MASONRY INFILL REINFORCED CONCRETE FRAMES UNDER CYCLIC LOADING Mr. Jarun Srechai A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy Program in Civil Engineering Department of Civil Engineering Faculty of Engineering Chulalongkorn University Academic Year 2013 Copyright of Chulalongkorn University โครงอาคารคอนกรีตเสริมเหลก็ ที่มีผนังอิฐกอ่ ภายใต้แรงแบบวัฏจักร นายจรัญ ศรีชยั วิทยานิพนธ์นี้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาตามหลักสูตรปรญิ ญาวิศวกรรมศาสตรดุษฎีบัณฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมโยธา ภาควิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร ์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ปีการศึกษา 2556 ลิขสิทธิ์ของจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย Thesis Title MASONRY INFILL REINFORCED CONCRETE FRAMES UNDER CYCLIC LOADING By Mr. Jarun Srechai Field of Study Civil Engineering Thesis Advisor Professor Panitan Lukkunaprasit, Ph.D. Thesis Co-Advisor Assistant Professor Arnon Wongkaew, Ph.D. Accepted by the Faculty of Engineering, Chulalongkorn University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Doctoral Degree Dean of the Faculty of Engineering (Professor Bundhit Eua-arporn, Ph.D.) THESIS COMMITTEE Chairman (Professor Thaksin Thepchatri, Ph.D.) Thesis Advisor (Professor Panitan Lukkunaprasit, Ph.D.) Thesis Co-Advisor (Assistant Professor Arnon Wongkaew, Ph.D.) Examiner (Assistant Professor Chatpan Chintanapakdee, Ph.D.) Examiner (Assistant Professor Anat Ruangrassamee, Ph.D.) External Examiner (Associate Professor Sutat Leelataviwat, Ph.D.) iv จรัญ ศรีชัย : โครงอาคารคอนกรีตเสริมเหล็กที่มีผนังอิฐก่อภายใต้แรงแบบวัฏจักร. (MASONRY INFILL REINFORCED CONCRETE FRAMES UNDER CYCLIC LOADING) อ.ที่ปรึกษา วิทยานิพนธ์หลัก: ศ. ดร.ปณิธาน ลักคุณะประสิทธิ์, อ.ที่ปรึกษาวิทยานิพนธ์ร่วม: ผศ. ดร.อานนท์ วงษ์แก้ว, 133 หน้า. การศึกษาวิจัยนี้น าเสนอผลการศึกษาสมรรถนะในการต้านทานแผ่นดินไหวของโครงอาคารคอนกรีต เสริมเหล็กที่มีผนังอิฐก่อโดยวิธีการทดสอบและการวิเคราะห์ อีกทั้งเสนอวิธีการเสริมความแข็งแรงโครงสร้างที่ เหมาะสมส าหรับโครงสร้างดังกล่าวเพื่อเพิ่มสมรรถนะของโครงสร้างให้ดีขึ้น ในส่วนของการศึกษาโดยวิธีการ ทดสอบจะใช้โครงอาคารคอนกรีตเสริมเหล็กที่มีผนังอิฐก่อขนาด 3/4 เท่าของโครงสร้างจริง มีความกว้าง 1 ช่วง เสา สูง 1 ชั้น และผนังอิฐก่อของตัวอย่างทดสอบที่ไม่มีการปรับปรุงโครงสร้างนั้นมีอัตราส่วนความกว้างต่อความ สูงเท่ากับ 2 ซึ่งการศึกษาวิจัยในครั้งนี้ได้ท าการทดสอบตัวอย่างทดสอบทั้งหมดจ านวน 4 ตัวอย่างภายใต้แรง กระท าทางด้านข้างแบบวัฎจักรร่วมกับแรงกระท าในแนวดิ่งที่มีขนาดคงที่ ในส่วนของการศึกษาโดยการ วิเคราะห์นั้น จะประเมินสมรรถนะของตัวอย่างทดสอบทั้งหมดโดยการวิเคราะห์ด้วยวิธีผลักด้านข้างแบบสถิตไร้ เชิงเส้น โดยจ าลองผนังอิฐก่อด้วยชิ้นส่วนรับแรงอัดในแนวทแยงเทียบเท่าแบบสามชิ้นต่อหนึ่งแนวทแยงมุมของ ผนังอิฐก่อ ในส่วนของโครงอาคารคอนกรีตเสริมเหล็กนั้นจะจ าลองโดยใช้ชิ้นส่วนที่มีจุดหมุนพลาสติกเชิงดัดและ เชิงเฉือนที่ปลายทั้งสอง จากผลการศึกษาโดยวิธีทดสอบพบว่าเสาของตัวอย่างทดสอบที่ไม่มีการปรับปรุงโครงสร้างเกิดการ วิบัติด้วยแรงเฉือนที่ระยะการเคลื่อนตัวทางด้านข้างต่ ามากโดยมีค่าเพียงร้อยละ 0.30 ของความสูง ซึ่งการวิบัติ ดังกล่าวเกิดขึ้นเนื่องจากมีแรงปริมาณมากจากผนังอิฐก่อถ่ายเข้าสู่เสาโดยตรงหลังจากผนังอิฐก่อบริเวณมุมที่รับ แรงอัดเกิดความเสียหาย ด้วยการใช้รูปแบบการวิบัติดังกล่าวเป็นแนวทางในการปรับปรุงโครงสร้างให้กับ ตัวอย่างทดสอบโดยการแยกผนังอิฐก่อออกจากเสาของโครงอาคารและใช้หูช้างเหล็กในการถ่ายแรงปฏิสัมพันธ์ ระหว่างผนังและคานของโครงอาคารโดยตรง ด้วยวิธีการนี้จะสามารถขจัดแรงจากผนังที่ถ่ายเข้าสู่เสาออกไปได้ อย่างสิ้นเชิง วิธีการปรับปรุงโครงสร้างดังกล่าวสามารถเพิ่มสมรรถนะของโครงสร้างให้กับตัวอย่างทดสอบได้ อย่างมากเมื่อเปรียบเทียบกับตัวอย่างทดสอบที่ไม่มีการปรับปรุงโครงสร้าง โดยความสามารถในการเคลื่อนตัว ทางด้านข้างของตัวอย่างทดสอบที่ได้รับการปรับปรุงโครงสร้างมีค่าเพิ่มขึ้น 5 เท่าของตัวอย่างทดสอบที่ไม่มีการ ปรับปรุงโครงสร้าง อีกทั้งยังคงความสามารถในการต้านทานแรงทางด้านข้างและสติฟเนสของโครงสร้างไว้ได้ เกือบทั้งหมด ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าการเสริมเหล็กตะแกรงปริมาณเล็กน้อยในผนังอิฐก่อ (อัตราส่วนของ พื้นที่หน้าตัดเหล็กเสริมต่อผนังอิฐก่อเท่ากับร้อยละ 0.11) ท าให้ตัวอย่างทดสอบมีความสามารถในการเคลื่อนตัว ทางด้านข้างเพิ่มขึ้นถึง 8 เท่าเมื่อเทียบกับตัวอย่างทดสอบที่ไม่มีการปรับปรุงโครงสร้าง ผลการศึกษาโดยการ วิเคราะห์ของโครงอาคารคอนกรีตเสริมเหล็กที่มีผนังอิฐก่อแสดงให้เห็นว่าก าลังยึดเหนี่ยวของผนังอิฐก่อที่ก าหนด โดยมาตรฐาน ASCE 41-06 นั้นมีค่าต่ ากว่าค่าที่แท้จริงของผนังอิฐก่อที่ใช้ในตัวอย่างทดสอบของการศึกษานี้ และระยะเคลื่อนตัวด้านข้าง ณ ต าแหน่งที่ผนังอิฐก่อมีก าลังต้านทานสูงสุดที่เหมาะสมส าหรับใช้ในแบบจ าลอง ของตัวอยา่ งทดสอบที่มีการปรับปรุงโครงสร้างแล้ว มีค่าเป็นสองเท่าของค่าที่ก าหนดโดยมาตรฐาน ASCE 41-06 เมื่อใช้แบบจ าลองที่มีการปรับแก้ความสัมพันธ์ของแรงและการเสียรูปที่เหมาะสมแล้วในการวิเคราะห์โครง อาคารคอนกรีตเสริมเหล็กที่มีผนังอิฐก่อ พบว่าความสัมพันธ์ระหว่างแรงและการเคลื่อนตัวด้านข้างที่จ าลองได้มี ความสอดคล้องกับผลการทดสอบ ภาควิชา วิศวกรรมโยธา ลายมือชื่อนิสิต สาขาวิชา วิศวกรรมโยธา THAI ABSTRACT ลายมือชื่อ อ.