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Seismic resistance of a hybrid shearwall system

Shirali, Noor Mohammad :
Seismic resistance of a hybrid shearwall system.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2003)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Seismic resistance of a hybrid shearwall system
Language: English
Abstract:

Earthquake design of buildings involves the creation of a structural system capable of resisting the seismic forces in a ductile manner. Postearthquake observations have shown that the failure of many reinforced concrete buildings has been due to the inability of the lower-story columns to resist the earthquake imposed loads. Failure of these members are often related to an inappropriate layout of the reinforcement in the upper and lower regions of these columns (insufficient column-tie sizing and spacing, leading to tie failure as well as buckling of the longitudinal reinforcement). Considering these observations, a new hybrid structural system for both moment resistant frame and shearwall buildings, which was proposed by Bouwkamp 1990, has since been studied at the Darmstadt University of Technol-ogy. The system involves the use of prefabricated composite columns consisting of steel tubular thin-walled sections filled with concrete and typical reinforced concrete beam-slab floors. In case of shear walls, the composite columns are used as edge members of the concrete shear walls. In principle, the steel tubular column section replaces effectively the longitudinal column reinforcement and provides the confinement for the (core) concrete. Realizing that the connection between the composite columns and concrete beam-slab floor as well as between the shear-wall edge members and concrete wall are critical, the connection design at the interface of the different elements has been a major subject of study. Earlier research on the design and seismic response of hybrid moment resistant frames have shown that this system can be used effectively for the aseismic design of ductile moment resistant frames. The present study has focussed on the use of this system for shear wall type buildings. Ten alternative interface designs, reflecting a one-third scale model of the edge region of the first story shear wall of an 8-story building, have been developed and tested. The model shear wall was designed with a double-layered 10 x 10 cm mesh having f 8 mm bars vertically and f 6mm bars horizontally. Horizontal anchor bars between composite column and concrete wall extended through holes in the steel column section, were spaced at 10 cm o.c. and directly connected to the wall reinforcement. Also, an interface arrangement with inclined (45-degree) anchor bars as well as headed shear studs welded to the steel tube section were investigated. All specimen were tested under cyclic alternating displacement-controlled loads. Main results in terms of force-displacement, shear force- shear distortion and force-slip re-lation are presented and discussed. A non-linear FE computer program, ANSYS 5.7 has been used to study the inelastic cyclic response under shear of the different interface connections (IFC) tested. Two models have been developed to capture the interface behavior between edge column and RC wall panel. Firstly, a model with non-linear springs, interconnecting the common interface nodal points of the wall panel and steel tube have been introduced. The non-linear spring-characteristics were taken from the empirically derived mechanical model idealising the force-slip relationship at the interface. Secondly, a simple truss-like model capable of capturing the interface behavior has been derived. A comparison between experimental and numerical results show an excellent agreement and clearly support the validity of the both models developed in this study for predicting the non-linear response of the hybrid shear wall system under earthquake load conditions.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Erdbebenbemessung eines Gebäudes bezieht die Konstruktion einer Bauwerksstruktur ein, die seismischen Kräften in einer duktilen Weise widerstehen kann. Nachbebenuntersuchungen haben gezeigt, dass Einstürze häufig durch Versagen der Stützen in den unteren Geschossen des Stahlbetonrahmens verursacht wurden. Weiterhin sind lokale Schäden an Randstützen in Stahlbetonschubwänden bemerkt worden. Ursache dafür ist hauptsächlich mangelnde Umschnürung des Betonkernes (Abstand) und das Knicken der Längsbewehrung, wie auch mangelhafte Qualitätsüberwachung und Baustelleninspektion. In Betracht dieser Schadensbeobachtungen, um den Erdbebenwiderstand von Stahlbetonschubwänden und Stahlbetonrahmen zu verbessern, wurde, ein neues hybrides System für die oben genannten Systeme von Bouwkamp 1990 