Nonlinear behaviour of coupled shear walls strengthened with externally bonded carbon fibre reinforced polymer composite under seismic loadings

Honarparast, Sara (2018). Nonlinear behaviour of coupled shear walls strengthened with externally bonded carbon fibre reinforced polymer composite under seismic loadings. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Reinforced concrete (RC) coupled shear walls (CSWs) with adequate strength and stiffness can be an effective system to resist lateral forces such as wind and earthquakes. CSWs are generally used for medium-high rise buildings. They resist lateral forces not only through the shear and moment resistance of their wall segments, but also through the shear action of their coupling beams (CBs). In CSWs, the shear forces are transferred through the CBs, and the overturning moment is partially resisted by an axial compression-tension that is coupled across the walls. A properly designed CSW should ensure that: (i) plastic hinging occurs in the CBs before it does in the walls; (ii) the CBs do not show major strength or stiffness degradations with load reversal; and (iii) the CBs should function as the primary energy-dissipation elements by providing stable energy-absorbing hysteresis loops without pinching. However, designing and detailing CBs with all these important features were not possible before the 1970s. Therefore, the old existing CSWs are potentially at risk of suffering severe damage under moderate to severe earthquakes. Many conventional techniques have been used with some success to retrofit and strengthen deficient structures and thereby improve their seismic performance. In the last few years, the use of externally bonded (EB) fiber reinforced polymer (FRP) composites has proven to be an innovative, reliable and a cost effective retrofit method for RC structures. This study presents results of an experimental and analytical investigation on the seismic behavior, evaluation, and retrofit of reinforced concrete CSWs designed according to codes and Standards before the 1970s.

In the experimental part of this study, a new retrofit method using carbon FRP (CFRP) sheets was proposed to enhance the seismic performance of deficient reinforced concrete CBs. To that end, two coupled shear wall specimens with conventionally reinforced CB, representative of CSWs designed according to Canadian codes prior to the 1970s were considered as follows: One as a control specimen and the other strengthened using EBCFRP. Both specimens were tested under reversed cyclic loading to assess the efficiency of the proposed retrofit method.

In addition, one more specimen was designed according to modern Canadian design code and Standard with a diagonally reinforced CB. This specimen was submitted to cyclic loading up to failure simulating a seismic loading. Thereafter, the damaged specimen was repaired using EB-CFRP sheets and retested under reversed cyclic loading to investigate the effectiveness of the proposed repair technique.

Experimental results revealed the ability of the CFRP retrofitting system to increase load carrying, ductility and energy dissipation capacity in deficient CB specimen designed according to old codes. In addition, the proposed repair method is also capable of recovering the initial strength, stiffness, ductility and energy dissipation capacity in severely damaged CB specimen with diagonal reinforcement.

The numerical part of this research study dealt with nonlinear time history analysis of a prototype 20-story coupled shear wall structure located in Canada. Four CSW prototype structures including two identical CSWs designed according to old National Building Code of Canada (NBCC) before 1970s, and two CSWs designed according to new design code (NBCC 2015) and Standard (CSA A23.3-14) located in Montreal and Vancouver as representative of East and West of Canada, respectively. Nonlinear dynamic analyses using RUAUMOKO were conducted under scaled earthquake accelerations to investigate the CSW structural behavior, adequacy of the design, and the deficiencies of old designed CSWs. An EB-CFRP retrofit method was proposed for deficient CSW structures to be in conformity with the new seismic design code. The beneficial effects of this retrofit method on seismic behavior of such CSWs was investigated through nonlinear time history analyses.

The results of this analytical study revealed that the CFRP retrofitting technique performed very well since it resulted in improved sequence of yielding in CBs and walls, and reduced story displacement, inter-story drift, CBs rotation, and ductility demand. It was also found that unlike old NBCC, the requirements prescribed by CSA A23.3-14 and NBCC 2015 for the capacity design of ductile coupled walls are acceptable in approximating seismic demands.

Titre traduit

Comportement non linéaire sous charges sismiques de murs de refend couplés renforcés à l'aide de composite en polymeres renforcés de fibres de carbone collés en surface

