Infill walls are commonly disregarded in the modelling of reinforced concrete (r.c.) frame structures and only their contribution in terms of mass is taken into account assuming that resistance and stiffness do not affect the structural response. This practice is supported by the fact that (i) at ultimate limit state infill walls are usually considered to be completely damaged, so that their contribution is negligible in terms of stiffness, while (ii) at the damage limitation limit state the value of the interstorey drift, obtained by neglecting the infill walls stiffness contribution, is commonly considered to be conservative. However, for strategic buildings, such as schools, hospitals, police and fire stations, it is crucial to preserve the infill walls from any damage, even for severe earthquake, in order to guarantee the building occupancy during the emergency management. Furthermore, these buildings are sometimes seismically protected with system and devices (dampers, isolators, etc…) whose design requires the real dynamic behaviour of the structure (in terms of frequencies and/or displacements and/or velocities) to be considered. To this purpose, it becomes crucial to accurately model the entire structure, including infill walls, and to validate this model on the basis of experimental evidences. The wall typology and the construction procedures are source of uncertainties in modelling interactions between structural and non-structural components. Thus, an experimental evaluation of the stiffness properties of the wall infill panel could be very useful to assess the stiffening contribution added by the infill masonry walls to the concrete frame in the structural model adopted for the design. In this thesis is presented a procedure for developing accurate global finite element (f.e.) models of infilled r.c. frame buildings based on results of experimental an operational modal analysis of non-structural components and of the whole buildings. In particular, impact load tests with an instrumented hammer are performed on homogeneous wall panels to identify the modal parameters (frequency and mode shapes) and to estimate the mechanical properties of the masonry walls. Afterwards, the infill walls are included in the f.e. structural model, whose modal parameters are compared with those derived with operational modal analysis based on ambient vibration measurements. Furthermore, an experimental campaign on three specimens of infill masonry walls built in the Laboratory of Materials and Structures of the Faculty of Engineering at the Università Politecnica delle Marche is conducted. These specimens are built with the target to reproduce the features of some of the in situ investigated infill walls and are tested both dynamically and statically. First of all, impact load tests with an instrumented hammer are performed to investigate the out of plane dynamic behaviour of these walls; then, lateral load tests are carried out to investigate the in plane static behaviour of the panel under low level of lateral forces. The experimental results obtained are used to calibrate f.e. models of the specimens with the aim to evaluate the reliability of the masonry mechanical properties estimated through different approaches.

