Masonry infills and earthquakes

Masonry infills are building elements with high cost that often suffer cracking due to movement of the supports and thermohygral behaviour, with serious consequences in comfort and efficiency, particularly in the case of enclosure walls. The new seismic code in Europe (Eurocode 8) clearly defines the structural designer as responsible for the safety of masonry infills. In this context, there is a clear need of adequate provisions to reduce the seismic vulnerability in regions of moderate and high seismicity, which are not clearly prescribed in the code. A research program involving monotonic and shaking table testing of masonry infills is being prepared at University of Minho and National Laboratory of Civil Engineering. The reasons for the program and a preliminary analysis of the prototype are addressed here

Avaliação do desempenho das envolventes dos edifícios face à acção dos sismos

Tese de doutoramento em Engenharia CivilA envolvente dos edifícios em Portugal é constituída quase exclusivamente por paredes de alvenaria, que têm principalmente a função de vedação. Apesar de não terem função estrutural, as paredes ao interagirem com a estrutura, condicionam o comportamento sísmico dos edifícios, exigindo-se-lhe sob esta óptica, um desempenho adequado, evitando a ocorrência de danos severos nas paredes no seu plano, que conduzam a perdas económicas graves, e o colapso das paredes para fora do plano, que poderão colocar em perigo vidas humanas. Os actuais regulamentos estruturais europeus, no que concerne à segurança sísmica das estruturas exigem a verificação da segurança de elementos não estruturais quando o seu colapso acarreta riscos para pessoas ou para a estrutura principal. Os Eurocódigos estruturais quando entrarem na fase de implementação obrigatória irão impor novas exigências que deverão ser cumpridas pelos edifícios ou pelas suas partes. Tal é o caso das alvenarias de preenchimento, que deverão resistir ao movimento para fora do plano imposto pela acção dos sismos, devendo ser tomadas medidas adequadas para evitar a rotura prematura e desintegração das paredes de preenchimento, bem como, o colapso parcial ou total para fora do plano de painéis de alvenaria. A análise dos edifícios construídos nos últimos vinte anos, concebidos de acordo com os padrões modernos, pode conduzir a conclusões preocupantes. Imagens de expulsões para fora do plano e danos severos no plano de paredes de preenchimento, em recentes actividades sísmicas em todo o mundo, fizeram sentir aos engenheiros as consequências da má prática construtiva, das soluções erradas ou projecto inadequado das estruturas. Este trabalho tem como objectivo principal a avaliação do comportamento das paredes de preenchimento em alvenaria face à acção sísmica, enfatizado na procura da resposta de questões relativas: à caracterização dos tipos de estrutura e envolventes dos edifícios recentes; à avaliação das propriedades dos materiais constituintes das envolventes; à avaliação do comportamento das envolventes actuais, bem como, de novas soluções de envolvente, quando solicitadas pela acção dos sismos; à proposta de técnicas de reforço ou de reabilitação das envolventes; e à obtenção de ensinamentos para o projecto de edifícios novos. Para atingir os objectivos traçados, foi realizada a caracterização do parque habitacional português, com enfoque na tipologia da envolvente e da estrutura, tendo em vista a definição dos edifícios alvo do estudo. Da caracterização destes edifícios, resultou: um modelo que representa o património edificado em Portugal desde a década de 80 do século passado, com estrutura de betão dimensionada seguindo a actual regulamentação nacional e a envolvente de parede dupla, constituída por dois panos de alvenaria rebocados nas faces exteriores; e dois modelos, representando possíveis soluções de futuro, com estrutura de betão dimensionada seguindo a normativa europeia e envolvente constituída por um pano de alvenaria simples de tijolo rebocado em ambas as faces, ou com as juntas de assentamento armadas ou com o pano revestido em ambas as faces por reboco armado. Na prossecução dos objectivos indicados, após a caracterização dos edifícios alvo, foi realizada uma investigação experimental seguindo três vectores: a determinação das propriedades das alvenarias e dos seus componentes; a avaliação do comportamento dos painéis de alvenaria para fora do plano quando sujeitos a dano prévio no plano; e a avaliação do comportamento dos edifícios alvo sujeitos a ensaios dinâmicos em mesa sísmica. Para esclarecimento dos resultados obtidos pela via experimental, foram realizados estudos paramétricos na procura de modelos analíticos simples que pudessem descrever o comportamento no plano e para fora do plano das paredes de preenchimento, permitindo deste modo prever a sua capacidade resistente, para diversas soluções construtivas e de geometria Da investigação realizada foi concluído que na resposta mecânica no plano dos painéis de alvenaria quando solicitados horizontalmente é possível estabelecer uma sequência de dano relacionada com a curva de capacidade do painel, verificando-se que, geralmente, são os interfaces os principais responsáveis pela entrada do painel em regime não linear, seguindose- lhe o dano observado na zona corrente da alvenaria, variando entre a fendilhação diagonal e o esmagamento dos cantos superiores, e por fim, a rotura das ligações da viga com o