Evaluation of the seismic response of masonry cross vaults through shaking table tests and numerical analysis

Abstract

As abóbadas de aresta de alvenaria representam elementos estruturais que continuam a surpreender os observadores, porém a investigação sobre este tópico ainda é limitada. Sendo vulneráveis aos sismos, a sua salvaguarda é crucial, uma vez que podem causar vítimas e perdas significativas. Esta tese tem por objetivo estudar o comportamento sísmico de abóbadas de aresta submetidas à ação de corte e avaliar a eficiência de uma técnica de reforço através de ensaios sísmicos e da análise numérica. O programa experimental incluiu uma abóbada à escala reduzida, impressa em 3D, com juntas secas e uma abóbada à escala real com juntas de argamassa e tijolos maciços, reparada com injeções e reforçada com reboco armado. A resposta experimental da abóbada reduzida foi analisada em termos de mecanismo de colapso, capacidade sísmica e deslocamentos relativos, e forneceu dados para calibrar os modelos numéricos tridimensionais, nomeadamente o micromodelo de elementos finitos (MEF) e o modelo de elementos discretos (MED), e para realizar análises dinâmicas não lineares. Verificou-se que a calibração da rigidez das juntas, efetuada com base nas propriedades modais, se revelou decisiva para os modelos numéricos. Observou-se ainda que a influência do amortecimento não é relevante para elementos com junta seca. O MEF mostrou ser preciso. No entanto o MED reproduziu melhor o dano e o instante em que este ocorreu. O estudo sobre a influência de diferentes sismos com recurso ao MED, permitiu verificar que o colapso apresenta valores semelhantes da velocidade de pico da acção sísmica, apresentando-se como um parâmetro estável para a avaliação sísmica abóbadas. Na escala real, a abóbada reforçada apresentou uma redução do indicador de dano de 20% relativamente à abóboda não reforçada, para a mesma ação sísmica. Para a mesma amplitude, a abóbada reforçada apresentou apenas fissuras ligeiras, contrariamente ao dano severo da abóboda não reforçada. O reboco armado melhorou o desempenho da abóbada, aumentado a sua capacidade, e resultando eficaz para a redução da vulnerabilidade sísmica das abóbadas. Do ponto de vista numérico, avaliou-se a simulação do mecanismo de colapso e a evolução do dano, que apresentam uma boa correspondência em termos de extensões principais (MEF) e abertura e fecho das juntas (MED). Os deslocamento relativos obtidos através do MEF e do MED são conservadores em comparação com resultados dos ensaios em mesa sísmica. O MED com o critério de rotura clássico de Mohr-Coulomb apresentou maior dificuldade em replicar os deslocamentos últimos e o comportamento histerético do que o comportamento material combinado de Morh-Coulomb com corte, esmagamento e fendilhação, o qual melhorou os resultados em termos de deslocamento e capacidade. Demonstrou-se que o MEF é preciso o suficiente para o estudo do comportamento dinâmico não linear de abóbadas não reforçadas e não reforçadas e reforçadas, no entanto exige um elevado esforço computacional.

Masonry cross vaults are structural elements that still amaze observers, but the research on this topic is still narrow. Being vulnerable to seismic events, their safety is crucial because they may cause casualties and significant losses. This thesis provides insight into the seismic behaviour of cross vaults subjected to in-plane shear action and evaluates the efficiency of a strengthening technique using laboratory tests and numerical analysis. The experimental program involved a 3D printed reduced-scale vault with dry joints and a full-scale vault built with mortar joints and solid bricks. The latter was repaired with grout injections and strengthened with textile-reinforced mortar (TRM). The experimental response of the reduced-scale vault was analysed in terms of collapse mechanism, seismic capacity, and drift values, and provided data to calibrate three-dimensional numerical models, namely a micro-modelling finite element model (FEM) and a discrete element model (DEM), and to perform non-linear time history analyses. The calibration of the stiffness of the joints, based on modal properties, resulted to be crucial for the performance of the models. It was also found that damping is not relevant while dealing with dry joint specimens. FEM model showed to be accurate. However, DEM model better reproduced the damage and time occurrence. Studying the influence of different ground motions on the DEM model of the reduced vault, similar peak ground velocities were found at the collapse, indicating a stable parameter for the seismic assessment of vaults. Concerning the full-scale vault, the strengthened vault presented a reduction of damage indicator of about 20%, compared with the unstrengthened one, for the same seismic action. For the same amplitude, the strengthened vault presented only light cracks, compared to the severe damage of the unstrengthened. TRM enhanced the performance of the vault, providing further capacity and resulting to be an effective solution for reducing the seismic vulnerability of cross vaults. From the numerical point of view, the simulation of the collapse mechanism and damage evolution were assessed, matching in terms of principal strains (FEM), and opening and closing of the joints (DEM). The drifts obtained for both FEM and DEM numerical models are conservative in comparison with the shaking table tests. DEM model with classic Mohr-Coulomb criterion presented more difficulties in replicating the ultimate displacements and the hysteretic behaviour than the combined material behaviour of Mohr-Coulomb with shear, crushing and cracking, which enhanced the results in terms of displacement and capacity. It was demonstrated that FEM model is enough accurate for the study of the non-linear dynamic behaviour of unstrengthened and strengthened masonry vaults but requiring a high computational effort.