Διερεύνηση της επιρροής των συμβατικών λύσεων ενεργειακής αναβάθμισης στην αντισεισμική συμπεριφορά τοιχοπληρωμένων πλαισίων οπλισμένου σκυροδέματος, με πειραματικές, αριθμητικές και αναλυτικές μεθόδους

Abstract

This doctoral dissertation focuses on the experimental, numerical, and analytical investigation of the behavior of infilled frames and the quantification of the influence of thermal insulation systems on their seismic response. The wide context of the research pertains to the integration of common energy upgrade practices into the seismic design of structures. The experimental investigation starts with material testing and extends to full-scale specimens of infilled frames with attached external thermal insulation solutions. In particular, the mechanical response of thermal insulation systems using rock wool, expanded polystyrene, and extruded polystyrene with thickness of either 50mm or 100mm was studied. As part of this dissertation, more than 350 material tests were conducted (on clay bricks, mortars, insulation materials, mesh and anchors). Additionally, 37 triplets were tested under compression, shear or bending to investigate the basic mechanical characteristics of masonry. The interaction between thermal insulation systems and the masonry substrate was quantified through more than 70 tests, assessing the developed stress field both parallelly and perpendicularly to the wall plane. The in-plane behavior of masonry structural elements, with or without attachments, was examined using 22 specimens subjected to diagonal compression tests. The out-of-plane behavior about the horizontal and vertical axes was investigated with 16 and 9 wall specimens, respectively, under cyclic seismic-type loading. Furthermore, a total of 6 large wall specimens were tested under a combination of in-plane and out-of-plane loads. Finally, the study of infilled frames included 6 different specimens. In total, more than 500 laboratory measurements were performed at the Laboratory of Experimental Strength of Materials and Structures. Apart from the bare/virgin and the insulated walls, pre-cracked specimens with interventions, mainly using thermal insulation system materials such as mortar and mesh, were also examined. Simultaneously, and in full correlation with the experimental campaign, numerical simulation methods were developed to replicate the laboratory tests. Various masonry modeling methodologies were evaluated based on their complexity, accuracy, and computational cost. The validated models were used to extend the investigation through additional parametric analyses. Specifically, masonry was modeled as a macro-model (homogenized material), a micro-model (discrete units and interfaces), and a two-material macro-model, where, using cad software, finite elements were differentiated to represent either the masonry units or the mortar. In all cases, the calibration process was performed through the simulation of relatively simple material and triplet tests. Comparing the examined modeling methodologies, macro-models require the least time for development and the lowest computational cost for analysis. However, it cannot simultaneously capture the interaction effects of in-plane and out-of-plane loading. Micro-models and two-material macro-models can predict both in-plane and out-of-plane responses. Between these two approaches, the computational cost of the micro-model is significantly higher, nearly double. In general, all numerical methods can predict masonry behavior and the contribution of attachments with satisfactory convergence in terms of load-bearing capacity, initial stiffness, nonlinear response, and failure modes. The results of the experimental and numerical investigations were assessed to develop analytical prediction formulas for the effect of in-plane loading on the out-of-plane load-bearing capacity. A comparison of the proposed formulas with experimental data from literature displays a satisfactory agreement within specific in-plane drift levels. Additionally, an attempt was made to modify the Eurocode 6 formula in order to calculate the ultimate lateral load capacity of infill walls, which applies to bare/unreinforced walls, to account for the influence of thermal insulation systems on load-bearing capacity. This effort led to a new analytical formula incorporating a modification coefficient, primarily based on the stiffness ratio between the original and "reinforced" walls. The present study highlighted the critical importance of boundary conditions, namely the interface between the infill and the structural frame. Poor confinement conditions significantly increase the vulnerability of infill walls by both reducing their load-bearing capacity and increasing displacement and force demands. The examined infill walls and the thermal insulation systems, applied in the laboratory, demonstrated satisfactory performance in relation to demand levels. However, it should be noted that proper construction practices were followed in the laboratory for building both the masonry and the thermal insulation systems. In all cases, premature failure—detachment of the insulation—before any damage appeared in the masonry substrate was not observed. Therefore, the construction of external thermal insulation systems according to the accompanying ETAG guidelines results in an acceptable performance. In conclusion, it can be argued that energy upgrades involving the addition of thermal insulation should ideally be combined with the retrofitting of the internal face of the infill wall, using appropriate fiber-reinforced coatings, such as those examined in this study. This approach improves both the in-plane and out-of-plane load-bearing capacity, enhances the deformability of unreinforced masonry, and protects both the unreinforced masonry and the insulation from damage, which is difficult to repair when subjected to seismic loading.

