Mechanical characterisation of masonry in existing structures by means of laboratory and in-situ experimental techniques

Abstract

(English) Masonry structures are among the most abundant construction typologies in the world, having been commonly built until the second half of the 20th century. The determination of the mechanical properties of these structures entails significant difficulties given the intrinsic complexity of masonry as a composite material. For this reason, the accurate evaluation of masonry buildings against vertical and horizontal actions requires the development and improvement of techniques for the characterisation of the mechanical properties of existing masonry and their components. This thesis presents an extensive experimental program on the characterisation of solid fired clay bricks, including the case of both handmade bricks and mechanically extruded ones. The research has also comprised extensive campaigns on the mechanical characterisation of bricks and mortar in existing historic buildings in Barcelona (Spain), using minor destructive tests (MDT). The main objective of the in-situ experimental campaigns was the calibration and validation of the MDT techniques by comparison with results obtained through destructive tests (DT) applied in the laboratory. The laboratory experimental campaigns involved the study and improvement of existing techniques and the development of new ones for the mechanical characterisation of masonry components. The research has focused on the measurement of mechanical parameters of solid clay bricks, such as the compressive strength and the modulus of elasticity. Currently, there is a lack of unanimity in the scientific literature and also among the standards on how to evaluate the compressive strength, which in any case requires of a large number of specimens and the use of various tools and techniques. Also, there are no reference standards on the determination of the modulus of elasticity and, therefore, new proposals on standardizable methodologies are needed. In spite of the challenges encountered in the experimental characterization of bricks, different methodod have been proposed in this research in order to allow their mechanical characterization. The proposed approaches and method have shown their suitability and practical applicability. Finally, a test methodology is recommended for each of the parameters studied in the research, whose final objective is the correlation between the MDT values and the DT values.

(Español) Las estructuras de obra de fábrica de ladrillo se hayan entre los tipos constructivos más abundantes a escala mundial, habiendo sido comúnmente construidas hasta la segunda mitad del siglo XX. La determinación de las propiedades mecánicas de estas estructuras conlleva dificultades significativas dada la intrínseca complejidad de la mampostería como material compuesto. Por este motivo, la evaluación estructural precisa de los edificios de obra de fábrica ante acciones verticales y horizontales requiere el desarrollo de técnicas para la caracterización de las propiedades mecánicas de la obra de fábrica y de sus componentes. Esta tesis presenta un extenso programa experimental relativo a la caracterización de ladrillos macizos de arcilla cocida, incluyendo tanto el caso de ladrillos fabricados a mano como de ladrillos fabricados por extrusión. La tesis también ha comprendido extensas campañas relativas a la caracterización de ladrillos y mortero en edificios históricos existentes de la ciudad de Barcelona (España) mediante ensayos moderadamente destructivos (MDT). El objetivo principal de las campañas experimentales desarrolladas in-situ ha sido la comparación, validación y calibración de las técnicas MDT con resultados de los ensayos destructivos (DT) obtenidos en laboratorio. Las campañas experimentales conllevaron el estudio y mejora de técnicas existentes y el desarrollo de nuevas técnicas para la caracterización mecánico-resistente de los materiales componentes de la obra de fábrica. La investigación se ha centrado en la medida de parámetros mecánicos de ladrillos macizos, tales como la resistencia a compresión y el módulo de elasticidad. El estado del conocimiento muestra falta de unanimidad entre las propuestas de la comunidad científica y entre las diferentes normativas vigentes en relación a cómo medir la resistencia a compresión, lo cual en cualquier caso requiere un gran número de probetas y la utilización de diversas herramientas y técnicas. El estado del conocimiento también muestra la inexistencia de estándares de referencia para la determinación del módulo de elasticidad, siendo necesaria la propuesta de una metodología estandarizable para esta finalidad. A pesar de los retos hallados en la caracterización experimental de ladrillos, la presente investigación ha propuesto distintos métodos propuestos para su caracterización mecánica.

(Italiano) Le strutture in muratura costruite in mattoni sono tra le tipologie costruttive più numerose al mondo, essendo state comunemente costruitefino alla seconda metà del XX secolo. La determinazione delle proprietà meccaniche di queste strutture comporta notevoli difficoltà, data la complessità intrinseca della muratura come materiale composito. Per questo motivo, la valutazione precisa degli edifici in muratura nei confronti delle azioni verticali e orizzontali richiede lo sviluppo e il miglioramento delle tecniche per la caratterizzazione delle propietà meccaniche delle murature esistenti e dei loro componenti. Questa tesi di dottorato presenta un ampio programma sperimentale relativo alla caratterizzazione di mattoni pieni in argilla cotta, sia realizzati a mano che realizzati per estrusione. La ricerca ha considerato anche ampie campagne sulla caratterizzazione meccanica di mattoni e malte di edifici storici esistenti nella città di Barcellona (Spagna), utilizzando prove moderatamente distruttive (MDT). L’obiettivo principale delle campagne sperimentali in situ è stato la calibrazione e la validazione delle tecniche MDT rispetto ai risultati delle prove distruttive (DT) ottenute in laboratorio. Le campagne sperimentali di laboratorio hanno riguardato lo studio e il miglioramento delle tecniche esistenti e lo sviluppo di nuove per la caratterizzazione meccanico-resistente dei componenti dell’opera muraria. La ricerca si è concentrata sulla misura di parametri meccanici di mattoni pieni, quali la resistenza a compressione e il modulo di elasticità. Attualmente non vi è unanimità nella letteratura scientifica e nemmeno sulle norme su come valutare la resistenza a compressione, che comunque richiede un numero elevato di campioni e l’utilizzo di vari strumenti e tecniche. Inoltre, non esistono norme di riferimento sulla determinazione del modulo di elasticità e, pertanto, sono necessarie nuove proposte su metodologie standardizzabili. Nonostante le difficoltà incontrate nella caratterizzazione sperimentale dei mattoni, in questa ricerca sono stati proposti diversi metodi per eseguire la loro caracterizzazione meccanica. Gli approcci ed il metodo proposti hanno dimostrato la loro idoneità e applicabilità pratica. Infine, si raccomanda una metodologia di prova per ciascuno dei parametri studiati nella ricerca, il cui obiettivo finale è la correlazione tra i valori MDT ei valori DT.