Seismic assessment of the out-of-plane performance of traditional stone masonry walls.Costa, A.A. (2012). Tese de doutoramento.

The present Thesis focuses on the experimental characterization and numerical study of the out-of-plane behaviour of stone masonry walls for quasi-static and dynamic loads.
Several in-situ experiments on existing constructions were performed in order to characterize the quasi-static behaviour of unreinforced and strengthened specimens with techniques commonly used in pre/post-earthquake interventions. For this purposes, a new test setup to perform field tests within reasonable time interval and costs was developed and validated with an extensive tests campaign on damaged constructions after the 1998 Azores earthquake. The efficiency of different strengthening techniques was assessed and compared among them and simple analytical calculations proved to be efficient and conservative solutions when applied to force-based assessment of existing masonry walls.
The dynamic behaviour of masonry walls was also evaluated resorting to shaking table tests as well as numerical simulations. Shaking table tests performed at LNEC (Lisbon, Portugal) on full scale ne-storey sacco stone masonry facades were made especially devoted to the out-of-plane behaviour, where the selection of the input ground motions revealed to be decisive to trigger the overturning mechanism. The behaviour of the facades was found to be significantly influenced by the presence of the masonry multiple leaves, being the instability achieved by the overturning of the outer leaf and local masonry assemblages’ effects.
A novel proposal for simulating the dynamic response of local mechanisms was made resorting to multibody dynamics, where masonry portions (of a given local mechanism) are simulated through kinematic chains (rigid bodies) with concentrated nonlinearity at contact surfaces. The restitution coefficient, an important parameter to correctly describe the dynamic rocking behavior of rigid bodies, was determined by lab experimental tests of cantilever masonry walls for 2-sided rocking, where the dynamic properties of the wall are reproduced by an equivalent structure based on a proposed methodology named as Equivalent Block Approach (EBA).
Finally, the multibody dynamics approach was validated against two shaking table test results: the shaking table test presented herein and the test performed on a two-storey height double leaf stone masonry facade tested at EUCENTRE (Pavia, Italy). Promising results were obtained and some comments are included regarding static and dynamic analysis of local mechanisms resorting to simplified models. At the end, a proposal for seismic assessment of existing structure is made, where both the in-plane and out-of-plane behaviours are taken into account.

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Pavimentos de madeira em edifícios antigos. Diagnóstico e intervenção estrutural.Ilharco, T. (2008). Tese de mestrado.

A presente dissertação pretende estudar pavimentos de madeira, em particular de edifícios antigos, descrever os principais danos esperados e apresentar formas e acções de reabilitação ou reforço. Para além disso, apresenta resultados de ensaios in-situ e em laboratório sobre um pavimento de madeira de um edifício do início do Séc. XX. Muita da informação aqui compilada resultou da experiência adquirida em trabalhos realizadas no âmbito de protocolos entre diversas entidades e a Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP), por intermédio do Núcleo de Conservação e Reabilitação de Edifícios e Património (NCREP). Apesar desta experiência se estender para além da cidade do Porto, os exemplos indicados e o caso de estudo final reportam-se a edifícios maioritariamente localizados nesta cidade.

As vantagens e desvantagens da reabilitação dos pavimentos antigos de madeira são discutidas, por contraponto com a hipótese da sua substituição integral, apresentando-se casos de estudo de edifícios antigos analisados pelo NCREP que apresentam estruturas de pavimento originais ainda a desempenhar as suas funções. Caracterizam-se os vários elementos estruturais dos pavimentos, a sua função e características principais. Evidencia-se a importância das fases de inspecção e diagnóstico, como instrumentos essenciais de auxílio à intervenção de reabilitação/reforço, abordando-se ainda o modo de verificação dos pavimentos de madeira segundo o Eurocódigo 5. São descritas técnicas de reabilitação e reforço de pavimentos de madeira, associando-as a danos ou necessidades específicas, e é feita uma análise crítica comparativa que pode ajudar a definir quais as medidas mais adequadas a cada situação.
É ainda analisada, através de uma extensa campanha de ensaios realizada num pavimento de madeira dum edifício antigo do Porto, a fiabilidade e compatibilidade de resultados obtidos por diferentes ensaios de caracterização física e mecânica: ensaios in-situ não destrutivos (Resistograph, Pilodyn, Sismógrafos, ensaio de carga) e ensaios laboratoriais destrutivos (em provetes pequenos isentos de defeitos e à escala real). É efectuada a modelação numérica do pavimento por elementos finitos, de modo a avaliar o seu potencial na previsão do comportamento mecânico de pavimentos de madeira.
Com este trabalho pretende-se assim definir modos de actuação e avaliação de pavimentos antigos de madeira, procurando formas expeditas de apoio à decisão de intervenção, nomeadamente através de ferramentas que permitam uma avaliação simples e pouco intrusiva, mostrando que existe uma grande diversidade de soluções de reabilitação/reforço que possibilita, com relativa facilidade e porque nem só as fachadas são património, a manutenção desta herança que são os pavimentos antigos de madeira.

