Modeling the behavior of shear-critical reinforced concrete columns under lateral loads

Abstract

Existing reinforced concrete buildings constructed before the development of modern seismic design provisions represent one of the largest seismic safety concerns worldwide. Such buildings are vulnerable to significant damage and even collapse when subjected to strong ground shaking. Collapse of reinforced concrete buildings has resulted in many of the fatalities in past earthquakes. Since 1980 after the capacity design concept was introduced in the seismic design code provisions, the seismic safety gap between the newly designed seismic resistant buildings and those constructed before 1980 is widened causing worldwide concern. The crucial issue that was evident after the earthquakes in 1999 in Athens (Parnitha) and in Turkey (Kocaeli) and was underlined by the destructive earthquake of L’Aquila (2009) in Italy is the need to improve assessment and retrofit procedures for existing reinforced concrete buildings. Columns play a very important role in the structural performance. Therefore, it was essential to apply a suitable analytical tool to estimate their structural behavior considering all failure mechanisms such as axial, shear, and flexural failures. In the present thesis a fiber beamcolumn element accounting for shear effects and the effect of tension stiffening through reinforcement-to-concrete bond was developed, in order to provide an analytical test-bed for simulation and improved understanding of experimental cases where testing of reinforced concrete columns actually led to collapse. Emphasis was particularly on lightly reinforced columns. For the definition of deformability of such columns, the definition of plastic hinge length was reassessed through consideration of yield penetration effects. The required confined zone in critical regions of columns and piers undergoing lateral sway during earthquakes is related to the plastic hinge length where inelastic deformation and damage develops. The exactdefinition of the plastic hinge length stumbles upon several uncertainties, the most critical being that the extent of the inelastic region evolves and spreads with the intensity of lateral displacements. Design codes quantify a reference value for the plastic hinge length, through calibrated empirical relationships that account primarily for the length of the shear span and the diameter of primary reinforcing bars. The latter term reflects the effects of bar yielding penetration in the support of columns. Here a consistent definition of plastic hinge length was pursued analytically with reference to the actual strain state of the reinforcement. Finally, the column’s structural behavior was assessed by considering all mechanisms of behavior involved, namely flexure with or without the presence of axial load, shear and anchorage. The peculiar characteristics of lightly reinforced concrete columns are the outcome of the shear – flexure interaction mechanism which was studied based on the Modified Compression Field Theory and the significant contribution of the tensile reinforcement pullout from its anchorage to the total column’s lateral drift. These features are embedded in the stand-alone Windows program named “Phaethon” -with user’s interface written in C++ programming language code- aiming to facilitate engineers in executing such analyses both for rectangular and circular substandard reinforced concrete columns. Confining wraps or jackets to rehabilitate and strengthen existing substandard RC columns such as those described in the present thesis has proven to be an efficient technique for seismic retrofit of structures. A new constitutive material law was developed and was added to the source code of OpenSees as a uniaxial material, i.e. the ‘FRPConfinedConcrete’ material. In order to evaluate the relevance and accuracy of the proposed material model, its performance was corroborated through simulation of a series of cyclic loading tests performed on jacketed columns with a rectangular cross section. The research presented in this Ph.D. thesis was financially supported by the Alexander S. Onassis Public Benefit Foundation with a triennial scholarship (Scholarship Code: F ZI 086-1 2012-2013/ 01/09/2012 – 29/02/2016).

