Experimental campaign on thin RC columns prone to out-of-plane instability: numerical simulation using shell element models

Rosso, Angelica Jiménez-Roa, L.A. Saraiva Esteves Pacheco De Almeida, João [UCL] Beyer, Katrin

(fre) Construction of multi-storey reinforced concrete (RC) wall buildings in areas of moderate to high seismicity has become a common practice in several Latin-American countries such as Colombia, Peru, Ecuador and Mexico. The large material cost has led to the common practice of designing walls with only one layer of reinforcement and very low thickness. The earthquakes in Chile (2010) and New Zealand (2011) have shown that such design approach can induce out-of-plane failure of the walls under seismic action. In order to study the influence of different parameters on the out-of-plane response of thin members, an experimental campaign on RC columns was recently carried out at École Polytechnique Fédérale de Lausanne. These columns, axially loaded in cyclic tensioncompression, represent the boundary element regions of RC walls, which correspond to the parts of the wall mainly involved in the instability mechanism. This paper illustrates the application of a shell model with truss elements to simulate the response of the tested specimens. The accuracy of the numerical model is assessed by comparison against the experimental results. It is shown that good estimates of the critical tensile strain that leads to out-of-plane instability as well as the out-of-plane displacement in cycles prior to failure are obtained. The failure mode is adequately simulated and also local behaviour is consistently reproduced. Therefore, the application of similar models to assess the vulnerability of thin RC walls to out-of-plane instability appears to be a relatively simple and robust numerical tool for engineering practice.

(por) La construcción de edificaciones de muros de concreto reforzado (CR) de varios niveles en áreas de moderada a alta sismicidad, se ha convertido en una práctica frecuente en varios países Latinoamericanos como Colombia, Perú, Ecuador y México. Debido a los elevados costos en los materiales, se ha generado una práctica común de diseñar muros con una sola capa de reforzamiento y espesores muy bajos. Los terremotos ocurridos en Chile (2010) y Nueva Zelanda (2011) han demostrado que tal enfoque de diseño puede inducir una falla por fuera del plano del muro bajo la acción de cargas sísmicas. Con el fin de estudiar la influencia de diferentes parámetros en la respuesta por fuera del plano de miembros delgados, una campaña experimental sobre columnas de CR fue llevada a cabo recientemente en la École Polytechnique Fédérale de Lausanne. Estas columnas cargadas axialmente con ciclos de tensión-compresión, representan las regiones de elementos de borde de muros de CR, que corresponden a las partes del muro que están principalmente implicadas en el mecanismo de inestabilidad. Éste artículo ilustra la aplicación de un modelo empleando elementos tipo cáscara y elementos tipo cercha para simular la respuesta de los especímenes ensayados. La precisión del modelo numérico se evalúa haciendo una comparación con los resultados experimentales. Se observa que se puede obtener una buena estimación de la carga crítica a tracción que genera la inestabilidad por fuera del plano, así como la estimación aproximada del desplazamiento máximo por fuera del plano alcanzado en los ciclos previos a la falla. El mecanismo de falla se simula adecuadamente, además se logra la reproducción consistente de resultados locales. Por lo tanto, la aplicación de modelos similares para evaluar la vulnerabilidad de muros delgados de CR en la inestabilidad por fuera del plano, aparenta ser una herramienta numérica relativamente simple y robusta para la práctica en ingeniería.