Seismic in-plane behavior of post-tensioned existing clay brick

Diss. ETH No. 22824
Seismic in-plane behavior of post-tensioned existing clay
brick masonry walls
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
ABDOLLAH SADEGHI MARZALEH
Master of Science in Structural Engineering
University of Tehran, Iran
born on 2 September 1984
Citizen of Iran
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Peter Marti, examiner
Prof. Dr. Masoud Motavalli, co-examiner
Dr. Benedikt Weber, co-examiner
Prof. Dr. Walter Kaufmann, co-examiner
2015
Abstract
Existing masonry buildings are seismically vulnerable. Many residential buildings as well as historical
structures made of unreinforced masonry walls need to be retrofitted against seismic actions. The posttensioning technique has been used in various structural applications to provide compression and to
postpone cracking in the structural elements. This research aims at studying the post-tensioning technique
as a seismic retrofitting solution for existing masonry buildings. Solid clay bricks and weak cement-limesand mortar were used in the construction of the masonry buildings at the beginning of the 20th century. In
this thesis, the aforementioned masonry type and its constituents are characterized using small size tests.
Using a modern 3D image correlation system allows for a better understanding of the failure mechanism
in the masonry. The in-plane behavior of unreinforced and post-tensioned masonry walls is investigated
by a series of large-scale quasi-static cyclic tests. The effects of aspect ratio of the walls, existing normal
stress on them, and applied post-tensioning stress are taken into account in the experimental program.
Post-tensioning was found to result in a significant increase in the shear resistance of masonry walls and a
moderate decrease in their displacement capacity. An extra increase in the shear resistance was observed
in the post-tensioned masonry walls with a rocking failure mode due to the elongation of the tendons. The
requirements of the Eurocode regarding the displacement capacity of the masonry walls at the significant
damage limit state were mostly met. In slender masonry walls with high amount of existing axial stress,
e.g. the walls located at lower stories of a multi-story building, a high post-tensioning stress results in
changing the failure mode from a ductile rocking mode to a brittle diagonal cracking. The level of posttensioning must be selected carefully to avoid brittle failure modes. Various numerical models with
different complexities for predicting the in-plane behavior of post-tensioned masonry walls are
investigated. The shortcomings of the methods in providing a proper estimation of the in-plane behavior
of the post-tensioned masonry walls are noted. A 2D finite element model is developed in this thesis for a
better prediction of the in-plane response of the tested walls. The model uses the experimental results of
the small size tests carried out in this study. It provides a reasonable prediction of the in-plane behavior for
slender walls. The developed FE model is also able to capture the change in the failure mode due to high
amount of post-tensioning applied to the post-tensioned walls.
Zusammenfassung
Bestehende Gebäude aus Mauerwerk sind seismisch verletzbar. Viele Wohnbauten wie auch historische
Gebäude aus unbewehrtem Mauerwerk müssen gegen Erdbebeneinwirkungen verstärkt werden. Die
Technik der Vorspannung wurde schon für verschiedene Strukturen angewandt, um Druckspannungen zu
erzeugen und die Rissbildung in Strukturelementen zu hinauszuzögern. Diese Forschungsarbeit
beabsichtigt, die Technik der Vorspannung als Lösung zur Erdbebenverstärkung von bestehenden
Mauerwerksgebäuden zu untersuchen. Vollziegel und schwacher Kalkzementmörtel wurden beim Bau
von Mauerwerksgebäuden anfangs des 20. Jahrhunderts verwendet. In dieser Doktorarbeit werden der
erwähnte Mauerwerkstyp und seine Bestandteile mit Kleinversuchen charakterisiert. Ein modernes 3DBildkorrelationsverfahren erlaubt es, ein besseres Verständnis der Versagensmechanismen in Mauerwerk
zu erhalten. Das Verhalten von unbewehrtem und vorgespanntem Mauerwerk in der Ebene wird in einer
Serie von grossmassstäblichen quasi-statischen zyklischen Versuchen untersucht. Der Einfluss des
Seitenverhältnisses der Wände, die bestehende Normalspannung, mit der sie belastet sind, und die
aufgebrachte Spannung aus Vorspannung werden im Versuchsprogramm berücksichtigt. Es wurde
beobachtet, dass die Vorspannung den Schubwiderstand von Mauerwerkswänden signifikant vergrössert
und das Verformungsvermögen in geringem Masse verringert. Eine zusätzliche Vergrösserung des
Schubwiderstandes resultierend aus der Verlängerung der Vorspanglieder wurde bei vorgespanntem
Mauerwerk mit Kippverhalten beobachtet. Die Anforderungen des Eurocodes bezüglich des
Verformungsvermögens von Mauerwerkswänden für den Grenzzustand der wesentlichen Schädigung
wurden grösstenteils eingehalten. Bei den schlanken Mauerwerkswänden mit hoher bestehender
Axialspannung, d.h. bei Wänden in unteren Stockwerken von mehrgeschossigen Gebäuden, verursacht
eine hohe Vorspannung eine Änderung des Versagensmodus von einem duktilen Kippmodus zu einem
spröden Verhalten mit einem Diagonalriss. Die Höhe der Vorspannung muss sorgfältig gewählt werden,
um sprödes Versagen zu vermeiden. Verschiedene numerische Modelle von unterschiedlicher
Komplexität werden untersucht, um das Verhalten von vorgespanntem Mauerwerk in der Ebene
vorauszuberechnen. Die Unzulänglichkeiten der Methoden für eine korrekte Abschätzung des Verhaltens
von vorgespanntem Mauerwerk in der Ebene werden besonders erwähnt. Ein 2D-Finite-Elemente-Modell
wird in dieser Arbeit entwickelt, um das Verhalten der geprüften Wände in der Ebene besser voraussagen
zu können. Das Modell benützt die experimentellen Versuchsresultate der Kleinversuche, die in dieser
Arbeit durchgeführt wurden. Es bietet eine vernünftige Voraussage des Verhaltens von schlanken
Wänden in der Ebene. Das entwickelte Finite-Elemente-Modell ist auch in der Lage, die Änderung des
Versagensmodus von vorgespannten Wände bei hoher Vorspannkraft zu erfassen.

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