Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Institut de structures IS (Laboratoire d'informatique et de mécanique appliquées à la construction IMAC)

Seismic in-plane behavior of URM walls upgraded with composites

Elgawady, Mohamed ; Smith, Ian (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3111.

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    Summary
    Existing unreinforced masonry (URM) buildings, many of which have historical and cultural importance, constitute a significant portion of existing buildings around the world. Recent earthquakes have shown the vulnerability of such URM buildings. This thesis investigates the in-plane seismic behavior of URM walls retrofitted using composites. The thesis includes an extensive dynamic and static cyclic tests followed with development of an analytical model. For the dynamic tests, five half-scale single wythe URM walls were built using either strong or weak mortar and half-scale hollow clay brick units. These five walls were dynamically tested as reference specimens. Then, these reference specimens were retrofitted on single side only using composites and retested. As consequence a total of eleven specimens were tested on the earthquake simulator at ETHZ. For the static cyclic tests, five half-scale single wythe URM walls were built using weak mortar and half-scale hollow clay brick units. Of them, three specimens were tested as reference specimens. Then, two specimens of these three reference specimens were retrofitted using composites and tested again. The third reference specimen was retrofitted using post-tensioning and tested; then, the post-tension forces were released and the specimen was retrofitted using composites and retested. Finally, two virgin specimens were retrofitted directly after construction and tested. As consequence a total of nine specimens were tested in the Structural Laboratory at EPFL. For analytical models, an innovative shear model is developed. In addition, a simple flexural model is developed. For shear analysis, masonry, epoxy, and composites in a URM wall retrofitted using composites (URM-FRP) were idealized as different layers with isotropic homogenous elastic materials. Then, using principles of theory of elasticity the governing differential equation of the system is formulated. A double Fourier sine series was used as the solution for the differential equations. The solution can be used to model the linear shear behavior of URM-FRP. To take into consideration material nonlinearity, step-by-step stiffness degradation has been implemented in a computer program. For flexural analysis, a simple model using linear elastic approach with the well-known assumptions of Navier-Bernoulli and Whitney's equivalent stress block is developed. The experimental work shows that the retrofitting technique improved the lateral resistance of the URM walls by a factor ranged from 1.3 to 5.9 depending on the applied normal force, the reinforcement ratio, and mode of failure. However, improvement in lateral drift was less significant. Moreover, no uneven response was observed during tests due to single sided retrofitting. Several phenomena and relationships have been correctly determined by the model. These phenomena and relationships are originally observed in the literature during tests on reinforced concrete beams that were retrofitted using composites. This includes the relationship between strains in FRP and reinforcement ratio as well as the interaction between masonry lateral resistance and FRP contribution to the lateral resistance of URM-FRP. In addition, effects of epoxy ductility and allowable shear stresses as well as masonry ductility and allowable shear stresses have been studied. Such development is of interest to the structural engineering community and material producers. Regarding flexural analysis, the simple model leads to unconservative designs. Correlation analysis of the test data show that the ratio between the experimental lateral resistance to the estimated flexural lateral resistance is proportional to reinforcement mechanical ratio times the square of the effective moment/shear ratio up to a certain limit. Within the limits of experimental testing, a correlation factor is proposed.
    Résumé
    Les bâtiments existants en maçonnerie non armée (URM), dont beaucoup ont une importance historique et culturelle, constituent une fraction significative du parc immobilier mondial. Les récents séismes ont montré la vulnérabilité de ce type de bâtiments. Cette thèse étudie le comportement sismique, dans leur plan, de refends en maçonnerie non armée renforcés au moyen de matériaux composites (URM-FRP). Elle comprend des tests dynamiques et statiques-cycliques et le développement d'un modèle analytique. Dans la partie expérimentale, dix refends en maçonnerie non armée à simple paroi ont été construits à l'échelle 1:2 en utilisant deux qualités de mortier et des briques en terre cuite alvéolées. Les refends ont d'abord été testés comme référence. Ensuite ils ont été renforcés sur une seule face au moyen de matériaux composites avant d'être testés à nouveau. Par conséquent, au total, onze refends ont été testés dynamiquement à l'aide du simulateur de séismes de l'ETHZ et neuf refends ont été testés de manière statique-cyclique dans le laboratoire de structures de l'EPFL. Pour la partie analytique, un nouveau modèle en cisaillement et un modèle simple en flexion ont été développés. Pour l'analyse en cisaillement, la maçonnerie, l'époxy et les matériaux composites ont été idéalisés par des couches de matériaux élastiques, homogènes et isotropes. Les équations différentielles du système ainsi formé ont été établies à l'aide des principes de la théorie de l'élasticité plane. La solution s'exprime avec des doubles séries de Fourier. Elle peut être utilisée pour modéliser le comportement linéaire en cisaillement des refends URM-FRP. Une dégradation progressive de la rigidité a été introduite pour tenir compte des non-linéarités matérielles. Pour l'analyse en flexion, un modèle simple utilisant une approche élastique linéaire comprenant l'hypothèse habituelle de Navier- Bernoulli et un bloc rectangulaire équivalent de contraintes a été développé. Les campagnes expérimentales montrent que la méthode de renforcement améliore la résistance latérale des refends d'un facteur compris entre 1.3 et 5.9, dépendant de l'effort normal appliqué, du taux de renforcement et du mode de rupture. Cependant, l'amélioration de la déformabilité latérale a été moins significative. Aucune réponse asymétrique due au renforcement sur une seule face n'a été observée durant les tests. Plusieurs caractéristiques phénoménologiques ont été correctement déterminées par le modèle. Ces caractéristiques ont d'abord été mises en évidence dans la littérature en relation avec des tests sur des poutres en béton armé renforcées au moyen de matériaux composites. Elles concernent les relations entre les allongements du FRP et le taux de renforcement ainsi que l'interaction entre la résistance latérale et la contribution du FRP à la résistance latérale de l'ensemble. Les effets de la ductilité de l'époxy et de la contrainte de cisaillement admissible ainsi que de la ductilité de la maçonnerie et des contraintes admissibles ont été étudiés. Ces développements intéressent les ingénieurs structures mais également les producteurs de matériaux. Concernant l'analyse en flexion, le modèle simple conduit à un dimensionnement non conservateur. La confrontation avec les données expérimentales montre que, jusqu'à une certaine limite, le rapport entre la résistance latérale mesurée et la résistance latérale en flexion estimée est proportionnel au taux mécanique de renforcement multiplié par le carré de l'élancement effectif. Un facteur de corrélation est proposé dans les limites de la campagne expérimentale.