Modelling of Settlement Induced Building Damage Proefschrift
ter verkrijging van de graad van doctor aan de Technische Universtiteit Delft, op gezag van de Rector Magnificus Prof. ir. K.C.A.M. Luyben, voorzitter van het College voor Promoties, in het openbaar te verdedigen op vrijdag 15 februari 2013 om 10.00 uur door
Giorgia GIARDINA Environmental Engineer, University of Brescia, Italy geboren te Peschiera del Garda, Italië
Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotoren: Prof. dr. ir. J.G. Rots Dr. ir. M.A.N. Hendriks
Samenstelling promotiecommissie: Rector Magnificus, Prof. dr. ir. J.G. Rots, Dr. ir. M.A.N. Hendriks, Prof. ir. J. Bosch, Prof. ir. R.P.J. van Hees, Prof. dr. P.B. Lourenço, Prof. ir. D.R.W. Martens, Prof. dr. ing. P. Riva,
voorzitter Technische Universiteit Delft, promotor Technische Universiteit Delft, promotor Technische Universiteit Delft Technische Universiteit Delft Universidade do Minho Technische Universiteit Eindhoven Università degli studi di Bergamo
Samenvatting
Deze dissertatie gaat over het modelleren van de schade die zettingen kunnen veroorzaken bij metselwerk gebouwen. De roep om meer ruimte in dichtbevolkte gebieden zorgt voor een toename van ondergrondse bouwprojecten. Zo worden in steeds meer steden tunnels voor nieuwe metrolijnen aangelegd. Door deze ontwikkelingen groeit ook de aandacht voor het risico op schade aan bestaande panden. Het vooraf inschatten van mogelijke schade aan bovengrondse gebouwen is daarmee een essentieel onderdeel geworden van bouwprojecten met ontgravingen in stedelijke gebied (Hoofdstuk 1). De huidige procedure om schade te voorspellen maakt gebruik van sterke vereenvoudigingen, die niet altijd tot conservatieve resultaten leiden. Doel van deze dissertatie is om een beter systeem te ontwikkelen om de mate van geïnduceerde schade te voorspellen: een systeem dat de parameters meeneemt die bepalen hoe een constructie op zettingen reageert, zoals het niet-lineaire gedrag van metselwerk en de wisselwerking tussen gebouw en ondergrond. De methode die in dit onderzoek wordt gebruikt, is zowel op experimenteel als numeriek modelleren gebaseerd. Met een experimentele referentietest, speciaal ontworpen en uitgevoerd om dit probleem te representeren, kunnen de belangrijkst factoren en mechanismen in kaart gebracht worden. De numerieke simulaties maken het vervolgens mogelijk om de resultaten te veralgemeniseren naar een breder spectrum van fysieke scenario’s. De keuze voor deze methode is gebaseerd op een kritische beschouwing van de procedures die op dit moment beschikbaar zijn voor het vooraf inschatten van door zettingen veroorzaakte gebouwen (Hoofdstuk 2). Een nieuwe proefopstelling, schaal 1:10, van een metselwerk gevel op een rubberen tussenlaag is gepresenteerd. Deze test is speciaal ontworpen om het effect van grondgebouwinteractie op schade door ondertunneling te onderzoeken (Hoofdstuk 3). De iii
Samenvatting resultaten worden gebruikt voor het valideren van een 2D semi-gekoppeld eindigeelementenmodel voor het simuleren van constructieve respons (Hoofdstuk 4). Deze numerieke aanpak, die bestaat uit een continu scheurmodel voor het metselwerk en een niet-lineaire tussenlaag voor het simuleren van grond-gebouwinteractie, wordt vervolgens gebruikt om te onderzoeken in hoeverre openingen, materiaaleigenschappen, initiële schade, initiële condities, normaal- en schuifgedrag van de tussenlaag en opgelegde zettingsprofielen de gevoeligheid van een gebouw voor schade beïnvloeden (Hoofdstuk 5). De resultaten stellen kwantitatief vast hoe groot de invloed is van de normaalstijfheid in grond-gebouwinteractie en van de materiaalparameters die het quasi-brosse gedrag van metselwerk bepalen. Met een 2D model kunnen het verschuivende 3D verplaatsingsveld zoals dat bij ontgravingen ontstaat, en de daarmee gepaard gaande torsierespons van een gebouw slechts in beperkte mate beschreven worden. Deze beperkingen worden weggenomen met de ontwikkeling van een 3D gekoppeld model van gebouw, fundering, grond en tunnel (Hoofdstuk 6). Met dezelfde methode die voor de 2D semi-gekoppelde aanpak is gebruikt, wordt het 3D model gevalideerd door het te vergelijken met monitoringgegevens afkomstig van een praktijkgeval beschreven in de literatuur. Het model wordt vervolgens gebruikt voor een parameterstudie naar de invloed van enkele geometrische factoren: de verhouding tussen de horizontale afmetingen van een gebouw ten opzichte van de richting van de tunnelas, de aanwezigheid van aangrenzende constructies en de positie en ligging van het gebouw ten opzichte van de uitgraving (Hoofdstuk 7). De resultaten tonen het overheersende effect van de 3D gebouwrespons, en bewijzen daarmee het belang van 3D modelleren. Tot slot worden de resultaten van de 2D en 3D parameterstudies gebruikt om een raamwerk op te stellen voor een overkoepelend schademodel dat the geanalyseerde constructieve eigenschappen relateert aan het risico voor een gebouw om schade op te lopen bij een zekere zetting (Hoofdstuk 8). Zo vergroot dit onderzoek zowel het experimenteel als het numeriek inzicht in hoe gebouwen reageren op door ontgravingen veroorzaakte zettingen. Daarmee legt het de basis voor een werkend hulpmiddel voor het inschatten van risico’s op constructieve schade (Hoofdstuk 9).
