Enhancing resilience and self-centering of reinforced concrete single and coupled shear walls with externally bonded fibre reinforced polymer composites

Abbaszadeh, Ali (2024). Enhancing resilience and self-centering of reinforced concrete single and coupled shear walls with externally bonded fibre reinforced polymer composites. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Single shear walls (SSWs) and coupled shear walls (CSWs) are crucial elements in seismic engineering for improving a structure's ability to withstand seismic activity. These structures are carefully designed to withstand the lateral forces of earthquakes while maintaining ductility and providing sufficient stiffness to transmit these forces to the foundation. Moreover, they can dissipate seismic energy by forming plastic hinges under cyclic ground motion loads. Designing effective shear walls requires meticulous attention to detail. A crucial design principle for taller shear walls is ensuring that flexural failure prevails over shear failure. In the design of CSWs, careful attention is given to coupling beams (CBs), which are essential conduits for transferring shear forces between the walls. These beams are engineered to avoid premature shear failure and thereby maintain their integrity and functionality. At the same time, they are strategically designed to accommodate plastic hinge formation at their ends, embodying the concept of a weak beam-strong column.

Although the creation of plastic hinges in shear walls can absorb a significant amount of seismic energy, it can also result in residual displacement in these pivotal components. The lingering effects of these displacements can pose challenges to the structural integrity of buildings after an earthquake. Therefore, to enhance building serviceability and minimize costs related to earthquake damage, it is essential to develop an effective strategy that reduces residual displacements in existing shear walls. This thesis proposes an effective strengthening configuration for shear walls located in Vancouver and Montreal, which represent Canada's western and eastern seismic zones, respectively. The suggested approach is based on the use of Externally Bonded Fiber Reinforced Polymers (EB-FRP) to enhance self-centering capability, therefore minimizing residual displacement in the walls after seismic ground motions.

The permanent displacement within shear walls was gauged by using the Residual Inter-story Drift Ratio (RIDR). Nonlinear Time History Analysis (NLTHA) utilizing RUAUMOKO 2D software was employed to assess RIDR within these walls. To comply with the seismic hazard requirements specified by NBCC 2020, 15 ground motions were selected for Vancouver and 11 for Montreal and then scaled to the required seismic hazard level (2% per 50 years). In each shear wall, the benchmark for residual displacement was established by selecting the average maximum RIDR value. In the following phase, three different strengthening strategies utilizing EB-FRP composites were implemented in the shear walls, and their resulting RIDR values were compared to the control values.
To create prototypes that adhered to the specifications outlined in (NBCC 2020) and (CSA A23.3-19), in the first step, four CSW models of 15 and 20 stories were crafted in Montreal and Vancouver. The wall piers were strengthened using vertical and horizontal EB-FRP strips to increase their flexural and shear strength. Coupling beams were reinforced with additional FRP wraps and strips to increase their confinement and flexural strength, respectively. In the next step, four SSWs were designed and evaluated with the same height and location. The walls flexural capacity were strengthened with three different configurations of vertical EB-FRP sheets coupled with FRP wraps increasing their shear strength.

The study found that all proposed strategies successfully reduced the residual displacement within the shear walls. Notably, using three layers of EB-FRP on the edge of the walls and wrapping the plastic hinge zones had the most significant impact on improving wall performance. Additionally, wrapping coupling beams and increasing their bending resistance in coupled walls effectively reduced residual displacement. Moreover, the results highlighted that integrating EB-FRP in CSWs was more effective than in SSWs. Additionally, it was observed that as the height of the wall increased, the proposed method's efficacy in reducing displacement decreased. Interestingly, the SSWs in Montreal showed near-elastic performance and did not require retrofitting. Conversely, the shear walls affected by the significant Cascadia earthquakes had the highest residual post-earthquake displacements.

Titre traduit

Amélioration de la résilience et du recentrage des murs de cisaillement isolés et couplés en béton armé avec des composites en polymère renforcés de fibres collés en surface externement

Résumé traduit

Les murs de cisaillement isolés (MCI) et les murs de cisaillement couplés (MCC) sont des éléments cruciaux en génie sismique pour améliorer la capacité d'une structure à résister aux forces sismiques. Ces structures sont soigneusement conçues pour résister aux forces latérales des tremblements de terre tout en conservant la ductilité et en fournissant une rigidité suffisante pour transmettre ces forces à la fondation. De plus, ils peuvent dissiper l'énergie sismique en formant des rotules plastiques sous charges cycliques de mouvement du sol. La conception de murs de cisaillement efficaces nécessite une attention méticuleuse aux détails. Un principe de conception crucial pour les murs de cisaillement plus grands est de garantir que la rupture par flexion ait lieu avant la rupture par cisaillement. Dans la conception des MCC, une attention particulière est accordée aux poutres de couplage (PC), qui sont des éléments essentiels pour transférer les forces de cisaillement entre les murs. Ces poutres sont conçues pour éviter de subir une rupture en cisaillement afin de maintenir leur intégrité et leur fonctionnalité. En même temps, elles sont conçues de manière stratégique pour permettre la formation de rotules plastiques à leurs extrémités, incarnant le concept de poutre faible - colonne forte.

