141
DISPLACEMENTBASED SEISMIC REHABILITATION OF NONDUCTILE RC FRAMES WITH ADDED SHEAR WALLS A THESIS SUBMITTED TO THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES OF THE MIDDLE EAST TECHNICAL UNIVERSITY BY CAN KARAGEYİK IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF MASTER OF SCIENCE IN THE DEPARTMENT OF CIVIL ENGINEERING FEBRUARY 2010

displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

  • Upload
    lenhu

  • View
    234

  • Download
    3

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

    

DISPLACEMENT‐BASED SEISMIC REHABILITATION OF NON‐DUCTILE RC FRAMES WITH ADDED SHEAR WALLS 

    

A THESIS SUBMITTED TO THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES 

OF THE MIDDLE EAST TECHNICAL UNIVERSITY 

    

BY     

CAN KARAGEYİK     

IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF MASTER OF SCIENCE 

IN THE DEPARTMENT OF CIVIL ENGINEERING 

    

FEBRUARY 2010   

Page 2: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

Approval of the thesis:   

DISPLACEMENT‐BASED SEISMIC REHABILITATION OF NON‐DUCTILE RC FRAMES WITH ADDED SHEAR WALLS 

    

Submitted by CAN KARAGEYİK in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Civil Engineering Department, Middle East Technical University by,   Prof. Dr. Canan Özgen                           __________________ Dean, Graduate School of Natural and Applied Sciences  Prof. Dr. Güney Özcebe                                   __________________ Head of Department, Civil Engineering  Prof. Dr. Haluk Sucuoğlu                      __________________ Supervisor, Civil Engineering Dept., METU    Examining Committee Members:  Assoc. Prof. Dr. Ahmet Yakut                                   __________________ Civil Engineering Dept., METU   Prof. Dr. Haluk Sucuoğlu                      __________________ Civil Engineering Dept., METU  Assoc. Prof. Dr. Barış Binici                        __________________ Civil Engineering Dept., METU  Asst.Prof. Dr. Murat Altuğ Erberik                    __________________ Civil Engineering Dept., METU  M.S. Joseph Kubin                        __________________ PROTA                  DATE:              ____05/02/2010_____

Page 3: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

iii

                        I hereby declare that all information in this document has been obtained and presented in accordance with academic rules and ethical conduct. I also declare that, as required by these rules and conduct, I have fully cited and referenced all material and results that are not original to this work.  

Name, Last name: Can KARAGEYİK 

Signature:   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 4: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

iv

ABSTRACT 

 

DISPLACEMENT‐BASED SEISMIC REHABILITATION OF  

NON‐DUCTILE RC FRAMES WITH ADDED SHEAR WALLS 

 

Karageyik, Can 

M.S., Department of Civil Engineering 

Supervisor: Prof. Dr. Haluk Sucuoğlu 

 

February 2010, 126 pages 

 

Non‐ductile  reinforced  concrete  frame  buildings  constitute  an  important  part  of  the 

vulnerable buildings  in seismic  regions of  the world. Collapse of non‐ductile multi story 

concrete buildings during strong earthquakes in the past resulted in severe casualties and 

economic  losses.  Their  rehabilitation  through  retrofitting  is  a  critical  issue  in  reducing 

seismic risks worldwide.  

 

A  displacement‐based  retrofitting  approach  is  presented  in  this  study  for  seismic 

retrofitting of medium height non‐ductile  concrete  frames. A minimum amount of  shear 

walls are added for maintaining the deformation levels below the critical level dictated by 

the existing columns in the critical story, which is usually at the ground story. Detailing of 

shear walls are based on conforming to the reduced deformation demands of the retrofitted 

frame/wall  system. Member‐end  rotations  are  employed  as  the  response  parameters  for 

performance  evaluation.  Initial  results  obtained  from  the  proposed  displacement  based 

approach have revealed that jacketing of columns and confining the end regions of added 

shear walls are usually unnecessary compared  to  the conventional  force‐based approach, 

where  excessive  force  and  deformation  capacities  are  provided  regardless  of  the  actual 

deformation demands.  

 

Keywords: displacement‐based design, retrofit, shear walls, reinforced concrete frame 

Page 5: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

v

ÖZ 

 

SÜNEK OLMAYAN BETONARME ÇERÇEVELERİN DEPREME KARŞI 

PERDE DUVARLARLA DEPLASMAN ESASLI GÜÇLENDİRİLMESİ 

 

Karageyik, Can 

Yüksek Lisans, İnşaat Mühendisliği Bölümü 

Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Haluk Sucuoğlu 

 

Şubat 2010, 126 sayfa 

 

Dünyanın depremselliği yüksek  bölgelerindeki depreme  karşı  riskli  yapıların  önemli  bir 

kısmını sünek olmayan betonarme çerçeveli binalar oluşturmaktadır. Sünek olmayan çok 

katlı betonarme binaların geçmişteki depremlerde yıkılması ağır can ve mal kayıplarına yol 

açmıştır.  Bu  tür  yapıların  depreme  karşı  güçlendirilmesi  deprem  riskini  azaltmak 

bakımından tüm dünya için önemli bir meseledir. 

 

Bu  çalışmada,  orta  yükseklikteki  betonarme  çerçevelerden  oluşan  binaların 

güçlendirilmesine  deplasman  esaslı  bir  yaklaşım  sunulmuştur.  En  az miktarda  eklenen 

perde  duvarlar  şekil  değiştirme  seviyelerini  genellikle  kritik  olan  zemin  kattaki mevcut 

kolonların  dikte  ettiği  seviyeye  indirmek  için mevcut  sisteme  eklenir.  Perde  duvarların 

donatılandırılması duvar‐çerçeve sisteminin azaltılmış şekil değiştirme istemlerini esas alır. 

Eleman  uçlarındaki  dönmeler  ise  performans  değerelendirilmesinde  kullanılır. Önerilen 

deplasman esaslı yöntem ile şekil değiştirme istemlerini gözardı ederek aşırı yük taşıma ve 

şekil  değiştirme  kapasitelerinin  sağlandığı  geleneksel  kuvvet  esaslı  yöntemlerin 

karşılaştırılması,  mevcut  kolonların  betonarme  mantolarla  sarılmasının  ve  güçlendirme 

perdelerinde  sarılmış  uç  bölgesi  oluşturulmasının  genellikle  gereksiz  olduğunu 

göstermiştir. 

 

Anahtar  kelimeler:  deplasman  esaslı  tasarım,  güçlendirme,  perde  duvar,  betonarme 

çerçeve 

Page 6: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

vi

   

                

To my family                   

 

Page 7: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

vii

 

ACKNOWLEDGEMENTS 

 

 

I wish  to express my sincere appreciation  to my supervisor Prof. Dr. Haluk Sucuoğlu  for 

his support, guidance and insights throughout the study. 

 

Mr. Ali Şengöz and Dr. Selim Günay are highly acknowledged for their priceless support 

and guidance in the thesis study. 

 

I would  like to thank my friends Mr. Efe Gökçe Kurt, Mr. Emre Özkök, and Mr. Mehmet 

Emrah Eryaşar for their sincere friendship and communion. 

 

My  family deserves my deepest gratitude  for  their complimentary devotion, endless  love 

and intimate concern. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 8: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

viii

 

TABLE OF CONTENTS 

  

 

ABSTRACT ....................................................................................................................................... iv 

ÖZ........................................................................................................................................................ v 

ACKNOWLEDGEMENTS.............................................................................................................vii 

TABLE OF CONTENTS ................................................................................................................viii 

LIST OF TABLES............................................................................................................................... x 

LIST OF FIGURES............................................................................................................................ xi 

CHAPTER 

1 INTRODUCTION .......................................................................................................................... 1 

1.1. Statement of the Problem.......................................................................................................... 1 

1.2. Review of Past Studies............................................................................................................... 2 

1.3. Objective and Scope................................................................................................................... 8 

2 A DISPLACEMENT‐BASED RETROFIT DESIGN METHODOLOGY FOR SEISMIC 

REHABILITATION......................................................................................................................... 10 

2.1. Uniform Drift Approach ......................................................................................................... 10 

2.1.1. Preliminary Retrofit Design................................................................................................. 12 

2.1.2. Target Displacement Demand............................................................................................. 12 

2.1.3. Member Deformation Demands ......................................................................................... 15 

2.1.4. Member Deformation Capacities ........................................................................................ 17 

2.1.5. Final Retrofit Design............................................................................................................. 18 

2.1.6. Checking The Failure Modes............................................................................................... 19 

2.2. Implementation of the Proposed Methodology on an Example Frame............................ 19 

2.2.1. Displacement‐Based Retrofitting of The Existing Frame................................................. 23 

3 VERIFICATION OF THE DISPLACEMENT‐BASED RETROFIT DESIGN 

METHODOLOGY........................................................................................................................... 28 

3.1. Verification of Retrofit Design and Uniform Drift Approach............................................ 29 

3.2. Force‐Based Retrofit Solution ................................................................................................. 33 

3.3. Comparison of Force‐Based and Displacement‐Based Retrofit Solutions........................ 36 

Page 9: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

ix

4 CASE STUDY I ‐ SEISMIC REHABILITATION OF A FOUR STORY SCHOOL BUILDING

........................................................................................................................................................... 40 

4.1. Existing Case of the Building.................................................................................................. 40 

4.2. Implementation of the Retrofit Design Methodology The Verification of Design.......... 50 

4.3. Verification of the Proposed Retrofit Design Methodology............................................... 59 

4.4. Force‐Based Rehabilitation of the Building .......................................................................... 72 

4.5. Comparison of Displacement‐Based and Force‐Based Retrofit Solutions........................ 73 

5 CASE STUDY II ‐ SEISMIC REHABILITATION OF A FOUR STORY DORMITORY 

BUILDING ....................................................................................................................................... 77 

5.1. Existing Case of the Building.................................................................................................. 77 

5.2. Implementation of the Retrofit Design Methodology......................................................... 87 

5.3. Verification of the Proposed Retrofit Design Methodology............................................... 96 

5.4. Force‐Based Rehabilitation of The Building ....................................................................... 110 

5.5. Comparison of Displacement‐Based and Force‐Based Retrofit Solutions...................... 111 

6 DISCUSSION OF RESULTS AND CONCLUSIONS............................................................. 115 

6.1. Discussion of Results ............................................................................................................. 115 

6.1.1. Uniform Drift Analysis vs. Pushover Analysis............................................................... 115 

6.1.2. Displacement‐Based Retrofit Solutions vs. Force‐Based Retrofit Solutions................ 117 

6.1.3. Modeling of the Shear Walls as Fixed‐Base and Flexible‐Base ..................................... 120 

6.2. Conclusions............................................................................................................................. 122 

REFERENCES................................................................................................................................ 124 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 10: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

x

 

LIST OF TABLES 

 

 

 

TABLES 

Table 2.1 Material strain limits for unconfined member sections used in chord rotation 

capacity calculations ....................................................................................................................... 18 

Table 3.1 Global seismic performances of existing and retrofitted cases of the frame .......... 31 

Table 3.2 Global seismic performances of the retrofitted frame ............................................... 34 

Table 4.1 Global performance of the existing building .............................................................. 50 

Table 4.2 Global performance of the retrofitted building.......................................................... 64 

Table 5. 1 Global performance of the existing building ............................................................. 87 

Table 5.2 Global performance of the retrofitted building........................................................ 100 

Table 6.1 Comparison of reinforcement ratios according to displacement and force‐based 

designs ............................................................................................................................................ 119 

Table 6.2 Comparison of moment capacities of the walls designed according to 

displacement‐based and force‐based approaches .................................................................... 120 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 11: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

xi

 

 

LIST OF FIGURES 

 

 

FIGURES 

Figure 2.1 Acceleration displacement response spectrum representation .............................. 14 

Figure 2.2 Imposed deflected shape ............................................................................................. 15 

Figure 2.3 Calculation of chord rotations from joint displacements for linear elastic 

structural members ......................................................................................................................... 16 

Figure 2.4 Plan view of the example building............................................................................. 20 

Figure 2.5 2D frame model of the example building.................................................................. 20 

Figure 2.6 Section details of a typical column and beam........................................................... 21 

Figure 2.7 Damage levels of the columns .................................................................................... 22 

Figure 2.8 Damage levels of the beams ........................................................................................ 22 

Figure 2.9 Plan view of the retrofitted case of the example building....................................... 23 

Figure 2.10 2D frame model of the retrofitted case of the example building.......................... 23 

Figure 2.11 Reinforcement detailing of the retrofit shear wall ................................................. 25 

Figure 2.12 Moment‐Curvature curve of the retrofit shear wall given in Figure 2.11........... 25 

Figure 2.13 Strain distirbution of composite shear wall section ............................................... 26 

Figure 2.14 Chord rotation demands vs. chord rotation capacities of columns ..................... 26 

Figure 3.1 Capacity curves of the existing and displacement‐based retrofitted frames........ 29 

Figure 3.2 Plastic hinge distributions along the existing and retrofitted buildings at the 

performance points ......................................................................................................................... 30 

Figure 3.3 Damage levels of the columns .................................................................................... 31 

Figure 3.4 Damage levels of the beams ........................................................................................ 32 

Figure 3.5 a. Displacement, b. interstory drift distributions of the existing and retrofitted 

frames predicted with uniform drift and pushover analyses ................................................... 32 

Figure 3.6 Chord rotation demands of  the columns.................................................................. 33 

Figure 3.7 Design and code spectra for an earthquake having 2 % probability of exceedance 

in 50 years......................................................................................................................................... 35 

Page 12: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

xii

Figure 3.8 Moment envelope used in shear wall design............................................................ 36 

Figure 3.9 Shear wall detailing according to displacement‐based and force‐based retrofit 

designs .............................................................................................................................................. 37 

Figure 3.10 Axial force‐moment interaction diagrams according to displacement‐based and 

force‐based retrofit designs............................................................................................................ 38 

Figure 3.11 Moment‐curvature diagrams of force‐based and displacement‐based design 

solutions or the shear wall P1........................................................................................................ 38 

Figure 3.12 Capacity curves of force‐based and displacement‐based retrofitted frames...... 39 

Figure 4.1 3D Mathematical model of the four story existing school building ...................... 41 

Figure 4.2 Plan view of the four story existing school building ............................................... 41 

Figure 4.3 Capacity curves of the existing building ................................................................... 42 

Figure 4.4 Damage levels of the columns in the X direction loading....................................... 43 

Figure 4.5 Damage levels of the beams in the X direction loading .......................................... 45 

Figure 4.6 Damage levels of the columns in the Y direction loading....................................... 46 

Figure 4.7 Damage levels of the beams in the Y direction loading .......................................... 48 

Figure 4.8 3D Mathematical model of the retrofitted four story school building .................. 50 

Figure 4.9 Plan view of the retrofitted building.......................................................................... 51 

Figure 4.10 i. Story displacements, ii. Interstory drift distributions in X direction................ 52 

Figure 4.11 i. Story displacements, ii. Interstory drift distributions in Y direction................ 52 

Figure 4.12 Comparison of chord rotation demands and capacities for columns in the X 

direction for significant damage performance level................................................................... 53 

Figure 4.13 Comparison of chord rotation demands and capacities for columns in the Y 

direction for significant damage performance level................................................................... 55 

Figure 4.14 Moment curvature analysis of shear wall TP01...................................................... 58 

Figure 4.15 Detailing of TP01......................................................................................................... 58 

Figure 4.16 Moment curvature analysis of shear wall TP05...................................................... 58 

Figure 4.17 Detailing of TP05......................................................................................................... 59 

Figure 4.18 Capacity curves of the retrofitted and existing buildings..................................... 59 

Figure 4.19 i. Story displacements, ii. Interstory drift distributions in X direction................ 60 

Figure 4.20 i. Story displacements, ii. Interstory drift distributions in Y direction................ 60 

Figure 4.21 Chord rotation demands of the columns in the X direction loading................... 61 

Page 13: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

xiii

Figure 4.22 Chord rotation demands of the columns in the Y direction loading................... 62 

Figure 4.23 Damage levels of the columns in the X direction loading..................................... 64 

Figure 4.24 Damage levels of the beams in the X direction loading ........................................ 66 

Figure 4.25 Damage levels of the shear walls in the X direction loading................................ 68 

Figure 4.26 Damage levels of the columns in the Y direction ................................................... 69 

Figure 4.27 Damage levels of the beams in the Y direction....................................................... 69 

Figure 4.28 Damage levels of the shear walls in the Y direction loading................................ 71 

Figure 4.29 Plan view of the force‐based retrofitted building .................................................. 72 

Figure 4.30 Detailing of the shear wall TP01 according to the displacement‐based and force‐

based designs................................................................................................................................... 74 

Figure 4.31 P‐M Interaction diagrams of the shear wall TP01 according to the displacement‐

based and forced‐based designs ................................................................................................... 74 

Figure 4.32 Detailing of the shear wall TP05 according to the displacement‐based and force‐

based designs................................................................................................................................... 75 

Figure 4.33 P‐M Interaction diagrams of the shear wall TP05 according to the displacement‐

based and forced‐based designs ................................................................................................... 75 

Figure 4.34 Capacity curves of the retrofitted building according to displacement‐based and 

force‐based approaches .................................................................................................................. 76 

Figure 5.1 3D Mathematical model of the four story existing dormitory building................ 78 

Figure 5.2 Plan view of the four story existing dormitory building ........................................ 78 

Figure 5.3 Capacity curves of the existing building ................................................................... 79 

Figure 5.4 Damage levels of the columns in the X direction loading....................................... 80 

Figure 5.5 Damage levels of the beams in the X direction loading .......................................... 82 

Figure 5.6 Damage levels of the columns in the Y direction loading....................................... 83 

Figure 5.7 Damage levels of the beams in the Y direction loading .......................................... 85 

Figure 5.8 3D Mathematical model of the four story retrofitted dormitory building............ 87 

Figure 5.9 Plan view of the retrofitted building.......................................................................... 88 

Figure 5.10 i. Story displacements, ii. Interstory drift distributions in X direction................ 89 

Figure 5.11 i. Story displacements, ii. Interstory drift distributions in Y direction................ 89 

Figure 5.12 Comparison of chord rotation demands and capacities for columns in the X 

direction for significant damage performance level................................................................... 90 

Page 14: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

xiv

Figure 5.13 Comparison of chord rotation demands and capacities for columns in the Y 

direction for significant damage performance level................................................................... 92 

Figure 5.14 Moment curvature analysis of shear wall P4.......................................................... 95 

Figure 5.15 Detailing of P4............................................................................................................. 95 

Figure 5.16 Moment curvature analysis of shear wall P1.......................................................... 95 

Figure 5.17 Detailing of P1............................................................................................................. 95 

Figure 5.18 Capacity curves of the retrofitted and existing buildings..................................... 96 

Figure 5.19 i. Story displacements, ii. Interstory drift distributions in X direction................ 97 

Figure 5.20 i. Story displacements, ii. Interstory drift distributions in Y direction................ 97 

Figure 5.21 Chord rotation demands of the columns in the X direction loading................... 97 

Figure 5.22 Chord rotation demands of the columns in the Y direction loading................... 99 

Figure 5.23 Damage levels of the columns in the X direction loading................................... 101 

Figure 5.24 Damage levels of the beams in the X direction loading ...................................... 103 

Figure 5.25 Damage levels of the shear walls in the X direction loading.............................. 105 

Figure 5.26 Damage levels of the columns in the Y direction loading................................... 105 

Figure 5.27 Damage levels of the beams in the Y direction loading ...................................... 107 

Figure 5.28 Damage levels of the shear walls in the Y direction loading.............................. 109 

Figure 5.29 Plan view of the force‐based retrofitted building ................................................ 110 

Figure 5.30 RC jacket detail of the column 1S17 ....................................................................... 111 

Figure 5.31 Detailing of the shear wall P4 according to the displacement‐based and force‐

based designs................................................................................................................................. 112 

Figure 5.32 P‐M Interaction diagrams of shear wall P4 according to displacement‐based and 

forced‐based designs .................................................................................................................... 112 

Figure 5.33 Detailing of the shear wall TP05 according to displacement‐based and force‐

based designs................................................................................................................................. 113 

Figure 5.34 P‐M Interaction diagrams of the shear wall P1 according to displacement‐based 

and forced‐based designs............................................................................................................. 113 

Figure 5.35 Capacity curves of the retrofitted building according to displacement‐based and 

force‐based approaches ................................................................................................................ 114 

Figure 6.1 Chord rotation demands at the shear wall bases calculated from uniform drift 

and pushover analyses ................................................................................................................. 116 

Page 15: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

xv

Figure 6.2 Footing under the new shear walls in plan............................................................. 118 

Figure 6.3 Chord rotation demands calculated from the uniform drift and the pushover 

analyses for the retrofitted case of the example building with spring................................... 121 

Figure 6.4 Chord rotation demands and capacities calculated from the uniform drift and the 

pushover analyses for the retrofitted case of the example building with spring................. 122 

 

Page 16: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

1

 

 

CHAPTER 1 

 

 

INTRODUCTION 

 

 

 

1.1 Statement of the Problem 

 

Non‐ductile  reinforced  concrete  frame  buildings  constitute  an  important  part  of  the 

vulnerable buildings in seismic regions of the world. Sub‐standard buildings cannot satisfy 

the  basic  safety  requirements  of modern  seismic  codes  because  of  insufficient material 

strength, poor detailing and lack of seismic design which eventually lead to brittle response 

under seismic effects. Collapse of non‐ductile multi story concrete buildings during strong 

earthquakes in the past resulted in severe casualties and economic losses. 

 

The rehabilitation of non‐ductile concrete buildings through retrofitting is a critical issue in 

reducing  seismic  risks worldwide.  Retrofitting  of  these  buildings  in  the  past  had  been 

mostly  based  on  adding  new  reinforced  concrete  shear walls. New walls  improve  base 

shear  capacity of  existing  frame  system  as well  as  increasing  lateral  rigidity.  Increase  in 

both  lateral  load  capacity  and  lateral  stiffness  results  in  decreasing  the  deformation 

demands. Transition from shear frame behavior into shear wall behavior is another feature 

that further reduces the demands on existing columns at the lower stories.  This is indeed a 

rational approach because the alternative approach of increasing the deformation capacity 

of  a  non‐ductile  frame  system  composed  of  non‐ductile  structural members  is  usually 

unpractical and uneconomical. 

 

Page 17: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

2

In  the  conventional  force‐based  retrofitting  of  non‐ductile RC  frame  buildings  in  severe 

seismic  regions,  a preliminary  retrofit design  is made  first by  adding  shear walls  to  the 

existing  frame  structure.  Then  a  response  reduction  factor  is  assumed  for  the  entire 

retrofitted building based on  the code  recommendations, and  internal member  forces are 

calculated accordingly under the gravity and seismic design forces reduced by the response 

reduction factor. The capacity of the existing structural members are checked under these 

reduced  forces,  and  increased  if  necessary  by  proper  interventions. New members  are 

designed  for  the  capacities  exceeding  the  internal  force demands under  reduced  seismic 

forces.  Finally,  ductility  requirements  conforming  to  the  employed  response  reduction 

factor  are  implicitly  satisfied  by  providing  special  seismic  detailing.  This  detailing 

primarily consists of confining the critical end regions of columns, beams, and shear walls, 

without considering however whether such deformation capacity  is deemed necessary or 

not. 

 

Utilization of displacement‐based seismic design principles is the alternative approach for 

retrofit design. This approach basically relies on estimation of peak  inelastic deformation 

demands on existing components. 

 

1.2 Review of Past Studies 

 

Fundamentals of  the displacement based seismic design date back  to 1960’s with notable 

studies  of Veletsos  and Newmark  (1960)  and Muto,  et  al.  (1960). Although  any  design 

recommendation was not stated in these studies, adequacy of structures was examined in 

terms  of  displacements  and  displacement  ductility with  the  help  of  equal  displacement 

principle. Moehle (1992) compared ductility‐based and displacement‐based approaches to 

present a general methodology  for displacement based design.  In his study  it was stated 

that  displacement‐based  approach  is  a  more  effective  design  tool  since  it  employs 

displacement  or  deformation  information  directly.  Furthermore  in  his  study  a  relation 

between  drift  ratio  and  shear  wall  detailing  was  established.  It  was  suggested  that  if 

shearwalls are sufficient  to  limit  the drift  ratio  to a certain value, confined  regions at  the 

wall boundaries may be unnecessary. 

