Title Assessment of the Out-of-Plane Earthquake Resistance of Reinforced Concrete Frame Structures with Masonry Infill Walls Containing Openings Title (english) Procjena potresne otpornosti okomito na svoju ravninu armirano-betonskih okvirnih konstrukcija s ispunskim ziđem u kojem se nalaze otvori Author Filip Anić Mentor Davorin Penava (mentor)Mentor Vasilis Sarhosis (komentor) Mentor Lars Abrahamczyk Committee member Ivica Guljaš (predsjednik povjerenstva)Committee member Davorin Penava (član povjerenstva)Committee member Ivica Kožar (član povjerenstva)Granter Josip Juraj Strossmayer University of Osijek Defense date and country 2022, Croatia Scientific / art field, TECHNICAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 624/625 - Civil and structural engineering. Civil engineering of land transport. Railway engineering. Highway engineering Abstract Multi-storey buildings are generally loaded by inter-storey drift and inertial forces
during an earthquake event. That seismic event excites the structure in an arbitrary direction.
When observing the structure’s plane, that load can be divided into in- and out-of-plane forces.
The in-plane forces by their nature are inter-storey drift ones, while the out-of-plane ones are both
inter-storey drift and inertial.
By examining the literature, it was determined that most of the experiments
... More within the outof-
plane field of research were conducted with inertial, less with dynamical and only two using
inter-storey drift force methods. The analytical models for calculating inertial, load-bearing capacity
found within the literature were tested against various experiments. From the analysis, their
limitations and best fitting equations were derived. Furthermore, from the gathered experimental
data, it was observed that the static and quasi-static inter-storey drift force methods have more
similarities with dynamical tests than the inertial methods. Aside from the limited out-of-plane
inter-storey drift studies, none of which were done with RC frames; the field had a few and conflicting
studies with openings. The research laid in this thesis answers just that; the influence of infill
walls with and without openings on RC frames subjected to drift driven in- and out-of-plane loads.
This thesis was built upon the existing one covering in-plane cyclic, quasi-static load. The
experimental contribution of this thesis included out-of-plane cyclic, quasi-static inter-storey drift
load on frames with and without infill walls and openings, along with the out-of-plane bending test of
masonry walls. The same materials, techniques, and equipment were used for all three experiments.
Openings were varied in their type (window and door) and position (centric and eccentric), while
the out-of-plane bending test had load parallel and perpendicular to bedjoints. The out-of-plane
drift force tests showed that the infill wall and the frame moved as one and that the infill had an
insignificant contribution to the overall behaviour of the frame, i.e. the behaviour of the bare frame
model was similar to other infilled ones. Yet, the infill wall suffered considerable damage, mostly
by separating rows of blocks in bedjoints. This pointed out that the frame to masonry interaction
was one-sided, i.e. only the frame transfers displacements and damages the infill wall. All the
out-of-plane drift force test outcomes are consistent with the literature’s dynamical and drift force
studies.
After the experiments were conducted, computational models were developed and calibrated
against them. The calibration yielded the factors that govern the simulated behaviour of the models.
For the in-plane studies, it was the interface (gap) and concrete material model, while for
the out-of-plane bend tests for the masonry walls, it was both the interface and masonry material
models. Thus, it was concluded that the masonry material model had little influence on the overall
behaviour of in-plane simulations. Afterwards, the research was extrapolated to combine in- and
out-of-plane loads into a simultaneous action. The combination was described by the angle of the
resultant force α. The simulations tested 20 configurations from a bare frame, infill wall with or
without openings with their area ratios ranging approximately 0.1, 0.2 and 0.3 in relation to the
infill’s area. Also, they were positioned centrically or eccentrically, loaded from left or right under
nine angle positions (0 to 90°, i.e. from in- to out-of-plane). Overall, 180 models were tested, with
which interaction curves and equations for estimating load-bearing capacity based on that of the
in-plane ’s bare frame were derived. The estimating equations showed a good fit with the data from
the simulations. Less Abstract (english) Tijekom trajanja potresa, stambene zgrade su u pravilu opterećene inercijskim i silama
među-katnih pomaka. Potresno opterećenje dolazi pod određenim kutom s obzirom na konstrukciju.
Ako promatramo ravninu jedne stranice takve konstrukcije, opterećenje se može podijeliti na ono
okomito i u smjeru nje. Isto tako se podijelila i literatura koja istražuje potresna opterećenja.
Pregledom literature utvrđeno je kako istraživanja okomito na vlastitu ravninu su većinom
provedena s
... More inercijskim, manje s dinamičkim i samo dvije sa silama medu-katnog pomaka. U
radu su vrednovani analitički modeli za izračun nosivosti okvira s ispunskim ziđem na inercijske sile
okomite na vlastitu ravninu. Vrednovanje se provelo kroz više različitih eksperimentalnih postavki
i rezultata. Iz analize tih modela utvrđene su njihove granice i one s visokom točnošću. Nadalje,
uvidom u rezultate eksperimentalnih istraživanja sa sila katnih pomaka i dinamičkog opterećenja,
utvrđeno je kako te dvije metode imaju više sličnosti nego isti s metodama inercijskih silama. Uz
rijetko istraživano opterećenje sa silama katnih pomaka okomito na vlastitu ravninu, uočeno je
kako niti jedno nije napravljeno na uzorcima armirano-betonskih okvira kao niti s utjecajem otvora.
