Masonry infilled reinforced concrete frames under horizontal loading / Stahlbetonrahmen mit Ausfachungen aus Mauerwerk unter horizontalen Belastungen: Fid-Bau Portal

Masonry infilled reinforced concrete frames under horizontal loading / Stahlbetonrahmen mit Ausfachungen aus Mauerwerk unter horizontalen Belastungen

Butenweg, Christoph

Abstract

The behaviour of infilled reinforced concrete frames under horizontal load has been widely investigated, both experimentally and numerically. Since experimental tests represent large investments, numerical simulations offer an efficient approach for a more comprehensive analysis. When RC frames with masonry infill walls are subjected to horizontal loading, their behaviour is highly non‐linear after a certain limit, which makes their analysis quite difficult. The non‐linear behaviour results from the complex inelastic material properties of the concrete, infill wall and conditions at the wall‐frame interface. In order to investigate this non‐linear behaviour in detail, a finite element model using a micro modelling approach is developed, which is able to predict the complex non‐linear behaviour resulting from the different materials and their interaction. Concrete and bricks are represented by a non‐linear material model, while each reinforcement bar is represented as an individual part installed in the concrete part and behaving elasto‐plastically. Each brick is modelled individually and connected taking into account the non‐linearity of a brick mortar interface. The same approach is followed using two finite element software packages and the results are compared with the experimental results. The numerical models show a good agreement with the experiments in predicting the overall behaviour, but also very good matching for strength capacity and drift. The results emphasize the quality and the valuable contribution of the numerical models for use in parametric studies, which are needed for the derivation of design recommendations for infilled frame structures. Das Verhalten ausgefachter Stahlbetonrahmen unter Horizontallasten wurde sowohl experimentell als auch numerisch bereits vielfach untersucht. Weil Versuche hohe Kosten verursachen, bieten numerische Simulationen einen effizienten Ansatz für eine detaillierte Analyse des nichtlinearen Verhaltens. Ausgefachte Stahlbetonrahmen unter Horizontallasten weisen bei Erreichen einer Grenzlast ein stark nichtlineares Verhalten auf, was ihre Analyse erschwert. Das nichtlineare Verhalten ergibt sich aus den nichtlinearen Materialeigenschaften des Stahlbetons und der Ausfachungen sowie aus der Interaktion zwischen Rahmen und Ausfachung. Um dieses nichtlineare Verhalten im Detail zu untersuchen, wurde ein Finite‐Elemente‐Modell auf Grundlage eines Mikro‐Modellierungsansatzes entwickelt. Es ist in der Lage, das komplexe nichtlineare Verhalten infolge der unterschiedlichen Materialien und deren Zusammenspiel vorherzusagen. Stahlbetonrahmen und Mauerwerksausfachung werden durch ein nichtlineares Materialmodell abgebildet, wohingegen die Stabstahlbewehrung des Rahmens mit elasto‐plastischem Materialverhalten diskret abgebildet wird. Die Mauersteine sind in dem Modell einzeln erfasst und unter Berücksichtigung der Nichtlinearität der Stein‐Mörtel‐Kontaktfläche durch spezielle Kontaktelemente miteinander verbunden. Dieser Modellierungsansatz wird in zwei verschiedenen Finite‐Elemente‐Programmen umgesetzt, deren Berechnungsergebnisse den experimentellen Ergebnissen gegenüber gestellt werden. Insgesamt zeigen die Simulationsergebnisse sowohl hinsichtlich der Tragfähigkeit als auch der Verformungskapazitäten eine gute Übereinstimmung mit den Versuchen. Die Ergebnisse unterstreichen die Qualität und den wichtigen Beitrag der entwickelten numerischen Modelle für den Einsatz in parametrischen Studien, die zur Ableitung von Konstruktionsempfehlungen für ausgefachte Rahmenkonstruktionen erforderlich sind.