Numerical investigation of the seismic response of historical masonry structures. Application of linear and non-linear modelling of shaking table tests of a typical URM building with and without stren:
Creators: name: Ηλίου, Κωνσταντίνος Γεώργη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2014
Subjects: ιστορική τοιχοποιία
αριθμητική προσομοίωση μη-γραμμικής απόκρισης
προσέγγιση απόκρισης σεισμικής τράπεζας
historical masonry
numerical simulation of non-linear response
shaking table response approximation

description: Numerical investigation of the seismic response of historical masonry structures. Application of linear and non-linear modelling of shaking table tests of a typical URM building with and without strengthening measures” Background-issues for research: One of the most definitive points in preservation of hisotical monuments today, is the assessment of of seismic performance of historical masonry structures. This assessment requires a development and calibration of trustworthy –but simple, though- models that describe the linear and non-linear response of the complex system soil-foundation-superstructure. Thesis description: The thesis at hand, was carried out in the Laboratory of Soil Mechanics, Foundation and Geotechnical Earthquake Engineering, in the Aristotle University of Thessaloniki, within the framework of the POST-GRADUATE STUDIES PROGRAM in Earthquake Engineering and Seismic Design of Structures (E.E.S.D.S.). It regards two versions of a two-storey building made of three-leaf masonry without laces, with timber floors. The first building (BM1-BS) refers to the initial state, with the common structural weaknesses, while the second one (BM1-AS) to the same structure, but after the application of some intervention techniques. The thesis consists oftwo partrs: (i) literature overview and (ii) numerical investigation. Within the framework of this application, there have been simulations with 2D Plane Finite Elements (Shells) and with 1D Eqivalent Frames (Common Frames and Macro-Elements). With these analyses, there is an approximation of the experimental behaviour of the two buildings (tests in a 2:1 scale, Laboratory of Seismic Technology NTUA, NIKER program, 2011-2). In the current phase, there has been no consideration of the Soil-Foundation-Structure Interaction (SFSI) which in soft soils is of a determinate importance. The study unfolds in the following stages: 1. Overview of the current numerical simulation strategies in for buildings of historical masonry. Probing in the macro-elements and epecially in the macro-element proposed by Gambarotta-Lagomarsino. 2. Study of the building of the behaviour of the un-reinforced three-leaf masonry building, for seismic loading; study of some preceding numerical investigations as well (from the relevant documentation). 3. Study of the application of approved materials and techniques for reinforcement; study of the behaviour of the strengthened building, for seismic loading; study of some preceding numerical investigations as well (from the relevant documentation). 4. Development and calibration of linear models for the numerical investigation of the dynamic characteristics of the three-leaf masonry buildings before and after strengthening. 5. Development and calibration of linear models for the numerical investigation of the non-linear response of the strengthened and of the as-built structure. Combined use with the linear models for an approximation of the evolution of different response variables in time, as well as the recorded damage. Within the framework of this thesis, initially there was a tackling of the peculiarities that appear in historical structures and especially their influence on the description of dynamic characteristics with numerical models (Modal Analyses, Transfer Function Analyses). Then, non-linear methods were tried for the assessment of post-elastic response, in self-standing applications (Non-Linear Static Pushover Analyses), but also in combination with linear methods (Linear Time History Analyses). The results have brought to light the challenges that arise within the simulation of unconventional buildings of historical masonry, especially the un-retrofitted ones. Also, there have been conclusions about the effectiveness of the applied simulation methodologies. There has been a discussion on the application limits of the involved assumptions, as well as the possibilities of combining some of the above techniques, for a mutual balancing of some weaknesses.
