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Inelastic seismic response of concrete shear walls considering P–delta effects

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Abstract:

The inelastic response of a typical 12-storey ductile reinforced concrete flexural wall is examined under strong earthquake ground motions to determine the importance of P–delta effects and assess the seismic demand in shear and flexure. According to the stability factor approach of the National Building Code of Canada (NBCC) to account for P–delta effects, the flexural strength of the wall has to be increased by as much as 29%. However, the inelastic dynamic analyses indicate that P–delta effects on lateral deformations and curvature ductility demand are negligible for walls that meet the 2% NBCC interstorey drift requirement. The current NBCC stability factor approach to consider P–delta effects is thus overly conservative for shear wall structures, which respond significantly in their second and higher modes of vibration. The analyses also indicate that the magnitude and distribution of shear forces and bending moments in the wall are different from those obtained using the NBCC static design procedure. Plastic hinges can occur above the base of the wall, although the probable moment resistance diagram exceeds the assumed moment envelope after plastic hinge formation at the base. Dynamic amplification of shear forces due to higher mode effects was also observed, which must be accounted for in design. Dynamic shear amplification factors proposed for wall structures in the commentary to the current standard for design of concrete structures in Canada compared well with the results of this study.Key words: seismic, flexural wall, P–delta effects, stability coefficient, inelastic response, National Building Code of Canada, dynamic shear force amplification, higher mode effects.

L'article porte sur le comportement inélastique d'un mur de refend ductile en béton armé de 12 étages lorsque soumis à des secousses sismiques. L'importance des effets P–delta, de même que la magnitude et la distribution des efforts tranchants et des moments fléchissants sont étudiées. L'application de la méthode du coefficient de stabilité du Code National du Bâtiment du Canada (CNBC) pour contrer les effets P–delta requiert une augmentation de la résistance en flexion pouvant atteindre 29% pour le mur étudié. Cependant, les analyses dynamiques inélastiques indiquent que les effets P–delta sur les déplacements et la ductilité en courbure sont négligeables pour les murs qui ont un glissement inter-étage de moins de 2% tel que requis par le CNBC. L'approche du coefficient de stabilité s'avère donc très conservatrice pour les murs de refends dont le comportement sismique est fortement influencé par les modes supérieurs de vibrations. Les analyses sismiques révèlent également que la magnitude et la distribution des efforts tranchants et des moments fléchissants dans le mur sont différentes de celles obtenues en suivant la méthode de dimensionnement statique du CNBC. Des rotules plastiques peuvent se produire au dessus de la base du mur, même si la résistance probable en flexion est supérieure à l'enveloppe des moments présumée lors de la formation d'une rotule plastique à la base. On a aussi observé une amplification dynamique importante des efforts tranchants causée par l'action des modes supérieurs de vibration. Cette amplification doit être prise en compte dans le dimensionnement des murs et les valeurs proposées dans les commentaires de la norme actuelle pour la conception des charpentes de béton au Canada semblent en accord avec les résultats obtenus dans la présente étude.Mots clés : sismique, mur de refends, effets P–delta, coefficient de stabilité, réponse inélastique, Code National du Bâtiment du Canada, amplification des efforts tranchants, effets des modes supérieurs de vibration.
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  • Published since 1974, this monthly publication is the official journal of the Canadian Society for Civil Engineering. It contains articles on environmental engineering, hydrotechnical engineering, structure engineering, construction engineering, engineering mechanics, and engineering materials, and a history of civil engineering. Contributors include recognized researchers and practitioners in industry, government, and academe. New developments in engineering design and construction are also featured.
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