Behaviour and Numerical Modeling of Masonry Structures under Static and Dynamic Load : Doctoral Thesis

Abstract

U ovom je radu, u okviru numeričkog i eksperimentalnog istraživanja ponašanja zidanih konstrukcija pod statičkim i dinamičkim (potresnim) opterećenjem, najprije poboljšan prethodno razvijeni numerički model za statičku i dinamičku analizu zidanih konstrukcija. Potom su provedena eksperimentalna istraživanja ponašanja dvoetažnih omeđenih zidanih zidova bez otvora u realnoj veličini na statičko opterećenje do sloma. Nakon toga su provedena brojna numerička parametarska istraživanja zidanih zidova. Poboljšanje postojećeg modela ziđa odnosi se na uvođenje nelinearnog anizotropnog modela ponašanja ziđa. Modeliran je utjecaj posmika na slom ziđa. Definirani su kriteriji čvrstoće ziđa i kriteriji sloma ziđa odvojeno u tri različita koordinatna sustava, tj. u tri različita smjera naprezanja. Naime, odvojeno su analizirana: (i) normalna naprezanja u smjeru sljubnica zida i odgovarajuća posmična naprezanja, (ii) glavna (najveća) normalna naprezanja i (iii) najveće posmično naprezanje i odgovarajuća normalna naprezanja. Poboljšani numerički model za statičku i dinamičku analizu nearmiranih, omeđenih i kombiniranih zidanih zidova provjeren je na provedenim fizikalnim eksperimentima i na poznatim primjerima iz literature. Provedena eksperimentalna istraživanja, osim stjecanja dodatnih spoznaja o stvarnom ponašanju zidanih zidova pri statičkom opterećenju do sloma, poslužila su za provjeru i verifikaciju poboljšanog numeričkog modela za analizu zidanih konstrukcija. S poboljšanim numeričkim modelom izvršen je niz numeričkih testova, tj. niz statičkih i dinamičkih analiza brojnih nearmiranih i omeđenih zidanih zidova s variranjem različitih utjecajnih parametara (tlačna, vlačna i posmična čvrstoća ziđa, modul elastičnosti i modul posmika ziđa, vlačna i posmična krutost ziđa, odnos visine i širine zidova, otvori u zidovima, veličina vertikalnog opterećenja, vertikalni i horizontalni serklaži, deformabilnost podloge, trajanje, period i amplituda dinamičke pobude i sl.), s analizom dobivenih rezultata. Na kraju su navedeni najvažniji zaključci provedenih istraživanja.This Thesis presents numerical and experimental research of behaviour of masonry structures under static and dynamic (seismic) load. First, the previously developed numerical model for static and dynamic analysis of masonry structures is improved. Than experimental tests of two-storey confined masonry walls without openings in the real size were carried out under static load until the wall failure. Afterward numerous of numerical parametric studies of masonry walls were performed. The existing numerical model for masonry was improved with introducing of nonlinear anisotropic model of masonry. The effect of shear on masonry failure is modelled. Criteria of masonry strength and breakdown were considered separately in three different coordinate systems, i. e. in three different stress directions. Namely, separately are considered: (i) Normal stresses in the direction of mortar joints and corresponding shear stresses, (ii) Principal normal stresses and (iii) The maximum shear stress and corresponding normal stresses. The validation of the improved numerical model for static and dynamic analysis of unreinforced and confined masonry walls was performed on obtaining experimental results and on the well-known examples from the literature. Performed experimental research, except the acquisition of additional knowledge about the real behaviour of masonry walls under static load until the wall failure, offer the purpose of validation of the improved numerical model for the analysis of masonry structures. With the improved numerical model numerous od numerical tests, i. e. a series of static and dynamic analysis of unreinforced and confined masonry walls by varying different influencing parameters (compressive, tensile and shear strength of masonry, modul of elasticity and shear modul of masonry, tensile and shear stiffness od masonry, the height to length ratio of the walls, openings in the walls, the intensity of the vertical load, vertical tie and horizontal ring beam, the deformability of the subsoil, duration, period and amplitude of dynamic excitation etc.), were performed. Obtained results of performed numerical tests were analyzed. Finally, the most important conclusions of the research are shown