Modelação de ensaios experimentais de compressão axial e compressão-corte em modelos de alvenaria de pedra tradicional através de modelos de partículas

Abstract

O comportamento estrutural das paredes de alvenaria de pedra tradicional existente é ainda uma tarefa difícil de se prever, tanto no comportamento experimental como na modelação numérica, devido à sua natureza composta e complexa: heterogeneidade e incerteza nas propriedades materiais dos seus constituintes, a variabilidade do posicionamento e da geometria das unidades de pedra, entre outros. Nesta dissertação procurou-se melhorar a previsão do modelo numérico sob compressão uniaxial e compreender o comportamento das paredes de alvenaria de pedra antigas não reforçadas através da simulação numérica da aplicação de cargas de compressão-corte no plano da parede, em termos de capacidade resistente, ductilidade e análise dos mecanismos de rotura. Para este efeito adotou-se uma estratégia de micro-modelação da alvenaria usando um modelo de partículas 2D (MP). Os modelos numéricos foram criados tendo por base os modelos experimentais, muretes construídos com técnicas construtivas tradicionais portuguesas, realizados na FCT-NOVA disponíveis na literatura de especialidade. O modelo numérico é gerado através de um processo de mapeamento de unidades de pedra e juntas de argamassa. No modelo 2D-PM os elementos constituintes, a pedra e a argamassa, são representados como conjuntos de partículas que interagem entre si, podendo assim representar a sua heterogeneidade física e material. As propriedades resistentes e elásticas dos contactos foram calibradas com base em dados experimentais. A validação numérica dos modelos MP dos muretes de alvenaria de pedra tradicional sob condições de compressão uniaxial e de compressão-corte foram realizados recorrendo ao software Parmac2D. Os resultados apresentados mostram que os modelos 2D-PM são capazes de prever a resposta em termos de diagrama força-deslocamento, incluindo a capacidade resistente máxima, a rigidez inicial, o padrão da propagação das fendas e os modos de rotura finais do murete observados experimentalmente sob condições de carregamento distintas. Adicionalmente são apresentados os resultados dos estudos paramétricos realizados que permitem uma melhor concordância entre as previsões numéricas (compressão uniaxial e compressão-corte) e a resposta experimental mostrando a relevância das propriedades de resistência da interface argamassa-pedra no comportamento macroscópico global.

The structural behavior of ancient stone masonry walls is still challenging to predict, both experimentally and numerically, due to their composite and complex nature: heterogeneity and uncertainty in the material properties of their constituents, the variability of positioning and geometry of stone units, among others. The study conducted during this dissertation aimed at improving the prediction of the numerical model under uniaxial compression and to further understand the behaviour of unreinforced old stone masonry walls, in terms of loading capacity, ductility, and analysis of failure mechanisms, through the numerical simulation of the application of compression-shear loads in the wall plane. For this purpose, a micro modeling strategy of the masonry using a 2D particle model (PM) was adopted. The numerical models were created based on experimental models built with traditional Portuguese construction techniques. The experimental research has been carried out at FCT-NOVA and reported in the specialized literature. The numerical models are generated through a mapping process of the stone units and of the mortar joints. In the 2D-PM model, the constituent elements, stone and mortar, are represented as sets of particles that interact with each other, thus being able to represent their physical and material heterogeneity. The strength and elastic contact properties were calibrated based on known experimental data. The numerical validation of PM models of the rubble stone masonry walls under uniaxial compression and compression-shear conditions were carried out using the Parmac2D software. The presented results show that the 2D-PM models are able to predict the response in terms of the force-displacement diagram, the initial stiffness, the maximum strength, the crack propagation pattern and the final failure modes of the rubble stone masonry walls observed experimentally under different loading conditions. Additionally, the results of the parametric studies performed are presented, which allow a better agreement between the numerical predictions (uniaxial compression and shear- compression) and the experimental response showing the relevance of the strength properties of the mortar-stone interface in the global macroscopic behavior.