Experimental analysis of fiber reinforced cementitious matrix (FRCM) confined masonry columns

The increasing use of Fiber Reinforced methods for strengthening existing brick masonry walls and columns, especially for the rehabilitation of historical buildings, has generated considerable research interest in understanding the failure mechanism in such systems. This dissertation is aimed to provide a basic understanding of the behavior of solid brick masonry walls unwrapped and wrapped with Fiber Reinforced Cementitious Matrix Composites. This is a new type of composite material, commonly known as FRCM, featuring a cementitious inorganic matrix (binder) instead of the more common epoxy one. The influence of the FRCM-reinforcement on the load-carrying capacity and strain distribution during compression test will be investigated using a full-field optical technique known as Digital Image Correlation. Compression test were carried on 6 clay bricks columns and on 7 clay brick walls in three different configuration, casted using bricks scaled respect the first one with a ratio 1:2, in order to determinate the effects of FRCM reinforcement. The goal of the experimental program is to understand how the behavior of brick masonry will be improved by the FRCM-wrapping. The results indicate that there is an arching action zone represented in the form of a parabola with a varying shape according to the used configuration. The area under the parabolas is considered as ineffectively confined. The effectively confined area is assumed to occur within the region where the arching action had been fully developed.

Seismic mitigation of existing masonry structures by means of added damping and stiffness

In this work seismic upgrading of existing masonry structures by means of hysteretic ADAS dampers is treated. ADAS are installed on external concrete walls, which are built parallel to the building, and then linked to the building's slab by means of steel rod connection system. In order to assess the effectiveness of the intervention, a parametric study considering variation of damper main features has been conducted. To this aim, the concepts of equivalent linear system (ELS) or equivalent viscous damping are deepen. Simplified equivalent linear model results are then checked respect results of the yielding structures. Two alternative displacement based methods for damper design are herein proposed. Both methods have been validated through non linear time history analyses with spectrum compatible accelerograms. Finally ADAS arrangement for the non conventional implementation is proposed.

Mechanical behaviour of composite spandrels in unreinforced masonry buildings

La presente tesi tratta il comportamento meccanico delle fasce di piano in muratura composite. Con tale termine ci si riferisce alle fasce di piano che hanno al di sotto un elemento portante in conglomerato cementizio armato, come ad esempio cordoli o solai. Assieme ai maschi murari, le fasce di piano costituiscono gli elementi portanti di una parete in muratura. Tuttavia, in caso di analisi sismica di un edificio in muratura, l’effetto fornito da tali elementi è trascurato e si considera solamente il contributo dei maschi murari. Ciò è dovuto anche alla scarsa conoscenza che ancora oggi si possiede sul loro comportamento meccanico. Per questo motivo diversi gruppi di ricerca tutt’ora sono impegnati in tale studio. In particolare, il lavoro di questa tesi, s’inserisce nel più ampio progetto di ricerca condotto dalla professoressa Katrin Beyer, direttrice del Laboratorio di Ingegneria Sismica e Dinamica Strutturale del Politecnico di Losanna (Svizzera).

Masonry columns confined by composite materials: Experimental investigation

This study wants to analyze the effectiveness of different reinforcement typologies for masonry columns, in particular Fiber-Reinforced Polymer (FRP) and FRCM. The behavior of 10 solid – brick columns that are externally wrapped by FRP sheets and 2 unreinforced columns are presented in this study. The specimens are subjected to axial load until failure occurs. Three different confinement schemes were experimentally analyzed in order to evaluate and compare the effectiveness of the proposed strengthening techniques: 1) Grid carbon FRP (CFRP_G); 2) Grid glass FRP (GFRP_G); 3) Uniaxial carbon FRP (CFRP_U). Two different configurations of the reinforcing system were investigated: FRP sheets are applied as external reinforcement along the perimeter of the masonry columns in the form of continuous and discontinuous wrap, respectively. The results, compared with those for un-reinforced columns, indicate an increases in ultimate load, stiffness and ductility.

"Experimental and computational approaches to historical masonry structures: A study in the direction of filling the gap"

The assessment of historical structures is a significant need for the next generations, as historical monuments represent the community’s identity and have an important cultural value to society. Most of historical structures built by using masonry which is one of the oldest and most common construction materials used in the building sector since the ancient time. Also it is considered a complex material, as it is a composition of brick units and mortar, which affects the structural performance of the building by having different mechanical behaviour with respect to different geometry and qualities given by the components.

