Zum Tragverhalten von Rahmenknoten mit Stahlfaserbeton unter zyklischer Belastung

Abstract

In der Vergangenheit haben zahlreiche Erdbeben gravierende Schäden an Gebäuden verursacht, sowie teilweise zum Einsturz kompletter Bauwerke geführt. Besonders betroffen sind hierbei einige Jahrzehnte alte mehrgeschossige Rahmenkonstruktionen. Infolge der Schäden wurden die Bemessungsvorschriften verschärft, weshalb neuere Konstruktionen sehr viel Bewehrung in den Detailbereichen enthalten. Insbesondere in Rahmenknoten wird eine sehr enge Verbügelung gefordert, die oftmals auf Kosten der Ausführbarkeit geht. Zum einen wird die ordnungsgemäße Verdichtung des Betons erschwert, zum anderen führt die Verankerung der Balkenlängsbewehrung bei hohen Bewehrungsgraden mit entsprechend großen Durchmessern über die geringe Knotenbreite bei schlanken Stützen zu Verankerungsproblemen. Daher soll das Potential von Stahlfaserbeton unter zyklischer Belastung genutzt werden um Bewehrungsanhäufungen im Knoten zu verhindern und damit die Ausführung zu vereinfachen. Zugleich soll die Umschnürungswirkung der Fasern für die Tragfähigkeit, Energiedissipation und Knotenintegrität herangezogen werden und eine alternative Bewehrungsführung zur Verschiebung des plastischen Gelenks vom Knoten in den Balken entwickelt werden. Die Arbeit gliedert sich in zwei Themenschwerpunkte. Zunächst wird die Knotentragfähigkeit mit Stahlfaserbeton untersucht um darauf aufbauend den Knoten so auszulegen, dass dieser stark genug ist, ein Biegeversagen im Balken in einem bestimmten Abstand zum Stützenanschnitt zu erzeugen. Für beide Schwerpunkte werden sowohl Versuche als auch numerische Simulationen durchgeführt. Hierbei werden außenliegende Rahmenknoten betrachtet, da sich diese als besonders kritisch erwiesen hatten. Die Versuchsergebnisse zeigen die günstige Auswirkung der Stahlfasern auf die Energiedissipation und die Knotenintegrität. Neben einer numerischen Parameterstudie zur Knotentragfähigkeit und zur Verschiebung des plastischen Gelenks wird ein Modell basierend auf Stabwerkmodellen unter Berücksichtigung der Restzugfestigkeit des Stahlfaserbetons zur Ermittlung der Knotentragfähigkeit entwickelt. Dieses Modell wird sowohl anhand der eigenen Versuchskörper als auch mit Versuchsergebnissen aus der Literatur überprüft. Dabei kann eine gute Übereinstimmung mit den im Versuch erreichten Traglasten erzielt werden und die Versagensmechanismen treffend vorhergesagt werden. Zuletzt werden Empfehlungen zur Auslegung eines Rahmenknotens mit Verschiebung des plastischen Gelenks in den Balken unter Berücksichtigung der zuvor erlangten Kenntnisse gegeben um zukünftige Erdbeben ohne größere Schäden zu überstehen.

In the past numerous earthquakes have caused severe damage to buildings or have led to collapse of whole structures. Expected performance of the decade old structures is extremely alarming. As a consequence, newy built structures therefore contain a lot of reinforcement in D-regions to attain the required level of ductility which would resist the structures from failure. Especially in beam-column-joints national standards (for example Eurocode) require very high stirrup reinforcement ratio, which conquers practicability. On the one hand, compaction of concrete is difficult at site and on the other hand, high beam longitudinal reinforcement ratios and big diameters are difficult to anchor within slender column widths. Therefore the potential of steel fibre reinforced concrete (SFRC) under cyclic loading could be one of the promising alternatives to avoid reinforcement congestion in joints and therefore facilitate smooth conctruction. Further joint strength, energy dissipation and joint integrity should be improved by taking advantage of the confining effect of fibres and an alternative reinforcement detailing should be developed to shift the plastic hinge away from the joint into the beam . The present work therefore deals with two main aspects. First, available joint shear strength using SFRC has been investigated and based on these studies the joint has been designed in such a way to be strong enough to lead to flexural failure in the beam in a certain distance away from the face of the column. For both aspects experimental as well as numerical studies have been performed on exterior beam column joints which are most critical. The experimental results clearly showed the positive effects of fibres on joint integrity and energy dissipation compared to normal concrete joints. Besides a numerical parametric study on joint shear strength and shifting the plastic hinge, a model based on strut and ties by considering the residual tensile strength of SFRC has been developed to determine the joint shear strength. The model has been applied to specimens investigated in the present study as well as test results from literature and seen to be in good agreement concerning ultimate strength and failure mechanism. Finally recommendations for design and detailing of beam column-joints with shifting the plastic hinge into the beam using the knowledge gained from experiments and numerical studies have been provided for the newly built structures to be able to resist the earthquake events without significant damage.