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The goal of the present study is to assess the feasibility to develop a first reliable database of materials parameters for Earth Block Masonry (EBM). The database is crucial when defining the materials safety factors. In the first part an experimental campaign of compressive tests were carried out on two types of earth block and two types of earth mortar. The results showed that the mean variation of the compressive strength was remarkably less than expected. This low variation is related to a production with high quality standards of the materials employed. In the second part a partial safety factor for EBM under uniaxial compression was determined through the reliability method. The results proved the reliability of a common calculation method for EBM based on partial safety factors following the current standards.
The recent experience of Italian seismic events provided wide observational information about typical behaviour, damage patterns and intrinsic vulnerability of monumental buildings. Evidence indicates that historical constructions are by far the most vulnerable from the seismic point of view. As a consequence, they demand for the definition of urgent strategies for the protection of cultural heritage from seismic hazard. The main goal of an in-depth knowledge of the structure should help to avoid inadequate, unsuitable or dangerous rehabilitation operations, as well as to select non-invasive and reversible techniques for the best exploitation of material and technology features. The definition of reliable models and methods for seismic risk assessment of historical constructions is today a very important topic. Typical problems of masonry structures concern aspects like inherent structural lacks, material degradation, geotechnical problems, buckling behaviour of slender elements and dynamic loading vulnerability. Modelling the mechanical behaviour of masonry may play an important role, due to both inherent material complexity and great scatter in mechanical properties. Effective procedures for the identification of the structural parameters from static and dynamic testing are thus required. In particular, dynamic measurements may be very useful for the identification of mechanical properties and soil restraints and, consequently, for the calibration of advanced numerical finite element models. The paper addresses two case studies of structural monitoring and seismic assessment of medieval masonry towers in Italy: the bell tower of Aversa and the bell tower of Capua. These monuments, placed in the Campania region, were monitored by means of full-scale environmental vibration testing. Measured responses are then used for modal identification with a typical finite element model updating technique based on vibration test results. Parameters optimization is carried out on the basis of a criterion which minimises a weighted error on modal properties. A satisfactory improvement in the determination of modal parameters is thus obtained, resulting in a close agreement between the modal properties observed in dynamic tests and those calculated from numerical model. Seismic assessment is finally performed based on nonlinear static analysis of the tower under multimodal distributions of lateral loads. Results from nonlinear analysis indicate the potential collapse mechanisms and evidence dangerous structural weakness which may play a role in the seismic vulnerability of the towers.
UHPC-AAC/CLC composite panels with self-cleaning properties. Materials and production technology
(2016)
The aim of this study is to show the development of a façade composite panel combining either an autoclaved aerated concrete or a cellular lightweight concrete insulation layer with a box-type external ultra-high performance concrete (UHPC) supporting layer. The paper presents the materials characteristics of the different components and the production technology of the panel. The efficiency of surface modifications of the materials forming the external shell of the panel is reported. The activation of self-cleaning properties is described. The test results showed that the most efficient way to use the water-repellent agent is its application on the substrate before the concrete cast. Concerning the production technology, the preliminary studies showed more advantages of a twostep manufacturing procedure of the UHPC boxes than a one-step procedure.
The paper presents a comparison between two different numerical modelling approaches aimed to simulate the in-plain behaviour of rammed earth walls, namely under axial, diagonal and cyclic shearcompression loading. In the first part of the study the mechanical characterisation of wallets tested under uniaxial compression and diagonal compression and walls tested under in-plane cyclic shear-compression loading is presented. The results were used to implement and validate the finite element simulations.
The numerical modelling of the rammed earth samples tested is then discussed in the second part. A non-linear constitutive law based on the total strain rotating crack model (TSRCM) was employed as implemented in the DIANA® software. The aim of the numerical analyses presented here is to simulate the behaviour of rammed earth under different inplane loading conditions. For the wallets, tests under static loading both macro- and micro-modelling
approaches were considered for the simulation of the experimental tests. For the walls subjected to cyclic loading only the micro-modelling approach was applied for the simulation of the experimental tests.
