Experimental and numerical analysis of cocciopesto mortar under mixed mode of fracture

Abstract

Malta typu “cocciopesto” patří do skupiny historických malt, které kombinují pojivo na bázi vápna s pískem a keramickými střepy. Tento materiál byl široce používaný již v antickém zdivu, zejména v byzantské architektuře, kde byl v tlustých vrstvách použit při stavbě chrámu Boží Moudrosti (Hagia Sofia) v Istanbulu. Zděnné stavby za použití cocciopesto malty vykazují pozoruhodnou odolnost při zemětřesení, což přirozeně přitahuje pozornost ke studiu vzniku a propagace trhlin v daném materiálu. Tato diplomová práce se zaměřuje na experimentální a numerickou analýzu trámů zhotovených z cocciopesto malty a vystavených zatížení, které vede k propagaci trhliny v kombinovaném módu I a II. Ke zkoušení byl použit maltový trám s dvojitým zářezem, který byl následně uložen jako prostě podepřený nosník a zatížen na mez únosnosti. Deformace během zatěžování a propagace trhliny byly zaznamenány a vyhodnoceny za využití digitální obrazové korelace, a poté srovnány s numerickým modelem na bázi metody konečných prvků. Následně byla provedena citlivostní analýza vstupních údajů do modelu zohlednující případný rozptyl materiálových vlastností a geometrie zkušebních vzorků. Výsledné srovnání numerického modelu s experimenty ukázalo velmi blízkou shodu s predikcí mezní únosnosti trámu a vznikem a propagací trhlin.

The cocciopesto mortar belongs to a class of historic mortars that combine a lime binder with sand and crushed ceramic materials - bricks, tiles, or pottery. This material was widely used in masonries in ancient times, especially in Byzantine architecture, where it was applied as significantly thick bedding mortar layers, e.g. in the Church of Santa Sophia in Istanbul. The masonry buildings using cocciopesto mortars exhibit remarkable performance even under severe earthquake loadings, which naturally attracts research into the study of fracture initiation and propagation in such materials. The present thesis focuses on an experimental and numerical analysis of cocciopesto mortar beams subjected to mixed mode of fracture, combining crack opening in mode I and in-plane (mode II) shear fracture propagation. Experimental testing encompassed double notched cocciopesto mortar beams positioned as a simply supported beam and loaded until failure. Specimen deformation and crack propagation patterns were assessed using digital image correlation and compared to a numerical model based on a finite element homogenization. Consequently, a sensitivity analysis covering the uncertainties of modelling input parameters was performed. A comparison of the numerical model performance to the experimental data shows a very close agreement in terms of predicted peak load, fracture initiation, and propagation.