Page 18: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

3

Wallace and Thomsen (1995) published a two‐part study  in which a new code format for 

seismic design of reinforced concrete structural walls and its applications were presented. 

A  displacement‐based  approach  was  developed  in  order  to  determine  the  transverse 

reinforcement amount at the boundaries of shear walls having rectangular, T‐shaped and 

L‐shaped cross sections. Amount of transverse reinforcement required was determined by 

computing a strain distribution normal to the wall section in which maximum compressive 

strain at  extreme  concrete  fiber  (Wallace,  1994) was  estimated.  It was  concluded  that no 

special  transverse  reinforcement  is  required  at  wall  boundaries  if  the  maximum 

compressive  strain  at  the  outermost  concrete  fiber  is  less  than  0.004.  Through  the 

application part of the study, design calculations were accomplished for two different ten 

story shear wall buildings. 

 

Priestley  (1997)  studied  a  displacement‐based  seismic  assessment  procedure  which 

employed effective stiffness and effective viscous damping of existing reinforced concrete 

structures.  In his  study,  flexural  capacities of plastic hinges, which  are  likely  to  form  at 

member ends, were calculated. In determining flexural capacities, strain‐based limit states 

were suggested. 

 

In addition to displacement‐based design and assessment of reinforced concrete structures, 

effects of shear walls installed to the existing systems were investigated. Kongoli, Minami, 

and Sakai  (1999) examined  the effect of structural walls on  the elastic‐plastic  response of 

frame‐wall buildings. Base shear coefficients of frames and walls were introduced together 

with response ductility  factors  to express structural damage. Base shear coefficients were 

defined as  the  ratio of yield  strength  to  the weight of building. Effects of  the number of 

walls  on  the  elastic‐plastic  response  of  frame‐wall  buildings were  additionally  stated.  It 

was  concluded  that  as  the  number  of walls  increases  in  a  system  in which  base  shear 

coefficients of frames are relatively small and walls fail in shear, frame may undergo a large 

plastic  deformation.  In  addition,  empirical  formulas  were  suggested  to  estimate  the 

required  base  shear  coefficients  of  frames  and walls  to  satisfy  predefined  displacement 

responses. 

 

Page 19: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

4

Panagiotakos  and  Fardis  (1999)  attempted  to  estimate  inelastic  chord  rotation  demands 

from  elastic  analysis  procedures  namely  equivalent  static  or  multi  modal  response 

spectrum analysis in which reinforced concrete members were considered with their secant 

stiffnesses. Mean  and  95 percent  characteristic values of  chord  rotations were  calculated 

from both linear and nonlinear analyses to be compared. It was concluded that conversion 

factors around one could be introduced for closer estimations of nonlinear chord rotations. 

Theory of the study lies beneath well known equal‐displacement rule and the assumption 

of  fundamental  period  of  cracked  elastic mid  rise  reinforced  concrete  buildings  falling 

beyond the corner period of response spectrum. Panagiotakos and Fardis (1999) published 

a  further  study  on  the deformation  controlled  earthquake  resistant design  of  reinforced 

concrete  buildings  based  on  the  findings  of  their  former  research.  Aiming  life  safety 

performance, a four story reinforced concrete building was designed to meet peak inelastic 

member deformation demands which were estimated through elastic procedures. Inelastic 

deformation demands were defined as  chord  rotations. Besides,  the demand expressions 

were proposed  for  chord  rotation  capacities. Results  of monotonic  and  cyclic  tests were 

employed to introduce these expressions. In design, 5% characteristic values of expressions 

were  preferred.  It  was  finally  stated  that  employing  a  displacement  design  procedure 

results in economic solutions in terms of significant savings in reinforcement. 

 

Kowalsky  (2001)  examined  force‐based  seismic  provisions  of  the  1997  UBC  from 

performance  based  earthquake  engineering point  of  view. His  study mainly  focused  on 

structural wall design. It was noted that UBC introduces strain and drift based deformation 

limits  in structural wall design. To  investigate  the  force‐based design methods of UBC, a 

number of mid rise reinforced concrete buildings were designed following UBC provisions 

and  analyzed.  It  was  concluded  through  the  analyses  that  strength  and  stiffness  are 

dependent on each other, and required base shear capacity for displacement‐based design 

increases as the stiffness decreases. Moreover significance of well predicted peak  inelastic 

deformation demands was emphasized in order to use strain limits as damage limit states. 

 

Seismic response of structural walls defined with bilinear force‐displacement relationships 

was  studied by Paulay  (2001).  In  this  sense analytical  expressions  for  stiffness and yield 

Page 20: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

5

displacement  profile  of  wall  components  were  established.  As  an  essential  aspect  of 

displacement‐based  seismic  design,  significance  of  the  reliable  estimation  of  ultimate 

inelastic deformation demands was emphasized. Ductility capacities both at the component 

and  system  levels  were  examined  from  the  perspective  of  limiting  strains  and 

displacements. It was concluded that displacement ductility demands can be related with 

displacement  ductility  capacities  with  the  help  of  yield  displacements  of  critical 

components. 

 

A  methodology  for  direct  displacement‐based  design  of  frame‐wall  structures  was 

proposed  by  Sullivan,  Priestley,  and  Calvi  (2006).  The  methodology  starts  with 

computation  of  design  displacement  profile.  In  this  sense  equivalent  single  degree  of 

freedom  system  properties were  determined  to  obtain wall  inflection  height.  Then,  the 

substitute structure approach (Gulkan and Sozen, 1974; Shibata and Sozen, 1976) was used 

to  obtain  effective period  and  stiffness. Equivalent  viscous damping was determined  as 

another substitute structure characteristic  in order to reach design ductility values. It was 

emphasized that high curvature ductility demands are likely to develop at the joining ends 

of  link beams  to  shearwalls. Design displacement profile was  then computed by making 

use of  equivalent  single degree of  freedom  system properties, wall  inflection height and 

yield  deformation  capacities  of walls  and  frames.  Final  step was  stated  as  to  compute 

design base shear and member strength demands.  

 

Tjhin,  Aschheim,  and  Wallace  (2006)  presented  a  paper  in  which  a  step‐by‐step 

performance‐based  seismic  design  procedure  was  proposed.  Proposed  procedure  for 

ductile  reinforced  concrete  structural  wall  buildings  relies  on  estimation  of  the  yield 

displacement  through Yield  Point  Spectra  (YPS). YPS was  used  either  for  estimation  of 

peak  displacement  demand  of  an  equivalent  single  degree  of  freedom  system  having  a 

known yield point and ductility demand, or determination of the yield strength required to 

meet  performance  objectives.  YPS  can  be  constructed  for  code  spectrum  representing 

different performance limits or for particular ground motion records. In this study a design 

example  was  also  presented,  in  which  a  six  story  reinforced  concrete  building  was 

designed by employing the proposed method. 

Page 21: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

6

Another  study  making  use  of  YPS  was  conducted  by  Thermou,  Pantazopoulou,  and 

Elnashai  (2006).  This  study  utilizes YPS  together with  direct  displacement‐based  design 

approach  for  seismic  rehabilitation  of  existing  reinforced  concrete  buildings.  Seismic 

behavior of existing buildings was manipulated  in order  to have uniform distribution of 

interstory  drift.  Proposed methodology was  explained  in  steps.  Throughout  these  steps 

most remarkable ones can be summarized as the selection of a target response shape and 

ductility  level  together with determination of  stiffness demand  through YPS. To achieve 

the selected  target response shape, computed stiffness demand was distributed along  the 

height  of  the  building. Rehabilitation  scenario was  then determined  in  compliance with 

target  response  shape and  stiffness demand. As verification of  the procedure a  full  scale 

tested structure was used. 

 

Additionally,  seismic design  and  rehabilitation  guidelines  are  reviewed  herein  from  the 

perspective  of  performance‐based  seismic  design.  In  ATC‐40  Seismic  Evaluation  and 

Retrofit of Concrete Buildings  (1996), determination of  inelastic seismic demands being a 

crucial step of performance‐based seismic design was suggested to be calculated through a 

method  known  as  The  Capacity  Spectrum method which was  originally  developed  by 

Freeman et al., (1975). Following The Capacity Spectrum method, displacement demand of 

the  structure  is  estimated  by  comparing  capacity  curve with  a demand  curve. Capacity 

curve is basically force‐displacement relationship of the structure obtained by conducting a 

nonlinear static analysis. On the other hand the demand curve is computed by reducing the 

elastic spectrum in view of the expected hysteretic nonlinear behavior. 

 

An alternative approach known as The Coefficient Method  for determination of  inelastic 

seismic demands is presented in FEMA 356 Prestandard and Commentary for the Seismic 

Rehabilitation of Buildings (2000).   The Coefficient Method simply employs coefficients in 

order to convert maximum elastic displacement demand of an equivalent single degree of 

freedom system representing a multi degree of freedom system into the maximum inelastic 

displacement  demand.  Coefficients  simply  stand  for  modal  participation,  nonlinearity, 

hysteretic behavior,  and P‐Δ  effects. FEMA  356  additionally  covers  linear  and nonlinear 

procedures for rehabilitation of existing reinforced concrete structures. Under the scope of 

Page 22: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

7

nonlinear procedures, performance  levels of members are determined  in  terms of plastic 

rotations which are assumed to be lumped at member ends.  

Limit states representing damage levels are presented for ductile and brittle members also 

in terms of plastic rotation.  

 

Through the coverage of Eurocode 8 Part 3 Assessment and Retrofitting of Buildings (2005), 

linear and nonlinear procedures are presented to carry out seismic performance assessment 

of existing reinforced concrete buildings. In these guidelines nonlinear procedures employ 

chord  rotation  as  measure  of  damage  in  order  to  determine  performances  of  ductile 

members.  Expressions  are  proposed  to  determine  ultimate  chord  rotation  capacities. 

Moreover limit states corresponding to performance levels are defined in terms of ultimate 

chord  rotations  and  chord  rotations  at  yielding. Chord  rotation  demands  are  compared 

with chord rotation capacities calculated in accordance with damage states.  

 

The  recently  added Chapter  7  of  the  Turkish  Earthquake Code  (2007)  involves  seismic 

performance  assessment  and  intervention  methods  for  existing  reinforced  concrete 

buildings. Similar  to  the  abovementioned guidelines, Turkish Earthquake Code  suggests 

linear  and  nonlinear  methods.  Following  nonlinear  methods,  inelastic  displacement 

demand  of  a  multi  degree  of  freedom  system  is  computed  by  modifying  the  elastic 

displacement demand of equivalent single degree of freedom system through an  iterative 

graphical procedure. Nonlinear procedures define performance  limits of ductile members 

in terms of strains. Predefined strain limits corresponding to damage states are compared 

with  the strain demands of yielded sections of ductile members. Strain  limits depend on 

presence of transverse reinforcement which provides confinement action at critical sections 

of members. 

 

Calvi and Sullivan (2009), as editors, developed a Model Code for the Displacement‐Based 

Seismic Design of Structures. The  essence of  the draft  code  relies on  the book on direct 

displacement‐based design by Priestley et al.  (2007). Additionally Eurocode 8 serves as a 

reference provision. The Code covers particular types of structures and buildings including 

moment  resisting  frame  buildings,  reinforced  concrete  wall  buildings,  and  reinforced 

Page 23: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

8

concrete dual frame‐wall buildings. Through the coverage of the Model Code two types of 

seismic zones are considered together with three levels of design performance. Maximum 

and residual drifts and maximum strains that occur at a performance level are expressed as 

performance  criteria.  To  compute  maximum  inelastic  deformation  demands  design 

displacement  profiles  are  proposed  for  various  types  of  buildings which  are  vertically 

regular. Together with the design displacement profile and other characteristics belonging 

to  the  equivalent  single  degree  of  freedom  structure  (i.e.  the  substitute  structure)  are 

defined  in  order  to determine  required  base  shear  force. The design  base  shear  force  is 

simply calculated by multiplying  the effective stiffness by  the design displacement. Floor 

masses  and  design  displacements  are  used  to  distribute  the  base  shear  force  along  the 

building.  The  Model  Code  finalizes  the  displacement‐based  design  as  satisfying  the 

capacity design requirements to avoid unintended inelastic mechanisms. 

 

1.3 Objective and Scope 

 

As  an  alternative  approach  to  force‐based  retrofit  design,  a  simple  displacement‐based 

procedure  is proposed  for medium  rise  concrete  buildings. The proposed displacement‐

based and the conventional force‐based retrofit designs are applied on a hypothetical five 

story building, a four story school building, and a four story dormitory building. Retrofit 

design solutions are comparatively evaluated for each building. 

 

Member deformation demands were  expressed  in  terms of  chord  rotations  in  this  study 

which  are  determined  from  an  elastic  analysis  in  which  uniform  drift  distribution  is 

assumed  along  the  building  height.  Different  retrofit  schemes  can  be  achieved  from 

displacement‐based and force‐based approaches. Comparison of achieved retrofit schemes 

was  presented  for  each  case  study  building.  The  objective  is  studying  the  simplicity  of 

displacement‐based  seismic  design  principles  in  the  rehabilitation  of  existing  buildings 

aiming  to  satisfy  seismic  performance  level  objectives  together  with  investigating 

deficiencies of  force‐based approaches which usually offer  less economical  results due  to 

courage  in  formation  of  confined  boundaries  at  shear  wall  ends  and  employment  of 

reduced elastic forces in design.  

Page 24: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

9

This thesis is composed of six main chapters. Brief contents are given as follows: 

 

Chapter 1  Statement of the problem and literature survey on the displacement‐based 

seismic design and rehabilitation of reinforced concrete buildings together 

with seismic response of shear wall buildings. Objectives and scope. 

 

Chapter 2  Explanation and implementation of the proposed procedure in detail on a 

hypothetical five story reinforced concrete building. 

 

Chapter 2  Verification of the methodology 

 

Chapter 4  Case study  I: Four story school building, nonlinear seismic assessment of 

the existing building, retrofit design with  the proposed procedure as well 

as with the force‐based procedure, comparison of retrofit solutions. 

 

Chapter 5  Case study II: Four story dormitory building, nonlinear seismic assessment 

of  the existing building,  retrofit design with  the proposed procedure and 

the force‐based procedure, comparison of retrofit solutions. 

 

Chapter 6  A brief summary and conclusions.   

                 

Page 25: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

10

 

 

CHAPTER 2 

 

 

A DISPLACEMENT‐BASED RETROFIT DESIGN METHODOLOGY 

FOR SEISMIC REHABILITATION 

 

 

 

A  simplified displacement‐based procedure  for  retrofit design of medium  rise  reinforced 

concrete  buildings  is  proposed  in  this  chapter.  The  proposed  methodology  relies  on 

estimating  the nonlinear deformation demands of  existing  and new members  through  a 

linear  elastic  analysis  in  which  a  pre‐assumed  displacement  response  is  imposed  to 

retrofitted  system.  Basic  steps  and  implementation  of  the methodology  on  an  example 

building are presented throughout subsections of this chapter. 

 

2.1. Uniform Drift Approach 

 

Uniform  Drift  approach  is  a  displacement‐based  methodology  for  retrofit  design  of 

medium rise RC buildings. Basic steps of the proposed methodology can be listed as  

 

• preliminary retrofit design,  

• computation of target displacement demand,  

• member deformation demands, compared with capacities 

• final retrofit design. 

 

In  the uniform drift  approach, preliminary  retrofit design  only  involves decision  on  the 

location  and  size  of  the  shear walls  to  be  added  to  the  existing  frame  system.  Target 

displacement  demand  is  calculated  by  employing  the  coefficient method  of  FEMA‐356 

Page 26: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

11

(3.3.1.3.1)  (ASCE, 2000) where an R factor  is not directly required. Fundamental period  is 

estimated by employing cracked section stiffnesses of reinforced concrete members.  

Member deformation demands are  expressed  in  terms of  chord  rotations at  the member 

ends.  Chord  rotation  demands  are  computed  by  imposing  a  uniform  drift  distribution 

compatible  with  the  target  displacement  demand.  They  represent maximum  nonlinear 

deformation demands.  

 

Chord  rotation  capacities  are  calculated  by  employing moment‐curvature  analysis  and 

moment area theorem. Axial load demands of columns are obtained from gravity analysis 

whereas shear span  lengths are taken from  linear elastic analysis under  imposed uniform 

drift distribution. Strain  limits  stated  in Chapter 7 of  the Turkish Earthquake Code 2007 

(TEC 2007) are used in chord rotation limit state calculations. 

 

At  the  final  retrofit  design  stage,  reinforcement  detailing  of  the  new  shear  walls  are 

finalized  in order  to  satisfy deformation demands. Seismic detailing of  confined  regions 

may or may not be required. 

  

To control failure modes of reinforce concrete members for preventing brittle failure, shear 

capacities  are  compared with  the  lesser of demands  compatible with moment  capacities 

and demands at performance point. 

 

A displacement based approach is developed by employing a deformation controlled linear 

elastic analysis procedure to estimate the inelastic deformation demands in terms of chord 

rotations. The Uniform Drift approach relies on imposing a uniform drift distribution with 

an  inverse  triangular  displaced  shape  to  the  retrofitted  wall‐frame  system  where  roof 

displacement  is  equal  to  the  target  roof displacement demand  computed  for  the desired 

performance level. A uniform drift distribution is a well fitting approximation to estimate 

the  inelastic  deformation  behavior  of  mid‐rise  reinforced  concrete  wall‐frame  systems. 

Assuming  the  shear  wall  yields  at  its  base,  drift  response  of  the  wall‐frame  system 

converges to uniform drift distribution as the wall dominates the behavior as well. Cracked 

stiffnesses of reinforced concrete members are used in the proposed linear elastic analysis 

Page 27: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

12

procedure. Details  of  retrofit  design  procedure  utilizing  the  uniform  drift  approach  are 

explained in detail in the following sub‐sections.  

 

2.1.1. Preliminary Retrofit Design 

 

Preliminary retrofit design stage  involves only  locating and sizing the new shear walls to 

be  installed.  Since  fundamental mode  behavior  is utilized  to  represent  seismic  response 

based on the assumption of medium rise concrete buildings symmetric in plan and having 

a mass participation ratio more than 70% in the fundamental mode are more likely to have 

fundamental mode shape dominant behavior, it is not only essential but also preferable to 

locate  new  shear walls  not  to disturb  symmetry  and  regularity  of  the  structure. On  the 

other hand architectural considerations are taken into account not to disrupt serviceability 

of the building. 

 

Size of  shear walls gains  importance as  it affects global  lateral  stiffness of  the  retrofitted 

structure.  Increase  in  stiffness  results  in  decrease  in  displacement  demand  of mid‐rise 

reinforced  concrete buildings. Thus,  size and number of  shear walls  to be added  can be 

accounted  as  the  control  parameters  of  retrofit  design.  For  preliminary  design,  chord 

rotation  capacities  at  the  bottom  ends  of  columns  are  compared  with  chord  rotation 

demand  at  the  target  performance  objective  calculated  after  addition  of  the  shear walls 

which is indeed equal to the interstory drift ratio of the first story. Usually, the cross section 

area of shear walls  in the earthquake direction should not exceed one percent of the total 

floor area in medium rise concrete buildings. 

 

2.1.2. Target Displacement Demand 

 

Preliminary  design  is  followed  by  computation  of  the  target  displacement  demand 

corresponding to the maximum expected displacement response for a desired performance 

level. Seismic performance  levels are defined as  follows;  Immediate Occupancy  (IO), Life 

Safety (LS) and Collapse Prevention (CP). Each performance level has its own acceptability 

criteria which  are  defined  in  the  Turkish  Earthquake Code,  2007.  For  example  a  school 

Page 28: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

13

building should satisfy LS performance  level for an earthquake having a return period of 

2475 years  that corresponds  to  the  linear elastic design spectrum with a  return period of 

475 years factored by 1.5. 

Target displacement demand  for a selected performance  level  is calculated by employing 

the  coefficient  method  i.e.  Equation  2.1.  Coefficients  to  convert  maximum  elastic 

displacement  demand  to maximum  inelastic  demand  are  defined  in  FEMA  356  (ASCE, 

2000) as stated below.  

 

gTSCCCC eat ⋅

⋅⋅⋅⋅⋅⋅= 2

2

3210 4 πδ                                                                           (2.1) 

 

δt  : Target displacement demand computed at the roof level. 

C0  : The first modal participation factor computed at the roof level ( 1,1 Γ⋅roofφ ) 

C1  :  Modification  factor  to  relate  expected  maximum  inelastic  displacements  to 

displacements calculated for linear elastic response. 

C2  : Modification  factor  to  represent  the  effect of pinched hysteretic  shape,  stiffness 

degradation and strength deterioration on maximum displacement response. 

C3  : Modification  factor  to  represent  increased  displacements  due  to  dynamic  P‐Δ 

effects. 

Sa  : Spectral acceleration, at the effective fundamental period and damping ratio of the 

building in the direction under consideration. 

Te  : Effective fundamental period of the building in the direction under consideration, 

sec. 

TS  : Characteristic period of  the response spectrum, defined as  the period associated 

with  the  transition  from  the  constant  acceleration  region  of  the  spectrum  to  the 

constant velocity region of the spectrum. 

 

Effective period Te is taken as elastic fundamental period of the building computed through 

eigenvalue  analysis  using  cracked  stiffnesses  of  reinforced  concrete members.  Cracked 

section  stiffnesses  of  reinforced  concrete  members  can  be  calculated  by  employing 

paragraph 7.4.13 of the Turkish Earthquake Code, 2007. 

Page 29: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

14

According  to  this  paragraph  effective  flexural  stiffnesses  of  beams  are  taken  as  40%  of 

uncracked  flexural  stiffnesses.  In  case  of  columns  and  shear walls,  the  relation  given  in 

Equation  2.2  is  used where ND  is  axial  load  effect  under  gravity  loading,  i.e.  dead  and 

factored live loads, Ac is the cross sectional area of column, and fcm is compressive strength 

of existing concrete.  

 

If ND / (Acfcm) ≤ 0.10: (EI)e = 0.40(EI)o                                                                                                             

  (2.2) If ND / (Acfcm) ≥ 0.40: (EI)e = 0.80(EI)o  

Linear interpolation is permitted for the intermediate values of ND / (Acfcm). 

 

Since capacity curve  is not available  in the uniform drift approach, coefficient C1 given  in 

Equation 2.1 is taken from paragraph 3.3.1.3.1 of FEMA 356 (ASCE, 2000) in which R factor 

is not required. If the fundamental period of structure is longer than the corner period TS of 

the  response  spectrum,  equal displacement  rule  is  applicable  and maximum  elastic  and 

inelastic displacement demands  are  equal  to  each  other  (Figure  2.1).  If  the  fundamental 

period falls on constant acceleration plateau of the response spectrum, then C1 is calculated 

through Equation 2.3 by linear interpolation between the values of 1 to 1.5.  

 

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08

 

Figure 2.1 Acceleration displacement response spectrum representation 

 

 

Te ≥ Ts ; C1 = 1.0Te = Ts ; C1 = 1.0

Sd

Sa 

0.1 < Te < Ts ; 1.5 ≥ C1 ≥ 1.0

we2 

Page 30: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

15

C1 = 1.5 for Te < 0.10 second                           (2.3) 

C1 = 1.0 for Te ≥ TS  

After  obtaining  the  maximum  expected  inelastic  roof  displacement  demand  of MDOF 

system, an assumed deformed shape pattern, which represents the displacement response 

of  the wall‐frame system when  the roof reaches  target displacement,  is computed  for  the 

selected  performance  objective.  Displacement  demand  of  each  story  is  calculated  from 

Equation 2.4. 

 

t

iti h

h⋅= δδ                               (2.4) 

 

Elastically  imposed  deflected  shape  which  corresponds  to  uniform  interstory  drift 

distribution is illustrated in Figure 2.2. 

