This thesis focuses on the seismic behaviour of reinforced concrete structures with masonry infills, with particular interest in the development of rational procedures for the design and analysis of this type of structure. The properties of masonry and its constitutive materials were reviewed, giving special emphasis to those aspects which contribute to a better understanding of the strength mechanism. Theoretical procedures were developed for the rational evaluation of the strength of masonry subjected to compressive and shear stresses. A large amount of experimental work related to the behaviour of infilled frames was also reviewed. The main characteristics of the response under lateral loading were discussed for different types of infilled frames and a comprehensive classification of the modes of failure, for both the masonry panel and the surrounding frame, was conducted. In addition, the influence of several parameters which can affect the structural response was evaluated. Two theoretical procedures, with different degree of refinement, are proposed in this study for the analysis of infilled frames. The first procedure is a simple approach, based on the equivalent truss mechanism, which allows the evaluation of the lateral resistance of the infilled frames, considering two different types of failure in the masonry panel, namely, shear-friction and diagonal tension failure. The compressive strength of the diagonal strut is assessed by transforming the shear failure envelope obtained from the modification of the Mann and Muller's theory. This transformation takes into account the inclination of the diagonal strut and neglects the effect of the tensile principal stresses acting on the masonry panel. The second procedure is a refined macroscopic model based on a multi-strut formulation, which is intended to represent more accurately the effect of the masonry panel on the surrounding frame. Since debonding of the mortar joints is the most common type of failure observed in the masonry panel, the formulation of the procedure is specifically developed to represent this situation. The model accounts separately for the compressive and shear behaviour of masonry using a double truss mechanism and a shear spring in each direction. Recommendations are also given for the analysis of infilled frames when a failure due to diagonal tension or crushing of the corners is expected in the panel. A test programme was implemented to investigate the seismic response of infilled frames. The main criterion followed for the design was that the reinforced concrete columns should yield in tension in order to obtain a reasonable ductile response under lateral loading. New reinforcing details were provided in one unit, aimed at enhancing the structural response. These details consisted in tapered beam-column joints with diagonal reinforcement, and additional longitudinal reinforcement in the frame members. The additional bars placed in the columns were not anchored to the foundation in order to produce a weak region at the base of the columns, where most of the plastic deformations were expected to occur. The most important conclusion of the experimental programme is that the response of reinforced concrete frames with masonry infills can be significantly improved by a rational design aimed at reducing the distortion of the masonry panels while plastic deformations arc concentrated in selected regions of the structure. A new design approach is proposed for infillcd frames, in which two cases are considered: cantilever and squat infillcd frames. In the first case, the ductile behaviour is achieved by yielding of the longitudinal reinforcement, which is limited to occur only at the base ofthe columns, and by avoiding large elongations of the remaining parts of the surrounding frame. A pre-cracked connection is induced between the infilled frame and the foundation, where plain round dowels can be placed to control shear sliding. In the second case, ductility is conferred to the structure by allowing controlled sliding of the infillcd frame over the foundation. The applicability of this approach is limited to those cases where the total shear force exceeds the frictional strength of the pre-cracked connection. The effectof pinching of the hysteresis loops in the response of infilled frames subjected to earthquakes was investigated. A parametrie study was conducted using a one-degree-of-freedom oscillator subjected to ground accelerations recorded in five different earthquakes. Results obtained from the dynamic nonlinear analyses indicated that the effect of pinching and the damping model used can significantly influence the response of infilled frames, which normally exhibit a short to medium initial period of free vibration. Therefore, the displacement demand imposed by the earthquake can be larger than that assumed by the seismic codes if they are based on the concept of equal displacement.

Non-ductile Reinforced Concrete Frames (RCF) with and without Unreinforced Masonry (URM) infills can be found in many places around the world including the Western United States, Eastern Europe, Asia and Latin America. These structures can have an unsatisfactory seismic performance which may even lead to collapse due to brittle failure modes. Furthermore, the effect of the infills on the seismic response of the structural system is not always accounted for in analysis and design. At present, there is no consensus on whether masonry infills are beneficial (by increasing the resistance of the system) or detrimental (by leading to brittle failure modes) for RCF construction. This study focuses on the development of a simplified modeling approach for non-ductile RCF with URMI that combines the simplicity of strut-and-tie models with the accuracy of Nonlinear Finite Element Analysis (NLFEA). Despite the fact that NLFEA procedures are the most advanced way to address the structural analysis of RCF with URM infills, their conceptual complexity and computational cost may hinder their widespread adoption as an analysis and design tool. At the same time, simplified methods, such as those based on the equivalent strut concept, may be overly crude and neglect essential aspects of the nonlinear response. To address the need for an adequately accurate, but computationally and conceptually efficient analysis method, this study establishes a novel method for planar RCF with URM infills subjected to lateral loads. The method, which is based on the Nonlinear Truss Analogy (NLTA) is shown to have an accuracy comparable to that of NLFEA. Specifically, the method is shown to adequately capture the strength and stiffness degradation and the damage patterns while entailing a reduced computational cost (compared to that of NLFEA). The proposed method is expected to bridge the gap between overly crude equivalent strut models and computationally expensive NLFEA. / Ph. D.

