Effects of unbonded mild steel on seismic performance of unbonded post-tensioned precast concrete shear walls

Abstract

Seismic energy dissipation of precast concrete lateral force-resisting systems constructed based on non-emulative or jointed connections is very limited since these systems experience little to no damage during seismic events. One of the additional seismic energy dissipation mechanisms for unbonded post-tensioned precast concrete shear walls, which are constructed based on jointed connections, is using unbonded mild steel reinforcement over the wall joints, where joint gap opening occurs under lateral loads. Seismic energy dissipation is achieved by cyclic yielding of unbonded mild steel reinforcement both in tension and compression. Post-tensioned steel tendons are provided to resist lateral forces and minimize permanent drifts under seismic loads. Effects of unbonded mild steel bars on the system energy dissipation capacity and permanent drifts are not documented comprehensively for non-emulative precast concrete lateral force resisting systems. The main objective of this study is to investigate the effects of the mild steel design parameters on the seismic behavior of non-emulative unbonded post-tensioned precast concrete shear wall systems. In this study, a developed numerical finite element (FE) model is verified for a jointed post-tensioned precast concrete shear wall system with experimental data. The experimentally verified modeling approach is used to develop FE models for several 5- story unbonded post-tensioned shear walls to investigate the effects of unbonded mild steel design parameters such as steel amount, location along the joint, and unbonded length on wall lateral behavior including its self-centering, energy dissipation capacity, and permanent prestress force losses for the unbonded tendons. The nonlinear structural behavior of the walls was determined by performing monotonic and cyclic pushover analyses, and nonlinear time history analysis with the OpenSees software. The finding of this study provides new and valuable contributions to the existing literature to further improve the seismic design of non-emulative precast lateral force resisting systems and provide a better understanding of the influence of unbonded mild steel on the seismic performance of jointed precast concrete walls.

Prefabrik duvar panellerinin birleşim yerlerinde ıslak beton kullanılmadan oluşturulan kuru bağlantılı aderanssız ard germeli prefabrik (AAP) duvar sistemleri yanal deprem kuvvetleri etkisinde sırasında çok az veya hiç yapısal hasar görmediğinden bu sistemlerin deprem enerji sönümleme kapasitesi çok sınırlıdır ve bundan dolayı göreli kat ötelemeleri genelde büyüktür. Bu sistemlerin deprem enerjisini sönümleme kapasitesini artırmak ve kat ötelemelerini sınırlamak için ek sismik enerji sönümleme mekanizmalarından biri, deprem yükleri altında kat duvar panellerin birleşim derzlerinde oluşan açılmadan faydalanarak bu derzler üzerinde aderanssız yumuşak çelik donatı kullanılmasıdır. Sismik enerji sönümlenmesi hem çekme hem de basma kuvvetleri altında aderanssız yumuşak çelik donatının döngüsel akması ile sağlanır. Literatürdeki çalışmalarda, kuru bağlantılı prefabrik sistemlerin deprem yükleri gibi yanal kuvvetler altında aderanssız yumuşak çelik çubuklar kullanılarak sağlanabilecek enerji sönümleme kapasiteleri, bu çubukların detaylı tasarım ilkeleri ve duvarlardan oluşan taşıma sisteminin sahip olduğu kendinden merkezlenme (ihmal edilebilir kalıcı ötelenme) özelliği üzerindeki etkileri kapsamlı bir şekilde incelenmemiştir. Bu çalışmanın temel amacı, aderanssız yumuşak çelik donatının tasarım parametrelerinin belirlenmesi ve bu parametrelerin AAP duvar sistemlerinin sismik davranışı üzerindeki etkilerini araştırmaktır. Bu çalışmada, kuru bağlantılı aderanssız ard germeli prefabrik duvar sistemleri için geliştirilmiş bir sayısal sonlu eleman (FE) modeli deneysel verilerle doğrulanmıştır. Bir dizi beş katlı aderanssız ard germeli perde duvar için sonlu eleman modelleri oluşturulmuştur. Bu duvarlar sistemleri için aderanssız yumuşak çelik donatı miktarı, duvarların birleşim derzi boyunca bu donatının konumu ve donatının aderanssız bırakılan boyu gibi bu donatının tasarım parametrelerinin, duvar sisteminin kendi kendine merkezlenme, enerji sönümleme kapasitesi ve deprem sonrası aderanssız ard germe çubuklarında oluşan ard germe kuvvetinde oluşan germe kayıpları gibi duvar sisteminin deprem davranışı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Sismik tasarımı yapılan duvarların deprem yükleri altındaki yapısal davranışları, OpenSees analiz programı kullanılarak yapılan doğrusal olmayan itme analizleri (pushover), döngüsel (tersinir) kuvvet-yer değiştirme (cyclic) ve doğrusal olmayan zaman tanım alanında dinamik analizlerle belirlenmiştir. Bu çalışmadan elde edilen veriler, kuru bağlantılı aderanssız ard germeli prefabrik duvar sistemlerinin deprem tasarımını geliştirmek, deprem enerjisini sönümlemek için derzler boyunca duvar panelleri arasında kullanılan aderanssız yumuşak çeliğin tasarım ilkelerini ortaya koymak ve bu enerji sönümleme donatısının bu prefabrik duvar sistemlerinin sismik performansı üzerindeki etkilerinin daha iyi anlaşılmasını sağlamak için mevcut literatüre yeni ve değerli katkılar sağlamaktadır.