pilar. Por outro lado, para fora do plano, a solução construtiva não rebocada foi a que apresentou a menor resistência do conjunto dos painéis ensaiados. As soluções construtivas de alvenaria com reboco armado e de alvenaria rebocada com juntas de assentamento armadas, foram aquelas que apresentaram as maiores capacidades resistentes, sendo este acréscimo de resistência conseguido à custa do reboco e da armadura. Em situação intermédia ficaram as soluções de parede dupla rebocada nas faces exteriores dos panos. Da investigação experimental realizada na mesa sísmica foi concluído que o modelo com a estrutura de betão armado dimensionada com recurso à actual regulamentação nacional, com uma envolvente constituída por dois panos rebocados de alvenaria, teve um comportamento sísmico claramente inferior aos modelos dimensionados segundo a regulamentação europeia, com a envolvente constituída por alvenaria simples rebocada e armada. O trabalho de investigação permitiu também, o desenvolvimento de uma metodologia de dimensionamento, apoiada nos resultados obtidos e na pesquisa realizada acerca do estado da arte, relativamente ao comportamento dos painéis no plano e para fora do plano que poderá servir de base para a verificação da estabilidade em projectos de edifícios novos ou a reabilitar.The building envelope in Europe is usually made of masonry walls, with enclosure and infill functions. Masonry walls have a major economic importance and contribute significantly to the building performance. Even if infill walls have no load-bearing function, they contribute significantly to the seismic behavior of buildings. Therefore, their adequate structural performance is needed, avoiding the occurrence of severe in-plane damage, with very large economic losses, and the out-of-plane expulsion, which additionally represents a large hazard for human life. Recent earthquake codes in Europe require the safety assessment of non-structural elements (parapets, veneer masonry walls, infill walls, etc.), when their collapse entails danger for people or for the main structure. The Eurocode standards, entering the mandatory stage now, incorporate new requirements to be fulfilled by buildings or their parts. Such is the case of masonry infilled RC frames whose panels, according to Eurocode 8, are explicitly required to withstand the out-of-plane movement induced by earthquakes. Appropriate measures should be taken to avoid brittle failure and premature disintegration of the infill walls, as well as the partial or total out-of-plane collapse of slender masonry panels. The analysis of buildings constructed in the last 20 years, designed following modern standards, may lead to worrying conclusions. Images of out-of-plane expulsions and severe in-plane damage of infill walls in recent seismic activities around the world reminded engineers of the consequences of bad practice, wrong solutions or inadequate design. This work presents the experimental work and results achieved by applying cyclic out-of-plane loads to damaged masonry infilled RC frames. The masonry panels were previously damaged by applying an in-plane cyclic load after which the cyclic out-of- plane loads were applied. The frames and panels tested follow the traditional Portuguese RC structure construction system to which different types of reinforcement have been introduced in the panels. In order to achieve the proposed goals a residential building characterization was carried out in Portugal and it has focused in the buildings envelope and its structure so that representative samples could be studied. As a result, three models were built: a model which represents the Portuguese traditional buildings since the nineteen-eighties which has a reinforced concrete structurale design according to present codes and cavity walls plastered as envelope solution; two models designed according to European legislation which aim to be a future solution where both are reinforced concrete frame with infilled masonry with either bed joint reinforcement or masonry infilled panels with external reinforcement. An experimental campaign was carried out in order to determine: the masonry properties; outplane panel behavior with previous in-plane damage; and building behavior subjected to dynamic tests performed in the shaking table. Parametric tests were also conducted, to establish analytical models able to reproduce in-plane and out-plane behavior leading to an estimated load bearing capacity for each model. It was concluded that panels subjected to horizontal in-plane loads got a damage condition correlated to the load bearing panel capacity. It was noticed that the interfaces masonry/concrete behavior leads the panel to the nonlinear stage and thereafter masonry cracks in diagonal patterns occur and corners got crushed, until column and beam connection finally fails. For the out-plane tests, traditional walls had the weaker performance and both reinforced solutions had higher loadbearing capacity. From the dynamic experimental campaign performed in the shaking table it was concluded that the traditional walls had clearly a weaker resistance than the reinforced models designed according to the European coded. These studies also made possible the development of a design method, supported by the presented results and in-plane and out-plane behavior of reinforced concrete frames with masonry infill state of the art, can be used to verify the masonry infill stability