 

 

Figure 2.2 Imposed deflected shape 

 2.1.3. Member Deformation Demands 

 

Member deformation demands are defined in terms of chord rotations at the member ends. 

In this sense, chord rotation demands are calculated at each end of columns by employing 

the  proposed  deformation‐controlled  linear  elastic  analysis  by  using  cracked  flexural 

stiffnesses of reinforced concrete members. Chord rotations are measured from  the chord 

hi

hi+1

ht

δt

δi+1

δimi

mi+1

mt

Page 31: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

16

connecting the two ends of a member, to the tangent of deformed shape at the concerned 

member end. If chord rotation and joint rotation are in the same direction, joint rotation is 

subtracted from drift ratio. Calculation of chord rotation  is given analytically  in Equation 

2.5;  

where  

CRi   : Chord rotation demand at i end of the member. 

CRj   : Chord rotation demand at j end of the member.  

Δ   : Sway displacement between two ends of the member at the deformed pattern.  

lc  : Clear length of the member. 

θi  : Joint rotation demand at i end of the member. 

θj  : Joint rotation demand at j end of the member.  

 

ic

i lCR θ±Δ

=   ,  jc

j lCR θ±Δ

=                                      (2.5) 

              

Chord rotations at the ends of linear elastic frame members are shown in Figure 2.3. 

 

Δ

θi

θj

CRil

lc

l‐lc

CRj

Δ

θi

θj

CRil

lc

l‐lc

CRj

Δ

θi

θj

CRil

lc

l‐lc

CRj

Δ

θi

θj

CRil

lc

l‐lc

CRj

 

Figure 2.3 Calculation of chord rotations from joint displacements for linear elastic 

structural members 

 

 

 

Page 32: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

17

2.1.4. Member Deformation Capacities 

 

The chord  rotation capacity of a structural member depends on  the  strain capacity of  its 

extreme  fibers and  its deflection shape. The  relationship between chord  rotation capacity 

and limit state strains can be established through the curvature at the end section (Priestley 

et al, 2007): 

piyicapiCR θθ +=,         3v

yyil⋅= φθ                 ( ) pyupi L⋅−= φφθ      

                                                                                   (2.6)  

pjyjcapjCR θθ +=,        3

)( vcyyj

ll −⋅= φθ       ( ) pyupj L⋅−= φφθ  

 

In the above expressions (Equation 2.6), θy and θp are the yield rotation and plastic rotation 

capacities,  and  φy  and  φu  are  the  yield  curvature  and  ultimate  curvature  capacities  at  a 

member end, respectively. Lp is the plastic hinge length, lc is the clear span length and lv is 

the shear span length for the associated member end. Plastic hinge length Lp is taken as half 

of  the  section dimension parallel  to  the  loading direction  as  stated  in Chapter  7 of TEC 

2007. lv for a column member in the inelastic state can be estimated from its end moments 

Mi and Mj obtained from linear elastic analysis through Equation 2.7. 

 

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

+⋅=

ji

icv MM

Mll                             (2.7) 

 

Finally, the relation between curvature capacity and strain capacity is determined from the 

moment‐curvature analysis of  the associated member‐end section. Keeping effect of axial 

load  level on ductility in mind, axial load level calculated under gravity  loading  i.e. dead 

and  factored  live  loads  is  used  in  ultimate  rotation  capacity  calculations.  In  case  of 

earthquake  loading axial  load level on columns changes. Due to earthquake  loading axial 

load levels on the exterior columns can increase or decrease. However, in the uniform drift 

approach the variation in axial load levels due to earthquake loading is neglected. 

 

Another  significant  parameter  on  which  chord  rotation  performance  depends  is  strain 

performance  limits  defined  in  accordance  with  the  desired  performance  objective  and 

Page 33: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

18

damage levels. Strain limits used in capacity calculations are taken from paragraph 7.6.9 of 

the Turkish Earthquake Code,  2007.  In  case  of minimum damage, ultimate  compressive 

strain at  the outermost concrete  fiber should not exceed 0.0035 whether any confinement 

reinforcement  is  present  or  not.  If  the  rotation  capacity  corresponding  to  significant 

damage  level  is  investigated,  then  the ultimate compressive strain at  the  level of stirrups 

enclosing  the  section  should not exceed 0.0035. However,  this  limit  is modified with  the 

amount  of  confinement  reinforcement  present  in  the  section.  The  upper  strain  limit  for 

significant damage  level  is  0.0135.  For  severe damage  level, ultimate  compressive  strain 

limit  for  unconfined  sections  is  0.004.  This  limit  is  modified  with  the  amount  of 

confinement  reinforcement  present  in  the  section  as  well.  Ultimate  strain  limits  for 

reinforcement  steel  are  0.01,  0.04,  and  0.06  corresponding  to minimum,  significant,  and 

severe damage levels, respectively. Strain limits for reinforced concrete materials with and 

without  confinement  are  tabulated  in  Table  2.1  in  accordance with  the  damage  levels 

defined in the Turkish Earthquake Code (2007). 

 

Table 2.1 Material strain limits for unconfined member sections used in chord rotation 

capacity calculations 

Damage Level  εc  εs 

Minimum  0.0035 (outermost fiber)  0.01 

Significant  0.0035+0.01(ρs/ρsm) ≤ 0.0135 (stirrup level) 0.04 

Severe  0.004+0.014(ρs/ρsm) ≤ 0.018 (stirrup level)  0.06 

 

 

 

2.1.5. Final Retrofit Design 

 

At  the  final  retrofit design  stage,  chord  rotation demands  computed  from uniform drift 

analysis are compared with the chord rotations corresponding to performance limit states 

for  the  existing  columns.  According  to  the  obtained  results,  interventions  to  increase 

ductility, or strength and stiffness, or all may be applied to deficient existing columns. 

 

Page 34: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

19

Chord rotation demands at the i ends (lower end) of the first story columns and shear walls 

are equal to the interstory drift ratio since joint rotation is zero at the fixed base. Moreover 

for  shear walls  it  is assumed  that  all plastic action occurs  at  the base which  is  the most 

likely case  for medium rise reinforced concrete wall‐frame systems. Thus,  interstory drift 

ratio demand of  the  first  story  computed  from  the  imposed uniform drift pattern  is  the 

design parameter for shear walls to be added to the existing system. Initial gravity loading 

on the columns forming boundary elements of the new shear walls is considered as well. If 

damage  level objective  is not satisfied with  the existing unconfined column section,  then 

boundary columns are confined by either FRP wrapping or reinforced concrete  jacketing. 

Another option is to form confined boundaries at the inner edges of the shear wall ends by 

ignoring existing columns. However  the consequences of  this practical choice have  to be 

examined well. 

 

2.1.6. Checking The Failure Modes 

 

To complete retrofit design, failure modes of structural members are determined  in order 

to  prevent  brittle  behavior.  Capacity  shears  or  internal  shear  force  demands  at  the 

performance point  can be compared with member  shear  strengths  in order  to determine 

failure modes.  In  capacity  shear method, maximum  shear  force demand  is  calculated  in 

compliance with end moment capacities. For example maximum shear force demand of a 

beam is developed when its both ends reach their moment capacities. If shear strength of a 

member  is  greater  than  lesser  of  calculated  capacity  shear  force  or  shear  demands 

calculated at the performance point, member is classified as ductile. Members determined 

as  brittle,  in  other  words  members  having  shear  dominated  failure  mode  has  to  be 

retrofitted in order to prevent brittle behavior during seismic response. 

 

2.2. Implementation of the Proposed Methodology on an Example Frame 

 

A reinforced concrete structure comprised of five story fames was used to demonstrate the 

application  of  the  proposed  methodology.  2D  modeling  was  employed  and  only  +X 

direction was considered in calculations. Plan view is shown in Figures 2.4 and 2.5 together 

Page 35: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

20

with  the equivalent 2D  frame. The building was  intentionally designed  to represent poor 

quality  and  seismic  deficiency  of  existing  substandard  buildings.  Characteristic 

compressive strength of concrete was chosen as 12 MPa. Yield strength of longitudinal and 

transverse reinforcement steel was taken as 420 MPa ignoring strain hardening. 

 

3.00 m 3.00 m 3.00 m 3.00 m

4.00

m4.

00 m

4.00

m

A

B

C

D

1 2 3 4 5

K101 K102 K103 K104

K105 K106 K107 K108

S1 S2 S3 S4

S6

S5

S7 S8 S9 S10

 Figure 2.4 Plan view of the example building 

 

3.00

m3.

00 m

3.00

m3.

00 m

3.50

m

Frames A+D Frames B+C3.00 m 3.00 m 3.00 m 3.00 m 3.00 m 3.00 m 3.00 m 3.00 m

K101 K102 K103 K104 K105 K106 K107 K108

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10

 Figure 2.5 2D frame model of the example building 

 

All  columns  were  designed  with  cross  section  dimensions  of  300x600  mm  having  a 

longitudinal reinforcement ratio of ρs equal to 0.009. Additionally all beams were designed 

as  300x500mm having  tension  reinforcement  ratio of ρs’  equal  to  0.007  and  compression 

reinforcement of ρs equal to 0.005 at the supports. No confined zones were formed at critical 

sections of members. Φ10/200mm stirrups with hook angle of 135° were used as transverse 

Page 36: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

21

reinforcement  in  all members  and  considered  as  confinement  reinforcement. Thus ρs/ρsm 

ratio was calculated as 0.17 which yields a strain limit at stirrup level corresponding to the 

significant damage limit state of 0.0052. Detailing of columns and beams are illustrated in 

Figure 2.6. 

 

Seismic performance of the existing building was evaluated through the inelastic procedure 

of  the Turkish Earthquake Code 2007. Life Safety performance  level  for school buildings 

was selected as the performance objective. According to the specifications stated within the 

scope  of  Life  Safety  objective,  a  response  spectrum  represents  an  earthquake  intensity 

which has 2% / 50 years probability of exceedance or a return period of 2475 years. A target 

roof displacement demand of 170 mm was calculated  for  the existing building under  the 

2% / 50 years earthquake response spectrum for Z2 soil type by employing the coefficient 

method.  

 

1557

015300 mm

1515

470

300 mm

4Ø16

4Ø16

4Ø18

3Ø18

Column Section Beam Section

Ø10/200 Ø10/200stirrup stirrup

 

Figure 2.6 Section details of a typical column and beam 

 

Seismic performance of  columns  and beams were  evaluated  separately by  following  the 

nonlinear assessment procedures of TEC’07 in the +X direction and summarized in Figures 

2.7 and 2.8.  All of the columns at the first story exceed severe damage limit state. In other 

words all story shear is carried by deficient columns. Moreover 37.5% of beams at the first 

story exceed significant damage  limit state. At  the second story 42% of  the story shear  is 

carried by columns exceeding significant damage limit. Columns of the upper three stories 

satisfy minimum damage limit state.  

 

Page 37: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

22

According to the Turkish Earthquake Code 2007 not more than 20% of story shear shall be 

carried by columns exceeding significant damage limit at any story. Additionally deficient 

beams  exceeding  significant  damage  limit  shall  not  be more  than  30%  of  beams  at  any 

story.  Thus  it  can  be  concluded  that  existing  building  does  not  satisfy  Life  Safety 

performance. 

 

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

1S1

1S2

1S3

1S4

1S5

1S6

1S7

1S8

1S9

1S10 2S1

2S2

2S3

2S4

2S5

2S6

2S7

2S8

2S9

2S10 3S2

3S3

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSignificant Damage Limit StateSevere Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

1S1

1S2

1S3

1S4

1S5

1S6

1S7

1S8

1S9

1S10

2S1

2S2

2S3

2S4

2S5

2S6

2S7

2S8

2S9

2S10

3S2

3S3

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

1st Story 2nd Story 3rd Story

 

Figure 2.7 Damage levels of the columns 

 

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

K101

K104

K105

K106

K107

K108

K201

K205

K206

K207

K208

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSignificant Damage Limit StateSevere Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07‐0.06‐0.05‐0.04‐0.03‐0.02‐0.010.00

K101

K104

K105

K106

K107

K108

K201

K205

K206

K207

K208

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

1st Story 2nd Story

 

Figure 2.8 Damage levels of the beams 

Page 38: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

23

2.2.1. Displacement‐Based Retrofitting of The Existing Frame 

 

Existing  frame  system  was  retrofitted  by  employing  the  uniform  drift  approach. 

Implementation of the procedure is explained in following paragraphs. 

 

Two  shear walls having dimensions of  300x2400 mm were  installed  into  interior  frames 

symmetrically. Characteristic  concrete  strength of  retrofitting members was  chosen as 20 

MPa. Only X direction was considered  in calculations, hence  the added shear walls were 

installed only in the X direction. Shear wall area to total floor area was calculated as 0.015. 

Plan and frame views of the retrofitted building are shown in Figures 2.9 and 2.10. 

 

3.00 m 3.00 m 3.00 m 3.00 m

4.00

m4.

00 m

4.00

m

1 2 3 4 5

A

B

C

D

K101 K102 K103 K104

K105 K107 K108

S1 S2 S3 S4

S6

S5

S9 S10

P1

 

Figure 2.9 Plan view of the retrofitted case of the example building 

 

3.00

m3.

00 m

3.00

m3.

00 m

3.50

m

3.00 m 3.00 m 3.00 m 3.00 m 3.00 m 3.00 m 3.00 m 3.00 m

Frames A+D Frames B+C

K101 K102 K103 K104 K105 K107 K108

S1 S2 S3 S4 S5 S6 P1 S9 S10

 Figure 2.10 2D frame model of the retrofitted case of the example building 

Page 39: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

24

2.2.1.1. Target Displacement Demand 

 

An eigenvalue analysis was  conducted by  considering  cracked  stiffnesses of members  in 

order  to  compute  effective  fundamental  period  of  the  building. Masses  including  dead 

loads  and  30  %  of  live  loads  were  lumped  at  mass  centers  of  each  story.  Effective 

fundamental period of  the  retrofitted building was determined  as  0.47  seconds which  is 

longer  than 0.40 second corner period of  the response spectrum constructed  for Z2. Thus 

equal displacement rule is valid and coefficient C1 is equal to 1 (Equation 2.3). Employing 

Equation 2.1 maximum inelastic roof displacement demand of the retrofitted building was 

calculated as δt = 0.105 m. This was 0.170 m for the existing building. 

 

A displacement profile having an inverted triangular shape conforming to a uniform drift 

distribution that is compatible with the calculated roof displacement demand was imposed 

elastically to the wall‐frame system for calculating the member deformation demands.  

 

2.2.1.2. Member Deformation Demands 

 

Employing linear elastic uniform drift analysis in which target displacement response was 

adopted, chord rotation demands were calculated at column  lower and upper ends. As a 

demonstration,  chord  rotation  at  lower  end  of  column  1S1  is  shown  below  referring  to 

Figure 2.3 and Equation 2.5. 

0068.003

0206.0,11 =−=−

Δ= i

ciS l

CR θ  

 

2.2.1.3. Member Deformation Capacities 

 

Chord rotation capacity calculated at a column end is the sum of yield and plastic rotation 

capacities at that section. Rotation capacity  is calculated by employing moment‐curvature 

analysis in which axial load effect is taken into account. Axial load levels were assumed not 

to vary significantly due to earthquake loading. Thus axial loads on columns under gravity 

loading i.e. dead and reduced live loads were used in capacity calculations. 

Page 40: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

25

Plastic rotation or plastic curvature capacity is controlled by strain limits corresponding to 

particular seismic performance damage  levels. Since chord  rotation capacity  is calculated 

by  employing  the moment  area  theorem,  another parameter, namely  column  shear‐span 

length  is  needed.  Column  end  moments  are  taken  from  uniform  drift  analysis  using 

Equation 2.7  in which  shear‐span  lengths were defined.  In  addition  to  the damage  limit 

states, curvature value onset of bar buckling calculated by a bar buckling model suggested 

by Moyer  and Kowalsky  (2003)  is  also  shown but not used  for performance  evaluation. 

This model  establishes  a  relation between  flexural  tension  strains  and  reinforcement bar 

buckling. 

 

In  the  case  of  shear walls  added  to  the  existing  system,  a  composite  section  formed  by 

(existing  column‐shear wall‐existing  column)  combination was  considered  (Figure  2.11). 

Initial strains due to gravity loading on existing columns were taken into account.  

 

570

600 mm570

600 mm

300

mm

Existing Column

2400 mm

2Ø122Ø12 18Ø10

New Shear Wall Existing Column

8Ø16Ø10/200

8Ø16Ø10/200

 

Figure 2.11 Reinforcement detailing of the retrofit shear wall 

 

On  Figure  2.12  Moment‐Curvature  analysis  and  particular  damage  limits  in  terms  of 

curvatures  are  summarized. Figure 2.13  shows  strain distribution on  the  composite wall 

section with initial strain distributions on the existing columns due to gravity loading. 

 

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0.0000 0.0010 0.0020 0.0030 0.0040 0.0050 0.0060 0.0070 0.0080Curvature(rad/m)

Moment(kNm)

M‐K DiagramIdealized M‐K DiagramSignificant Damage Limit StateSevere Damage Limit StateMoyer‐Kowalsky Bar Buckling LimitCurvature Demand

 

Figure 2.12 Moment‐Curvature curve of the retrofit shear wall given in Figure 2.11 

Page 41: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

26

‐200‐150‐100‐50050100150200

‐0.025 ‐0.02 ‐0.015 ‐0.01 ‐0.005 0 0.005 0.01

Strain

Section Depth (cm) Strain distribution at significant damage limit state

Initial strain distribution

 Figure 2.13 Strain distirbution of composite shear wall section 

 2.2.1.4. Final Retrofit Design 

 

Chord rotation demands of existing columns corresponding to an earthquake having 2475 

years of return period, under which Life Safety performance was required, were compared 

with calculated chord rotation capacities. Figure 2.14 illustrates the comparison graphically. 

All capacities exceed demands, hence  the design  is verified. Columns not meeting chord 

rotation demands can be strengthened in order to increase ductility through interventions 

like FRP wrapping.  

 

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

1S1

1S2

1S3

1S4

1S5

1S6

1S9

1S10 2S1

2S2

2S3

2S4

2S5

2S6

2S9

2S10 3S1

3S2

3S3

3S4

3S5

3S6

3S9

3S10 4S1

4S2

4S3

4S4

4S5

4S6

4S9

4S10 5S1

5S2

5S3

5S4

5S5

5S6

5S9

5S10

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand (retrofitted)Chord rotation capacity at limit stateChord rotation ‐ Yield Limit

 

Figure 2.14 Chord rotation demands vs. chord rotation capacities of columns 

       

Page 42: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

27

2.2.1.5. Checking the Failure Modes 

 

In order to fulfill retrofit design, none of the structural members can be permitted to fail in 

shear.  In  this  sense  failure  modes  of  members  were  determined  by  comparing  shear 

capacities and shear demands. Shear demand of a member was taken the lesser of capacity 

shear compatible with moment capacities, and shear demand calculated from uniform drift 

analysis at  the performance point. Members anticipated  to  fail  in brittle mode have  to be 

retrofitted  in order  to  increase  their  shear  capacities. Most  common  intervention method 

for this purpose  is to wrap deficient member with RC  jackets. In this particular analytical 

case,  shear  capacities  of  columns  and  beams  were  calculated  together  with  the 

corresponding shear demands. It was observed that no brittle behavior was anticipated for 

any existing member in the retrofitted case. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 43: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

28

 

 

CHAPTER 3 

 

 

VERIFICATION OF THE DISPLACEMENT‐BASED RETROFIT DESIGN 

METHODOLOGY 

 

 

 

Success in the estimation of nonlinear deformation demands is crucial in verifying a retrofit 

design methodology. In this study deformation demands in terms of chord rotations were 

estimated by employing a linear elastic analysis which were utilized as design parameters 

for developing  retrofit solutions  in member or system  level. Pushover analyses  results of 

frame  systems  retrofitted  with  shear  walls  reveal  that  displacement  responses 

approximately  fit  to  uniform  drift  distribution.  Assuming  that  drift  response  of  the 

retrofitted  system  is  uniformly  distributed  over  the  height,  an  equivalent  linear  elastic 

analysis of  the  retrofitted building  is  carried out  to  calculate  the member  chord  rotation 

demands.  

 

As a verification and check of  the methodology proposed herein, pushover analysis was 

conducted for the retrofitted case of the analytical frame examined in the previous chapter. 

Improvement  in  seismic  performance  after  retrofitting  was  examined  by  employing 

assessment  procedures  of  TEC  2007.  Chord  rotation  demands  were  calculated  at  the 

performance point for Life Safety performance level. Deformation demands obtained from 

two different approaches were compared in order to validate the uniform drift approach. 

 

Additionally, another comparative study  is presented  in  this chapter  that  involves  force‐

based  retrofit  solution  of  the  investigated  building. Displacement‐based  and  force‐based 

Page 44: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

29

solutions were compared to observe the differences between conventional and alternative 

displacement‐based approaches. 

 

3.1. Verification of Retrofit Design and Uniform Drift Approach 

 

In  order  to  verify  the  retrofit  design  conducted  by  employing  uniform  drift  approach, 

improvement in seismic performance through retrofitting was examined first. In this sense 

change in load carrying capacities and displacement responses were compared. Moreover 

seismic  performance  of  the  retrofitted  frame was  evaluated  for Life  Safety  performance 

objective by employing nonlinear methods of TEC 2007. Thus retrofitted wall‐frame system 

designed  in accordance with uniform drift approach was pushed nonlinearly  to a  target 

roof  displacement  demand  where  nonlinearity  was  defined  with  lumped  plasticity  at 

member ends. Target roof displacement demand of the retrofitted frame was calculated as 

0.105 m by  employing  the  coefficient method.  Since  effective  fundamental period of  the 

building  was  longer  than  the  corner  period  of  the  spectrum  constructed  for  stiff  soil 

conditions, equal displacement  rule  is valid and  inelastic  roof displacement demand was 

taken equal  to  inelastic  roof displacement demand.  In Figure 3.1,  representative capacity 

curves  of  the  existing  and  retrofitted  buildings  are  shown  together  with  target  roof 

displacement demands calculated for the earthquake having a return period of 2475 years. 

 

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30Roof Displacement (m)

Base Shear (kN)

Retrofitted Frame (Displacement‐Based)

Existing Frame

Target Roof Displacement Demand

 Figure 3.1 Capacity curves of the existing and displacement‐based retrofitted frames 

 

As  can be  seen  in  the Figure  3.1  added  shear walls  improved both  lateral  load  carrying 

capacity  and  lateral  rigidity  significantly. Behavior  of  the  structural  system  transformed 

Page 45: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

30

from shear to flexural behavior as well since the shear wall dominates the behavior of the 

building. Moreover  formation  of  plastic  hinge  at  the  shear wall  bases  affects  the  drift 

response of  the wall‐frame system. Change  in behavior and nonlinearity can be  followed 

through  the  distribution  of  plasticity  and  drift  responses  of  existing  and  retrofitted 

buildings.  Plastic  hinge  mechanism  of  the  existing  and  retrofitted  buildings  at  the 

performance points  are  compared  in  Figure  3.2.  It  can  be  observed  on  Figure  3.2.1  that 

plasticity was condensed at the first two stories of the existing frame. Since strong column – 

weak beam principle was violated, yielding of column ends took place before the spanning 

beams reach their capacities, leading to a mechanism at the lower two stories. 

 

Frames A+D Frames B+CS1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10

Frames A+D Frames B+CS1 S2 S3 S4 S5 S6 P1 S9 S10

a.) EXISTING BUILDING b.) RETROFITTED BUILDING  Figure 3.2 Plastic hinge distributions along the existing and retrofitted buildings at the 

performance points 

 

Additionally,  the nonlinear  assessment procedure of TEC  2007 was  followed  in order  to 

evaluate  the  seismic performance of  the  retrofitted building. Damage  levels  for  columns 

and  beams  deformed  beyond  elastic  limits  are  presented  in  Figures  3.3  and  3.4, 

respectively. All members were classified as ductile since no shear failure was anticipated 

at the performance point. Evaluation results of global seismic performance for Life Safety 

level are summarized  in Table 3.1. On  this  table, percentage of beams and percentage of 

story  shear  force  carried  by  columns which  are  not  capable  of meeting  the  significant 

damage limit state are given for each story. 

