Laboratory experimental procedures for the compression and shear characterisation of historical brick masonry

Abstract

Masonry has been used for millennia to build all sort of constructions. As a result, a significant part of the building stock around the world is made of masonry. In the need of structural assessment, structural analysis tools, as well as strength criteria proposed in building codes, require the knowledge of the mechanical properties of the materials. However, the mechanical characterisation of masonry is still difficult and challenging, due to its composite nature and its complex mechanical behaviour. In fact, it is possible to find contradictions among standards, lack of definition for certain procedures, or even lack of standards for certain tests. This thesis aims to contribute with the critical analysis of some of these testing procedures and provide possible improvements for a specific type of masonry. Four lines of research have been identified, which cover tests in laboratory and in situ to characterise the behaviour in compression and in shear. The specific type of masonry on which the experimental campaigns are carried out is the traditional type of brickwork that was extensively used in Barcelona during the 19th and 20th c. In spite of its relevance, this type of masonry is in need of further characterisation. A preliminary research was necessary to find a historical-like mortar with a relatively fast hardening and low mechanical properties. The modification of hydraulic lime based commercial mortars with the addition of limestone filler is investigated. Small amounts of filler enhance the mechanical properties of the mortar. High amounts of filler reduce the mortars’ strengths and make it suitable to replicate historical-like masonry in laboratory. The first line of research on testing procedures covered the compressive characterisation of masonry on prismatic standard specimens. European and American standards differ in the type of specimen to consider, running bond walls and stack bond prisms, respectively. This work compares experimental results obtained from both types of specimen and also obtained from two types of loading, monotonic and cyclic. The second line of research involves an experimental campaign that investigates the possibility of using 90 mm cylinders extracted from existing walls to characterise the compressive behaviour of masonry. Four examples of masonry have been investigated, including cylinders extracted from three existing buildings of Barcelona. The results obtained with 90 mm cylinders compare well to those obtained with the well-known 150 mm cylinders. The third line of research deals with the characterisation of the shear response of masonry in laboratory. The standard triplet specimen consisting of three units and two mortar joints present some interpretation problems related to the non-simultaneous failure of the two joints. This experimental campaign studies the possibility of using couplet specimens of only one mortar joint to determine the shear parameters. For the two types of brickwork investigated, couplets provide higher estimations of the shear parameters with respect to triplets. The last line of research investigates the diagonal compression test, a testing procedure applicable both in situ and in laboratory for shear characterisation. First, an experimental campaign is presented. The experimental results are used to calibrate a numerical model, which is applied to investigate the actual states of stresses and to find correlating coefficients between the test results and the mechanical properties of masonry. The combination of all the former researches provides a set of reference values for the mechanical properties of the traditional brickwork of Barcelona. Nevertheless, the scientific findings, methods, and criteria presented in this thesis, even if derived for a specific type of brickwork, may be of application for the characterisation of other types of masonry around the world.

L’obra de fàbrica ha estat utilitzada durant mil·lennis per construir tota mena d’estructures. Davant la necessitat de verificacions estructurals, les eines d’anàlisi, així com els criteris de resistència dels codis de construcció, requereixen el coneixement de les propietats mecàniques dels materials. Malauradament, la caracterització mecànica de l’obra de fàbrica no es tasca fàcil i continua suposant un desafiament, per la seva natura composta i el seu complex comportament. De fet, és possible trobar contradiccions entre normes, manca de definició per alguns procediments i, inclús, inexistència de normes per alguns tipus de test. Aquesta tesi aspira a contribuir a l’anàlisi crítica d’algunes d’aquestes tècniques d’assaig i proveir-ne possibles millores per a un tipus d’obra de fàbrica específic. Quatre línies de recerca s’han identificat, que abasten tests en laboratori i in situ per caracteritzar el comportament a compressió i a tallant. El tipus específic de material sobre el qual es duran a terme les campanyes experimentals és la fàbrica de maó tradicional que va ser extensament utilitzada a Barcelona durant els segles XIX i XX. Tot i la seva rellevància, aquest tipus de material continua necessitant una caracterització més detallada. Una recerca preliminar fou necessària per trobar un morter pseudo-històric amb febles propietats mecàniques. La modificació de morters comercials de calç hidràulica amb l’addició de filler calís és investigada. Petites quantitats de filler milloren les propietats mecàniques del morter. Majors quantitats de filler redueixen les resistències del morter i el fan apropiat per replicar fàbriques de tipus històric al laboratori. La primera línia de recerca sobre tècniques d’assaig va estudiar la caracterització a compressió amb espècimens prismàtics estàndards. Les normes americanes i europees difereixen en el tipus d’espècimen considerat, prismes apilats i petits murets, respectivament. Aquest treball compara resultats experimentals obtinguts amb els dos tipus d’espècimen i també obtinguts amb dos tipus d’aplicació de càrrega, monòtona i cíclica. La segona línia de recerca desenvolupa una campanya experimental que investiga la possibilitat d’utilitzar cilindres de 90 mm de diàmetre extrets de murs existents per caracteritzar la resposta a compressió. Quatre exemples d’obra de fàbrica s’han investigat, incloent cilindres xvi extrets de tres edificis de Barcelona. Els resultats obtinguts amb els cilindres de 90 mm es comparen satisfactòriament amb els obtinguts amb els ja coneguts cilindres de 150 mm. La tercera línia de recerca tracta la caracterització en laboratori de la resposta a tallant de l’obra de fàbrica. La tripleta estàndard formada per tres maons i dos junts de morter presenta alguns problemes d’interpretació relacionats amb la fallada no simultània dels dos junts. La campanya estudia la possibilitat d’utilitzar bipletes composades de tan sols un junt de morter per determinar els paràmetres a tallant. Pels dos tipus de material estudiats, les bipletes proporcionen majors estimacions de les propietats a tallant que les tripletes. L’última línia de recerca estudia el test de compressió diagonal, una tècnica aplicable in situ i al laboratori per caracteritzar el comportament a tallant. Es presenta una campanya experimental, els resultats de la qual s’utilitzen per calibrar un model numèric. Aquest s’aplica per investigar els estats de tensions reals i trobar coeficients de correlació entre els resultats del test i les propietats mecàniques de l’obra de fàbrica. La combinació de les investigacions prèvies proporciona un conjunt de valors de referència per a les propietats mecàniques de la fàbrica de maó tradicional de Barcelona. Les conclusions científiques, mètodes i criteris presentats en aquesta tesi, tot i haver estat derivats per un tipus específic de fàbrica, poden ser d’aplicació per a la caracterització d’altres tipus de fàbrica arreu del món