Το σύγχρονο δομημένο περιβάλλον στα αστικά κέντρα της Μεσογείου κυριαρχείται από κτίρια οπλισμένου σκυροδέματος (Ο.Σ.) είτε αποτελούμενα από μικτό σύστημα φερόντων στοιχείων, είτε αμιγώς πλαισιακού τύπου. Περίπου το 70% έχει κτισθεί με τους προ του 1985 Κανονισμούς, και σήμερα θεωρούνται περιορισμένης σεισμικής ικανότητας επειδή δεν ικανοποιούν τις σύγχρονες αντιλήψεις αντισεισμικού σχεδιασμού. Εικάζεται ότι σε ενδεχόμενο ισχυρό σεισμό πολλά από αυτά τα κτίρια είτε θα αναπτύξουν σημαντική βλάβη είτε και κατάρρευση, σε επανάληψη των τραγικών συμβάντων που έχουν παρατηρηθεί στο παρελθόν σε πολλά αστικά κέντρα της περιοχής με πολλά θύματα (π.χ. Πάρνηθα Αθήνα και Ιζμίτ της Τουρκίας το 1999, L’Aquila Ιταλίας το 2009, Αίγιο 1995). Ήδη από το 1985 μετά την εισαγωγή των ικανοτικών ελέγχων στον αντισεισμικό σχεδιασμό το ποιοτικό χάσμα σχεδιασμού νέων κτιρίων από τα παλαιότερα συνεχώς διευρύνεται ανησυχητικά. Ηαναγκαιότητα για σεισμική αποτίμηση και αποκατάσταση των υφιστάμενων κτιρίων που δεν πληρούν τις σύγχρονες προδιαγραφές υπογραμμίζεται με κάθε ευκαιρία στο δημόσιο διάλογο, αν και ακόμα αναζητούνται τα σχήματα που θα επιτρέψουν την διεκπεραίωση των ελέγχων για το σύνολο των παλαιών κτιρίων. Κομβικής σημασίας για την στατικότητα και την σεισμική επάρκεια του δομήματος έχουν τα υποστυλώματα του φέροντος οργανισμού σε κτίρια Ο.Σ. Αυτό επιβεβαιώνεται συχνά από την μορφολογία των καταρρεύσεων: όταν αστοχούν τα κατακόρυφα στοιχεία ή οι συνδέσεις τους, οι βαριές πλάκες των οικοδομών συσσωρεύονται η μία πάνω στην άλλη (pancake collapse) παγιδεύοντας ενοίκους και αντικείμενα. Αναφερόμενοι στο στάδιο της επικείμενηςκατάρρευσης πολλοί ερευνητές σήμερα επικεντρώνονται στην εκτίμηση της ικανότητας παραμόρφωσης των στοιχείων στο στάδιο απώλειας στήριξης των υπερκείμενων φορτίων.Προηγούμενες αναλυτικές διερευνήσεις καταρρεύσεων δείχνουν ότι συχνά, υποστυλώματα μεανεπάρκειες οπλισμών αστοχούν ψαθυρά είτε πριν διαρρεύσουν είτε αμέσως μετά την διαρροή και σε μικρά μεγέθη σχετικής στροφής χορδής. Τα μηχανικά φαινόμενα και η έκβασή τους εξαρτώνται από μεγάλο αριθμό παραμέτρων σχεδιασμού και από το ιστορικό φόρτισης. Στην προκείμενη διατριβή μελετάται η συμπεριφορά πλαισιακών στοιχείων Ο.Σ. υπό οριζόντια σεισμικά φορτία λαμβάνοντας υπόψη την ιεράρχηση των ενδεχόμενων μηχανισμών αστοχίας που μπορούν να ελέγξουν την φέρουσα ικανότητα. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε έχει διατυπωθεί ως πεπερασμένο στοιχείο ραβδωτού πλαισιακού τύπου και χρησιμοποιήθηκε για την βελτιωμένη συσχέτιση πλήθους πειραματικών δεδομένων από την βιβλιογραφία. Μέρος της μελέτης εφαρμογής του προσομοιώματος επικεντρώθηκε σε στοιχεία με παλαιού τύπου δομικά χαρακτηριστικά. Για την εκτίμηση των δεικτών παραμορφωσιμότητας και ικανότητας στροφής αναθεωρήθηκε ο ορισμός του μήκους πλαστικής άρθρωσης δομικών στοιχείων, λαμβάνοντας υπόψη την υπέρβαση σε όρους παραμορφώσεων του ορίου διαρροής στους κύριους οπλισμούς του στοιχείου. Διατυπώθηκε η διαφορική εξίσωση του μηχανισμού συνάφειας ράβδου – σκυροδέματος και επιλύθηκε μέσω επιβολής κατάλληλων συνοριακών συνθηκών, συνυπολογίζοντας την διείσδυση παραμορφώσεων στον οπλισμό πριν και μετά την σταθεροποίηση της καμπτικής ρηγμάτωσης. Επιπρόσθετα αναπτύχθηκαν αλγόριθμοι για την ανάλυση κρίσιμων διατμητικά υποστυλωμάτων οπλισμένου σκυροδέματος και στην συνέχεια ενσωματώθηκαν στο λογισμικό Φαέθων© (για λειτουργικό σύστημα Windows©) σε κώδικα προγραμματισμού C++. Για την μελέτη στοιχείων με ενισχύσεις, διατυπώθηκαν βελτιωμένοι καταστατικοί νόμοι για το σκυρόδεμα σε θλίψη με ιδιαίτερη έμφαση στην συμβολή της περίσφιγξης μέσω μανδυών ινοπλισμένων πολυμερών (ΙΟΠ). Τα εξαγόμενα προσομοιώματα ενσωματώθηκαν στο λογισμικό OpenSees και συσχετίσθηκαν επιτυχώς με πειραματικά δεδομένα από την βιβλιογραφία. Η συμβολή της έρευνας επικεντρώνεται στην αναλυτική ερμηνεία της συμπεριφοράς στοιχείων Ο.Σ. υπό συνθήκες οριζόντιας φόρτισης, και στην διατύπωση αναλυτικών εργαλείων για την περαιτέρω διερεύνηση και κατανόηση των επιδράσεων των παραμέτρων σχεδιασμού και των χαρακτηριστικών της φόρτισης στην σεισμική συμπεριφοράτους. Επίσης εξήχθησαν σημαντικά πρακτικά συμπεράσματα για το μέγεθος της πλαστικής άρθρωσης που αποτελεί βασική παράμετρο πρόβλεψης της ικανότητας παραμόρφωσης στοιχείων, και η οποία μέχρι σήμερα αντιμετωπίζεται με βάση εμπειρικές εκτιμήσεις και ορισμούς. Η έρευνα της παρούσας διατριβής χρηματοδοτήθηκε από το Κοινωφελές Ίδρυµα Αλέξανδρος Σ. Ωνάσης με τριετή υποτροφία (Κωδικός Υποτροφίας F ZI 086-1 2012-2013/ 01/09/2012 – 29/02/2016).