Hygro-thermo-mechanical analysis of masonry: experimental characterization and numerical simulations

Abstract

As construções de alvenaria espalham–se por todo o mundo, não só em estruturas históricas como também em edifícios contemporâneos. As fachadas de alvenaria constituem uma parte principal da envolvente do edifício, enquanto as paredes portantes funcionam como parte integrante do sistema estrutural. Além disso, as paredes externas estão expostas a ações ambientais que afetam a resposta estrutural e produzem degradação a longo prazo. Neste contexto, os processos higrotérmicos são de especial interesse, uma vez que podem levar a danos significativos. Portanto, a prevenção e reparação de danos relacionados com a temperatura e a humidade na alvenaria precisam de uma compreensão acurada de seu comportamento higrotérmico. Esta tese investiga o comportamento higro–termo– mecânico da alvenaria submetida a condições ambientais. A metodologia engloba a caracterização experimental, bem como simulações numéricas do transporte de calor e humidade e sua influência no desempenho mecânico da alvenaria. A investigação centra–se na alvenaria de tijolo com dois tipos de argamassa, nomeadamente de cal hidráulica natural e de cimento. Como resultado do programa experimental, um conjunto consistente de propriedades do material foi obtido e posteriormente usado para validação de modelos numéricos. Em relação às simulações numéricas, um modelo de transporte de humidade por difusividade foi usado para reproduzir os resultados experimentais de absorção e secagem. Foi demonstrado que a difusividade precisa de ser ajustada de acordo com o processo (absorção/secagem). Além disso, a interface tijolo–argamassa introduz uma resistência hidráulica para a absorção. Um modelo higrotérmico totalmente acoplado foi utilizado para simular a transferência de calor e massa em uma parede de alvenaria. O modelo higrotérmico foi alargado para incorporar efeitos mecânicos e um modelo higro–termo–mecânico acoplado unidirecionalmente foi utilizado para analisar a distribuição de tensões em elementos de alvenaria afetados por variações de temperatura e humidade. Demostrou-se que as condições higrotérmicas alteram significativamente a distribuição de tensões internas da estrutura. A investigação apresentada avança o conhecimento do comportamento higro– termo–mecânico da alvenaria e contribui para a caracterização de materiais e estruturas. A aplicação de técnicas de modelação comumente utilizadas para a análise estrutural de alvenaria oferece grandes possibilidades para o estudo de problemas de transporte de calor e humidade.

Masonry constructions are spread all around the world, not only in historical structures but in new buildings as well. Masonry facades make up a fundamental part of the building envelope, whereas load–bearing walls work as an integral part of the structural system. Additionally, the external walls are usually exposed to environmental actions that affect the structural response and produce degradation in the long–term. In this context, hygrothermal processes are of special interest since they may lead to significant damage. Thus, prevention and repair of heat– and moisture–related damage in masonry requires a thorough understanding of its hygrothermal behaviour. This thesis investigates the hygro– thermo–mechanical behaviour of masonry subjected to environmental conditions. The methodology encompasses experimental characterization as well as numerical simulations of heat and moisture transport and their influence on the mechanical performance of masonry. The research focuses on brick masonry with two types of mortar, namely natural hydraulic lime and cement mortar. The experimental program included tests on constituent materials and multi–layered masonry specimens. As a result, a consistent dataset of material properties was obtained and later used for input and validation of numerical models. Regarding the numerical simulations, a diffusivity moisture transport model was used to reproduce water absorption and drying in single materials and multi–layered cases. The model was calibrated and validated against the experimental results. It was demonstrated that the diffusivity function needs to be adjusted depending on the process (wetting/drying). Moreover, the brick–mortar interface works as a hydraulic resistance for water absorption. A fully–coupled hygrothermal model was employed to simulate heat and mass transfer in a brick masonry wall. The hygrothermal model was extended to incorporate mechanical effects and a unidirectionally coupled hygro–thermo–mechanical model was used to analyse the stress distribution of masonry elements as affected by temperature and moisture loads. It was shown that the imposed hygrothermal conditions significantly change the internal stress distribution of the structure. The presented research advances our understanding of hygro–thermo–mechanical behaviour of masonry and thus contributes to the characterization of masonry materials and structures. The application of modelling strategies commonly used for the structural analysis of masonry offers great possibilities for the study of heat and moisture transport problems.