Homogenised continuum model for structural analysis of unreinforced alternative masonry walls
Date
2021-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The construction of 40m2 low-cost, single storey, state subsidised houses with conventional
masonry units (CMUs), to address the South African housing shortage of more than 2 million
units poses an environmental sustainability problem. The use of concrete and burnt clay in
these large volumes has a significant negative impact on the environment in the form of CO2
emissions and the use of non-renewable natural resources. This coupled with the introduction
of a carbon tax by the South African parliament incentivises the need for alternative masonry
units (AMUs). South African design guidelines and codes for CMUs are in widespread use
however, to directly apply these to AMUs would be inappropriate. To investigate the suitability
of the national building regulation (NBR) as applied to AMUs would require either large scale
experimental testing or finite element (FE) analyses of masonry walls. The latter is preferable
due to the high material and procedural costs involved in the former.
A macro-modelling strategy using the FE approach is proposed in this study to facilitate the
study of AMU buildings. The masonry materials of focus are concrete (CON), geo-polymer
(GEO), compressed stabilised earth (CSE) and adobe (ADB) with the last three being AMUs.
The elastic and inelastic homogenised properties of masonry are determined via the use of
empirical and analytical homogenisation strategies applied to unit, mortar and interface
properties from Fourie (2017), Shiso (2019), Jooste (2020) and Schmidt (2020). These
homogenised properties are used in the nonlinear FE validation of in-plane (IP) and uni-axial
out-of-plane (OP) loaded masonry walls of Shiso (2019) and Jooste (2020) respectively. The
models showed good reproduction of the IP material load displacement behaviour and
satisfactory results for the uni-axial OP behaviour. Since masonry walls in buildings are
typically under bi-axial loading, the simplified micro-modelling bi-axial result on masonry walls
from De Villiers (2019) is used as a baseline for validating the homogenised bi-axial properties,
due to lack of bi-axial experimental loading tests on the materials of this study. This exercise
showed that the macro-modelling strategy provides a good estimate of CON and GEO
behaviour and satisfactory estimate of CSE and ADB behaviour.
40m2 and 80m2 single storey, fully detached masonry buildings of 90mm, 110mm and 140mm
unit sizes developed by Rabie (unpublished) are then modelled and analysed using the macro-
modelling strategy. The wall IP and OP capacities under ultimate limit state, wind (ULS-W),
serviceability limit state (SLS) and ultimate limit state, seismic (ULS-S) are chosen as the
focus. The results showed that the deemed-to-satisfy provisions of the NBR do not sufficiently
cover CMUs under ULS-W/SLS for wind speeds of 44m/s, 40m/s and 36m/s as most walls
failed to achieve the required loads. Likewise, the NBR provisions proved to be inadequate
when applied to the AMUs under ULS-W/SLS for said wind speeds. Under ULS-S it was found
that CON walls that have enough clearance between wall edge and adjacent opening had
adequate capacity to resist the seismic loads. Similar walls with GEO and CSE also showed
promising performance for ULS-S. This shows the inadequacy of the geometry limits of the
NBR regarding ULS-S, since there were walls meeting the deemed-to-satisfy limits of the NBR
but failed under ULS-S due to inadequate opening clearance. These findings further confirm
those of De Villiers (2019) and call for the need to revise the wall geometry deemed-to-satisfy