 

 

 

Page 46: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

31

Table 3.1 Global seismic performances of existing and retrofitted cases of the frame 

  EXISTING  RETROFITTED 

Vn  VNC  % NC  % NC  Vn  VNC  % NC  % NC Story No.  (kN)  (kN)  shear  beams   (kN)  (kN)  shear  beams 1  2193  2193  100.00  37.5  3491  0  0  0 2  1986  841  42.36  0  3288  0  0  0 3  1590  0  0.00  0  2792  0  0  0 4  1033  0  0.00  0  1954  0  0  0 5  366  0  0.00  0  794  0  0  0 

 

NC: Members failing to satisfy the required performance 

 

00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.01

1S1

1S2

1S3

1S4

1S6

1P1

1S9

1S1

2S1

2S2

2S3

2S4

2S6

3S2

3S3

3S4

4S2

4S3

4S4

4S9

5S2

5S3

5S4

5S6

5S9

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

1S1

1S2

1S3

1S4

1S6

1P1

1S9

1S1

2S1

2S2

2S3

2S4

2S6

3S2

3S3

3S4

4S2

4S3

4S4

4S9

5S2

5S3

5S4

5S6

5S9

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

1st Story 2nd Story 3rd Story 4th Story 5th Story

 

Figure 3.3 Damage levels of the columns 

 

In order  to  evaluate  the validity of uniform drift  approach,  results of pushover  analysis 

were  utilized.  Evaluation  of  the  basic  assumption  of  uniform  drift  approach,  which 

assumes drift  response of  the  retrofitted  system  as uniformly distributed  along building 

height,  was  made  by  comparing  story  displacement  and  interstory  drift  distributions 

obtained from uniform drift and pushover analyses. Figure 3.5 summarizes comparison of 

drift  responses  of  the  existing  and  retrofitted  cases. As  the  behavior  of  building  system 

transforms  into  flexure from shear,  interstory drift demands decrease  in  the  lower stories 

significantly and  increase slightly at  the higher  stories which can be observed  in Figures 

Page 47: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

32

3.5. However increase in drift demands is tolerable due to the lateral rigidity increase with 

new walls. Yielding at the wall base also plays role  in transformation of drift response to 

uniform.  Drift  responses  calculated  from  uniform  drift  and  pushover  analysis  are 

compared  in Figure 3.5 as well at  the  same  roof displacement at which  the shear wall  is 

onset  of  yielding. As  observed  in  Figure  3.5, uniform drift  assumption  is  satisfactory  to 

catch drift demands especially for the first story which is critical for the retrofit design. 

 

00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.01

K105

K107

K108

K201

K205

K207

K208

K305

K307

K308

K405

K407

K408

K505

K507

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K105

K107

K108

K201

K205

K207

K208

K305

K307

K308

K405

K407

K408

K505

K507

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

5th Story4th Story3rd Story2nd Story1st Story

 

Figure 3.4 Damage levels of the beams 

 

0.00

0.0092

0.0135

0.0220

0.00

0.024

0.044

0.064

0.085

0.105

0.024

0.046

0.067

0.087

0.085

0.136

0.154

0.164

0.170

0.0050

0.0177

0.0030

0.0128

0.0076

0.0178

0

1

2

3

4

5

0.000 0.050 0.100 0.150 0.200

Story Displacement (m)

Story

a.

0

1

2

3

4

5

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030

Interstory Drift Ratio

Story

Retrofitted Frame ‐ UD Analysis

Retrofitted Frame ‐ PO Analysis

Existing Frame ‐ PO Analysis

Onset of wall yielding ‐ UD Analysis

Onset of wall yielding ‐ PO Analysis

b. 

Figure 3.5 a. Displacement, b. interstory drift distributions of the existing and retrofitted 

frames predicted with uniform drift and pushover analyses 

 

Page 48: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

33

Deformation demands  in terms of chord rotations were calculated for the column ends at 

the performance point by employing Equation 2.5. As a comparative presentation of how 

added  shear walls  affected  the  chord  rotation  demands  of  existing  column  ends,  chord 

rotation demands were also calculated for the existing and retrofitted cases of the building 

at  its  performance  point  by  employing  pushover  analysis.  Chord  rotation  demands 

computed from uniform drift and pushover analyses of the existing and retrofitted frames 

are compared at  the same  target  roof displacement  in Figure 3.6.  It should be noted  that 

these columns have not been retrofitted in the retrofit design. 

 

‐0.005

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

1S1

1S2

1S3

1S4

1S5

1S6

1S9

1S10 2S1

2S2

2S3

2S4

2S5

2S6

2S9

2S10 3S1

3S2

3S3

3S4

3S5

3S6

3S9

3S10 4S1

4S2

4S3

4S4

4S5

4S6

4S9

4S10 5S1

5S2

5S3

5S4

5S5

5S6

5S9

5S10

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis (Retrofitted)Chord rotation demand ‐ PO Analysis (Retrofitted)Chord rotation demand ‐ PO Analysis (Existing)

 Figure 3.6 Chord rotation demands of  the columns  

 

It is observed that the results are usually reasonably close; however significant differences 

occur only at  the ends of columns  in  tension adjacent  to  the shear wall. Considering  this 

observation, columns denoted as S6 and S9 need further attention. One can follow on the 

chart  illustrated  in Figure 3.6  that  changing  the  existing  shear  frame  system  into a wall‐

frame system i.e. flexure dominant wall behavior, chord rotation demands at the first two 

stories decreased  considerably whereas  at  the  top  story  a  slight  increase  in deformation 

demands was observed as it was in drift distributions as well.  

 

3.2. Force‐Based Retrofit Solution 

 

After verifying uniform drift approach as a simplified displacement‐based retrofit design 

methodology,  the  example  frame was  retrofitted by  employing  a  force‐based method  as 

Page 49: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

34

well in order to compare retrofit solutions suggested by the two alternative approaches. By 

this way, efficiency and economy of the methods were investigated.  

 

In  order  to  employ  force‐based  retrofit methods,  seismic  performance  of  the  retrofitted 

frame was evaluated to satisfy Life Safety objective. In this sense linear elastic procedures 

defined  in TEC  2007 were used. According  to  these  specifications,  cracked  stiffnesses of 

reinforced concrete members were used in the analysis. Moreover force reduction factor R 

was  taken as unity and  calculated base  shear was  factored by 0.85  representing  the  first 

mode mass  participation  ratio.  Failure modes  of  existing members were  determined.  In 

case  of  the  retrofitted  frame  all  columns  and  beams were  classified  as  ductile.  Seismic 

performances of ductile members were evaluated by comparing their demand‐to‐reserved‐

capacity ratio with particular limits specified for damage levels. Evaluation results given in 

Table 3.2 yielded in a global sense that addition of shear walls barely was enough to satisfy 

the  Life  Safety  objective.  No  more  interventions  were  needed  for  existing  columns  to 

improve performance. 

 

Table 3.2 Global seismic performances of the retrofitted frame 

Linear Elastic Assessment Results of the Retrofitted Frame 

% NC  % story shear Story No.  beams per story  carried by NC columns 1  0  0 2  14  0 3  14  0 4  0  0 5  14  0 

 

NC: Members failing to satisfy the required performance 

 

 

Demand‐to‐reserved‐capacity ratio of shear wall P1 was calculated as 3.67. The ratio is less 

than 4 which is the value corresponding to the significant damage level limit stated in TEC 

2007 for shearwalls with unconfined boundaries. 

Page 50: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

35

0

0.5

1

1.5

2

0 0.5 1 1.5 2T (sec.)

S (g)

RS for 2% probability of exceedance in 50yrs. earthquakeDesign Spectrum (R=4.5)

 

Figure 3.7 Design and code spectra for an earthquake having 2 % probability of exceedance 

in 50 years 

 

Concluding the seismic performance evaluation of existing members, shear walls added to 

the existing frame system were designed by employing force‐based procedures defined in 

TEC 2007. Assuming the building response is dominated by the first mode and no torsional 

irregularity  is  anticipated,  equivalent  static  lateral  loads were  calculated under  a design 

spectrum constructed for an earthquake having 2 % probability of exceedance in 50 years. 

Figure 3.7 illustrates the design spectrum used in the design of added shear walls. Design 

spectrum was obtained by reducing  the code spectrum by R = 4.5. Nonlinear analyses of 

medium rise reinforced concrete buildings retrofitted with shear walls reveal that reducing 

elastic  forces by 4.5  is  reasonable  to estimate ductility demands. Following specifications 

defined  in TEC 2007 for ductile shear walls, confined ends were formed within the walls. 

Reduced elastic forces calculated by using the design spectrum were employed in capacity 

design of the new shear walls. Moment envelope of the shear walls used in design is shown 

in Figure 3.8. 

 

Page 51: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

36

0

1

2

3

4

5

‐1250 ‐250 750 1750 2750 3750 4750 5750 6750 7750

Moment (kNm)

Story

Moment Diagram ‐ Analysis(R=4.5)Design Envelope

Hcr=3.5m

 

Figure 3.8 Moment envelope used in shear wall design 

 3.3. Comparison of Force‐Based and Displacement‐Based Retrofit Solutions 

 

Deficient  frame  presented  in  Chapter  2  was  retrofitted  following  the  two  different 

approaches explained in Sections 2.2.1 and 3.2. In displacement‐based approach, in which a 

proposed  linear elastic analysis method was used, deformation demands and  limit states 

were employed as design parameters. On the other hand, in force‐based approach reduced 

elastic  forces and conventional design specifications  for new buildings of TEC 2007 were 

used. Considering  the  results of  retrofit design  solutions  for  the  two  approaches,  it was 

concluded that no interventions for columns were suggested in both approaches. However 

differences  were  observed  in  shear  wall  detailing.  In  displacement‐based  design,  no 

confined  ends were  formed  at wall  boundaries whereas  existing  columns were  used  as 

boundary elements. Existing columns were also included in capacity calculations. In force‐

based  retrofit  design,  following  the  specifications  for  shear walls  defined  in  TEC  2007, 

shear walls added to the existing frame system was classified as slender walls considering 

total height  to  length  ratio of  the walls. Along  the critical height of  the walls which was 

determined as 3.5 m, confined end zones were formed.  

 

Longitudinal reinforcement ratio of 0.0025 which is a code minimum value was sufficient 

for  the  infill  portion  of  the  new  shear  wall  in  order  to  meet  deformation  demands 

determined  with  uniform  drift  analysis.  On  the  other  hand  in  force‐based  design  the 

Page 52: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

37

amount  of  longitudinal  reinforcement  in  terms  of  volumetric  ratio  increased  to  0.0121. 

Detailing of shear walls suggested by two design approaches are compared in Figure 3.9. 

 

570600 mm

570600 mm

300

mm

Existing Column

2400 mm

2Ø122Ø12 18Ø10

New Shear Wall Existing Column

300

mm

2400 mm

New Shear Wall

600 mm 600 mm

10Ø22 10Ø2210Ø12

Displacement-Based Design

Force-Based Design

Existing Column Existing Column

570600 mm

570600 mm

8Ø16Ø10/200

8Ø16Ø10/200

8Ø16Ø10/200

8Ø16Ø10/200

 

Figure 3.9 Shear wall detailing according to displacement‐based and force‐based retrofit 

designs 

 

Axial  load – moment  capacity at  the base of  shear wall P1 obtained  for  force‐based and 

displacement‐based designs are shown in Figure 3.10. Additionally in Figure 3.11 moment 

curvature  analysis  results  are  compared  for  the  force‐based  and  displacement‐based 

designs  of  the  shear wall P1. Although displacement‐based design  gives  lower moment 

capacity values due  to no confinement at boundaries and  less  longitudinal reinforcement 

amount,  it  is  capable  of meeting  the  deformation  demands  and  shear  demands  at  the 

performance  point.  It  can  be  stated  that  force‐based  design  results  in  unrealistic  force 

demands and excess amounts of reinforcement. Shear demands differ as well since shear 

demand is taken as the demand at the performance point having a value of 1105 kN which 

yields a minimum transverse reinforcement ratio of 0.0025. In force‐based design this ratio 

becomes 0.0045 due to a capacity shear demand of 2509 kN. 

 

Page 53: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

38

‐10000

‐5000

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Moment (kNm)

Axial Force (kN)

Displacement‐Based DesignForce_Based DesignDisplacement‐Based Load DemandForced‐Based Load Demand

 

Figure 3.10 Axial force‐moment interaction diagrams according to displacement‐based and 

force‐based retrofit designs 

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0.0000 0.0010 0.0020 0.0030 0.0040 0.0050 0.0060 0.0070 0.0080Curvature(rad/m)

Moment(kNm)

M‐K Diagram ‐ Displacement‐based designM‐K Diagram ‐ Force‐based designSignificant Damage Limit StateMoyer‐Kowalsky Bar Buckling LimitCurvature Demand

Figure 3.11 Moment‐curvature diagrams of force‐based and displacement‐based design 

solutions or the shear wall P1 

 

Due  to different  longitudinal  reinforcement amounts, shear walls have different moment 

capacities obviously. In Figure 3.12, capacity curves of force‐based and displacement‐based 

retrofitted buildings reflect the difference in lateral load carrying capacities. Although both 

of  the  cases  have  the  same  lateral  rigidity,  their  target  roof  displacement  demands  are 

different  due  to  different  load  carrying  capacities. Having  a  lesser  lateral  load  carrying 

capacity, target roof displacement demand of the displacement‐based retrofitted building is 

Page 54: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

39

more  as  shown  in  Figure  3.12.  In  case  of  the  force‐based  retrofit  design  target  roof 

displacement demand was  calculated  as  same  in displacement‐based design  since  equal 

displacement rule is valid and both buildings have same fundamental period. 

 

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

Roof Displacement (m)

Base Shear (kN)

Retrofitted Frame (Displacement‐Based)Retrofitted Frame (Force‐Based)Target Roof Displacement Demand

 Figure 3.12 Capacity curves of force‐based and displacement‐based retrofitted frames 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 55: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

40

 

 

CHAPTER 4 

 

 

CASE STUDY I ‐ SEISMIC REHABILITATION OF A FOUR STORY 

SCHOOL BUILDING 

 

 

 

A four story school building composed of reinforced concrete frame system was examined 

as  a  case  study.  Seismic  performance  of  the  existing  building was  evaluated  first  and 

deficiencies  were  determined  in  both  member  and  system  levels.  Then  the  existing 

structural  system was  retrofitted  by  following  the  proposed  displacement‐based  retrofit 

design  methodology.  As  a  comparative  study,  force‐based  retrofit  solution  is  also 

presented.  In  order  to  verify  design,  inelastic  seismic  performance  evaluation  of  the 

displacement‐based retrofitted building is given in this chapter as well. 

 

4.1. Existing Condition of the Building 

 

Existing school building shown in Figure 4.1 is composed of four story reinforced concrete 

frame system. In X direction there are four frames. Columns of frames located on B and C 

axes are oriented in the X direction whereas columns of frames located on A and D axes are 

oriented in the Y direction. Cross section dimension of columns at the first three stories are 

300x600 mm, and they are 300x500 mm at the fourth story. All beams are 300x700 mm  in 

dimension. Heights of the first three stories are 3.15 m and it reduces to 3.1 m at the fourth 

story. Plan view of the building is shown in Figure 4.2.  

 

Existing material strengths were obtained by  field and  laboratory  tests. Existing concrete 

strength was obtained as  low as 7 MPa and characteristic yield strength of reinforcement 

Page 56: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

41

bars  was  determined  as  220  MPa.  Volumetric  ratio  of  longitudinal  reinforcement  in 

columns was measured as 0.017.  In case of beams,  tension  reinforcement  ratio was 0.009 

and  compression  reinforcement  ratio was  0.006  at  the  supports.  In  all member  sections 

Φ8/200mm stirrups with a hook angle of 90° were used. Thus compressive concrete strain 

limit at the stirrup level for significant damage limit state was taken as 0.0035. 

 

 Figure 4.1 3D Mathematical model of the four story existing school building 

 Figure 4.2 Plan view of the four story existing school building 

Page 57: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

42

Local soil conditions were classified as stiff soil, corresponding to Z2 soil type according to 

TEC  2007.  Since Life  Safety performance  objective was  selected,  response  spectrum was 

constructed  for Z2 soil  type  for an earthquake having 2% probability of exceedance  in 50 

years, which corresponds to a 2475 return period event. According to Life Safety criteria for 

school buildings stated in TEC 2007, not more than 20% of story shear should be carried by 

deficient columns in a story except the top story and not more than 30% of the beams in a 

story should be classified as deficient in the considered earthquake direction. 

 

In order to evaluate seismic performance whether the building satisfies Life Safety objective 

or  not  in  the  X  and  Y  directions,  nonlinear  assessment  procedure  of  TEC  2007  was 

followed.  Pushover  analysis  was  conducted  in  +X  and  +Y  directions  using  cracked 

stiffnesses of reinforced concrete members. Capacity curves of the existing building in the X 

and Y directions  are  shown  in Figure 4.3. Effective  fundamental periods  in  the X  and Y 

directions  were  computed  as  0.61  seconds  and  0.80  seconds,  respectively.  Target  roof 

displacement demands under the considered design earthquake were calculated for X and 

Y directions as 0.132 m and 0.186 m,  respectively. Existing building was pushed  in both 

directions separately until the roof level reached the target roof displacement. 

 

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35Roof Displacement (m)

Base Shear (kN)

Capacity Curve ‐ +X DirectionCapacity Curve ‐ +Y DirectionRoof Displacement DemandSoft Story Formation

 Figure 4.3 Capacity curves of the existing building 

 

Due  to  low material  strength and  lack of proper  seismic detailing, existing  columns and 

beams were observed not  to meet deformation demands  anticipated  at  the performance 

Page 58: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

43

point. Damage levels of reinforced concrete members going beyond elastic deformation at 

the  performance  point  computed  by  pushover  analysis  in  the  X  and  Y  directions  are 

presented  in Figures 4.4, 4.5, 4.6, and 4.7. Considering X direction, plasticity spreads over 

the  first  two story members. All of  the  first  story columns were classified as deficient  in 

meeting  the  limit of significant damage  level  in both directions. Additionally, more  than 

30% of the beams deformed beyond significant damage limit in the considered earthquake 

direction  at  the  first  and  second  stories. Global  performance  evaluation  of  the  existing 

building is summarized in Table 4.1 for both X and Y loading directions. 

 

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

1S13

1S14

1S15

1S16

1S17

1S18

1S19

1S20

1S21

1S22

1S23

1S24

1S25

1S26

1S27

1S28

1S29

1S30

1S31

1S32

1S35

1S36

1S37

1S38

1S39

1S40

1S41

1S42

1S43

1S44

1S45

1S46

1S47

1S48

1S49

1S50

1S51

1S52

1S53

1S54

1st Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

1S13

1S14

1S15

1S16

1S17

1S18

1S19

1S20

1S21

1S22

1S23

1S24

1S25

1S26

1S27

1S28

1S29

1S30

1S31

1S32

1S35

1S36

1S37

1S38

1S39

1S40

1S41

1S42

1S43

1S44

1S45

1S46

1S47

1S48

1S49

1S50

1S51

1S52

1S53

1S54

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 Figure 4.4 Damage levels of the columns in the X direction loading 

  

 

 

 

 

 

Page 59: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

44

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

2S13

2S14

2S15

2S16

2S17

2S18

2S19

2S20

2S21

2S22

2S23

2S24

2S25

2S26

2S27

2S28

2S29

2S30

2S31

2S32

2S35

2S36

2S37

2S38

2S39

2S40

2S41

2S42

2S43

2S44

2S45

2S46

2S47

2S48

2S49

2S50

2S51

2S52

2S53

2S54

2nd Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

2S13

2S14

2S15

2S16

2S17

2S18

2S19

2S20

2S21

2S22

2S23

2S24

2S25

2S26

2S27

2S28

2S29

2S30

2S31

2S32

2S35

2S36

2S37

2S38

2S39

2S40

2S41

2S42

2S43

2S44

2S45

2S46

2S47

2S48

2S49

2S50

2S51

2S52

2S53

2S54

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 4.4 Damage levels of the columns in the X direction loading (continued) 

 

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

3S16

3S47

3rd Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

3S16

3S47

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 4.4 Damage levels of the columns in the X direction loading (continued) 

Page 60: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

45

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

K125

K133

K135

K136

K137

K138

K139

K140

K141

K142

K143

K146

K147

K148

K149

K150

K151

K152

K153

K154

K157

K165

1st Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0.00

K125

K133

K135

K136

K137

K138

K139

K140

K141

K142

K143

K146

K147

K148

K149

K150

K151

K152

K153

K154

K157

K165

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 Figure 4.5 Damage levels of the beams in the X direction loading 

 

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

K225

K235

K236

K237

K238

K239

K240

K241

K242

K243

K246

K247

K248

K249

K250

K251

K252

K253

K254

K257

2nd Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0.00

K225

K235

K236

K237

K238

K239

K240

K241

K242

K243

K246

K247

K248

K249

K250

K251

K252

K253

K254

K257

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 Figure 4.5 Damage levels of the beams in the X direction loading (continued) 

 

Page 61: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

46

On  the other hand,  in Y direction yielding of  columns  and beams were observed  at  the 

third story in addition to the first two stories. According to assessment results the existing 

building  was  not  able  to  satisfy  Life  Safety  performance  level.  Global  performance 

evaluation of the building is summarized in Table 4.1. 

 

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

1S13

1S14

1S15

1S16

1S17

1S18

1S19

1S20

1S21

1S22

1S23

1S24

1S25

1S26

1S27

1S28

1S29

1S30

1S31

1S32

1S35

1S36

1S37

1S38

1S39

1S40

1S41

1S42

1S43

1S44

1S45

1S46

1S47

1S48

1S49

1S50

1S51

1S52

1S53

1S54

1st Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

1S13

1S14

1S15

1S16

1S17

1S18

1S19

1S20

1S21

1S22

1S23

1S24

1S25

1S26

1S27

1S28

1S29

1S30

1S31

1S32

1S35

1S36

1S37

1S38

1S39

1S40

1S41

1S42

1S43

1S44

1S45

1S46

1S47

1S48

1S49

1S50

1S51

1S52

1S53

1S54

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 Figure 4.6 Damage levels of the columns in the Y direction loading 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 62: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

47

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

2S23

2S24

2S25

2S26

2S27

2S28

2S29

2S30

2S31

2S32

2S35

2S36

2S37

2S38

2S39

2S40

2S41

2S42

2S43

2S44

2nd Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

2S23

2S24

2S25

2S26

2S27

2S28

2S29

2S30

2S31

2S32

2S35

2S36

2S37

2S38

2S39

2S40

2S41

2S42

2S43

2S44

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 Figure 4.6 Damage levels of the columns in the Y direction loading (continued) 

 

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

3S23

3S24

3S25

3S26

3S27

3S28

3S29

3S30

3S31

3S32

3S35

3S36

3S37

3S38

3S39

3S40

3S41

3S42

3S43

3S44

3rd Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

3S23

3S24

3S25

3S26

3S27

3S28

3S29

3S30

3S31

3S32

3S35

3S36

3S37

3S38

3S39

3S40

3S41

3S42

3S43

3S44

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 4.6 Damage levels of the columns in the Y direction loading (continued) 

Page 63: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

48

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

K166

K168

K169

K171

K172

K174I

K174J

K176

K177I

K178

K179

K181

K182

K184

K185

K187

K188

K190

K191

K193

K194

1st Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0.00

K166

K168

K169

K171

K172

K174I

K174J

K176

K177I

K178

K179

K181

K182

K184

K185

K187

K188

K190

K191

K193

K194

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 4.7 Damage levels of the beams in the Y direction loading 

 

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

K266

K267

K269

K270

K272

K273

K274J

K275

K277I

K277J

K279

K280

K282

K283

K285

K286

K288

K289

K291

K294

2nd Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0.00

K266

K267

K269

K270

K272

K273

K274J

K275

K277I

K277J

K279

K280

K282

K283

K285

K286

K288

K289

K291

K294

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 4.7 Damage levels of the beams in the Y direction loading (continued) 

Page 64: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

49

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

K370

K371

K373

K376

K377J

K381

K383

K384

K386

K389

3rd Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0.00

K370

K371

K373

K376

K377J

K381

K383

K384

K386

K389

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 Figure 4.7 Damage levels of the beams in the Y direction loading (continued) 

 

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

K488

K490

K491

K493

K494

4th Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0.00

K488

K490

K491

K493

K494

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 4.7 Damage levels of the beams in the Y direction loading (continued) 

Page 65: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

50

Table 4.1 Global performance of the existing building 

  

 

4.2. Implementation of the Retrofit Design Methodology The Verification of Design 

 

Considering  the  calculated  deficiencies,  retrofit  strategy  should  intend  to  reduce 

deformation demands at lower story members. In this sense, four shear walls having cross 

section dimensions of 300x3250 mm and two shear walls having cross section dimensions 

of 300x6900 mm were added in the X and Y directions, respectively. The ratio of the cross 

section area of shear walls in the considered earthquake direction to the floor area is 0.008 

in  the  X  and  0.007  in  the  Y  direction.  3D  mathematical  model  and  plan  view  of  the 

retrofitted building are shown in Figure 4.8 and Figure 4.9, respectively.  

