Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Institut de structures IS (Laboratoire d'informatique et de mécanique appliquées à la construction IMAC)

Seismic behavior of lightly reinforced concrete squat shear walls

Greifenhagen, Christian ; Lestuzzi, Pierino (Dir.) ; Badoux, Marc (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3512.

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    Summary
    This thesis addresses the seismic evaluation of existing buildings. In particular, it focuses on the seismic behavior of lightly reinforced shear walls that are not designed to withstand earthquake actions. A shear strength envelope for the assessment of deformation capacity of these non-ductile walls is presented. The approach is the result of experimental investigations and analytical modeling. Existing models for plastic hinges in beams are enhanced in order to determine drift capacity of lightly reinforced concrete shear walls. The static-cyclic behavior of non-ductile, reinforced concrete shear walls is investigated by testing four small-scale specimens of shear span ratio equal to 0.8. The design of the specimens includes reinforcement ratios, and axial force levels in existing shear wall buildings. Although the specimens were expected to fail in brittle shear, low to moderate ductile response is obtained. The deformation capacity, not the shear strength, is found to be restricted by shear failure. It is observed that inherent shear strength of concrete and the concrete compression zone are the principal contributors to the shear capacity of lightly reinforced shear walls. It is also observed that low reinforcement ratios and moderate levels of axial force can efficiently prevent brittle response in shear. The analytical model consists of a plastic hinge over the entire height of the low-rise shear wall. Proposals are made for the strain distribution inside the plastic hinge. Explicit relationships between drift and base shear are established and it is found that the model accurately predicts the envelope curve of static-cyclic loading. The shear strength envelope is formulated by using the analytical model. Criteria for the failure modes of diagonal tension, of concrete crushing, and of sliding enclose the shear strength envelope. In addition, inherent shear strength forms the lower bound of this envelope. The contributions of reinforcement and concrete to shear capacity are formulated in terms of initial strength and strength decay. Accurate prediction of both the ductility supply and the drift capacity obtained in static-cyclic tests is observed. Validation of the shear strength envelope on full-size walls prevalent in existing buildings shows potential for further application. The proposal contributes to more realistic evaluation of shear strength in selected situations where available methods are too conservative. Hence, it allows for both avoiding costly seismic strengthening in such situations and better allocation of resources where they are really needed.
    Zusammenfassung
    Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur Erdbebenüberprüfung bestehender Gebäude. Im Mittelpunkt steht dabei das Erdbebenverhalten schwach bewehrter Tragwände aus Stahlbeton die nicht für Einwirkungen infolge Erdbeben bemessen wurden. Für solche Wände wird oft ein ungenügendes Erdbebenverhalten erwartet. Die Arbeit schliesst den Vorschlag eines Bruchkriteriums ein, mit dem die realistische Abschätzung des Verformungsvermögens von nicht-duktilen, gedrungenen Tragwänden möglich ist. Der Vorschlag stützt sich auf experimentelle und analytische Forschung ab. Bereits existierende Modelle für plastische Gelenke in Stahlbetonbalken werden modifiziert, um das Verformungsvermögen schwach bewehrter Tragwände zu bestimmen. Das statisch-zyklische Verhalten von nicht-duktilen, gedrungenen Tragwänden wird experimentell in Versuchen an vier kleinmasstäblichen Prüfkörpern (Masstab 1:3) mit Schubspannweiten von 80% der Wand-länge analysiert. Die Konzeption der Prüfkörper orientiert sich hinsichtlich Bewehrungsgehalt, bezogener Normalkraft und konstruktiver Durchbildung der Bewehrung an bestehenden Wandscheibenbauten. Entgegen den Erwartungen, dass die Prüfkörper ein sprödes Schubversagen aufweisen, wurde in den Versuchen ein duktiles Verhalten erzielt. Damit wird nicht der maximale Schubwiderstand sondern das Verformungsvermögen durch Schubversagen begrenzt. Es wurde beobachtet, dass die Betonzugfestigkeit und die Betondruckzone massgeblich zum Schubwiderstand von schwach bewehrten Tragwänden beitragen können. Weiterhin wurde beobachtet, dass die Begrenzung von Bewehrungsgehalt und