The respective FEM model was calibrated with the experimental results. The rammed earth layers were represented by continuum elements, the contact surfaces between layers by interface elements. This approach allowed assessing the influence of the apparent weakness of the interfaces between layers on the shear behaviour of rammed earth.
The goal of the numerical simulation of the cyclic tests was to establish the adequacy of common analytical methods (e. g. used for masonry) applied to the analysis of rammed earth. Rammed earth exhibits brittle characteristics similar to masonry materials and is used in geometrical typologies, such as walls, common in masonry construction.
Die Instandsetzung von Lehmbauwerken ist keine einfache Aufgabe. Der Baustoff Lehm hat vergleichsweise schwache mechanische Eigenschaften. Er ist außerdem anfällig gegenüber eindringendem Wasser, wobei er sehr schnell seinen Zusammenhalt verlieren kann, wenn gewisse Feuchtegehalte überschritten werden. Instandsetzungskonzepte für Bauwerke aus solchen Materialien stellen deshalb eine Herausforderung dar. Historische Lehmbauwerke zeigen oft Schäden in Form von starker Rissbildung, die durch statische oder dynamische Lasten hervorgerufen sein kann. Häufig werden solche Risse wegen mangelnder Fachkenntnis und / oder fehlender Techniken nur ungenügend instandgesetzt. Die Rissinstandsetzung mit Einpressmörteln birgt insbesondere für Lehmbaustoffe eine Herausforderung und erfordert spezifische Anforderungen an den Einpressmörtel, wie z. B. niedriger Wassergehalt, gutes Wasserrückhaltevermögen, niedriges Schwindmaß, an das instandzusetzende Material angepasste Festigkeit und E-Modul sowie eine gute Haftung am Lehmuntergrund. Zusätzlich müssen Einpressmörtel eine ausreichende Fließfähigkeit aufweisen, um kleine Risse und Hohlräume ohne Entmischung zu füllen. Deshalb muss das rheologische Verhalten des Einpressmörtels gut untersucht und kontrolliert werden, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Die Rissinstandsetzung bei Lehmbauwerken erfolgt traditionell durch manuelles Stopfen mit einem Mörtel. Natürlich können auf diese Weise nur Risse mit einer großen Breite verfüllt werden. Ein weiterer Nachteil ist, dass Risse, die durch dickere Wände verlaufen, nicht vollständig mit den für das Stopfen verwendeten Werkzeugen erreicht werden können. Kalkgebundene Einpressmörtel für Lehmbaustoffe werden gewöhnlich für die Wiederbefestigung von Putzen und weniger aus statisch-konstruktiven Gründen eingesetzt.
Aufgrund der Eigenschaften von Lehm, müssen Einpressmörtel auf Basis von hydraulischem Kalk nach EN 459-1 [4] wesentliche Anforderungen an eine Reihe von Eigenschaften erfüllen, die sich auf die Verträglichkeit, die Dauerhaftigkeit und insbesondere die Injektionsfähigkeit beziehen. Das Ziel der vorgestellten Untersuchungen war einen Einpressmörtel zu herzustellen, mit dem die strukturelle Kontinuität in Lehmmauerwerk oder anderen massiven Lehmwänden (Stampf- und Wellerlehm) durch Rissverpressung wiederhergestellt werden kann. Das Material bestand aus Kalkhydrat mit Zusätzen von Puzzolanen und Kalksteinfüller.
In-plane shear behaviour of earthen materials panels strengthened with polyester fabric strips
(2016)
An experimental investigation was carried out to study the in-plane shear behaviour of earthen material Panels strengthened with polyester fabric strips. Strengthened panels were developed to exploit the strength potential of earthen materials and to solve its lack of tensile strength, significantly improving not only strength but also ductility. Three earthen materials were considered: cob, earth block masonry (EBM) and rammed earth (RE). As first approach the strengthening configuration, based on different adhesive materials, was tested only for cob panels. As part of the study the results of a big testing campaign of unstrengthened Panels were considered. Seven strengthened panels were tested in diagonal compression/shear.A unique reinforcement orientation was used. The results of these tests are presented in this paper, and include the load-displacement behaviours, crack patterns, failure modes. The results showed that the reinforcement was the most effective in EBM panels, with increase in strength and ductility observed. In RE and cob panels the reinforcement did not likely contribute significantly to the shear resistance, due to a lack of embedment length of the strips. Instead, in EBM it was likely that the vertical reinforcement acted in tension to restrain shear induced dilation and to restrain sliding.