provisions of the NBR to cater for CMUs properly and allow for the inclusion of AMUs.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die bou van 40m2 goedkoop, enkelverdieping, staat-gesubsidieerde huise met konvensionele messel-eenhede (CMU's), om die tekort aan behuising in Suid-Afrika van meer as 2 miljoen eenhede aan te spreek, is 'n omgewingsvolhoubare probleem. Die gebruik van beton en gebrande klei in hierdie groot volumes het 'n beduidende negatiewe impak op die omgewing in die vorm van CO2-uitstoot en die gebruik van nie-hernubare natuurlike hulpbronne. Dit, tesame met die instelling van koolstofbelasting deur die Suid -Afrikaanse parlement, stimuleer die behoefte aan alternatiewe messel -eenhede (AMU's). Suid -Afrikaanse ontwerpriglyne en kodes vir CMU's word egter wyd gebruik, maar dit sou onvanpas wees om dit direk op AMU's toe te pas. Om die geskiktheid van die nasionale bouregulasie (NBR), soos toegepas op AMU's, te ondersoek, sou óf grootskaalse eksperimentele toetse óf eindige element (FE) ontledings van messelmure verg. Laasgenoemde is verkieslik vanweë die hoë materiaal- en prosedurekoste verbonde aan eersgenoemde. ‘n Makro-modelleringstrategie met behulp van die FE-benadering word in hierdie studie voorgestel om die studie van AMU-geboue te vergemaklik. Die fokusmuurmateriaal is beton (CON), ‘n (GEO), saamgeperste gestabiliseerde grond (CSE) en adobe (ADB), met die laaste drie AMU's. Die elastiese en onelastiese gehomogeniseerde eienskappe van messelwerk word bepaal deur die gebruik van empiriese en analitiese homogeniseringstrategieë wat toegepas word op eenheids-, mortel- en koppelvlak -eienskappe van Fourie (2017), Shiso (2019), Jooste (2020) en Schmidt (2020). Hierdie gehomogeniseerde eienskappe word gebruik in die nie-lineêre FE-validering van in-vlak (IP) en een-assige uit-vlak (OP) gelaaide messelmure van onderskeidelik Shiso (2019) en Jooste (2020). Die modelle het 'n goeie weergawe van die IP-materiaallasverplasinggedrag en bevredigende resultate vir die een- assige OP-gedrag getoon. Aangesien messelmure in geboue tipies onder bi-aksiale las is, word die vereenvoudigde mikro-skaal FE bi-aksiale resultaat op messelmure van De Villiers (2019) gebruik as 'n basis vir die bevestiging van die gehomogeniseerde bi-aksiale eienskappe, weens 'n gebrek aan bi-aksiaal eksperimentele toetse op die materiaal van hierdie studie. Hierdie oefening het getoon dat die makro-modelleringstrategie 'n goeie skatting van CON- en GEO-gedrag bied en 'n bevredigende skatting van CSE- en ADB- gedrag. 40m2 en 80m2 enkelverdieping, volledig losstaande messelgeboue van 90mm, 110mm en 140mm eenheidsgroottes wat deur Rabie ontwikkel is (ongepubliseer), word dan gemodelleer en ontleed met behulp van die makro-modelleringstrategie. Die fokus op die IP- en OP- kapasiteit van die muur onder die swigtings grenstoestand, wind (ULS-W), diensbaarheid grenstoestand toestand (SLS) en die swigtings grenstoestand, seismies (ULS-S). Die resultate het getoon dat die vooskrifte van die NBR nie CMU's onder ULS-W/SLS voldoende dek vir windsnelhede van 44m/s, 40m/s en 36m/s nie, aangesien die meeste mure nie die vereiste belastings kon bereik nie. Net so blyk dit dat die NBR- voorskrifte onvoldoende is vir toepassing op die AMU's onder ULS-W/SLS vir genoemde windsnelhede. Onder ULS-S is gevind dat CON-mure wat genoeg ruimte tussen die muurrand en die aangrensende opening het, voldoende kapasiteit het om die seismiese laste te weerstaan. Soortgelyke mure met GEO en CSE toon ook belowende gedrag vir ULS-S. Dit toon die ontoereikendheid van die geometrie-grense van die NBR met betrekking tot ULS-S, aangesien daar mure was wat voldoen aan die NB voorskrifte, maar het onder ULS-S misluk as gevolg van onvoldoende tussenruimte langs opening. Hierdie bevindinge bevestig verder die van De Villiers (2019) en vra dat die voorskrifte vir muur geometrië van die NBR hersien moet word om CMU's behoorlik te versorg en voorsiening te maak vir die insluiting van AMU's.