Influence of axial compression ratio in building columns
Authors:   , Villar Salinas Sergio 
Published: April 2024

(English) Axial forces in columns of moment-resisting frames (MRF) have a paramount role for the seismic performance of these structural
systems. Nonetheless, there are significant gaps in the literature entailing the influence of these forces in the seismic performance
of MRF. Some of these gaps are: (i) there are poorly designed Reinforced Concrete (RC) columns of actual MRF buildings which
can undergo Axial Compression Ratios (ACR) so high as their demand exceeds their capacity, even for only serviceability gravity
load combinations; this lack commonly leads to insufficient seismic strength. Nonetheless, many seismic design codes do not
specify limits for ACR, (ii) Existing design philosophies for the design of Exposed Column Base Plates (ECBP), fail to accurately
predict the failure modes of these column-base connections; besides, these philosophies does not account for the moment-axial
loads interaction in the components of these connections, (iii) there is a lack of reliable predictive models for the modelling
parameters of ECBP subjected to moment and axial loads. In order to investigate these problems, this research aims to: (i)
preliminary investigate relationships between the ACR and seismic performance indicators (e.g., inter-story drifts and demandcapacity
ratios of columns in MRF). Three prototype 6 and 11-story RC MRF buildings are analyzed; these buildings have columns
undergoing excessive ACR, according to the limits prescribed by standards. The original prototype buildings are modified through
three different methods to reduce the ACR; then, code-type and pushover analyses are performed on the original and retrofitted
buildings; the suitability of the other modified buildings is checked by code-type analyses only. (ii) present a new approach for the
uniaxial moment-axial force interaction in the strong direction of columns of low-rise MRF. The derived approach is applied to three
specimens designed according the American and European documents; such specimens represent small, medium and large
sections. These analytical results are satisfactorily compared with a finite element analysis; this endorses the accuracy of the
proposed formulation. (iii) provide predictive equations to estimate the various parameters defining nonlinear response of ECBP;
their efficacy is examined against test data. A database and an associated tool were developed to characterize the modelling
parameters of ECBP subjected to flexure and axial compression. A trilinear model was adopted to represent various phases of
nonlinear response.

(Català) Les forces internes axials en columnes de pòrtics-resistents a moment (MRF, per les sigles en anglès) tenen un rol
fonamental en l'exercici sísmic d'aquests sistemes estructurals. No obstant això, hi ha bretxes significatives en la literatura
relacionades amb la influència d'aquestes forces en l'exercici sísmic d'aquests pòrtics. Algunes d'aquestes bretxes són: (i)
Hi ha columnes en edificis de concret reforçat (RC, per les sigles en anglès) dissenyades deficientment, de manera que la seva
demanda excedeix la seva capacitat, fins i tot per a combinacions de càrregues gravitacionals de servei; aquesta deficiència normalment
condueix a una resistència sísmica insuficient. Tot i això, molts codis de disseny sísmic no especifiquen límits per a la
relació de forces axials (ACR, per les sigles en anglès), (ii) Les filosofies de disseny existents per al disseny de platines de base
exposades (ECBP, per les sigles en anglès), fallen a predir de forma precisa els modes de falla d'aquestes connexions columnasbase;
a més, aquestes filosofies no consideren la interacció moment-càrrega axial per a cada component d'aquestes connexions, (iii)
Fan falta models predictius fiables per als paràmetres de modelació d'ECPP sotmeses a moment i càrrega axial. Amb
per tal d'investigar aquests problemes, els objectius de la present tesi són: (i) investigar preliminarment la relació existent entre
l'ACR i alguns indicadors d'acompliment sísmic (per exemple, les derives de pis i les relacions demanda-capacitat). Tres
edificis de 6 i 11 pisos, de MRF de RC són analitzats; aquests edificis tenen columnes amb ACR excessiu, dacord amb els
estàndards. Els edificis prototipus originals són modificats a través de tres mètodes diferents per reduir l'ACR; llavors,
anàlisis modals i pushover es van realitzar sobre els edificis originals i reforçats; la viabilitat dels altres edificis modificats
es va verificar a través d'anàlisis modals únicament. (ii) presentar un nou enfocament per a la interacció “moment uniaxial-càrregues
axials” a la direcció forta de les columnes d'edificis baixos de MRF en acer. L'enfocament derivat s'aplica a tres
espècimens dissenyats conforme a les regulacions europees i americanes; aquests espècimens representen seccions
petites, mitjanes i grans. Aquests resultats analítics són comparats satisfactòriament amb els resultats d'una anàlisi
pel “mètode dels elements finits”; aquesta comparació dóna suport a la precisió de la formulació proposada. (iii) proveir
equacions per predir els paràmetres per definir la resposta no-lineal d'ECPP; la seva eficàcia és examinada contra dades de
experimentals. Una base de dades i una eina en base web va ser desenvolupada per caracteritzar els paràmetres de
modelació de ECBP sotmeses a moment i força axial de compressió. Un model trilineal va ser adoptat per representar totes
les fases de la resposta no-lineal de les connexions.

