Experimental and numerical investigations of higher mode effects on seismic response of reinforced concrete shear walls

Des analyses numériques réalisées par des chercheurs précédents ont montré que les tremblements de terre anticipés dans l'Est de l'Amérique du Nord, en raison de leur riche contenu en mouvements à hautes fréquences, pouvaient solliciter fortement les modes supérieurs de vibration des refends élancés en béton armé utilisés pour résister aux charges latérales dans les bâtiments. La contribution des modes supérieurs peut conduire à la formation de rotules plastiques dans la partie supérieure des murs, en plus de la rotule plastique qui est prévue à la base des murs lors de la conception des murs selon les normes et codes actuels. Les modes supérieurs peuvent également conduire à une amplification substantielle des efforts de cisaillement dynamiques à la base des refends, en excès du niveau de résistance exigé par les codes de conception. Pour étudier ces effets des modes supérieurs prédits par des simulations numériques pour les tremblements de terre de l'Est en Amérique du Nord, il était nécessaire de procéder à des essais en laboratoire sur des murs en béton armé soumis à de tels mouvements sismiques. Dans cette thèse, on présente et discute les deux programmes d'essais, ainsi que les études numériques complétées en parallèle, qui ont été réalisés sur les murs de refend en béton armé : essais statiques et essais dynamiques sur simulateur sismique. La première série d'essais consistait en des essais monotones et cycliques sur des refends ductiles en béton armé conçus et détaillés conformément aux dispositions sismiques du CNBC 2005 et de la norme CSA-A23.3-04. Les tests ont été effectués à pleine échelle et à sur des modèles à échelle réduite 1:2.37 pour valider les règles de conception parasismique et les lois de similitude utilisées pour la réalisation d'essais à échelle réduite. Les essais sur spécimens à échelle réduite étaient essentiels car les essais dynamiques du second programme expérimental devaient être réalisés sur des modèles à échelle réduite. Dans ces essais, on a observé un comportement ductile en flexion sous les chargements monotoniques et cycliques, jusqu'à une ductilité en déplacement de 4.0, comme prévu par les codes. A ce niveau de déformation, les déformations inélastiques de cisaillement dans la rotule plastique correspondaient à environ 20% de la déformation totale.

Abstract

Past numerical simulations performed by previous researchers have shown that higher mode response can be significant for high-rise reinforced concrete shear walls used in building structures to resist lateral loads, when subjected to ground motions rich in high frequency that are expected in earthquakes occurring in Eastern North America. Higher mode response can lead to the development of plastic hinges in the upper portion of walls, in addition to the base plastic hinge assumed in design according to current codes and design standards. Higher mode effects can also result in significant dynamic shear amplification at the base of walls, in excess of the shear resistance prescribed in current code documents. Experimental testing was needed on reinforced concrete walls under Eastern North America earthquake motions to validate these higher mode effects predicted by numerical simulations. This thesis presents two experimental programs together with companion numerical studies that were carried out on reinforced concrete shear walls: static tests and dynamic (shake table) tests. The first series of experiments were monotonic and cyclic quasi-static testing on ductile reinforced concrete shear wall specimens designed and detailed according to the seismic provisions of NBCC 2005 and CSA-A23.3-04 standard. The tests were carried out on full-scale and 1:2.37 reduced scale wall specimens to evaluate the seismic design provisions and similitude law and determine the appropriate scaling factor that could be applied for further studies such as dynamic tests. Ductile flexural response was observed under cyclic loading up to a displacement ductility of 4.0. At this deformation level, inelastic shear deformations in the plastic hinge contributed to approximately 20% of the total lateral deformation. In the subsequent cycles,strength degradation took place due to shear sliding developing along the large flexural cracks at the wall base. Comparisons of the test results between prototype and reduced scale walls showed excellent agreement, which proved that using of scaling factor around 2.3 for the model wall could adequately predict the inelastic responses of prototype reinforced concrete shear walls.