This paper presents an innovative way to combine an external ultra-high performance concrete (UHPC) supporting layer with an insulation layer of autoclaved aerated concrete (AAC) or cellular lightweight concrete (CLC) to create light-weight façade elements, which are improved in functionality and in energy efficiency. The durability of the façade elements is improved by developing UHPC with self-cleaning properties. One approach is based on the photocatalytic activation of the external UHPC shell by incorporation of TiO2 particles. The second approach consists of the modification of the UHPC surface by micro structuring in combination with the application of water-repellent agents to create durable super hydrophobicity. The current results obtained from laboratory testing are promising and demonstrate the feasibility of the approaches.
Der Beitrag präsentiert einen Vergleich zwischen verschiedenen numerischen Modellierungsansätzen die dazu dienen sollen, das flächige Verhalten von Stampflehmwänden, genauer unter axialer, diagonaler und zyklischer Scherkraftbelastung zu simulieren.
Im ersten Teil der Studie werden die mechanischen Eigenschaften der Wandscheiben, die unter einachsiger und diagonaler Druckbelastung getestet wurde und der Wände, die in flächigen, zyklischen Scherkraftbelastung getestet wurden, dargestellt. Die Ergebnisse werden verwendet, um die Finite Elemente Simulation anzuwenden und zu bewerten. Die numerische Modellierung der getesteten Stampflehmproben
wird dann im zweiten Teil diskutiert. Ein nichtlineares Materialgesetz basierend auf dem Gesamtdehnungsrissmodell (total strain rotating crack model – TSRCM) wurde, wie durch die Software DIANA® verwendet, angesetzt. Ziel dieser hier präsentierten numerischen Analyse ist es, das Verhalten von Stampflehm unter verschiedenen Lasteinflüssen
zu simulieren. Für die Wandscheiben wurden Versuche unter linearer Last, sowohl in Makro- als auch Mikromodellansätze für die Simulation der experimentellen Versuche gewählt. Für die Wände, welche zyklischer Belastung ausgesetzt waren, wurden nur die Mikromodellansätze für die Simulation der experimentellen Versuche gewählt. Das betreffende FEM Modell wurde mit den experimentellen Ergebnissen kalibriert. Die Stampflehmlagen wurden mit durchgehenden Elementen, die Kontaktflächen zwischen den Lagen mit Oberflächenelementen repräsentiert.
Dieser Ansatz erlaubte die Bewertung des Einflusses der auftretenden Schwächung in den Oberflächen zwischen den Lagen auf das Scherverhalten des Stampflehms. Ziel der numerischen Simulation von zyklischen Versuchen war es, die Eignung allgemeiner Analysemethoden (z. B. für Mauerwerk) für die Analyse von Stampflehm einzuführen und anzuwenden. Stampflehm zeigt brüchige Eigenschaften vergleichbar zu Mauerwerksbaustoffen und wird in geometrischen Formen, wie Wänden, genutzt, die im Mauerwerk üblich sind.