In this dissertation, the seismic behavior and design of AAC-infilled steel moment frames are investigated systematically. The fundamental vehicle for this investigation is the ATC-63 methodology, which is intended for the establishment of seismic design factors for structural systems. The ATC-63 methodology is briefly reviewed, including the concepts of archetypical structures, design rules and mathematical models simulating the behavior of those archetypes. A limited experimental investigation on the hysteretic behavior of an AAC-infilled steel moment frame is developed, conducted, and discussed. Using the experimental results of that investigation, the draft infill design provisions of the Masonry Standards Joint Committee (MSJC) are extended to AAC infills, and a mathematical model is developed and calibrated to simulate the behavior of AAC infills under reversed cyclic loads. Prior to application of ATC-63 methodology to AAC-infilled steel moment frames, the methodology is applied to an example steel moment frame to demonstrate the methodology and verify understanding of it. Then, archetypical infilled frames to be evaluated by the ATC-63 methodology are developed using a series of pushover analyses. Infill configurations whose total lateral strength in a particular story exceeds about 35% of the lateral strength of the bare frame in that story are observed to provoke story mechanisms in the frame. Based on this observation, archetypical infilled frames are selected conforming to two infill configurations: uniformly infilled frames, and open ground story frames. Each infill configuration includes archetypes whose ratio of infill strength to bare-frame strength at each story is less than 35%, and archetypes whose ratio is greater than 35%. The former archetype is typical of steel moment frames infilled with AAC; the latter archetype is typical of steel moment frames infilled with conventional (clay or concrete) masonry. The ATC-63 methodology, specialized for application to infilled frames, is applied to the archetypical infilled frames developed above. The performance of those archetypical infilled frames is evaluated, and seismic design factors are proposed for AAC-infilled steel moment frames. The extension of this work to other types of infilled frames is discussed. / text

Pseudo-dynamic testing was employed to observe the seismic performance of three different retrofit methods on two story three bay reinforced concrete frame structures. The three test frames have hollow clay tile (HCT) infills in the central bay. All of the test frames represent the seismic deficiencies of the Turkish construction practice such as use of plain reinforcing bars, low strength concrete and insufficient confining steel. Two non-invasive and occupant friendly retrofit schemes suggested in the Turkish Earthquake Code, namely use of Fiber Reinforced Polymers and precast concrete panels integrated on the HCT infills and traditional approach of adding concrete infill wall were employed. Specimens were subjected to three different scale levels of North-South component of Duzce ground motion. Reference specimen experienced severe damage at 100% scale level and reached collapse stage due to the loss of integrity of the infill wall and significant damage on the boundary columns. The retrofitted test structures were able to survive the highest level 140% Duzce ground motion. Test results confirmed the success of the retrofit methods for simulated earthquake loads.