Anomalias em paredes de alvenaria sem função estrutural

Dissertação de mestrado em Engenharia CivilProcurou-se no presente trabalho avaliar a estabilidade das paredes de alvenaria de tijolo furado sem função estrutural no que concerne aos estados limites de utilização e aos estados limites últimos, nomeadamente sob os efeitos de acções verticais e horizontais, assim como, analisar sob o ponto de vista das deformações a interacção destas com a estrutura de suporte. As paredes de alvenaria, sobre as quais este estudo incidiu, foram as paredes simples em alvenaria de tijolo furado, com dois tipos de espessuras, tendo sido considerado para tal o tijolo furado 30x20x11cm e 30x20x15cm, dado tratar-se das paredes mais usadas nas construções, actualmente. As paredes de alvenaria de tijolo furado escolhidas para o estudo foram caracterizadas sob o ponto de vista de comportamento mecânico, usando dois tipos distintos de argamassa de assentamento dos elementos cerâmicos: uma argamassa de cimento e areia ao traço volumétrico de 1:5 e uma argamassa mista de cimento, cal hidratada e areia ao traço volumétrico 1:2:9. A razão desta escolha, reside no facto de a primeira argamassa ter uma composição correntemente usada no assentamento das alvenarias de tijolo, sendo a escolha da argamassa mista motivada pela procura de uma argamassa que possa conduzir a uma melhor acomodação da parede às deformações. Foram realizados ensaios laboratoriais destinados a avaliar, pela via experimental, algumas das principais características mecânicas necessárias para uma correcta verificação da estabilidade das alvenarias. Contudo, algumas características mecânicas das paredes de tijolo foram determinadas de forma teórica, a partir do conhecimento experimental das características mecânicas dos componentes dessas mesmas paredes. Foram, também, realizados ensaios “in situ” com modelos à escala real, no sentido de comparar o comportamento, em termos de deformações, da parede simples com 11 cm de espessura, usando os dois tipos de argamassa de assentamento. Realizou-se a análise numérica dos valores obtidos pela via experimental, de forma a serem extrapolados os resultados para casos particulares e analisados alguns pontos singulares das paredes. Os resultados dos ensaios e da avaliação numérica efectuada, permitiram concluir que os valores da deformação apresentados na regulamentação existente, para estruturas de betão armado, são incompatíveis com a deformabilidade das paredes de alvenaria. Foram, também, estabelecidos os limites dimensionais máximos para painéis de alvenaria de tijolo sujeitos à acção do vento.It was looked in the present work to evaluate the stability of masonry walls of horizontally perforated clay units without structural function in that it concerns to the serviceability limit states and the ultimate limit states, nominated under the effect of vertical and horizontal actions, as well as, to analyze under the point of view of deformations the interaction of these with the support structure. The masonry walls, on which this study happened, had been the simple walls in masonry of horizontally perforated clay units, with two types of thicknesses, having been considered for such the horizontally perforated clay units 30x20x11cm and 30x20x15cm, because there are the walls most used in the constructions, nowadays. The masonry walls of horizontally perforated clay units chosen for the study had been characterized under the point of view of mechanical behaviour, using two distinct types of resting mortars of the ceramic elements: a mortar of cement and sand with a volumetric trace of 1:5 and a mixed mortar of cement, air-lime and sand with a volumetric trace of 1:2:9. The reason of this choice, inhabits in the fact of the first mortar, to have a composition currently used in the resting of the masonry of brick, being the choice of the mixed mortar motivated for the search of a mortar that can lead to one better adaptation of the wall to the deformations. Laboratory tests had been carried out destined to evaluate, for the experimental way, some of the main necessary mechanical characteristics for one correct verification of the stability of the masonry. However, some mechanical characteristics of the brick walls had been determined of theoretical form, from the experimental knowledge of the mechanical characteristics of the components of these same walls. They had been, also, carried out tests "in situ" with models at real scale, in the purpose to compare the behaviour, in terms of deformations, of the simple wall with 11cm of thickness, using the two types of resting mortar. Numerical analysis had been, carried out to got the values of the experimental way, of form to be surpassed the results for cases particular and analyzed some singular points of the walls. Results of the tests and the numerical evaluation carried out, had allowed to conclude that the presented values of deformation in the existing regulation, for structures of reinforced concrete, are incompatible with the deformation of the masonry walls. They had been, also, established the maximum limits for masonry panels of brick under effect of the wind action

