Behavior and testing of fastenings to concrete for use in seismic applications

Abstract

This dissertation investigates the behavior in concrete of cast-in and post-installed fastenings under earthquake conditions and provides background for the development of seismic qualification methods and performance assessment criteria for fasteners.

Chapters 1 and 2 define the problem and provide the context for the research.

Chapter 3 puts existing literature related to the behavior and testing of fasteners under earthquake conditions into a cohesive framework. This chapter also reviews and summarizes normative standards for the design and testing of fasteners for seismic applications.

Chapter 4 investigates the conditions to which fasteners may be subjected during an earthquake so that realistic boundary conditions for testing can be established. It is shown that fasteners used to connect structural and nonstructural elements to a reinforced concrete structure experience both crack cycling and load cycling at dynamic rates during an earthquake. Based on theoretical considerations and numerical studies, this chapter establishes typical values for crack widths and the number of crack opening and closing cycles during an earthquake for use in fastener qualification tests. Cumulative damage based cycle counting methods are used to develop tension and shear load cycling time-histories for fasteners.

Chapters 5, 6 and 7 present and discuss the results of experimental investigations of fastener behavior under seismic conditions. Chapter 5 deals with fastener performance in wide cycled cracks when full crack closure occurs, i.e. when the cracks are pressed closed as could occur during a moment reversal in a member. This chapter describes in detail the load-displacement response of various fastener failure modes during extreme crack cycling. Chapter 6 presents results from tests with pulsating tension loads. Tests with cast-in headed bolts are used to develop an equation to predict head slip during tension load cycling. Tests with post-installed fasteners investigate the performance of various load-transfer mechanisms during tension cycling at near-ultimate load. Chapter 7 focuses on the behavior of fasteners under high (earthquake relevant) loading rates. Under certain conditions some fasteners can exhibit a lower ultimate capacity at high loading rate than at quasi-static loading rate or may undergo a change in failure mode.

Chapter 8 demonstrates that some existing design guidelines have an insufficient margin of safety to avoid brittle fastener failure. This chapter also shows that the deformation capacity of anchors designed for ductile steel failure can be controlled using the margin of safety between steel failure and brittle failure.

Finally, Chapter 9 makes recommendations to improve qualification testing methods and assessment criteria for fasteners used for earthquake applications.

In der vorliegenden Dissertation wird das Verhalten von einbetonierten und nachträglich in Beton verankerten Befestigungssystemen unter Erdbebenbeanspruchung untersucht. Die Grundlagen für die Entwicklung von Zulassungsverfahren für Dübelsysteme unter seismischen Beanspruchungen werden beschrieben und Beurteilungskriterien für Befestigungselemente entwickelt.

Kapitel 1 und 2 erläutern die Aufgabenstellung und den Kontext der Forschungsarbeiten.

Kapitel 3 fasst die vorhandene Literatur zum Tragverhalten von Befestigungssystemen unter Erdbebenbeanspruchung zusammen. Zusätzlich werden Bemessungsnormen und Zulassungsverfahren für Befestigungselemente für seismische Anwendungen aus verschiedenen Ländern dargestellt und vergleichend ausgewertet.

In Kapitel 4 werden die Bedingungen, denen Befestigungssysteme während eines Erdbebens ausgesetzt sind untersucht, um die Rahmenbedingungen für die Versuchsdurchführung festzulegen. Es zeigt sich, dass Verankerungen von tragenden und nichttragenden Bauteilen zyklischen Last- und Rissbreitenänderungen unterworfen sind. Die Größe der Rissbreiten und die Anzahl der Rissbreitenänderungen werden auf Basis von theoretischen und numerischen Untersuchungen angegeben. Basierend auf einer kumulativen Schädigungsmethode werden zyklische Zug- und Schubbelastungsgeschichten für die Prüfung von Dübelsystemen entwickelt.

In den Kapiteln 5, 6 und 7 werden die Ergebnisse von im Rahmen der vorliegenden Dissertation durchgeführten experimentellen Untersuchungen vorgestellt und diskutiert. Kapitel 5 behandelt das Tragverhalten von Befestigungselementen bei großen Rissbreitenänderungen wobei die Risse überdrückt werden. Das Last-Verschiebungsverhalten in Abhängigkeit der unterschiedlichen Versagensarten während extremer Rissbreitenänderungen wird beschrieben. In Kapitel 6 werden die Ergebnisse verschiedener Untersuchungen mit Befestigungselementen unter zyklischer Zuglast vorgestellt. Ergebnisse der Untersuchungen mit einbetonierten Kopfbolzen wurden verwendet, um eine Gleichung für die Zunahme des Kopfschlupfs unter zyklischer Zuglast zu entwickeln. Untersuchungen mit nachträglich montierten Befestigungen zeigen das Tragverhalten bei unterschiedlichen Lasteinleitungsmechanismen unter versagensnaher zyklischer Zuglast. Kapitel 7 beschreibt das Ankerverhalten unter schneller (erdbebenrelevanter) Belastung.

Kapitel 8 zeigt auf, dass der Sicherheitsspielraum zwischen duktilem und sprödem Versagen in einigen Bemessungsnormen für Befestigungselemente nicht ausreicht, um den gewünschten Versagensmodus zu gewährleisten. Weiterhin wird gezeigt, dass das Verformungsvermögen von Ankern über den Sicherheitsspielraum zwischen duktilem und sprödem Versagen kontrolliert werden kann.

Die Untersuchungen münden in Empfehlungen für neue Zulassungsmethoden und Beurteilungskriterien für Befestigungen in seismischen Anwendungen.