Résumé traduit

L’efficacité des murs de refend couplés (MRC) en béton armé (BA), comme système pour résister aux forces latérales dues aux vents et aux séismes, est bien établie. Les MRC sont généralement utilisés pour les bâtiments multi-étages de moyenne à grande hauteur. Ils résistent aux forces latérales grâce à la conjonction de la résistance au cisaillement et à la flexion de leurs segments de mur d’une part, et d’autre part à l'action des forces de cisaillement de leurs poutres de couplage. En effet, les forces de cisaillement générées par les poutres de couplage sont transférées aux murs sous forme de forces axiales de compression-traction générant ainsi un moment de flexion résistant au moment de renversement. Un MRC adéquatement conçu et détaillé devrait garantir que: (i) les poutres de couplage atteignent leur limite élastique (plastification) avant les murs; (ii) les poutres de couplage ne presentment pas de dégradation de résistance ou de rigidité sévère sous charges cycliques; et (iii) les poutres de couplage sont les éléments principaux de dissipation d'énergie en fournissant des boucles d'hystérésis stables et sans pincements. Cependant, concevoir et détailler des poutres de couplage offrant toutes ces propriétés importantes n'étaient pas possibles avant les années 1970. Aussi, les MRC construits avant 1970 risquent d’être sévèrement endommagés dans le cas d’un séisme modéré à sévère. De nombreuses techniques conventionnelles ont été utilisées avec plus ou moins de succès pour mettre à niveau et renforcer les structures déficientes et améliorer ainsi leur performance sismique. Au cours des dernières années, l'utilisation de matériaux composites à base de polymères renforcés de fibres (PRF) collés en surface s'est révélée être une méthode novatrice, efficace et économiquement viable pour la mise en état des structures en BA existantes. Cette thèse présente les résultats d'une etude expérimentale et des simulations numériques sur le comportement sismique, l'évaluation et la mise à niveau de MRC en BA existants conçus selon les codes et les normes d’avant les années 1970.

Dans la partie expérimentale de cette étude, une méthode novatrice de renforcement externe utilisant un tissu de PRF de carbone (PRFC) a été proposée pour améliorer les performances sismiques des poutres de couplage en BA déficientes. À cette fin, deux échantillons de MRC avec une poutre de couplage en béton armé conventionnelle, représentatifs des MRC conçus selon les codes canadiens d’avant les années 1970, ont été considérés comme suit: Le premier a été utilisé comme spécimen de référence alors que le second a été renforcé avec du composite en PRFC collé en surface. Les deux spécimens ont été testés sous charge cyclique inversée pour évaluer l'efficacité de la méthode de renforcement proposée.

De plus, un autre spécimen a été conçu en conformité à la norme de conception canadienne moderne en vigueur, c’est à dire avec poutre de couplage avec armatures diagonales. Ce spécimen a été soumis à un chargement cyclique jusqu'à un certain endommagement simulant un séisme. Par la suite, le spécimen endommagé a été réparé à l'aide de tissus en PRFC collés en surface et de nouveau testé sous une charge cyclique inversée afin d’évaluer l'efficacité de la technique de réparation proposée.

Les résultats expérimentaux ont révélé l’efficacité du système de renforcement en PRFC quant à l’amélioration de la résistance, la ductilité et la capacité de dissipation d'énergie de la poutre de couplage conçue selon la norme d’avant 1970 avec armature conventionnelle. Par ailleurs, ils ont également montré que la méthode de réparation proposée sur la poutre de couplage avec armature diagonale mais endommagée par un séisme, permet de recouvrer les propriétés initiales avant endommagement et notamment la résistance, la rigidité, la ductilité et la capacité de dissipation d'énergie.

Les simulations numériques de cette étude ont porté sur l’analyse non linéaire temporelle d’un prototype de bâtiment de 20 étages situé au Canada, contreventé à l’aide de MRC. Quatre modèles de MRC dont deux modèles identiques sont conçus selon le Code national du bâtiment du Canada (CNBC) d’avant les années 1970 et les deux autres modèles sont conçus conformément au nouveau code de conception (CNBC 2015) et à la nouvelle norme (CSA A23.3-14) pour Montréal et Vancouver, représentatives de l'est et de l'ouest du Canada, respectivement. Des analyses dynamiques non linéaires utilisant le logiciel RUAUMOKO ont été réalisées sous accélérations sismiques étalonnées afin d'étudier le comportement structural des MRC, l'efficacité des normes modernes en vigueur et les déficiences des MRC conçus selon les normes d’avant 1970. Une méthode de renforcement à l’aide de composites en PRFC collés en surface a été proposée pour les structures de MRC déficientes, conformément au nouveau code de conception sismique. Les effets de cette méthode de renforcement sur l'amélioration du comportement sismique de ces MRC ont été étudiés par des analyses non linéaires temporelles.

Les résultats de cette étude numérique ont révélé l’efficacité de la technique de renforcement à l’aide de PRFC puisqu’elle a permis d’améliorer la séquence de plastification, c’est-à-dire dans les poutres avant les murs, de réduire le déplacement latéral et inter-étage, et enfin de réduire la rotation des poutres de couplage et la demande en ductilité. L’étude a également révélé que, contrairement à l'ancien CNBC d’avant 1970, les exigences prescrites dans les normes CSA A23.3-14 et CNBC 2015 pour la conception en capacité des MRC ductiles sont satisfaisantes et se rapprochent des demandes sismiques.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 187-195).
Mots-clés libres:	murs de refend couplés, poutre de couplage, renforcement, composite en PRFC, collé en surface, performance sismique, essai de chargement cyclique, analyse sismique temporelle non linéaire
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chaallal, Omar
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	10 mai 2019 20:03
Dernière modification:	10 mai 2019 20:03
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2308

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