Analysis of unreinforced and TRM-strengthened brick masonry walls subjected to eccentric axial load
Authors:   , Bernat Masó Ernest 
Published: October 2023

A significant number of buildings are supported by load-bearing masonry walls. The preservation of these worldwide used structures is a sustainable alternative. However, there is little research about the structural response of these particular elements if compared with others like concrete or steels framed structures. Hence, a further study of the load-bearing masonry walls is necessary as a starting point for the preservation activities.
The load-bearing masonry walls are usually subjected to a vertical eccentric loading condition, which is related with their complex structural response. This response is characterised by the second-order bending effects due to the eccentricity of the load, the non-linear compressive response of the masonry and its almost negligible tensile strength. Thus, strengthening these walls, in order to increase their load-bearing capacity, is an interesting upgrading alternative to enhance their life-cycle.
In this thesis, an experimental campaign has been carried out. It consisted of hundreds of characterisation tests to obtain the mechanical properties of the component materials which have been used to build twenty-nine full-scale walls. Twenty of these walls were unreinforced and the other nine were TRM (Textile Reinforced Mortar) strengthened. All of them have been tested under eccentric compressive loading conditions. The analysis of the strengthened walls has allowed studying the influence of the strengthening mortar type on the load-bearing capacity. The effects using anchors or embedding different types of fibre grids have been also analysed.
A bidimensional (2D) simplified micro-model has been implemented to analyse these structural cases. This numerical tool has been validated using the data from the experimental campaign. Finally, analytical methodologies have been proposed to calculate the load-bearing capacity of unreinforced and TRM-strengthened brick masonry walls. Similarly, two current standards, Eurocode-6 and ACI-530 have been applied to the analysed cases and their results have been compared with the experimental ones.
The results show that the TRM provides a load-bearing capacity increase over 100% and homogenises the structural response, which becomes stiffer. Regarding the simulations, the proposed numerical model provides accurate results, which are better for the cases with larger slenderness or larger eccentricity of the applied load. Finally, the proposed analytical methods provide acceptable results, which are more accurate than the ones obtained by applying the formulations included in the analysed standards.
Un nombre significant d'edificis estan suportats per murs de càrrega d'obra de fàbrica. La preservació d’aquestes estructures que s’utilitzen arreu del món is una alternativa sostenible. No obstant això, hi ha molt poca recerca en relació a la resposta estructural d’aquests elements particulars si es compara amb altres com les estructures porticades d’acer o formigó. Per tant, és necessari un major estudi dels murs de càrrega d’obra de fàbrica com a punt de partida de les actuacions de preservació.
Normalment, els murs de càrrega estan subjectes a patrons de càrrega vertical excèntrica, cosa que està relacionada amb la seva resposta estructural complexa. Aquesta resposta es caracteritza pels efectes de flexió de segon ordre degut a l’excentricitat de la càrrega, per la resposta no linear a compressió de l’obra de fàbrica i per la seva, pràcticament negligible, resistència a tracció. Per tant, el reforç d’aquests murs, per tal d’augmentar-ne la seva capacitat resistent is una alternativa de millora interessant per allargar la seva vida útil.
En aquesta tesi s’ha dut a terme una campanya experimental. Aquesta ha consistit en centenars d’assaigs de caracterització de les propietats mecàniques dels materials components utilitzats per construir vint-i-nou murs. Nou d’aquests es van reforçar amb Textile Reinforced Mortar, TRM, i els altres vint van ser assajats sense reforç. Tots van ser sotmesos a compressió excèntrica. L’estudi dels murs reforçats ha permès analitzar la influència del tipus de morter de reforç, l’efecte de disposar ancoratges o la dependència de la capacitat resistent en el tipus de malla de fibra utilitzada.
S’ha implementat un micromodel simplificat bidimensional (2D) per analitzar els casos estructurals proposats. Aquesta eina numèrica ha estat validada utilitzant les dades de la campanya experimental.
Finalment, s’han proposat mètodes analítics per calcular la capacitat portant dels murs sense reforç i dels reforçats amb TRM. De forma semblant, s’han aplicat dos normes actuals, l’Eurocodi-6 i l’ACI-530, als casos d’estudi per tal de comparar-ne els resultats amb els experimentals.
Els resultats mostren que el TRM aporta un augment de la capacitat resistent de més del 100% i homogeneïtza la resposta estructural que esdevé més rígida. En relació a les simulacions, el model numèric proposat obté resultats acurats, els quals són millors pels casos de major esveltesa o més excentricitat de la càrrega. Per acabar, els mètodes analítics que es proposen aporten resultats acceptables, els quals s’ajusten millor als experimentals que els obtinguts aplicant les formulacions de les normatives.