Evaluation of ancient bricklayer´s skills using numerical estimations of the masonry strength of the walls of Churches from the Broumov group

Abstract

Navzdory velmi rozsáhlému výzkumu zděných konstrukcí, nebyla dosud spolehlivě vyřešena otázka spolehlivého posouzení únosnosti stávajících, především historických zděných konstrukcí. Identifikace jejich je velmi obtížný úkol z důvodu řady nejistot týkajících se parametrů, které popisujících fyzikální a mechanické vlastnosti jednotlivých konstituentů, zejména pak malty. Hlavním cílem této studie je určit a zhodnotit pevnost vybraných částí stěn Broumovské skupiny kostelů v tlaku, tahu a smyku s uvážením všech jedinečností skladby zdiva. Pro řešení byl použit 2 D mikromodelovací přístup, pomocí něhož byly počítány pracovní diagramy, vztahy mezi napětím a deformací, pro jednotlivé skladby zdí. Pomocí software Atena 2 D, fy Červenka consulting s.r.o., byly modelovány části stěn rozměru 1 m x 1 m o tloušťce 0,5 m. Studie byla provedena na zdivu čtyř zvolených kostelů broumovské skupiny. V nelineárním konečně prvkovém modelování byly využity kontaktní prvky, aby se lépe vystihl styk jednotlivých skladebných prvků zdiva. Pozornost byla věnována povrcholové části pracovního diagramu, aby se transparentně stanovily jednotlivé pevnosti skladby zdiva ve 2 D. Analýza byla zaměřena na vznik a progresi trhlin a porovnání jejich předpokládaného či zjištěného vývoje s výpočtem. Vzhledem k tomu, že porucha se šíří zejména v maltě, byly ve všech případech zvoleny pro maltu stejné parametry. Tímto byl zvýrazněn vliv skladby zdiva a místních zednických dovedností.

Despite relatively extensive research in masonry structures, the issue of reliable identification of the load-bearing capacities of existing, mainly historic masonry structures has still not been solved satisfactorily. The identification of the load-bearing capacities of existing historic masonry structures is an extremely difficult task because of the variability and vagueness of the parameters describing the physical and mechanical characteristics of masonry units and mortar. The main objective of this study is to calculate and evaluate the strength of the walls of different bricklayer’s patterns of brouvmov churches in compression, tension, and shear. A detailed 2-D Micro-modelling approach was used to numerically predict capacities of walls loaded under compression, tension, and in-plane shear by developing stress-strain curves. In this study, four different brouvmov wall sections of 1m long x 1m tall x 0.5 m thick were modeled in Atena 2D for non-linear finite element analysis. Material and geometric non-linear models with interface elements were analyzed using Finite element method. Post-peak behavior was achieved to compute compressive, tensile, and in-plane shear strengths of wall assemblies. Results were also analyzed to compare and observe the predicted development of cracks and crack widths. Considering that expected failure will happen in the head or bed mortar joint, the same mechanical properties of hydraulic lime mortar were applied for all four wall assemblies. The difference in strength parameters are then compared directly based on the different stone bricklayer’s pattern.