Η ενίσχυση πλαισίων οπλισμένου σκυροδέματος με εμφάτνωση από οπλισμένο σκυρόδεμα αποτελεί μια συχνά χρησιμοποιούμενη και αποτελεσματική μέθοδο για την αύξηση της αντοχής και της δυσκαμψίας. Η πειραματική έρευνα μέχρι στιγμής δεν καλύπτει επαρκώς το πεδίο της ενίσχυσης πλαισίων με φάτνωμα από οπλισμένο σκυρόδεμα και αυτό γιατί έχει διεξαχθεί σε μονώροφα και διώροφα πλαίσια, με πάχος φατνώματος αρκετά μικρότερο από το πλάτος των μελών του υφιστάμενου πλαισίου. Αυτό αποτυπώνεται και στο γεγονός ότι ο Ευρωκώδικας 8 – Μέρος 3 δεν αναφέρεται καθόλου στην προσθήκη εμφατνωμένων τοιχωμάτων. Ο Κανονισμός Επεμβάσεων (Καν.Επε) αναφέρεται στη διαστασιολόγηση των τοιχωμάτων αυτών μόνο σε όρους δυνάμεων και δεν παρέχει μέσα για τον υπολογισμό των χαρακτηριστικών τους παραμορφώσεων και της δυσκαμψίας τους. Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η διερεύνηση της απόκρισης πολυώροφων πλαισίων από οπλισμένο σκυρόδεμα, ενισχυόμενων με εμφατνούμενα τοιχώματα. Πραγματοποιήθηκαν υβριδικές δοκιμές σε τρία 4-όροφα πλαίσια οπλισμένου σκυροδέματος ενισχυμένα με φάτνωμα οπλισμένου σκυροδέματος κλίμακας 1:¾. Παράμετροι διερεύνησης αποτελούν τόσο ο οπλισμός του φατνώματος όσο και η σύνδεση του με το περιβάλλον πλαίσιο, για αυτό τον λόγο εξετάζονται δύο τρόποι σύνδεσης του πλαισίου με το φάτνωμα. Από τα πειραματικά αποτελέσματα προκύπτει ότι η σύνδεση για αμφότερους τους τύπους που εξετάστηκαν οδηγεί σε μονολιθική συμπεριφορά του φατνώματος με τα μέλη του περιβάλλοντος πλαισίου. Για την πιστοποίηση των συμπερασμάτων ακολούθησε εκτεταμένη προσπάθεια εκτέλεσης μη-γραμμικών δυναμικών αναλύσεων της απόκρισης των δοκιμίων χρησιμοποιώντας προσομοιώματα αυξανόμενου βαθμού λεπτομέρειας. Η σύγκριση των πειραμάτικών αποτελεσμάτων με εκείνα τον αναλύσεων έδειξαν ικανοποιητική σύγκλιση. Τέλος, με βάση τα παραπάνω προκύπτει ότι οι ιδιότητες του σύνθετου τοιχώματος μπορούν να υπολογιστούν με όσα ισχύουν κατά Καν.Επε. για μονολιθικό τοίχωμα, εφόσον υιοθετηθούν κατάλληλες παραδοχές. / The construction of reinforced concrete infills is a very effective method for retrofitting multi – storey reinforced concrete buildings. The experimental research to date has conducted only at one or two storey specimens with infill thickness considerably smaller than the width of the members of the existing frame. Because of this lack of knowledge, Eurocode 8 - Part 3 does not cover this technique. The Greek code for Structural Interventions (Kan.Epe.) refers to the dimensioning of these walls only in terms of forces and does not provide means for calculating deformation at yielding and ultimate. The purpose of this study is to investigate the response of multi-storey reinforced concrete frames, retrofitted with reinforced concrete infill walls. Three 4-storey reinforced concrete frames infilled with reinforced concrete were tested at 75%-scale via the hybrid testing method. Parameters of investigation are both the reinforcement of the infill and the connection between the surrounding frame and the infill. Two types of connection were examined. The experimental results show that both connection options lead to a close to monolithic behavior of the specimens and to a favourable flexure-controlled energy absorbing mechanism. From the experimental results deformations characteristics at yielding and ultimate were calculated. The magnitude of these deformations are in good agreement with those predicted for a monolithic wall according to Eurocode 8 and Kan.Epe, if one takes into account the reduced fixed end rotation of the wall at the base of each floor due to the epoxy–grouting of the dowels into the frame members. To verify these conclusions nonlinear dynamic analyses were performed with increasing level of detailing. The comparison of experimental results with those of the analysis showed satisfactory convergence.

Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής διερευνήθηκε – τόσο σε πειραματικό όσο και σε αναλυτικό επίπεδο – η ενίσχυση των τοιχοπληρώσεων σε πλαίσια ΟΣ με μια νέα τεχνική που κάνει χρήση ενός προηγμένου σύνθετου υλικού γνωστού ως «Ινοπλέγματα σε Ανόργανη Μήτρα (ΙΑΜ)». Η τεχνική αυτή αποτελεί εναλλακτική πρόταση ενίσχυσης έναντι άλλων, συμβατικών και μη, τεχνικών και χαρακτηρίζεται από την ευκολία εφαρμογής της, τις εξαιρετικές ιδιότητες του υλικού καθώς και τα συγκριτικά πλεονεκτήματα του τελευταίου έναντι ανταγωνιστικών υλικών για τον ίδιο σκοπό, όπως τα ινοπλισμένα πολυμερή. Για τη διερεύνηση της αποδοτικότητας της νέας τεχνικής σχεδιάσθηκε και εκτελέστηκε ένα πολύπλευρο πειραματικό πρόγραμμα. Αρχικά αναπτύχθηκε ένα νέου είδους αγκύριο με βάση τα πλέγματα ινών, το οποίο δοκιμάσθηκε ως μέσο σύνδεσης μεταξύ στοιχείων τοιχοποιίας και σκυροδέματος. Όπως έδειξαν πειραματικές δοκιμές για τη σύνδεση τοιχοποιίας-στοιχείων σκυροδέματος, τα αγκύρια που αναπτύχθηκαν αποδείχθηκαν επαρκώς αποτελεσματικά ώστε να χρησιμοποιηθούν στο δεύτερο - και κυρίως μέρος - του πειραματικού προγράμματος, το οποίο περιελάμβανε δοκιμές σε τριώροφα τοιχοπληρωμένα πλαίσια. Στα πλαίσια του δεύτερου μέρους του πειραματικού προγράμματος κατασκευάσθηκαν και δοκιμάσθηκαν, σε εντός επιπέδου ανακυκλιζόμενη φόρτιση, δύο τοιχοπληρωμένα πλαίσια μεγάλης κλίμακας (2/3). Το ένα εξ αυτών δοκιμάσθηκε χωρίς να ενισχυθεί και απετέλεσε το δοκίμιο αναφοράς, ενώ το άλλο δοκιμάσθηκε μετά την ενίσχυσή του με μανδύες ΙΑΜ και την υλοποίηση αγκύρωσης/σύνδεσης της τοιχοπλήρωσης με τα περιμετρικά μέλη του πλαισίου. Επιπλέον των δοκιμών κυκλικής φόρτισης, πραγματοποιήθηκαν και δοκιμές ελεύθερης ταλάντωσης για τη μελέτη της επιρροής των τοιχοπληρώσεων – ενισχυμένων και μη – στα δυναμικά χαρακτηριστικά του πλαισίου. Τα αποτελέσματα των δοκιμών στα τριώροφα τοιχοπληρωμένα πλαίσια κατέδειξαν τη συμβολή της νέας τεχνικής στη βελτίωση της απόκρισης του πλαισίου με αύξηση της αντοχής του σε πλευρική φόρτιση, της ικανότητας παραμόρφωσής του και της ικανότητας ανάλωσης ενέργειας. Το τρίτο μέρος της έρευνας επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη αναλυτικού προσομοιώματος, το οποίο βασίσθηκε στη χρήση γραμμικών στοιχείων θλιπτήρα-ελκυστήρα για την προσομοίωση της απόκρισης των τοιχοπληρώσεων (ενισχυμένων και μη). Για τον υπολογισμό των ιδιοτήτων του θλιπτήρα έγινε χρήση αναλυτικών σχέσεων από τη βιβλιογραφία, ενώ για τον υπολογισμό των ιδιοτήτων του ελκυστήρα αναπτύχθηκε κατάλληλη αναλυτική μεθοδολογία. Για τον προσδιορισμό συγκεκριμένων παραμέτρων που απαιτούνταν για το αναλυτικό προσομοίωμα της ενισχυμένης τοιχοπλήρωσης, διεξήχθησαν πρόσθετες δοκιμές και συγκεκριμένα, δοκιμές εφελκυσμού ΙΑΜ, δοκιμές κεντρικής θλίψης τοιχοσωμάτων – ενισχυμένων και μη – και δοκιμές διαγώνιας θλίψης τοιχοσωμάτων – ενισχυμένων και μη. Οι πειραματικά προσδιορισμένες ιδιότητες του υλικού της ενίσχυσης (όπως η εφελκυστική του αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας) καθώς και οι ιδιότητες των τοιχοσωμάτων (όπως η θλιπτική αντοχή, η διατμητική τάση ρηγμάτωσης, το μέτρο ελαστικότητας και το μέτρο διάτμησης) χρησιμοποιήθηκαν ως τιμές των αντίστοιχων παραμέτρων του αναλυτικού προσομοιώματος. Τα παραπάνω στοιχεία ενσωματώθηκαν σε λογισμικό ανοικτού κώδικα για τη μη-γραμμική ανάλυση κατασκευών, στο οποίο τα μέλη του πλαισιακού φορέα (δοκοί και υποστυλώματα) προσομοιώνονται με γραμμικά στοιχεία συγκεντρωμένης ανελαστικότητας στα άκρα τους. Για την προσομοίωση των δύο πειραματικών δοκιμίων (μη ενισχυμένο και ενισχυμένο τοιχοπληρωμένο τριώροφο πλαίσιο) πραγματοποιήθηκαν σειρές αναλύσεων με στόχο την βαθμονόμηση-επαλήθευση του αναλυτικού προσομοιώματος. Βάσει των αναλύσεων προέκυψε ότι το αναλυτικό προσομοίωμα μπορεί να αναπαράγει με καλή ακρίβεια την απόκριση των πειραματικών δοκιμίων. Η διατριβή χωρίζεται σε επτά κεφάλαια. Στο Κεφάλαιο 1 πραγματοποιείται η εισαγωγή στο αντικείμενο της εργασίας και στο πρόβλημα το οποίο επιχειρεί να αντιμετωπίσει. Στο πλαίσιο της περιγραφής του προβλήματος παρουσιάζονται συνοπτικά οι υφιστάμενες τεχνικές αντιμετώπισης, οι οποίες είτε εφαρμόζονται στο πεδίο είτε έχουν διερευνηθεί πειραματικά. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφεται συνοπτικά το υλικό το οποίο χρησιμοποιείται στη νέα τεχνική που αναπτύσσεται στην παρούσα εργασία, δηλαδή τα «Ινοπλέγματα σε Ανόργανη Μήτρα (ΙΑΜ)», μαζί με μία σύντομη ανασκόπηση των ερευνητικών εργασιών της διεθνούς βιβλιογραφίας που κάνουν χρήση των ΙΑΜ σε εφαρμογές ενισχύσεων στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος (ΟΣ) και τοιχοποιίας. Το Κεφάλαιο 3 αποτελεί ένα μικρό κεφάλαιο στο οποίο περιγράφεται εποπτικά το σύνολο του πειραματικού προγράμματος το οποίο χωρίζεται σε τρία μέρη. Το πρώτο μέρος παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 4 και διερευνά τη σύνδεση μεταξύ μελών ΟΣ και τοιχοποιίας μέσω ΙΑΜ και ειδικά διαμορφούμενων αγκυρίων ινών. Στο Κεφάλαιο 5, το οποίο αποτελεί τον κορμό της παρούσας εργασίας, παρουσιάζεται το δεύτερο μέρος του πειραματικού προγράμματος που αποτελείται από δοκιμές σε τριώροφα τοιχοπληρωμένα πλαίσια μεγάλης κλίμακας. Η περιγραφή του τρίτου μέρους του πειραματικού προγράμματος, το οποίο περιλαμβάνει συμπληρωματικές δοκιμές για την υποστήριξη των αναλύσεων, ενσωματώνεται στο Κεφάλαιο 6 μαζί με την περιγραφή του αναλυτικού προσομοιώματος και των αριθμητικών αναλύσεων. Τέλος, στο Κεφάλαιο 7 πραγματοποιείται η σύνοψη της εργασίας και η παράθεση των συμπερασμάτων που προκύπτουν από αυτή. / The subject of the present thesis is the experimental and analytical investigation of strengthening masonry infilled reinforced concrete (RC) frames with Textile-Reinforced Mortar (TRM). The proposed strengthening technique comprises the application of externally applied TRM layers on the infills surfaces and the connection to the surrounding RC frame members. TRM is a composite material which comprise fibers in form of textiles in combination with inorganic matrices (such as cement based mortars). The experimental campaign includes tests on small-scale specimens (i.e. masonry subassemblies) as well as on large-scale specimens (3-story masonry infilled RC frames). In the framework of the first part of the experimental campaign different methods of masonry infill-concrete connection are examined by developing and testing textile-based anchors. The parameters under investigation include mainly the type of boundary conditions at the masonry-concrete interface, the geometry and fiber volume of anchors and the type and number of layers of the textile. It is concluded that the anchors developed in this study enable the transfer of substantial tensile forces between masonry and concrete. The second part of the experimental campaign includes the application of TRM on nearly full-scale, as-built and retrofitted, 3-storey frames, subjected to in-plane cyclic loading. The results of testing a 2:3 scale, as-built frame representing typical structures with non-seismic design and detailing characteristics and of a companion frame retrofitted via TRM jacketing are compared in terms of the efficiency of the proposed technique to enhance the strength and deformation characteristics. Additionally, in order to determine the dynamic characteristics of the frames free vibration tests are performed in three different stages of their construction (bare frame; infilled-frame; retrofitted-infilled frame). It is concluded that the proposed strengthening technique is very effective in increasing the lateral strength, the deformation capacity, the initial elastic stiffness as well as the dissipating energy of the infilled frames. The last part of the thesis presents an analytical approach for modeling the behavior of TRM-retrofitted infilled RC frames under seismic loading. The model falls into the discrete diagonal-element type and is based on the use of a single-strut and single-tie elements to represent the infill panel and it builds on the results of the experimental campaign. The model is implemented in a nonlinear finite-element code, with the parameters of the diagonal elements being determined from a series of tests on TRM coupons and masonry specimens. The results of the numerical analyses are compared with the experimental data and is concluded that the model adequately accounts for the TRM-strengthening contribution to the global response of masonry-infilled frames.