Experimental methods for investigating the effects of soil settlements and vibrations in cultural heritage buildings, induced by underground structures

Abstract

Structural assessment for cultural heritage structures, in the proximity of operating underground railways is twofold, by induced soil movements, from tunneling construction, and by fatigue, through induced ground-borne vibrations, from railway operations. Both hazards are found interacting, with effects on durability. Yet, a multi-hazard response assessment remains an open challenge, since many constitutive material models do not account for cyclic deterioration. This thesis is focused on field monitoring, experimental testing and analytical applications, with the aim of obtaining a clear knowledge on the in-plane capacity and damage, in simulated, historic, brick masonry and lime mortar specimens. First, fatigue tests in diagonal compression in wallets, replicated different levels of cyclic and static loading. Second, in-plane tests on a differential displacement uplift were conducted in piers and spandrel masonry specimens and the effectiveness of repair and strengthening, namely of grouting injections and a Fiber Reinforced Cementitious Matrix system (FRCM), were assessed. Considering the fatigue tests in diagonal compression, under medium to high amplitudes of induced ground-borne vibrations and high static loads, they have resulted in cracking, at relatively low number of cycles. As for the experimental works on the in-plane behavior in piers and spandrel specimens, under a vertical uplift, a sequential in-plane failure is identified through flexural and shear cracking in the spandrel, together with a final, sliding, shear crack in one of the piers, while the repair and strengthening schemes, both were tested effective, providing sufficient shear capacity and displacement ductility.

O avaliação estrutural do património arquitetónico, nas proximidades das ferrovias subterrâneas em operação, é duplo, seja por subsidência do solo devido à construção de túneis, seja pela fadiga, provocada por vibrações induzidas no solo, por operações ferroviárias. Ambos os perigos estão interagindo, com efeitos na durabilidade. No entanto, uma avaliação da resposta a múltiplos perigos é um desafio em aberto, dado muitos modelos constitutivos de materiais não considerarem a deterioração cíclica. Esta tese foca-se nas campanhas de monitoramento e experimental, e em aplicações analíticas, com o objetivo de obter um conhecimento claro sobre a resistência no plano e dano, em provetes de alvenaria de tijolo e argamassa de cal históricos. A primeira relativa a ensaios de compressão diagonal com fadiga em muretes, com diferentes níveis de carga cíclica e estática. Na segunda campanha, foram realizados ensaios no plano com assentamento diferencial de elevação em provetes representativos de nós coluna-viga de paredes de alvenaria, e foi avaliada a eficácia de reparação e reforço, nomeadamente de injeções de calda e de sistemas de matriz cimentícia reforçada com fibras (FRCM). Considerando os ensaios de compressão diagonal com fadiga, sob amplitudes médias a altas de vibrações induzidas no solo e elevadas cargas estáticas, ocorreu fissuração a um número de ciclos relativamente baixo. Relativamente à campanha experimental sobre o comportamento no plano dos provetes pilar-coluna, sob deslocamento de elevação, observou-se uma sequência de falhas, através de fissuras por flexão e corte nas vigas, em conjunto com uma fissura final, deslizante, devido a corte, num dos pilares, enquanto as soluções de reparação e reforço, ambos provaram ser eficazes, proporcionando resistência ao corte e ductilidade suficientes.