Determination of resistance and behavioral properties and numerical modeling of unreinforced walls using DEM approach

Document Type : Research Article

Authors

Dept. of Civil Engineering, Yazd University, Iran

10.29252/anm.2019.6334.1214

Abstract

Summary
The complex mechanical behavior of masonry structures depends strongly on the interface between brick and mortar. The purpose of the present study is to investigate and compare the shear behavior of brick–mortar interface using experimental and numerical methods in order to model unreinforced masonry walls subjected to in–plane compressive and shear loadings. Numerical modeling of masonry walls is performed using an algorithm based on the distinct element method (DEM). Obtaining shear and normal stiffness, adhesion and friction angle of brick–mortar interface, as well as the maximum permissible load on the unreinforced walls at different compressive stresses are among the important achievement of present study.
 
Introduction
The fracturing mechanism in masonry is a complex phenomenon due to existing two brittle materials with distinct material properties. The mechanical behavior of masonry is strongly affected by the behavior of mortar joints. In this paper, after obtaining resistance and behavioral properties of brick-mortar interface, the behavior of unreinforced masonry walls has been investigated.
 
Methodology and Approaches
As previously mentioned, modeling has been performed by DEM approach using 3DEC. Due to the capability of distinct element method to explicitly represent the motion of multiple, intersecting discontinuities, these methods are particularly suitable for the analysis of masonry structures in which a significant part of the deformation is due to relative motion between the blocks. In the DEM modeling, the Mohr-Coulomb failure surface with a tension cut–off is chosen for blocks and Coulomb–slip model is chosen for joints with zero thickness representing mortar bands.
 
Results and Conclusions
The average normal and shear stiffness of the brick–mortar interface was equal to 42.82 and 122.46 (MPa/mm). The adhesion and friction angle of the brick– mortar interface was equal to 0.7 MPa and 37.7 degrees, respectively. The relationship between shear stress and shear displacement of the brick–mortar interface is presented and the maximum permissible load of unreinforced masonry walls subjected to in–plane compressive and shear loadings was calculated using distinct element method (DEM).

Keywords

Main Subjects

Full Text

سازه‌های مصالح بنایی در ایران از گذشته تا امروز بخش وسیعی از سازه‌های ما را شامل می‌شوند. بناهای بیشماری در گذشته اعم از آتشکده، مسجد، ساختمان‌های مسکونی و ... از این مصالح ساخته شده‌اند و امروزه نیز علی‌رغم استفاده فراوان از مصالح ساختمانی جدید نظیر بتن مسلح و فولاد، هنوز در برخی از نقاط، مصالح بنایی به عنوان عمده‌ترین مصالح برای ساختمان‌ها رواج دارند. ویژگی بارز سازه‌های مصالح بنایی طبیعت مرکب آنها متشکل از واحدهای بنایی مجزایی است که به وسیله بندهای ملات از یکدیگر جدا شده اند.

به طور کلی دو روش اساسی برای مدلسازی عددی سازه‌های مصالح بنایی موجود است؛ ماکرو مدلینگ[i] و میکرو مدلینگ[ii]. مدلسازی در مقیاس ماکرو برای آنالیز سازه‌های بزرگ مصالح بنایی پیشنهاد می‌شود. در این حالت مواد تشکیل دهنده مصالح بنایی به عنوان یک ماده همگن تک فازه که خصوصیات مکانیکی آن میانگین خصوصیات مکانیکی مواد تشکیل دهنده آن است، در نظر گرفته می‌شود. در طول سه دهه گذشته، مدلسازی سازه‌های مصالح بنایی در مقیاس ماکرو با شبیه‌سازی ماده همگن به صورت اورتوتروپیک[iii]، با استفاده از روش المان محدود صورت گرفته است. در سال 1998، لورنسو مقاله‌ای را تحت عنوان "مدل پیوسته برای مصالح بنایی" ارائه داد. در آن مقاله یک معیار تسلیم جدید که مقاومت‌های مختلف را در هر جهت محور ماده در نظر داشته باشد، معرفی شده است. این معیار شکست شامل شکست کششی و فشاری است. در این تحقیق توانایی مدل در بیان رفتار غیر الاستیک مواد ارتوتروپیک نشان داده شده است[1].

در ارتباط با مدلسازی در مقیاس میکرو، خصوصیات مصالح تشکیل دهنده مصالح بنایی شامل آجر و ملات به طور جداگانه و مجزا وارد مدل تحلیلی شده و این باعث می‌شود که برای مدل کردن به اطلاعات بیشتری نیاز باشد. نکته دیگر این است که مدلسازی در مقیاس میکرو خود به دو روش امکان‌پذیر است.

1- میکرو مدلینگ جزئی که در آن آجر (خشت یا سنگ و غیره) و ملات به صورت جداگانه و به شکل المان‌های پیوسته مدل می‌شوند و سطح مشترک آنها به صورت المان‌های ناپیوسته مدل می‌شود.