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die bou van 40m2 goedkoop, enkelverdieping, staat-gesubsidieerde huise met konvensionele messel-eenhede (CMU's), om die tekort aan behuising in Suid-Afrika van meer as 2 miljoen eenhede aan te spreek, is 'n omgewingsvolhoubare probleem. Die gebruik van beton en gebrande klei in hierdie groot volumes het 'n beduidende negatiewe impak op die omgewing in die vorm van CO2-uitstoot en die gebruik van nie-hernubare natuurlike hulpbronne. Dit, tesame met die instelling van koolstofbelasting deur die Suid -Afrikaanse parlement, stimuleer die behoefte aan alternatiewe messel -eenhede (AMU's). Suid -Afrikaanse ontwerpriglyne en kodes vir CMU's word egter wyd gebruik, maar dit sou onvanpas wees om dit direk op AMU's toe te pas. Om die geskiktheid van die nasionale bouregulasie (NBR), soos toegepas op AMU's, te ondersoek, sou óf grootskaalse eksperimentele toetse óf eindige element (FE) ontledings van messelmure verg. Laasgenoemde is verkieslik vanweë die hoë materiaal- en prosedurekoste verbonde aan eersgenoemde. ‘n Makro-modelleringstrategie met behulp van die FE-benadering word in hierdie studie voorgestel om die studie van AMU-geboue te vergemaklik. Die fokusmuurmateriaal is beton (CON), ‘n (GEO), saamgeperste gestabiliseerde grond (CSE) en adobe (ADB), met die laaste drie AMU's. Die elastiese en onelastiese gehomogeniseerde eienskappe van messelwerk word bepaal deur die gebruik van empiriese en analitiese homogeniseringstrategieë wat toegepas word op eenheids-, mortel- en koppelvlak -eienskappe van Fourie (2017), Shiso (2019), Jooste (2020) en Schmidt (2020). Hierdie gehomogeniseerde eienskappe word gebruik in die nie-lineêre FE-validering van in-vlak (IP) en een-assige uit-vlak (OP) gelaaide messelmure van onderskeidelik Shiso (2019) en Jooste (2020). Die modelle het 'n goeie weergawe van die IP-materiaallasverplasinggedrag en bevredigende resultate vir die een- assige OP-gedrag getoon. Aangesien messelmure in geboue tipies onder bi-aksiale las is, word die vereenvoudigde mikro-skaal FE bi-aksiale resultaat op messelmure van De Villiers (2019) gebruik as 'n basis vir die bevestiging van die gehomogeniseerde bi-aksiale eienskappe, weens 'n gebrek aan bi-aksiaal eksperimentele toetse op die materiaal van hierdie studie. Hierdie oefening het getoon dat die makro-modelleringstrategie 'n goeie skatting van CON- en GEO-gedrag bied en 'n bevredigende skatting van CSE- en ADB- gedrag. 40m2 en 80m2 enkelverdieping, volledig losstaande messelgeboue van 90mm, 110mm en 140mm eenheidsgroottes wat deur Rabie ontwikkel is (ongepubliseer), word dan gemodelleer en ontleed met behulp van die makro-modelleringstrategie. Die fokus op die IP- en OP- kapasiteit van die muur onder die swigtings grenstoestand, wind (ULS-W), diensbaarheid grenstoestand toestand (SLS) en die swigtings grenstoestand, seismies (ULS-S). Die resultate het getoon dat die vooskrifte van die NBR nie CMU's onder ULS-W/SLS voldoende dek vir windsnelhede van 44m/s, 40m/s en 36m/s nie, aangesien die meeste mure nie die vereiste belastings kon bereik nie. Net so blyk dit dat die NBR- voorskrifte onvoldoende is vir toepassing op die AMU's onder ULS-W/SLS vir genoemde windsnelhede. Onder ULS-S is gevind dat CON-mure wat genoeg ruimte tussen die muurrand en die aangrensende opening het, voldoende kapasiteit het om die seismiese laste te weerstaan. Soortgelyke mure met GEO en CSE toon ook belowende gedrag vir ULS-S. Dit toon die ontoereikendheid van die geometrie-grense van die NBR met betrekking tot ULS-S, aangesien daar mure was wat voldoen aan die NB voorskrifte, maar het onder ULS-S misluk as gevolg van onvoldoende tussenruimte langs opening. Hierdie bevindinge bevestig verder die van De Villiers (2019) en vra dat die voorskrifte vir muur geometrië van die NBR hersien moet word om CMU's behoorlik te versorg en voorsiening te maak vir die insluiting van AMU's.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2021.
Keywords
UCTD, Masonry, Finite element analysis, Concrete masonry, Homogenization (Differential equations), Structural analysis (Engineering)