Advanced numerical modelling of masonry arches reinforced with inorganic matrix composites

This thesis presents an advanced non-linear modelling strategy for the evaluation of the non-linear behaviour under vertical loads of two arches, one texted in the laboratory and the other existing in northern Italy. The arches have two different textures, as well as the materials: the laboratory one is made up of sandstone blocks, and the other of bricks arranged radially and longitudinally. The models are based on a FE approach with cutoff bars implemented in a commercial software, where the masonry is assumed to be elasto-plastic and the mortar is modelled with cutoff bars elements, such as to give it the real tensile strength. Limit analysis is used to obtain the ultimate collapse load for both arches, elaborated with Upper and Lower Bound approach (for the first case) compared with the results obtained manually. Investigations are carried out both for the un-reinforced arch and for the reinforced case for which the reinforcement is modelled on an FE approach and for the limit analysis. The reinforcement used is a composite with an inorganic matrix because they adapt better to a support such as historical masonry, in this case it requires a reinforcement that is not too rigid and therefore capable of accommodating the deformations of the support. For validation purpose, the results are compared with the experimental and numerical ones obtained in the literature on the same arches. The comparison is based on both the non-reinforced case and the reinforced one (specifically the laboratory arch is reinforced with BTRM, while that of northern Italy with SRG). The reliability of the procedures presented is demonstrated.

Questa tesi presenta una strategia avanzata di modellazione non lineare per la valutazione del comportamento non lineare sotto carichi verticali di due archi, uno realizzato in laboratorio e l'altro esistente nel nord Italia. Gli archi presentano due texture differenti, così come i materiali: quello di laboratorio è costituito da conci di pietra arenaria, e l'altro da mattoni disposti radialmente e longitudinalmente. I modelli si basano su un approccio FE con cutoff bars implementati in un software commerciale, dove la muratura è assunta elasto-plastica e la malta è modellata con elementi cutoff bars tali da conferirle la reale resistenza a trazione. L'analisi limite è stata usata per ottenere il carico ultimo di collasso per entrambi gli archi con approccio Upper e Lower Bound (per il primo caso) comparata con i risultati ottenuti manualmente. Le indagini sono state effettuate sia per l'arco non rinforzato sia per il caso rinforzato per il quale è stato modellato il rinforzo su un approccio FE e per l'analisi limite. Il rinforzo utilizzato è un composito a matrice inorganica perché meglio si adatta a un supporto come la muratura storica, e questa necessita di un rinforzo che non sia troppo rigido e quindi capace di accomodare le deformazioni del supporto. A scopo di validazione i risultati sono stati confrontati con quelli sperimentali e numerici ottenuti in letteratura sui medesimi archi. La comparazione si basa sia sul caso non rinforzato sia su quello rinforzato (nello specifico l'arco di laboratorio è stato rinforzato con BTRM, mentre quello del nord Italia con SRG). Si dimostra l'affidabilità delle procedure presentate.