Η παρούσα διατριβή έχει ως αντικείμενο την πειραματική, αριθμητική και αναλυτική διερεύνηση της συμπεριφοράς τοιχοπληρωμένων πλαισίων και την ποσοτικοποίηση της επιρροής των συστημάτων θερμοπροσόψεων στην σεισμική τους απόκριση. Το ευρύτερο πλαίσιο της έρευνας αφορά στην ενσωμάτωση των συνήθων πρακτικών ενεργειακής αναβάθμισης, στον αντισεισμικό σχεδιασμό των κατασκευών. Η πειραματική διερεύνηση ξεκινά από απλές δοκιμές σε επίπεδο υλικού και καταλήγει σε δοκίμια πραγματικής κλίμακας τοιχοπληρωμένων πλαισίων με προσαρτήματα λύσεων θερμοπρόσοψης. Ειδικότερα μελετήθηκαν, ως προς την μηχανική τους απόκριση, συστήματα θερμοπροσόψεων με πετροβάμβακα, διογκωμένη πολυστερίνη και εξηλασμένη πολυστερίνη με πάχος 50mm ή 100mm. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής πραγματοποιήθηκαν πάνω από 350 δοκιμές υλικών (οπτόπλινθοι, κονιάματα, μονωτικά υλικά, πλέγματα και αγκύρια). Επιπλέον εξετάστηκαν 37 τριπλέτες υπό θλίψη, διάτμηση ή κάμψη για την διερεύνηση των βασικών μηχανικών χαρακτηριστικών της τοιχοποιίας. Η συνεργασία των συστημάτων θερμοπρόσοψης με το υπόβαθρο της τοιχοποιίας ποσοτικοποιήθηκε υλοποιώντας πάνω από 70 σχετικές δοκιμές, για εντατικό πεδίο παράλληλα και κάθετα στο επίπεδο του τοίχου. Η διερεύνηση της εντός επιπέδου συμπεριφοράς δομικών στοιχείων τοιχοποιίας χωρίς ή με τα προσαρτήματα περιελάμβανε 22 δοκίμια, τα οποία υποβλήθηκαν σε δοκιμή διαγώνιας θλίψης. Η εκτός επιπέδου συμπεριφορά περί οριζόντιο και κατακόρυφο άξονα εξετάστηκε με 16 και 9 δοκίμια τοίχων αντίστοιχα, υπό ανακυκλιζόμενη σεισμικού τύπου φόρτιση. Επιπροσθέτως εξετάστηκαν συνολικά 6 δοκίμια μεγάλων τοίχων, υπό συνδυασμό εντός και εκτός επιπέδου φορτίων. Τέλος η διερεύνηση των τοιχοπληρωμένων πλαισίων περιλαμβάνει 6 διαφορετικά δοκίμια. Συνολικά πραγματοποιήθηκαν πάνω από 500 εργαστηριακές μετρήσεις, στο Εργαστήριο Πειραματικής Αντοχής Υλικών και Κατασκευών. Εκτός των μητρικών γυμνών ή θερμομονωμένων τοίχων, εξετάστηκαν και δοκίμια προρηγματωμένα με επεμβάσεις κυρίως με τα υλικά των συστημάτων θερμοπρόσοψης και ειδικότερα με το κονίαμα και το πλέγμα. Ταυτόχρονα, και σε πλήρη αντιστοιχία με την πειραματική διερεύνηση, αναπτύσσονται αριθμητικές μέθοδοι προσομοίωσης των δοκιμών που πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο. Ελέγχονται διαφορετικές μεθοδολογίες προσομοίωσης της τοιχοποιίας και αξιολογούνται με βάση την πολυπλοκότητά τους, την ακρίβειά τους και το υπολογιστικό κόστος. Τα εξακριβωμένα, ρεαλιστικά μοντέλα αξιοποιούνται για την επέκταση της διερεύνησης με επιπλέον παραμετρικές αναλύσεις. Πιο συγκεκριμένα η προσομοίωση της τοιχοποιίας έγινε ως μακρομοντέλο (ομογενοποιημένο υλικό), ως μικρομοντέλο (λιθοσώματα και διεπιφάνειες) και μακρομοντέλο δύο υλικών, όπου με την χρήση σχεδιαστικού λογισμικού, στο απλό μακρομοντέλο γίνεται διαχωρισμός των πεπερασμένων στοιχείων σε αυτά που αναπαριστούν λιθόσωμα και σε αυτά που αναπαριστούν κονίαμα. Σε όλες τις περιπτώσεις η διαδικασία της βαθμονόμησης πραγματοποιήθηκε μέσω της προσομοίωσης των σχετικά απλών πειραματικών δοκιμών υλικών και τριπλετών. Συγκρίνοντας τις εξεταζόμενες μεθοδολογίες προσομοίωσης, σημειώνεται πως το αρχικό μακρομοντέλο απαιτεί τον λιγότερο χρόνο για