Non-planar reinforced concrete walls: finite element modeling with OpenSees and comparison between different code approaches

Nowadays, non-planar walls are commonly used as structural elements in engineering practice; however, limited research and experimental tests describe the inelastic behavior of the non-planar walls under bi-directional seismic loading. This report focuses on improving the design and modeling process of non-planar walls by developing and validating numerical models with finite element analysis using OpenSees. Then it contributes to the formulation of general design guidelines specially for nonplanar walls that will enhance the field’s knowledge and give more effective design guidelines. A 3-D analytical model of the non-planar wall was developed in OpenSees using the MVLEM3-D element. The model is then validated by the experimental results of the test units that were tested under a certain loading protocol which was multidirectional one. The FE model was able to capture the global response in terms of load-deformation and local response in terms of strains. Comparison of the experimental and numerical results showed that MVLEM3-D was able to capture the cyclic load-displacement behavior of the non-planar wall loaded along its principal axes with good accuracy. While loading in the diagonal direction gave an overestimation of the strength of the wall by an average 50%. The reason behind this is the plane section hypotheses maintained in the MVLEM 3-D element formulation that was unable to capture all the details of failure mechanisms and the strain distributions across the wall due to the shear lag effect. The second part of the report refers to the design guidelines of the non-planar walls according to different code provisions and how the behavior of the wall is affected directly by the ductility which is reflected in the reinforcement detailing. The flexural capacity of the wall based on EC8 and ACI318-19 agrees with the experimental capacity. While for the shear capacities, the EC8 is underestimating the tension shear strength by considering only the contribution of the shear reinforcement. The use of UCSD the shear model gave a good estimate for the tension shear resistance with a precise contribution of concrete, shear reinforcement and the axial load.

Attualmente, le pareti non piane sono comunemente impiegate come elementi strutturali nella pratica ingegneristica; tuttavia, la ricerca è limitata e i test sperimentali che descrivono il comportamento inelastico delle pareti non piane sotto carico sismico bidirezionale sono pochi. Questo tesi rapporto si concentra sul miglioramento dei processi di progettazione e modellazione delle pareti non piane attraverso lo sviluppo e la validazione di un modello numerico con analisi agli elementi finiti utilizzando OpenSees. Contribuisce quindi alla formulazione di linee guida generali di progettazione, in particolare per le pareti non piane, al fine di arricchire le conoscenze del settore e fornire linee guida di progettazione più efficaci. Un modello analitico tridimensionale di una parete non piana è stato sviluppato in OpenSees utilizzando l'elemento MVLEM3-D. Successivamente, il modello è stato convalidato mediante risultati sperimentali ottenuti secondo un certo protocollo di carico multidirezionale. Il modello è stato in grado di catturare la risposta globale in termini di carico-deformazione e la risposta locale in termini di deformazioni. Confrontando i risultati del modello sperimentale e numerico, è emerso che l' elemento MVLEM3-D è stato in grado di catturare il comportamento ciclico carico-spostamento della parete non piana caricata lungo assi principali con buona precisione. Tuttavia, durante il carico nella direzione diagonale, il modello ha sovrastimato la resistenza della parete in media del 50%. La ragione di ciò risiede nelle ipotesi di sezione piana mantenute nella formulazione dell'elemento MVLEM 3-D, che si sono rivelate incapaci di catturare tutti i meccanismi di rottura che hanno portato alla perdita della capacità portante del carico e alla distribuzione delle deformazioni lungo la parete a causa dell'effetto di ritardo al taglio. La seconda parte della tesi tratta le linee guida di progettazione delle pareti non piane in base a diverse disposizioni normative e come il comportamento della parete è influenzato direttamente dalla duttilità, rappresentata nei dettagli delle armature. La capacità flessionale della parete basata su EC8 e ACI318-19 concorda con la capacità sperimentale. Per le capacità di taglio, l'EC8 sottostima la resistenza a trazione per taglio considerando solo il contributo dell'armatura al taglio. L'uso del modello di taglio della UCSD ha fornito una buona stima per la resistenza a trazione per taglio con un contributo preciso di calcestruzzo, armatura al taglio e carico assiale.