Numerical prediction of the lateral displacement capacity of flexural reinforced concrete shear walls

Previous earthquakes showed that shear wall damage could lead to catastrophic failures of the reinforced concrete building. The lateral load capacity of shear walls needs to be estimated to minimize associated losses during catastrophic events; hence it is necessary to develop and validate reliable and stable numerical methods able to converge to reasonable estimations with minimum computational effort. The beam-column 1-D line element with fiber-type cross-section model is a practical option that yields results in agreement with experimental data. However, shortcomings of using this model to predict the local damage response may come from the fact that the model requires fine calibration of material properties to overcome regularization and size effects. To reduce the mesh-dependency of the numerical model, a regularization method based on the concept of post-yield energy is applied in this work to both the concrete and the steel material constitutive laws to predict the nonlinear cyclic response and failure mechanism of concrete shear walls. Different categories of wall specimens known to produce a different response under in plane cyclic loading for their varied geometric and detailing characteristics are considered in this study, namely: 1) scaled wall specimens designed according to the European seismic design code and 2) unique full-scale wall specimens detailed according to the U.S. design code to develop a ductile behavior under cyclic loading. To test the boundaries of application of the proposed method, two full-scale walls with a mixed shear-flexure response and different values of applied axial load are also considered. The results of this study show that the use of regularized constitutive models considerably enhances the response predictions capabilities of the model with regards to global force-drift response and failure mode. The simulations presented in this thesis demonstrate the proposed model to be a valuable tool for researchers and engineers.

Caratterizzazione meccanica di calcestruzzi fibrorinforzati con fibre d'acciaio

L’utilizzo di materiali compositi come i calcestruzzi fibrorinforzati sta diventando sempre più frequente e diffuso. Tuttavia la scelta di nuovi materiali richiede una approfondita analisi delle loro caratteristiche e dei loro comportamenti. I vantaggi forniti dall’aggiunta di fibre d’acciaio ad un materiale fragile, quale il calcestruzzo, sono legati al miglioramento della duttilità e all'aumento di assorbimento di energia. L’aggiunta di fibre permette quindi di migliorare il comportamento strutturale del composito, dando vita ad un nuovo materiale capace di lavorare non solo a compressione ma anche in piccola parte a trazione, ma soprattutto caratterizzato da una discreta duttilità ed una buona capacità plastica. Questa tesi ha avuto come fine l’analisi delle caratteristiche di questi compositi cementizi fibrorinforzati. Partendo da prove sperimentali classiche quali prove di trazione e compressione, si è arrivati alla caratterizzazione di questi materiali avvalendosi di una campagna sperimentale basata sull’applicazione della norma UNI 11039/2003. L’obiettivo principale di questo lavoro consiste nell’analizzare e nel confrontare calcestruzzi rinforzati con fibre di due diverse lunghezze e in diversi dosaggi. Studiando questi calcestruzzi si è cercato di comprendere meglio questi materiali e trovare un riscontro pratico ai comportamenti descritti in teorie ormai diffuse e consolidate. La comparazione dei risultati dei test condotti ha permesso di mettere in luce differenze tra i materiali rinforzati con l’aggiunta di fibre corte rispetto a quelli con fibre lunghe, ma ha anche permesso di mostrare e sottolineare le analogie che caratterizzano questi materiali fibrorinforzati. Sono stati affrontati inoltre gli aspetti legati alle fasi della costituzione di questi materiali sia da un punto di vista teorico sia da un punto di vista pratico. Infine è stato sviluppato un modello analitico basato sulla definizione di specifici diagrammi tensione-deformazione; i risultati di questo modello sono quindi stati confrontati con i dati sperimentali ottenuti in laboratorio.