 

 Figure 4.8 3D Mathematical model of the retrofitted four story school building 

X Direction Y Direction Vstr  VNC    Vstr  VNC Story 

No.  (kN)  (kN) % NC 

%NC Beams   

StoryNo.  (kN)  (kN)

% NC % NC Beams 

1  5900  5900  100.00  55.56    1  4775  4775 100.00  31.25 2  5213  4877  93.55  0.00    2  4256  1975 46.41  31.25 3  3640  0  0.00  0.00    3  2993  1581 52.84  0.00 4  1364  0  0.00  0.00    4  1121  0  0.00  6.25 

Page 66: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

51

 Figure 4.9 Plan view of the retrofitted building 

 

Characteristic  concrete  strength was  taken  as  20 MPa  in  compression  and  characteristic 

yield strength of reinforcement bars was taken as 420 MPa for new members. 

 

Shear walls were  located not  to disturb  symmetry  in plan and not  to  intervene with  the 

architectural functions. Effective fundamental periods in both directions were computed by 

using cracked stiffnesses of reinforced concrete members. Effective fundamental periods in 

the X and Y directions were computed as 0.29 sec. and 0.23 sec. respectively.  These periods 

were 0.61 and 0.80 seconds before retrofitting with  the added walls. Employing Equation 

2.1, target roof displacement demands were computed as 0.053 m and 0.036 m for the X and 

Y directions, which were 0.132 m and 0.186 m before retrofitting. Target roof displacements 

and corresponding uniform drift distributions computed for the design earthquake having 

2 % probability of exceedance in 50 years are shown in Figures 4.10 and 4.11 together with 

the  drift  profile  of  the  existing  and  retrofitted  buildings  at  the  associated  performance 

points. 

 

Page 67: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

52

0.058

0.106

0.124

0.1320.053

0.013

0.027

0.040

0

1

2

3

4

0.000 0.020 0.040 0.060 0.080 0.100 0.120 0.140Story Displacement (m)

Story

i.

0

1

2

3

4

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020Interstory Drift Ratio

Story

Retrofitted Building ‐ UDAnalysis

Existing Building ‐ POAnalysis

ii. 

Figure 4.10 i. Story displacements, ii. Interstory drift distributions in X direction  

0.069

0.134

0.172

0.186

0.027

0.018

0.009

0.036

0

1

2

3

4

0.000 0.040 0.080 0.120 0.160 0.200Story Displacement (m)

Story

i.

0

1

2

3

4

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025Interstory Drift Ratio

Story

Retrofitted Building ‐ UDAnalysis

Existing Building ‐ POAnalysis

ii.  Figure 4.11 i. Story displacements, ii. Interstory drift distributions in Y direction 

 

Imposing  the  drift  distributions  shown  in  Figures  4.10  and  4.11  by  employing  a  linear 

elastic analysis, chord rotation demands were calculated and presented in Figures 4.12 and 

4.13  together  with  the  chord  rotation  capacities  at  the  significant  damage  limit  of  the 

columns in order to determine deficient columns. Interventions may be required in order to 

increase their deformation capacities or shear strengths. 

 

Page 68: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

53

1st Story Columns

0.0000

0.0010

0.0020

0.0030

0.0040

0.0050

0.0060

0.0070

0.0080

0.0090

1S13

1S14

1S15

1S16

1S17

1S18

1S19

1S20

1S21

1S22

1S23

1S24

1S25

1S30

1S31

1S32

1S38

1S39

1S40

1S41

1S46

1S47

1S48

1S49

1S50

1S51

1S52

1S53

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation capacity at limit state

 Figure 4.12 Comparison of chord rotation demands and capacities for columns in the X 

direction for significant damage performance level  

2nd Story Columns

0.0000

0.0020

0.0040

0.0060

0.0080

0.0100

0.0120

2S13

2S14

2S15

2S16

2S17

2S18

2S19

2S20

2S21

2S22

2S23

2S24

2S25

2S30

2S31

2S32

2S38

2S39

2S40

2S41

2S46

2S47

2S48

2S49

2S50

2S51

2S52

2S53

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD AnalysisChord rotation capacity at limit state

 Figure 4.12 Comparison of chord rotation demands and capacities for columns in the X 

direction for significant damage performance level (continued) 

 

 

Page 69: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

54

3rd Story Columns

0.0000

0.0020

0.0040

0.0060

0.0080

0.0100

0.0120

0.0140

0.0160

3S13

3S14

3S15

3S16

3S17

3S18

3S19

3S20

3S21

3S22

3S23

3S24

3S25

3S30

3S31

3S32

3S38

3S39

3S40

3S41

3S46

3S47

3S48

3S49

3S50

3S51

3S52

3S53

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation capacity at limit state

 Figure 4.12 Comparison of chord rotation demands and capacities for columns in the X 

direction for significant damage performance level (continued) 

 

4th Story Columns

0.0000

0.0050

0.0100

0.0150

0.0200

0.0250

0.0300

4S13

4S14

4S15

4S16

4S17

4S18

4S19

4S20

4S21

4S22

4S23

4S24

4S25

4S30

4S31

4S32

4S38

4S39

4S40

4S41

4S46

4S47

4S48

4S49

4S50

4S51

4S52

4S53

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation capacity at limit state

 

Figure 4.12 Comparison of chord rotation demands and capacities for columns in the X 

direction for significant damage performance level (continued) 

Page 70: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

55

1st Story Columns

‐0.0020‐0.00100.00000.00100.00200.00300.00400.00500.00600.00700.00800.0090

1S13

1S14

1S15

1S16

1S17

1S18

1S19

1S20

1S21

1S22

1S23

1S24

1S25

1S30

1S31

1S32

1S38

1S39

1S40

1S41

1S46

1S47

1S48

1S49

1S50

1S51

1S52

1S53

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation capacity at limit state

 Figure 4.13 Comparison of chord rotation demands and capacities for columns in the Y 

direction for significant damage performance level  

2nd Story Columns

‐0.0020

0.0000

0.0020

0.0040

0.0060

0.0080

0.0100

0.0120

2S13

2S14

2S15

2S16

2S17

2S18

2S19

2S20

2S21

2S22

2S23

2S24

2S25

2S30

2S31

2S32

2S38

2S39

2S40

2S41

2S46

2S47

2S48

2S49

2S50

2S51

2S52

2S53

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation capacity at limit state

 Figure 4.13 Comparison of chord rotation demands and capacities for columns in the Y 

direction for significant damage performance level (continued) 

 

Page 71: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

56

3rd Story Columns

‐0.0020

0.0000

0.0020

0.0040

0.0060

0.0080

0.0100

0.0120

0.0140

0.0160

3S13

3S14

3S15

3S16

3S17

3S18

3S19

3S20

3S21

3S22

3S23

3S24

3S25

3S30

3S31

3S32

3S38

3S39

3S40

3S41

3S46

3S47

3S48

3S49

3S50

3S51

3S52

3S53

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation capacity at limit state

 Figure 4.13 Comparison of chord rotation demands and capacities for columns in the Y 

direction for significant damage performance level (continued) 

 

4th Story Columns

‐0.0050

0.0000

0.0050

0.0100

0.0150

0.0200

0.0250

0.0300

0.0350

0.0400

0.0450

4S13

4S14

4S15

4S16

4S17

4S18

4S19

4S20

4S21

4S22

4S23

4S24

4S25

4S30

4S31

4S32

4S38

4S39

4S40

4S41

4S46

4S47

4S48

4S49

4S50

4S51

4S52

4S53

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation capacity at limit state

 

Figure 4.13 Comparison of chord rotation demands and capacities for columns in the Y 

direction for significant damage performance level (continued) 

 

 

Page 72: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

57

It  can  be  observed  from  Figures  4.12  and  4.13  that  none  of  the  column  chord  rotation 

demands exceeds chord rotation capacities calculated at the significant damage limit state. 

Adding  shear  walls  successfully  limited  the  deformation  demands  in  columns  due  to 

increased lateral rigidity. 

 

In order  to prevent brittle  failure of  reinforced  concrete members,  shear demands occur 

were compared with shear capacities. Columns S24, S25, S30, S31, S38, S39, S40, and S41 at 

the first story of the retrofitted building were classified as brittle. Thus, these columns were 

wrapped with FRP sheets  to  increase shear capacity. FRP design was made by  following 

the procedures stated in TEC 2007. Details of FRP design for column S25 is given below as 

an example. Shear demand of  the column S25 at  the  first story was calculated as 191 kN, 

however shear capacity of the column was 164 kN. In order to increase its shear capacity, 

FRP sheets having thickness of 0.165 mm were wrapped around the column with a spacing 

of 150 mm.  

 

nf  1    where   tf (mm)  0.165       wf (mm)  85    nf  Number of FRP layers Ef (MPa)  230000    tf  Thickness of one layer FRP sheet 

εf  0.004    wf  Width of FRP sheets d (mm)  585    Ef  Elastic modulus of FRP sheets sf (mm)  0.165    sf  Spacing between FRP sheets εu  0.01    εf  Strain limit of FRP 

Vf (kN)  47.5    d  Depth of section Vc (kN)  93.1    Vf  Increase in shear  capacity due to FRP wrapping Vs (kN)  49.4    Vc  Shear capacity by concrete Vr (kN)  191.6    Vs  Shear capacity by steel Vmax (kN)  336.6    Vr  Shear capacity of retrofitted column 

 

Detailing  of  shear walls  intends  to  satisfy  the  computed  chord  rotation demands  at  the 

bases  of walls.  Existing  columns were  taken  into  account  as  boundary  elements  of  the 

walls. Bar buckling phenomenon in the existing columns was also considered as a limiting 

state of deformation  capacities. Moment –  curvature analysis  results and particular  limit 

states  in  terms of curvatures are presented  for shear walls TP01 and TP05  in Figures 4.14 

and 4.16 together with reinforcement and section detailing of the walls in Figures 4.15 and 

Page 73: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

58

4.17.  Longitudinal  reinforcement  ratio  in web  section  of  shear walls  TP01  and  TP05  is 

0.0025  corresponding  to  the minimum  ratio  stated  in TEC  2007.  In  case of  shear,  lateral 

reinforcement ratio is 0.0025 as well, which is the minimum ratio stated in TEC 2007. This 

amount  of minimum  lateral  reinforcement was  sufficient  to meet  the  shear demands  of 

1551 kN for TP01 and 2941 kN for TP05. 

 

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025 0.0030 0.0035 0.0040 0.0045 0.0050Curvature(rad/m)

Moment(kNm)

M‐K DiagramIdealized M‐K DiagramSignificant Damage Limit StateSevere Damage Limit StateMoyer‐Kowalsky Bar Buckling LimitCurvature Demand

 Figure 4.14 Moment curvature analysis of shear wall TP01 

 

570600 mm

570600 mm

300

mm

4Ø24+4Ø20

Existing Column

3250 mm

32Ø10

TP01Existing Column

4Ø24+4Ø20Ø8/200 Ø8/200

 Figure 4.15 Detailing of TP01 

 

0

3000

6000

9000

12000

15000

18000

0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025Curvature (rad/m)

Moment(kNm)

M‐K DiagramIdealized M‐K DiagramSignificant Damage Limit StateSevere Damage Limit StateMoyer‐Kowalsky Bar Buckling LimitCurvature Demand

 Figure 4.16 Moment curvature analysis of shear wall TP05 

  

Page 74: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

59

570

600

mm570

600 mm

300

mm

4Ø24+4Ø20

Existing Column

6900 mm

70Ø10

TP05Existing Column

4Ø24+4Ø

20Ø8/200Ø

8/200

 Figure 4.17 Detailing of TP05 

 

4.3. Verification of the Proposed Retrofit Design Methodology 

 

Retrofit design was verified  through nonlinear evaluation of  seismic performance at Life 

Safety  in  both  X  and  Y  directions  of  loading.  Thus,  pushover  analysis was  conducted. 

Capacity curves of existing and retrofitted buildings are shown in Figure 4.18. Increase in 

both lateral load carrying capacity and lateral stiffness is clearly observed in Figure 4.18 as 

a result of new added shear walls. 

 

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30Roof Displacement (m)

Base Shear (kN)

Retrofitted Building ‐ +X Direction

Retrofitted Building ‐ +Y Direction

Existing Building ‐ +X Direction

Existing Building ‐ +Y Direction

Roof Displacement Demand

 Figure 4.18 Capacity curves of the retrofitted and existing buildings 

 

 

 

 

 

Page 75: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

60

Drift distributions of existing and retrofitted buildings are shown in Figures 4.19 and 4.20 

whereas  chord  rotation  demands  calculated  by  employing  uniform  drift  and  pushover 

analyses  are  compared  in  Figures  4.21  and  4.22.  Following  Figures  4.21  and  4.22,  it  is 

observed  that  addition  of  shear walls decreased  chord  rotation demands  of  the  existing 

columns  significantly. Additionally,  comparing  chord  rotation  demands  calculated  from 

uniform drift and pushover analyses, it can be concluded that results are compatible with 

each other. Especially  for  the  first story columns uniform drift  results estimate  the chord 

rotation demands obtained from the pushover analysis quite well.  

 

0.058

0.106

0.124

0.132

0.014

0.029

0.044

0.058

0.040

0.027

0.013

0.053

0

1

2

3

4

0.000 0.020 0.040 0.060 0.080 0.100 0.120 0.140Story Displacement (m)

Story

i.

0

1

2

3

4

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020Interstory Drift Ratio

Story

Retrofitted Building ‐ UDAnalysisRetrofitted Building ‐ POAnalysisExisting Building ‐ POAnalysis

ii. 

Figure 4.19 i. Story displacements, ii. Interstory drift distributions in X direction  

0.069

0.134

0.172

0.186

0.000

0.010

0.022

0.033

0.044

0.027

0.018

0.009

0.036

0

1

2

3

4

0.000 0.040 0.080 0.120 0.160 0.200Story Displacement (m)

Story

i.

0

1

2

3

4

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025Interstory Drift Ratio

Story

Retrofitted Building ‐UD AnalysisRetrofitted Building ‐PO AnalysisExisting Building ‐ POAnalysis

ii.  Figure 4.20 i. Story displacements, ii. Interstory drift distributions in Y direction 

 

Page 76: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

61

1st Story Columns

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

1S13

1S14

1S15

1S16

1S17

1S18

1S19

1S20

1S21

1S22

1S23

1S24

1S25

1S30

1S31

1S32

1S38

1S39

1S40

1S41

1S46

1S47

1S48

1S49

1S50

1S51

1S52

1S53

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation demand ‐ PO Analysis

 Figure 4.21 Chord rotation demands of the columns in the X direction loading  

 

2nd Story Columns

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

2S13

2S14

2S15

2S16

2S17

2S18

2S19

2S20

2S21

2S22

2S23

2S24

2S25

2S30

2S31

2S32

2S38

2S39

2S40

2S41

2S46

2S47

2S48

2S49

2S50

2S51

2S52

2S53

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation demand ‐ PO Analysis

 Figure 4.21 Chord rotation demands of the columns in the X direction loading (continued) 

 

3rd Story Columns

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

3S13

3S14

3S15

3S16

3S17

3S18

3S19

3S20

3S21

3S22

3S23

3S24

3S25

3S30

3S31

3S32

3S38

3S39

3S40

3S41

3S46

3S47

3S48

3S49

3S50

3S51

3S52

3S53

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation demand ‐ PO Analysis

 Figure 4.21 Chord rotation demands of the columns in the X direction loading (continued) 

Page 77: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

62

4th Story Columns

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

4S13

4S14

4S15

4S16

4S17

4S18

4S19

4S20

4S21

4S22

4S23

4S24

4S25

4S30

4S31

4S32

4S38

4S39

4S40

4S41

4S46

4S47

4S48

4S49

4S50

4S51

4S52

4S53

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation demand ‐ PO Analysis

 

Figure 4.21 Chord rotation demands of the columns in the X direction loading (continued) 

 

1st Story Columns

‐0.002

‐0.001

0

0.001

0.002

0.003

0.004

1S13

1S14

1S15

1S16

1S17

1S18

1S19

1S20

1S21

1S22

1S23

1S24

1S25

1S30

1S31

1S32

1S38

1S39

1S40

1S41

1S46

1S47

1S48

1S49

1S50

1S51

1S52

1S53

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation demand ‐ PO Analysis

 Figure 4.22 Chord rotation demands of the columns in the Y direction loading 

 

2nd Story Columns

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

2S13

2S14

2S15

2S16

2S17

2S18

2S19

2S20

2S21

2S22

2S23

2S24

2S25

2S30

2S31

2S32

2S38

2S39

2S40

2S41

2S46

2S47

2S48

2S49

2S50

2S51

2S52

2S53

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation demand ‐ PO Analysis

 Figure 4.22 Chord rotation demands of the columns in the Y direction loading (continued) 

Page 78: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

63

3rd Story Columns

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

3S13

3S14

3S15

3S16

3S17

3S18

3S19

3S20

3S21

3S22

3S23

3S24

3S25

3S30

3S31

3S32

3S38

3S39

3S40

3S41

3S46

3S47

3S48

3S49

3S50

3S51

3S52

3S53

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation demand ‐ PO Analysis

 Figure 4.22 Chord rotation demands of the columns in the Y direction loading (continued) 

 

4th Story Columns

‐0.0010

0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.007

4S13

4S14

4S15

4S16

4S17

4S18

4S19

4S20

4S21

4S22

4S23

4S24

4S25

4S30

4S31

4S32

4S38

4S39

4S40

4S41

4S46

4S47

4S48

4S49

4S50

4S51

4S52

4S53

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation demand ‐ PO Analysis

 

Figure 4.22 Chord rotation demands of the columns in the Y direction loading (continued) 

 

As a verification of retrofit design, nonlinear assessment results of the retrofitted building 

is given for the X and Y directions in Figures 4.23, 4.24, 4.25, 4.26, 4.27 and 4.28 for yielded 

columns, beams and shear walls separately. Global performance of the retrofitted building 

is summarized in Table 4.2. According to Table 4.2 four story school building satisfies the 

Life Safety performance level defined in TEC 2007 for an earthquake having a return period 

of 2475 years. 

 

Page 79: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

64

Table 4.2 Global performance of the retrofitted building  

X Direction    Y Direction Vstr  VNC    Vstr  VNC 

Story No. 

(kN)  (kN) %NC 

% NC. Beams 

 

StoryNo. 

(kN)  (kN) % NC 

% NC Beams 

1  9884  191  1.93  0.00    1  7910  0  0.00  0.00 2  9125  0  0.00  0.00    2  7283  0  0.00  0.00 3  6938  0  0.00  0.00    3  5535  0  0.00  0.00 4  3115  0  0.00  0.00    4  2488  0  0.00  0.00 

 

 

 

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

1S15

1S16

1S20

1S21

1S24

1S25

1S30

1S38

1S40

1S41

1S49

1S51

1st Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.070

‐0.060

‐0.050

‐0.040

‐0.030

‐0.020

‐0.010

0.000

1S15

1S16

1S20

1S21

1S24

1S25

1S30

1S38

1S40

1S41

1S49

1S51

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 Figure 4.23 Damage levels of the columns in the X direction loading 

Page 80: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

65

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

2S24

2S30

2S38

2S40

2nd Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.070

‐0.060

‐0.050

‐0.040

‐0.030

‐0.020

‐0.010

0.000

2S24

2S30

2S38

2S40

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 Figure 4.23 Damage levels of the columns in the X direction loading (continued)  

 

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

3S24

3S30

3S38

3S40

3rd Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.070

‐0.060

‐0.050

‐0.040

‐0.030

‐0.020

‐0.010

0.000

3S24

3S30

3S38

3S40

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 4.23 Damage levels of the columns in the X direction loading (continued)  

Page 81: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

66

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

4S23

4S24

4S31

4S38

4S39

4S40

4S41

4S53

4th Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.070

‐0.060

‐0.050

‐0.040

‐0.030

‐0.020

‐0.010

0.000

4S23

4S24

4S31

4S38

4S39

4S40

4S41

4S53

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 4.23 Damage levels of the columns in the X direction loading (continued) 

 

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

K135

K136

K137

K139

K141

K142

K143

K146

K148

K150

K152

K154

1st Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K135

K136

K137

K139

K141

K142

K143

K146

K148

K150

K152

K154

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 Figure 4.24 Damage levels of the beams in the X direction loading 

 

Page 82: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

67

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

K235

K237

K239

K241

K243

K246

K248

K250

K252

K254

2nd Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K235

K237

K239

K241

K243

K246

K248

K250

K252

K254

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 Figure 4.24 Damage levels of the beams in the X direction loading (continued) 

 

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

K335

K337

K339

K341

K343

K346

K348

K350

K352

K354

3rd Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K335

K337

K339

K341

K343

K346

K348

K350

K352

K354

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 4.24 Damage levels of the beams in the X direction loading (continued) 

Page 83: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

68

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

K437

K439

K441

K446

K448

K450

K452

K454

4th Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K437

K439

K441

K446

K448

K450

K452

K454

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain 

Figure 4.24 Damage levels of the beams in the X direction loading (continued) 

 

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

TP01

TP02

TP03

TP04

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

TP01

TP02

TP03

TP04

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 4.25 Damage levels of the shear walls in the X direction loading  

Page 84: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

69

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

1S46

1S53

1st Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.070

‐0.060

‐0.050

‐0.040

‐0.030

‐0.020

‐0.010

0.000

1S46

1S53

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 4.26 Damage levels of the columns in the Y direction  

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

K167

K191

K194

1st Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K167

K191

K194

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 4.27 Damage levels of the beams in the Y direction 

 

Page 85: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

70

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

K289

K291

2nd Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K289

K291

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 4.27 Damage levels of the beams in the Y direction (continued) 

 

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01K387

K389

3rd Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K387

K389

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 4.27 Damage levels of the beams in the Y direction (continued) 

Page 86: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

71

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

K485

K487

4th Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K485

K487

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain 

Figure 4.27 Damage levels of the beams in the Y direction (continued) 

 

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

TP05

TP08

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

TP05

TP08

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 4.28 Damage levels of the shear walls in the Y direction loading 

Page 87: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

72

4.4. Force‐Based Rehabilitation of the Building 

 

The existing  four story school building was retrofitted by employing a  force‐based  linear 

elastic procedure as well. First story plan of the force‐based retrofitted building is shown in 

Figure  4.29.  In  order  to  determine  deficient  columns  in  the  retrofitted  system,  linear 

assessment methods defined in TEC 2007 were used. Columns S23, S24, S31, S32, and S38‐

41 at the first story were not capable of meeting demand‐capacity‐ratio limits of significant 

damage  level  stated  in  TEC  2007.  In  this  sense  these  columns  were  strengthened  by 

wrapping with RC jackets having a thickness of 150 mm.  

