Date of Award

5-2024

Document Type

Thesis

Degree Name

Doctor of Philosophy in Civil Engineering

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Aman Mwafy

Second Advisor

Shahria Alam

Abstract

Despite the pressing need for risk mitigation techniques for reinforced concrete (RC) structures designed without considering seismic design provisions, limited research has focused on selecting experimentally verified retrofit measures from various alternatives, particularly considering minimizing disruption to operating real-life buildings. Against this backdrop, this study is directed toward selecting reliable and costeffective retrofit techniques for improving the seismic performance of substandard RC buildings with different structural systems and heights common in medium seismicity regions. Contemporary retrofit approaches are investigated, including polyparaphenylene benzobisoxazole fiber-reinforced cementitious matrix (P-FRCM) composites, carbon FRCM (C-FRCM) composites, thin high-performance reinforced concrete (HPRC) jackets, and self-centering energy dissipative (SCED) braces. A systematic methodology is adopted to arrive at the study objectives, involving shake table test (STT) campaigns of five large-scale moment-resisting frame (MRF) and shear-wall (SW) specimens and inelastic pushover analysis (IPA) and multi-record incremental dynamic analysis (IDA) of three-dimensional (3D) fiber-based (FB) models of different RC buildings. The selected retrofit techniques are initially assessed using pre-STT dynamic response simulation (DRS). Comprehensive STT campaigns involving various measuring instruments of local and global structural response are undertaken to evaluate the performance of test specimens representing the lateral load resisting systems and construction practice used in pre-seismic code MRF and SW buildings when retrofitted with various alternatives. Through the correlation between STT and DRS results, verified 3D FB numerical models are developed and used to upgrade substandard low-rise RC frame (LRCF), multi-story RC frame (MRCF), and high-rise SW (HSW) buildings using the adopted retrofit techniques. Different local damage indices (LDIs) and global damage measures (GDMs) of the benchmark buildings and their retrofit alternatives are monitored to derive a range of fragility relationships and estimate limit state exceedance probabilities. Quantitative indices measuring seismic performance and cost are adopted to assess the relative differences between the selected retrofit alternatives and support selecting the most effective technique for different structures.

The outcomes of the STT campaigns confirmed that FRCM composites with the adopted spike anchorage system effectively upgraded the shear and flexural response of the substandard MRF specimens and delayed debonding failure. Nevertheless, at the same input ground motion (IGM) intensity that caused local and global failure for the flexuredominated FRCM retrofitted frame, the curvature ductility and drift ratio of the HPRCretrofitted specimen were reduced by 79% and 87%, respectively, reflecting the higher effectiveness of the latter mitigation measure than the FRCM technique. The STT results also confirmed the vulnerability of a substandard two-story SW (2SSW) specimen to bond slip failure at the construction joint. The HPRC jackets and steel plates adopted for another 2SSW specimen improved the flexural capacity and delayed the unfavorable failure mode at construction joints from an IGM intensity of 0.96g to 1.44g. At the intensity triggering the bond slip for the substandard 2SSW, the enhanced SW specimen’s maximum drift ratio and chord rotation were significantly reduced by 93.5% and 91%, respectively.

The adopted systematic assessment framework accounted for the redistribution of seismic demands after retrofitting and enabled the selection of the most suitable alternative for low-, medium-, and high-rise benchmark buildings using the STT and probabilistic seismic performance assessment outcomes along with cost and practical considerations. The selected retrofit measures significantly delayed detecting LDIs, particularly concrete crushing and rebar buckling. For the LRCF structure, the SCED brace was the most effective and feasible option as it led to a higher performance-to-cost index (PCI) than the HPRC and FRCM retrofit alternatives by 50-66% and 56-95%, respectively. It is also concluded that most individual retrofit techniques did not fully overcome the deficiencies in multi-story RC structures, highlighting the need to adopt hybrid retrofit alternatives to address the fundamental structural characteristics of seismic response, including stiffness, strength, and ductility. For the MRCF building, the PCI of the less disruptive thin-HPRCSCED hybrid option exceeded that of the FRCM-SCED by up to 34-36%, confirming its preference among the alternatives considered. Finally, for the HSW building, the hybrid retrofit involving a proposed innovative outrigger-belt truss SCED bracing system and HPRC jacket application provided 13-36% higher PCI than other retrofit alternatives.