vorgeschlagen. Diese Systeme wurden seitdem an der Technische Universität Darmstadt experimentell untersucht. Dieses hybride Systeme wird durch betongefüllte rechteckige Stahlhohlprofile als Verbundstützen gekennzeichnet, welche die volle Umschnürung des Betonkernes und der Längsbewehrung herstellt. Verbundstützen, gebildet aus ausbetonierten rechteckigen Stahlhohlprofilen, werden in typischer Stahlbauweise erstellt. Der Rest des Gebäudes, insbesondere die Decken werden konventionell hergestellt. Die hybride Schubwand besteht aus Verbundstützen als Randstützen und einer Stahlbetonwand, die miteinander durch eine Anschlussbewehrung verbunden sind. Die Kombination von Beton und Stahlhohlprofil und die volle Umschnürung des Kernbetons durch das Stahlhohlprofil erhöht die Tragfähigkeit, die Steifigkeit und die Duktilität der Verbundrandstütze im hybriden Schubwandsystem. Die Schlüsseleigenschaft für die Entwicklung dieses Wandsystems ist das Verhalten der Verbindung zwischen der Verbundrandstütze und dem Stahlbetonpaneel. Eine frühere Forschung auf dem Gebiet der Bemessung des seismischen Verhaltens der hybriden Stahlbetonrahmen hat gezeigt, dass dieses System effektiv für erdbebengefährdete Regionen benutzt werden kann. Die vorliegende Untersuchung hat sich auf den Gebrauch von Hybriden Schubwandsystemen (HSW) und einen wirkungsvollen und ökonomischen Einsatz dieses System in erdbebengefährdeten Gebieten konzentriert. Zur Entwicklung einer optimalen Entwurfslösung für den Anschluss zwischen der Stahlbetonwand und der Verbundstütze sind zehn alternative Entwürfe entwickelt und getestet worden. Zu diesem Zweck ist ein 8-stöckiges Gebäude mit einer hybriden Schubwand als horizontallasttragendes Element entworfen worden. Als Versuchskörper wurde der Verbindungsteil des ersten Stockwerkes des Schubwandmodells im Maßstab 1:3 angenommen und entworfen. Die Bemessung des ausgewählten Versuchsmodells ergab eine kreuzweise Bewehrung mit 6 mm dicken Horizontalstäben und 8 mm dicken Vertikalstäben auf beiden Seiten (zwei Schichten) der Wandscheiben. Als Parameter wurden der Durchmesser und die Anordnung der Bewehrung untersucht. Es wurden folgende vier verschiedenen Modellvarianten untersucht: 1) Anschlussbewehrungen als durchgesteckte Bewehrung senkrecht zur Verbundfuge 2) durchgesteckte Bewehrung senkrecht zur Verbundfuge mit zusätzlich angeschweißten Kopfbolzen am Stahlhohlprofil 3) durchgesteckte Bewehrung mit 45 Grad Neigung zur Verbundfuge 4) angeschweißte Bewehrung am Stahlhohlprofil senkrecht zur Verbundfuge Die Versuche wurden statisch-zyklisch, weggesteuert durchgeführt. Das Verhalten der Versuchskörper wurde in bezug auf Kraft-Verschiebungs-Beziehungen, Kraft-Schub-Verformungs-Beziehungen und Kraft-Schlupf-Beziehungen angegeben und analysiert. Das nichtlineare FE –Programm ANSYS 5.7 wurde benutzt, um zyklisches nichtlineares Verhalten der unterschiedlichen Anschlusslösungen unter zyklischer Schublast zu untersuchen. Zwei Modelle wurde entwickelt, um das Verhalten des Anschlusses zwischen den Randstützen und dem Stahlbetonpaneel zu prüfen. Erst wurde ein Modell mit nichtlinearen Federn im Anschlussbereich abgebildet. Die nichtlinearen Feder-Eigenschaften wurden aus einem mechanischen Modell für eine idealisierte Kraft-Schlupf-Beziehung, die aus experimentellen Ergebnissen abgeleitet wurde, entwickelt. Als zweites wurde ein einfaches Fachwerk Modell verwendet, dass in der Lage ist, das Anschlussverhalten abzubilden. Ein Vergleich zwischen den experimentellen und numerischen Resultaten zeigt eine ausgezeichnete Übereinstimmung und bestätigt deutlich die Gültigkeit der beiden Modelle, die in dieser Studie für die Voraussagen des nichtlinearen Verhaltens des hybriden Schubwandsystems unter Erdbebenbelastung verwendet wurde.German
Uncontrolled Keywords: Hybrides Tragwerk, Schubwand, Erdbebenbemessung, Anschlussbereich, Schubkapazität, Zyklischenbelastung, Finite Elemente Methode, Nichtlineare Verhalten, Beton, Stahl, Verbund
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Hybrides Tragwerk, Schubwand, Erdbebenbemessung, Anschlussbereich, Schubkapazität, Zyklischenbelastung, Finite Elemente Methode, Nichtlineare Verhalten, Beton, Stahl, VerbundGerman
Hybrid structure, Shear wall , Earthquake design, Interface connection, Shear strength, Cyclic loads, Finite element method, Nonlinear response, Concrete, Steel, CompositeEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:49
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000326
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-3267
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Bouwkamp, Prof. Ir. G. Jack
Advisors: Lange, Prof. Dr.- Jörg
Refereed: 29 May 2002
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/326
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