 

 Figure 4.29 Plan view of the force‐based retrofitted building 

 

In the design of new shear walls, design spectrum was obtained by reducing the response 

spectrum used for seismic performance evaluation which represents an earthquake having 

a return period of 2475 years by R= 4.5. According to TEC 2007, TP01‐04 were classified as 

slender walls. Thus, along the critical height which was taken as 3.5 m, confined ends were 

formed at the wall boundaries. Longitudinal reinforcement ratio needed for shear walls in 

the X direction was determined as 0.01 by following the design procedures for shear walls 

given in TEC 2007. On the other hand, shear walls TP05 and TP08 were classified as squat 

Page 88: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

73

walls  and  detailed  accordingly.  For  these  shear  walls,  no  confined  ends  were  needed 

according  to  TEC  2007.  Longitudinal  reinforcement  ratio was  determined  as  0.0068  for 

TP05 and TP08. In case of shear design, shear demand was calculated as 3223 kN for TP01 

and  7266 kN  for TP05. These demands yielded  transverse  reinforcement  ratios of  0.0072 

and 0.0078  for TP01 and TP05 respectively. Detailing and axial P‐M  interaction diagrams 

for shear walls TP01 and TP05 are presented in Figures 4.30, 4.31, 4.32, and 4.33. 

 

4.5. Comparison of Displacement‐Based and Force‐Based Retrofit Solutions 

 

Displacement‐based  and  force‐based  retrofit  solutions  for  the  school  building  were 

compared  in  system  and  member  levels.  Considering  the  retrofitted  columns  in  the 

displacement‐based retrofitted case, FRP wrapping was determined as sufficient to increase 

shear strength and deformation capacity. On  the other hand  in  the  force‐based design,  in 

order to decrease axial force demands and increase both shear and deformation capacities, 

deficient  columns were  strengthened by RC  jackets. However, nonlinear  analysis  results 

revealed  that FRP wrapping  is sufficient as a retrofit solution. According  to  linear elastic 

procedures, columns S23‐24, S31‐32, S38‐39, and S40‐41 at the first story were deficient. In 

case of the displacement‐based procedure columns S24‐25, S30‐31, S38‐41 at the first story 

were  strengthened with FRP  sheets due  to  lack of deformation and  shear  capacities. For 

other  columns  deformation  demands  were  computed  as  less  than  the  deformation 

capacities. Nonlinear assessment results also confirm this result. 

 

Detailing of  the added  shear walls  in  the X and Y directions according  to displacement‐

based and  force‐based designs are compared  in Figures 4.30, 4.31, 4.32, and 4.33  for  two 

walls along with  the  corresponding P‐M  interaction diagrams and P‐M demands  for  the 

force‐based design. 

 

 

Page 89: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

74

570600 mm

570600 mm

300

mm

4Ø24+4Ø20

Existing Column

3250 mm

32Ø10

TP01Existing Column

Displacement-Based Design

Force-Based Design

4Ø24+4Ø20

570600 mm

570600 mm

300

mm

Existing Column

3250 mm

18Ø12

TP01Existing Column

10Ø22 10Ø22

Ø8/200 Ø8/200

4Ø24+4Ø20 4Ø24+4Ø20Ø8/200 Ø8/200

 Figure 4.30 Detailing of the shear wall TP01 according to the displacement‐based and force‐

based designs 

 

‐10000

‐5000

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

0 5000 10000 15000

Moment (kNm)

Axial Force (kN)

Displacement ‐ Based DesignForce ‐ Based DesignForced ‐ Based Load DemandDisplacement ‐ Based Load Demand

 Figure 4.31 P‐M Interaction diagrams of the shear wall TP01 according to the displacement‐

based and forced‐based designs 

 

In force‐based design, confined end regions were formed at the boundaries of slender shear 

walls by  following TEC 2007.  In displacement‐based design, deformation demands were 

satisfied with the given detailing in Figures 4.30 and 4.32 without any confined ends. It can 

be concluded that, displacement‐based design gives more economic solutions considering 

the longitudinal reinforcement used in the shear walls. 

 

Page 90: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

75

570

600

mm570

600 mm

300

mm

4Ø24+4Ø20

Existing Column

6900 mm

70Ø10

TP05Existing Column

4Ø24+4Ø

20

Displacement-Based Design

570

600

mm570

600 mm

300

mm

Existing Column

6900 mm

70Ø16

TP05Existing Column

Force-Based Design

4Ø24+4Ø20

4Ø24+4Ø

20Ø8/200

Ø8/200

Ø8/200

Ø8/200

 Figure 4.32 Detailing of the shear wall TP05 according to the displacement‐based and force‐

based designs 

 

‐20000

‐10000

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

0 10000 20000 30000 40000 50000

Moment (kNm)

Axial Force (kN)

Displacement ‐ Based DesignForce ‐ Based DesignForced ‐ Based Load DemandDisplacement ‐ Based Load Demand

 Figure 4.33 P‐M Interaction diagrams of the shear wall TP05 according to the displacement‐

based and forced‐based designs 

 

In order to compare retrofit solutions in system level, nonlinear analysis was conducted for 

both  retrofit  cases of  the  school building. Capacity  curves  in  the X  and Y directions  are 

shown  in Figure 4.34  for both retrofit cases.  It  is apparent  in Figure 4.34  that  force‐based 

retrofit design offers more strength. However, roof displacement demands of both cases do 

not differ much. Target roof displacement demands of the force‐based retrofitted building 

are 0.054 m  in X direction and 0.041 m  in Y direction  for an earthquake having a  return 

period  of  2475  years.  On  the  other  hand,  target  roof  displacement  demands  of  the 

Page 91: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

76

displacement‐based retrofitted building were calculated as 0.058 m  in the X direction and 

0.044 m in the Y direction under the same design earthquake. 

 

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

Roof Displacement (m)

Base Shear (kN)

Displacement ‐ Based Retrofitted Building ‐ +X DirectionDisplacement ‐ Based Retrofitted Building ‐ +Y DirectionForce‐ Based Retrofitted Building ‐ +X DirectionForce‐ Based Retrofitted Building ‐ +Y Direction

Roof Displacement Demand

 Figure 4.34 Capacity curves of the retrofitted building according to displacement‐based 

and force‐based approaches 

 

 

 

                

Page 92: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

77

 

 

CHAPTER 5 

 

 

CASE STUDY II ‐ SEISMIC REHABILITATION OF A FOUR STORY 

DORMITORY BUILDING 

 

 

 

A  four  story  dormitory  building  composed  of  reinforced  concrete  frame  system  was 

examined as the second case study. Flow of this chapter is same as that of the previous one. 

 

5.1. Existing Condition of the Building 

 

Existing  dormitory  building  shown  in  Figure  5.1  is  composed  of  four  story  reinforced 

concrete frame system. All columns are oriented in the Y direction. Cross section dimension 

of all columns except S14, S20, S25 and S31  is 300x600 mm. Square columns S14, S20, S25 

and S31 are 300x300 mm. All beams on A, B, C and D axes are 300x500 mm. Other beams 

are 300x700 mm. Story height along the building is 3 meters. 3D mathematical model and 

plan view of the building are shown in Figures 5.1 and 5.2, respectively.  

 

Existing concrete strength was  taken as 8.5 MPa and yield strength of reinforcement bars 

was  taken  as  420 MPa. Volumetric  ratio  of  longitudinal  reinforcement  in  columns was 

taken  as  0.01.  In  case  of  beams,  tension  reinforcement  ratio was  0.008  and  compression 

reinforcement ratio was 0.004 at the supports. Φ8/200mm stirrups with hook angle of 135° 

were  used  as  transverse  reinforcement  in  all members  and  considered  as  confinement 

reinforcement. Thus ρs/ρsm ratio was calculated as 0.58 which yields a strain limit at stirrup 

level corresponding to the significant damage limit state of 0.0093.  

Page 93: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

78

Local soil conditions were classified as Z2 soil type according to TEC 2007. Since Life Safety 

performance objective was selected, response spectrum was constructed for Z2 soil type for 

an earthquake having 2% probability of exceedance in 50 years, which corresponds a 2475 

return period event. Life Safety performance requirements are same as that for school type 

buildings. 

 

 

 Figure 5.1 3D Mathematical model of the four story existing dormitory building 

 

6.7

m2.

3 m

6.7

m

S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11

S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22

S23 S24 S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 S33

S34 S35 S36 S37 S38 S39 S40 S41 S42 S43 S44

R

G

X

Y

3.6 m 3.6 m 3.6 m 3.6 m 3.6 m 3.6 m 3.6 m 3.6 m 3.6 m 3.6 m

K130

K131 K132 K133 K134 K135 K136 K137 K138 K139 K140

K14

1 K

142

K14

3

K14

4 K

145

K14

6

K14

7 K

148

K14

9

K15

0 K

151

K15

2

K15

3 K

154

K15

5

K15

6 K

157

K15

8

K15

9 K

160

K16

1

K16

2 K

163

K16

4

K16

5 K

166

K16

7

K16

8 K

169

K17

0

K17

1 K

172

K17

3

S1 S2 S3 S4A

B

C

D

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

8

8

9

9

10

10

11

11

K101 K102 K103 K104 K105 K106 K107 K108 K109 K110

K111 K112 K113 K114 K115 K116 K117 K118 K119 K120

K121 K122 K123 K124 K125 K126 K127 K128 K129

 

Figure 5.2 Plan view of the four story existing dormitory building 

 

Page 94: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

79

In order to evaluate seismic performance whether the building satisfies Life Safety objective 

or  not  in  the  X  and  Y  directions,  nonlinear  assessment  procedures  of  TEC  2007  were 

followed.  Pushover  analysis  was  conducted  in  +X  and  +Y  directions  using  cracked 

stiffnesses  of  reinforced  concrete  members.  Capacity  curves  are  shown  in  Figure  5.3. 

Effective  fundamental periods  in  the X and Y directions were  computed as 0.84  seconds 

and  0.56  seconds,  respectively. Target  roof displacement demands under  the  considered 

design  earthquake were  calculated as 0.185 m  for  the X direction  and 0.116 m  for  the Y 

direction. Existing building was pushed  in both directions  separately until  the  roof  level 

reached the target roof displacements. 

 

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

Roof Displacement (m)

Base Shear (kN)

Capacity Curve ‐ +X DirectionCapacity Curve ‐ +Y  DirectionRoof Displacement DemandSoft Story Formation

 

Figure 5.3 Capacity curves of the existing building 

 

Most of the existing columns and beams were observed not to meet deformation demands 

at  the  performance  point.  Damage  levels  of  reinforced  concrete  members  at  the 

performance points computed by pushover analysis in the X and Y directions are presented 

in Figures 5.4, 5.5, 5.6, and 5.7. Considering the X direction, all of the columns at the first 

story were determined to fail. In the Y direction more than 80 % of the story shear of the 

first  story  is  carried by deficient  columns. Global performance  evaluation of  the  existing 

building is summarized in Table 5.1 for both directions.  

Page 95: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

80

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

1S1

1S10

1S11

1S12

1S13

1S14

1S15

1S16

1S17

1S18

1S19 1S2

1S20

1S21

1S22

1S23

1S24

1S25

1S26

1S27

1S28

1S29 1S3

1S30

1S31

1S32

1S33

1S34

1S35

1S36

1S37

1S38

1S39 1S4

1S40

1S41

1S42

1S43

1S44 1S5

1S6

1S7

1S8

1S9

1st Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

1S1

1S10

1S11

1S12

1S13

1S14

1S15

1S16

1S17

1S18

1S19

1S2

1S20

1S21

1S22

1S23

1S24

1S25

1S26

1S27

1S28

1S29

1S3

1S30

1S31

1S32

1S33

1S34

1S35

1S36

1S37

1S38

1S39

1S4

1S40

1S41

1S42

1S43

1S44

1S5

1S6

1S7

1S8

1S9

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.4 Damage levels of the columns in the X direction loading 

 

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

2S1

2S10

2S11

2S12

2S13

2S14

2S15

2S16

2S17

2S18

2S19 2S2

2S20

2S21

2S22

2S23

2S24

2S25

2S26

2S27

2S28

2S29 2S3

2S30

2S31

2S32

2S33

2S34

2S35

2S36

2S37

2S38

2S39 2S4

2S40

2S41

2S42

2S43

2S44 2S5

2S6

2S7

2S8

2S9

2nd Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

2S1

2S10

2S11

2S12

2S13

2S14

2S15

2S16

2S17

2S18

2S19

2S2

2S20

2S21

2S22

2S23

2S24

2S25

2S26

2S27

2S28

2S29

2S3

2S30

2S31

2S32

2S33

2S34

2S35

2S36

2S37

2S38

2S39

2S4

2S40

2S41

2S42

2S43

2S44

2S5

2S6

2S7

2S8

2S9

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 Figure 5.4 Damage levels of the columns in the X direction loading (continued) 

Page 96: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

81

0

0.005

0.01

0.015

0.02

3S1

3S10

3S13

3S14

3S15

3S16

3S17

3S18

3S19 3S2

3S21

3S24

3S26

3S27

3S28

3S29 3S3

3S30

3S31

3S32

3S35

3S36

3S37

3S38

3S39 3S4

3S40

3S41

3S42

3S43 3S5

3S6

3S7

3S8

3S9

3rd Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

3S1

3S10

3S13

3S14

3S15

3S16

3S17

3S18

3S19

3S2

3S21

3S24

3S26

3S27

3S28

3S29

3S3

3S30

3S31

3S32

3S35

3S36

3S37

3S38

3S39

3S4

3S40

3S41

3S42

3S43

3S5

3S6

3S7

3S8

3S9

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.4 Damage levels of the columns in the X direction loading (continued) 

 

0

0.005

0.01

0.015

0.02

4S14 4S3

4S30

4S31

4th Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

4S14

4S3

4S30

4S31

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.4 Damage levels of the columns in the X direction loading (continued) 

Page 97: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

82

0

0.005

0.01

0.015

0.02

K101

K103

K105

K107

K109

K110

K111

K112

K113

K114

K115

K116

K117

K118

K119

K120

K121

K122

K123

K125

K126

K127

K128

K129

K130

K131

K133

K135

K137

K139

K140

1st Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K101

K103

K105

K107

K109

K110

K111

K112

K113

K114

K115

K116

K117

K118

K119

K120

K121

K122

K123

K125

K126

K127

K128

K129

K130

K131

K133

K135

K137

K139

K140

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.5 Damage levels of the beams in the X direction loading 

 

0

0.005

0.01

0.015

0.02

K201

K203

K205

K207

K209

K211

K213

K215

K219

K221

K222

K223

K229

K231

K233

K235

K237

K239

2nd Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K201

K203

K205

K207

K209

K211

K213

K215

K219

K221

K222

K223

K229

K231

K233

K235

K237

K239

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 Figure 5.5 Damage levels of the beams in the X direction loading (continued) 

Page 98: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

83

0

0.005

0.01

0.015

0.02

K303

K329

K339

3rd Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K303

K329

K339

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.5 Damage levels of the beams in the X direction loading (continued) 

 

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

1S1

1S10

1S11

1S12

1S13

1S14

1S15

1S16

1S17

1S18

1S19 1S2

1S20

1S21

1S22

1S23

1S24

1S25

1S26

1S27

1S28

1S29 1S3

1S30

1S31

1S32

1S33

1S34

1S35

1S36

1S37

1S38

1S39 1S4

1S40

1S41

1S42

1S43

1S44 1S5

1S6

1S7

1S8

1S9

1st Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

1S1

1S10

1S11

1S12

1S13

1S14

1S15

1S16

1S17

1S18

1S19

1S2

1S20

1S21

1S22

1S23

1S24

1S25

1S26

1S27

1S28

1S29

1S3

1S30

1S31

1S32

1S33

1S34

1S35

1S36

1S37

1S38

1S39

1S4

1S40

1S41

1S42

1S43

1S44

1S5

1S6

1S7

1S8

1S9

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 Figure 5.6 Damage levels of the columns in the Y direction loading 

Page 99: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

84

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

2S1

2S10

2S11

2S12

2S13

2S14

2S15

2S16

2S17

2S18

2S19 2S2

2S20

2S21

2S22

2S23

2S24

2S25

2S26

2S27

2S28

2S29 2S3

2S30

2S31

2S32

2S33

2S34

2S35

2S36

2S37

2S38

2S39 2S4

2S40

2S41

2S42

2S43

2S44 2S5

2S6

2S7

2S8

2S9

2nd Story Columns

Max Concrete Strain Outermost Concrete Fiber Strain

Stirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

2S1

2S10

2S11

2S12

2S13

2S14

2S15

2S16

2S17

2S18

2S19

2S2

2S20

2S21

2S22

2S23

2S24

2S25

2S26

2S27

2S28

2S29

2S3

2S30

2S31

2S32

2S33

2S34

2S35

2S36

2S37

2S38

2S39

2S4

2S40

2S41

2S42

2S43

2S44

2S5

2S6

2S7

2S8

2S9

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.6 Damage levels of the columns in the Y direction loading (continued) 

 

0

0.005

0.01

0.015

0.02

3S10

3S12

3S13

3S14

3S15

3S16

3S17

3S18

3S19 3S2

3S21

3S22

3S23

3S24

3S26

3S27

3S28

3S29

3S30

3S31

3S32

3S33 3S4

3S5

3S7

3S8

3rd Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

3S10

3S12

3S13

3S14

3S15

3S16

3S17

3S18

3S19

3S2

3S21

3S22

3S23

3S24

3S26

3S27

3S28

3S29

3S30

3S31

3S32

3S33

3S4

3S5

3S7

3S8

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.6 Damage levels of the columns in the Y direction loading (continued) 

 

Page 100: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

85

0

0.005

0.01

0.015

0.02

4S1

4S10

4S11 4S2

4S25

4S31 4S5

4S7

4th Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

4S1

4S10

4S11

4S2

4S25

4S31

4S5

4S7

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.6 Damage levels of the columns in the Y direction loading (continued) 

 

0

0.005

0.01

0.015

0.02

K141

K143

K144

K146

K147

K149

K150

K152

K153

K155

K156

K158

K159

K161

K162

K164

K165

K167

K168

K170

K171

K173

1st Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K141

K143

K144

K146

K147

K149

K150

K152

K153

K155

K156

K158

K159

K161

K162

K164

K165

K167

K168

K170

K171

K173

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 Figure 5.7 Damage levels of the beams in the Y direction loading 

Page 101: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

86

0

0.005

0.01

0.015

0.02

K241

K243

K244

K246

K247

K250

K252

K253

K255

K256

K258

K259

K261

K262

K264

K268

K270

K271

K273

2nd Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K241

K243

K244

K246

K247

K250

K252

K253

K255

K256

K258

K259

K261

K262

K264

K268

K270

K271

K273

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.7 Damage levels of the beams in the Y direction loading (continued) 

 

0

0.005

0.01

0.015

0.02

K341

K343

K344

K346

K352

K356

K358

K362

K364

K368

K370

K371

K373

3rd Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K341

K343

K344

K346

K352

K356

K358

K362

K364

K368

K370

K371

K373

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.7 Damage levels of the beams in the Y direction loading (continued) 

 

Page 102: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

87

Table 5. 1 Global performance of the existing building 

X Direction    Y Direction Vstr  VNC    Vstr  VNC Story 

No.  (kN)  (kN) % NC  % NC 

Beams   StoryNo.  (kN) (kN) 

%NC  % NC Beams 

1  4542  4542  100.00  25.00    1  8065 6633 82.24  0.00 2  4082  3762  92.16  0.00    2  7322 4082 55.75  0.00 3  3036  0  0.00  0.00    3  5507 735  0.00  0.00 4  1498  0  0.00  0.00    4  2751 0  0.00  0.00 

 

 

 

5.2. Implementation of the Retrofit Design Methodology 

 

Six  shear walls  having  cross  section  dimensions  of  300x3300 mm  and  two  shear walls 

having  cross  section dimensions of 300x5800 mm were added  in  the X and Y directions, 

respectively. The ratio of the cross section area of shear walls in the considered earthquake 

direction  to  the  floor area  is 0.012  in  the X direction and 0.007 %  in  the Y directions. 3D 

mathematical model and plan view of the retrofitted building are shown in Figure 5.8 and 

Figure 5.9, respectively.  

 

Characteristic concrete  strength was  taken as 25 MPa and characteristic yield strength of 

reinforcement bars was taken as 420 MPa for new members. 

 

 Figure 5.8 3D Mathematical model of the four story retrofitted dormitory building 

Page 103: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

88

K101 K103 K104 K105 K106 K107 K108 K110

K111 K112 K113 K114 K115 K116 K118 K119 K120

K121 K122 K123 K125 K126 K127 K128 K129 K130

K131 K133 K134 K135 K136 K137 K138 K140

K141 K142

K144 K145

K146

K147 K148

K149

K150 K151

K152

K153 K154

K155

K157 K158

K159 K160

K161

K16

2

K163 K164

K16

5

K166 K167

K168 K169

K170

K171

K17

2

S1 S4 S5 S6 S7 S8 S11

S13 S14 S15 S16 S17 S20 S21

S23

S24 S25 S29 S30 S31 S32 S33

S34 S37 S38 S40 S41 S44

X

Y S39

S28

A

B

C

D

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

P1 P2

P4 P5

P6

P7

P8 P9

3.6 m 3.6 m 3.6 m 3.6 m 3.6 m 3.6 m 3.6 m 3.6 m 3.6 m 3.6 m

6.7

m2.

3 m

6.7

m

 

Figure 5.9 Plan view of the retrofitted building 

 

Effective  fundamental  periods  in  both  directions  were  computed  by  using  cracked 

stiffnesses of reinforced concrete members. Effective  fundamental periods  in  the X and Y 

directions were computed as 0.43 and 0.33 sec. respectively. These periods were 0.84 and 

0.56 seconds before retrofitting with the added walls. Employing Equation 2.1, target roof 

displacement demands were computed as 0.09 m and 0.065 m for the X and Y directions, 

which  were  0.185  m  and  0.116  m  before  retrofitting.  Target  roof  displacements  and 

corresponding uniform drift distributions computed for the design earthquake having 2 % 

probability of exceedance in 50 years are shown in Figure 5.8 together with the drift profile 

of the existing and retrofitted buildings at the associated performance points. 

 

 

Page 104: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

89

0.085

0.152

0.168

0.175

0.068

0.045

0.023

0.090

0

1

2

3

4

0.000 0.050 0.100 0.150 0.200Story Displacement (m)

Story

i.

0

1

2

3

4

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030Interstory Drift Ratio

Story

Retrofitted Building ‐ UDAnalysis

Existing Building ‐ POAnalysis

ii.  

Figure 5.10 i. Story displacements, ii. Interstory drift distributions in X direction 

 

0.048

0.085

0.100

0.110

0.047

0.031

0.016

0.062

0

1

2

3

4

0.000 0.040 0.080 0.120Story Displacement (m)

Story

i.

0

1

2

3

4

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020Interstory Drift Ratio

Story

Retrofitted Building ‐ UDAnalysis

Existing Building ‐ POAnalysis

ii.  

Figure 5.11 i. Story displacements, ii. Interstory drift distributions in Y direction 

 

Imposing  the  drift  distributions  shown  in  Figures  5.10  and  5.11  by  employing  a  linear 

elastic analysis, chord rotation demands were calculated and presented in Figures 5.12 and 

Figure 5.13 together with the chord rotation capacities at the significant damage limit of the 

columns in order to determine deficient columns. Interventions may be required in order to 

increase their deformation capacities or shear strengths. 

