In-Plane Seismic Capacity of Interlocking CSEB and Fired Clay Brick Masonry Piers: A Comparative Numerical Study

Abstract

Nepal is located in one of the most seismically active regions in the world, and the 2015
Gorkha earthquake clearly demonstrated the vulnerability of non-engineered masonry
buildings. In the reconstruction efforts following the earthquake, interlocking Com-
pressed Stabilised Earth Blocks (CSEB) have been highlighted as a potentially more
seismically robust and at the same time more sustainable alternative to conventional
fired clay brick masonry. Despite practical experience from their use, systematic engi-
neering comparisons between interlocking CSEB and fired clay brick masonry under
comparable conditions remain limited.
In this master’s thesis, the in-plane seismic response of masonry wall panels, also re-
ferred to as piers, made of interlocking CSEB and fired clay brick is compared through
non-linear finite element analyses. The models were developed in ABAQUS using de-
tailed micro-modelling, in which all materials were modelled explicitly and contacts
and interactions allowed separation, re-contact, and sliding. The piers were analysed
using static displacement-controlled pushover analyses. Two idealised support condi-
tions were considered: cantilever and fixed at both ends. These were chosen to represent
limited and strong restraint at the top of the wall, respectively. The effect of vertical
pre-compression is examined through one low and one high pre-compression level, and
selected cases also include vertical reinforcement based on the principles of the Nepal
Building Code (NBC).
The results are presented in the form of pushover curves (base shear, V , versus top
lateral displacement) and through interpretation of damage patterns and governing
failure mechanisms. The comparison shows how geometry (slenderness), support condi-
tions, and pre-compression influence capacity, stiffness, drift capacity, ductility, energy
absorption, and governing failure mechanisms, including the difference between shear-
dominated mechanisms (diagonal localisation) and flexural- or rocking-dominated me-
chanisms. The influence of reinforcement is discussed in terms of how it modifies the
failure process and post-peak response, and how this relates to the prescriptive recom-
mendations in the NBC. Overall, the study provides a mechanistic basis at pier level
for understanding the differences between the systems and for guiding continued work
towards building-level analysis and future validation against experimental data.

Abstract (Swedish)

Nepal ligger i ett av världens mest jordbävningsutsatta områden, och jordbävningen
i Gorkha 2015 visade tydligt hur sårbara murverksbyggnader utan ingenjörsmässig
dimensionering kan vara. I återuppbyggnadsarbetet har interlocking Compressed Sta-
bilised Earth Blocks (CSEB) lyfts fram som ett möjligt alternativ till traditionellt
murverk av bränt lertegel. Detta eftersom systemet både kan vara mer motståndskraf-
tigt vid jordbävning och mer hållbart ur miljösynpunkt. Trots detta finns fortfarande
få systematiska ingenjörsmässiga jämförelser mellan interlocking CSEB och konven-
tionellt tegelmurverk under likvärdiga förutsättningar.
I detta examensarbete jämförs den seismiska responsen i planet hos vertikala vägg-
partier av interlocking CSEB respektive bränt lertegel. Jämförelsen genomförs med
hjälp av icke-linjära analyser med finita elementmetoden. Modellerna utvecklades i
ABAQUS med detaljerad mikromodellering, där samtliga material modellerades se-
parat och där kontakter och interaktioner gjorde det möjligt att beskriva separering,
återkontakt och glidning mellan olika delar. Väggpartierna analyserades med statiska
pushover-analyser under en förskjutningskontroll. Två idealiserade upplagsfall stude-
rades: konsolfall samt väggar inspända i båda ändar. Dessa valdes för att representera
begränsad respektive stark fasthållning vid väggens överkant. Effekten av vertikal för-
kompression undersöks genom en låg och en hög lastnivå, och i utvalda fall inkluderas
även vertikal armering enligt principerna i Nepal Building Code (NBC).
Resultaten redovisas med last-förskjutningskurvor från pushover-analyserna, där bas-
skjuvkraften relateras till lateral toppförskjutning, samt genom tolkning av skademöns-
ter och dominerande brottmekanismer. Jämförelsen visar hur geometri, upplagsförhål-
landen och förkompression påverkar kapacitet, styvhet, deformationsförmåga, dukti-
litet, energiabsorption och dominerande brottmekanismer. Särskild uppmärksamhet
riktas mot skillnaden mellan skjuvdominerade mekanismer med diagonal sprickbild-
ning och böj- eller vältningsdominerade mekanismer. Armeringens inverkan diskuteras
utifrån hur den förändrar brottförloppet och beteendet efter maximal last, samt hur
detta förhåller sig till de preskriptiva rekommendationerna i NBC. Sammantaget ger
studien ett mekanistiskt underlag på väggpartinivå för att förstå skillnader mellan sy-
stemen och för att vägleda fortsatt arbete på byggnadsnivå samt framtida validering
mot experimentella resultat.

