Lateral load behavior of core rocking wall and coupled rocking wall systems

Abstract

Reinforced concrete walls have been widely used as mean to resist lateral loads in structural engineering. These walls are not only used to resist the severe lateral loads, but also to carry vertical load in the best way possible. Reinforced concrete walls having high in plan stiffness, are the best elements in terms of limiting the lateral deflection of the structures. Mostly, these walls are used for the high-rise buildings and the buildings in which the lateral load governs the design of the building. In addition, for low-rise buildings built in moderate to high seismicity levels areas, application of these walls is recommended. Considering the ductile design philosophy, reinforced concrete walls form flexural plastic hinge at the wall base. Cracking and crashing of concrete and yielding of reinforcements in these plastic hinge regions may not be reparable in the case of being exposed to large earthquakes. Hence, for the last few decades, researchers have been focused on development of new structural systems that experience no or small damage after being exposed to severe events like earthquake. One of most outstanding achievements is the introduction of self-centering wall systems having different energy dissipation mechanisms. A wide variety of rocking wall systems, such as hybrid walls, jointed walls, precast wall with end columns, and precast wall with columns core wall system, have been developed. All these systems showed excellent behavior in terms of lateral load resisting property, lateral deflection, and energy dissipation. Previously introduced rocking wall systems have large lateral drifts in which in some cases it is very hard for the tendons to center the wall back to its original location. Hence, we thought of introducing new types of rocking wall systems that should be stiffer and have higher lateral load resisting capacity. Therefore, we wanted to introduce two new types of rocking wall systems namely coupled rocking wall system, and core rocking wall system. In coupled rocking wall systems, two single hybrid rocking walls are coupled using embedded reinforced concrete walls. In core rocking wall systems, four single rocking wall systems are merged together to form a core. To have a better way of comparison between different systems, the reinforcements and dimensions of single rocking walls are unchanged. In this study, the lateral load performance of different rocking wall systems is studied by performing displacement-based pushover analysis. ATENA (Advanced Tool for Engineering Nonlinear Analysis) finite element software is used to three-dimensional finite element model of the rocking wall systems. This finite element software is generally used to model the concrete and reinforced concrete structures. The reinforcement layout of conventional shear walls is in a manner that they are continuous from foundation to the wall panel. However, in rocking wall systems, only the energy dissipating bars are continuous to the wall panel. Tendons are also continuous to the wall panel. However, in order to avoid stress concentration and rapture of tendons, they are unbonded throughout the wall height. In any level drifts, the tendons should be designed in such a way that remain elastic to provide self-centering force for the wall system. However, the energy dissipating rebar should yield and dissipate energy while the wall undergoes large drifts. While designing these walls, it is very important check the strains in energy dissipating bars and tendons. In the design of coupled rocking wall systems with end walls and core rocking wall system, considering the drift of end walls paly vital rule in drift demand calculations. The nonlinear behavior of the rocking wall systems stems from the gap opening at the base joint. Researchers have modeled the gap-opening in a wide variety of ways. In this study, a thin layer of 1 cm material having no tensile strength but have the same compressive strength as that of concrete used in wall panel is used to model the gap opening. In this way, while rocking, the forces coming from the wall due to vertical loads and lateral loads are safely transferred to foundation. Furthermore, since the thin layer material has zero tensile strength, the gap is opening at the base joint. The stress distribution, crack propagation and critical sections of these walls are monitored. The impacts of concrete cover spalling in the toe region on the lateral load capacity of the wall are investigated. One unique aspect of this study is studying the effect of concrete cracks on the lateral load resisting capacity of the wall. This is performed by developing two different models of each system, one of which consider the impacts of concrete cracks in the performance of wall under lateral load, and the other one is ignoring these effects. While comparing the single rocking walls to that of coupled rocking walls of having the same span, it is found that the single rocking wall showed higher initial stiffness. However, the latera load resisting capacity and drift limits of coupled rocking walls are much larger than those of single rocking walls. These stem from the formation of plastic hinges and energy dissipation at the ends of coupling beams. Coupled rocking wall system with end columns showed 30 % higher lateral load resisting capacity than coupled rocking wall system. This increment in lateral load bearing capacity results from the out of plan resisting strength of end walls. Coupled rocking wall system with end walls consists two coupled rocking wall systems. Hence, this fact is taken into consideration while comparing these two systems. Core rocking wall system showed larger initial stiffness and strength than all other rocking systems. Therefore, this rocking system remains elastic till very large lateral loads. However, the drift levels and energy dissipation of core rocking wall system is much smaller than that of coupled rocking wall system with end walls. To conclude, the coupled rocking wall system with end walls is recommended for high-rise buildings and buildings located at moderate to high seismicity level. In addition, for the buildings required small lateral drifts, the core rocking wall system is more suitable.