(Español) Las fuerzas internas axiales en columnas de pórticos-resistentes a momento (MRF, por sus siglas en inglés) tienen un rol
fundamental en el desempeño sísmico de estos sistemas estructurales. No obstante, existen brechas significativas en la literatura
relacionadas con la influencia de estas fuerzas en el desempeño sísmico de estos pórticos. Algunas de estas brechas son: (i)
Existen columnas en edificios de concreto reforzado (RC, por sus siglas en inglés) diseñadas deficientemente, de tal forma que su
demanda excede su capacidad, incluso para combinaciones de cargas gravitacionales de servicio; esta deficiencia normalmente
conduce a una resistencia sísmica insuficiente. A pesar de esto, muchos códigos de diseño sísmico no especifican límites para la
relación de fuerzas axiales (ACR, por sus siglas en inglés), (ii) Las filosofías de diseño existentes para el diseño de platinas de base
expuestas (ECBP, por sus siglas en inglés), fallan en predecir de forma precisa los modos de falla de estas conexiones columnasbase;
además, estas filosofías no consideran la interacción momento-carga axial para cada componente de dichas conexiones, (iii)
Hacen falta modelos predictivos confiables para los parámetros de modelación de ECBP sometidas a momento y carga axial. Con
el fin de investigar estos problemas, los objetivos de la presente tesis son: (i) investigar preliminarmente la relación existente entre
la ACR y algunos indicadores de desempeño sísmico (por ejemplo, las derivas de piso y las relaciones demanda-capacidad). Tres
edificios de 6 y 11 pisos, de MRF de RC son analizados; estos edificios tienen columnas con ACR excesivo, de acuerdo con los
estándares. Los edificios prototipo originales son modificados a través de tres métodos diferentes para reducir el ACR; entonces,
análisis modales y pushover se realizaron sobre los edificios originales y reforzados; la viabilidad de los otros edificios modificados
se verificó a través de análisis modales únicamente. (ii) presentar un nuevo enfoque para la interacción “momento uniaxial-cargas
axiales” en la dirección fuerte de las columnas de edificios bajos de MRF en acero. El enfoque derivado se aplica a tres
especímenes diseñados conforme a las regulaciones europeas y americanas; tales especímenes representan secciones
pequeñas, medianas y grandes. Estos resultados analíticos son comparados satisfactoriamente con los resultados de un análisis
por el “método de los elementos finitos”; esta comparación respalda la precisión de la formulación propuesta. (iii) proveer
ecuaciones para predecir los parámetros para definir la respuesta no-lineal de ECBP; su eficacia es examinada contra datos de
experimentales. Una base de datos y una herramienta en base web fue desarrollada para caracterizar los parámetros de
modelación de ECBP sometidas a momento y fuerza axial de compresión. Un modelo tri-lineal fue adoptado para representar todas
las fases de la respuesta no-lineal de las conexiones.