Mechanical, structural and seismic behavior of rammed Earth constructions

Abstract

This doctoral thesis presents a thorough analysis of the mechanical, structural and seismic behavior of rammed earth structures, aimed at encouraging the use of this technique in modern construction. Rammed earth is a traditional construction technique that has been used all over the world since antiquity, but today it is attracting renewed interest as an environmentally sustainable building solution. However, the lack of national and international standards based on the structural knowledge of this kind of constructions, makes it difficult for designers and builders to adopt this technique in new constructions. In this regard, as a first step, this thesis presents a detailed compilation of the most relevant results obtained by several researchers about the mechanical and physical properties of rammed earth, including the laboratory tests used to measure these properties and the additives and reinforcements that can be used to improve the material behavior. An experimental testing campaign is carried out to evaluate the mechanical properties of rammed earth stabilized with one of the most relevant additives, lime, focusing on the effect of increasing lime contents and the strength development process, two factors that are essential to build constructions with this technique and that have not been thoroughly studied yet. Compression tests and nondestructive ultrasonic pulse velocity tests are performed. For unstabilized rammed earth, the uniaxial compression tests are combined with diagonal compression test in order to assess also the shear behavior of the material, essential to understand its failure mechanisms (particularly under extreme loads such as a seism). This data is used to develop a numerical model of the material based on the concrete damage plasticity model in the FEM software Abaqus. The proposed behavioral model is evaluated by replicating with finite elements the diagonal tests carried out in laboratory. Considering the vulnerability of rammed earth structures under the action of an earthquake and the numerous areas of earth construction with a significant seismic hazard, in the last part of this study the seismic behavior of this kind of structures is evaluated. The state of the art about this topic is presented and analyzed, including the scientific research about the structural behavior of rammed earth walls subjected to horizontal loads, potential seismic reinforcements, and requirements and recommendations indicated in the existing standards and guidelines about earth construction in seismic areas.

Esta tesis doctoral presenta un análisis detallado del comportamiento mecánico, estructural y sísmico de las estructuras construidas con la técnica del tapial, orientado a incentivar su uso en la construcción contemporánea. El tapial es una técnica de construcción tradicional usada en numerosos lugares del mundo desde la antigüedad, y que hoy está generando un renovado interés como solución constructiva medioambientalmente sostenible. Sin embargo, la falta de normativa nacional e internacional basada en el conocimiento estructural de este tipo de construcciones dificulta, para diseñadores y constructores, su introducción en edificios de nueva construcción. En este sentido, como un primer paso, la presente tesis muestra una revisión detallada de los resultados más relevantes obtenidos por numerosos investigadores sobre las propiedades mecánicas y físicas de la tapia, incluyendo los ensayos empleados para medir estas propiedades y los aditivos y refuerzos que pueden ser usados para mejorar el comportamiento de este material. Se lleva a cabo una campaña de ensayos para evaluar las propiedades mecánicas de la tapia estabilizada con uno de los aditivos más relevantes, la cal, centrada en determinar el efecto del uso de contenidos crecientes de cal y en el proceso de obtención de resistencia, dos factores esenciales para emplear esta técnica en nuevas construcciones y que no han sido todavía estudiados en profundidad. Para esto, se lleva a cabo ensayos a compresión y ensayos no destructivos de velocidad de ultrasonidos. Para la tapia sin estabilizar, los ensayos de compresión uniaxial se combinan con ensayos de compresión diagonal, con el objetivo de determinar también el comportamiento a cortante del material, fundamental para entender sus mecanismos de fallo (especialmente bajo cargas extremas, como las sísmicas). Los datos experimentales se usan para desarrollar un modelo numérico del material basado en el modelo concrete damage plasticity de Abaqus. El modelo propuesto se evalúa replicando en elementos finitos los ensayos de compresión diagonal realizados en laboratorio. Teniendo en cuenta la vulnerabilidad de las estructuras de tapia frente a la acción de un terremoto y las numerosas áreas con presencia de construcción en tierra que presentan un riesgo sísmico elevado, en la última parte de este estudio se evalúa el comportamiento sísmico de este tipo de estructuras. Se presenta y analiza el estado del arte sobre esta materia, incluyendo la investigación científica relativa al comportamiento estructural de muros de tapia sometidos a acciones horizontales, posibles refuerzos sísmicos, y requisitos y recomendaciones indicados en las normativas y guías existentes sobre construcción con tierra en regiones con alta sismicidad.

Questa tesi di dottorato presenta un’analisi in dettaglio del comportamento meccanico, strutturale e sismico delle strutture in terra battuta (pisé), con l’obiettivo di potenziare il suo uso nell’edilizia contemporanea. Il pisé è una tecnica di costruzione tradizionale usata in diversi luoghi di tutto il mondo dai tempi antichi, e oggi sta suscitando un rinnovato interesse come soluzione costruttiva ecosostenibile. Tuttavia, la mancanza di normative nazionali e internazionali basate sulla conoscenza strutturale di questo tipo di costruzione, rende difficile per progettisti e costruttori l’introduzione di questa tecnica in nuove costruzioni. In questo senso, come primo passo, la presente tesi mostra un rapporto dettagliato dei risultati più rilevanti ottenuti da numerosi ricercatori sulle proprietà meccaniche e fisiche della terra battuta, comprese le prove di laboratorio usate per determinare queste proprietà e gli additivi e i rinforzi che possono essere utilizzati per migliorare il comportamento di questo materiale. Viene effettuata una campagna di test per valutare le proprietà meccaniche della terra battuta stabilizzata con uno degli additivi più rilevanti, la calce, per determinare l’effetto dell’uso di contenuti crescenti di calce e il processo di evoluzione della resistenza, due fattori fondamentali per l’utilizzo di questa tecnica nelle nuove costruzioni e che non sono stati ancora studiati in profondità. A tal fine, si effettuano test di compressione e test non distruttivi di velocità di propagazione degli impulsi di ultrasuoni. Per il pisé senza additivi, le prove a compressione uniassiale si combinano con prove di compressione diagonale, al fine di determinare anche il comportamento a taglio del materiale, fondamentale per capire i suoi meccanismi di rottura (particolarmente in situazioni estreme, come l’azione sismica). I dati sperimentali sono usati per sviluppare un modello numerico del materiale basato sul modello concrete damage plasticity di Abaqus. Il modello proposto viene valutato replicando in elementi finiti la prova di compressione diagonale sviluppata in laboratorio. Tenendo conto della vulnerabilità delle strutture in terra battuta sotto l’azione di un terremoto e delle numerose aree con presenza di costruzione in terra che presentano un elevato rischio sismico, nell’ultima parte di questo studio si valuta il comportamento sismico di questo tipo di strutture. Si presenta e analizza lo stato dell’arte su questa materia, compresa la ricerca scientifica esistente relativa al comportamento strutturale dei muri di pisé sottoposti ad azioni orizzontali, i potenziali rinforzi sismici, e requisiti e raccomandazioni indicati dalle norme e linee guida sulla costruzione in terra in regioni con alta sismicità.