Popular Abstract (Swedish)

Syftet med detta arbete är att öka kunskapen om hur olika typer av murade väggar beter sig vid jordbävningsbelastning, med fokus på lösningar som kan vara relevanta för byggande i Nepal. Arbetet har genomförts i samarbete med Build Up Nepal och Ingenjörer utan gränser.

I Nepal finns ett stort behov av bostäder som både är prisvärda och säkra vid jordbävningar. Många människor bor i områden där kraftiga jordskalv kan få allvarliga konsekvenser, samtidigt som tillgången till dyra byggmaterial och avancerade byggmetoder är begränsad. Därför är det viktigt att hitta bygglösningar som fungerar med lokala material och förutsättningar, men som ändå ger tillräcklig säkerhet.
Ett alternativ som har fått ökad betydelse är så kallade interlocking CSEB, alltså komprimerade jordblock som låser i varandra som LEGO-block. Dessa block används bland annat av Build Up Nepal som arbetar för att främja mer hållbart och lokalt anpassat byggande. Samtidigt används också traditionellt bränt tegel i stor utsträckning, och det är därför intressant att jämföra hur dessa två system fungerar under jordbävningspåverkan.
I vårt examensarbete har vi undersökt hur murade väggar av interlocking CSEB och bränt tegel reagerar när de utsätts för krafter som liknar dem som uppstår vid jordbävning. Vi har också studerat hur väggarnas form, vertikal belastning och vertikal armering påverkar deras beteende. Särskilt har vi velat förstå hur väggarna skadas, hur stora krafter de klarar och om armering kan förbättra dess förmåga att hålla ihop systemet när sprickor uppstår.
För att göra detta utvecklades finita elementmodeller av väggarna, där olika material och utformningar kunde jämföras. Genom analyserna gick det att studera både hur hög bärförmågan var och på vilket sätt väggarna förlorade sin stabilitet.
Resultaten visar att både väggarnas form och hur de är förankrade påverkar hur väl de klarar jordbävningslaster. Särskilt stor betydelse har om väggen är hög och smal eller mer kvadratisk. Höga och smala väggar visade generellt ett mer känsligt beteende vid jordbävningslaster, med större deformationer och lägre förmåga att ta upp sidokrafter. Väggar som bara är förankrade i nederkant fick oftare stora rörelser, medan väggar som är förankrade både upptill och nertill i regel kunde ta upp större sidokrafter. Studien visar också att vertikal armering i vissa fall kan hjälpa väggen att hålla ihop bättre när sprickor börjar bildas.
Jämförelsen mellan materialen visar att interlocking CSEB och bränt tegel inte beter sig på samma sätt. Skillnader syns både i hållfasthet och i hur skador utvecklas. Resultaten tyder på att CSEB har potential att användas i jordbävningsutsatta områden, men också att väggarnas utformning och förstärkning spelar stor roll för säkerheten.
Arbetet bidrar därmed med kunskap som kan vara användbar för framtida byggande i Nepal. Genom att bättre förstå styrkor och svagheter hos olika murverkssystem kan säkrare och mer hållbara byggnader utvecklas med material och metoder som är realistiska att använda lokalt.

• author: Johansson, Ingrid and Lydin, Cornelia
• supervisor: Leandro Iannacone
• organization: Division of Structural Engineering
• alternative title: Jämförande numerisk studie av murade väggpaneler i interlocking CSEB och bränt tegel under seismisk belastning i planet
• course: VBKM01 20252
• year: 2026
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Finite Element Method (FEM), Seismic Capacity, Masonry Piers, Interlocking CSEB, Fired Clay Brick, Detailed Micro-Modelling, Nonlinear Analysis, Pushover Analysis, Failure Mechanisms, Reinforced Masonry, Seismic Response, Displacement Ductility, Energy Absorption
• publication/series: 0349-4969
• report number: 26/5313
• ISSN: 0349-4969
• other publication id: LUTVDG/TVBK/26/5313
• language: English
• additional info: Examinator Miklos Molnar
• id: 9225044
• date added to LUP: 2026-04-07 09:43:31
• date last changed: 2026-04-07 09:43:31