Identificação mecânica e avaliação do comportamento sísmico de chaminés em alvenaria.Lopes, V. (2009). Tese de mestrado.

A presente dissertação estuda o comportamento sísmico de chaminés de alvenaria de tijolo. A partir da caracterização genérica deste tipo de estruturas que proliferaram em Portugal entre o final do século XIX e o início do século XX, é apresentado um caso de estudo relativo a uma chaminé situada nos arredores da cidade do Porto. Neste âmbito são apresentados os resultados da caracterização geométrica realizada através de tecnologia laser scanning. A caracterização material/mecânica da estrutura foi efectuada através da inspecção visual e da realização de ensaios dinâmicos de vibração ambiental, cujos resultados foram utilizados para calibrar dois modelos numéricos construídos no âmbito do trabalho. São focados os principais aspectos relacionados com realização do ensaio dinâmico, bem como com o tratamento dos dados, discutindo-se as diferentes estratégias de calibração adoptadas. Em particular, a consideração na modelação de diferentes zonas com características materiais distintas, de acordo com as observações feitas durante a inspecção visual, é analisada, comparando-se a resposta de cada modelo com a resposta experimental obtida.
A simulação do comportamento sísmico da chaminé é efectuada com base em diferentes estratégias: considerando ou não diferentes zonas materiais na chaminé e assumindo para o comportamento da alvenaria de tijolo uma lei linear elástica ou não linear plástica, quer em tracção, quer em compressão, utilizando um modelo de dano contínuo. São então apresentados e discutidos os pressupostos referidos na bibliografia em relação ao comportamento da alvenaria, e introduzidos estes dados na calibração numérica do modelo não linear. Os resultados obtidos com cada um dos modelos numéricos são comparados, avaliando-se a importância da consideração do estado de conservação do material e do comportamento não linear na resposta da estrutura. Por fim, é testada uma possível solução de reforço com vista à melhoria da resposta sísmica da chaminé.
Com este trabalho pretende-se definir modos de actuação e avaliação do estado e da resposta de estruturas antigas em alvenaria, nomeadamente através da realização de ensaios dinâmicos de vibração ambiental que permitam de forma não destrutiva caracterizar as propriedades mecânicas da alvenaria, e da utilização de modelos de comportamento material não linear, apoiados em modelos de dano, na análise do comportamento destas estruturas face às acções regulamentares.

Experimental testing of lateral capacity of masonry piers. An application to seismic assessment of AAC masonry buildings.Costa, A.A. (2007). Tese de mestrado.

The aim of this work was to develop and propose a new experimental test setup to evaluate the in-plane resistance of masonry panels, and also analyse the lateral resistance of autoclaved aerated concrete (AAC) walls through experimental tests and subsequent numerical simulations of buildings with the aim of provide some recommendations to design AAC masonry buildings.
In order to propose a new experimental test setup, a literature review is presented regarding different test setups which create different loading and boundary conditions. Based on these test setups and taking into account a desired boundary condition (fixed-ended) a new proposal and two alternatives is presented.
Moreover, and using an old test setup, the lateral resistance of AAC panels with different slenderness ratios and reinforcement is evaluated and, using these results, a new material model based on Gambarotta and Lagomarsino [1996] macro-element is calibrated. Hence, the dynamic response of AAC masonry buildings is presented using non-linear analyses, with an innovative algorithm called Seismic Adaptative Pushover (SDAP), the capacity response method and non-linear dynamic analyses.
In the end of this work some conclusions regarding the results obtained in the numerical simulations are commented, and some recommendations are presented regarding the design of new AAC masonry buildings subjected to seismic excitations.

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Diagnosis and strengthening of historical masonry structures: Numerical and experimental analyses.Silva, B. (2012). Tese de doutoramento.