La obra de fábrica ha sido utilizada durante milenios para construir toda clase de estructuras. Ante la necesidad de verificaciones estructurales, las herramientas de análisis, así como los criterios de resistencia de los códigos de construcción, requieren el conocimiento de las propiedades mecánicas de los materiales. Desafortunadamente, la caracterización mecánica de la obra de fábrica no es una tarea fácil y continúa suponiendo un desafío, por su naturaleza compuesta y su complejo comportamiento. De hecho, es posible encontrar contradicciones entre normas, falta de definición en algunos procedimientos o, incluso, inexistencia de normas para algunos tipos de test. Esta tesis aspira a contribuir en el análisis crítico de algunas de estas técnicas de ensayo y proveer posibles mejoras en ellas para un tipo de obra de fábrica específico. Se han definido cuatro líneas de investigación que abarcan ensayos en laboratorio e in situ para caracterizar el comportamiento a compresión y a cortante. El tipo específico de material sobre el que se llevan a cabo las campañas experimentales es la fábrica de ladrillo tradicional que se usó extensamente en Barcelona durante los siglos XIX y XX. A pesar de su relevancia, este tipo de material continúa necesitando una caracterización más detallada. Una investigación preliminar fue necesaria para encontrar un mortero pseudo-histórico con débiles propiedades mecánicas. La modificación de morteros comerciales de cal hidráulica con la adición de filler calizo es investigada. Cantidades pequeñas de filler mejoran las propiedades mecánicas del mortero. Mayores cantidades de filler reducen sus resistencias y lo hacen apropiado para replicar obras de fábrica de tipo histórico en el laboratorio. La primera línea de investigación sobre técnicas de ensayo estudió la caracterización a compresión con especímenes prismáticos estandarizados. Las normas americanas y europeas difieren en el tipo de espécimen considerado, prismas apilados y pequeños muretes, respectivamente. Este trabajo compara resultados experimentales obtenidos con los dos tipos de espécimen y también obtenidos con dos tipos de aplicación de carga, monótona y cíclica. La segunda línea de investigación gira sobre una campaña experimental que investiga la posibilidad de utilizar cilindros de 90 mm de diámetro extraídos de muros existentes para caracterizar la respuesta a compresión. Se han investigado 4 ejemplos de fábrica, incluyendo cilindros extraídos de 3 edificios de Barcelona. Los resultados obtenidos con los cilindros de 90 mm se comparan satisfactoriamente con los obtenidos en los ya aceptados cilindros de 150 mm. La tercera línea de investigación trata la caracterización en laboratorio de la respuesta a cortante de la obra de fábrica. La tripleta estándar formada por tres ladrillos y dos juntas de mortero presenta algunos problemas de interpretación relacionados con el fallo no simultáneo de las juntas. La campaña estudia la posibilidad de utilizar bipletas con una sola junta de mortero para determinar los parámetros a cortante. Para los dos tipos de material estudiados, las bipletas proporcionan mayores estimaciones de las propiedades a cortante que las tripletas. La última línea de investigación estudia el ensayo de compresión diagonal, una aplicable in situ y en laboratorio para caracterizar el comportamiento a cortante. Se presenta una campaña experimental cuyos resultados se utilizan para calibrar un modelo numérico. Este se aplica para investigar los estados reales de tensiones y encontrar coeficientes de correlación entre los resultados del ensayo y las propiedades mecánicas de la obra de fábrica. La combinación de las investigaciones previas proporciona un conjunto de valores de referencia para las propiedades mecánicas de la fábrica de ladrillo tradicional de Barcelona. Las conclusiones científicas, métodos y criterios presentados en esta tesis, aun habiendo sido derivados para un tipo específico de fábrica, pueden ser aplicados para la caracterización de otros tipos de fábrica en otras áreas geográficas.