Dissertação de mestrado em Structural Analysis of Monuments and Historical ConstructionsTraditional architecture made of timber-framed masonry (TFM) system is widespread around the world
and has already been recognized as a unique cultural heritage to be preserved. These structures have
shown a good seismic performance compared to other typologies because their configuration and
construction details were constantly updated as soon as the builders addressed the causes of damage
mechanisms when earthquakes occurred. Romanian TFM structures can be considered a
representative example of this typology also because they experienced several seismic events showing
their good earthquake-resistance. Although these buildings are still inhabited nowadays and
constructed, no recommendation is provided in the Romanian building code and its structural behavior
is not properly characterized and modelled yet. Thus, bearing in mind that the building’s global response
depends on many parameters such as TFM walls, floor and roofing system as well as the connections
between them, the calibration of shear walls is crucial to define the non-linear behavior under cyclic
loading. A simplified modelling strategy was chosen to simulate TFM wall response consisting of an
equivalent frame with linear elastic elements and non-linearities lumped at the joints.
The present thesis aimed at investigating the seismic performance of Romanian TFM walls and a
representative TFM building located originally in Sarbova area, Timis County, but relocated to the
National Village Museum “Dimitrie Gusti” in Bucharest, by comparing the numerical results with the
measurements taken during the experimental campaign performed at Technical University of Civil
Engineering of Bucharest and the in situ dynamic investigation, respectively. The wall numerical model
was calibrated by performing the procedure of inverse fitting to obtain a good approximation between
the experimental hysteretic curve and the numerical one in terms of initial stiffness, maximum base
shear and total dissipated energy. This model was built in the FEM software OpenSees concentrating
at the joints a non-linear hysteretic spring per degree of freedom and updating its parameters starting
from some experimental tests performed on comparable types of connections. Once the wall response
was matched, the Romanian traditional building was modelled by applying the same equivalent frame
method, but, in this case, the dynamic properties did not match perfectly to those recorded by ambient
vibration tests since microtremors involve the wall in the elastic range while the wall calibration was
carried out for its non-linear one. Thus, the model was updated considering an additional contribution of
infill since the type of masonry was different from the one infilling the tested wall. Eventually, non-linear
static analysis was performed to assess the maximum shear and deformation capacity and predict some
local failures at the timber joints.
The simplified equivalent frame model shows a good performance in simulating the wall response, but,
for the already explained reasons, it was not completely capable of approximating the building dynamic
properties. However, this strategy allows to reduce the computational efforts and, at the same time,
provide information about the behavior of each connection.A arquitetura vernacular constituída por paredes madeira com enchimento de alvenaria com estrutura
de madeira (TFM) é difundida em todo o mundo e já foi reconhecida como um patrimônio cultural único
que precisa de ser preservado. Essas estruturas mostraram um bom desempenho sísmico em
comparação com outras tipologias, porque as suas configurações e os seus detalhes constitutivos
foram constantemente atualizados assim que os construtores abordaram as causas dos mecanismos
de danos quando os terremotos ocorreram. As estruturas TFM Romenas podem ser consideradas um
exemplo representativo desta tipologia também porque experimentaram vários eventos sísmicos
mostrando a sua boa resistência a sismos. Se bem que estes edifícios ainda sejam habitados hoje em
dia e continuem a ser construídos, nenhuma recomendação é fornecida no código de construção
romeno e o seu comportamento estrutural ainda não está devidamente caracterizado e modelado.
Assim, tendo em conta que a resposta global do edifício depende de muitos parâmetros, tais como
paredes TFM, piso e sistema de cobertura, bem como as ligações entre eles, a calibração das paredes
de corte é crucial para definir o comportamento não linear sob carga cíclica. Uma estratégia simplificada
de modelação foi escolhida para simular a resposta da parede TFM constituída por uma estrutura
equivalente com elementos elásticos lineares e não-linearidades concentradas nas ligações.
A presente tese tem como objetivo investigar o desempenho sísmico das paredes romenas TFM e de
um edifício TFM representativo localizado originalmente na área de Sarbova, no distrito de Timis, mas
transferido para o National Village Museum “Dimitrie Gusti” em Bucareste, comparando os resultados
numéricos com os resultados obtidos durante a campanha experimental realizada na Universidade
Técnica de Engenharia Civil de Bucareste e na investigação dinâmica in situ, respetivamente. O modelo
numérico da parede foi calibrado utilizando um procedimento de ajuste inverso para obter uma boa
aproximação entre a curva histerética experimental e a curva numérica em termos de rigidez inicial,
capacidade máxima e energia total dissipada. Este modelo foi desenvolvido no software a elementos
finitos OpenSees, concentrando nas ligações uma mola histerética não linear por grau de liberdade e
atualizando os parâmetros a partir de alguns ensaios experimentais existentes realizados em ligações
comparáveis. Uma vez que a resposta da parede foi calibrada, o edifício tradicional romeno foi
modelado aplicando o mesmo método da estrutura equivalente, mas, neste caso, as propriedades
dinâmicas não se ajustaram perfeitamente àquelas obtidas através dos ensaios de vibração ambiental,
pois os microtremores envolvem a parede na fase elástica inicial, enquanto a calibração da parede foi
realizada para a sua resposta não-linear. Assim, o modelo foi atualizado considerando uma contribuição
adicional do preenchimento de alvenaria, uma vez que o tipo de alvenaria foi diferente daquele da parede ensaiada. Após desta calibração, foi realizada uma análise estática não linear para avaliar a
capacidade máxima e deformação e prever alguns danos locais nas ligações de madeira.
