Seismic performance of mid-rise thin concrete wall buildings lightly reinforced with deformed bars or welded wire mesh

Abstract

The increasing demand of housing in urban areas in Latin America has driven the construction of a significant number of buildings using reinforced concrete (RC) walls with thickness equal or lower than 100 mm, with a single layer of reinforcement provided by a welded-wire mesh (WWM) or by deformed bars (DB). Several concerns related to the lack of ductility, scarce evidence on its behavior during earthquakes, and the lack of clarity of design guidelines in earthquake-resistant codes for this structural system have risen in recent years. This research aims at providing evidence on the seismic risk of thin concrete wall buildings reinforced with two types of reinforcement. A six-story building, constructed in Bogotá, Colombia with walls having 100 mm thickness and detailed with WWM is used as case study. After gathering relevant information from the building structural drawings, a nonlinear model was created in OpenSees using the shear-flexure interaction multiple vertical line element (SFI-MVLEM). To evaluate the effect of steel ductility, a second benchmark model of the studied building was created using deformed bars (DB) as reinforcement. Incremental dynamic analyses were conducted on the models using the far field ground motion suite provided by the FEMA P-695 and a set ground motions for subduction zones, which served as input for the development of fragility functions for the building. The results show that the fracture of reinforcing steel is a frequent failure mode of the building reinforced with WWM, whereas the failure of the building reinforced with DB was controlled by the drift limit of the walls. The findings also show that probabilities of failure for the ground motions scaled to the maximum credible earthquake are 41% and 25% for the building reinforced with WWM and DB, respectively. These large probabilities suggest that the use of thin RC walls for mid-rise buildings should be limited in seismic prone areas, especially those detailed with WWM.

La creciente demanda de vivienda en las zonas urbanas de América Latina ha impulsado la construcción de un número importante de edificaciones con muros de hormigón armado (CR) de espesor igual o inferior a 100 mm, con una sola capa de refuerzo proporcionada por malla electrosoldada. (WWM) o por barras corrugadas (DB). En los últimos años han surgido varias preocupaciones relacionadas con la falta de ductilidad, la escasa evidencia sobre su comportamiento durante los terremotos y la falta de claridad de las pautas de diseño en los códigos sismorresistentes para este sistema estructural. Esta investigación tiene como objetivo proporcionar evidencia sobre el riesgo sísmico de las edificaciones de muros delgados de concreto armado con dos tipos de refuerzo. Se utiliza como caso de estudio un edificio de seis pisos, construido en Bogotá, Colombia, con muros de 100 mm de espesor y detallado con WWM. Después de recopilar información relevante de los dibujos estructurales del edificio, se creó un modelo no lineal en OpenSees utilizando el elemento de línea vertical múltiple de interacción de corte-flexión (SFI-MVLEM). Para evaluar el efecto de la ductilidad del acero, se creó un segundo modelo de referencia del edificio estudiado utilizando barras corrugadas (DB) como refuerzo. Se realizaron análisis dinámicos incrementales en los modelos utilizando el conjunto de movimiento de tierra de campo lejano provisto por FEMA P-695 y un conjunto de movimientos de tierra para zonas de subducción, que sirvió como entrada para el desarrollo de funciones de fragilidad para el edificio. Los resultados muestran que la fractura del acero de refuerzo es un modo de falla frecuente de la edificación reforzada con WWM, mientras que la falla de la edificación reforzada con DB fue controlada por el límite de deriva de los muros. Los hallazgos también muestran que las probabilidades de falla para los movimientos del suelo escalados al máximo sismo creíble son del 41% y 25% para el edificio reforzado con WWM y DB, respectivamente. Estas grandes probabilidades sugieren que el uso de paredes delgadas de CR para edificios de mediana altura debe limitarse en áreas propensas a terremotos, especialmente aquellas detalladas con WWM.