Simulation of structural behavior of masonry using discrete element modeling

Abstract

The structural simulation of masonry elements has been traditionally conducted with Finite Element Models (FEM). Studies from the literature show that these models are capable of accurately reproduce the structural behavior at a micro and macro-scale levels. Despite the good results obtained, the application of FEM implies simplifications regarding the failure modes and the constitutive laws used to represent the behavior of bricks and mortar, as well as the interface between them. Alternative methods are available nowadays for the same purpose. An example is the Discrete Element Model (DEM) that is based on a particle-particle interaction. The simple definition of the interactions in the DEM is an advantage for the simulation of masonry elements. The objective of this master thesis is to evaluate the applicability of DEM to simulate the structural behavior of masonry at a micro and macro-scale level, reproducing the response in terms of deflections, ultimate load and failure modes. First, a review on the literature about DEM and about its application to the analysis of masonry structures was performed. Then, experimental programs conducted by other authors were selected and taken as a reference. Next, the tests found in these experimental programs were simulated with DEM. The numerical results were compared with the experimental data in order to highlight the accuracy, advantages and drawbacks of this approach. A parametric study was as well conducted to evaluate the sensibility of the results to changes in the input parameters of the model. Finally, further research proposals are presented in order to explore in a deeper and more extended way the topics presented on this dissertation It was found that the use of DEM to simulate the structural behavior of masonry at a micro and macroscale level, reproducing the response in terms of deflections, ultimate load and failure modes presents quite good results. Good agreement was shown in the description of failure modes and low percentage errors (below 10 %) were found on the computation of the parameters of interest such as strength of the material and maximum resistant load.

La simulación estructural de elementos de mampostería se ha realizado tradicionalmente con modelos de elementos finitos (FEM, por sus siglas en inglés). Los estudios de la literatura muestran que estos modelos son capaces de reproducir con precisión el comportamiento estructural a micro y macro-escala. A pesar de los buenos resultados obtenidos, la aplicación de FEM implica simplificaciones con respecto a los modos de falla y a las leyes constitutivas utilizadas para representar el comportamiento de ladrillos y mortero, así como la interfaz entre ellos. Métodos alternativos están disponibles hoy en día para el mismo propósito. Un ejemplo es el Método de los Elementos Discretos (DEM, por sus siglas en inglés) que se basa en una interacción partículapartícula. La definición simple de las interacciones en el DEM es una ventaja en la simulación de elementos de mampostería. El objetivo principal de esta tesis es evaluar la aplicabilidad de DEM para simular el comportamiento estructural de la mampostería a un nivel de micro y macro-escala, y reproducir la respuesta del material en términos de desplazamientos, carga última y modos de falla. En primer lugar, se realizó una revisión de la literatura sobre el DEM y sobre su aplicación al análisis de estructuras de mampostería. A continuación, un programa experimental llevado a cabo por otros autores fue seleccionado y tomado como referencia. Después, las pruebas de laboratorio realizadas en dicho programa experimental se simularon con DEM. Los resultados numéricos obtenidos se compararon con los datos experimentales con el fin de poner en relieve la precisión, ventajas y desventajas del enfoque DEM. Se llevó a cabo además un estudio paramétrico para evaluar la sensibilidad de los resultados a los cambios en los parámetros de entrada del modelo. Finalmente, una serie de propuestas para futuras investigaciones es presentada con el fin de explorar más a detalle y de forma extendida los temas tratados en la presente tesis. Se encontró que el uso de DEM para simular el comportamiento de la mampostería a niveles micro y macro-escala, reproduciendo la respuesta en términos de desplazamientos, carga última y modos de falla, presenta buenos resultados. Concordancia en la descripción de los modos de falla y valores bajos de errores porcentuales (debajo del 10 %) fueron encontrados en el cálculo de los parámetros de interés como lo son la resistencia de los materiales y la carga última soportada.