Materiali Compositi a Matrice Cementizia per i Rinforzi Strutturali

L’utilizzo degli FRP (Fiber Reinforced Polymer) nel campo dell’ingegneria civile riguarda essenzialmente il settore del restauro delle strutture degradate o danneggiate e quello dell’adeguamento statico delle strutture edificate in zona sismica; in questi settori è evidente la difficoltà operativa alla quale si va in contro se si volessero utilizzare tecniche di intervento che sfruttano materiali tradizionali. I motivi per cui è opportuno intervenire con sistemi compositi fibrosi sono: • l’estrema leggerezza del rinforzo, da cui ne deriva un incremento pressoché nullo delle masse sismiche ed allo stesso tempo un considerevole aumento della duttilità strutturale; • messa in opera senza l’ausilio di particolari attrezzature da un numero limitato di operatori, da cui un minore costo della mano d’opera; • posizionamento in tempi brevi e spesso senza interrompere l’esercizio della struttura. Il parametro principale che definisce le caratteristiche di un rinforzo fibroso non è la resistenza a trazione, che risulta essere ben al di sopra dei tassi di lavoro cui sono soggette le fibre, bensì il modulo elastico, di fatti, più tale valore è elevato maggiore sarà il contributo irrigidente che il rinforzo potrà fornire all’elemento strutturale sul quale è applicato. Generalmente per il rinforzo di strutture in c.a. si preferiscono fibre sia con resistenza a trazione medio-alta (>2000 MPa) che con modulo elastico medio-alto (E=170-250 GPa), mentre per il recupero degli edifici in muratura o con struttura in legno si scelgono fibre con modulo di elasticità più basso (E≤80 GPa) tipo quelle aramidiche che meglio si accordano con la rigidezza propria del supporto rinforzato. In questo contesto, ormai ampliamente ben disposto nei confronti dei compositi, si affacciano ora nuove generazioni di rinforzi. A gli ormai “classici” FRP, realizzati con fibre di carbonio o fibre di vetro accoppiate a matrici organiche (resine epossidiche), si affiancano gli FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix), i TRM (Textile Reinforced Mortars) e gli SRG (Steel Reinforced Grout) che sfruttano sia le eccezionali proprietà di fibre di nuova concezione come quelle in PBO (Poliparafenilenbenzobisoxazolo), sia un materiale come l’acciaio, che, per quanto comune nel campo dell’edilizia, viene caratterizzato da lavorazioni innovative che ne migliorano le prestazioni meccaniche. Tutte queste nuove tipologie di compositi, nonostante siano state annoverate con nomenclature così differenti, sono però accomunate dell’elemento che ne permette il funzionamento e l’adesione al supporto: la matrice cementizia

Strumenti per la valutazione dello stato conservativo e per la manutenzione programmata dei ponti della Provincia di Bologna

La tesi tratta di strumenti finalizzati alla valutazione dello stato conservativo e di supporto all'attività di manutenzione dei ponti, dai più generali Bridge Management Systems ai Sistemi di Valutazione Numerica della Condizione strutturale. Viene proposto uno strumento originale con cui classificare i ponti attraverso un Indice di Valutazione Complessiva e grazie ad esso stabilire le priorità d'intervento. Si tara lo strumento sul caso pratico di alcuni ponti della Provincia di Bologna. Su un ponte in particolare viene realizzato un approfondimento specifico sulla determinazione approssimata dei periodi propri delle strutture da ponte. Si effettua un confronto dei risultati di alcune modellazioni semplificate in riferimento a modellazioni dettagliate e risultati sperimentali.

