Experimental and computational investigation of the structural response adobe structures

Abstract

Η παρούσα διατριβή εξετάζει τη συμπεριφορά υλικών και κατασκευών από ωμό πηλό μέσω ενδελεχούς πειραματικής και υπολογιστής έρευνας. Για τους σκοπούς της μελέτης, έγινε δειγματοληψία σημαντικού αριθμού ωμόπλινθων από διάφορους σύγχρονους Κύπριους παραγωγούς. Οι ωμόπλινθοι αυτοί υποβλήθηκαν σε δοκιμές θλίψης και κάμψης με στόχο τον προσδιορισμό των μηχανικών τους ιδιοτήτων. Τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν χρησιμοποιήθηκαν, για πρώτη φορά, στη διατύπωση αναλυτικών σχέσεων τάσεων-παραμορφώσεων που περιγράφουν τη μη-γραμμική απόκριση του υλικού σε καμπτικά φορτία. Διεξήχθηκαν πειράματα μονοτονικής θλίψης, θλιπτικής φόρτισης-αποφόρτισης και διαγώνιου εφελκυσμού σε δοκίμια ορθοδομικής και δρομικής τοιχοποιίας. Από τις δοκιμές αυτές προέκυψαν χρήσιμα στοιχεία σχετικά με τις μορφές αστοχίας, τη φέρουσα ικανότητα και την παραμορφωσιμότητα των ωμοπλινθοδομών. Έγιναν επίσης μετρήσεις του μέτρου ελαστικότητας, του μέτρου διάτμησης και του λόγου Poisson. Για τη διερεύνηση της στατικής απόκρισης κτηρίων από ωμόπλινθους σε οριζόντια φορτία, διεξήχθησαν εργαστηριακές δοκιμές σε ένα υπό κλίμακα (1:2) μοντέλο παραδοσιακού οικήματος. Κατά τη διάρκεια των πειραματικών ελέγχων, καταγράφηκαν οι τυπικοί μηχανισμοί σεισμικής βλάβης που απαντώνται σε κατασκευές από άοπλη ωμοπλινθοδομή. Εξετάστηκαν παράγοντες, όπως η αλληλεπίδραση των φερόντων στοιχείων και η διαφραγματική λειτουργία της στέγης, οι οποίοι επηρεάζουν τη γενική στατική συμπεριφορά τέτοιων δομημάτων. Ακόμα, προσδιορίστηκαν στάθμες επιτελεστικότητας με βάση την καμπύλη αντίστασης του εξετασθέντος κτηρίου και τα επίπεδα βλάβης που παρατηρήθηκαν στις διάφορες επιβληθείσες μετατοπίσεις. Η συμπεριφορά κατασκευών από ωμόπλινθους διερευνήθηκε περεταίρω μέσω μη-γραμμικών αναλύσεων πεπερασμένων στοιχείων. Η τοιχοποιία από ωμόπλινθους προσομοιώθηκε ως ένα ιδεατό ομοιογενές μέσο χρησιμοποιώντας καταστατικό μοντέλο πλαστικότητας σκυροδέματος με βλάβες (damaged plasticity). Η υπολογιστική διερεύνηση επικεντρώθηκε στην προσομοίωση των δοκιμών θλιπτικής φόρτισης-αποφόρτισης και διαγώνιου εφελκυσμού σε τοιχάρια, καθώς και στις δοκιμές οριζόντιας φόρτισης του υπό κλίμακα κτηρίου. Σε όλες τις περιπτώσεις, επιτεύχθηκε ικανοποιητική σύγκλιση μεταξύ αριθμητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων, τόσον όσο αφορά την μορφή αστοχίας όσο και την αναλογία φορτίου-μετατόπισης. Η πειραματική και υπολογιστή διερεύνηση που διεξήχθη στα πλαίσια αυτής της διατριβής, διευρύνει την υφιστάμενη γνώση και συνεισφέρει δυναμικά στην ανάπτυξη κατάλληλων μεθόδων αποτίμησης και ανάλυσης. Επιπροσθέτως, η βάση δεδομένων που σχηματίστηκε από τον εκτενή πειραματικό έλεγχο τοπικών ωμόπλινθων αποτελεί χρήσιμο εργαλείο για πρακτικές εφαρμογές και διευκολύνει τη μελλοντική ακαδημαϊκή έρευνα σε παρεμφερή πεδία.

This thesis examines the behaviour of adobe materials and structures through rigorous experimental and computational research. Within this framework, a considerable number of adobe bricks were sampled from contemporary Cypriot producers and were subjected to compressive and flexural strength tests, in order to assess their mechanical properties. The experimental results were used, for the first time, in the development of an analytical model describing the full non-linear stress-strain response under bending. Furthermore, uniaxial monotonic and loading-unloading compression tests, as well as diagonal tension tests, were undertaken on stack-bonded prisms and running bond wallettes. These tests produced valuable information regarding the modes of failure, the bearing capacity and the deformability of adobe elements. Estimates for the modulus of elasticity, the shear modulus and Poisson’s ratio of local adobes were also derived. The structural behaviour of complete adobe buildings under horizontal loading was investigated through static laboratory tests on a 1:2 scaled replica of a single-storey traditional dwelling. During experiments, commonly encountered seismic failure mechanisms were reproduced. Factors which critically affect the global response of earthen buildings, such as the interaction among their load-bearing members and the diaphragmatic function of their roof configuration, were examined. Moreover, damage limit states at different deformation levels were identified. Adopting a continuum macro-modeling strategy and using a damaged plasticity constitutive law, non-linear finite element analyses of adobe structures were carried out. The numerical work focused on the simulation of the loading-unloading compression test, the diagonal tension test and the lateral loading test on the scaled model building. In all cases, comparisons made between numerical and experimental data revealed good agreement, both in terms of damage distribution and force-displacement response. The experimental and numerical investigation of the structural response of adobe masonry elements and buildings, carried out in the framework of this thesis, extends existing research knowledge and vigorously contributes to the development of appropriate assessment procedures and computational analysis methods. Furthermore, the database of results formulated through the rigorous testing of local adobes may be utilized by practitioners and can facilitate future research in the field.