Rehabilitation of RC residential houses on gravity columns over slope terrain

Abstract

It is well known that Puerto Rico is exposed to the risk of experiencing strong earthquakes, since it is located in an earthquake prone region. It is a fact that in Puerto Rico there are many houses that are built over hilly terrain, and combined with poor construction practice, these types of houses are at a high seismic risk. Residences built over slope terrain are different from those in plains, i.e., they are very irregular and unsymmetrical in both horizontal and vertical structural planes. Due to site conditions, residences on hill slope are characterized by unequal column heights within a story, which results in variation in stiffness of columns of the same story. Furthermore, typically these residences have a retaining wall constructed on one side of the residence to support the slopes of earth masses on the higher side of the slope (uphill). These walls are often constructed of masonry block walls or reinforced concrete. The presence of this retaining wall induces an unsymmetrical distribution of mass and rigidity in the residences, since the wall is located only at one side of the house. Because of the imminent risk of being affected by a strong earthquake, it is important to study the behavior and performance of these structures. Although these structures have been studied in the past, it is important to consider the particular feature of the differences in column elevations, torsional effects and propose rehabilitation techniques for the hilly terrain conditions. These structures need a rehabilitation system that fit the needs of the owners and meet the construction practice in the Island. The analytical models proposed are three-dimensional idealized models, based on the characteristic of these types of residences from a field survey. The objectives of this research are to determine the collapse mechanism of the three-dimensional models using a static nonlinear pushover analysis and nonlinear time history analysis and propose rehabilitation strategies for improving seismic the behavior of these structures. The global performance of the models was established based on the performance point obtained through the Capacity Spectrum Method (ATC 40). At the performance point global and local behavior of the frame elements were evaluated based on their damage limit state. The plastic hinge pattern of the models was studied to determine the collapse mechanism of these residences. After performing the analysis, the results showed that these residences cannot withstand the seismic demand imposed by the Uniform Building Code 1997 for Seismic Zone 3 and Soil Type Sd. The RC shear wall rehabilitation strategy was proven to be effective in increasing the capacity of the models.

Es de conocimiento general que Puerto Rico está expuesto a sufrir un terremoto de gran intensidad, ya que está localizado en una zona de alta peligrosidad sísmica. Es un hecho que en Puerto Rico hay muchas residencias que se construyen sobre terreno inclinado y, combinado con la pobre práctica de la construcción, este tipo de casas se encuentran en alto riesgo sísmico. Residencias construidas sobre terreno inclinado son diferentes a las que se encuentran en terreno plano. Estas residencias son irregulares y asimétricas tanto en el plano horizontal como en el vertical. Debido a las condiciones del terreno estas residencias se caracterizan por tener columnas de diferente altura en un mismo nivel, lo cual produce cambios en rigidez entre las columnas. Además, por lo general estas residencias tienen un muro de contención construido en un solo lado de la residencia para contener las masas de tierra en la pendiente. Estos muros se construyen a menudo con paredes de bloques de mampostería u hormigón armado. La presencia de estos muros de contención induce una distribución asimétrica en la masa pero principalmente en la rigidez de la planta de las residencias, ya que la pared se encuentra en un solo lado de la casa. Debido al riesgo inminente de ser afectado por un fuerte terremoto, es importante estudiar el comportamiento y el desempeño de estas residencias. Aunque estas estructuras se han estudiado en el pasado, es importante considerar la característica particular de las diferencias en las elevaciones de columna, efectos de torsión y proponer técnicas de rehabilitación adecuadas para las condiciones del terreno inclinado. Estas estructuras necesitan un sistema de rehabilitación que se ajuste a las necesidades de los propietarios y a la práctica de la construcción en la Isla. Basado en las características de este tipo de residencias mediante un estudio de campo, se propusieron varios modelos tridimensionales idealizados para ser estudiados. Los objetivos principales de esta investigación son determinar el mecanismo de colapso de los modelos propuestos utilizando un análisis no lineal estático (pushover) y no lineal dinámico, y desarrollar una estrategia de rehabilitación para mejorar el comportamiento sísmico de las mismas. El desempeño global de los modelos se estableció basado en el punto obtenido a través del Método del Espectro de Capacidad (ATC 40). Este método utiliza la curva de capacidad de la estructura (curva pushover) y una reducción del espectro de respuesta para evaluar el desempeño de una estructura. En el punto de intersección se evaluó el comportamiento global y local de los elementos en función de su estado límite de daño. Se estudió el patrón de formación de articulaciones plásticas de los modelos para determinar el mecanismo de colapso. Después de haber realizado los análisis los resultados mostraron que estas residencias no pueden resistir la demanda sísmica impuesta por el Código UBC-1997, para la Zona Sísmica 3 y un tipo de suelo Sd. La estrategia de rehabilitación de muros de corte demostró ser eficaz en el aumento de la capacidad de los modelos.