Dissertação de mestrado em Structural Analysis of Monuments and Historical ConstructionsMasonry vaults and arches are one of main structural elements present in most of historical
constructions. Due to the impact of time, load and other construction features their strength
capacity decreases making them more vulnerable to failure. Deflection and dislocation of units
create internal condition of higher stress state, which in consequence can lead to premature
collapse. That is why, to maintain the role of the vaults and arches and prevent them from failure,
strengthening is needed. During the strengthening evaluation it cannot be forgotten that historical
constructions are part of our cultural heritage and engineers are required to follow the
conservation doctrine of minimum intervention. This condition involves detailed studies before
proceeding with application of strengthening. Within, this framework, numerical modelling appears
as a very useful method to define the accuracy of the intervention before it is applied.
The main objective of this thesis is numerical study of masonry arches and vaults strengthened by
means of extrados stiffening diaphragms. Preparation and validation of numerical models was
done according to an experimental arch tested by Paolo Girardello at University of Brescia, Italy.
Based on the experimental parameters and geometry, two numerical models, built up on macroand
micro- approaches, were constructed in DIANA Finite Element Analysis program. The
purpose of making two models was comparison of structural response of each one to monotonic,
incremental load and conclude on usefulness of macro-modelling approach for masonry arch-type
constructions.
Further, analysis of the efficiency of strengthening techniques throughout the non-linear analysis
on both model types was performed. As a final step, parametric study of the strengthening
technique was done for the macro-model of the arch. Data comparison between analyzed
reinforced models was conducted and final conclusions on which parameter affects the structural
response are stated.Os arcos e as abóbadas de alvenaria são dos principais elementos estruturais presentes na
maioria das construções históricas. Devido às ações atuantes, efeito dapassagem do tempo e
outrosaspetos da construção, a sua capacidade resistente diminui progressivamente tornando-os
mais vulneráveis do ponto de vista estrutural. Movimentos parciais de partes dos arcos podem
criar condições para um maior estado de tensão, que por consequência pode levar ao colapso
prematuro. Neste sentido, o reforço surge como uma possibilidade para manter a função
estrutural das abóbadas e arcos e impedi-los de ruir. Durante a avaliação da necessidade de
reforço, não pode ser esquecido que as construções históricas são parte da nossa herança
cultural e que aos técnicos se pede que observem a doutrina da intervenção mínima na
conservação. Esta condição envolve estudos detalhados antes de se prosseguir com a aplicação
de reforço. Dentro deste quadro, a modelação numérica aparece como um método muito útil para
definir a precisão da intervenção antes desta se realizar.
O principal objetivo desta tese consiste no estudo numérico de arcos e abóbadas de alvenaria
reforçadas por meio de diafragmas rígidos colocados no extradorso. A preparação e validação
dos modelos numéricos foi feita de acordo com os resultados de um arco testado
experimentalmente por Paolo Girardello da Universidade de Brescia, Itália. Com base nos
parâmetros experimentais e geometria, foram construídosdois modelos numéricos no software
DIANA, seguindo as estratégias de macro e micro-modelação. O propósito de fazer dois modelos
foi permitir a comparação da resposta estrutural de cada modelo para carga monotónica
incremental e concluir sobre a utilidade de uma abordagem baseada em macro-modelos para
construções de alvenariado tipo arco.Posteriormente, foi analisada a eficácia da técnica de
reforço através da realização de análises não lineares em ambos os tipos de modelo. Foi ainda
feito o estudo paramétrico do reforço usando macro-modelo do arco. Finalmente, fez-se a
comparação dosresultados entre os modelos reforçados analisados e discutem-se em detalheos
resultados obtidos.Sklepienia i łuki murowane są jednym z głównych elementów strukturalnych w wielu
konstrukcjach historycznych. W związku z upływem czasu, działania obciążeń oraz różnych cech
konstrukcji nośność obiektów historycznych maleje sprawiając, iż stają się bardziej podatne na
uszkodzenie. Ugięcia i przemieszczenia fragmentów konstrukcji tworzą podwyższony stan
naprężenia, który w konsekwencji może prowadzić do przedwczesnego zniszczenia. Aby
zachować strukturalną funkcję łuków i sklepień oraz uchronić je przed zniszczeniem niezbędne
jest zastosowanie wzmocnień konstrukcyjnych. Podczas oceny sposobu wzmacniania nie można
zapomnieć, że obiekty historyczne należą do naszego dziedzictwa kulturowego i inżynierowe są
zobowiązani do przestrzegania doktryn konserwatorskich, w których minimum interwencji jest
jednym z głównych kryteriów. Aby dostosować się do wymogów doktryn przed zastosowaniem
jakiegokolwiek wzmocnienia szczegółowa analiza konstrukcji jest niezbędna. Dlatego też, analiza
numeryczna wydaje się być najlepszym sposobem na określenie skuteczności wzmocnienia
przed zastosowaniem go.
Niniejsza praca magisterska pod tytułem: „Analiza numeryczna sklepień murowanych
wzmocnionych membraną usztywniającą”, ma na celu analizę zwiększenia nośności ceglanych
łuków i sklepień poprzez zastosowanie usztywniających membran zamocowanych po stronie
grzbietowej łuku.
Modele numeryczne stworzone na potrzeby niniejszego pracowania zostały przygotowane na
podstawie łuków doświadczalnych testowanych przez Paolo Girardello na Universytecie w
Brescia, Włochy. Bazując na geometrii i właściwościach materiałów otrzymanych z testów
doświadczalnych dwa modele numeryczne, makro- i mikro-, zostały wykonane w programie
DIANA Finite Element Analysis. Intencją utworzenia dwóch modeli było porównanie zachowania
każdego z nich pod wpływem jednostajnie wzrastającego obciążenia oraz wyciągnięcie wniosków
na temat użyteczności makro-modelu do analizy murowanych zakrzywionych konstrukcji.
Następnym krokiem była analiza efektywności proponowanej techniki wzmacniania przy użyciu
nieliniowej analizy wykonanej na obu modelach. Końcową czynnością, było przeprowadzenie
analizy parametrycznej wzmocnienia wykonanej na makro-modelu. Ostatnim etapem
przeprowadzonego badania jest porównanie otrzymanych wyników z wszystkich wykorzystanych
modeli oraz ostateczny wniosek, który z parametrów konstrukcji wpływa w największym stopniu
na odpowiedź strukturalną konstrukcji