Modellazione numerica del comportamento di una struttura in muratura

In questi ultimi anni il tema della sicurezza sismica degli edifici storici in muratura ha assunto particolare rilievo in quanto a partire soprattutto dall’ordinanza 3274 del 2003, emanata in seguito al sisma che colpì il Molise nel 2002, la normativa ha imposto un monitoraggio ed una classificazione degli edifici storici sotto tutela per quanto riguarda la vulnerabilità sismica (nel 2008, quest’anno, scade il termine per attuare quest’opera di classificazione). Si è posto per questo in modo più urgente il problema dello studio del comportamento degli edifici storici (non solo quelli che costituiscono monumento, ma anche e soprattutto quelli minori) e della loro sicurezza. Le Linee Guida di applicazione dell’Ordinanza 3274 nascono con l’intento di fornire strumenti e metodologie semplici ed efficaci per affrontare questo studio nei tempi previsti. Il problema si pone in modo particolare per le chiese, presenti in grande quantità sul territorio italiano e di cui costituiscono gran parte del patrimonio culturale; questi edifici, composti di solito da grandi elementi murari, non presentano comportamento scatolare, mancando orizzontamenti, elementi di collegamento efficace e muri di spina interni e sono particolarmente vulnerabili ad azioni sismiche; presentano inoltre un comportamento strutturale a sollecitazioni orizzontali che non può essere colto con un approccio globale basato, ad esempio, su un’analisi modale lineare: non ci sono modi di vibrare che coinvolgano una sufficiente parte di massa della struttura; si hanno valori dei coefficienti di partecipazione dei varii modi di vibrare minori del 10% (in generale molto più bassi). Per questo motivo l’esperienza e l’osservazione di casi reali suggeriscono un approccio di studio degli edifici storici sacri in muratura attraverso l’analisi della sicurezza sismica dei cosiddetti “macroelementi” in cui si può suddividere un edificio murario, i quali sono elementi che presentano un comportamento strutturale autonomo. Questo lavoro si inserisce in uno studio più ampio iniziato con una tesi di laurea dal titolo “Analisi Limite di Strutture in Muratura. Teoria e Applicazione all'Arco Trionfale” (M. Temprati), che ha studiato il comportamento dell’arco trionfale della chiesa collegiata di Santa Maria del Borgo a San Nicandro Garganico (FG). Suddividere un edificio in muratura in più elementi è il metodo proposto nelle Linee Guida, di cui si parla nel primo capitolo del presente lavoro: la vulnerabilità delle strutture può essere studiata tramite il moltiplicatore di collasso quale parametro in grado di esprimere il livello di sicurezza sismica. Nel secondo capitolo si illustra il calcolo degli indici di vulnerabilità e delle accelerazioni di danno per la chiesa di Santa Maria del Borgo, attraverso la compilazione delle schede dette “di II livello”, secondo quanto indicato nelle Linee Guida. Nel terzo capitolo viene riportato il calcolo del moltiplicatore di collasso a ribaltamento della facciata della chiesa. Su questo elemento si è incentrata l’attenzione nel presente lavoro. A causa della complessità dello schema strutturale della facciata connessa ad altri elementi dell’edificio, si è fatto uso del codice di calcolo agli elementi finiti ABAQUS. Della modellazione del materiale e del settaggio dei parametri del software si è discusso nel quarto capitolo. Nel quinto capitolo si illustra l’analisi condotta tramite ABAQUS sullo stesso schema della facciata utilizzato per il calcolo manuale nel capitolo tre: l’utilizzo combinato dell’analisi cinematica e del metodo agli elementi finiti permette per esempi semplici di convalidare i risultati ottenibili con un’analisi non-lineare agli elementi finiti e di estenderne la validità a schemi più completi e più complessi. Nel sesto capitolo infatti si riportano i risultati delle analisi condotte con ABAQUS su schemi strutturali in cui si considerano anche gli elementi connessi alla facciata. Si riesce in questo modo ad individuare con chiarezza il meccanismo di collasso di più facile attivazione per la facciata e a trarre importanti informazioni sul comportamento strutturale delle varie parti, anche in vista di un intervento di ristrutturazione e miglioramento sismico.

Seismic vulnerability of the ancient albergotti's manor in Arezzo, Italy

The thesis moves from the need of understanding how a historical building would behave in case of earthquake and this purpose is strongly linked to the fact that the majority of Italian structures are old ones placed in seismic sites. Primarily an architectural and chronological research is provided in order to figure out how the building has developed in time; then, after the reconstruction of the skeleton of the analyzed element (“Villa i Bossi” in Gragnone, AR), a virtual model is created such that the main walls and sections are tested according to the magnitude of expected seismic events within the reference area. This approach is basically aimed at verifying the structure’s reliability as composed by single units; the latter are treated individually in order to find out all the main critical points where rehabilitation might be needed. Finally the most harmful sections are studied in detail and proper strengthening is advised according to the current know-how.

Semi-engineered earthquake-resistant structures: one-storey buildings built up with gabion-box walls

This thesis studies the static and seismic behavior of simple structures made with gabion box walls. The analysis was performed considering a one-story building with standard dimensions in plan (6m x 5m) and a lightweight timber roof. The main focus of the present investigation is to find the principals aspects of the seismic behavior of a one story building made with gabion box walls, in order to prevent a failure due to seismic actions and in this way help to reduce the seismic risk of developing countries where this natural disaster have a significant intensity. Regarding the gabion box wall, it has been performed some calculations and analysis in order to understand the static and dynamic behavior. From the static point of view, it has been performed a verification of the normal stress computing the normal stress that arrives at the base of the gabion wall and the corresponding capacity of the ground. Moreover, regarding the seismic analysis, it has been studied the in-plane and out-of-plane behavior. The most critical aspect was discovered to be the out-of-plane behavior, for which have been developed models considering the “rigid- no tension model” for masonry, finding a kinematically admissible multiplier that will create a collapse mechanism for the structure. Furthermore, it has been performed a FEM and DEM models to find the maximum displacement at the center of the wall, maximum tension stresses needed for calculating the steel connectors for joining consecutive gabions and the dimensions (length of the wall and distance between orthogonal walls or buttresses) of a geometrical configuration for the standard modulus of the structure, in order to ensure an adequate safety margin for earthquakes with a PGA around 0.4-0.5g. Using the results obtained before, it has been created some rules of thumb, that have to be satisfy in order to ensure a good behavior of these structure.