Seismic behavior and retrofitting of RC frame structures with emphasis on beam-column joints : experiments and numerical modeling

Abstract

The vulnerability and poor seismic performance of the beam-column joints of old non-seismically designed reinforced concrete (RC) frame structures has been proven time and again, both at laboratory level as well as by natural disasters in real life situations. However, replacing a vast majority of existing structures designed with non-seismic considerations is not economically and practically viable. Such structures need to be correctly assessed to predict their seismic performance and retrofitted, if required. In order to realistically predict the seismic performance of such structures, practical and accurate models for simulating the inelastic joint behavior at structural level, are of utmost importance. Equally important is to associate realistic and practical hysteretic rules to capture the inelastic dynamic behavior of the structures. Assessment of existing structures using such tools can predict the seismic performance of the structures with high degree of confidence. Based on such assessment, a cost-effective and efficient retrofit solution can be designed and developed. Often, the retrofitting of such structures revolves around retrofitting of the beam-column joints. Thus, a need of practically viable retrofit solution for joints cannot be denied. This work is aimed at providing the practical solutions to the above-mentioned problems, through experimental and numerical modeling approach. Experiments have been performed first at the joint sub-assembly level to understand the behavior of poorly detailed joints with different anchorage details. To study the interaction of the various failure modes likely to occur in a non-seismically designed structure, experiment on a full-scale structure has been performed under pushover loads. Further, shake table tests were carried out on a 2D structure to verify the performance of joints at structural level under real life type seismic loads. These tests provided large database and helped in improving the overall understanding of the joint behavior under seismic loads. Fully fastened haunch retrofit solution (FFHRS) have been investigated as a viable retrofit option for poorly detailed joints. The solution has been tested through tests at sub-assembly level under cyclic loads as well as at structural level under dynamic loads. The results clearly displayed the efficacy of the FFHRS in safeguarding the joints thereby improving the global seismic behavior of structures. However, it is very important to confirm that the structural members shall not become shear critical due to the retrofit. It is also essential that the anchorage system used for fastening the haunch elements to frame members serve their purpose well. It was observed that the performance of the FFHRS in experiment on structure under dynamic loads is better than that in experiment on beam-column joints under cyclic loads. This is attributed partially to the phase difference between the force in anchor and crack opening and partially to instantaneous loading. To assess the seismic performance of structures giving due consideration to joint distortion, a new joint model has been presented. The model is based on realistic deformation of the joint sub-assembly and excellent agreement with the experimental results at sub-assembly as well as structural proves the efficacy and suitability of the model. To model the hysteretic behavior of the structure, an extension to pivot hysteretic model is presented. The model parameters are derived in a more rational way and can be applied at a wide range of structures. Further, a model is presented to simulate seismic behavior of joints retrofitted with FFHRS considering inelastic behavior of anchorage. The models were implemented in commercial software SAP2000. All the models have been vastly validated against experiments conducted by author as well as those available in the literature. In the end, the application of the models to assess and retrofit structures has been demonstrated by a real life case study.