iv
9
Conclusions
Assessing the potential damage caused by soil subsidence to surface structures is essential for the successful realization of underground projects in urban areas, and remains a challenge, due to the high complexity of the interacting elements. This is especially true for masonry structures, which represent the majority of historical buildings. The damage assessment procedures need to take into account not only the uncertainties about material parameters and state of the constructions, but also their highly non-linear behaviour, characterized by brittle cracking and consequent stress redistribution, and the important effect of soil-structure interaction. The aim of this thesis was the development and the validation of an improved modelling approach for the assessment of settlement-induced damage to masonry buildings. The adopted methodology included experimental testing, real-case numerical modelling, sensitivity studies and the formulation of a structural damage function based on the analysis results. This chapter addresses the main findings, their implications in terms of scientific achievements, the limitations and the possible future research directions.
9.1
Returning to the research questions
In Section 1.2 the principal aim has been decomposed into five sub-questions: • What are the most effective indicators to assess the settlement-induced damage? In order to set a relation between the differential settlements acting on a building, and the consequent risk of structural damage, the most significant indic215
Chapter 9. Conclusions ators of both the settlement and the damage need to be defined. The damage classification system commonly used in practice relates the settlement-induced building deformations, described as deflection ratio or angular distortion, with the expected number of main cracks and maximum crack width. To integrate the proposed approach with the existing procedure, also the experimental and numerical outcomes of this thesis have been expressed in terms of applied deflection ratio versus resulting maximum crack width, which was successively related to the corresponding level of damage. • What are the most suitable numerical approaches to simulate the problem? To include the effect of the non-linear behaviour of the building and soilstructure interaction, 2D and 3D modelling approaches have been proposed and validated through comparison with experimental and field data. In both cases, elastic-softening crack models have been assumed to simulate the structural damage. In the 2D semi-coupled model, the assumed soil deformations have been applied to a non-linear interface at the building base, accounting for the soil and foundation stiffness. This approach entails a major reduction of the modelling effort, while it can still address two crucial phenomena: masonry cracking and soil-structure interaction. The 3D coupled model of structure, soil and tunnel has been developed to evaluate the effect on the final damage of the 3D progressive settlement profile and the torsional building response. The coupled model also allows to simulate the reciprocal influence between the surface building and the settlement profile, e.g. the building with its stiffness significantly flattens the settlement profile. The relevance of 3D modelling has been indisputably demonstrated. • How to design and perform a laboratory benchmark test to validate the proposed model? For the validation of the 2D semi-coupled model, an experimental test has been designed, built and executed on a 1/10th scaled model of a masonry façade. A pre-defined settlement profile was incrementally applied to the façade base, through a rubber interface with calibrated normal stiffness. The façade was subjected to amplified vertical loads to replicate the prototype stress field. Deformations and crack pattern development were accurately monitored throughout the test execution and a series of companion tests were performed on the materials in order to measure their mechanical properties. The comparison between numerical and experimental results has proven the model capability to reproduce, with a high level of accuracy, the crack pattern and the deformation of the tested structure. 216