ที่ปรึกษาวิทยานิพนธ์หลัก ปีการศึกษา 2556 ลายมือชื่อ อ.ที่ปรึกษาวิทยานิพนธ์ร่วม v # # 5171873721 : MAJOR CIVIL ENGINEERING KEYWORDS: NON-DUCTILE FRAME / REINFORCED CONCRETE / UN-REINFORCED MASONRY INFILL / CYCLIC TEST / SEISMIC PERFORMANCE / RETROFIT JARUN SRECHAI: MASONRY INFILL REINFORCED CONCRETE FRAMES UNDER CYCLIC LOADING. ADVISOR: PROF. PANITAN LUKKUNAPRASIT, Ph.D., CO-ADVISOR: ASST. PROF. ARNON WONGKAEW, Ph.D., 133 pp. This study involves experimental and analytical investigations on the seismic performance of masonry infill non-ductile reinforced concrete (RC) frames. An innovative retrofit scheme is proposed for enhancing seismic performance of such structures. Four ¾ scaled models of single bay, single story, non-ductile RC frames infilled with masonry panels were tested under lateral cyclic load and constant vertical load. The aspect ratio of the masonry infill panel (width to height) in the un-retrofitted specimen is 2.0. As for the analytical investigation, nonlinear static pushover analyses of the tested specimens are performed based on an equivalent three diagonal struts approach. The surrounding frame is modelled using discrete elements with flexural and shear plastic hinges lumped at the ends, and the infill panel modelled using compression-only bar elements. Experimental results indicate that shear failure occurs prematurely in the columns of the un-retrofitted specimen at a very small drift ratio of 0.30% due to the large strut force exerted by the unreinforced masonry (URM) infill panel on those columns following corner crushing of the URM panel. Guided by such failure, the URM panel is separated from the columns and steel brackets are provided to transfer the interactive forces between the panel and the beams, thereby totally eliminating transfer of large strut force to the columns. The proposed scheme results in much enhanced performance of the retrofitted structure over the un-retrofitted one, with the drift capacity increased 5 folds while retaining most of the strength and stiffness. Moreover, premature severe shear damage in the columns was totally eliminated. With slight steel wire mesh reinforcement (reinforcement ratio of 0.11%) provided in the infill panel, the test specimen could attain a drift capacity of 8 times that of the un- retrofitted one. The analytical study of masonry infill RC frames reveals that the ASCE 41-06 specified cohesive capacity of masonry infill is too conservative for the specimens tested, and the drift associated with the peak lateral capacity of the retrofitted masonry infill should be taken as twice the value specified in the standard. With proper adjustments made for specifying the lateral load-deformation of the URM infill, reasonable agreement in the simulated lateral load-displacement relation of the URM infilled RC frame with the experimental results is obtained. Department: Civil Engineering Student's Signature Field of Study: Civil Engineering ENGLISH ABSTRACT Advisor's Signature Academic Year: 2013 Co-Advisor's Signature vi ACKNOWLEDGEMENTS The author is grateful for the scholarship and research fund from the Commission on Higher Education of Thailand-AUN/SEED-Net and Faculty of Engineering, Burapha University, Thailand (No.CA2/2553). This scholarship and research fund provided a great opportunity for the author to study in Ph.D. program and completing the research. The author would also like to acknowledge and to express deep the support from the Center of Excellence in Earthquake Engineering and Vibration, Chulalongkorn University. The appreciation for an exchange doctoral student scholarship from the European Commission funded project EU-NICE. With this support, I had a great time to carry out my research with Prof. Enrico Spacone at the University of Chieti-Pescara, Italy. I also wish to express my deepest gratitude to my dissertation advisor, Prof. Panitan Lukkunaprasit, for his continuous guidance and encouragement throughout this study. His invaluable support and care made it possible to complete this study without any problem. Great appreciation is also extended to Asst. Prof. Arnon Wongkaew and Assoc. Prof. Sutat Leelataviwat as well as the dissertation’s committee for reviewing the report and offering helpful suggestions and valuable comments. The assistance of Dr. Boonrat Lohwongwatana in preparing the material for test specimens construction and the assistance of Building 33 Company Limited in casting the test specimens are greatly appreciated. My