Die Instandsetzung von Lehmbauwerken ist keine einfache Aufgabe. Der Baustoff Lehm hat vergleichsweise schwache mechanische Eigenschaften. Er ist außerdem anfällig gegenüber eindringendem Wasser, wobei er sehr schnell seinen Zusammenhalt verlieren kann, wenn gewisse Feuchtegehalte überschritten werden. Instandsetzungskonzepte für Bauwerke aus solchen Materialien stellen deshalb eine Herausforderung dar. Historische Lehmbauwerke zeigen oft Schäden in Form von starker Rissbildung, die durch statische oder dynamische Lasten hervorgerufen sein kann. Häufig werden solche Risse wegen mangelnder Fachkenntnis und / oder fehlender Techniken nur ungenügend instandgesetzt. Die Rissinstandsetzung mit Einpressmörteln birgt insbesondere für Lehmbaustoffe eine Herausforderung und erfordert spezifische Anforderungen an den Einpressmörtel, wie z. B. niedriger Wassergehalt, gutes Wasserrückhaltevermögen, niedriges Schwindmaß, an das instandzusetzende Material angepasste Festigkeit und E-Modul sowie eine gute Haftung am Lehmuntergrund. Zusätzlich müssen Einpressmörtel eine ausreichende Fließfähigkeit aufweisen, um kleine Risse und Hohlräume ohne Entmischung zu füllen. Deshalb muss das rheologische Verhalten des Einpressmörtels gut untersucht und kontrolliert werden, um die gewünschte Wirkung zu erzielen.
Die Rissinstandsetzung bei Lehmbauwerken erfolgt traditionell durch manuelles Stopfen mit einem Mörtel. Natürlich können auf diese Weise nur Risse mit einer großen Breite verfüllt werden. Ein weiterer Nachteil ist, dass Risse, die durch dickere Wände verlaufen, nicht vollständig mit den für das Stopfen verwendeten Werkzeugen erreicht werden können. Kalkgebundene Einpressmörtel für Lehmbaustoffe werden gewöhnlich für die Wiederbefestigung von Putzen und weniger aus statisch-konstruktiven Gründen eingesetzt Aufgrund der Eigenschaften von Lehm, müssen Einpressmörtel auf Basis von hydraulischem Kalk nach EN 459-1 wesentliche Anforderungen an eine Reihe von Eigenschaften erfüllen, die sich auf die Verträglichkeit, die Dauerhaftigkeit und insbesondere die Injektionsfähigkeit beziehen. Das Ziel der vorgestellten Untersuchungen war einen Einpressmörtel zu herzustellen, mit dem die strukturelle Kontinuität in Lehmmauerwerk oder anderen massiven Lehmwänden (Stampf- und Wellerlehm) durch Rissverpressung wiederhergestellt werden kann. Das Material bestand aus Kalkhydrat mit Zusätzen von Puzzolanen und Kalksteinfüller.
The repair of earthen structures is not an easy task. Earth as a construction material has comparatively weak mechanical properties. It is also susceptible towards liquid water, were it can lose cohesion very quickly if certain moisture contents are exceeded. Repair concepts of structures built with such materials are therefore challenging. Historical earthen structures often exhibit damages in form of extensive cracking, which may have been caused by static or dynamic loads. Frequently these cracks are insufficiently or inappropriately repaired because of lack of knowledge and / or technology. In particular, the behaviour of crack repair by grouting poses a challenge in earthen materials and demands specific requirements for the grouting mortar, such as low water content, good water retention, low shrinkage. Grouting materials require additional specifications such as compatible strengths and Young’s modulus as well as good adhesion to the earthen substrates. In addition, grouts have to be sufficiently flowable to fill small cracks and voids without segregation or bleeding. Therefore, the rheological behaviour has to be well understood and controlled to gain the desired effects.
The repair of cracks in earthen buildings is traditionally done by stuffing manually mortar into the gap. Naturally, this method is only usable for cracks with large widths. Another disadvantage is that cracks going through thicker walls cannot be completely reached by the tools used for stuffing the mortar into the crack. Lime based grouts for earthen materials were usually used for re-attachment of plasters but less for structural reasons. Due to the nature of earthen materials grouts based on formulated or hydraulic lime (according to the definition in EN 459-1) have to meet considerable demands on a variety of properties, which are related to compatibility, durability and in particular to the ability of being injected. The goal of this study was to create a grout, which can be used to re-establish structural continuity in cracked earthen masonry or other massive earth walls (rammed earth and cob) with the focus on grouting cracks. The grout material was based on hydrated lime (calcium hydroxide) with additions of pozzolana and lime stone filler.