Bien que la création de rotules plastiques dans les murs de cisaillement puisse dissiper une quantité significative d'énergie sismique, elle peut également entraîner un déplacement résiduel dans ces composants essentiels. Les effets persistants de ces déplacements peuvent poser des défis quant à l'intégrité structurelle des bâtiments après un tremblement de terre. Par conséquent, pour améliorer la fonctionnalité des bâtiments et minimiser les coûts liés aux dommages dus aux tremblements de terre, il est essentiel de développer une stratégie efficace qui réduise le déplacement résiduel dans les murs de cisaillement existants. La présente étude propose une configuration de renforcement efficace pour les murs de cisaillement situés à Vancouver et à Montréal, qui représentent respectivement les zones sismiques de l'ouest et de l'est du Canada. L'approche suggérée implique l'utilisation de polymères renforcés de fibres collés en surface (PRFCS) pour améliorer la capacité de recentrage, minimisant ainsi le déplacement résiduel dans les murs après les mouvements sismiques du sol.

Le déplacement permanent dans les murs de cisaillement a été mesuré en utilisant le rapport de déformation résiduelle inter-étages (RDRI). Une analyse non linéaire temporelle (ANLT) utilisant le logiciel RUAUMOKO 2D a été utilisée pour évaluer le RDRI dans ces murs. Pour répondre aux exigences en matière de risque sismique spécifiées par le CNRC 2020, 15 mouvements du sol ont été sélectionnés pour Vancouver et 11 pour Montréal, ensuite mis à l'échelle au niveau de risque sismique requis (2% par 50 ans). Dans chaque mur de cisaillement, le point de référence pour le déplacement résiduel a été établi en sélectionnant la valeur maximale moyenne de RDRI. Dans la phase suivante, trois stratégies de renforcement différentes utilisant des composites en PRFCS ont été mises en oeuvre dans les murs de cisaillement, et leurs valeurs RDRI résultantes ont été comparées aux valeurs de contrôle.

Pour créer des prototypes conformes aux spécifications du CNRC 2020 et du CSA A23.3-19, dans un premier temps, quatre modèles de MCC ont été conçus à Montréal et à Vancouver, variant de 15 à 20 étages, ont été renforcées à l'aide de bandes PRFCS verticales et horizontales pour augmenter leur résistance en flexion et en cisaillement. Les poutres de couplage ont été renforcées avec des enveloppes et des bandes PRF supplémentaires pour augmenter leur confinement et leur résistance en flexion, respectivement. Dans la prochaine étape, quatre MCI ont été conçus et évalués avec la même hauteur et la même zone. Les murs ont été renforcés avec trois configurations différentes de feuilles PRFCS verticales associées à des enveloppes en PRF augmentant leur résistance au cisaillement.

L'étude a montré que toutes les stratégies proposées ont réussi à réduire efficacement le déplacement résiduel dans les murs de cisaillement. Notamment, l'utilisation de trois couches de PRFCS sur les extrémités des murs et l'enveloppement des zones de rotules plastiques ont eu un impact significatif sur l'amélioration de la performance des murs. De plus, l'enveloppement des poutres de couplage et l'augmentation de leur résistance en flexion dans les murs couplés ont réduit efficacement le déplacement résiduel. De plus, les résultats ont mis en évidence que l'intégration de PRFCS dans les MCC était plus efficace que dans les MCI. De plus, il a été observé que, à mesure que la hauteur du mur augmentait, l'efficacité de la méthode proposée pour réduire le déplacement diminuait. Fait intéressant, les MCI à Montréal ont montré une performance presque élastique et n'ont pas nécessité de renforcement. En revanche, les murs de cisaillement affectés par les importants tremblements de terre de Cascadia ont présenté les déplacements résiduels les plus élevés post-séisme.

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 171-202).
Mots-clés libres:	déplacement résiduel, mur de cisaillement couplé, mur de cisaillement simple, composite PRF, lié extérieurement, performance sismique, analyse non linéaire temporelle
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chaallal, Omar
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	03 mars 2025 14:46
Dernière modification:	03 mars 2025 14:46
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3544

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