Smart Brick for Post-Earthquake Assessment of Masonry Buildings

A wide part of the European built heritage consists of masonry constructions originally designed with very limited if not completely absent earthquake resisting criteria, exposing the structures to possible fragile collapse mechanisms during earthquakes. Therefore, it is evident that the evaluation of the health state of these types of buildings after a seismic event plays a fundamental role in the preservation of human life and the historical and cultural building heritage. Structural Health Monitoring (SHM) systems represent a possible solution to this problem by allowing the assessment of the structural performance of the monitored construction during its service life, even in real-time or rapidly after an earthquake, as well as enabling scheduling of maintenance and retrofitting interventions. Although the usefulness of such systems is widely recognized, their application on masonry constructions is still limited due to practical drawbacks experienced in the use of the off-the-shelf sensing technologies. Recent developments in materials engineering introduced in the field of SHM the use of smart materials obtained by doping traditional construction materials, such as cement-based ones, with conductive fillers capable of improving the electrical and sensing properties of the base matrix, giving to the composite the capability of detecting changes in its strain conditions through the output of specific electrical signals. This Ph.D. thesis extends a similar concept to masonry buildings investigating the innovative smart brick technology, which consists of clay bricks doped with suitable conductive fillers and thus capable of revealing changes in their strain conditions by leveraging on their improved piezoresistive capability, i.e. by varying their electrical outputs accordingly. The Thesis aims to promote the development of this newly conceived technology by addressing the missing/incomplete aspects in the reference literature, with the main objective of comprehensively designing, producing, and characterizing a reliable smart sensing device suitable for seismic SHM of masonry constructions. The obtained results demonstrate that the proposed new formulation of smart bricks can be effectively employed for the post-earthquake assessment of masonry constructions, bringing the technology to a readiness level that is mature for field validation.
Ein großer Teil des europäischen Bauerbes besteht aus Mauerwerkskonstruktionen, die ursprünglich mit sehr begrenzten, wenn nicht sogar völlig fehlenden Erdbebensicherheitskriterien entworfen wurden, wodurch die Strukturen bei Erdbeben möglichen fragilen Einsturzmechanismen ausgesetzt sind. Es liegt daher auf der Hand, dass die Bewertung des Gesundheitszustandes dieser Gebäudetypen nach einem Erdbeben eine grundlegende Rolle für den Erhalt des menschlichen Lebens und des historischen und kulturellen Bauerbes spielt. Structural Health Monitoring (SHM)-Systeme stellen eine mögliche Lösung für dieses Problem dar, indem sie die Bewertung der baulichen Leistung des überwachten Bauwerks während seiner Nutzungsdauer, auch in Echtzeit oder schnell nach einem Erdbeben, sowie die Planung von Wartung und nachträgliche Eingriffe. Obwohl die Nützlichkeit solcher Systeme allgemein anerkannt ist, ist ihre Anwendung auf Mauerwerkskonstruktionen aufgrund praktischer Nachteile, die bei der Verwendung von Standard-Sensortechnologien erfahren werden, immer noch begrenzt. Jüngste Entwicklungen in der Werkstofftechnik führten auf dem Gebiet der SHM die Verwendung intelligenter Materialien ein, die durch Dotieren traditioneller Baumaterialien, wie z die Fähigkeit, Änderungen seiner Dehnungsbedingungen durch die Ausgabe spezifischer elektrischer Signale zu erkennen. Dieser Ph.D. Dissertation erweitert ein ähnliches Konzept auf Mauerwerksgebäude, in dem die innovative Smart Brick-Technologie untersucht wird, die aus Ziegeln besteht, die mit geeigneten leitfähigen Füllstoffen dotiert sind und so in der Lage sind, Änderungen ihrer Dehnungsbedingungen durch Ausnutzung ihrer verbesserten piezoresistiven Fähigkeit, dh durch entsprechende Variation ihrer elektrischen Leistungen, aufzudecken . Die Arbeit zielt darauf ab, die Entwicklung dieser neu konzipierten Technologie zu fördern, indem die fehlenden/unvollständigen Aspekte in der Referenzliteratur angesprochen werden, mit dem Hauptziel, ein zuverlässiges intelligentes Sensorgerät, das für seismische SHM von Mauerwerkskonstruktionen geeignet ist, umfassend zu entwerfen, herzustellen und zu charakterisieren. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene neue Formulierung von Smart Bricks effektiv für die Bewertung von Mauerwerkskonstruktionen nach Erdbeben eingesetzt werden kann, wodurch die Technologie auf einen für die Feldvalidierung reifen Reifegrad gebracht wird.