Análise não linear dinâmica de edifícios antigos de alvenaria com recurso ao método de integração explícito

Abstract

As estruturas de alvenaria não reforçadas apresentam uma vulnerabilidade sísmica elevada, quando comparadas a outro tipo de edifícios. Devido ao comportamento frágil da alvenaria e às técnicas construtivas, os edifícios de alvenaria tendem a sofrer danos substanciais durante a ocorrência do sismo, podendo até levar mesmo ao seu colapso parcial ou total. No estudo numérico para a avaliação do desempenho sísmico de edifícios de alvenaria, por exemplo irregulares em planta e/ou em altura, através da análise não linear dinâmica com integração no tempo, os métodos de integração direta no tempo (implícitos e explícitos) são os mais utilizados e os mais eficazes. Em geral, o método de integração implícito é o mais indicado para o estudo dinâmico de estruturas de alvenaria. No entanto, apesar de apresentar resultados com mais estabilidade e precisão, requer um elevado tempo de análise devido ao esforço computacional necessário para a resolução do sistema de equações não linear. Posto isto, é importante o estudo da utilização do método explicito para a resolução deste tipo de problemas, pois este método exige um esforço computacional relativamente inferior quando comparado com o anterior. Tendo em consideração o referido anteriormente, nesta dissertação foi avaliado o desempenho do método explicito aplicado a um conjunto de elementos estruturais (nembos) presentes num edifício de alvenaria, relativamente à resposta obtida através de analises implícitas (sem consideração da não linearidade geométrica, devido ao elevado esforço computacional e dificuldades de convergência), utilizando o programa de cálculo Abaqus. Foram testados vários parâmetros e ferramentas por forma a selecionar um conjunto de métodos com a estabilidade e precisão necessárias para simular o comportamento destes elementos durante a ação do sismo. Este estudo incidiu-se nos principais mecanismos de colapso, ou seja, falhas no plano por corte diagonal e derrube por flexão, e falhas para fora do plano através de um mecanismo de uma rótula na base e um mecanismo de três rótulas (topo, aproximadamente no centro e base). Os resultados obtidos demonstraram que, para as falhas no plano, o tipo de controlo dos modos espúrios não apresenta uma grande relevância na resposta da análise. No entanto, é importante a seleção de um valor adequado para o parâmetro de amortecimento β e para a viscosidade volumétrica (bulk viscosity), pois, estes influenciam as repostas dos modelos, principalmente na duração da análise e os níveis de energia artificial. Relativamente às falhas para fora do plano, os resultados explícitos demonstraram problemas de estabilidade em comparação com os modelos implícitos, principalmente no estudo de deformações muito elevadas. Assim, considera-se importante dar continuidade deste estudo e apresentou-se recomendações para trabalhos futuros.

Unreinforced masonry (URM) structures exhibit a high seismic vulnerability when compared to other types of buildings. Due to the brittle behavior of masonry and construction techniques, masonry buildings tend to have substantial damage during seismic events, and they may even partially or completely collapse. In numerical studies for assessing the seismic performance of masonry buildings, especially those with irregularities in plan and/or height, dynamic nonlinear time integration analyses are the most commonly used and effective methods. In general, the implicit time integration method is preferred due to its stability and precision. However, despite providing more stable and accurate results, it requires a significant computational effort to solve the system of nonlinear equations. Thus, it is important to explore the use of the explicit method for solving such problems, as it demands relatively less computational effort compared to the implicit methods. In this dissertation, the performance of the explicit method was evaluated when applied to a set of structural elements (URM piers) of a masonry building. This evaluation compared the results from implicit analyses (without considering geometric nonlinearity due to the high computational effort and convergence difficulties) using the finite element software Abaqus. Various parameters and tools were tested to select a set of methods that provide the necessary stability and accuracy to simulate the behavior of the piers during seismic action. This study focused on the main collapse mechanisms, which are shear diagonal failure and flexural overturning, and out-of-plane failures with a hinge mechanism at the base and with a three-hinge mechanism (top, approximately in the middle, and base). The results showed that, for in-plane failures, the type of hourglass control does not have a significant impact on the response. However, the selection of an appropriate value for the Rayleigh damping parameter β and bulk viscosity is important, as they influence the model responses, especially in terms of analysis duration and artificial energy levels. Regarding out-of-plane failures, the explicit results demonstrated stability issues when compared to implicit models, particularly in the study of very high deformations. Therefore, it is important to continue this study following the provided recommendations for future work.