Comportamento a acções perpendiculares ao plano, de alvenaria de enchimento com dano prévio

Com a entrada em fase de obrigatoriedade dos Eurocódigos surgem novos requisitos que têm de ser cumpridos pelos edifícios, ou pelas suas partes. É o caso da exigência de garantia de estabilidade de painéis de alvenaria não estrutural, à acção sísmica perpendicular ao plano, em edifícios com sistema estrutural de betão armado. Este documento apresenta a campanha de ensaios realizada na Universidade do Minho, com vista à caracterização do comportamento de elementos deste tipo a estas acções, quando danificados previamente por acções no plano. Para o efeito o esquema de ensaio proposto é composto por duas fases. Na primeira o painel é sujeito, de forma cíclica e gradual, a um nível de deslocamento de referência no plano. Na segunda é sujeito a uma acção cíclica, uniforme e perpendicular ao plano. Serão testadas e comparadas quatro soluções construtivas distintas, nomeadamente: parede simples não reforçada, parede dupla não reforçada, parede simples com reforço em junta horizontal e parede simples com reforço em malha de aço. De acordo com o desenvolvimento dos trabalhos, serão apresentados os resultados de uma parede simples

Infill masonry : seismic behavior of reinforced solutions

The analysis of buildings constructed in the last 20 years, designed following modern standards, may lead to worrying conclusions. Images of out-of-plane expulsions and in-plane failures of infill walls in recent seismic activities around the world reminded engineers of the consequences of bad practice, wrong solutions or inadequate design. With the above in mind, a research program is being conducted as a partnership between University of Minho and the National Laboratory for Civil Engineering (LNEC), which includes a shaking table experimental program of framed concrete buildings with masonry infill walls, reinforced and unreinforced. Herein the shaking table program and the tested solutions are detailed, along with the discussion of the results, focusing on the local behaviour of the infills and the global behaviour of the concrete structure

Infill masonry: simple analytical methods for seismic design

The latest earthquake codes in Europe require the safety assessment of no-structural elements (parapets, masonry wall’s veneer, infill walls, etc.), as their collapse entails risks for people or for the main structure stability. This work made possible th e development of a design method, supported by previous experimental researches by applying cyclic out-of-plane loads to damaged masonry infill in RC frames. Panels tested reproduce Portuguese traditional RC structure construction system and two reinforced solutions were created as innovative solutions. The experimental campaign was carried out in order to determine: masonry properties; out-of-plane panel behaviour with previous in-plane damage; building behaviour subjected to dynamic tests performed in shaking table. Using finite element method to reproduce experimental tests and to broaden the range of samples it was possible to figure out equations according to parametric analysis which was able to reproduce in-plane and out-plane behaviour leading to an estimated load bearing capacity of each model and to determine frame strength and its stiffness. Those equations permit to design or verify the masonry infill panels in RC frames subjected to seismic loads

Behavior of masonry infill panels in RC frames subjected to in plane and out of plane loads