Betonarme duvarlar, yapı mühendisliğinde yatay yükleri karşılamak için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu duvarlar yalnız güçlü yatay yükleri karşılamak için değil, aynı zamanda düşey yükleri mümkün olan en iyi şekilde taşımak için de kullanılır. Betonarme duvarların düzlem içi rijitliği yüksek olup, yapıların yatay deplasmanını sınırlamak için en iyi elemanlardır. Çoğunlukla, bu duvarlar yüksek ve tasarımda esas alınan yükün yatay yük olduğu binalar için kullanılır. Buna ek olarak, sismik aktivitesi orta ve yüksek düzeyde olan bölgelerde inşa edilen alçak binalar için bu duvarların uygulanması tavsiye edilir. Sünek tasarım felsefesi göz önüne alındığında, betonarme duvarların tabanında plastik mafsal oluşması istenir. Büyük depremler altında bu duvarların plastik mafsal bölgelerinde çeliğin akması ve betonda çatlak ve kırılmaların oluşması bazen onarılmayacak düzeydedir. Tüm bunlar göz önüne alındığında, geçmiş yıllarda araştırmacılar deprem gibi yüksek yüklere maruz kalabilecek yapıların hiç veya çok az hasar alacak şekilde yeni yapısal sistemlerin geliştirilmesine odaklanmıştır. Elde edilen sonuçların en önemlilerinden biri, farklı enerji sönümleme mekanizmalarına sahip olan kendinden merkezlenen duvar (Self-centering wall) sistemlerinin tanıtılmasıdır. Hibrit duvar (Hybrid wall), birleşik duvar (jointed wall), uç kolonlu prekast duvar (Precast wall with end columns) ve uç kolonlu prekast çekirdek duvar (Precast wall with end columns core rocking wall) gibi çok çeşitli duvar sistemleri geliştirilmiştir. Tüm bu sistemler; yatay yükü karşılama, yatay deplasman ve enerji sönümlemesi açısından mükemmel davranışlar göstermiştir. Mevcut salınım yapan duvar (Rocking wall) sistemlerindeki tendonlar, bazı durumlarda büyük yatay yüklemeler sonucundaki yer değiştirmelerde duvarı başlangıç konumuna geri getirmede zorlanmaktadır. Bu nedenle, daha rijit ve daha yüksek yatay yüke dayanıklılık kapasitesine sahip yeni tip salınım yapan duvar sistemleri geliştirilmesi bu çalışma kapsamında düşünülmüştür. Dolayısıyla, iki yeni salınım yapan duvar sistemi türünü tanıtmak istedik: boşluklu perde salınım yapan duvar sistemi (Coupled rocking wall systems) ve çekirdek salınım yapan duvar sistemi (Core rocking wall system). Boşluklu perde salınım yapan duvar sistemlerinde, iki ayrı hibrit salınım yapan duvar, betonarme bağ kiriş (Embedded reinforced concrete beam) kullanılarak birleştirilir. Çekirdek salınım yapan duvar sistemlerinde, dört ayrı salınım yapan duvar sistemi bir çekirdek oluşturmak üzere birleştirilir. Farklı sistemler arasında daha iyi bir karşılaştırma yapabilmek için, salınım yapan duvarlar sistemlerde kullanılan her bir duvarın donatıları ve boyutları değiştirilmemiştir. Bu çalışmada, farklı salınım yapan duvar sistemlerinin yatay yük performansı yer değiştirme esaslı itme analizi yapılarak incelenmiştir. ATENA (Advanced Tool for Engineering Nonlinear Analysis) sonlu elemanlar programı, salınım yapan duvar sistemlerinin üç boyutlu sonlu eleman modeli için kullanılmaktadır. Bu sonlu elemanlar yazılımı genellikle beton ve betonarme yapıları modellemek için kullanılır. Geleneksel perde duvarların donatı düzeni temelden duvar paneline kadar sürekli olacaktır. Ancak, salınım yapan duvar sistemlerinde, sadece enerji sönümleyici donatılar duvar paneline kadar süreklidir. Tendonlar da duvar paneline kadar sürekli olmasına rağmen stres konsantrasyonunu ve tendonların kopmasını önlemek için, duvar yüksekliği boyunca aderans sağlanmamıştır. Herhangi bir sapma seviyesinde, duvar sistemindeki tendonlar kendinden merkezlenen kuvveti (Self-centering force) sağlayabilmek için elastik kalacak şekilde tasarlanmalıdır. Bununla birlikte, yüksek sapmalar altında enerji sönümleyici donatı (Energy dissipating reinforcement) akmalı ve enerjiyi sönümlemelidir. Bu duvarların tasarımında, enerji sönümleyen donatılardaki ve tendonlardaki şekil değiştirmelerin kontrol edilmesi çok önemlidir. Uç duvarlı boşluklu perde ve çekirdek salınım yapan duvar sistemlerinin tasarımında, sapma seviyelerin kontrolü için uç duvarların sapması dikkate alınmalıdır. Bundan dolayı uç duvarların sapma talebinin düzeyi hayati bir önem taşır. Tasarım