 

Page 105: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

90

1st Story Columns

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

1S13

1S14

1S15

1S16

1S17

1S20

1S21

1S23

1S24

1S25

1S28

1S29

1S30

1S31

1S32

1S33

1S34

1S37

1S38

1S39

1S4 

1S40

1S41

1S44

1S5 

1S6 

1S7 

1S8 

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation capacity at limit state

 

Figure 5.12 Comparison of chord rotation demands and capacities for columns in the X 

direction for significant damage performance level 

 

2nd Story Columns

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

2S13

2S14

2S15

2S16

2S17

2S20

2S21

2S23

2S24

2S25

2S28

2S29

2S30

2S31

2S32

2S33

2S34

2S37

2S38

2S39

2S4 

2S40

2S41

2S44

2S5 

2S6 

2S7 

2S8 

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation capacity at limit state

 Figure 5.12 Comparison of chord rotation demands and capacities for columns in the X 

direction for significant damage performance level (continued) 

 

Page 106: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

91

3rd Story Columns

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

3S13

3S14

3S15

3S16

3S17

3S20

3S21

3S23

3S24

3S25

3S28

3S29

3S30

3S31

3S32

3S33

3S34

3S37

3S38

3S39

3S4 

3S40

3S41

3S44

3S5 

3S6 

3S7 

3S8 

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD AnalysisChord rotation capacity at limit state

 

Figure 5.12 Comparison of chord rotation demands and capacities for columns in the X 

direction for significant damage performance level (continued) 

 

4th Story Columns

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

4S13

4S14

4S15

4S16

4S17

4S20

4S21

4S23

4S24

4S25

4S28

4S29

4S30

4S31

4S32

4S33

4S34

4S37

4S38

4S39

4S4 

4S40

4S41

4S44

4S5 

4S6 

4S7 

4S8 

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation capacity at limit state

 

Figure 5.12 Comparison of chord rotation demands and capacities for columns in the X 

direction for significant damage performance level (continued) 

 

Page 107: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

92

1st Story Columns

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

1S13

1S14

1S15

1S16

1S17

1S20

1S21

1S23

1S24

1S25

1S28

1S29

1S30

1S31

1S32

1S33

1S34

1S37

1S38

1S39

1S4 

1S40

1S41

1S44

1S5 

1S6 

1S7 

1S8 

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD AnalysisChord rotation capacity at limit state

 

Figure 5.13 Comparison of chord rotation demands and capacities for columns in the Y 

direction for significant damage performance level 

 

2nd Story Columns

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

2S13

2S14

2S15

2S16

2S17

2S20

2S21

2S23

2S24

2S25

2S28

2S29

2S30

2S31

2S32

2S33

2S34

2S37

2S38

2S39

2S4 

2S40

2S41

2S44

2S5 

2S6 

2S7 

2S8 

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD AnalysisChord rotation capacity at limit state

 

Figure 5.13 Comparison of chord rotation demands and capacities for columns in the Y 

direction for significant damage performance level (continued) 

 

Page 108: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

93

3rd Story Columns

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

3S13

3S14

3S15

3S16

3S17

3S20

3S21

3S23

3S24

3S25

3S28

3S29

3S30

3S31

3S32

3S33

3S34

3S37

3S38

3S39

3S4 

3S40

3S41

3S44

3S5 

3S6 

3S7 

3S8 

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD AnalysisChord rotation capacity at limit state

 

Figure 5.13 Comparison of chord rotation demands and capacities for columns in the Y 

direction for significant damage performance level (continued) 

 

4th Story Columns

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

4S13

4S14

4S15

4S16

4S17

4S20

4S21

4S23

4S24

4S25

4S28

4S29

4S30

4S31

4S32

4S33

4S34

4S37

4S38

4S39

4S4 

4S40

4S41

4S44

4S5 

4S6 

4S7 

4S8 

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation capacity at limit state

 

Figure 5.13 Comparison of chord rotation demands and capacities for columns in the Y 

direction for significant damage performance level (continued) 

 

Page 109: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

94

Following  the Figures 5.12 and 5.13, chord rotation capacities of  the columns S13‐14, S17, 

S20‐21, S24‐25, S28 and S31‐32 were determined as lower than the chord rotation demands. 

For  other  columns  in  the  building,  chord  rotation  demands  do  not  exceed  the  chord 

rotation  capacities  calculated  at  the  significant  damage  limit  state. Rectangular  columns 

S13, S17, S21, S24, S28 and S32 were wrapped with FRP sheets at the first story in order to 

increase their deformation capacities.  Wrapping of square columns were made for first two 

stories. FRP design was made by  following  the procedures stated  in TEC 2007. Details of 

FRP design of  column S14  is given below as an  example. 1 mm  thickness of FRP  sheets 

were used for a continuous wrap.  

 

CR demand 0.0075 E f  (MPa) 230000 whereCR cap,FRP 0.0105 n f 1 n f Number of FRP layers

t f  (mm) 1 t f Thickness of one layer FRP sheetε min 0.004 E f Elastic modulus of FRP sheetsε sig 0.0129 ε min Strain limit for minimum damageε sev 0.0172 ε sig Strain limit for significant damage

ε sev Strain limit for severe damage  

 

Detailing of shear walls was intends to satisfy the computed chord rotation demands at the 

bases  of walls.  Existing  columns were  taken  into  account  as  boundary  elements  of  the 

walls. Bar buckling phenomenon in the existing columns was also considered as a limiting 

state of deformation  capacities. Moment –  curvature analysis  results and particular  limit 

states in terms of curvatures are presented for shear walls P4 and P1 are presented together 

with reinforcement and section detailing of shear walls in Figures 5.14, 5.15, 5.16, and 5.17. 

Longitudinal reinforcement ratio was 0.0025 in web portions of P4 and P1. In case of shear, 

lateral reinforcement ratio was 0.0025 in P4 and it was 0.003 in P1.  These amounts of lateral 

reinforcement were sufficient to meet shear demands of 962 kN for P4 and 3242 kN for P1. 

 

rc= 30 mm

300 mm

300

mm

Page 110: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

95

0

2000

4000

6000

8000

10000

0.0000 0.0010 0.0020 0.0030 0.0040 0.0050 0.0060 0.0070 0.0080 0.0090 0.0100Curvature (rad/m)

Moment(kNm)

M‐K DiagramIdealized M‐K DiagramSignificant Damage LimitSevere Damage LimitMoyer‐Kowalsky Bar Buckling LimitCurvature Demand

 

Figure 5.14 Moment curvature analysis of shear wall P4 

570

600

mm 9Ø16 9Ø16

32Ø10

3300 mm300 mm 300 mm

Existing Column P4 Existing Column

Ø8/200 Ø8/200

 

Figure 5.15 Detailing of P4  

0

5000

10000

15000

20000

25000

0.0000 0.0010 0.0020 0.0030 0.0040 0.0050 0.0060 0.0070Curvature (rad/m)

Moment(kNm)

M‐K DiagramIdealized M‐K DiagramSignificant Damage LimitSevere Damage LimitMoyer‐Kowalsky Bar Buckling LimitCurvature Demand

 Figure 5.16 Moment curvature analysis of shear wall P1 

 

570600 mm

570600 mm

300

mm

Existing Column

5800 mm

56Ø10

P1 Existing Column

9Ø16 9Ø16Ø8/200 Ø8/200

 Figure 5.17 Detailing of P1 

 

Page 111: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

96

5.3. Verification of the Proposed Retrofit Design Methodology 

 

Retrofit design was verified  through nonlinear evaluation of  seismic performance at Life 

Safety  in  both  X  and  Y  directions  of  loading.  Thus,  pushover  analysis was  conducted. 

Capacity curves of existing and retrofitted buildings are shown in Figure 5.18 together with 

roof  displacement  demands.  Increase  in  both  lateral  load  carrying  capacity  and  lateral 

stiffness is clearly observed in Figure 5.18 as a result of new added shear walls. 

 

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25Roof Displacement (m)

Base Shear (kN)

Retrofitted Building ‐ +X DirectionRetrofitted Building ‐ +Y DirectionExisting Building ‐ +X DirectionExisting Building ‐ +Y DirectionRoof Displacement Demand

 

Figure 5.18 Capacity curves of the retrofitted and existing buildings 

 

Drift distributions of existing and retrofitted buildings are shown in Figures 5.19 and 5.20 

whereas  chord  rotation  demands  calculated  by  employing  uniform  drift  and  pushover 

analyses are compared  in Figures 5.21 and 5.22.  It  is observed  from  the Figures 5.21 and 

5.22 that addition of shear walls decreased chord rotation demands of the existing columns 

significantly. Additionally,  comparing  chord  rotation  demands  calculated  from  uniform 

drift and pushover analyses, it can be concluded that results are approximate especially for 

the first story columns. However, uniform drift analysis may lead unappreciated results for 

columns in tension.  

 

Page 112: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

97

0.085

0.152

0.168

0.1750.090

0.068

0.045

0.0230.020

0.042

0.066

0

1

2

3

4

0.000 0.050 0.100 0.150 0.200Story Displacement (m)

Story

i.

0

1

2

3

4

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030Interstory Drift Ratio

Story

Retrofitted Building ‐ UDAnalysisRetrofitted Building ‐ POAnalysisExisting Building ‐ POAnalysis

ii.  

Figure 5.19 i. Story displacements, ii. Interstory drift distributions in X direction 

0.048

0.085

0.100

0.110

0.000

0.032

0.048

0.065

0.047

0.031

0.016

0.062

0.015

0

1

2

3

4

0.000 0.040 0.080 0.120Story Displacement (m)

Story

i.

0

1

2

3

4

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020Interstory Drift Ratio

Story

Retrofitted Building ‐UD AnalysisRetrofitted Building ‐PO AnalysisExisting Building ‐ POAnalysis

ii.  

Figure 5.20 i. Story displacements, ii. Interstory drift distributions in Y direction 

1st Story Columns

00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.008

1S13

1S14

1S15

1S16

1S17

1S20

1S21

1S23

1S24

1S25

1S28

1S29

1S30

1S31

1S32

1S33

1S34

1S37

1S38

1S39

1S4 

1S40

1S41

1S44

1S5 

1S6 

1S7 

1S8 

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation demand ‐ PO Analysis

 

Figure 5.21 Chord rotation demands of the columns in the X direction loading 

 

Page 113: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

98

2nd Story Columns

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

2S13

2S14

2S15

2S16

2S17

2S20

2S21

2S23

2S24

2S25

2S28

2S29

2S30

2S31

2S32

2S33

2S34

2S37

2S38

2S39

2S4 

2S40

2S41

2S44

2S5 

2S6 

2S7 

2S8 

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation demand ‐ PO Analysis

 

Figure 5.21 Chord rotation demands of the columns in the X direction loading (continued) 

 

3rd Story Columns

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

3S13

3S14

3S15

3S16

3S17

3S20

3S21

3S23

3S24

3S25

3S28

3S29

3S30

3S31

3S32

3S33

3S34

3S37

3S38

3S39

3S4 

3S40

3S41

3S44

3S5 

3S6 

3S7 

3S8 

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation demand ‐ PO Analysis

 

Figure 5.21 Chord rotation demands of the columns in the X direction loading (continued) 

 

4th Story Columns

00.0020.0040.0060.0080.010.0120.0140.0160.018

4S13

4S14

4S15

4S16

4S17

4S20

4S21

4S23

4S24

4S25

4S28

4S29

4S30

4S31

4S32

4S33

4S34

4S37

4S38

4S39

4S4 

4S40

4S41

4S44

4S5 

4S6 

4S7 

4S8 

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation demand ‐ PO Analysis

 

Figure 5.21 Chord rotation demands of the columns in the X direction loading (continued) 

Page 114: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

99

1st Story Columns

‐0.004‐0.002

00.0020.0040.0060.0080.010.0120.0140.016

1S13

1S14

1S15

1S16

1S17

1S20

1S21

1S23

1S24

1S25

1S28

1S29

1S30

1S31

1S32

1S33

1S34

1S37

1S38

1S39

1S4 

1S40

1S41

1S44

1S5 

1S6 

1S7 

1S8 

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation demand ‐ PO Analysis

 

Figure 5.22 Chord rotation demands of the columns in the Y direction loading 

2nd Story Columns

‐0.005

0

0.005

0.01

0.015

0.02

2S13

2S14

2S15

2S16

2S17

2S20

2S21

2S23

2S24

2S25

2S28

2S29

2S30

2S31

2S32

2S33

2S34

2S37

2S38

2S39

2S4 

2S40

2S41

2S44

2S5 

2S6 

2S7 

2S8 

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD AnalysisChord rotation demand ‐ PO Analysis

 

Figure 5.22 Chord rotation demands of the columns in the Y direction loading (continued) 

 

3rd Story Columns

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

3S13

3S14

3S15

3S16

3S17

3S20

3S21

3S23

3S24

3S25

3S28

3S29

3S30

3S31

3S32

3S33

3S34

3S37

3S38

3S39

3S4 

3S40

3S41

3S44

3S5 

3S6 

3S7 

3S8 

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation demand ‐ PO Analysis

 

Figure 5.22 Chord rotation demands of the columns in the Y direction loading (continued) 

Page 115: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

100

4th Story Columns

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

4S13

4S14

4S15

4S16

4S17

4S20

4S21

4S23

4S24

4S25

4S28

4S29

4S30

4S31

4S32

4S33

4S34

4S37

4S38

4S39

4S4 

4S40

4S41

4S44

4S5 

4S6 

4S7 

4S8 

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis

Chord rotation demand ‐ PO Analysis

 

Figure 5.22 Chord rotation demands of the columns in the Y direction loading (continued) 

 

As a verification of retrofit design, nonlinear assessment results of the retrofitted building 

is given  for  the X  and Y directions  in Figure  5.23, 5.24,  5.25,  5.26,  5.27,  and  5.28. Global 

performance of the retrofitted building is summarized in Table 5.2. According to Table 5.2 

four story dormitory building satisfies Life Safety performance  level defined  in TEC 2007 

for an earthquake having a return period of 2475 years. 

 

Table 5.2 Global performance of the retrofitted building 

X Direction    Y Direction Vstr  VNC    Vstr  VNC 

Story No. 

(kN)  (kN) % NC 

% NC Beams 

 

Story No. 

(kN)  (kN) % NC 

% NC Beams 

1  11418 201  1.76  0.00    1  11971 0  0.00  0.00 2  9439  120  1.27  0.00    2  11186 0  0.00  0.00 3  8675  0  0.00  0.00    3  8931  0  0.00  0.00 4  4800  0  0.00  0.00    4  4888  0  0.00  0.00 

 

 

 

Page 116: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

101

0

0.005

0.01

0.015

0.02

1S13

1S14

1S15

1S16

1S17

1S20

1S21

1S23

1S24

1S25

1S28

1S29

1S30

1S31

1S32

1S33

1S34

1S37

1S38

1S39 1S4

1S40

1S41

1S44 1S5

1S6

1S7

1S8

1st Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

1S13

1S14

1S15

1S16

1S17

1S20

1S21

1S23

1S24

1S25

1S28

1S29

1S30

1S31

1S32

1S33

1S34

1S37

1S38

1S39

1S4

1S40

1S41

1S44

1S5

1S6

1S7

1S8

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 Figure 5.23 Damage levels of the columns in the X direction loading 

 

0

0.005

0.01

0.015

0.02

2S14

2S15

2S17

2S20

2S21

2S25

2S28

2S29

2S31

2S32

2S37

2S38

2S39 2S4

2S40

2S41 2S5

2S6

2S7

2S8

2nd Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

2S14

2S15

2S17

2S20

2S21

2S25

2S28

2S29

2S31

2S32

2S37

2S38

2S39

2S4

2S40

2S41

2S5

2S6

2S7

2S8

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.23 Damage levels of the columns in the X direction loading (continued) 

Page 117: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

102

0

0.005

0.01

0.015

0.02

3S14

3S15

3S17

3S20

3S21

3S25

3S28

3S29

3S31

3S32

3S37

3S38

3S39 3S4

3S40

3S41 3S5

3S6

3S7

3S8

3rd Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

3S14

3S15

3S17

3S20

3S21

3S25

3S28

3S29

3S31

3S32

3S37

3S38

3S39

3S4

3S40

3S41

3S5

3S6

3S7

3S8

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain 

Figure 5.23 Damage levels of the columns in the X direction loading (continued) 

 

0

0.005

0.01

0.015

0.02

4S13

4S14

4S15

4S17

4S20

4S21

4S25

4S28

4S29

4S31

4S32

4S34

4S37

4S38

4S39 4S4

4S40

4S41

4S44 4S5

4S6

4S7

4S8

4th Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

4S13

4S14

4S15

4S17

4S20

4S21

4S25

4S28

4S29

4S31

4S32

4S34

4S37

4S38

4S39

4S4

4S40

4S41

4S44

4S5

4S6

4S7

4S8

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.23 Damage levels of the columns in the X direction loading (continued) 

 

Page 118: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

103

0

0.005

0.01

0.015

0.02

K101

K103

K104

K106

K108

K110

K111

K116

K118

K120

K121

K123

K125

K126

K130

K131

K133

K135

K136

K138

K140

1st Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K101

K103

K104

K106

K108

K110

K111

K116

K118

K120

K121

K123

K125

K126

K130

K131

K133

K135

K136

K138

K140

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.24 Damage levels of the beams in the X direction loading 

 

0

0.005

0.01

0.015

0.02

K201

K203

K206

K208

K210

K211

K216

K218

K220

K221

K223

K225

K226

K230

K231

K233

K235

K238

K240

2nd Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K201

K203

K206

K208

K210

K211

K216

K218

K220

K221

K223

K225

K226

K230

K231

K233

K235

K238

K240

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.24 Damage levels of the beams in the X direction loading (continued) 

 

Page 119: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

104

0

0.005

0.01

0.015

0.02

K301

K303

K308

K310

K316

K318

K320

K323

K325

K326

K330

K331

K333

K338

K340

3rd Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K301

K303

K308

K310

K316

K318

K320

K323

K325

K326

K330

K331

K333

K338

K340

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.24 Damage levels of the beams in the X direction loading (continued) 

 

0

0.005

0.01

0.015

0.02

K401

K403

K408

K410

K416

K418

K423

K425

K431

K433

K438

K440

4th Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K401

K403

K408

K410

K416

K418

K423

K425

K431

K433

K438

K440

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.24 Damage levels of the beams in the X direction loading (continued) 

Page 120: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

105

0

0.005

0.01

0.015

0.02

P4 P5 P6 P7 P8 P9

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

P4 P5 P6 P7 P8 P9

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.25 Damage levels of the shear walls in the X direction loading 

0

0.005

0.01

0.015

0.02

1S13

1S14

1S15

1S16

1S17

1S20

1S21

1S23

1S24

1S25

1S28

1S29

1S30

1S31

1S32

1S33

1S34

1S37

1S38

1S39 1S4

1S40

1S41

1S44 1S5

1S6

1S7

1S8

1st Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

1S13

1S14

1S15

1S16

1S17

1S20

1S21

1S23

1S24

1S25

1S28

1S29

1S30

1S31

1S32

1S33

1S34

1S37

1S38

1S39

1S4

1S40

1S41

1S44

1S5

1S6

1S7

1S8

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.26 Damage levels of the columns in the Y direction loading 

 

Page 121: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

106

0

0.005

0.01

0.015

0.02

2S14

2S20

2S23

2S24

2S25

2S28

2S29

2S30

2S31

2S32

2S33

2nd Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

2S14

2S20

2S23

2S24

2S25

2S28

2S29

2S30

2S31

2S32

2S33

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.26 Damage levels of the columns in the Y direction loading (continued) 

 

0

0.005

0.01

0.015

0.02

3S14

3S20

3S23

3S24

3S25

3S28

3S29

3S30

3S31

3S32

3S33

3rd Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

3S14

3S20

3S23

3S24

3S25

3S28

3S29

3S30

3S31

3S32

3S33

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.26 Damage levels of the columns in the Y direction loading (continued) 

Page 122: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

107

0

0.005

0.01

0.015

0.02

4S13

4S20

4S21

4S23

4S24

4S25

4S28

4S29

4S30

4S31

4S32

4S33

4th Story Columns

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

4S13

4S20

4S21

4S23

4S24

4S25

4S28

4S29

4S30

4S31

4S32

4S33

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.26 Damage levels of the columns in the Y direction loading (continued) 

 

0

0.005

0.01

0.015

0.02

K142

K160

K163

K172

1st Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K142

K160

K163

K172

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.27 Damage levels of the beams in the Y direction loading 

Page 123: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

108

0

0.005

0.01

0.015

0.02

K241

K242

K263

K272

2nd Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K241

K242

K263

K272

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.27 Damage levels of the beams in the Y direction loading (continued) 

 

0

0.005

0.01

0.015

0.02

K342

K372

3rd Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K342

K372

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.27 Damage levels of the beams in the Y direction loading (continued) 

Page 124: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

109

0

0.005

0.01

0.015

0.02

K442

K472

4th Story Beams

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

K442

K472

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.27 Damage levels of the beams in the Y direction loading (continued) 

 

0

0.005

0.01

0.015

0.02

P1 P2

Max Concrete Strain

Outermost Concrete Fiber StrainStirrup Level Concrete Fiber StrainSevere Damage Limit StateSignificant Damage Limit StateMinimum Damage Limit State

‐0.07

‐0.06

‐0.05

‐0.04

‐0.03

‐0.02

‐0.01

0

P1 P2

Max Steel Strain

Outermost Steel Strain

 

Figure 5.28 Damage levels of the shear walls in the Y direction loading 

Page 125: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

110

5.4. Force‐Based Rehabilitation of The Building 

 

First story plan of the force‐based retrofitted building is shown in Figure 5.29. In order to 

determine deficient columns in the retrofitted system linear assessment methods defined in 

TEC 2007 was used. Columns S13, S14, S17, S20, S21, S24, S25, S31, and S32 at the first story 

were  not  capable  of  meeting  demand‐capacity‐ratio  limits  of  significant  damage  level 

stated  in TEC 2007.  In  this sense  these columns were strengthened by wrapping with RC 

jackets having a  thickness of 150 mm. Additionally S15 and S30 were wrapped with FRP 

sheets in order to prevent brittle failure.  

 

P1 P2

P4 P5

P6

P7

P8 P9

3.6 m 3.6 m 3.6 m 3.6 m 3.6 m 3.6 m 3.6 m 3.6 m 3.6 m 3.6 m

6.7

m2.

3 m

6.7

m

K101 K103 K104 K105 K106 K107 K108 K110

K111 K112 K113 K114 K115 K116 K118 K119 K120

K121 K122 K123 K125 K126 K127 K128 K129 K130

K131 K133 K134 K135 K136 K137 K138 K140

K141 K142

K144 K145

K146

K147 K148

K149

K150 K151

K152

K153 K154

K155

K157 K158

K159 K160

K161

K16

2

K163 K164

K16

5

K166 K167

K168 K169

K170

K171

K17

2

S1 S4 S5 S6 S7 S8 S11

S13 S14 S15 S16 S17 S20 S21

S23

S24 S25 S29 S30 S31 S32 S33

S34 S37 S38 S40 S41 S44

X

Y S39

S28

A

B

C

D

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 

Figure 5.29 Plan view of the force‐based retrofitted building 

 

In the design of new shear walls, design spectrum was obtained by reducing the response 

spectrum used for seismic performance evaluation which represents an earthquake having 

a  return period of  2475 years by R=  4.5. According  to TEC  2007, P4‐9 were  classified  as 

slender walls. Thus, along the critical height which was taken as 3.5 m, confined ends were 

formed at the wall boundaries. Longitudinal reinforcement ratio needed for shear walls in 

the X direction was determined as 0.01 by following the design procedures for shear walls 

given in TEC 2007. On the other hand, shear walls P1 and P4 were classified as squat walls 

and detailed accordingly. For these shear walls, no confined ends were needed according to 

Page 126: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

111

TEC 2007. Longitudinal reinforcement ratio was determined as 0.012 for P1 and P4. In case 

of shear design, shear demand was calculated as 1427 kN for P4 and 4421 kN for P1. These 

demands  yielded  transverse  reinforcement  ratios  of  0.0025  and  0.0049  for  P4  and  P1 

respectively.  Detailing  and  axial  force‐moment  capacity  interaction  diagrams  for  shear 

walls P4 and P1 are presented in Figures 5.31, 5.32, 5.33, and 5.34. 

