Seismic bond model for concrete reinforcement and the application to column-to-foundation connections

Abstract

During an earthquake, the bond of anchorages is at risk for two reasons: The seismic excitation of the reinforced concrete structure loads the reinforcement cyclically and, at the same time, generates cracks which open and close cyclically. In joints, the cracks may run parallel along reinforcing bars anchoring adjoining members. The combination of cyclic loads and cyclic cracks leads to a more pronounced bond damage. The damage is secondary for large anchorage lengths with hooks detailed according to conventional design provisions. Large anchorage lengths with hooks are obstructive during construction and preclude post-installation of reinforcing bars. In order to develop an advanced design concept which allows the reduction of the anchorage length for column-to-foundation connections, two core topics were investigated in the course of the doctoral research which are discussed following the introduction (Chapter 1), the presentation of the state of the art (Chapter 2), as well as the explanation of the research approach and background (Chapter 3). First, the bond behaviour under simultaneous load and crack cycling was studied at micro level as existing bond models do not consider the effect of crack cycling. This study allowed extending the applicability of a hysteretic energy model for reinforcing bars subjected to simultaneous load and crack cycling (Chapter 4). In addition, the possibility to simulate the bond damage by means of the finite element method was shown (Chapter 5). Second, column-to-foundation connections were studied at macro level. An anchorage detailing without hooks is advantageous for construction and allows the post-installation of column starter bars in the foundation. Post-installed columns are in particular suitable for the seismic retrofit of soft ground floor stories which failure is one of the most common reasons for total structural collapses during earthquakes. Large scale experimental tests were conducted (Chapter 6) and supplemented by a large number of numerical tests (Chapter 7). The gained knowledge enabled the enhancements of the bonded anchor design provisions (Chapter 8). Based on the enhanced design provisions, a design concept for column to foundation connections is proposed which allows the post-installation of columns (Chapter 9). The design concept was developed in particular for seismic load cases. The thesis concludes in summarising the most significant results and pointing out which open questions in the field of post-installed reinforcing bars should be answered in future (Chapter 10).

Die seismische Anregung eines Stahlbetontragwerks bewirkt ein zyklisches Belasten der Bewehrung und zugleich das Auftreten von Rissen, die sich zyklisch öffnen und schießen. In Stahlbetonrahmenknoten können die Risse entlang der Bewehrung verlaufen, die ein angeschlossenes Bauteil verankern. Die Kombination aus zyklischer Last und zyklischen Rissen beschleunigt die Verbundschädigung. Bei nach herkömmlichen Bemessungsvorschriften ausgebildeten großen Verankerungslängen mit Haken ist die Schädigung sekundär. Große Verankerungslängen mit Haken sind jedoch hinderlich während der Bauausführung und schließen die nachträgliche Installation von Bewehrungsanschlüssen aus. Um ein neuartiges Bemessungskonzept zu entwickeln, das die Reduzierung der Verankerungslänge für Stützen-Fundament-Anschlüssen ermöglicht, wurden im Rahmen der Promotionsarbeit zwei große Themenbereiche untersucht, die nach der Einleitung (Kapitel 1), dem Erörtern des gegenwärtigen Kenntnisstandes (Kapitel 2) sowie der Erläuterung des Forschungsansatzes und des Hintergrundes (Kapitel 3) besprochen werden. Zunächst wurde auf der Mikroebene das Verhalten des Verbundes unter gleichzeitiger Beanspruchung von zyklischer Last und zyklischem Riss untersucht, da bisherige Verbund-Modelle nicht die Einwirkung zyklischer Risse berücksichtigen. Durch die Untersuchungen wurde der Anwendungsbereich eines energetischen Verbund-Models auf Bewehrungen erweitert, die einer gleichzeitigen Belastung aus zyklischer Last und zyklischem Riss unterliegen (Kapitel 4). Zudem konnte gezeigt werden, dass die Verbundschädigung mit der Finiten-Element-Methode simuliert werden kann (Kapitel 5). Anschließend wurde auf der Makroebene Stützen-Fundament-Anschlüsse untersucht. Eine Verankerung der Stützenanschlussbewehrung ohne Haken hat nicht nur baupraktische Vorteile, sondern ermöglicht auch einen nachträglichen Stützenbewehrungsanschluss im Fundament. Nachträglich eingebaute Stützen sind eine besonders geeignete Erdbebenertüchtigungsmaßnahme für strukturell zu schwach ausgeführte Erdgeschosstragwerke, deren Versagen eine der häufigsten Ursachen für den Totaleinsturz von Gebäuden während eines Erdbebens ist. Hierzu wurden experimentelle Großversuche durchgeführt (Kapitel 6) und ergänzt durch eine große Anzahl von numerische Versuchen (Kapitel 7). Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichten die Weiterentwicklung der Bemessungsvorschriften für Verbundanker (Kapitel 8). Basierend auf die weiterentwickelten Bemessungsvorschriften wird ein Bemessungskonzept für Stützen-Fundament-Anschlüsse vorgeschlagen, das den nachträglichen Einbau von Stützen erlaubt (Kapitel 9). Das Bemessungskonzept wurde insbesondere für Erdbebenlastfälle entwickelt. Abschließend werden die wesentlichen Untersuchungsergebnisse zusammengefasst und dargelegt, welche offene Fragen im Bereich von nachträglichen Bewehrungsanschlüssen noch in Zukunft beantwortet werden sollten (Kapitel 10).