivamente tornando-os mais vulneráveis do ponto de vista estrutural. Movimentos parciais de partes dos arcos podem criar condições para um maior estado de tensão, que por consequência pode levar ao colapso prematuro. Neste sentido, o reforço surge como uma possibilidade para manter a função estrutural das abóbadas e arcos e impedi-los de ruir. Durante a avaliação da necessidade de reforço, não pode ser esquecido que as construções históricas são parte da nossa herança cultural e que aos técnicos se pede que observem a doutrina da intervenção mínima na conservação. Esta condição envolve estudos detalhados antes de se prosseguir com a aplicação de reforço. Dentro deste quadro, a modelação numérica aparece como um método muito útil para definir a precisão da intervenção antes desta se realizar. O principal objetivo desta tese consiste no estudo numérico de arcos e abóbadas de alvenaria reforçadas por meio de diafragmas rígidos colocados no extradorso. A preparação e validação dos modelos numéricos foi feita de acordo com os resultados de um arco testado experimentalmente por Paolo Girardello da Universidade de Brescia, Itália. Com base nos parâmetros experimentais e geometria, foram construídosdois modelos numéricos no software DIANA, seguindo as estratégias de macro e micro-modelação. O propósito de fazer dois modelos foi permitir a comparação da resposta estrutural de cada modelo para carga monotónica incremental e concluir sobre a utilidade de uma abordagem baseada em macro-modelos para construções de alvenariado tipo arco.Posteriormente, foi analisada a eficácia da técnica de reforço através da realização de análises não lineares em ambos os tipos de modelo. Foi ainda feito o estudo paramétrico do reforço usando macro-modelo do arco. Finalmente, fez-se a comparação dosresultados entre os modelos reforçados analisados e discutem-se em detalheos resultados obtidos.

Sklepienia i łuki murowane są jednym z głównych elementów strukturalnych w wielu konstrukcjach historycznych. W związku z upływem czasu, działania obciążeń oraz różnych cech konstrukcji nośność obiektów historycznych maleje sprawiając, iż stają się bardziej podatne na uszkodzenie. Ugięcia i przemieszczenia fragmentów konstrukcji tworzą podwyższony stan naprężenia, który w konsekwencji może prowadzić do przedwczesnego zniszczenia. Aby zachować strukturalną funkcję łuków i sklepień oraz uchronić je przed zniszczeniem niezbędne jest zastosowanie wzmocnień konstrukcyjnych. Podczas oceny sposobu wzmacniania nie można zapomnieć, że obiekty historyczne należą do naszego dziedzictwa kulturowego i inżynierowe są zobowiązani do przestrzegania doktryn konserwatorskich, w których minimum interwencji jest jednym z głównych kryteriów. Aby dostosować się do wymogów doktryn przed zastosowaniem jakiegokolwiek wzmocnienia szczegółowa analiza konstrukcji jest niezbędna. Dlatego też, analiza numeryczna wydaje się być najlepszym sposobem na określenie skuteczności wzmocnienia przed zastosowaniem go. Niniejsza praca magisterska pod tytułem: „Analiza numeryczna sklepień murowanych wzmocnionych membraną usztywniającą”, ma na celu analizę zwiększenia nośności ceglanych łuków i sklepień poprzez zastosowanie usztywniających membran zamocowanych po stronie grzbietowej łuku. Modele numeryczne stworzone na potrzeby niniejszego pracowania zostały przygotowane na podstawie łuków doświadczalnych testowanych przez Paolo Girardello na Universytecie w Brescia, Włochy. Bazując na geometrii i właściwościach materiałów otrzymanych z testów doświadczalnych dwa modele numeryczne, makro- i mikro-, zostały wykonane w programie DIANA Finite Element Analysis. Intencją utworzenia dwóch modeli było porównanie zachowania każdego z nich pod wpływem jednostajnie wzrastającego obciążenia oraz wyciągnięcie wniosków na temat użyteczności makro-modelu do analizy murowanych zakrzywionych konstrukcji. Następnym krokiem była analiza efektywności proponowanej techniki wzmacniania przy użyciu nieliniowej analizy wykonanej na obu modelach. Końcową czynnością, było przeprowadzenie analizy parametrycznej wzmocnienia wykonanej na makro-modelu. Ostatnim etapem przeprowadzonego badania jest porównanie otrzymanych wyników z wszystkich wykorzystanych modeli oraz ostateczny wniosek, który z parametrów konstrukcji wpływa w największym stopniu na odpowiedź strukturalną konstrukcji.