Non-planar reinforced concrete walls: review of literature and finite element modeling with OpenSees

In recent engineering practice, non-planar walls have become dominant as structural elements. However, they are commonly used, there exists a limited number of comprehensive research and experimental tests clarifying the inelastic behavior of non-planar walls subjected to different seismic loading directions. This thesis focuses on enhancing the modeling techniques and the design for non-planar walls by creating and validating a numerical model through finite element analysis with OpenSees. A 3-D analytical model of the non-planar wall was developed in OpenSees using MVLEM3-D element. Then the model is validated by the experimental results of the test units that were tested under a certain loading protocol which was multidirectional one. The model successfully captured the global response “load-deformation” and local response “strains”. By comparing the experimental and numerical model results, it was determined that the model with MVLEM3-D element was able to capture the cyclic load-displacement behavior of the non-planar wall when loaded in the direction of the principal axes with good accuracy. However, when loaded in the diagonal direction, the model overestimated the strength of the wall by approximately 50%. This is attributed to the plane section hypotheses maintained in the MVLEM 3-D element formulation that was insufficient to capture all the observed complex failure mechanisms that led to loss of the load carrying capacity and the strain distributions across the wall due to the shear lag effect.

Nella recente pratica ingegneristica, le pareti non piane sono diventate predominanti come elementi strutturali. Tuttavia, sebbene vengano comunemente impiegate, esiste un numero limitato di ricerche esaustive e test sperimentali che chiariscano il comportamento inelastico delle pareti non piane sottoposte a diverse direzioni di carico sismico. Questa tesi si concentra sul miglioramento delle tecniche di modellazione e progettazione per le pareti non piane mediante la creazione e la validazione di un modello numerico mediante analisi agli elementi finiti con OpenSees. Un modello analitico tridimensionale della parete non piana è stato sviluppato in OpenSees utilizzando l'elemento MVLEM3-D. Successivamente, il modello è stato validato attraverso i risultati sperimentali delle unità di prova testate secondo un determinato protocollo di carico multidirezionale. Il modello ha efficacemente catturato la risposta globale "carico-deformazione" e la risposta locale in termini di deformazioni. Confrontando i risultati del modello sperimentale e numerico, è emerso che il modelo è stato in grado di riprodurre con precisione il comportamento ciclico carico-spostamento della parete non piana quando caricata nella direzione degli assi principali. Tuttavia, quando caricato nella direzione diagonale, il modello ha sovrastimato la resistenza della parete di circa il 50%. Questo è attribuito alle ipotesi di sezione piana mantenute nella formulazione dell'elemento MVLEM 3-D, che si sono rivelate insufficienti per catturare tutti i complessi meccanismi di rottura osservati 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.