Discrete Elements Method to Predict Failure Mechanisms of Unreinforced Masonry Walls

Abstract

VYUŽITÍ METODY DISKRÉTNÍCH PRVKŮ PŘI PREDIKCI MECHANISMŮ PORUŠENÍ NEVYZTUŽENÝCH ZDĚNÝCH STĚN ABSTRAKT Porušení zděných konstrukcí při seismickém buzení již byla v odborné literatuře věnována značná pozornost. Většina provedených výzkumných studií se však zabývala pouze porušením při namáhání ve střednicové rovině a pomíjela účinky namáhání mimo tuto rovinu. Při simulaci porušení zdiva se obecně uplatňuje celá řada postupů různé úrovně složitosti. Pro praktické účely se obvykle dává přednost jednoduchým, rychlým a účinným metodám, například metodě ekvivalentního rámu nebo postupům založeným na módech porušení makroprvků. Pokud to umožňuje typ konstrukce, schopnosti projektanta a dostupná výpočetní technika, využívá se také metoda konečných prvků (MKP). V současné době je MKP nejčastěji používanou a nejlépe rozvinutou metodou pro pokročilou analýzu konstrukcí a v jejím rámci lze použít zvláštní techniky pro popis specifického chování zděných konstrukcí. Jako alternativní postup se nabízí metoda diskrétních prvků (MDP), která umožňuje přesně předpovídat a realisticky simulovat mechanismy porušení konstrukcí skládajících se z jednotlivých bloků. Cílem této práce je předvést použití MDP při analýze zděných stěn a přispět k rozvoji znalostí o mechanickém chování těchto konstrukcí. Proto jsme nejprve zvolili vhodný konstitutivní model a otestovali ho na příkladech jednoduchých vzorků cihel a malty, již dříve zkoušených v laboratořích a zkoumaných jinými autory. Poté jsme modelovali nevyztužené zděné stěny s otvory i bez otvorů, které experimentálně zkoumal Vermelfoort a kol. (1993), a zděné stěny namáhané mimo střednicovou rovinu, které zkoumal Gazzola a kol. (1985). Ukázalo se, že model dokáže reprodukovat takové testy s dostatečnou přesností a v rozumné shodě s experimentálními daty. Po validaci modelu jsme jej aplikovali na analýzu experimentálních výsledků, které ve své dizertaci publikoval Vaculik (2012). V prvním kroku šlo o dvě nevyztužené zděné stěny namáhané mimo střednicovou rovinu s následujícím cyklickým zatížením, které vede k hysterezi. V práci jsou stanoveny kapacitní křivky a zkoumá se role okrajových podmínek a pořadí rozvoje trhlin. Závěrečný příklad se týká stěny zatížené pulzy na vibračním stole. Získané výsledky jsou slibné a potvrzují, že MDP je vhodným nástrojem pro simulaci mechanické odezvy zděných stěn při složitém zatížení.

DISCRETE ELEMENT METHOD TO PREDICT FAILURE MECHANISMS OF UNREINFORCED MASONRY WALLS ABSTRACT Failure of masonry structures under seismic solicitations has received much attention in the literature. Most of the research studies carried out so far address in-plane failure but disregard potential out-of-plane failure modes, which are still poorly understood. In masonry failure simulations, various approaches are used, from the most complex to the simplest. For professional purposes, a simple, fast and efficient method, such as the frame equivalent method or macro elements failure modes, is usually preferred. If the structure, the professional capabilities and the computing tools allow it, the Finite Element Method (FEM) is exploited. Nowadays, FEM is the most widely used and developed method of advanced structural analysis, and it can exploit certain techniques that permit treatment of the distinct behaviour of masonry structures. Recently, the Discrete Element Method (DEM) has emerged as an alternative advanced analysis method that can accurately predict and simulate collapse mechanisms of a structure composed of distinct units in a realistic way. The objective of this thesis is to demonstrate the application of DEM to masonry walls and enhance the knowledge about their structural behaviour. For this purpose, first, an appropriate constitutive model is chosen and checked by analyzing simple brick and mortar samples, previously tested in the laboratory and studied by other authors. Afterwards, solid and hollow shear unreinforced masonry (URM) walls under in-plane actions, tested by Vermelfoort et al. (1993), and out-of-plane actions on masonry wallettes, tested by Gazzola et al. (1985), are simulated and validated. The model is shown to be capable of reproducing the behaviour with sufficient accuracy and in reasonable agreement with experimental data. After the validation of the model, several types of tests performed by Vaculik (2012) are simulated. First we study the response of two URM walls and determine their out-of-plane ultimate strength. Capacity curves, the influence of boundary conditions and the sequence of failure and crack patterns are discussed. The final example deals with another wall subjected to dynamic actions on a shaking table. Promising results are obtained and it is confirmed that the DEM is a suitable tool for simulations of the structural response of masonry walls under complex loading conditions.