Solitamente le tamponature vengono trascurate nella modellazione delle strutture a telaio in cemento armato e solamente il loro contributo in termini di massa viene preso in considerazione, assumendo che la resistenza e la rigidezza delle stesse non influiscano sulla risposta strutturale. Questa pratica è supportata dal fatto che (i) generalmente allo stato limite ultimo le tamponature si considerano completamente danneggiate e, quindi, il loro contributo in termini di rigidezza è trascurabile, mentre (ii) allo stato limite di danno il valore dello spostamento di interpiano, ottenuto trascurando il contributo di rigidezza delle tamponature, può essere considerato a favore di sicurezza. Tuttavia, per edifici di importanza strategica, quali scuole, ospedali, caserme delle forze dell’ordine e dei Vigili del Fuoco, è cruciale preservare le tamponature da qualsiasi danno, anche per terremoti di entità severa, in modo da garantire il normale utilizzo dell’edificio durante la gestione dell’emergenza. Inoltre, questi edifici a volte sono sismicamente protetti con sistemi e dispositivi (smorzatori, isolatori, ecc…) il cui progetto richiede che sia tenuto in considerazione il reale comportamento dinamico della struttura (in termini di frequenze e/o spostamenti e/o velocità). Per questo diventa cruciale modellare accuratamente l’intera struttura, includendo le tamponature, e validare questo modello così ottenuto sulla base dell’evidenza sperimentale. La tipologia delle pareti e le loro procedure costruttive sono fonte di incertezze nella modellazione delle interazioni tra la struttura e gli elementi non strutturali. Quindi, una valutazione sperimentale delle proprietà di rigidezza dei pannelli di tamponatura potrebbe essere molto utile per valutare, all’interno del modello strutturale adottato per il progetto, il contributo in termini di rigidezza fornito alla struttura in c.a. da questi elementi non strutturali. In questa tesi viene presentata una procedura per realizzare modelli globali agli elementi finiti accurati di edifici a telaio in c.a. tamponati, basandosi su risultati ottenuti da analisi modali sperimentali e operative sviluppate rispettivamente su elementi non strutturali e sull’intero edificio. In particolare, sono stati eseguiti test di impatto con martello strumentato su pareti omogenee per identificarne i parametri modali (frequenze e forme modali) e per stimarne le proprietà meccaniche. Dopo di che, le tamponature sono state inserite nel modello strutturale globale agli elementi finiti, i cui parametri modali vengono confrontati con quelli derivanti da analisi modali operative basate su misurazioni di vibrazioni ambientali per valutarne l’accuratezza. In seguito, è stata condotta una campagna sperimentale su tre provini di tamponatura costruiti all’interno del Laboratorio di Prove di Materiali e Strutture della Facoltà di Ingegneria dell’Università Politecnica delle Marche. Questi provini sono stati realizzati con l’intento di riprodurre le caratteristiche di alcune delle tamponature testate in sito e su di essi vengono svolte prove sia dinamiche che statiche. Innanzi tutto, sono stati effettuati test ad impatto con martello strumentato per investigarne il comportamento dinamico fuori dal piano; successivamente sono state svolte prove di spinta laterale per investigare il comportamento statico nel piano dei pannelli soggetti a bassi livelli di forze orizzontali. I risultati sperimentali ottenuti sono stati utilizzati per calibrare modelli agli elementi finiti dei provini al fine di valutare l’esattezza delle proprietà meccaniche delle tamponature stimate in precedenza e secondo diversi approcci.

Experimental Evaluation of Infill Masonry Walls Stiffness for the Modelling of Non-Structural Components in R.C. Frame Buildings