sincere thanks go to the technicians of the Department of Civil Engineering and graduate students for their help in conducting experiments. Finally, I would like to attribute all of the achievement to my family for their encouragement, suggestions, and generous comforts throughout all the phases of my Ph.D. study. CONTENTS Page THAI ABSTRACT ................................................................................................................................ iv ENGLISH ABSTRACT .......................................................................................................................... v ACKNOWLEDGEMENTS ................................................................................................................... vi CONTENTS ........................................................................................................................................ vii LIST OF TABLES ................................................................................................................................ x LIST OF FIGURES .............................................................................................................................. xi CHAPTER I INTRODUCTION ............................................................................................................. 1 1.1 Research Significance ........................................................................................................... 1 1.2 Objectives of Research ........................................................................................................ 2 1.3 Scope of Research ................................................................................................................ 2 1.4 Research Methodology ........................................................................................................ 3 CHAPTER II LITERATURE REVIEW ................................................................................................... 4 2.1 Introduction ............................................................................................................................ 4 2.2 Behavior of RC frames with masonry infill panels ........................................................ 4 2.2.1 RC frames with unreinforced masonry infill panels .......................................... 4 2.2.2 RC frames with reinforced masonry infill panels ............................................... 9 2.2.3 Failure mechanism of RC frames with masonry infill panel ......................... 12 2.3 Analytical modeling of RC frames with masonry infill panels ................................. 12 2.3.1 Effective width of an equivalent diagonal strut ............................................... 13 2.3.2 In-plane strength of masonry infill panel .......................................................... 14 2.3.3 Single-strut and multiple-strut models .............................................................. 18 CHAPTER III RETROFIT SCHEME, TEST SPECIMENS, AND TEST SETUP ................................ 21 3.1 Introduction .......................................................................................................................... 21 3.2 Prototype structure ............................................................................................................ 21 3.3 Retrofit scheme ................................................................................................................... 22 3.3.1 Analytical study of the connection detail ......................................................... 25 viii Page 3.4 Test specimens .................................................................................................................... 27 3.5 Material Properties.............................................................................................................. 34 3.5.1 Reinforcement steel ............................................................................................... 34 3.5.2 Concrete .................................................................................................................... 35 3.5.3 Mortar, Cement plaster, and Masonry ................................................................ 36 3.6 Test setup and loading pattern ....................................................................................... 37 3.7 Instrumentations ................................................................................................................. 39 CHAPTER IV EXPERIMENTAL RESULTS AND DISCUSSION ...................................................... 