Ductile connection characterization regarding seismic retrofitting of masonry buildings

Abstract

Anthropological reasons apart, earthquakes are one of the most devastating causes of damage to monuments and historical constructions, and, as a consequence, lead to significant cultural, human, and economical losses. Protection of such structures against seismic excitations is thus an important factor regarding life safety and the conservation of our historical heritage. Efficient connections between structural elements can highly reduce the seismic vulnerability of masonry buildings by enhancing the out of plane behaviour of the walls regarding lateral loads which are presented as the principal cause of failure in this type of structure. In spite of the importance of structural connections regarding the global behaviour of historical constructions under seismic actions, research in this field is almost nonexistent and needs to be developed. The objective of this thesis is to study the seismic response to a ductile connection used to connect tie-rods to masonry walls in the scope of seismic retrofitting of historical constructions and to analyse its behaviour in comparison to the behaviour of the other structural elements. In seismic vulnerability assessment, numerical models are of great importance and providing characterizations of such connections would be of considerable interest to architects and engineers in order to more accurately design a seismic retrofit and thus be able to predict and avoid expected damage. Using a preliminary numerical model as a bench mark, the prototype was tested under monotonic and cyclic loading in order to reproduce similar excitations encountered during an earthquake. Based on the experimental campaign, a numerical model was developed and calibrated using the FE method. The comparison between the updated model and the experimental results helped to understand the fact that to a greater extent than the plasticization of the material, the parameter dissipating energy during the cycles is the friction between the plate and the walls. It was concluded that this innovative ductile connexion was not as effective as had been expected in terms of seismic behaviour on account of the large residual displacements observed after a cyclic loading. Therefore, an alternative solution is proposed as well as implementation recommendations.

À parte das razões antropológicas, os sismos são uma das maiores causas de dano para os monumentos e construções históricas, levando a perdas significativas a nível económico, cultural e humano. A proteção deste tipo de estruturas face às ações sísmicas é um fator relevante para a segurança e conservação do património histórico. A eficiência das ligações entre elementos estruturais pode amplamente reduzir a vulnerabilidade sísmica dos edifícios, através do melhoramento do comportamento para fora do plano das paredes de alvenaria, atenuando o principal modo de colapso destas estruturas quando sujeitas a ações horizontais. Apesar da importância das ligações estruturais no contexto do comportamento global de construções históricas quando sujeitas a ações sísmicas, a investigação neste campo é escassa e necessita de ser claramente ampliada. Para avaliação da vulnerabilidade sísmica a utilização de modelos numéricos é de grande importância. A caracterização e a definição do comportamento real a nível numérico são fundamentais para os projetistas, uma vez que estes necessitam de uma previsão adequada do comportamento das ligações e da sua influência no comportamento estrutural para evitar o dano. O objetivo da presente dissertação é estudar a resposta de uma ligação dúctil (placa de ancoragem) utilizada para ligar tirantes a paredes de alvenaria, passível de ser utilizada no reforço sísmico de construções históricas, analisando o seu comportamento sísmico de uma forma integrada com o comportamento dos restantes elementos estruturais. Partindo de um modelo numérico preliminar desenvolvido de raiz e usando-o como um ponto de referência, foram realizados ensaios monotónicos e cíclicos para a caracterização estrutural da ligação. Com base na campanha experimental, o modelo numérico foi calibrado. A comparação entre o modelo calibrado e os resultados experimentais ajudou a compreender a resposta estrutural da ligação, o mecanismo de colapso, a dissipação de energia durante os ciclos, entre outros. Com a presente dissertação concluiu-se que a ligação dúctil estudada, em termos de comportamento sísmico, não teve a resposta estrutural esperada, uma vez que foram observadas das grandes deformações residuais, tendo sido apresentada uma solução alternativa, bem como recomendações para a sua implementação.

Sans parler des raisons anthropologiques, les tremblements de terre sont une des causes les plus dévastatrices des dégâts occasionnés aux monuments et constructions historiques, ce qui engendre en conséquence d’importantes pertes en termes humain, culturel et économique. Protéger ces structures est, par conséquent, un facteur de grande importance vis-à-vis de la sécurité de la population et de la conservation de notre patrimoine culturel. La vulnérabilité séismique des bâtiments en maçonnerie peut être réduite de manière conséquente en connectant efficacement les différents éléments structuraux ce qui a pour conséquence d’améliorer le comportement des murs vis-à-vis des déformations hors du plan. Malgré l’importance de ces connexions au regard du comportement global des constructions historiques soumises à une action séismique, la recherche dans ce domaine est presque inexistante et nécessite d’être développé. L’objectif de cette thèse est d’étudier la réponse séismique d’une connexion flexible, utilisé pour ancrer les tirants aux murs de maçonnerie, dans le but d’un renforcement séismique de bâtiments historique et de comparer son comportement vis-à-vis des autres éléments structuraux. Les model numériques sont d’une grande importance au regard des études de vulnérabilité séismique et la définition des caractéristiques de telles connexions pourrait être d’une grande contribution pour les architectes et ingénieur afin d’être plus proche de la réalité dans leur démarche de conception et en conséquence prévoir et éviter de nombreux dégâts. En se servant d’un modèle numérique préliminaire comme repère, le prototype a été testé sous un chargement cyclique afin de reproduire une excitation similaire à celle ressentie lors d’un tremblement de terre. Basé sur cette campagne expérimentale, le modèle numérique a ensuite été développé et calibré utilisant la méthode des EF. La comparaison entre le modèle final et les tests menés a permis de démontrer qu’à plus grande échelle que la plastification de l’acier, le paramètre permettant de dissiper de l’énergie était la friction entre l’assiette ductile et le mur. Pour conclure, il est démontré que cette connexion innovatrice ne fonctionne pas aussi bien que prévu au regard de son comportement séismique du fait des grandes déformations résiduelles observées après chaque cycle de charge.