Estudio experimental y numérico del fallo por inestabilidad de muros de obra de fábrica

Abstract

A large part of the building stock of the Spanish and European cities consists of load-bearing wall buildings made of brick masonry. The structural safety of such constructions, in the occasion of a rehabilitation or a mere maintenance, is a topic of growing concern. Sometimes, the simple adaptation of this type of constructions to current standards ¿which often implies an increase of the imposed load considered- requires an accurate structural evaluation permitting the technicians to take adequate decisions. However, despite the research effort undertaken in recent decades, criteria and methods for the practical evaluation of instability problems in masonry walls are still insufficient and not fully accurate. In this context, this thesis analyzes the resistance response of masonry walls under concentric and eccentric vertical load. For that purpose, the present study includes a first part aimed at obtaining representative and reliable results about the mechanical response of the masonry wall failure by lateral instability. In a second part, systematic numerical simulations are carried out. The numerical tools have been validated using the experimental results obtained previously and others founded in the literature. The experimental campaign includes a set of walls built on 1:4 scale masonry tested until collapse. A total of 36 walls with different combinations of slenderness ratio and load eccentricity are tested. The results obtained are compared with experimental results reported by other authors. This comparison is only done for results with similar support conditions and load eccentricities. Additionally, a series of measurements and material characterization tests are carried out. The results derived from the tests performed are used to calibrate and to validate a numerical model based on the micro-modelling approach. This numerical application reproduces satisfactorily the ultimate response observed in the experiments, both in terms of resistance capacity and lateral deformability. In addition, the results of this application show a good agreement with the experimental failure modes. Based on the micro-model previously calibrated, a parametric study is performed. The aim of the parametric study is to develop more detailed and systematic analyses in order to extend the experimental results to a wider range of geometries, loading conditions and material properties. The numerical results obtained allow the detailed evaluation about the influence of the main parameters regarding the lateral instability problem (slenderness ratio, load eccentricity, deformability and tensile strength) as well as to propose simple methods for verification and design of brick masonry walls. The proposed methods involve equations obtained by regression analysis. The functions found present a good agreement with the numerical results from the parametric study, showing a high correlation in all cases. These equations represent the reduction factor for slenderness and eccentricity commonly found in structural design of masonry walls. Finally, the validation of the proposed methods -3 in total- is performed with available experimental evidence and results calculated using the approach proposed in the current standard (EN 1996-1-1:2005).

Gran parte del parque edificado en las ciudades españolas y europeas se estructura en base a muros de obra de fábrica. La seguridad real de tales construcciones, ante la ocasión de una rehabilitación o de una simple conservación, constituye un motivo de creciente preocupación. En ocasiones, la sola adaptación de este tipo de construcciones a la normativa vigente –que a menudo implica un aumento de las sobrecargas de usorequiere una evaluación estructural suficientemente precisa que permita tomar decisiones de actuación a los técnicos. Sin embargo, y a pesar del esfuerzo investigador emprendido en las últimas décadas, los técnicos apenas disponen de criterios para la evaluación práctica de los muros. Dentro de este contexto, la presente tesis doctoral analiza la respuesta resistente de estos elementos estructurales bajo carga vertical centrada y excéntrica. Para ello, una primera parte de la investigación se destina a producir resultados experimentales, y una segunda, se destina a simulaciones numéricas sistemáticas. La explotación combinada de experimentación y simulaciones numéricas ofrece interesantes posibilidades para formular y validar un método simple para predecir cargas de colapso teniendo en cuenta el fallo por pandeo. La campaña experimental que se lleva a cabo incluye una serie de ensayos sobre paredes y pequeños ensamblajes de obra de fábrica construidos a escala 1:4 ensayados hasta rotura. El principal objetivo del trabajo experimental es proporcionar un conjunto de resultados representativos y fiables sobre la respuesta mecánica de muros de obra de fábrica ante el fallo por pandeo. Para este efecto se ensayan 36 paredes bajo distintas combinaciones de razón de esbeltez y excentricidad de la carga vertical. Los resultados obtenidos son comparados con resultados experimentales previos. Adicionalmente, como parte fundamental del programa experimental, se lleva a cabo una serie de mediciones y ensayos de caracterización de materiales con el fin de ser utilizadas en la calibración y validación de modelos numéricos. Una aplicación numérica –basada en la estrategia de la micro-modelización- es adoptada para realizar simulaciones de una selección de resultados experimentales, incluidos aquellos obtenidos en la presente investigación. La aplicación numérica utilizada demuestra buena capacidad para predecir la respuesta última observada en los experimentos, tanto en términos de capacidad resistente como en términos de deformabilidad lateral. Asimismo, el modelo numérico muestra coherencia con los modos de rotura experimentales. Un estudio paramétrico es llevado a cabo a partir del micro-modelo calibrado en base a la evidencia experimental aportada en esta investigación. El objetivo de esta etapa es desarrollar estudios más detallados y sistemáticos que extiendan los resultados experimentales a una variedad más amplia de geometrías, condiciones de carga y de propiedades materiales. Los resultados obtenidos –aproximadamente 3700- permiten analizar más en profundidad la influencia de aquellos parámetros más relevantes en el problema; la razón de esbeltez, la excentricidad de la carga vertical, la deformabilidad y la resistencia a tracción El conjunto de resultados numéricos presenta un claro comportamiento que puede ser descrito a través de curvas de ajuste. Las funciones de aproximación encontradas se ajustan satisfactoriamente a la forma o tendencia general de los datos, logrando correlaciones elevadas en todos los casos. Estas funciones representan el factor de reducción por esbeltez y excentricidad comúnmente utilizado en fórmulas de diseño y comprobación estructural. La validación de las fórmulas propuestas -3 en total- se realiza frente a evidencia experimental disponible y resultados calculados con el método propuesto en la normativa vigente (EN 1996- 1-1:2005).