A experiência mostra que a preservação de edifícios em alvenaria, em áreas sísmicas deve ser conseguida através do uso de técnicas de intervenção compatíveis. Intervenções utilizando materiais e componentes com propriedades diferentes das dos materiais originais e/ou que impliquem alterações significativas do comportamento local ou global da estrutura original, devem ser evitadas. Para garantir que uma intervenção seja mínima, compatível e reversível, esta deve ser adaptada a cada caso específico, sendo que para tal tem que existir um processo de validação da técnica baseado nas condições reais existentes. Demonstra-se assim a necessidade de aplicação de uma metodologia integrada de análise assente no conhecimento detalhado das estruturas.
Com isto em mente, a presente tese tem como principal objectivo reunir informação sobre o comportamento estático e dinâmico de estruturas e elementos estruturais em alvenaria de pedra de três-paramentos (em condições originais e consolidadas), tendo em vista a caracterização do seu comportamento mecânico. Em particular, pretende avaliar e validar a eficácia, como técnica de reforço, da injecção de um ligante à base de cal hidráulica natural e expandir e aprofundar o conhecimento da sua influência no comportamento de estruturas em alvenaria de pedra a três paramentos.
Desta forma, foi realizada, na UNIPD, uma extensa campanha experimental em painéis em alvenaria de pedra de três-paramentos (escalas 1:1 e 2:3), em condições originais e consolidadas. Esta campanha incluiu uma série de ensaios destrutivos quasi-estáticos à compressão simples, à flexão-compressão e diagonais. Para além disso, foram complementados com ensaios Não-Destrutivos (ensaios sónicos directos e indirectos e tomografia sónica), Semi-Destrutivos (macacos planos simples e duplos) e também com a caracterização preliminar dos componentes que constituem a alvenaria e do material de injecção.
Finalmente, a informação resultante da campanha experimental foi utilizada para calibrar um modelo de dano contínuo não-linear e um modelo analítico para a simulação de alvenaria de pedra de três-paramentos. Posteriormente, o modelo de comportamento material foi utilizado na simulação numérica dos ensaios experimentais dinâmicos em mesa sísmica, de uma casa construídas em alvenaria de pedra (escala de 2:3), reforçada com injecção de cal-hidráulica natural. Os ensaios na mesa sísmica foram executados sob acção sísmica bi-direcional com níveis de PGA crescentes.

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Aplicação de um modelo de dano contínuo na modelação de estruturas de alvenaria de pedra. Igreja de Gondar - um caso de estudo.Silva, B. (2008). Tese de mestrado.

A alvenaria de pedra compõe uma grande parte das estruturas existentes actualmente em Portugal, principalmente as catalogadas como património histórico. Como tal, a compreensão do seu comportamento revela-se de grande importância, sendo, no entanto, uma tarefa bastante complexa devido à grande variabilidade e incerteza das propriedades e da geometria deste material estrutural.
Em particular, quando estruturas deste tipo são submetidas a acções dinâmicas, nomeadamente do tipo sísmico é importante compreender o seu comportamento, nomeadamente os mecanismos de colapso e de progressão de dano.
Neste trabalho é efectuada a análise sísmica de uma antiga igreja portuguesa do século XII, a igreja de Gondar, situada na zona Norte de Portugal. Trata-se de uma análise tridimensional dinâmica com elementos finitos usando o programa de cálculo Cast3M (CEA, 1990) e considerando diferentes estratégias de modelação com diferentes níveis de complexidade geométrica. Foram adoptados dois tipos de modelos de comportamento material diferentes para a alvenaria: (a) linear e (b) não linear. O modelo não linear adoptado para a simulação do comportamento da alvenaria de pedra foi o modelo de dano contínuo (Faria, 1994), inicialmente desenvolvido para a análise de estruturas compostas por grandes massas de betão (ex: barragens). A utilização deste modelo exigiu uma análise de sensibilidade paramétrica por forma a avaliar a sua aplicabilidade a este tipo de material que é caracterizado por uma grande heterogeneidade e por um comportamento bastante anisotrópico. A calibração do modelo para a sua utilização em estruturas de alvenaria foi feita a partir dos resultados de ensaios experimentais realizados nas paredes de alvenaria e com base em resultados retirados da bibliografia disponível.
Na sequência deste trabalho foram então construídas e ensaiadas duas paredes de alvenaria de pedra no Laboratório de Engenharia Sísmica e Estrutural (LESE) da Faculdade de Engenharia da Universidade (FEUP). As paredes foram ensaiadas sob a acção de uma carga vertical constante e de uma história de deslocamentos cíclicos de amplitude crescente aplicada no plano da parede. Os resultados deste ensaio e a sua análise crítica permitiram não só adquirir um melhor conhecimento do comportamento deste tipo de estrutura, como representam também um contributo no sentido da definição de dados para a utilização em modelos numéricos avançados, no caso deste trabalho o modelo de dano contínuo.
A igreja foi então analisada considerando uma fundação rígida e submetida à acção do peso próprio e de acelerogramas artificiais gerados com base nos espectros de resposta da norma EN 1998-1:2005 (CEN, 2005) e no zonamento proposto no Documento Nacional de Aplicação (DNA).
Os resultados das várias análises efectuadas foram discutidos e comparadas em termos de análise do estado de tensão e de deformação dos diferentes elementos da estrutura da igreja, avaliando a sua capacidade resistente a este tipo de acções e identificando as zonas mais críticas. Tendo sido também efectuada a comparação dos resultados obtidos com as diferentes estratégias de modelação, avaliando e comentando as suas diferenças.
Finalmente foram analisadas algumas soluções de reforço à acção sísmica ao nível da cobertura da igreja, tendo-se comparado e avaliado o seu desempenho e eficiência.

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