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

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 offnen und schiesen. In Stahlbetonrahmenknoten konnen die Risse entlang der Bewehrung verlaufen, die ein angeschlossenes Bauteil verankern. Die Kombination aus zyklischer Last und zyklischen Rissen beschleunigt die Verbundschadigung. Bei nach herkommlichen Bemessungsvorschriften ausgebildeten grosen Verankerungslangen mit Haken ist die Schadigung sekundar. Grose Verankerungslangen mit Haken sind jedoch hinderlich wahrend der Bauausfuhrung und schliesen die nachtragliche Installation von Bewehrungsanschlussen aus. Um ein neuartiges Bemessungskonzept zu entwickeln, das die Reduzierung der Verankerungslange fur Stutzen-Fundament-Anschlussen ermoglicht, wurden im Rahmen der Promotionsarbeit zwei grose Themenbereiche untersucht, die nach der Einleitung (Kapitel 1), dem Erortern des gegenwartigen Kenntnisstandes (Kapitel 2) sowie der Erlauterung des Forschungsansatzes und des Hintergrundes (Kapitel 3) besprochen werden. Zunachst 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 berucksichtigen. 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 Verbundschadigung mit der Finiten-Element-Methode simuliert werden kann (Kapitel 5). Anschliesend wurde auf der Makroebene Stutzen-Fundament-Anschlusse untersucht. Eine Verankerung der Stutzenanschlussbewehrung ohne Haken hat nicht nur baupraktische Vorteile, sondern ermoglicht auch einen nachtraglichen Stutzenbewehrungsanschluss im Fundament. Nachtraglich eingebaute Stutzen sind eine besonders geeignete Erdbebenertuchtigungsmasnahme fur strukturell zu schwach ausgefuhrte Erdgeschosstragwerke, deren Versagen eine der haufigsten Ursachen fur den Totaleinsturz von Gebauden wahrend eines Erdbebens ist. Hierzu wurden experimentelle Grosversuche durchgefuhrt (Kapitel 6) und erganzt durch eine grose Anzahl von numerische Versuchen (Kapitel 7). Die gewonnenen Erkenntnisse ermoglichten die Weiterentwicklung der Bemessungsvorschriften fur Verbundanker (Kapitel 8). Basierend auf die weiterentwickelten Bemessungsvorschriften wird ein Bemessungskonzept fur Stutzen-Fundament-Anschlusse vorgeschlagen, das den nachtraglichen Einbau von Stutzen erlaubt (Kapitel 9). Das Bemessungskonzept wurde insbesondere fur Erdbebenlastfalle entwickelt. Abschliesend werden die wesentlichen Untersuchungsergebnisse zusammengefasst und dargelegt, welche offene Fragen im Bereich von nachtraglichen Bewehrungsanschlussen noch in Zukunft beantwortet werden sollten (Kapitel 10).