Modelling and structural analysis of historical masonry systems including vaulted structure

Abstract

The conservation of historic structures has been given special attention due to their cultural, social and economic importance. However they often show considerable structural vulnerability and have been seriously damaged by natural disasters including earthquakes. An excessive loss of architectural heritage has occurred because of earthquakes. A safety assessment and restoration practice on historical structures has been tackled extensively by professionals including architects and engineers. However, structural assessment of historical buildings is a complex task. Complexity comes from insufficient understanding of the characteristic of historical materials, limited knowledge of the seismic response of historical structures and yet-unknown structural deterioration due to the past natural disasters. 
 
 Today it is perceived that nonlinear FEM analysis permits detailed study of historical masonry structures. However, in some cases, its application poses difficulties. The difficulties derive from the definition of material properties, the definition of a complex geometry and the analysis procedures. The results depend on the material properties considerably. However, it is not easy to describe appropriately the behaviour of historical materials including masonry in the FEM analysis. The definition of a complex geometry is challenging although the discretisation of accurate geometry is crucial. As for the analysis procedure, one of the difficulties is observed in seismic assessment. FEM-based nonlinear dynamic analysis permits close observation of seismic response of a historical masonry structure but it requires excessive computational effort, for a large-scale structure in particular. On the other hand, pushover can be adopted more efficiently than nonlinear dynamic analysis but the obtained result can be less reliable. All these considerations indicate that the understanding of FEM approaches still needs to be deepened to adopt more accurately and at the same time efficiently for the analysis of historical structures. 
 
 The present research discusses the applicability of existing nonlinear FEM approaches to the study of masonry historical structures. The FEM analysis is adopted to the analysis of real and complex structures including mixed steel and masonry vaulted systems belonging to the Hospital de Sant Pau in Barcelona and a large single-nave church damaged by the 2009 Abruzzo earthquake. As a final outcome of the research, the conclusions provided criteria and guidelines for the analysis of these types of structures under vertical loading and seismic forces. The achievement of the research will contribute to both engineers and researchers who are involved in the conservation of historical masonry structures especially by means of FEM analysis. La conservación de las estructuras históricas llama la atención debido a su importancia cultural, social y económica. Sin embargo, muestran considerablemente vulnerabilidad estructural y se han dañado seriamente por desastres naturales como terremotos. La excesiva pérdida de patrimonio arquitectónico ha ocurrido a causa de los terremotos. Se ha llevado a cabo la evaluación de la seguridad y la práctica de restauración de estructuras históricas ampliamente por los profesionales incluso arquitectos e ingenieros. No obstante, la evaluación estructural de los edificios históricos es una tarea compleja. La complejidad viene de la comprensión insuficiente de las características de los materiales históricos, conocimiento limitado de la respuesta sísmica de estructuras históricas y deterioro estructural todavía desconocido debido a los desastres naturales pasados. Hoy en día se percibe que el análisis de elementos finitos (FEA) no lineal permite el estudio detallado de las estructuras de mampostería históricos. Con todo, en algunos casos, no es sencilla la aplicación de ello. Las dificultades vienen de la definición de las propiedades del material, la definición de una geometría compleja y los procedimientos de análisis. Los resultados dependen de las propiedades del material considerablemente. Sin embargo, no es fácil describir adecuadamente en el FEA el comportamiento de materiales históricos como mampostería. Es difícil definir la geometría compleja es crucial aunque la discretización de la geometría exacta. En cuanto al procedimiento de análisis, se observa una de las dificultades en la evaluación sísmica. Análisis dinámico no lineal del FEA permite la observación precisa de la respuesta sísmica de las estructuras de mampostería histórica pero requiere el esfuerzo computacional excesivo, especialmente por una estructura a gran escala. Por otro lado, pushover puede ser más eficiente que el análisis dinámico no lineal pero el resultado obtenido por ello puede ser menos fiable. Estas consideraciones indican que la compresión del FEA necesita profundizarse para que se adopte FEA más precisamente y más eficientemente para el análisis de estructuras históricas. La presente investigación analiza la aplicabilidad del FEA no lineal acerca del estudio de las estructuras históricas de mampostería. El FEA se adopta para el análisis de las estructuras reales y complejas incluso los sistemas abovedados de la combinación del acero y mampostería pertenecientes al Hospital de Sant Pau de Barcelona y una gran iglesia de una sola nave dañada por el terremoto de Abruzzo 2009. Como resultado final de la investigación, las conclusiones presentan criterios y directrices para el análisis de estés tipos de estructuras bajo cargas verticales y sísmicas. El fruto de la investigación contribuirá a ambos ingenieros e investigadores que participan en la conservación de las estructuras de mampostería históricos sobre todo por medio del FEA.

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“…In the case of methods based on two-dimensional models, the following methods are used: the Equivalent Frame Method [8,9], the Wide-column Frame Method [10], Strip Methods [11], Limit Analysis Method [12,13], the Line Thrust Method [13,14] and the Uniqueness Theorem Method [12]. The last two methods are modifications of the Limit Analysis Method.…”

“…and construction. For this reason, FEM is also eagerly used in modelling and numerical analysis of historic masonry structures [13,[19][20][21]. The key issue in the case of this type of numerical analysis, however, is the reliability of the obtained results and the large size of the computational models expressed by a very large number of unknowns.…”