Seismic assessment of RC exterior beam-column joints and retrofit with haunches using post-installed anchors

Abstract

The assessment of the shear strength of two dimensional (2D) reinforced concrete (RC) exterior beam-column joints is an open issue and its solution is still a point of discussion in the scientific community although significant research effort has been devoted to this topic in recent times. The uncertainty in the evaluation of joint shear strength is exacerbated if substandard detailing is present such as lack of transverse reinforcement in the core, the use of plain round bars and inadequate anchorage of the beam bars, typical of pre 1970s construction practice. The need of a reliable evaluation of the shear behaviour of substandard joints is highlighted within the framework of a performance based seismic assessment and retrofit of RC frames. The first part of this thesis aims to develop a simple shear strength assessment model for typical pre 1970s beam-column connections based on mechanical principles. An experimental programme consisting of six quasi-static cyclic tests was carried out. The experimental results were used for the validation of a Finite Element (FE) model, which was used to carry out an extensive parametric study. The shear assessment model proposed was additionally validated with an experimental database. The model includes the influence of several parameters such as concrete strength, column axial load, amount and detailing of beam and column reinforcement, geometric aspect ratio and effect of beam bar yielding. In the second part, the possibility of using post-installed anchors for the seismic retrofitting of beam-column joints is investigated. Post-installed anchors are usually fast and easy to install and they represent a valuable minimally-invasive solution to transfer high loads with reasonably low costs. The retrofit of RC beam-column connections using a fully fastened diagonal haunch element is proposed as an optimisation of an existing retrofit technique. After some preliminary analytical considerations, experimental tests and numerical simulations were carried out to develop a safe and economical design model of the proposed retrofit solution. The investigations highlighted the need of displacement oriented design provisions for post-installed anchors, because tensile and shear stiffness of the anchorages are necessary in order to evaluate their loading and the effectiveness of the retrofit solution.

Die Beurteilung der Schubtragfähigkeit von Stahlbetonrahmenendknoten ist ein umstrittenes Thema. Trotz der umfassenden Forschungen auf diesem Gebiet in den letzten Jahrzehnten wurde bislang keine Lösung gefunden, die allgemein akzeptiert wird. Die Unsicherheit in der Abschätzung der Knotenschubtragfähigkeit ist noch deutlicher im Fall von Bewehrungsausführungen typisch in der Baupraxis vor der Einführung von modernen seismisch orientierten Normen Anfang der siebziger Jahre (z. B. Anwendung von glatten Stäben und mangelhafte Verankerungslösung der Riegelbewehrung im Knotenbereich). Für die Bemessung einer seismischen funktionsanforderungsorientierten Ertüchtigung ist eine zuverlässige Beurteilung des Schubverhaltens von Knoten in einem Stahlbetonrahmen notwendig. Der erste Teil dieser Arbeit zielt darauf ab, eine Bemessungsmethode für die Beurteilung der Schubtragfähigkeit von Stahlbetonrahmenknoten zu entwickeln, die nicht nach modernen seismisch orientieren Normen bemessen und gebaut wurden. Diese Methode basiert auf mechanischen Prinzipien. Ein Versuchsprogramm von sechs Prüfkörpern wurde erarbeitet. Die experimentellen Ergebnisse dienten der Validierung eines Finiten Elemente (FE) Modells, mit dem eine umfangreiche Parameterstudie durchgeführt wurde. Die Beurteilungsmethode der Knotenschubtragfähigkeit wurde mit einer experimentellen Datenbank zusätzlich validiert. Das Modell berücksichtigt den Einfluss von etlichen Parametern, wie: der Betondruckfestigkeit, der Normalkraft in der Stütze, dem Bewehrungsgrad und der Bewehrungsausführung, der geometrischen Schlankheit und dem Effekt des Fließens der Längsbewehrung des Riegels. Im zweiten Teil wird die mögliche Anwendung von nachträglichen Befestigungsmitteln für die seismische Ertüchtigung von Stahlbetonrahmenknoten untersucht. Dübel sind normalerweise schnell und einfach zu installieren und stellen eine wirtschaftliche Lösung dar, hohe Lasten zu übertragen. Die Ertüchtigung von Stahlbetonrahmenknoten mit nachträglich befestigten Stahldiagonalen wurde als Optimierung einer vorhandenen Ertüchtigungslösung vorgeschlagen. Nach anfänglichen analytischen Betrachtungen wurden hierzu experimentelle Versuche und numerische Simulationen durchgeführt, um ein sicheres und wirtschaftliches Bemessungsmodell zu entwickeln. Die Untersuchungen zeigten den Bedarf an verschiebungsorientierten Bemessungsrichtlinien für nachträgliche Befestigungsmittel auf, da sich die Schub- und Zugsteifigkeit der Befestigung entscheidend auf die Höhe der Belastung und die Wirksamkeit der Ertüchtigungsmaßnahme auswirken.