Ein ungünstiges Verhalten von alten nicht-seismisch bemessenen Stahlbetonrahmenknoten unter seismischen Lasten wurde unter Laborbedingungen mehrfach nachgewiesen und hat sich auch in der Realität bei Naturkatastrophen gezeigt. Ein Neubau aller betroffenen existierenden Bauwerke ist jedoch aus Kostengründen nicht realisierbar. Diese Bauwerke sollten zuerst untersucht werden, um das Verhalten unter seismischen Beanspruchungen beurteilen zu können, und sollten bei Bedarf nachgerüstet werden. Praktische und genaue Modelle für die Simulation des unelastischen Knotenverhaltens in Rahmenkonstruktionen sind für eine realistische Vorhersage des Tragverhaltens des Bauwerks bei einem Erdbeben unverzichtbar. Genauso wichtig ist es, das unelastische, dynamische Verhalten der Baukonstruktion mit Hilfe einer realistischen und praktischen Hysterese-Kurve zu beschreiben. Solche Modelle ermöglichen eine sehr zuverlässige Vorhersage des Verhaltens des Bauwerks unter seismischen Beanspruchungen. Aufgrund einer derartigen Bewertung kann eine effiziente und wirtschaftliche Nachrüstung entwickelt werden. In vielen Fällen besteht die Nachrüstung dieser Bauwerke aus der Ertüchtigung der Rahmenknoten. Es besteht daher ein Bedarf an einer praktikablen Methode um diese Rahmenknoten nachzurüsten. Das Ziel dieser Arbeit ist es durch numerische und experimentelle Methoden eine pragmatische Lösung für die oben genannten Problemstellungen zu finden. Es wurden Versuche zur Untersuchung des Rahmenknotenverhaltens durchgeführt, um das Verhalten der schlecht bemessenen Rahmenknoten mit unterschiedlichen Befestigungen beurteilen zu können. Die „Pushover”-Versuche an maßstäblichen Rahmenkonstruktionen dienten zur Untersuchung der Interaktion der möglichen Versagensarten in schlecht bemessenen Rahmenkonstruktionen. Es wurden auch „Shake-Table“-Versuche mit einer 2-dimensionalen Rahmenkonstruktion durchgeführt um das Verhalten der Rahmenknoten unter realistischen, seismischen Beanspruchungen zu verifizieren. Aus den Ergebnissen der Versuche wurde eine Datenbank erstellt, die zum verbesserten Verständnis des Rahmenknotenverhaltens beigetragen hat. Eine Ertüchtigungslösung mit nachträglich befestigten Stahldiagonalen (Fully fastened haunch retrofit solution (FFHRS)) wurde als eine wirtschaftliche Nachrüstung der schlecht bemessenen Rahmenknoten untersucht. Zu diesem Zweck wurden Versuche sowohl an Rahmenknoten unter zyklischen Lasten als auch an Rahmenkonstruktionen unter dynamischen Lasten durchgeführt. Aus diesen Versuchen hat sich ergeben, dass die FFHRS eine sehr effiziente Nachrüstung für Rahmenknoten darstellt und damit das Verhalten der Rahmenkonstruktion positiv beeinflusst. Allerdings ist es sehr wichtig nachzuweisen, dass die nachgerüstete Konstruktion auf Abscheren nicht anfällig ist. Weiter muss sichergestellt werden, dass die Befestigungselemente zwischen FFHRS und Rahmenelementen ihren Zweck erfüllen. Es wurde festgestellt, dass das FFHRS Verhalten in Rahmenkonstruktion besser ist als das FFHRS Verhalten in den einzelnen Rahmenknoten, was auf die Phasendifferenz zwischen der Befestigung und und der Rissöffnung als auch auf die unmittelbare Belastung zurückgeführt wurde. Um das seismische Rahmenkonstruktionsverhalten unter Berücksichtigung der Rahmenknotendistorsion beurteilen zu können, es wurde ein neues Rahmenknotenmodell entwickelt. Das auf der realistischen Verformung des Rahmenknotens basierte Modell weist eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen sowohl für die einzelnen Rahmenknoten als auch auf die gesamte Rahmenknotenkonstruktion auf, wodurch sich das Modell als effizient und geeignet bewiesen hat. Weiter wurde eine Erweiterung des Pivot-Modells entwickelt, die zur Erfassung der Hysterese dient. Die Modellparameter wurden verbessert und dadurch eine breitgefächerte Anwendung auf Baukonstruktionen ermöglicht. Des Weiteren wurde ein Modell zur Analyse des Rahmenknotenverhaltens nach der Nachrüstung unter Berücksichtigung des unelastischen Befestigungsverhaltens vorgestellt. Die Modelle wurden in kommerzielle Software SAP2000 implementiert. Alle Modelle wurden ausführlich mit eigenen und in der Literatur vorhandenen Versuchsergebnissen verifiziert. Abschließend wurde die Anwendbarkeit des Modells durch ein reales Fallbeispiel demonstriert.