Seismic retrofit of masonry with innovative materials for strengthening and repair

Abstract

As one of the main historical construction materials, masonry is abundant among the architectural heritage of earthquake-prone areas of the Mediterranean countries. Earthquake mitigation approaches are now focusing on strengthening solutions based on compatible and environmentally friendly repair materials, such as Textile Reinforced Mortar (TRM). These solutions have recently evidenced their efficiency to improve the in-plane lateral strength and displacement capacity of masonry buildings, which are the most significant parameters considered in the seismic assessment. Notwithstanding the increasing interest risen by the potentiality of TRM strengthening systems, limited research has been done about the structural response of TRM applied on historical masonry as a seismic retrofitting or post-earthquake repair. This thesis presents an extensive experimental programme on masonry walls composed of handmade clay bricks and low strength lime-based mortar, a recurrent typology for historical buildings. The walls were strengthened with four different TRM strengthening solutions, and one joint repointing solution with Near Surface Mounted (NSM) helical rebars. The main aim of the experimental campaign was to deepen the understanding of the in-plan behavior of strengthened masonry and to accurately capture the global and local response of strengthened masonry walls, emphasizing on the identification of damage levels and the influence of different configurations of TRM strengthening solutions on the in-plane response. Diagonal Compression Tests (DCT) and quasi-static Shear Compression Tests (SCT) were per- formed to investigate the in-plane response of strengthened masonry and validate TRM as a seismic retrofitting technique. In addition, a post-earthquake repair methodology has been also investigated. The methodology consisted on repairing damaged unreinforced masonry walls with different techniques, such as crack repointing and ”scuci-cuci”, and strengthened them with basalt TRM strengthening system. The experimental results show the suitability of the proposed solutions and highlight the effectiveness, to different extents, of the investigated systems in increasing the resistance and ductility of unreinforced brick masonry. The results also show that the presence of TRM strengthening systems has a significant impact on the failure mode of the walls and hence, the displacement capacity, energy dissipation, strength and stiffness degradation of the global response. In turn, TRM strengthening systems have not significantly influenced the initial stiffness and damping. The experimental results were compared to the analytical ones assessed with the available formulations provided by the Italian guideline CNR-DT 200 (2013). The comparison evidenced good agreement; however, particular attention has to be paid, when defining the parameters, to the failure mode associated to the TRM strengthening systems. Finally, a methodology is proposed that pursuits the correlation between both testing methodologies, DCT and SCT, to effectively assess the in-plane parameters that govern the masonry's behavior in both unreinforced and strengthened configurations. From the correlations investigated, it became clear that the in-plane response can be characterized by means of an equivalent tensile strength that takes into account the joint contribution of the masonry and reinforcement. This correlation shed light on the interpretation of DCT while validating it as an affordable testing methodology to evaluate the tensile strength of masonry.

La mampostería de ladrillo es abundante entre el patrimonio arquitectónico ubicado en las zonas sísmicas de muchos países mediterráneos. Las nuevas técnicas de refuerzos sísmico se centran en soluciones basadas en materiales compatibles con la mampostería y respetuosos con el medio ambiente, como el mortero reforzado con textiles (TRM). Estas soluciones han demostrado su e ciencia en la mejora de los parámetros más significativos en la evaluación sísmica: la resistencia a fuerzas en el plano y la capacidad de deformación de los elementos de mampostería. A pesar del creciente interés suscitado por la potencialidad de los sistemas de refuerzos basados en el TRM, poca investigación se ha realizado sobre la respuesta estructural de elementos de mampostería histórica reforzada. Esta tesis presenta un extenso programa experimental realizado en muros de mampostería de ladrillos de arcilla hechos a mano y mortero de cal de baja resistencia, una tipología recurrente en edificios históricos. Los muros fueron reforzados con cuatro soluciones diferentes, tres de ellas basadas en TRM y un refuerzo de juntas de mortero con barras helicoidales. El objetivo principal de la campaña experimental es profundizar la comprensión del comportamiento de la mampostería reforzada sometida a cargas laterales y capturar la respuesta global y local de los muros de mampostería reforzados, haciendo hincapié en la identificación de los distintos niveles de daño y la influencia de las diferentes configuraciones de refuerzo TRM. La campaña experimental involucró ensayos de compresión diagonal (DCT) y de corte compresión (SCT) para investigar la respuesta en el plano de la mampostería reforzada y validar las soluciones con TRM como una técnica de refuerzo frente a acciones sísmicas. Además, se ha investigado al TRM como una técnica de reparación de daños en muros de mampostería no reforzada con diferentes técnicas de reparación, como el rellenado de fisuras y la técnica “scuci-cuci". Posteriormente a la reparación, se le aplica un refuerzo TRM con textil de basalto. Los resultados experimentales demuestran la idoneidad de las soluciones propuestas y destacan la efectividad de los distintos sistemas de refuerzos investigados con el fin de aumentar la resistencia a acciones laterales, así como la ductilidad de la mampostería no reforzada. Los resultados también demuestran que la presencia de refuerzo TRM tienen un gran impacto en el modo de falla de los muros, lo que también implica una gran influencia en la capacidad de desplazamiento, de disipación de energía, de degradación de la resistencia y rigidez de la respuesta global. Al mismo tiempo, los sistemas de refuerzos TRM no han demostrado influencia en la rigidez inicial y el amortiguamiento de los muros. Los resultados experimentales fueron comparados con los resultados anal ticos obtenidos al aplicar las formulaciones disponibles en la directriz italiana CNR-DT200 (2013). La comparación presenta buenos resultados; sin embargo, al definir los parámetros de la formulación se debe prestar especial atención al modo de falla asociado a cada sistema de refuerzo TRM. Finalmente, se propone una metodología que tiene por fin la correlación entre ambas metodologías de ensayo, DCT y SCT, para evaluar de manera efectiva los parámetros que gobiernan el comportamiento en el plano de la mampostería tanto en configuración reforzada como no reforzada. De la correlación queda claro que la respuesta a acciones en el plano de la mampostería reforzada está definida por la resistencia a tracción equivalente que tiene en cuenta la acción conjunta de la mampostería y del TRM. Esta correlación ayuda a mejorar la interpretación del ensayo DCT al mismo tiempo que lo valida como una metodología de ensayo simple y económica para evaluar la resistencia a tracción de la mampostería