την ανάπτυξή του και το μικρότερο υπολογιστικό κόστος για τις αναλύσεις. Ωστόσο, δεν είναι εφικτό να προσεγγίσει ταυτόχρονα φαινόμενα αλληλεπίδρασης εντός και εκτός επιπέδου φορτίσεων. Τα μικρομοντέλα και τα μακρομοντέλα 2 υλικών μπορούν να προβλέψουν την ταυτόχρονη εντός και εκτός επιπέδου απόκριση. Συγκρίνοντας αυτές τις δύο μεθόδους, το υπολογιστικό κόστος για το μικρομοντέλο είναι σημαντικά μεγαλύτερο, σχεδόν διπλάσιο. Γενικά τα μοντέλα μπορούν να προβλέψουν την συμπεριφορά της τοιχοποιίας και την συνεισφορά των προσαρτημάτων με ικανοποιητική σύγκλιση ως προς τη φέρουσα ικανότητα, τη δυσκαμψία, τη μετελαστική απόκριση και τις προκύπτουσες μορφές αστοχίας. Τα αποτελέσματα της πειραματικής και της αριθμητικής διερεύνησης αξιολογήθηκαν με σκοπό να διαμορφωθούν αναλυτικές σχέσεις πρόβλεψης της επιρροής της εντός επιπέδου φόρτισης στην εκτός επιπέδου φέρουσα ικανότητα. Από την σύγκριση των προτεινόμενων σχέσεων με πειράματα της βιβλιογραφίας, προκύπτει ικανοποιητική σύγκλιση για δεδομένα εύρη εντός επιπέδου καταπόνησης. Επιπροσθέτως, επιχειρήθηκε η τροποποίηση της σχέσης του Ευρωκώδικα 6, για τον υπολογισμό του οριακού πλευρικού φορτίου των τοιχοπληρώσεων, που αφορά γυμνούς/άοπλους τοίχους, ώστε να συμπεριληφθεί η επιρροή των συστημάτων θερμοπρόσοψης στην φέρουσα ικανότητα. Από την προσπάθεια αυτή διαμορφώθηκε μία νέα αναλυτική σχέση, εισάγοντας έναν τροποποιητικό συντελεστή, που βασίζεται κυρίως στην σχέση της δυσκαμψίας του αρχικού και του «ενισχυμένου» τοίχου. Η παρούσα διερεύνηση κατέδειξε σε πολλά σημεία την σπουδαιότητα των περιμετρικών συνθηκών, δηλαδή της διεπαφής μεταξύ τοιχοπλήρωσης και φέροντος οργανισμού. Οι συνθήκες μη καλού εγκιβωτισμού αυξάνουν ραγδαία την τρωτότητα των τοιχοπληρώσεων, αφενός απομειώνοντας τη φέρουσα ικανότητα και αφετέρου αυξάνοντας τις απαιτήσεις σε όρους δυνάμενων και μετακινήσεων. Η εξεταζόμενη τοιχοπλήρωση, καθώς και τα συστήματα θερμοπροσόψεων που εφαρμόστηκαν στο Εργαστήριο, σε κάθε περίπτωση επέδειξαν ικανοποιητική συμπεριφορά σε σχέση με τα μεγέθη των απαιτήσεων. Θα πρέπει ωστόσο να σημειωθεί ότι στο Εργαστήριο εφαρμόστηκε η ορθή κατασκευαστική πρακτική για την κατασκευή των τοιχοποιιών και των συστημάτων θερμοπρόσοψης. Σε κάθε περίπτωση δεν εντοπίστηκε πρόωρη αστοχία – αποκόλληση των θερμοπροσόψεων πριν την εμφάνιση βλαβών στην τοιχοποιία, η οποία αποτελεί το υπόβαθρο στερέωσής τους. Επομένως, η κατασκευή των εξωτερικών συστημάτων θερμοπρόσοψης, σύμφωνα με τις οδηγίες ETAG που τα συνοδεύουν, οδηγεί σε αποδεκτή απόκριση. Συμπερασματικά, λαμβάνοντας υπόψη τη μεθοδολογία που αναπτύχθηκε υποστηρίζεται ότι η ενεργειακή αναβάθμιση με προσθήκη θερμομονωτικής πρόσοψης θα ήταν σκόπιμο να συνδυαστεί με την αναβάθμιση και της εσωτερικής όψης της τοιχοπλήρωσης με την χρήση κατάλληλων ινοπλισμένων επιχρισμάτων με ιδιότητες όπως αυτές των επιχρισμάτων που διερευνήθηκαν εδώ. Με τον τρόπο αυτόν επιτυγχάνονται η αύξηση της φέρουσας ικανότητας, εντός και εκτός επιπέδου, και η παραμορφωσιμότητα του άοπλου τοίχου, ενώ προστατεύεται τόσο ο άοπλος τοίχος, όσο και η θερμομόνωση από το να αναπτύξει βλάβες, οι οποίες δεν είναι εύκολα επισκευάσιμες για φορτία που θα προκύψουν από σεισμικές διεγέρσεις.