Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Verhalten des Verbundes von Betonrippenstäben unter Erdbebenbelastung, insbesondere unter zyklischen Rissen.
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Nach der Entwicklung eines geeigneten Versuchsaufbaus wurde der Verbund zwischen Beton und Bewehrungsstab unter Erdbebenbedingungen untersucht. Hierzu wurden Verbundversuche an einbetonierten und nachträglich eingemörtelten Bewehrungsstabinkremente durchgeführt, wobei die Randbedingungen des Versuchsaufbaus im Hinblick auf Betonquerdruck, Längsriss sowie gleichzeitig wirkendem Einfluss aus zyklischer Last und zyklischem Riss, denen bei einem realen Erdbeben entsprechen. Es konnte gezeigt werden, dass ein auf der Energiehysterese basierendes Verbundschädigungsmodell (Eligehausen, R. et al., 1983) seine Gültigkeit behält, wenn neben zyklischen Lasten auch zyklische Risse auf den Verbund von einbetonierten und nachträglich eingemörtelten Bewehrungsstäbe wirken. Mit einem Finiten Element Programm, in dem das auf der Energiehysterese basierende Verbundschädigungsmodell integriert wurde, wurden numerische Untersuchungen des Verbunds zwischen Beton und Bewehrungsstab durchgeführt. Das Verbundschädigungsmodell war hierbei eine Komponente eines umfassenden Verbundmodells, das auch den Einfluss Betonquerdrücken und inelastischen Stahldehnungen berücksichtigt. Das durch dieses Verbundmodell beschriebene Verbundelement verbindet in dem Finiten Element Model Stab- und Volumenelemente, die Bewehrungsstab und Beton simulieren, wobei der Einfluss von Längsrissen durch die verschmierte Rissbandmethode modelliert wird. Durch den Vergleich von experimentellen und numerischen Versuchsergebnissen der Verbundversuche konnte die korrekte Wirkungsweise des Verbundmodells nachgewiesen werden. Zudem konnten weitere Simulationen den Anwendungsparameterbereich erweitern. Anschließend wurden Großversuche mit Stützen-Fundament-Anschlüssen durchgeführt. Die Daten der experimentellen Versuche ermöglichten die Untersuchung des Verhaltens von Stützen- Fundament-Anschlüssen unter seismischen Beanspruchungen und dienten dem Benchmarking der numerischen Simulationen von Stützen-Fundament-Anschlüssen. Der Vergleich des Verhaltens von einbetonierten und nachträglich eingemörtelten Anschlüssen führten zum Verständnis der Tragmechanismen von Stützen-Fundament-Anschlüssen, deren Verankerungslängen wesentlich kürzer als gemäß der Stahlbetonnorm ausgeführt werden. Hierzu wurden unterschiedliche Verankerungslängen, -durchmesser und -konfigurationen getestet und das Tragverhalten hinsichtlich Energiedissipation und Steifigkeitsverfall in Abhängigkeit der aufgebrachten Verschiebungen ausgewertet. Numerische Untersuchungen von Stützen-Fundament-Anschlüssen wurden durchgeführt, bei denen das Verbundelement zum Einsatz kam, das bereits für die inkrementellen Untersuchungen des Verbundes verwendet wurde. Nach erfolgtem Benchmarking anhand der experimentellen Großversuche wurde somit die kostengünstige Untersuchung eines großen Parameterbereiches ermöglicht, bei denen die Daten nicht von Streuungseffekten der Materialeigenschaften überlagert wurden. Die numerischen Untersuchungen ließen auch eine Analyse der Betondruckspannungen und -zugdehnungen zu, deren Größe und Ort experimentell schwierig zu ermitteln sind. Die gewonnenen Erkenntnisse erlaubten es, ein Bemessungskonzept für Stützen-Fundament-Anschlüsse vorzuschlagen, das auf den Bemessungsvorschriften für Verbundanker basiert. Das Bemessungskonzept wurde hauptsächlich für nachträglich eingemörtelte Stützen-Fundament-Anschlüsse entwickelt, deren Anschlussbewehrung nachträglich eingemörtelt wird. Es bietet jedoch auch Vorteile für Stützen-Fundament-Anschlüsse, deren Anschlussbewehrung einbetoniert wird, da es dazu beiträgt, die Bewehrungsdichte im Anschlussbereich zu reduzieren. Insbesondere Bewehrungskonflikte im Anschlussbereich erschweren die Bewehrungsarbeiten und behindern das Betonieren. Stützen-Fundament-Anschlüsse sind diesbezüglich besonders gefährdet, da die Horizontallasten im Erdgeschoss am höchsten sind, was zu hohen Bewehrungsgraden führt. Durch dichte Bewehrung verursachte Fehlstellen in der unteren Betondeckung sind wegen wechselnder Grundwasserspiegel kritisch.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Seismic bond model for cast-in-place and post-installed reinforcing bars. Proceedings of the 4th Bond in Concrete Conference; Brescia, Italy, 17th - 20th June 2012, pp. 297.
Mahrenholtz, C.; Eligehausen, R.; Hofmann, J.
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Bridging the gap between design provisions for connections using anchorage or strut- and tie models. ACI Special Publication SP 296-05. 2014, pp. 1-16.
Eligehausen, R., Mahrenholtz, C., Akguzel, U., Pampanin, S.
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New Design Methodology for Seismic Column-to-Foundation Anchorage Connections. ACI Structural Journal, Vol. 111.2014, Issue 5, pp. 1179-1189.
Mahrenholtz, C.; Akguzel, U.; Eligehausen, R.; Pampanin, S.
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Numerical simulation of column-to-foundation connections with reduced anchorage lengths loaded monotonically and cyclically. Proceedings of the 10th U.S. National Conference on Earthquake Engineering, Paper No 234
Mahrenholtz, C.; Eligehausen, R.
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Simulation of tests on cast-in-place and post-installed column-to-foundation connections to quantify the effect of cyclic loading. ASCE Journal of Structural Engineering (in review)
Journal of Structural Engineering, Vol. 142. 2016, Issue 1.
Mahrenholtz, C.; Eligehausen, R.
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Cyclic tests on concrete reinforcement for development of seismic bond model. ACI Materials Journal, Vol. 114. 2017, No. 4, pp. 571-579.
Mahrenholtz, C.; Eligehausen, R.