 

5.5. Comparison of Displacement‐Based and Force‐Based Retrofit Solutions 

 

Displacement‐based  and  force‐based  retrofit  solutions  for  the  dormitory  building were 

compared. Considering the retrofitted columns in the displacement‐based retrofitted case, 

FRP wrapping was determined  as  sufficient  to  increase  shear  strength  and deformation 

capacity  of  square  columns.  On  the  other  hand  in  the  force‐based  design,  in  order  to 

decrease axial force demands and increase both shear and deformation capacities, deficient 

columns were  strengthened by RC  jackets. However, nonlinear  analysis  results  revealed 

that FRP wrapping is sufficient as a retrofit solution. According to linear elastic procedures 

columns S13, S15, S17, S21, and S30‐31‐32 at the first story and columns S14, S20, S25, and 

S31 at the first two stories were deficient. Except columns S15 and S30, deficient columns 

are strengthened with RC jackets having thickness of 15 cm. In figure 5.30 RC jacket detail 

of  the  column  1S17  is  shown.  In  case of  the displacement‐based procedure, only  square 

columns S14, S20, S25, and S31 at the first two stories were strengthened with FRP sheets 

due to lack of deformation capacity. Additionally, columns S13, S17, S21, S24, S28, and S32 

were wrapped with FRP sheets only at the first story in order to increase their deformation 

capacities.  For  other  columns  deformation  demands  were  computed  as  less  than  the 

deformation capacities. 

 

900

mm

16Ø16

Ø12/100 mm

600 mm

 

Figure 5.30 RC jacket detail of the column 1S17 

Page 127: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

112

Detailing of  the added  shear walls  in  the X and Y directions according  to displacement‐

based and force‐based designs are compared in Figures 5.31, 5.32, 5.33, and 5.34 along with 

the corresponding P‐M interaction diagrams and P‐M demands for the force‐based design. 

 

570

600

mm 9Ø16 9Ø16

32Ø10

3300 mm300 mm 300 mm

Existing Column P4 Existing Column

570

600

mm 9Ø16 9Ø16

18Ø18

1900 mm300 mm 300 mm

Existing Column P4 Existing Column

Displacement-Based Design

Force-Based Design

10Ø22 10Ø22

700 mm 700 mm

Ø8/200 Ø8/200

Ø8/200 Ø8/200

 

Figure 5.31 Detailing of the shear wall P4 according to the displacement‐based and force‐

based designs 

‐10000‐5000

0500010000150002000025000300003500040000

0 5000 10000 15000 20000Moment (kNm)

Axial Force (kN)

Displacement ‐ Based DesignForce ‐ Based DesignForced ‐ Based Load DemandDisplacement ‐ Based Load Demand

 Figure 5.32 P‐M Interaction diagrams of shear wall P4 according to displacement‐based 

and forced‐based designs 

 

In force‐based design, confined end regions were formed at the boundaries of slender shear 

walls by  following TEC 2007.  In displacement‐based design, deformation demands were 

Page 128: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

113

satisfied with the given detailing in Figures 5.31 and 5.32 without any confined ends. It can 

be concluded that, displacement‐based design gives more economic solutions considering 

the longitudinal reinforcement used in the shear walls.. 

 

570600 mm

570600 mm

300

mm

Existing Column

5800 mm

56Ø10

P1 Existing Column

9Ø16 9Ø16

570600 mm

570600 mm

300

mm

Existing Column

5800 mm

56Ø22P1 Existing Column

9Ø16 9Ø16

Displacement-Based Design

Force-Based Design

Ø8/200 Ø8/200

Ø8/200 Ø8/200

 

Figure 5.33 Detailing of the shear wall TP05 according to displacement‐based and force‐

based designs 

 

‐20000

‐10000

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

0 10000 20000 30000 40000 50000

Moment (kNm)

Axial Force (kN)

Displacement ‐ Based DesignForce ‐ Based DesignForced ‐ Based Load DemandDisplacement ‐ Based Load Demand

 

Figure 5.34 P‐M Interaction diagrams of the shear wall P1 according to displacement‐based 

and forced‐based designs  

 

In order to compare retrofit solutions in system level, nonlinear analysis was conducted for 

both  retrofit  cases of  the  school building. Capacity  curves  in  the X  and Y directions  are 

shown in Figure 5.35 for both retrofit cases. It is apparent in the Figure 5.34 that force‐based 

retrofit design offers more strength. However, roof displacement demands of both cases do 

not differ much. Target roof displacement demands of the force‐based retrofitted building 

Page 129: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

114

are 0.079 m  in X direction and 0.057 m  in Y direction  for an earthquake having a  return 

period  of  2475  years.  On  the  other  hand,  target  roof  displacement  demands  of  the 

displacement‐based retrofitted building were calculated as 0.090 m  in the X direction and 

0.065 m in Y the direction under the same design earthquake. 

 

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25Roof Displacement(m)

Base Shear (kN)

Displacement ‐ Based Retrofitted Building ‐ +X DirectionDisplacement ‐ Based Retrofitted Building ‐ +Y DirectionForce ‐ Based Retrofitted Building ‐ +X DirectionForce ‐ Based Retrofitted Building ‐ +Y DirectionRoof Displacement Demand

 

Figure 5.35 Capacity curves of the retrofitted building according to displacement‐based 

and force‐based approaches 

 

 

 

 

 

             

Page 130: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

115

 

 

CHAPTER 6 

 

 

DISCUSSION OF RESULTS AND CONCLUSIONS 

 

 

 

A displacement‐based  retrofit design methodology  is proposed  in  this  study  for  seismic 

rehabilitation  of  medium  rise  reinforced  concrete  buildings.  Throughout  this  study 

implementation  and  validity  of  the  procedure  are  investigated  and  results  of  several 

comparative  studies are presented. Results obtained  from  the  examples and  case  studies 

are evaluated in this chapter. 

 

6.1. Discussion of Results 

 

6.1.1. Uniform Drift Analysis vs. Pushover Analysis 

 

The proposed methodology relies on estimation of  inelastic chord rotation demands by a 

linear  elastic  analysis  in  which  a  pre‐assumed  deformation  pattern  is  imposed  to  the 

building  for  a  target  seismic performance  level. This deformation pattern  is  chosen  as  a 

uniform drift profile along  the building height since drift profiles of non‐ductile medium 

height RC frame buildings retrofitted with new shear walls are approximately uniform. A 

uniform  drift  distribution  calculated  for  a  target  roof  displacement  is  imposed  to  the 

building  elastically  together  with  gravity  loading.  Then  chord  rotation  demands  are 

calculated at member ends. Figure 6.1 compares chord rotation demands calculated  from 

the uniform drift and pushover analyses  for  lower ends of  the  first  story columns at  the 

retrofitted  building.  It  can  be  concluded  by  following  Figure  6.1  that  uniform  drift 

Page 131: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

116

assumption  is  successful  in  estimating  the  inelastic  chord  rotation  demand  at  basement 

level.  

 

In the case of shear wall design, the objective is to satisfy the calculated rotation demand at 

the  basement  at  a  given  performance  level.  A  significant  observation  is  that  confined 

boundaries are not necessary  in most cases  in order  to satisfy  the deformation demands. 

Moreover existing columns are taken into account as boundary elements for both practical 

and analytical points of view.  

 

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0 0.002 0.004 0.006 0.008

Chord Rotation Demand from UD analysis

Chord Rotation Demand from PO analysis

Example Building

Case Study I ‐ X Direction

Case Study I ‐ Y Direction

Case Study II ‐ X Direction

Case Study II ‐ Y Direction

 Figure 6.1 Chord rotation demands at the shear wall bases calculated from uniform drift 

and pushover analyses 

 

Thus  they are  included  in  calculations by  forming a  composite wall  section of new wall 

between the existing boundary columns. Initial stresses due to gravity loading on existing 

columns are taken into account as well. Limit states are calculated in terms of strain value 

at the onset of bar buckling. 

 

Additionally, existing columns in the retrofitted systems are examined by comparing chord 

rotation demands calculated  from uniform drift analysis with chord rotation capacities at 

limit states for particular damage levels. Interventions like FRP wrapping or RC  jacketing 

Page 132: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

117

are  applied  to  columns having  lower  capacities  than demands  in order  to  increase  their 

deformation  capacities.  Chord  rotation  demands  calculated  from  the  uniform  drift  and 

pushover  analyses were  compared  at  the  performance  points.  It  is  concluded  from  the 

results  for  the  case  study  buildings  and  example  building  that uniform drift  analysis  is 

successful  in  capturing  the  inelastic  chord  rotation  demands  calculated  from  pushover 

analysis. However, as nonlinearity increases along the building, uniform drift assumption 

loses  proximity  to  estimate  deformation  demands.  Variation  between  chord  rotation 

demands  calculated  from  the uniform drift  and pushover  analyses  is more  apparent  for 

upper stories. Additionally uniform drift analysis underestimates chord rotation demands 

for columns  in  tension at  the performance point. These columns are adjacent columns  to 

shear walls  in most of  the cases. Although story drifts are well estimated by  the uniform 

drift analysis, variations occur in joint rotations resulting different chord rotation demands. 

Nevertheless  it  is  observed  that  true  chord  rotation  demands  calculated  from  pushover 

analysis are less than the calculated capacities at significant damage level for most of such 

columns.  Ignorance  of  variation  in  axial  load  levels  of  the  columns  due  to  earthquake 

loading  can be  stated  as  another  short  coming. For  chord  rotation  capacity  calculations, 

axial  loads  due  to  gravity  loading  are  taken  into  account.  However,  in  the  case  of 

earthquake  loading  axial  load  levels  of  the  columns  can  change.  This  situation may  be 

critical for the exterior columns which can be loaded excessively in compression or tension. 

 

6.1.2. Displacement‐Based Retrofit Solutions vs. Force‐Based Retrofit Solutions 

 

Another comparative study on the alternative solutions of retrofit design methodologies is 

presented  for  the case study and example buildings. Force‐based retrofit design basically 

employs  linear  elastic  methods  and  reduced  elastic  forces  calculated  for  particular 

performance levels. However, nonlinear assessment results revealed that more economical 

and  efficient  retrofit  design  is  achievable  in  case  of  a  displacement‐based  approach. 

Difference between the retrofit design solutions  in terms of economy  is mainly caused by 

the  methodology  employed  in  design.  In  forced‐based  procedure,  capacity  design  is 

conducted  and  reduced  elastic  forces  are  employed  causing need of more  load  carrying 

capacity.  

Page 133: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

118

In order  to evaluate differences between retrofit solutions,  force‐based and displacement‐

based  retrofitted buildings are  compared  in both member and  system  levels.  In member 

level,  longitudinal and  transverse  reinforcement  ratios of wall sections  including existing 

columns are compared in Table 6.1 for case study and example buildings. 

 

Obviously using different amount of reinforcement causes different member capacities and 

lateral  load  carrying  capacities  of  entire  systems.  Following  the  comparison  of  capacity 

curves  presented  throughout  this  study, moment  capacities  of  new  shear walls  directly 

affect  the  lateral  load  carrying  capacities  of  the  buildings. On  the  other  hand design  of 

footings under the new shear walls are controlled by the moment capacities of the walls. In 

practical design,  footings under  the shear walls are continued  to  the adjacent columns as 

illustrated in Figure 6.2 for the example building examined in Chapter 2. 

 

In order to make the wall work efficiently under lateral loading, footings should have more 

moment capacity since they should stay elastic when yielding occurs at the wall base. Thus 

in case of  footing design, capacity design  is employed and sufficient moment capacity  is 

supplied  to  the  footing. As moment  capacity  of  the  added  shear wall  increases,  design 

moment capacity of the footing increases as well. Table 6.2 compares moment capacities of 

shear walls  at  the  performance  points  designed  by  employing  displacement  and  force‐

based approaches. 

 

3 3 3 3

44

4

1 2 3 4 5

A

B

C

D

Strip Footing under Shear Wall

 

Figure 6.2 Footing under the new shear walls in plan 

 

Page 134: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

119

Table 6.1 Comparison of reinforcement ratios according to displacement and force‐based 

designs 

Example Building 

Displacement‐Based  Force‐Based Wall 

Longitudinal  Transverse  Longitudinal  Transverse P1  0.0047  0.0025  0.0111  0.0045 

Case Study I 

Displacement‐Based  Force‐Based Wall 

Longitudinal  Transverse  Longitudinal  Transverse TP01  0.0065  0.0025  0.0118  0.0072 TP02  0.0065  0.0025  0.0118  0.0072 TP03  0.0065  0.0025  0.0118  0.0072 TP04  0.0065  0.0025  0.0118  0.0072 TP05  0.0048  0.0025  0.0083  0.0078 TP08  0.0048  0.0025  0.0083  0.0078 

Case Study II 

Displacement‐Based  Force‐Based Wall 

Longitudinal  Transverse  Longitudinal  Transverse P1  0.0038  0.0030  0.0119  0.0049 P2  0.0038  0.0030  0.0119  0.0049 P4  0.0052  0.0030  0.0135  0.0025 P5  0.0052  0.0030  0.0135  0.0025 P6  0.0052  0.0030  0.0135  0.0025 P7  0.0052  0.0030  0.0135  0.0025 P8  0.0052  0.0030  0.0135  0.0025 P9  0.0052  0.0030  0.0135  0.0025 

 

 

 

In addition to the observations made by comparing displacement and force‐based retrofit 

design  approaches,  it  can  be  added  that  since  deformation  demands  are  employed  as 

design  parameters,  the  relation  between  target  and  obtained  performance  is  more 

transparent  in  displacement‐based  retrofit  design.  Utilizing  deformation  demands  and 

deformation capacities at particular limit states gives advantage of examining behavior and 

performance of members individually in a performance‐based understanding. 

 

 

Page 135: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

120

Table 6.2 Comparison of moment capacities of the walls designed according to 

displacement‐based and force‐based approaches 

Example Building 

Displacement‐Based  Force‐Based Wall 

Moment Capacity (kNm) Moment Capacity (kNm) P1  4780  8470 

Case Study I 

Displacement‐Based  Force‐Based Wall 

Moment Capacity (kNm) Moment Capacity (kNm) TP01  6401  11085 TP02  6401  11085 TP03  6401  11085 TP04  6401  11085 TP05  15501  24860 TP08  15501  24860 

Case Study II 

Displacement‐Based  Force‐Based Wall 

Moment Capacity (kNm) Moment Capacity (kNm) P1  20332  31927 P2  20332  31927 P4  8587  9457 P5  8587  9457 P6  8587  9457 P7  8587  9457 P8  8587  9457 P9  8587  9457 

 

 

 

6.1.3. Modeling of the Shear Walls as Fixed‐Base and Flexible‐Base 

 

For a better estimation of  inelastic  chord  rotation demands, a more  realistic approach  in 

which  the  effect  of  soil  and  footing  flexibility  under  the  shear wall  is modeled with  a 

rotational spring was analyzed as well. Retrofitted case of the example building examined 

in Chapter 2 was  solved  in  this  sense. Paragraph 4.4.2.1.2 of FEMA 356 was  followed  in 

order  to  calculate  spring  stiffness  holding  properties  of  stiff  soil  and  footing  stiffness 

Page 136: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

121

parameters of  the building. Target  roof displacement demand of  the  retrofitted building 

was  calculated  as  0.126  m  corresponding  to  an  effective  fundamental  period  of  0.56 

seconds. Uniform drift profile compatible with this demand was calculated and imposed to 

the  building.  Besides,  pushover  analysis  was  conducted  for  the  computed  target  roof 

displacement demand. In Figure 6.3 chord rotation demands calculated from the uniform 

and  the pushover analyses are compared  for  the retrofitted building which was modeled 

with rotational spring. 

 

0.000

0.003

0.006

0.009

0.012

0.015

1S1

1S2

1S3

1S4

1S5

1S6

1S9

1S10 2S1

2S2

2S3

2S4

2S5

2S6

2S9

2S10 3S1

3S2

3S3

3S4

3S5

3S6

3S9

3S10 4S1

4S2

4S3

4S4

4S5

4S6

4S9

4S10 5S1

5S2

5S3

5S4

5S5

5S6

5S9

5S10

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis (Flexible‐base)

Retrofitted Frame ‐ PO Analysis (Flexible‐base)

 

Figure 6.3 Chord rotation demands calculated from the uniform drift and the pushover 

analyses for the retrofitted case of the example building with spring 

 

In Figure 6.4 chord rotation demands calculated from models with and without rotational 

springs together with chord rotation capacities calculated for significant damage  level are 

given.  From  Figures  6.3  and  6.4,  the  model  with  spring  gives  greater  chord  rotation 

demands than the model having no spring. This is basically due to increased drift ratio and 

target displacement demands. On the other hand  level of proximity between the uniform 

drift and pushover analyses is not affected significantly by including the rotational springs. 

Moreover weakness  in  estimation of  chord  rotation demands of  the  columns  in  tension, 

namely 1S6 and 2S6, is not improved in the model with springs. 

 

Page 137: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

122

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

0.035

0.040

1S1

1S2

1S3

1S4

1S5

1S6

1S9

1S10 2S1

2S2

2S3

2S4

2S5

2S6

2S9

2S10 3S1

3S2

3S3

3S4

3S5

3S6

3S9

3S10 4S1

4S2

4S3

4S4

4S5

4S6

4S9

4S10 5S1

5S2

5S3

5S4

5S5

5S6

5S9

5S10

Column ID

Chord Rotation

Chord rotation demand ‐ UD Analysis (Flexible‐base)Chord rotation demand ‐ PO Analysis (Fexible‐base)Chord rotation demand ‐ UD Analysis (Fixed‐base)Chord rotation demand ‐ PO Analysis (Fixed‐base)Chord rotation capacities at limit state

 

Figure 6.4 Chord rotation demands and capacities calculated from the uniform drift and 

the pushover analyses for the retrofitted case of the example building with spring 

 

6.2. Conclusions 

 

A displacement‐based  seismic  retrofit design methodology  is proposed  in  this  study  for 

medium height concrete buildings. The main feature of retrofit design is adding new shear 

walls  to  the  deficient  system.  Although  this  is  a  well  known  retrofitting  method, 

displacement‐based approach brings new  insight  in developing a  sound design  solution. 

The basic differences obtained by following a displacement‐based approach as compared to 

a force‐based approach are the following. 

 

1. Added shear walls reduce deformation demands on the deficient members of the 

existing system significantly. The existing flexural deformation capacities of critical 

members mostly  become  sufficient  in meeting  the  reduced  demands,  although 

their flexural strengths are  insufficient to carry the  internal forces calculated from 

force‐based evaluation of the retrofitted system.  

 

2. Those members which  remain  insufficient  in  the  retrofitted  system  in  terms  of 

flexural  deformation  capacities  require  intervention  only  for  increasing  their 

deformation  capacities.  This  is  usually  achieved  by  external  confinement, 

preferably by FRP wrapping, which is practical. 

Page 138: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

123

3. Strength capacity  increase  in  the  retrofitted system  is only  required  for members 

and components failing in shear. 

 

4. Added shear walls in a medium height concrete building are subjected to quite low 

deformation demands. Hence,  they may not  require  special  seismic detailing  for 

enhanced ductility. Minimum web reinforcement  is usually sufficient for the new 

shear walls, without a need for the confined end regions. 

 

5. Accordingly,  lower capacity design forces are obtained  for  the foundations of the 

added walls compared to the force‐based capacity design. 

 

6. The  relationship  between  the  target  performance  level  and  the  obtained 

performance is more transparent in displacement‐based retrofitting. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 139: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

124

 

 

REFERENCES 

 

 

American Society of Civil Engineers (2000). Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings, Report No. FEMA‐356, Washington, D.C.   Applied Technology Council, ATC 40 1996, “ Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings”, Volume 1‐2 Redwood City, California.   Berry, M., Eberhard, M., “Performance Models for Flexural Damage in Reinforced Concrete Columns”, Pacific Earthquake Engineering Research Center, PEER 2003/18.   Calvi G.M.  and  Sullivan. T.J. Editors  (2009)  “A model  code  for  the Displacement‐Based Seismic Design of Structures, DBD09 – Draft  Issued  for Public Enquiry ”,  IUSS Press, 80 pages.    Computers and Structures Inc. (CSI), 1998, SAP2000 Three Dimensional Static and Dynamic Finite Element Analysis and Design of Structures V7.40N, Berkeley, California.   European  Committee  for  Standardization  (2005)  “Eurocode  8:  Design  of  structures  for earthquake  resistance Part 3: Strengthening and  repair of buildings – Final” Eurocode 8, Brussels.   Federal Emergency Management Agency  (FEMA),  2000,  “Prestandard  and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings, FEMA 356.   Federal Emergency Management Agency (FEMA), 2005, “Improvement of Nonlinear Static Seismic Analysis Procedures, FEMA 440.   Kongoli,  X.,  Minami,  T.,  Sakai,  Y.,  “Effects  of  Structural  Walls  on  The  Elastic‐Plastic Earthquake Responses of Frame‐Wall Buildings”, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 28, No 4, 1999, Pages 479‐500.  

Page 140: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

125

Kowalsky, M.  J.,  “RC  Structural Walls Designed According  to UBC  and Displacement‐Based Methods”, Journal of Structural Engineering, Volume 127, No. 5, May, 2001.   Ministry of Public Works and Settlement  (2007). Turkish Earthquake Code: Specifications for Buildings to be Constructed in Earthquake Zones, Ankara, Turkey.   Moehle,  J.  P.,  “Displacement‐Based Design  of RC  Structures  Subjected  to  Earthquakes”, Earthquake Spectra, Vol. 8, No. 3, 1992, Pages 403‐428.   Moyer, M. J., Kowalsky, M. J., “Influence of Tension Strain on Buckling of Reinforcement in Concrete Columns”, ACI Structural Journal, January‐February 2003, Pages 75‐85.   Panagiotakos, T. B., Fardis, M. N., “Deformation‐Controlled Earthquake‐Resistant Design of RC Buildings”, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 28, No 4, 1999, Pages 501‐528.   Panagiotakos,  T.  B.,  Fardis,  M.  N.,  “Estimation  of  Inelastic  Deformation  Demands  In Multistorey RC Frame Buildings”,  Journal of Earthquake Engineering, Vol. 3, No 4, 1999, Pages 495‐518.   Paulay, T., “Seismic response of structural walls: recent developments”, Canada Journal of Civil Engineering, Volume 28,  2001, Pages 922‐937.   Priestley,  M.  J.  N.,  “Displacement‐Based  Seismic  Assessment  of  Reinforced  Concrete Buildings”, Journal of Earthquake Engineering, Vol. 1, No. 1, 1997, Pages 157‐192.   Priestley,  M.J.N.,  Calvi,  G.M.  and  Kowalsky,  M.J.  (2007).  Displacement‐Based  Seismic Design of Structures, IUSS Press, Pavia, Italy.   Sucuoğlu,H., “2007 Deprem Yönetmeliği Performans Esaslı Hesap Yöntemlerinin Karşılıklı Değerlendirilmesi”, İnşaat Mühendileri Odası (İMO) Türkiye Mühendislik Haberleri, Sayı: 444‐445 ‐ 2006/4‐5.   Şengöz  Ali,  “Quantitative  Evaluation  of  Assessment  Methods  in  The  2007  Turkish Earthquake Code”, MSc. Thesis, Department of Civil Engineering, Middle East Technical University, Ankara, 2007. 

Page 141: displacement-based seismic rehabilitation of non-ductile rc frames

126

Thermou,G.E.,  Pantazopoulou,  S.  J.,  Elnashai, A.  S.,  “ Design Methodology  for  Seismic Upgrading  of  Substandard  Reinforced  Concrete  Structures”,  Journal  of  Earthquake Engineering, Volume 11, Issue 4 July 2007 , pages 582 ‐ 606.   Thomsen, J. H., Wallace, J. W., “Displacement‐Based Design of Slender Reinforced Concrete Structural Walls  ‐ Experimental Verification”,  Journal of Structural Engineering, Vol. 130, No. 4, 2004, 618‐630.   Tjhin, T. N., Ascheim, M. A., Wallace,  J. W., “Yield displacement‐based seismic design of RC wall buildings“, Engineering Structures, 29, 2007, 2946‐2959.