Evaluation of RC wall and frame systems under beyond design accelerations including aging effects

Abstract

Nuclear power plants and other civil structures in the world have recently experienced strong ground motions exceeding the original design values. The evaluation of the capacity of structural systems in a nuclear power plant and other civil structures under beyond design accelerations is important to address the level of seismic damage that they can safely manage. This thesis evaluates the impact of beyond design earthquake accelerations in the response of typical RC buildings with and without considering aging effects of the reinforcing steel. Typical RC buildings are composed of frames and walls that are designed to resist the lateral loads during a seismic event. Nonlinear dynamic analyses of RC dual wall-frame systems are performed under the effects of beyond design seismic accelerations using OpenSees. Walls are modeled using the cyclic shear-flexure interaction model and the reinforced concrete elements in the frame are modeled using the beam with hinges element and constitutive relationships for concrete and reinforcing steel available in OpenSees. Dynamic analyses of the RC wall- frame dual system with and without aging effects are performed under different earthquake scenarios. Displacement capacities, shear strengths, displacement limit states are evaluated for different earthquake magnitudes. I was found that the stiffness of the structure degrades more significantly as the design condition is exceeded. The initial stiffness of the system has the most pronounced change as the moment magnitude increases. Moreover, the degradation in peak shear capacity follows a constant pattern and do not precisely depends on the exceedance of the design condition. Finally, the model including the reduction in steel due to aging presents higher deformations, less stiffness and more nonlinearity, affecting more the shear strengths at limits states.

Las plantas nucleares y otras estructuras civiles en el mundo han experimentado aceleraciones sísmicas excediendo los valores de diseño originales. La evaluación de la capacidad de los componentes estructurales en los edificios que componen una planta nuclear u otras estructuras bajo aceleraciones que exceden la de diseño es importante para poder tener un panorama completo del nivel de daño que estas pueden manejar seguramente después del rango lineal. Esta tesis evalúa el impacto de las aceleraciones que exceden la de diseño en la respuesta de edificios típicos de hormigón reforzado con y sin considerar los efectos de deterioro en el acero de refuerzo. Edificios típicos de hormigón reforzado están compuestos de pórticos y paredes que son diseñadas para resistir las cargas laterales durante un evento sísmico. Análisis dinámicos non-lineares de sistemas pórtico-pared de hormigón reforzado se realizan usando OpenSees. Las paredes se modelan usando un modelo que acopla la interacción entre cortante y flexión y los elementos del pórtico son modelados usando un elemento en el cual se agrupa la plasticidad en los extremos de este. Relaciones constitutivas para el hormigón y acero se utilizan para modelar de las disponibles en OpenSees. Los análisis dinámicos del sistema dual de pared- pórtico de hormigón reforzado con y sin considerar los efectos de deterioro del acero se realizan bajo distintos escenarios de sismos. Se encontró que la rigidez de la estructura se degrada más significativamente cuando la condición de diseño ha sido excedida. La rigidez inicial presenta un cambio más pronunciado según la magnitud de momento del sismo aumenta. Además, la degradación en la capacidad a cortante pico sigue un patrón constante y no depende precisamente de cuando se excede la condición de diseño. Finalmente, el modelo incluyendo la reducción en acero debido al deterioro presenta mayores deformaciones, una rigidez menor y mayor no-linealidad, afectando más los cortantes en un límite de daño en particular.