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Safety of gravity-load columns in shear wall buildings designed to Canadian standard CSA A23.3

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Abstract:

It has been a Canadian code requirement for 25 years to check whether concrete gravity-load columns can tolerate the building deformations due to the design earthquake; but the way this has typically been done using linear analysis significantly underestimates the seismic demands on gravity-load columns. Concern about the safety of gravity-load columns over the plastic hinge height of concrete shear walls, particularly elongated wall-like gravity-load columns, has resulted in new design requirements in Update No. 3 of Canadian Standard Association (CSA) A23.3-04 issued in August 2009. The current paper provides the background to these new requirements. If nonlinear analysis is not done, closely spaced seismic hoops shall be provided in all columns and walls that support gravity loads, and these members shall meet the same limit on maximum compression strain depth as concrete shear walls. The results of nonlinear analyses were used to validate this simple design rule, and to investigate factors that increase seismic demands on gravity-load columns such as diagonal cracking of concrete shear walls, localized damage of columns from cover spalling and bar buckling, and larger first storey heights. Nonlinear analysis has shown that 2.4 m (8 ft) long columns can lose over 50% of their axial load carrying capacity at an inelastic drift ratio of only 1%.

Une exigence du code canadien depuis 25 ans est de vérifier si les colonnes de béton chargées par gravité peuvent résister aux déformations du bâtiment causées par un séisme type. Cette vérification était normalement réalisée par analyse linéaire et sous-estimait de manière significative les demandes sismiques sur les colonnes de béton chargées par gravité. Des préoccupations concernant la sécurité des colonnes de béton chargées par gravité quant à la hauteur des charnières plastiques des murs de contreventement en béton, plus particulièrement les colonnes de béton chargées par gravité allongées, similaires à un mur, ont engendré de nouvelles exigences de conception dans la mise à jour no 3 de la norme CSA A23.3-04 émise en août 2009. Le présent article traite de l’historique de ces nouvelles exigences. Si une analyse non linéaire n’est pas réalisée, des boucles sismiques peu espacées doivent être fournies dans toutes les colonnes et tous les murs qui supportent des charges par gravité, et ces membrures doivent rencontrer la même limite de profondeur de contrainte de compression maximale que les murs de contreventement en béton. Les résultats des analyses non linéaires ont été utilisés pour valider cette simple règle de conception et examiner les facteurs qui accroissent les demandes sismiques sur les colonnes de béton chargées par gravité, tels que la fissuration diagonale des murs de contreventement en béton, les dommages localisés sur les colonnes par l’effritement des surfaces et flambement des tiges, et des hauteurs plus élevées des premiers étages. Une analyse non linéaire a indiqué que des colonnes d’une longueur de 2,4 m (8 pi) peuvent perdre plus de 50 % de leur capacité portante axiale à un rapport de mouvement inélastique de seulement 1 %.

Document Type: Research Article

Publication date: November 1, 2010

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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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nrc/cjce/2010/00000037/00000011/art00007
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