Evaluation of the effect of masonry infills walls in the dynamic behavior of reinforced concrete buildings

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil (área de especialização em Perfil de Estruturas e Geotecnia)Toda a história humana encontra-se recheada de eventos sísmicos que fustigaram as populações e a suas cidades de forma mais ou menos grave, dependendo da intensidade do sismo e da preparação das estruturas para resistirem. Perderem-se nesta luta travada contra a natureza e a sua implacável redundância um número bastante significativo de vidas humanas e danos materiais. Portugal, ao longo dos tempos, já prestou o seu tributo a esta triste causa e poderá no futuro encontrar-se novamente perante um evento sísmico de grandes proporções. A grande preocupação perante esta eventualidade é claramente o facto de o património edificado não estar a altura deste evento. Dentro dos edifícios modernos a maior preocupação, desencadeada em grande parte por recentes sismos em países vizinhos com resultados catastróficos, é a vulnerabilidade das paredes em alvenaria, pelo facto de poderem ceder segundo vários tipos de mecanismos de colapso. O objetivo deste trabalho é contribuir para o conhecimento da engenharia civil sobre o funcionamento destes elementos em particular e a sua influência no comportamento global das estruturas. Para tal, escolheu-se um caso de estudo que de forma pragmática resume na perfeição o edificado nacional dos últimos cinquenta anos. Este edifício estudado provém da década de sessenta e pode resumir-se a uma estrutura reticulada resistente em betão armado, com os diferentes pórticos preenchidos por alvenaria cerâmica de furação horizontal. Estes elementos estão dispostos por forma a separar as diferentes frações por meio de panos simples e separam o interior do exterior através de panos duplos com caixa-de-ar. O trabalho inicial consistiu em preparar um ensaio dinâmico experimental em que fosse monitorizado em termos dinâmico o comportamento global e o local deste edifício. Para tal efetuaram-se algumas simulações numéricas prévias e preparou-se soluções próprias para evitar introduzir danos nos elementos estudados. Após a medição precisa do comportamento do edifício realizou-se o necessário ajuste numérico, com a pretensão de obter um comportamento dinâmico similar ao real. O referido ajustamento interveio quer em termos globais quer em termos locais, com o estudo de determinados painéis em alvenaria. Por fim foram analisados diversos resultados com uma importância capital nesta área de conhecimento. Os valores obtidos em termos de massa, rigidez, frequências de vibração, esforços e deslocamentos foram analisados no sentido de entender a influência dos elementos em alvenaria nestas grandezas. Procurou-se também fornecer uma ferramenta simplificada aos projetistas para considerar a presença destes elementos em projeto sem tornar a construção dos modelos e o seu cálculo demasiado difícil. Recorreu-se para tal a elementos diagonais com resistência axial apenas à compressão, ou bielas, e analisouse as diferenças relativamente a um modelo mais complexo e a um modelo semelhante aos usados em projeto. Como resultado principal deste trabalho destaca-se a contribuição modesta mas importante nesta área de conhecimento tão vasta mas que continua na sua maioria por explorar.All human history is full of seismic events that hit the cities and their population, inducing damages proportional to the intensity of the earthquake and the ability of structures to withstand. Most of these events caused considerable property damage together with the loss of a large number of human lives. Portugal, over time, has paid is tribute to this sad cause and could be facing, once again, a major seismic event. In this eventuality, the major concern is clearly the fact that the built heritage could not be able to resist. In modern buildings the main worry, triggered mostly by recent earthquakes in neighbouring countries with catastrophic results, is the vulnerability of masonry walls. The aim of this work is to increase the knowledge of Civil Engineering on the operating mode of these particular elements and their impact in the overall behaviour of concrete structures. To this end, a pragmatic case of study that summarizes perfectly the national built from the last fifty years has been chosen. The studied building was built in the sixties and can be described as a cross-linked reinforced concrete structure with unreinforced masonry infill walls. These elements are organised in order to isolate the different fractions by means of simple infill walls and they separate the inside from the outside through a double panel of infill walls. The initial work consisted in preparing a dynamic test to measure the global and the local dynamic behaviour of this building. In this purpose a few numerical simulations were carried out and new solutions were found to avoid the risk of creating damages on the structure. After the precise measurement of the dynamic behaviour of the structure, an adjustment of the numerical model was necessary to obtain a dynamic behaviour similar to the real one. This adjustment occurred on both global and local behaviour of the structure together with the study of specific infill panels. Finally, the most important results in this area of expertise were analysed very carefully. The values obtained in terms of mass, stiffness, vibration frequencies, forces and displacements were studied in order to understand the influence of masonry walls on those values. A simplified solution was also searched in order to provide designers an easy tool to simulate these elements. It appears that the use of diagonal strut is the most common solution for this problem. A comparative analysis between simplified models and more complex ones was carried out in order to find the possible differences. The main result of this work is the important contribution given to this vast area of knowledge that still remains mostly unexplored