bezogener Normalkraft sprödes Schubversagen wirkungsvoll verhindern kann. Das Berechnungsmodell besteht aus einem Fliessgelenk über die gesamte Schubspannweite der Tragwand. Für die Dehnungen innerhalb des Fliessgelenks werden Vorschläge gemacht. Explizite Beziehungen zwischen der Rotation im Fliessgelenk und der Querkraft werden aufgestellt. Die berechneten Hüllkurven erlauben eine zutreffende Vorhersage des im statisch-zyklischen Versuch beobachteten Verhaltens. Das Berechnungsmodell wird anschliessend zur Ableitung eines verformungsbasierten Bruchkriteriums für Schubversagen angewendet. Dieses bildet Versagen infolge Schrägzug und Gleiten sowie Betondruckversagen ab. Das Bruchkriterium schliesst auch eine untere Schubspannungsgrenze ein. Die Beiträge von Beton und Querbewehrung zum Schubwiderstand werden als Initialbeitrag und Abminderungsfaktor infolge Zunahme der Verformungen formuliert. Mit dem vorgeschlagenen Bruchkriterium wird das im statisch-zyklischen Versuch beobachtete Verformungsverm ögen zuverlässig abgeschätzt. Die Anwendung auf Tragwände bestehender Gebäude zeigt das Potential des vorgeschlagenen Bruchkriteriums für die Erdbebenüberprüfung bestehender Gebäude. Die vorliegende Arbeit trägt damit zu einer realistischeren Bewertung des Schubtragvermögens von Tragwänden bei. Dies gilt besonders für Situationen in denen vorhandene Modelle zu konservative Ergebnisse liefern. Damit können unnötig kostpielige Erdbebenertüchtigungen vermieden werden.
    Résumé
    Cette thèse s'inscrit dans le contexte de l'évaluation sismique de bâtiments existants. Elle se concentre en particulier sur le comportement sismique des murs faiblement armés qui n'ont pas étés conçus pour résister à l'effet d'un tremblement de terre et qui sont actuellement considérés comme vulnérables. Une enveloppe de cisaillement servant à l'estimation réaliste de la capacité en déformation de ces murs non-ductiles est proposée. L'approche adoptée s'appuie sur une partie expérimentale et sur une partie analytique. Des modèles existants pour les rotules plastiques des poutres sont adaptés en vue de déterminer la capacité de déformation des murs de refend faiblement armés. Le comportement statique-cyclique des murs de refend non-ductiles en béton armé est analysé en testant à l'échelle 1:3 des spécimens modèles réduits dont la portée de cisaillement est égale à 0.8 par rapport de la longueur des murs. La conception des spécimens prend en compte les taux d'armature, le niveau de la force axiale, et des détails des armatures couramment rencontrés dans les bâtiments existants. Bien que les spécimens auraient dû se rompre en rupture fragile à l'effort tranchant, une réponse plutôt ductile a été obtenue. La capacité de déformation, et non le niveau de cisaillement, apparaît ainsi restreinte par une rupture à l'effort tranchant. Il a été observé que la résistance du béton au cisaillement, ainsi que la zone de compression du béton, sont les principaux facteurs participants à la capacité en cisaillement des murs de refend peu armés. Il a aussi été observé que de faibles taux d'armature, ainsi que des niveaux modérés de la force axiale, permettent d'éviter, de façon efficace, une rupture fragile à l'effort tranchant. Le modèle analytique est constitué d'une rotule plastique sur toute la hauteur d'un mur de refend et de la distribution des déformations qui y est admise. Des relations explicites entre le déplacement relatif et l'effort tranchant à la base sont établies et il est démontré que le modèle prédit de façon précise la courbe enveloppe d'un chargement statique-cyclique. L'enveloppe de cisaillement est formulée en utilisant le modèle analytique. Des critères pour les modes de rupture en tension diagonale ainsi qu'en écrasement du béton sont incorporés dans l'enveloppe de cisaillement. De plus, la résistance du béton au cisaillement forme la limite inférieure de cette enveloppe. Les contributions des armatures horizontales et du béton à la capacité de cisaillement sont formulées en termes de résistance initiale et de la dégradation de la résistance due à l'augmentation de déformation. On observe une prédiction précise à la fois de l'offre en ductilité et de la capacité en déplacement relatif obtenue lors des tests statiques-cycliques. La validation de l'enveloppe de cisaillement sur des murs de taille réelle, dans des bâtiments existants, est prometteuse pour d'autres applications. Ce projet contribue à une évaluation plus réaliste de la résistance au cisaillement dans des situations où les méthodes disponibles sont trop prudentes. Par conséquent, il permettra d'éviter des assainissements sismiques onéreux et injustifiés.