O modelo simplificado equivalente da parede mostra um bom desempenho na simulação da resposta
da parede, mas, pelas razões acima explicadas, não foi completamente possível aproximar as
propriedades dinâmicas do edifício. No entanto, essa estratégia permite reduzir os esforços
computacionais e, ao mesmo tempo, fornecer informações sobre o comportamento de cada ligação.La tipologia architettonica tradizionale a sistema misto legno-muratura è ampiamente diffusa in ogni
parte del mondo. La sua unicità è stata riconosciuta come patrimonio culturale da salvaguardare. Tali
edifici hanno dimostrato un buon comportamento sismico se paragonati ad altre tipologie strutturali. La
loro configurazione, nonché I loro dettagli costruttivi, si sono costantemente evoluti per opera dei
costruttori, non appena questi ultimi hanno compreso le cause dei principali meccanismi di danno che
si verificano a seguito di un terremoto. Il sistema misto Rumeno può essere considerato rappresentativo
di questa tipologia strutturale, soprattutto perchè il territorio è stato soggetto ad innumerevoli eventi
sismici dimostrando la sua capacità resistente. Nonostante molti di questi edifici siano attualmente
abitati o in costruzione, non è presente nessuna informazione riguardo la loro progettazione nel codice
edilizio Rumeno, inoltre il loro comportamento non è stato ancora propriamente caratterizzato ne
modellato numericamente. La risposta globale di un edificio è funzione di diverse variabili tra cui la
tecnologia costruttiva di pannelli murari, diaframmi orizzontali, sistema di copertura, nonché del loro
grado di connessione. Per questo motivo, la calibrazione del comportamento non lineare delle pareti
resistenti soggette a carichi ciclici è di fondamentale importanza per approssimare tale risposta globale.
A questo proposito è stata scelta una strategia di modellazione semplificata basata su un telaio
equivalente con elementi lineari elastici e non linearità concentrate nelle connessioni.
Il lavoro di tesi si rivolge in particolare allo studio del comportamento sismico dei pannelli murari Rumeni
a sistema misto legno-muratura e di un edificio rappresentativo localizzato originariamente nell’area di
Sarbova, contea di Timis (poi successivamente riassemblato nel Museo Nazionale “Dimitrie Gusti” di
Bucarest). Tale ricerca è condotta attraverso la comparazione dei risultati numerici con quelli misurati
sperimentalmente nelle prove di laboratorio eseguite su un pannello murario rappresentativo presso il
Dipartimento di Ingegneria Civile di Bucarest e i test di identificazione dinamica eseguiti in situ
sull’edificio. Il modello numerico relativo alla parete è stato calibrato attraverso una procedura iterativa
per ottenere una buona approssimazione tra la curva isteretica ottenuta sperimentalmente e quella
numerica, in termini di rigidezza iniziale, forza di taglio massima alla base ed energia totale dissipata.
Tale schema è stato realizzato nel software OpenSees modellando molle non lineari per ogni grado di
libertà ed aggiornando i relativi parametri che definiscono la risposta isteretica partendo da test
sperimentali condotti su connessioni simili. Una volta calibrato il pannello murario, è stato modellato
l’edificio con la stessa strategia a telaio equivalente. In questo caso, tuttavia , le proprietà dinamiche
non sono risultate perfettamente comparabili con quelle ottenute dall’identificazione dinamica, i muri
dell’edificio rispondono in campo lineare elastico, mentre le proprietà delle connessioni sono state
calibrate in campo non lineare plastico. Per questo motivo, il modello è stato modificato considerando il contributo di rigidezza aggiuntivo dato da una muratura in mattoni pieni, più rigida di quella presente
nelle maglie del telaio testato. Infine, è stata svolta un’analisi non lineare statica al fine di stimare la
massima forza alla base, la capacità deformativa del muro nonché alcune rotture locali nelle
connessioni.
Il modello semplificato a telaio equivalente ha evidenziato un buon grado di approssimazione con la
risposta del pannello murario, ma, per le ragioni precedentemente esposte, non è stato in grado di
caratterizzare dal punto di vista dinamico l’edificio. Ad ogni modo tale strategia di modellazione permette
di ridurre l’onere computazionale e, allo stesso tempo, fornisce informazioni sul comportamento di ogni
connessione