description: Αριθμητική διερεύνηση της σεισμικής απόκρισης ιστορικών δομημάτων από τοιχοποιία. Εφαρμογή γραμμικών και μη γραμμικών προσομοιώσεων επί δοκιμών σεισμικής τράπεζας ενός τυπικού κτιρίου από άοπλη τοιχοποιία με και χωρίς μέτρα ενίσχυσης» Υπόβαθρο-ζητήματα προς διερεύνηση: Ένα από τα πιο καθοριστικά σημεία στη συντήρηση αρχιτεκτονικών μνημείων σήμερα, είναι η αποτίμηση της αντισεισμικής συμπεριφοράς δομημάτων από ιστορική τοιχοποιία. Η αποτίμηση αυτή προϋποθέτει την ανάπτυξη και βαθμονόμηση αξιόπιστων -πλην όμως απλών- προσομοιωμάτων, που να περιγράφουν τη γραμμική και μη γραμμική συμπεριφορά του σύνθετου συστήματος έδαφος-θεμελίωση-ανωδομή. Περιγραφή της εργασίας: Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Εδαφομηχανικής, Θεμελιώσεων &amp; Γεωτεχνικής Σεισμικής Μηχανικής του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, στα πλαίσια του μεταπτυχιακού προγράμματος σπουδών Αντισεισμικός Σχεδιασμός Τεχνικών Έργων (Α.Σ.Τ.Ε.). Αφορά δύο εκδοχές ενός διώροφου κτιρίου από τρίστρωτη λιθοδομή άνευ διαζωμάτων, με ξύλινα πατώματα. Το πρώτο κτίριο (BM1-BS) αναφέρεται στην αρχική κατάσταση, με τις συνήθεις δομικές αδυναμίες ενός μνημείου, ενώ το δεύτερο (BM1-AS) στο ίδιο δόμημα, αλλά κατόπιν εφαρμογής κάποιων τεχνικών επέμβασης. Η εργασία αποτελείται από δύο μέρη: (i) βιβλιογραφική επισκόπηση και (ii) αριθμητική διερεύνηση. Στα πλαίσια της εν λόγω εφαρμογής έγιναν αριθμητικές προσομοιώσεις, με Επιφανειακά Πεπερασμένα Στοιχεία (Shell) και με Ραβδόμορφα Ισοδύναμα Πλαίσια (Macro-Element). Με αυτές τις αναλύσεις, προσεγγίζεται η πειραματική συμπεριφορά των δύο κτιρίων, που είναι άμεσα εδραζόμενα επί σεισμικής τράπεζας (δοκιμές σε κλίμακα 1:2, Εργαστήριο Αντισεισμικής Τεχνολογίας ΕΜΠ, πρόγραμμα NIKER, 2011-2). Στην παρούσα φάση, δεν ελήφθη υπ’ όψιν η πιθανή επιρροή της Δυναμικής Αλληλεπίδρασης Ανωδομής-Θεμελίωσης-Εδάφους (ΔΑΕΘΑ) που σε ενδόσιμα εδάφη είναι καθοριστικής σημασίας. Η εργασία εκτυλίσσεται στα εξής στάδια: 1. Επισκόπηση των τρεχουσών στρατηγικών αριθμητικής προσομοίωσης κτιρίων από ιστορική τοιχοποιία. Εμβάθυνση στα μακροστοιχεία και ειδικότερα στη διαδικασία διατύπωσης του καταστατικού νόμου για το μακροστοιχείο που προτάθηκε από τους Gambarotta-Lagomarsino. 2. Παρακολούθηση της συμπεριφοράς του μη ενισχυμένου κτιρίου τρίστρωτης λιθοδομής, για σεισμικές φορτίσεις, καθώς και κάποιων προγενέστερων αριθμητικών διερευνήσεων σε αυτό (από τη σχετική τεκμηρίωση). 3. Παρακολούθηση της εφαρμογής ενδεδειγμένων υλικών και τεχνικών ενίσχυσης, καθώς και της συμπεριφοράς του ενισχυμένου κτιρίου, για σεισμικές φορτίσεις (από τη σχετική τεκμηρίωση). 4. Ανάπτυξη και βαθμονόμηση γραμμικών προσομοιωμάτων για την αριθμητική διερεύνηση των δυναμικών χαρακτηριστικών των κτιρίων τρίστρωτης λιθοδομής προ ενίσχυσης και κατόπιν ενίσχυσης. 5. Ανάπτυξη και βαθμονόμηση μη γραμμικών προσομοιωμάτων για την αριθμητική διερεύνηση της μη γραμμικής συμπεριφοράς του ενισχυμένου και του μη ενισχυμένου κτιρίου. Συνδυασμένη χρήση με τα γραμμικά προσομοιώματα για προσέγγιση της εξέλιξης των διαφόρων μεταβλητών απόκρισης στο χρόνο, καθώς και των καταγεγραμμένων βλαβών. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής, αρχικά αντιμετωπίστηκαν οι ιδιαιτερότητες που παρουσιάζονται στα ιστορικά δομήματα και ειδικότερα η επιρροή τους στην περιγραφή των δυναμικών χαρακτηριστικών με αριθμητικά προσομοιώματα (Modal Analyses, Transfer Function Analyses). Έπειτα, δοκιμάστηκαν μη γραμμικές μέθοδοι για την αποτίμηση της ανελαστικής απόκρισης, σε αυτοτελείς εφαρμογές (Non-Linear Static Pushover Analyses), αλλά και σε συνδυασμό με γραμμικές μεθόδους (Linear Time History Analyses). Τα αποτελέσματα ανέδειξαν τις προκλήσεις που παρουσιάζει η προσομοίωσης της συμπεριφοράς μη συμβατικών κτιρίων από ιστορική τοιχοποιία, ιδιαίτερα των μη αναβαθμισμένων. Επίσης, προέκυψαν συμπεράσματα για την αποτελεσματικότητα των εφαρμοζόμενων μεθοδολογιών προσομοίωσης. Συζητήθηκαν τα όρια εφαρμογής των εμπλεκόμενων παραδοχών, καθώς και οι δυνατότητες συνδυασμού κάποιων εκ των παραπάνω τεχνικών, για αμοιβαία αντιστάθμιση κάποιων αδυναμιών.