2- میکرو مدلینگ ساده که در این روش آجرها تا مرکز ملات (افقی و قائم) ادامه داده می‌شوند و به صورت پیوسته در نظر گرفته می‌شوند و رفتار ملات و سطح مشترک آن با آجر در المان‌های ناپیوسته متمرکز می‌شود. در سال 1994، لطفی و شینگ مدل سطح مشترک را برای شکست سازه‌های مصالح بنایی ارائه دادند. در تحقیق ارائه شده توسط ایشان یک مدل بنیادی برای سطوح مشترک متسع شونده پیشنهاد شد. این مدل می‌تواند شروع و گسترش شکست را تحت ترکیب تنش‌های نرمال و برشی در هر دو منطقه کششی- برشی و  فشاری- برشی شبیه‌سازی کند[2]. در سال 1997، لورنسو و راتز مدل سطح مشترک چند سطحی[iv] را برای آنالیز سازه‌های مصالح بنایی ارائه دادند. در مدل ارائه شده، المان‌های تماسی به عنوان سطوحی با پتانسیل شکست در نظر گرفته شده (کلیه خصوصیات غیر الاستیک به المان‌های تماسی نسبت داده شده است) که علاوه بر تمرکز در درزه‌های ملات، در بلوک‌ها نیز به عنوان سطوحی برای ترک‌های محتمل قرار داده شده‌اند. مدل سطح مشترک چند سطحی شامل شکست کششی به عنوان مد اول گسیختگی، پوش گسیختگی کلمب به عنوان مد دوم و کپ فشاری برای شکست در فشار به عنوان مد سوم است که انواع مکانیزم‌های شکست را لحاظ می‌نماید. مدل ارائه شده برای آنالیز یک دیوار برشی مصالح بنایی مورد استفاده قرار گرفته و قادر است بار شکست مشاهده شده در آزمایش‌ها را پیش‌بینی کند و همچنین رفتار را به درستی نشان دهد[3]. مدل پیشنهادی توسط لورنسو در سال 2002 نیز برای مطالعه رفتار دیوارهای برشی مصالح بنایی بدون ملات مورد استفاده قرار گرفت[4].


[i] Macro-modeling

[ii] Macro-modeling

[iii] Orthotropic

[iv] Multisurface interface model

References

[1]           Lourenço, P. B., Rots, J. G. and Blaauwendraad, J. (1998).Continuum model for masonry :parameter estimation and validation. Journal of Structural Engineering, 124(6), 642-652.
[2]           Lotfi, H. R. and Shing, P. B. (1994). Interface model applied to fracture of masonry structures. Journal of Structural Engineering, 120(1), 63-80.
[3]           Lourenço, P. B. and Rots, J. G. (1997). Multisurface interface model for analysis of masonry structures. Journal of Engineering Mechanics, 123(7), 660-668.
[4]           Lourenço, P. B., Oliveira, D. V., Roca, P. and Orduña, A. (2005). Dry joint stone masonry walls subjected to in-Plane combined loading. Journal of Structural Engineering, 131(11), 1665-1673.
[5]           Azevedo, J. O., Sincraian, G. and Lemos, J. V. (2000). Seismic behavior of blocky masonry structures. earthquake spectra, 16(2), 337-365.
[6]           Brookes, C. L. and Mehrkar-Asl, S.(2002). Numerical modeling of reinforced masonry to enhance seismic resistance. 1thConference on Strengthening and Retrofitting of Structures.
[7]           Lemos, J. V. (2007). Discrete element modeling of masonry structures.International Journal of Architectural Heritage, 1(2), 190-213.
 [8]          Sincraian, G. E. and Azevedo, J. J. (1998). Numerical simulation of the seismic behavior of stone and brick masonry structures.11th European Conference on Earthquake Engineering.
[9]           Halabian, A. M., Mirshahzadeh, L. and Hashemol-Hosseini, H. (2014). Non-Linear behavior of unreinforced masonry walls with different iranian traditional brick-work. engineering failure analysis, 44, 46-65.
 [10]        Huizer, A.(1976). An Evaluation of compression prism, shear bond, and bending bond control tests for clay brick masonry. Canadian Journal of Civil Engineering, 3(3), 402-408.
[11]         Hofmann, P. and Stockl, S.(1986). Tests on the shear-bond behaviour in the bed-Joints of masonry. Masonry Int, 9, 1.
[12]         Mann, W.and Muller, H. (1982). Failure of shear-stressed masonry.In Proc Br Ceram Soc, 30, 223.
[13]         Smith, B. and Carter, C.(1971). Hypothesis of shear failure of brickwork.Journal of the Structural Division, 97(4), 1055-1062.
[14]         Atkinson, R., Kingsley, G., Saeb, S., Amadei, B. and Sture, S.(1988). Laboratory and in situ study of the shear strength of masonry bed joints. Brick and Block Masonry London, Elsevier Applied Science, 1, 261-271.
[15]         Hobbs, B. and Roman, H. (1988). Shear behaviour of mortal joints in brickwork subjected to non-uniform compressive stress.
[16]         Van der Pluijm, R. (1997). Non-Linear behaviour of masonry under tension. Heron-English Edition, 42, 25-54.
[17]         American Society for Testing and Material. (2013). Standard Test Method for Compressive Strength of Hydraulic Cement Mortars (Using 2-in. or [50-mm] Cube specimens).ASTM C109.
[18]         Brown, E. (1981).Rock characterization, testing &monitoring: ISRM Suggested Methods.
[19]         Nikadat, N. and Yarahmadi, A. (2014). "Estimating Joint Normal and Shear Stiffness Coefficient Using Statistical Methods."Journal of Analytical and Numerical Methods in MiningEngineering 3(6): 93-103 (In Persian).
 [20]        Cundall, P. A. (2013). A Computer model for simulating progressive large scale movements in blocky rock systems. In Proc Symp Rock Fracture (ISRM). Nancy.
[21]         Itasca consulting group. Inc. 3DEC manual.
Journal of Analytical and Numerical Methods in Mining Engineering
Volume 9, Issue 20
October 2019
Pages 31-41

Files

History

  • Receive Date: 23 October 2016
  • Revise Date: 13 February 2017
  • Accept Date: 18 February 2017

Share

How to cite

Statistics