Analysis of retrofitting solutions to enhance the seismic behavior of masonry-to-timber connections in historical constructions

Abstract

A modelação e interpretação de soluções de reforço em edifícios sismicamente vulneráveis é uma tarefa complexa e incerta, mas fundamental para compreender a sua influência no desempenho sísmico global e local de edifícios. Os edifícios históricos são vulneráveis a sismos, especialmente ao desenvolvimento de mecanismos locais para fora do plano. Esta tendência é devida à debilidade das ligações paredeparede e parede-diafragma horizontal (W-D), essencialmente concebidas para cargas gravíticas. A análise global de edifícios de alvenaria não reforçada é convencionalmente realizada negligenciando as propriedades não lineares das ligações estruturais, enquanto a análise local é habitualmente realizada através de modelos de ligação simplificados, conduzindo possivelmente a resultados muito conservativos. Nesta tese estuda-se a influência das ligações W-D através de análises numéricas avançadas de um edifício de referência, com base numa revisão bibliográfica abrangente e dados experimentais disponíveis. Os modelos numéricos histéricos, calibrados com base em curvas experimentais cíclicas, conseguem reproduzir adequadamente as curvas força-deslocamento envolventes, a degradação de força e a capacidade de dissipação de energia. A análise global é realizada através de análises estáticas e dinâmicas não-lineares, capazes de incluir ligações W-D, obtendo-se a capacidade global do edifício e os correspondentes padrões de dano. Por outro lado, a análise local, baseada no princípio dos trabalhos virtuais, é aplicada como um procedimento eficiente, rápido e simples para a avaliação das ligações WD reforçadas. Uma abordagem mais avançada, baseada na estabilidade dinâmica de blocos rígidos é ainda adotada para realçar os possíveis efeitos dinâmicos de mecanismos de colapso para fora do plano, incluindo ligações W-D não lineares. A solução da ligação reforçada em estudo revela ser uma solução eficaz e pouco invasiva, capaz de aumentar claramente a segurança sísmica de mecanismos de colapso para fora do plano. A avaliação baseada em deslocamentos, através da análise cinemática e considerando a possível amplificação dinâmica da carga sísmica, revela ser um procedimento de dimensionamento dos mais simples e básicos, capaz de fornecer o conhecimento necessário do estado atual a mesma e os parâmetros de dimensionamento da solução reforçada.

The modelling and interpretation of retrofitting solutions in seismically vulnerable buildings is complex and uncertain but fundamental for understanding their actual influence in the global and local seismic performance of buildings. Historical buildings are frequently prone to earthquakes, especially developing out of plane local mechanisms of structural elements. This tendency is due to weak wall-to-wall and wallto- horizontal diaphragm (WD) connections, mainly solely designed for gravitational loads. Global analysis of unreinforced masonry buildings is conventionally carried out neglecting the nonlinear properties of structural connections, while local analysis is commonly performed through simplified connection models, possibly leading to overconservative results. In this thesis, the influence of WD connections is studied through simplified and advanced numerical analyses on a benchmark building, on the bases of a comprehensive literature review and available experimental data. Hysteretic numerical models, calibrated upon cyclic experimental curves, carefully fit the force-displacement backbone curves, the strength degradation and the energy dissipation capacity. Global analysis is performed through nonlinear-static and nonlinear dynamic analyses, capable of including WD connections, and providing the overall capacity of the building and the corresponding damage pattern. On the other hand, local analysis, based on the virtual work principle, is applied as an efficient, rapid and simple procedure for the assessment of existing and strengthened WD connections. A more advanced approach, based on the dynamic stability of rigid block is further adopted to better highlight the possible dynamic effects of out-of-plane mechanisms including nonlinear WD connections. The strengthened solution under study reveals to be a prominent and low-invasive solution capable of strongly increasing the seismic safety index of out-of-plane mechanisms. Displacement-based assessment, through kinematic analysis, accounting for possible dynamic amplification of the seismic load reveals to be one of the most simple and basic design procedures capable of providing the necessary knowledge of the current state and the design parameters of the strengthened solution.