Returning to the research questions 9.1 • How can the numerical model evaluate the factors governing the structural response to settlements? First, the reliability of the finite element models has been verified by reproducing the laboratory test results (façade test for the 2D semi-coupled model) and the monitoring data of a historic building affected by tunnel excavation (London Mansion House for the 3D coupled model). Then, the models have been used to broaden the investigation to a wider range of possible scenarios. The factors governing the structural response have been evaluated through a series of parametric analyses. In particular, the 2D model has been used to derive information about the effect of openings, material properties, initial damage, initial loading conditions, normal and shear behaviour of the soil-structure interaction and type of settlement profile. The potential of the 3D model has been exploited to include the evaluation of aspect ratio of horizontal building dimensions, connection with adjacent structures, and position and alignment of the building with respect to the excavation. The quantitative assessment in terms of expected damage has shown the substantial effect of soil-structure interaction, brittle masonry cracking and global flexibility of the building with respect to the dominant ground deformations. • How to derive an improved classification system from the analysis results? The outcomes of the 2D and 3D sensitivity studies have been used to derive an overall damage model which accounts for the building vulnerability as a function of the analysed parameters. The model is based on the principles of the seismic vulnerability assessment. The sensitivity of the structure to be damaged by a given settlement scenario is formulated as the sum of the parametric contributions; each parameter is normalized and multiplied for its relative weight on the final damage. For the analysed ranges of values, the damage level can vary by up to three levels, e.g. from slight to very severe damage. The proposed damage model sets the framework of a damage classification system based on numerical modelling. The system, built on the results derived in this research, is open to the inclusion of new parameters, further monitoring data or extra numerical results from different modelling approaches.
217
Chapter 9. Conclusions
9.2
Scientific contributions
The research contributions offered by this thesis can be summarized as follows: • Experimental modelling: The laboratory test designed to validate the 2D semi-coupled model represents a new benchmark test for the evaluation of masonry deformations and cracking as a consequence of differential settlements. Furthermore, the test provides new experimental data, also for those ranges of large deformation and severe damage where empirical data were lacking. • Numerical modelling: The proposed 2D and 3D finite element models offers a validated tool for the simulation of settlement-induced damage to masonry buildings. As a major advantage, they account for the non-linear behaviour of masonry and soil-structure interaction, which was proven to be essential for the structural response and thus for the damage assessment. • Vulnerability assessment: The damage model interpreting and summarizing the numerical results from the sensitivity study has the potential to be used as an improved procedure for the damage assessment of buildings subjected to soil subsidence. Being based on the same damage definition and indicators from the available empirical-analytical procedures, the proposed model can be integrated with the existent assessment methods. These research contributions have the following implications: • Implications for scientists: The experimental test, giving accurate measurements of the crack growth in a masonry structure as a function of the applied deformation, can be used to validate new modelling approaches or innovative constitutive laws for quasi-brittle materials. • Implications for designers: The indications, resulting from the numerical analyses, about the main factors governing the building response to excavations, can complement the design criteria for the preliminary assessment currently in use. Decisions on when to step to 2D or 3D modelling can be made on a more solid basis. Furthermore, the developed 2D and 3D finite element models can be used in the further level of assessment. • Implications for decision makers: The framework of the settlement vulnerability system based on numerical results has the potential to be developed as a decision and management tool for the evaluation of the risk associated with underground excavations in urban areas.
218