Sukladno navedenim, ova disertacija pokušava odgovoriti upravo na te manjkavosti, tj. utvrditi
učinak djelovanja sila katnih pomaka u i okomito na smjer ravnine AB okvira sa zidanom ispunom
i otvorima.
Istraživanja opisana u ovoj doktorskoj disertaciji su nastavak postojećih istraživanja koja su
bila u sklopu druge disertacije. Ta istraživanja odnosila su se na ponašanja AB okvira sa i bez
ispunskog zida i otvora, opterećenih u smjeru vlastite ravnine. Otvori su definirani prema tipu
(prozor, vrata) i njihovoj poziciji (u-, te izvan središta). Postojeće studije nadograđene su eksperimentalnim
ispitivanjima okomito na vlastitu ravninu istih uzoraka, kao i savijanje zida okomito
na vlastitu ravninu. Utvrđeno je kako je odgovor okomito na svoju ravninu sustava okvir–ispunsko
ziđe jednostran. To jest, ispuna ne doprinosi značajnije sveukupnom odgovoru, ali okvir prenosi
pomake, pa tako i oštećenja na ispunsko ziđe. Usporedbom s drugim istraživanjima pronađenim u
literaturi, utvrđeno je kako su dobiveni rezultati analogni ostalim dinamičkim ispitivanjima kao i
onim sa silama katnih pomaka.
Na temelju eksperimentalnih istraživanja u i okomito na vlastitu ravninu, kako okvira sa ispunskim
ziđem tako i samog zida, razvijeni su i kalibrirani proračunski mikromodeli. Analizom
variranih parametra za potrebe kalibracije mikromodela, utvrđeni su ključni parametri odziva istih.
Za simulaciju opterećenja u vlastitoj ravnini, to su bili parametri materijalnog modela kontakta i
betona. Slično, za simulaciju savijanja zida okomito na vlastitu ravninu, to su bili parametri kontakta
i opeke. Sukladno tome, utvrđeno je kako za opterećenje u vlastitoj ravnini okvira s ispunskim
ziđem sa i bez otvora materijalni model opeke nije igrao značajniju ulogu. S kalibriranim modelima,
istraživanje se proširilo na okvire sa i bez ispunskog ziđa i otvora opterećenih simultano u i okomito
na vlastitu ravninu. Takvo opterećenje definiralo se kutom α pod kojim leži njihova rezultanta.
Simuliralo se 9 kutova (od 0° do 90°), veličina i razmještaj otvora. Otvori su postavljeni u i izvan
središta, a površina im je varirana u omjeru od 0.1, 0.2, te 0.3 u odnosu na površinom ispunskog
ziđa. Sveukupno, ispitano je 180 modela iz kojih su derivirane krivulje međuovisnosti simultanog
opterećenja s obzirom na kut djelovanja i otvore. Također, iznašla se jednadžba za procjenu nosivosti
istih, a ista je imala dobru podudarnost s istovjetnim simulacijama Less Abstract (greek) Σύνοψη: Κατά τη διάρκεια ενός σεισμού τα πολυώροφα κτίρια φορτίζονται, κατά κύριο λόγο, από
ενδοοροφικές μετατοπίσεις και αδρανειακές δυνάμεις. Το σεισμικό γεγονός διεγείρει τη κατασκευή
προς αυθαίρετη κατεύθυνση. Κατά την παρατήρηση του επιπέδου της κατασκευής, το φορτίο μπορεί
να χωριστεί σε δυνάμεις εντός και εκτός-επιπέδου. Οι δυνάμεις εντός-επιπέδου είναι από τη φύση τους
ενδοοροφικής μετατόπισης, ενώ οι δυνάμεις εκτός-επιπέδου είναι ενδοοροφικών μετατοπίσεων και
... More αδρα-
νειακών δυνάμεων Εξετάζοντας τη βιβλιογραφία, διαπιστώθηκε ότι τα περισσότερα πειράματα, εντός
του ερευνητικού πεδίου, εκτός-επιπέδου διεξήχθησαν με αδρανειακές δυνάμεις, λιγότερα με δυναμικά
