How to evaluate earth quaked damaged concrete and masonry wall buildings

Credit: 37 PDH
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Course topics

1. Introduction and Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.1 Purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..1
1.3 Basis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2
1.4 Overview of the Damage Investigation and Evaluation Procedures . . . . . . .4
1.4.1 Introduction and Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4.2 Characteristics of Concrete and Masonry Wall Buildings . . . . . . . . . . . . . .4
1.4.3 Investigation of Earthquake Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4.4 Evaluation of Earthquake Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4.5 Component Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
1.4.6 Terms and Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.7 Related Documents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5 Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2. Characteristics of Concrete And Masonry Wall Buildings . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1 Typical Vertical Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
2.1.1 Bearing Walls and Infilled Frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
2.1.2 Wall Elevations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
2.1.3 Foundation Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Horizontal Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
2.3 Three-Dimensional Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Identification of Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
3. Investigation of Earthquake Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1 Characteristics of the Damaging Earthquake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
3.2 Review of Existing Building Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3 Assessing the Consequences of the Damaging Earthquake . . . . . . . . . . . . 18
3.4 Pre-existing Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.5 Component Damage Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23

vi Basic Procedures Manual FEMA 306

3.6 Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24
3.7 Documentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.8 Test and Inspection Guides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
4. Evaluation of Earthquake Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1 Basis of Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2 Seismic Performance Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3 Seismic Performance Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
4.4 Relative Performance Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62
4.4.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4.2 Global Displacement Performance Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4.3 Component Modeling and Acceptability Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4.4 Global Displacement Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
4.5 Performance Restoration Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.6 An Alternative—The Direct Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5: Reinforced Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.1 Introduction and Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2 Reinforced Concrete Component Types and Behavior Modes . . . . . . . . . . .77
5.2.1 Component Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.2 Behavior Modes and Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77
5.2.3 Behavior Modes with High Ductility Capacity (Flexural Response) . . . . . . 78
5.2.4 Behavior Modes with Intermediate Ductility Capacity . . . . . . . . . . . . . . . .78
5.2.5 Behavior Modes with Little or No Ductility Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2.6 Foundation Rocking Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83
5.3 Reinforced Concrete Evaluation Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3.1 Cracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83
5.3.2 Expected Strength and Material Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.3 Plastic-Hinge Location and Length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
5.3.4 Ductility Classifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
5.3.5 Moment Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87
5.3.6 Shear Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88
5.3.7 Wall Boundary Confinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
5.3.8 Lap Splice Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.3.9 Wall Buckling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.4 Symbols for Reinforced Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93
5.5 Reinforced Concrete Component Guides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  95
6: Reinforced Masonry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 107
6.1 Introduction and Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.2 Reinforced Masonry Component Types and Behavior Modes . . . . . . . .  . . .108
6.2.1 Component Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.2.2 Behavior Modes with High Ductility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.2.3 Behavior Modes with Moderate Ductility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.2.4 Behavior Modes with Low Ductility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113

vii FEMA 306 Basic Procedures Manual

6.3 Reinforced Masonry Evaluation Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .  . . .114
6.3.1 Material Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 114
6.3.2 Flexure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 114
6.3.3 Shear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .116
6.3.4 Sliding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117
6.3.5 Wall Instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.3.6 Lap-Splice Slip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.3.7 Masonry Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.4 Symbols for Reinforced Masonry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .120
6.5 Reinforced Masonry Component Guides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7: Unreinforced Masonry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  137
7.1 Introduction and Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.1.1 Section Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.1.2 Material Types and Structural Framing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
7.1.3 Seismically Rehabilitated URM Buildings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138
7.2 Unreinforced Masonry Component Types and Behavior Modes . . . . . . . . . .139
7.2.1 Non-Wall Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
7.2.2 Wall Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
7.2.3 Foundation Rocking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.2.4 Wall-Pier Rocking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.2.5 Bed-Joint Sliding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146
7.2.6 Bed-Joint Sliding at Wall Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.2.7 Spandrel-Joint Sliding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
7.2.8 Rocking/Toe Crushing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
7.2.9 Flexural Cracking/Toe Crushing/Bed Joint Sliding . . . . . . . . . . . . . . . . . … 151
7.2.10 Flexural Cracking/Diagonal Tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.2.11 Flexural Cracking/Toe Crushing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.2.12 Spandrel-Unit Cracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152
7.2.13 Corner Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.2.14 Preemptive Diagonal Tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152
7.2.15 Preemptive Toe Crushing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152
7.2.16 Out-of-Plane Flexural Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
7.2.17 Other Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.3 Unreinforced Masonry Evaluation procedures . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . 154
7.3.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.3.2 Evaluation Procedures for In-Plane Behavior of Piers in Walls with Weak Pier – Strong Spandrel Mechanisms .. . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.3.3 Evaluation Procedures for In-Plane Behavior of Solid Wall Components . ………………………………………………………………………………157
7.3.4 Evaluation Procedures for In-Plane Behavior of Perforated Walls with Spandrel Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .157
7.3.5 Evaluation Procedures for Out-of-Plane Behavior of Wall and Pier Components……………………………………………………………………. 162
7.4 Symbols for Unreinforced Masonry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.5 Unreinforced Masonry Component Guides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

viii Basic Procedures Manual FEMA 306

8: Infilled Frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …… . . . . . . .183
8.1 Introduction and Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183
8.2 Infilled Frame Masonry Component Types and Behavior Modes . . . . . . . . . . .184
8.2.1 Component Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184
8.2.2 Panel and Frame Modeling and Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187
8.2.3 Behavior Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187
8.3 Infilled Frame Evaluation Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..197
8.3.1 Solid Infilled-Panel Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8.3.2 Infilled-Panel Components with Openings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199
8.3.3 Out-of-Plane Behavior of Infilled-Panel Components . . . . . . . . . . . . . . . . . .199
8.3.4 Steel-Frame Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8.3.5 Concrete-Frame Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8.4 Infilled Frame Component Guides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 205
Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215
List of General Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
ATC-43 Project Participants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Applied Technology Council Projects And Report Information . . . . . . . . . .. . . . . . .237