Investigation on the strength of spandrels in masonry façades

The study of the lateral strength of masonry façades and general walls with openings is of utmost importance for the verification of the seismic capacity of masonry buildings. Significant research effort has been recently devoted to the characterization of the seismic performance of this type of structures by means of both experimental and numerical techniques. A critical aspect which, to large extent, determines the lateral capacity of masonry façades and walls with openings is found in the shear capacity of the structural members involved and, in specific, that of the spandrel walls situated over or below openings and between the masonry piers. The shear capacity of masonry spandrels has been analyzed according to different approaches. Different researchers have proposed analytical equations and simple failure criteria for the estimation of their shear capacity. The seismic performance of spandrels has been analyzed also by means of numerical methods encompassing different levels of complexity, such as micro-models, macro-models and the equivalent frame method. This thesis contains a detailed investigation of the state of the art regarding the seismic performance of masonry façades concentrated in the in plane behavior of spandrels. This investigation is including the observations from past earthquakes and experimental cases, as well as numerical and simplified analytical approaches which aim to characterize the behavior of the spandrel component subjected to lateral loads. Based on the conclusions from the state of the art review, an appropriate numerical model is developed based on the Finite Element macromodelling approach. The adopted model is calibrated using a previous experimental campaign as a benchmark problem. A detailed parametric study is executed in order to investigate the influence of several parameters such as the masonry mechanical properties and the interaction between timber lintel and masonry. Once the model is calibrated it is applied to a new test to estimate its expected behavior. In addition, a simplified micromodel is adopted in the process of obtaining a more explicit solution. A limited parametric analysis is revealing the influence of properties that are difficult to be defined experimentally such as the interface parameters between unit and mortar. The results from the numerical approaches are revealing the possibilities and drawbacks of the Finite Element method to the simulation and assessment of unreinforced masonry façades subjected to in plane lateral loads. Finally the conclusions derived from the results of this thesis are discussed and ideas for further work are proposed. El estudio de la resistencia lateral de fachadas de obra de fábrica y, en general, de muros con aperturas, es de vital importancia para la verificación de estructuras de mampostería frente a acciones sísmicas. Se han efectuado esfuerzos significativos en la investigación acerca de la caracterización del comportamiento sísmico de este tipo de estructuras, tanto con técnicas experimentales como numéricas. Un aspecto crucial que, en gran medida, determina la capacidad lateral de las fachadas de mampostería y muros con aperturas, se ha encontrado en la capacidad de los elementos estructurales para resistir el cortante y, en particular, en la capacidad que ofrecen los dinteles, que son los elementos horizontales de fábrica situados sobre o bajo las aperturas y entre los pilares. Esta capacidad a cortante de los dinteles ha sido analizada desde distintos puntos de vista. Diferentes investigadores han propuesto ecuaciones analíticas y criterios simples de fallo para la estimación de esta resistencia. El comportamiento sísmico de los dinteles ha sido también estudiado con métodos numéricos incorporando diferentes niveles de complejidad, tales como micromodelos, macromodelos y el método del pórtico equivalente. Esta tesina presenta una detallada investigación del estado del conocimiento sobre el comportamiento sísmico de fachadas de mampostería, con especial interés en la respuesta de los dinteles en su propio plano. La investigación incluye observaciones de pasados terremotos y casos experimentales, así como estrategias numéricas y simplificadas para la caracterización de la respuesta de los dinteles cuando están sometidos a cargas laterales. Basado en las conclusiones del estado del arte, se ha desarrollado un modelo numérico siguiendo la estrategia de macromodelización por elementos finitos. El modelo adoptado se ha calibrado utilizando una campaña experimental previa como problema de referencia. Al mismo tiempo, un detallado estudio paramétrico se ha efectuado para investigar la influencia de diversos parámetros como son las propiedades mecánicas de la obra de fábrica y la interacción entre esta y la viga dintel de madera. Una vez que el modelo ha sido calibrado, se ha aplicado a un nuevo experimento para estimar su respuesta. L‘estudi de la resistència lateral de façanes d‘obra de fàbrica i, en general, de murs amb apertures, és de vital importància per la verificació d‘estructures de maçoneria front a accions sísmiques. S‘han efectuat significatius esforços de recerca al voltant de la caracterització del comportament sísmic d‘aquest tipus d‘estructures, tant amb tècniques experimentals com numèriques. Un aspecte crucial que, en gran mesura, determina la capacitat lateral de les façanes de maçoneria i murs amb apertures, s‘ha trobat en la capacitat dels elements estructurals per resistir la cisalla i, en particular, la capacitat que ofereixen les llindes, que són aquí els elements horitzontals d'obra de fàbrica situats sobre o sota les apertures i entre els pilars. Aquesta capacitat a cisalla de les llindes ha estat analitzada des de distints punts de vista. Diferents investigadors han proposat equacions analítiques i criteris simples de trencament per a l‘estimació d‘aquesta resistència. El comportament sísmic de les llindes ha estat també estudiat amb mètodes numèrics incorporant diferents nivells de complexitat, tals com micromodels, macromodels i el mètode del pòrtic equivalent. Aquesta tesina presenta una detallada investigació de l‘estat del coneixement sobre el comportament sísmic de façanes de maçoneria, amb especial interès en el comportament de les llindes en el seu pla. La recerca inclou observacions de passats terratrèmols i casos experimentals, així com estratègies numèriques i simplificades per a la caracterització de la resposta de les llindes quan es sotmeten a càrregues laterals. Basat en les conclusions de l‘estat del coneixement, s‘ha desenvolupat un model numèric seguint l‘estratègia de macromodelatge per elements finits. El model adoptat s‘ha calibrat emprant un campanya experimental prèvia com a problema de referència. Al mateix temps, un detallat estudi paramètric s‘ha efectuat per investigar la influència de diversos paràmetres com ara les propietats mecàniques de la maçoneria i la interacció entre aquesta i la biga llinda de fusta. Un cop el model ha estat calibrat, s‘ha aplicat a un nou experiment per estimar la seva resposta. A més, un micromodel simplificat s‘ha adoptat amb la intenció d‘obtenir una solució més explícita. Una anàlisi paramètrica reduïda ha posat en relleu la importància que tenen algunes propietats, les quals són molt difícils de definir experimentalment, tals com els paràmetres de la interfície entre els blocs i el morter. Els resultats d‘aquestes estratègies numèriques revelen les possibilitats i punts febles del mètode dels elements finits per simular i avaluar el comportament d‘estructures d‘obra de fàbrica no reforçada sotmeses a càrregues laterals en el seu pla. Finalment, s‘inclou una discussió dels resultats de la tesina i idees per a futures línies de recerca.