Structural analysis of tile vaults : methods and variables

Dissertação de mestrado em Structural Analysis of Monuments and Histotical ConstructionsTile vaults -or "volta catalana"- are included within the masonry vaults, but are built with a particular technique: the bricks are arranged flat, to form a sheet or sheets, and is made without formwork. The first sheet is built with plaster, which hardens very fast and is used as formwork for the next sheet of bricks. The bricks are disposed closing successive rings or arches. Although it was mainly in the nineteenth and twentieth centuries, when the most spectacular and better quality examples were built, tile vaulting is known in the East of Spain and Southern France since the beginning of the fifteenth century, and some people see a credible precedent in the formwork used by the Romans in their buildings. Until its decline about mid-twentieth century (time when it was already spread over many parts of the world), tile vaulting was used regularly in homes in this area for stairs and floors. This dissertation presents the analysis of three “Catalan” barrel vaults (3 meters span and 1 meter wide). Each vault has a variable incorporated: number of layers (2-3) or existence of spandrel walls, which make it different. The vaults are assessed by limit analysis and finite element method, using uniform and asymmetric loads. The vaults are analyzed with the finite element method using the software DIANA. The virtual models are plane-stress macromodels and simplified micromodels. Interfaces between bricks are considered. Material and geometrical non-linearity are taken into account. Simultaneously, the reference vault has been built and load tests are performed on it. The material has been studied in the Laboratory to collect the data from its physical and mechanical properties, and thus introduce them in the models. The comparison of the results is made with two objectives: 1- To assess the suitability of the analytical methods used. To check their convergency and to reveal the information that each provides. 2- To evaluate the contribution of the selected variables to the stability of the vault. The introduction of these variables keeping the other parameters constant, allows the comparison of results with the corresponding knowledge of the contribution of the parameter that has been varied.Embora o interesse na “volta catalana” esteja a crescer em todo o mundo, tanto no meio académico e profissional, existem muitas incógnitas sobre o seu comportamento estrutural. Apesar do grande número de publicações escritas sobre este assunto, incluindo tratados da grande Guastavino, permanec aberto ainda hoje um debate académico sobre o método de análise dessas construções para avaliação estrutural. A pesquisa desenvolvida trata a análise de três abóbadas de tijolo oco simples. Cada abóbada tem uma variável relacionada com o número de camadas (2 ou 3), e a existência de abas de reforço. Os arcos foram avaliados através da aplicação de uma carga assimétrica, por análise limite e pelo Método dos Elementos Finitos, utilizando macromodelos e micromodelos simplificados tendo em conta o comportamento não-linear geométrico e material. Simultaneamente, a abóbada de referência foi construída e realizaram-se testes de carga sobre ela. O material foi estudado no Laboratório de Materiais para a recolha de dados a partir de suas propriedades físicas e mecânicas, e, assim, entrar nos modelos de cálculo. A comparação dos resultados foi realizada com dois objetivos: 1 - Avaliar a adequação dos métodos numéricos utilizados. 2 - Avaliar a contribuição das variáveis selecionadas para a estabilidade do arco.Aunque el interés en la bóveda tabicada está creciendo en todo el mundo, tanto en el ámbito académico como en el profesional, quedan muchas incógnitas por resolver en cuanto a su comportamiento estructural. A pesar de la gran cantidad de publicaciones escritas sobre este tema, incluyendo los tratados del gran Guastavino, sigue abierto hoy un debate académico sobre el método de análisis de estas construcciones para su evaluación estructural. La investigación que se presenta a continuación, plantea el análisis de tres bóvedas de ladrillo hueco simple. Cada bóveda tiene una variable incorporada en el número de capas (2 o 3) y en la existencia o no de lengüetas rigidizadoras. Las bóvedas han sido evaluadas aplicando una carga asimétrica por Análisis Límite y por el Método de los Elementos Finitos, utilizando macromodelos y micromodelos simplificados teniendo en cuenta la no-linealidad material y geométrica. Simultáneamente, la bóveda de referencia ha sido construida y se han llevado a cabo pruebas de carga sobre ella. El material empleado se ha estudiado en el Laboratorio de Materiales para recoger los datos de sus características físicas y mecánicas, e introducirlo así en los modelos de cálculo. La comparación de los resultados se ha hecho con dos objetivos: 1- Evaluar la idoneidad de los métodos analíticos utilizados. Para comprobar su precisión en la predicción del comportamiento real de las bóvedas y revelar la información que cada uno ofrece. 2- Evaluar la contribución de las variables seleccionadas para la estabilidad de la bóveda