Nicoletti, Vanni
2018-03-22

Abstract

Solitamente le tamponature vengono trascurate nella modellazione delle strutture a telaio in cemento armato e solamente il loro contributo in termini di massa viene preso in considerazione, assumendo che la resistenza e la rigidezza delle stesse non influiscano sulla risposta strutturale. Questa pratica è supportata dal fatto che (i) generalmente allo stato limite ultimo le tamponature si considerano completamente danneggiate e, quindi, il loro contributo in termini di rigidezza è trascurabile, mentre (ii) allo stato limite di danno il valore dello spostamento di interpiano, ottenuto trascurando il contributo di rigidezza delle tamponature, può essere considerato a favore di sicurezza. Tuttavia, per edifici di importanza strategica, quali scuole, ospedali, caserme delle forze dell’ordine e dei Vigili del Fuoco, è cruciale preservare le tamponature da qualsiasi danno, anche per terremoti di entità severa, in modo da garantire il normale utilizzo dell’edificio durante la gestione dell’emergenza. Inoltre, questi edifici a volte sono sismicamente protetti con sistemi e dispositivi (smorzatori, isolatori, ecc…) il cui progetto richiede che sia tenuto in considerazione il reale comportamento dinamico della struttura (in termini di frequenze e/o spostamenti e/o velocità). Per questo diventa cruciale modellare accuratamente l’intera struttura, includendo le tamponature, e validare questo modello così ottenuto sulla base dell’evidenza sperimentale. La tipologia delle pareti e le loro procedure costruttive sono fonte di incertezze nella modellazione delle interazioni tra la struttura e gli elementi non strutturali. Quindi, una valutazione sperimentale delle proprietà di rigidezza dei pannelli di tamponatura potrebbe essere molto utile per valutare, all’interno del modello strutturale adottato per il progetto, il contributo in termini di rigidezza fornito alla struttura in c.a. da questi elementi non strutturali. In questa tesi viene presentata una procedura per realizzare modelli globali agli elementi finiti accurati di edifici a telaio in c.a. tamponati, basandosi su risultati ottenuti da analisi modali sperimentali e operative sviluppate rispettivamente su elementi non strutturali e sull’intero edificio. In particolare, sono stati eseguiti test di impatto con martello strumentato su pareti omogenee per identificarne i parametri modali (frequenze e forme modali) e per stimarne le proprietà meccaniche. Dopo di che, le tamponature sono state inserite nel modello strutturale globale agli elementi finiti, i cui parametri modali vengono confrontati con quelli derivanti da analisi modali operative basate su misurazioni di vibrazioni ambientali per valutarne l’accuratezza. In seguito, è stata condotta una campagna sperimentale su tre provini di tamponatura costruiti all’interno del Laboratorio di Prove di Materiali e Strutture della Facoltà di Ingegneria dell’Università Politecnica delle Marche. Questi provini sono stati realizzati con l’intento di riprodurre le caratteristiche di alcune delle tamponature testate in sito e su di essi vengono svolte prove sia dinamiche che statiche. Innanzi tutto, sono stati effettuati test ad impatto con martello strumentato per investigarne il comportamento dinamico fuori dal piano; successivamente sono state svolte prove di spinta laterale per investigare il comportamento statico nel piano dei pannelli soggetti a bassi livelli di forze orizzontali. I risultati sperimentali ottenuti sono stati utilizzati per calibrare modelli agli elementi finiti dei provini al fine di valutare l’esattezza delle proprietà meccaniche delle tamponature stimate in precedenza e secondo diversi approcci.
Infill walls are commonly disregarded in the modelling of reinforced concrete (r.c.) frame structures and only their contribution in terms of mass is taken into account assuming that resistance and stiffness do not affect the structural response. This practice is supported by the fact that (i) at ultimate limit state infill walls are usually considered to be completely damaged, so that their contribution is negligible in terms of stiffness, while (ii) at the damage limitation limit state the value of the interstorey drift, obtained by neglecting the infill walls stiffness contribution, is commonly considered to be conservative. However, for strategic buildings, such as schools, hospitals, police and fire stations, it is crucial to preserve the infill walls from any damage, even for severe earthquake, in order to guarantee the building occupancy during the emergency management. Furthermore, these buildings are sometimes seismically protected with system and devices (dampers, isolators, etc…) whose design requires the real dynamic behaviour of the structure (in terms of frequencies and/or displacements and/or velocities) to be considered. To this purpose, it becomes crucial to accurately model the entire structure, including infill walls, and to validate this model on the basis of experimental evidences. The wall typology and the construction procedures are source of uncertainties in modelling interactions between structural and non-structural components. Thus, an experimental evaluation of the stiffness properties of the wall infill panel could be very useful to assess the stiffening contribution added by the infill masonry walls to the concrete frame in the structural model adopted for the design. In this thesis is presented a procedure for developing accurate global finite element (f.e.) models of infilled r.c. frame buildings based on results of experimental an operational modal analysis of non-structural components and of the whole buildings. In particular, impact load tests with an instrumented hammer are performed on homogeneous wall panels to identify the modal parameters (frequency and mode shapes) and to estimate the mechanical properties of the masonry walls. Afterwards, the infill walls are included in the f.e. structural model, whose modal parameters are compared with those derived with operational modal analysis based on ambient vibration measurements. Furthermore, an experimental campaign on three specimens of infill masonry walls built in the Laboratory of Materials and Structures of the Faculty of Engineering at the Università Politecnica delle Marche is conducted. These specimens are built with the target to reproduce the features of some of the in situ investigated infill walls and are tested both dynamically and statically. First of all, impact load tests with an instrumented hammer are performed to investigate the out of plane dynamic behaviour of these walls; then, lateral load tests are carried out to investigate the in plane static behaviour of the panel under low level of lateral forces. The experimental results obtained are used to calibrate f.e. models of the specimens with the aim to evaluate the reliability of the masonry mechanical properties estimated through different approaches.
infilled r.c. frame buildings; infill wall modelling; building dynamic identification; impact load test; Operational and Experimental Modal Analysis.
edifici a telaio in c.a. tamponati; modellazione delle tamponature; identificazione dinamica degli edifici; prove ad impatto; analisi modale sperimentale e operativa.
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