Arabic Abstract


تحديد أولويات تدابير تعزيز كفاءة المباني غير قياسية للتحكم بمخاطر الزلازل

على الرغم من الحاجة الملحة لتقنيات تخفيف المخاطر للهياكل الخرسانية المسلحة (RC) المصممة دون الأخذ باعتبار احتياطات التصميم الزلزالي، فقد اهتم عدد قليل من الأبحاث على اختيار تدابير تم التحقق منها عملياً من بين البدائل المختلفة لتعزيز كفاءة المنشآت، وبالأخص مع الأخذ بالاعتبار تقليل تعطل تشغيل المباني الواقعية. على هذه الخلفية، تهدف هذه الدراسة إلى اختيار تقنيات موثوقة وفعالة من حيث التكلفة لتعزيز الأداء الزلزالي للمباني الخرسانية المسلحة غير قياسية ذات الأنظمة الهيكلية والارتفاعات المختلفة الشائعة بالمناطق الزلزالية المتوسطة. تم دراسة عدد من الأساليب المعاصرة لتعزيز كفاءة المنشآت، بما في ذلك المركبات الأسمنتية المعززة بألياف polyparaphenylene benzobisoxazole (P-FRCM)، والمعززة بألياف الكربون (C-FRCM)، وسترات بسمك صغير من الخرسانة المسلحة عالية الأداء (HPRC)، والدعامات المبددة للطاقة ذاتية التمركز (SCED). تم اعتماد منهجية بحث للوصول إلى أهداف الدراسة، بما في ذلك اختبارات معملية باستخدام منصة الزلازل (STT) لخمس عينات بأبعاد كبيرة نسبياً تمثل إطارات مقاومة للعزوم (MRF) وحوائط قص (SW)، وعمل تحليلات استاتيكية لاخطية متزايدة الشدة (IPA) وتحليلات ديناميكية متزايدة الشدة الزلزالية (IDA) لنماذج محاكاة ثلاثية الأبعاد (3D) للمباني الخرسانية المختلفة. في البداية تم تقييم تقنيات تعزيز الكفاءة المختارة باستخدام محاكاة الاستجابة الديناميكية (DRS) وذلك قبل إجراء الاختبارات المعملية باستخدام منصة الزلازل. تم إجراء اختبارات معملية موسعة باستخدام منصة الزلازل تتضمن أجهزة قياس مختلفة للسلوك الإنشائي الموضعي والشامل لتقييم أداء عينات الاختبار التي تمثل أنظمة مقاومة الأحمال الجانبية وممارسات البناء المستخدمة في المباني غير المصممة لمقاومة الزلازل وذلك عند تعزيز كفاءتها باستخدام البدائل المختلفة. من خلال مقارنة الارتباط بين نتائج الاختبارات المعملية مع محاكاة الاستجابة الديناميكية، تم تطوير نماذج تفصيلية ثلاثية الأبعاد تم التحقق منها معملياً لترقية المباني الخرسانية منخفضة الارتفاع المعتمدة على الإطارات (LRCF) والمتعددة الطوابق (MRCF) والمباني العالية المعتمدة على حوائط القص (HSW) وذلك باستخدام تقنيات تعزيز الكفاءة المعتمدة. تم مراقبة المؤشرات المختلفة للضرر الإنشائي الموضعي (LDIs) والضرر الإنشائي الشامل (GDMs) للمباني المرجعية وبدائلها المحددة لاشتقاق مجموعة من علاقات الهشاشة وتقدير احتمالات تجاوز حدود الضرر الإنشائي. تم الاعتماد على مؤشرات كمية لقياس الأداء الزلزالي والتكلفة وذلك لتقييم الاختلافات النسبية بين بدائل تعزيز الكفاءة المختارة ودعم اختيار التقنية الأكثر فعالية للهياكل الإنشائية المختلفة.

