Numerical modeling of non-planar rc walls under seismic loading: addressing the plane section assumption with MVLEM-3D and SFI-MVLEM-3D

Non-planar structural walls are commonly used in real buildings, especially around stairwells and elevator shafts, where their three-dimensional configuration can significantly affect seismic response. Despite their relevance, experimental data and detailed modeling guidelines for such systems remain limited. A previous study (Nayera & Shady, 2023) investigated three non-planar walls (TUA, TUB, and TUC) using the MVLEM-3D (Multi-Vertical Line Element Model – 3D), assuming the plane section hypothesis. While the numerical results showed reasonable agreement with experiments, they systematically overestimated base shear capacity, which was attributed to the plane section assumption and the lack of explicit modeling of warping effects. This thesis aims to overcome the plane section assumption in MVLEM-3D based models by introducing independent rotations across the wall’s flanges and web around the horizontal axes, thereby capturing cross-sectional warping. A modified numerical model is developed to replicate the response of the experimental specimens, with particular attention to the failure mode of wall TUB, which exhibited web crushing along a diagonal compression strut. The study shows that the overestimation in previous models may not be solely due to warping, but rather due to the lack of shear-flexural interaction in the standard MVLEM formulation. To address this, the SFI-MVLEM-3D element was implemented, incorporating shear flexural interaction through the Fixed-Strut-Angle Model (FSAM) and FSAM compatible materials. However, results reveal that SFI-MVLEM-3D also tends to overestimate strength, likely due to limitations in the SFI-MVLEM-3D formulation and FSAM model, which include the fixed crack orientation assumption; idealized representation of interface mechanisms such as dowel action and aggregate interlock; the use of ConcreteCM, which follows Mander’s 1994 envelope and may overpredict concrete capacity due to its sensitivity to input parameters, requiring very sensitive calibration; and the assumption of perfect bond between concrete and steel, ignoring slip effects. The findings suggest that diagonal strut failure is the main cause of mismatch between experimental and numerical results. Therefore, future modeling approaches should focus primarily on accurately capturing this failure mechanism, rather than solely addressing cross-sectional warping.

Le pareti strutturali non piane sono comunemente utilizzate negli edifici reali, soprattutto intorno ai vani scala e ai vani ascensore, dove la loro configurazione tridimensionale può influenzare significativamente la risposta sismica. Nonostante la loro rilevanza, i dati sperimentali e le linee guida dettagliate per la modellazione di questi sistemi rimangono limitati. Uno studio precedente (Nayera & Shady, 2023) ha analizzato tre pareti non piane (TUA, TUB e TUC) utilizzando il modello MVLEM-3D (Multi-Vertical Line Element Model - 3D), assumendo l'ipotesi della sezione piana. I risultati numerici hanno mostrato un ragionevole accordo con gli esperimenti, ma hanno sistematicamente sovrastimato la capacità di taglio alla base, attribuita all'ipotesi di sezione piana e alla mancanza di una modellazione esplicita degli effetti di ingobbamento delle sezioni. Questa tesi mira a superare l'ipotesi della sezione piana nei modelli basati su MVLEM 3D introducendo rotazioni indipendenti delle flange e dell'anima della parete attorno agli assi orizzontali, catturando così la deformazione per ingobbamento della sezione trasversale. È stato sviluppato un modello numerico modificato per replicare la risposta dei campioni sperimentali, con particolare attenzione alla modalità di rottura della parete TUB, che ha mostrato lo schiacciamento dell'anima lungo un puntone di compressione diagonale. Lo studio dimostra che la sovrastima dei modelli precedenti potrebbe non essere dovuta esclusivamente alle modalità di deformazione della sezione, ma piuttosto alla mancanza di interazione taglio-flessione nella formulazione MVLEM standard. Per ovviare a questo problema, il modello numerico della parete TUB è stato implementato utilizzando elementi SFI-MVLEM-3D. L'elemento SFI-MVLEM-3D incorpora l'interazione taglio-flessione attraverso il Fixed-Strut-Angle Model (FSAM) e opportuni modelli di materiale incorporati nel modello di materiale FSAM. Tuttavia, i risultati rivelano che SFI-MVLEM-3D tende a sovrastimare la resistenza, probabilmente a causa delle limitazioni della formulazione SFI-MVLEM-3D e del modello di materiale FSAM, che include l'ipotesi di orientamento fisso delle fessure; la rappresentazione idealizzata dei meccanismi di interfaccia, come l'azione dei tasselli e l'incastro degli aggregati; l'uso di ConcreteCM, che segue l'inviluppo di Mander del 1994 e può sovrastimare la capacità del calcestruzzo a causa della sua sensibilità ai parametri di input, che richiede una calibrazione molto sensibile dei parametri di materiale; l'ipotesi di un legame di aderenza perfetta tra calcestruzzo e acciaio, ignorando gli effetti dello scorrimento e della perdita di ancoraggio delle armature. I risultati suggeriscono che il cedimento del puntone diagonale è la causa principale della mancata corrispondenza tra risultati sperimentali e numerici. Pertanto, i futuri approcci di modellazione dovrebbero concentrarsi principalmente sulla riproduzione accurata di questo meccanismo di rottura, piuttosto che affrontare esclusivamente la deformazione della sezione trasversale.