42 4.1 Crack patterns and failure modes .................................................................................. 42 4.2 Lateral strength and lateral stiffness ............................................................................. 59 4.3 Energy dissipation and equivalent viscous damping ratio ........................................ 63 4.4 Strain in the steel reinforcement .................................................................................... 65 4.5 Shear force in reinforced concrete beam ..................................................................... 75 4.6 Performance level of the test specimens .................................................................... 76 4.7 Comparison of different retrofit schemes..................................................................... 80 CHAPTER V ANALYTICAL MODELING .......................................................................................... 83 5.1 Introduction .......................................................................................................................... 83 5.2 Nonlinear properties of the surrounding RC frame .................................................... 83 5.3 Analytical model of masonry infill panel ..................................................................... 90 5.3.1 Load-deformation relation of masonry infill wall ........................................... 90 5.3.2 Initial lateral stiffness of masonry infill wall ..................................................... 92 5.3.3 Lateral capacity of masonry infill panel ............................................................ 93 5.4 Calibration of the analytical model ............................................................................... 94 5.4.1 Calibration of the column component .............................................................. 94 5.4.2 Calibration of the masonry infill RC frame ..................................................... 100 5.5 Analytical study of un-retrofitted and retrofitted masonry infill frames ........... 108 5.5.1 Modelling description .......................................................................................... 108 ix Page 5.5.2 Results and discussion ........................................................................................ 114 CHAPTER VI CONCLUSIONS ....................................................................................................... 119 REFERENCES .................................................................................................................................. 122 APPENDIX STRAIN IN STEEL REINFORCEMENT ..................................................................... 128 VITA ................................................................................................................................................ 133 LIST OF TABLES Page Table 3-1. Details of RC members ............................................................................................. 28 Table 3-2. Reinforcement steel properties .............................................................................. 35 Table 3-3. Concrete compressive strength .............................................................................. 35 Table 3-4. Compressive strength of mortar and cement plasters ..................................... 36 Table 3-5. Compressive strength, shear strength and modulus of elasticity of masonry assembly .................................................................................................. 37 Table 4-1. Comparison of different retrofit schemes ............................................................ 81 Table 5-1. Tested specimens by Mo and Wang (2000), Sezen and Moehle (2004) and Lynn (1999) ...................................................................................................... 96 Table 5-2. Modeling parameters of the tested specimens by; Mo and Wang (2000), Sezen and Moehle (2004) and Lynn (1999) ........................................ 98 Table 5-3. Tested specimens properties by Mehrabi et al. (1996) ................................. 101 Table 5-4. Analytical model properties for RC surrounding frames ............................... 103 Table 5-5. Analytical model properties for URM panel .................................................... 104 Table 5-6. Analytical modeling properties for the RC frame of un-retrofitted and retrofitted specimens .......................................................................................... 111 Table 5-7. Masonry infill panel modeling properties of un-retrofitted specimen ...... 112 Table 5-8 Masonry infill panel modeling properties of retrofitted specimens ........... 114