Hybrid discrete-finite element modeling of masonry and rc-masonry structures: experimental benchmark validation

The Hybrid Discrete–Finite Element Method (HybriDFEM) is a recently developed numerical model for the assessment of civil engineering structures under extreme loading conditions. Its originality lies in the combination of the computational efficiency of Finite Element Methods (FEM) with the capability of Discrete Element Methods (DEM) to reproduce strong discontinuities. The HybriDFEM is inherently discrete, with the structure represented as an assembly of rigid blocks, while maintaining the possibility of coupling with conventional finite elements. The present work improved the pre-processing stage with respect to the previous procedure for geometry definition and boundary conditions assignment and extended the applicability of the method to larger-scale structures. The pre-processing procedure was enhanced through the development of a graphics-supported tool for model construction integrated within the 3D modelling software Rhinoceros, enabling an automated and more efficient workflow for geometry definition, boundary condition setup, and external load assignment. The full experimental campaign conducted by Griffith on a masonry wall subjected to out-of-plane loading was successfully reproduced using HybriDFEM through static, free-vibration, and shake-table dynamic analyses. Sensitivity studies were performed on key modelling parameters, including the number of contact pairs, the damping ratio, and the comparison between implicit and explicit integration schemes. A simplified model, derived from the observed collapse mechanism, was also proposed and compared with the full model. The coupling between discrete and finite elements was finally explored with the CoMa wall project, a four-storey hybrid building composed of reinforced concrete and masonry walls. Despite its preliminary nature, the model captured with satisfactory accuracy both the in-plane behaviour of the west side and the critical out-of-plane displacements experimentally observed on the fourth storey of the north wall.

Il Metodo Ibrido a elementi Discreti-Finiti (HybriDFEM) è un modello numerico di recente sviluppo per la valutazione di strutture di ingegneria civile soggette a condizioni di carico estreme. La sua originalità risiede nella combinazione dell’efficienza computazionale del Metodo degli Elementi Finiti (FEM) con la capacità dei Metodi agli Elementi Discreti (DEM) di riprodurre forti discontinuità. HybriDFEM è intrinsecamente discreto, con la struttura rappresentata come un insieme di blocchi rigidi, mantenendo al contempo la possibilità di accoppiamento con elementi finiti convenzionali. Il presente lavoro ha migliorato la fase di pre-processing rispetto alla precedente definizione della geometria e assegnazione delle condizioni al contorno ed esteso l’applicabilità del metodo a strutture su larga scala. La procedura di pre-processing è stata potenziata mediante lo sviluppo di uno strumento grafico a supporto della costruzione del modello integrato nel software di modellazione 3D Rhinoceros, consentendo un flusso di lavoro automatizzato e più efficiente per la definizione della geometria, l’impostazione delle condizioni al contorno e l’assegnazione dei carichi esterni. L’intera campagna sperimentale condotta da Griffith su una parete in muratura soggetta a carichi fuori dal piano è stata riprodotta con successo mediante HybriDFEM attraverso analisi statiche, di vibrazione libera e dinamiche su tavola vibrante. Sono state condotte analisi di sensitività sui principali parametri di modellazione, inclusi il numero di punti di contatto, il coefficiente di smorzamento e il confronto tra schemi di integrazione impliciti ed espliciti. È stato inoltre proposto un modello semplificato, derivato dal meccanismo di collasso osservato, e confrontato con il modello completo. L’accoppiamento tra elementi discreti ed elementi finiti è stato infine esplorato mediante l’analisi del CoMa wall project, un edificio ibrido di quattro piani composto da pareti in calcestruzzo armato e muratura. Nonostante la natura preliminare del modello, esso è stato in grado di catturare con un grado di accuratezza soddisfacente sia il comportamento nel piano del lato ovest sia gli spostamenti critici fuori dal piano osservati sperimentalmente al quarto piano della parete nord.