The building envelope in Europe is usually made of masonry walls, with enclosure and infill functions. Masonry walls have a major economical importance and contribute significantly to the building performance. Even if infill walls have no load-bearing function, they contribute significantly to the seismic behavior of buildings. Therefore, their adequate structural performance is needed, avoiding the occurrence of severe in-plane damage, with very large economical losses, and the out-of-plane expulsion, which additionally represents a large risk for human life. Recent earthquake codes in Europe require the safety assessment of non-structural elements (parapets, veneer masonry walls, infill walls, etc.), when their collapse entails risks for people or for the main structure. The Eurocode standards, entering the mandatory stage now, incorporate new requirements to be fulfilled by buildings or their parts. Such is the case of masonry infilled RC frames whose panels, according to Eurocode 8, are explicitly required to withstand the out-of-plane movement induced by earthquakes. Appropriate measures should be taken to avoid brittle failure and premature disintegration of the infill walls, as well as the partial or total out-of-plane collapse of slender masonry panels. This paper presents the experimental work and results achieved by applying cyclic out-ofplane loads to damaged masonry infilled RC frames. The masonry panels were previously damaged by applying an in-plane cyclic load after which the cyclic out-of- plane loads were applied. The frames and panels tested follow the traditional Portuguese RC structure construction system to which different types of reinforcement have been introduced in the panels

Ensaios em mesa sísmica de edifícios de betão armado com paredes de alvenaria de enchimento

A influência das paredes de alvenaria de enchimento nas estruturas porticadas de betão armado pode ser visto como algo já estudado exaustivamente, mas as atividade sísmicas recentes, como em 2009 em Itália, mais concretamente em Aquila, demonstraram que as soluções adotadas pelos projetistas ainda são ineficientes. Paredes de alvenaria de enchimento em edifícios construídos nas últimas duas décadas, com base em regulamentos modernos, tiveram um comportamento indesejado, colapsando para fora do plano do pórtico, não cumprindo por isso os estados limite de utilização. Com o acima descrito, e assumindo que a NP EN 1998-1 não fornece elementos suficientes ao projetista para um correto dimensionamento destes elementos não estruturais, realizou-se um programa experimental no Núcleo de Engenharia Sísmica e Dinâmica de Estruturas do Laboratório Nacional de Engenharia Civil, fruto de uma parceria com a Universidade do Minho, onde foram ensaiados na mesa sísmica três modelos à escala 1:1.5 de estruturas porticadas em betão armado preenchidas por diferentes soluções para paredes de alvenaria de tijolo exteriores, com e sem armadura. No presente trabalho são detalhadas as soluções construtivas utilizadas e apresentados os resultados dos ensaios experimentais, com base na observação do comportamento estrutural e padrão de dano, mais especificamente da influência da alvenaria no comportamento global da estrutura, das alterações na interação entre a alvenaria e o pórtico de betão armado mediante a presença ou não de armadura e os modos de colapso dos panos

Comportamento das paredes não estruturais a ações sísmicas

A análise dos resultados dos sismos recentes relativamente a edifícios de betão armado com paredes de enchimento em alvenaria é preocupante. As imagens de expulsões para fora do plano e dano excessivo no plano são recorrentes e são também testemunhos de práticas erradas, soluções inadequadas e / ou projeto deficiente. A normativa europeia, a aplicar num futuro muito próximo, responsabiliza o projetista de estruturas pelo desempenho dos elementos não estruturais e obrigará a alterações radicais na forma como construímos as paredes de alvenaria, impedindo a utilização de panos de preenchimento de alvenaria não armada em Portugal. A Universidade do Minho, em colaboração com o Laboratório Nacional de Engenharia Civil, desenvolveu recentemente um amplo programa de investigação que inclui ensaios estáticos e dinâmicos em pórticos de betão armado preenchidos com panos alvenaria armados e não armados. No presente artigo, apresentam-se, de forma breve, os resultados obtidos, bem como a normativa nacional aplicável e recomendações para projeto

The Portuguese masonry's mechanical characterization

The aim of this study is the characterization of the mechanical properties of typical masonry components in Portugal and the definition of mortar compositions, with direct implication to the National Annex of EC6. For masonry units the following were evaluated: the dimensions; water absorption and compressive strength. To assess mortar parameters such as, consistence, air content, compressive and flexural tensile strength, fracture energy and shrinkage, an analysis with various types of traditional and ready-to-use mortars was also performed. For several traditional mortars with different compositions and various strength classes, by varying the type of binder (cement, hydrated lime and hydraulic lime) and the type of sand (natural or artificial), it was possible to draw some conclusions about the parameters mentioned, such as: for the same strength class, the study compositions presented higher values of binder than the EC6 compositions and the shrinkage of cement mortars develops quicker than that of mixed mortars; for the same kind of sands there is a straight relationship between the maximum load applied and fracture energy. An experimental characterization of mechanical properties of masonr