Comparative study of different numerical models to describe the behaviour of masonry structures

Many masonry structures represent important landmarks in Italy and around the world. Masonry is a very diverse composite material, that takes different forms, textures and compositions. Due to its variety it has a very complex behaviour, that can change from one situation to another. Therefore, for preservation and restoration works, the behaviour of masonry has to be known. Throughout the years, several methods have been developed, that study the behaviour of the material from analytical, experimental and numerical point of view. In this thesis a study of numerical models has been made, that examines the complex behaviour of masonry structures. Hence, primary focus of the thesis is to compare four numerical material models, when describing the mechanical behaviour of masonry. The four models chosen to study are the Mohr-Coulomb model, the Drucker-Prager model, the concrete damage model and the concrete smeared cracking model. The path followed in the thesis is, first, to investigate the basic question of "What masonry is". In this part several different types of masonry structures are presented, that can be distinguished one from another on the basis of the materials composing masonry or types of construction techniques used to make the masonry structures. Next, their mechanical behaviour is researched from the analytical and experimental point of view. In the second part numerical modelling of masonry structures is discussed. A general description of several methods for modelling masonry is presented and a detailed description of the four constitutive models is presented. Finally, the extensive investigation is applied to some real life cases, representing different types of masonry structures subjected to different boundary and loading conditions. To investigate the efficiency of the four numerical models used for the numerical analysis, a comparison is made between the results from the experimental tests performed on the different masonry structures, and the results from numerical analysis. The comparative study shows different situations of various masonry structures and how the Mohr-Coulomb model, the Drucker-Prager model, the concrete damage model and the concrete smeared cracking model are successful or not in describing the mechanical behaviour of the structures. For each case, a critical discussion is made on the reliability and performance of every model, when studying the mechanical behaviour of masonry structures.

Molte strutture in muratura rappresentano importanti monumenti ed edifici storici in Italia e nel mondo. La muratura è un materiale composito molto vario, che prende molte forme, tessiture e composizioni diverse. Per la sua varietà ha un comportamento molto complesso, che può cambiare da una situazione all'altra. Quindi, per i lavori di conservazione e restauro, è necessario conoscere il comportamento della muratura. Nel corso degli anni sono state sviluppate diverse metodologie che studiano il comportamento del materiale dal punto di vista analitico, sperimentale e numerico. In questa tesi è stato svolto uno studio di modelli numerici, che esamina il complesso comportamento delle strutture in muratura. Quindi, l'obiettivo principale della tesi è confrontare quattro modelli numerici di materiali quando si descrive il comportamento meccanico della muratura. I quattro modelli scelti per lo studio sono il modello di Mohr-Coulomb, il modello di Drucker-Prager, il modello di danneggiamento del calcestruzzo e il modello di fessurazione del calcestruzzo. Il percorso seguito nella tesi è, in primo luogo, quello di indagare la questione fondamentale di "Cos'è la muratura". In questa parte vengono presentate diverse tipologie di strutture in muratura, che si possono distinguere tra loro in base ai materiali che compongono la muratura, o ai tipi di tecniche costruttive utilizzate per la realizzazione delle strutture in muratura. Successivamente viene studiato il loro comportamento meccanico dal punto di vista analitico e sperimentale. Nella seconda parte viene discussa la modellazione numerica delle strutture in muratura. Viene presentata una descrizione generale di diversi metodi per modellare la muratura e viene presentata una descrizione dettagliata dei quattro modelli costitutivi. Infine, l'indagine estensiva viene applicata ad alcuni casi reali, che rappresentano diversi tipi di strutture in muratura soggette a diverse condizioni al contorno e di carico. Per indagare l'efficienza dei quattro modelli numerici utilizzati per l'analisi numerica, viene effettuato un confronto tra i risultati delle prove sperimentali eseguite sulle diverse strutture in muratura, ed i risultati dell'analisi numerica. Lo studio comparativo mostra diverse situazioni di varie strutture in muratura e come il modello di Mohr-Coulomb, il modello di Drucker-Prager, il modello di danneggiamento del calcestruzzo e il modello di fessurazione del calcestruzzo siano efficaci o meno nel descrivere il comportamento meccanico delle strutture. Per ogni caso, viene fatta una discussione critica sull'affidabilità e le prestazioni di ogni modello, quando si studia il comportamento meccanico delle strutture in muratura.