kodlarında, tasarım kapsamındaki deplasman sınırları ve maksimum yükler doğrusal-elastik etkili rijitlik modellerine dayanan formüller kullanılarak elde edilir. Bu doğrusal elastik etkili rijitlik modellerinin esası salınım yapan duvar sistemlerinin doğrusal olmayan davranışını, tabanda meydana gelen boşluk açıklığını dikkate alarak ortaya koyar. Ancak bu çalışma, salınım yapan duvar sisteminin gerçek davranışını izlemekte ve beton çatlaklarının etkilerini hesaba katmaktadır. Beton çatlaklarının bu duvar sistemlerinin performansına etkisinin dikkate alınmasının ne kadar önemli olduğu araştırılmaktadır. Salınım yapan duvar sistemlerinin doğrusal olmayan davranışı, yüklemeler sonucu taban noktasında oluşan boşluktan kaynaklanmaktadır. Araştırmacılar boşluk açılımını çok çeşitli şekillerde modellemişlerdir. Bu çalışmada, boşluk açıklığını modellemek için çekme gerilmesine sahip olmayan ancak duvar panelinde kullanılan betonla aynı basınç gerilmesine sahip 1 cm'lik ince bir tabaka kullanılmıştır. Bu şekilde sallanırken, düşey yükler ve yatay yükler nedeniyle duvardan gelen kuvvetler güvenli bir şekilde temele aktarılır. Ayrıca, ince tabaka malzemesi sıfır çekme gerilmesine sahip olduğundan, taban noktasında boşluk açılmaktadır. Salınım yapan duvarların gerilme dağılımı, çatlak ilerlemesi ve kritik bölümleri izlenir. Salınım yapan duvar sistemlerinin taban uç bölgesindeki beton örtüsünün duvarın yatay yük kapasitesi üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bu çalışmanın benzersiz bir yönü, beton çatlaklarının duvarın yatay yüke dayanıklılık kapasitesi üzerindeki etkisini incelemektir. Bu amaçla her bir sistem için, biri yatay yük altında duvarın performansındaki beton çatlaklarının etkilerini göz önünde bulunduran ve diğeri bu etkileri göz ardı eden iki farklı model geliştirerek gerçekleştirilir. Tek salınım yapan duvar, aynı açıklığa sahip boşluklu perde salınım yapan duvarlarla karşılaştırılırken, tek salınım yapan duvarın daha yüksek başlangıç rijitliği gösterdiği bulunmuştur. Bununla birlikte, boşluklu perde salınım yapan duvarların yatay yük kapasitesi ve sapma sınırları, tek salınım yapan duvarlardan çok daha büyüktür. Bunlar, plastik mafsalların oluşumundan ve bağ kirişlerinin uçlarındaki enerji sönümlemesinden kaynaklanır. Uç duvarlı boşluklu perde salınım yapan duvar sistemi, boşluklu perde salınım yapan duvar sistemine göre % 30 daha fazla yatay yük taşıma kapasitesi göstermiştir. Yatay yük taşıma kapasitesindeki bu artış, uç duvarların düzlem dışı taşıma gücünden kaynaklanmaktadır. Uç duvarlı boşluklu perde salınım yapan duvar sistemi, iki boşluklu perde salınım yapan duvar sisteminden oluşur. Bu nedenle, bu iki sistem karşılaştırılırken bu gerçek dikkate alınmaktadır. Çekirdek salınım yapan duvar sistemi, diğer tüm salınım yapan sistemlerden daha büyük başlangıç rijitliği ve dayanımı gösterdi. Bu nedenle, bu salınım yapan sistem çok büyük yatay yüklere kadar elastik kalır. Bununla birlikte, çekirdek salınım yapan duvar sisteminin sapma düzeyleri ve enerji sönümlemesi, uç duvarlı boşluklu perde salınım yapan duvar sistemininkinden çok daha küçüktür. Sonuç olarak, yüksek katlı ve sismik aktivitesi orta ila yüksek düzeydeki bölgelerde bulunan binalar için uç duvarlı boşluklu salınım yapan duvar sistemi önerilir. Buna ek olarak, küçük yatay deplasman beklenen binalar için, çekirdek salınım yapan duvar sistemi daha uygundur. Sonuç olarak, salınım yapan duvar sistemleri ile ilgili önemli sayıda araştırma olmasına rağmen, bu araştırma boşluklu betonarme salınım yapan duvar sistemi ve çekirdek salınım yapan duvar sistemi konusunda yapılan ilk araştırmadır. İki salınım yapan duvar sistemini birleştiren çapraz donatılı betonarme kirişlerin performansı ile ilgili konularda daha fazla sayısal simülasyon ve deneysel çalışmalar önerilmektedir. Bu sistemlerin çevrimsel yükler altındaki davranışının da araştırılması gerekmektedir. Ayrıca, boşluklu salınım yapan duvar sistemlerinin performansının enerjiyi sönümleyen donatılar olmadan araştırılması önerilir. Sistemin enerji sönümleme özelliği, bağ kirişlerinin ve duvarın eğilme davranışına odaklanmalıdır. Bu şekilde tabana yakın duvar panelindeki çatlak seviyesi azaltılacaktır.