Evaluation of the lateral stiffness for the seismic analysis and design of squat RC walls

Abstract

Reinforced concrete (RC) squat walls provide most of the structure lateral strength and stiffness to resist earthquakes and wind loadings in nuclear power plants and other buildings. A reduction factor is usually applied to the stiffness to compensate for the effect of cracking in linear analysis. An appropriate definition of lateral stiffness is important to properly capture cracking effects and to accurately design and evaluate the behavior of RC shear walls. The basis for the effective stiffness values or expressions and their applicability to nuclear power plant elements is not clearly presented in current seismic standards. This research studies the effective stiffness of reinforced concrete (RC) squat walls under lateral loads. RC squat walls have height to length ratios less than or equal to 2. Prediction of the seismic response and proper capturing of the effective stiffness of squat walls is a challenging task since these walls exhibit a shear dominated behavior with strong coupling between shear and flexure responses. Finite element models of several RC squat walls are developed using the commercial software Abaqus and OpenSees. The main objective of these models is to predict the lateral stiffness of RC squat walls appropriately and to identify the parameters that have main influence in the lateral stiffness of these walls. The results from analytical modeling are compared with the results of experimental tests available in the literature. Available expressions and reduction factors in current seismic standards and in the literature for the calculation of effective stiffness for RC squat walls are also evaluated. Improved predictive equations for lateral stiffness are developed by calibration against the available data. Multiple-linear regression analysis is used to develop the predictive equations. Key parameters influencing the effective stiffness are identified during the nonlinear analyses and from existing experimental data.

Los muros de concreto reforzado (CR) de baja altura proporcionan la mayor parte de la resistencia y rigidez en las estructuras para resistir las cargas sísmicas y de viento en plantas nucleares y otros edificios. Usualmente se usan factores de reducción para reducir la rigidez en los muros y compensar el efecto del agrietamiento en el análisis lineal. Una adecuada definición de rigidez lateral es importante para capturar apropiadamente los efectos de agrietamiento y para diseñar y evaluar con precisión el comportamiento de los muros de corte (CR). La base para los factores de reducción o expresiones para el cálculo de la rigidez efectiva y su aplicabilidad en muros de plantas nucleares no se presenta claramente en las normas sísmicas actuales. Esta investigación estudia la rigidez efectiva de los muros de corte de baja altura (CR) bajo cargas laterales, estos muros tienen una relación de altura a longitud menor o igual a 2. La predicción de la respuesta sísmica y la captura adecuada de la rigidez efectiva de estos muros es una tarea difícil, ya que tienen un comportamiento dominado por el cortante pero también con un fuerte acoplamiento entre las respuestas a cortante y flexión. Se desarrollaron varios modelos de muros de corte en elementos finitos utilizando el software comercial Abaqus y el software Opensees. El objetivo principal de estos modelos es el de predecir la rigidez lateral de muros de corte bajos (CR) de forma apropiada e identificar los parámetros que tienen mayor influencia en la rigidez lateral de estos muros. Los resultados de rigidez lateral de los modelos analíticos fueron comparados con resultados de pruebas experimentales disponibles en la literatura. También se evaluaron las expresiones disponibles y los factores de reducción de los estándares sísmicos actuales y en la literatura para el cálculo de la rigidez efectiva de estos muros. Se desarrollaron ecuaciones para predecir la rigidez lateral con base en datos experimentales disponibles de muros bajos (CR) y mediante el análisis de regresión lineal múltiple. Se identificaron los parámetros más importantes en la rigidez efectiva con los análisis no lineales y datos experimentales.