Constructive and mechanical characterisation of adobe masonry walls of existing buildings

Abstract

Earthen construction has been widely used throughout the world, since approximately 10000 years ago and until the present day. A significant part of the world earthen built heritage – including many properties inscribed on the UNESCO’s World Heritage List –, however, is at risk. In Portugal, earth was also a widely used construction material until the middle of the 20th century. In Aveiro district, in particular, adobe construction was very common. Currently, there are still a great number of adobe constructions in this region, a large part of which are in use. Many of the existing buildings are of social, cultural, and architectural value. Despite their value, however, many of these buildings are in a poor state of conservation, suffering from various structural and non-structural defects. The problems observed in existing adobe buildings result in large part from a lack of knowledge regarding the materials and building systems used in this type of construction. There is, in particular, a lack of knowledge about the properties and behaviour of adobe masonry walls, which are key structural elements that influence the overall behaviour of buildings. The main aim of the research developed and discussed in this thesis is thus to contribute to this knowledge, focusing, in particular, on the adobe buildings of Aveiro district. For this purpose, a visual and dimensional inspection of the facade walls of twenty-one representative adobe buildings was conducted. With this inspection, it was possible to carry out a detailed analysis of the facade walls – including their structural system, coatings, and traditional masonry materials – and to assess the vulnerabilities, common defects, and state of conservation of these elements. A series of experimental tests were also carried out. Simple compression tests were performed on cylindrical and cubic adobe specimens, flexural tests on adobe bricks, and splitting tests on cylindrical specimens. Simple compression and diagonal compression tests were also conducted on ten full-scale adobe masonry wall panels, built with adobes taken from an existing construction. Finally, an in-plane horizontal cyclic test was performed on a full-scale double-T shaped adobe wall, also built with adobes from an existing construction. With the tests carried out, it was possible to characterise the strength, stiffness, stress-strain relationships, and common damage pattern of the test specimens, and to assess correlations between different mechanical properties. It was also possible to develop a comparison between the strength values obtained and the limits indicated in existing standards for earthen construction, and between the results obtained and those determined by other authors for test specimens representative of adobe construction in other countries. The results presented and discussed in this thesis contribute to the enrichment of knowledge that is considered essential to support the conservation and rehabilitation of existing adobe buildings, not only in Portugal, but also in other regions of the world.

A construção em terra tem sido muito utilizada em todo o mundo, desde há cerca de 10000 anos atrás e até aos dias de hoje. Uma parte significativa do património mundial construído com terra, incluindo vários bens inscritos na Lista de Património Mundial da UNESCO, encontra-se, no entanto, em risco. Em Portugal, a terra foi também um material de construção muito utilizado até meados do século XX. No distrito de Aveiro, em particular, a construção em adobe era muito comum. Atualmente, existe ainda um elevado número de construções em adobe nesta região, grande parte das quais se encontram em uso. Muitos dos edifícios existentes são de valor social, cultural e arquitetónico reconhecido. No entanto, apesar do seu valor, muitos destes edifícios estão em mau estado de conservação, apresentando anomalias estruturais e não estruturais variadas. Os problemas observados nos edifícios existentes de adobe resultam, em grande parte, de falta de conhecimento sobre os materiais e sistemas de construção utilizados neste tipo de edificação. Há, em particular, falta de conhecimento sobre as propriedades e o comportamento das paredes de alvenaria de adobe, que são elementos estruturais principais que influenciam o comportamento global dos edifícios. Assim, o trabalho de investigação desenvolvido e discutido nesta tese tem como principal objetivo contribuir para este conhecimento, debruçando-se, em particular, sobre as construções em adobe do distrito de Aveiro. Para este efeito, foi realizada uma inspeção visual e dimensional das paredes de fachada de vinte e um edifícios de adobe representativos. Com esta inspeção, foi possível analisar de forma detalhada as paredes de fachada – incluindo o seu sistema estrutural, revestimentos e materiais de alvenaria tradicionais – e avaliar as vulnerabilidades, anomalias comuns e estado de conservação destes elementos. Uma série de ensaios experimentais foi também levada a cabo. Foram realizados ensaios de compressão simples sobre provetes cilíndricos e cúbicos de adobe, ensaios de flexão sobre blocos de adobe e ensaios de compressão diametral sobre provetes cilíndricos. Foram ainda realizados ensaios de compressão simples e compressão diagonal sobre dez painéis de alvenaria de adobe à escala real, construídos com adobes recolhidos de uma construção existente. Por fim, realizou-se o ensaio de uma parede à escala real em forma de ‘duplo T’, construída também com adobes de uma construção existente, sob a ação de uma carga horizontal cíclica, aplicada no plano da parede. Com os ensaios realizados, foi possível caracterizar a resistência, a rigidez, as relações de comportamento tensão-deformação e o padrão comum de dano dos elementos ensaiados, e avaliar as correlações entre diferentes propriedades mecânicas. Foi ainda desenvolvida uma comparação entre os valores de resistência obtidos e os limites indicados nas normas existentes para a construção em terra, bem como entre os resultados obtidos e aqueles determinados por outros autores para a alvenaria de adobe representativa da construção em adobe noutros países. Os resultados apresentados e discutidos nesta tese contribuem para o enriquecimento de conhecimento que é considerado essencial para apoiar a conservação e reabilitação dos edifícios de adobe existentes, não só em Portugal, mas também noutras regiões do mundo.