أكدت نتائج الاختبارات المعملية باستخدام منصة الزلازل أن مركبات FRCM مع نظام التثبيت المعتمد قامت بتحسين مقاومة القص والانحناء لعينات MRF غير قياسية وتأخير التضرر نتيجة انفصال نظام FRCM الرغم من ذلك، فعند نفس مستوى شدة الزلزال الذي تسبب في فشل موضعي وشامل لإطار المقاومة للانحناء المحدّث باستخدام FRCM، تم تقليل معدل الانجراف ونسبة الإزاحة الأفقية المعدلة باستخدام HPRC بنسبة 79% و87% على التوالي، مما يعكس فعالية الأسلوب الأخير لتعزيز الكفاءة مقارنة بتقنية FRCM. تُشير أيضاً نتائج الاختبار المعملي باستخدام منصة الزلازل مدى تعرض حائط القص غير قياسية تمثل طابقين (2SSW) لمستوى شدة زلزالية نتيجة فقدان الترابط بين حديد التسليح والخرسانة عند فاصل الإنشاء، وقد حسّنت سترات الخرسانة عالية الأداء (HPRC) والألياف الفولاذية المختارة لعينة 2SSW أخرى من تحسين قدرة الانحناء وتأخير الضرر الإنشائي غير المرغوب عند فاصل الإنشاء مع تسارع حركة أرضية بلغت 0.96 إلى 1.44 مرة عند نفس مستوى شدة الزلزال الذي أدى إلى التضرر نتيجة فقدان الترابط بين حديد التسليح وفاصل الإنشاء للعينة غير قياسية لحائط القص 2SSW. تم تقليل نسبة الإزاحة الأفقية والتشكل نتيجة الانحناء بشكل كبير لعينة SW المحدّثة بنسبة 93.5% و91% على التوالي.

أخذت منهجية البحث في الاعتبار إعادة توزيع الإجهادات الزلزالية بعد تعزيز الكفاءة ومكّنت من اختيار البديل الأكثر ملاءمة للمباني المعيارية منخفضة ومتوسطة والعالية الارتفاع من خلال الاختبارات المعملية باستخدام منصة الزلازل ونتائج تقييم الأداء الزلزالي الاحتمالي جنباً إلى جنب مع مراعاة التكلفة والاعتبارات العملية. أسفرت تدابير تعزيز الكفاءة المختارة عن تأخير اكتشاف LDIs بشكل كبير وخاصة تضرر الخرسانة وانبعاج حديد التسليح. بالنسبة للمنشأ الخرساني منخفض الارتفاع LRCF، كانت دعامات SCED هي الخيار الأكثر فعالية وجدوى حيث أنها أدت إلى الوصول إلى مؤشر أداء إلى تكلفة (PCI) أعلى مقارنة ببدائل تعزيز الكفاءة باستخدام HPRC وFRCM بنسبة تتراوح من 50-66% ومن 56-95% على التوالي. وخلصت الدراسة أيضاً إلى أن معظم تقنيات تعزيز الكفاءة الفردية لا تغطي بشكل كامل أوجه القصور في المنشآت الخرسانية المسلحة متعددة الطوابق، مما يسلط الضوء على الحاجة إلى اعتماد بدائل تعزيز الكفاءة الهجينة لمعالجة الخصائص الإنشائية الأساسية للسلوك الزلزالي، بما في ذلك الصلابة والتحمل والليونة. بالنسبة للمبنى متعدد الطوابق MRCF، تجاوز مؤشر الأداء إلى التكلفة لخيار الهجين HPRC-SCED الأقل تعطلاً للتشغيل خيار FRCM-SCED بنسبة تتراوح من 34-36%، مما يؤكد تفضيله بين البدائل التي تم النظر فيها. أخيراً، بالنسبة للمبنى العالي المعتمد على حوائط القص HSW، فإن تحديث هجين مقترح لنظام دعم مبتكر يشمل حزام وحمّالات مكون من SCED مع سترات الخرسانة المسلحة عالية الأداء HPRC وفر مؤشر أداء إلى تكلفة أعلى بنسبة تتراوح من 13-36% مقارنة ببدائل تعزيز الكفاءة الأخرى.

Download

Share

COinS