φορτία, και μόνο δύο με χρήση της μεθόδου μετατόπισης μεταξύ ορόφων. Τα αναλυτικά μοντέλα για
τον υπολογισμό της αδρανειακής, φέρουσας ικανότητας που βρέθηκαν στη βιβλιογραφία δοκιμάστηκαν
έναντι διαφόρων πειραμάτων. Από την ανάλυση προέκυψαν οι περιορισμοί τους και οι εξισώσεις βέλτι-
στης προσαρμογής. Επιπλέον, από τα πειραματικά δεδομένα που συγκεντρώθηκαν, παρατηρήθηκε ότι
οι μέθοδοι της στατικής και ημιαστικής ενδοοροφικής μετατόπισης έχουν περισσότερες ομοιότητες με
τις δυναμικές δοκιμές από τις αδρανειακές μεθόδους. Πέρα από τις περιορισμένες μελέτες ενδοοροφικής
μετατόπισης εκτός-επιπέδου (καμία από τις οποίες δεν έγινε με πλαίσια από οπλισμένο σκυρόδεμα) το
ερευνητικό πεδίο είχε λίγες και αντικρουόμενες μελέτες με ανοίγματα. Η έρευνα που διατίθεται σε αυτή
τη διατριβή απαντά στο αυτό το πρόβλημα· την επίδραση των τοίχων πλήρωσης με ή χωρίς ανοίγματα σε
πλαίσια οπλισμένου σκυροδέματος που υπόκεινται σε φορτία μετατόπισης εντός και εκτός επιπέδου. Η
παρούσα διατριβή βασίστηκε σε υπάρχουσα ερευνά που καλύπτει το εντός-επίπεδου κυκλικό, ημιστατικό
φορτίο. Η πειραματική συμβολή αυτής της διατριβής περιλαμβάνει κυκλικό, ημιστατικό ενδοοροφικό
φορτίο μετατόπισης σε κουφώματα με ή χωρίς τοίχους και ανοίγματα πλήρωσης, μαζί με τη δοκιμή
κάμψης εκτός-επιπέδου τοίχων τοιχοποιίας. Χρησιμοποιήθηκαν τα ίδια υλικά, τεχνικές και εξοπλισμός
και για τα τρία πειράματα. Τα ανοίγματα διέφεραν ως προς τον τύπο (παράθυρα και πόρτες) και τη
θέση τους (κεντρικά και έκκεντρα), ενώ η δοκιμή κάμψης εκτός-επιπέδου είχε παράλληλο και κάθετο
φορτίο στις στρώσεις πλίνθων. Οι δοκιμές δύναμης ενδοοροφικής μετατόπισης εκτός-επιπέδου έδειξαν
ότι το τοίχωμα πλήρωσης και το πλαίσιο κινούνταν ως ένα και ότι η πλήρωση είχε μια ασήμαντη συμβολή
στη συνολική συμπεριφορά του πλαισίου, δηλαδή η συμπεριφορά του μοντέλου γυμνού πλαισίου ήταν
παρόμοια με το μοντέλο με τοίχο πλήρωσης. Ωστόσο, ο τοίχος πλήρωσης υπέστη σημαντική ζημιά,
κυρίως με το διαχωρισμό σειρών αρμών στις στρώσεις πλίνθων. Αυτό επισημάνει ότι η αλληλεπίδραση
πλαισίου και τοιχοποιίας ήταν μονόπλευρη, δηλαδή ότι μόνο το πλαίσιο μεταφέρει μετατοπίσεις και φθε-
ίρει τον τοίχο πλήρωσης. ΄Ολα τα αποτελέσματα των δοκιμών δυνάμεων μετατόπισης εκτός-επιπέδου
συμφωνούν με τις μελέτες δυναμικών δυνάμεων και δύναμης μετατοπίσεων της βιβλιογραφίας. Μετά
τη διεξαγωγή των πειραμάτων, αναπτύχθηκαν υπολογιστικά μοντέλα και βαθμονομήθηκαν σε σχέση με
αυτά. Η βαθμονόμηση απέδωσε τους συντελεστές που διέπουν την προσομοιωμένη συμπεριφορά των
μοντέλων. Για τις μελέτες εντός-επιπέδου, ήταν η διεπιφάνεια (κενό) και το μοντέλο υλικού σκυροδέμα-
τος, ενώ για τις δοκιμές κάμψης εκτός-επιπέδου για τους τοίχους τοιχοποιίας, ήταν τόσο η διεπαφή όσο
και το μοντέλο υλικού τοιχοποιίας. ΄Ετσι, συνήχθη το συμπέρασμα ότι το μοντέλο υλικού τοιχοποιίας
είχε μικρή επίδραση στη συνολική συμπεριφορά των προσομοιώσεων εντός-επιπέδου. Στη συνέχεια, η
έρευνα επεκτάθηκε για να συνδυάσει φορτία εντός και εκτός επιπέδου σε μια ταυτόχρονη δράση. Ο
συνδυασμός περιεγράφηκε από τη γωνία της προκύπτων δύναμης α. Οι προσομοιώσεις εξέτασαν 20 δια-
μορφώσεις από γυμνό πλαίσιο, τοίχο πλήρωσης με ή χωρίς ανοίγματα με τις αναλογίες επιφανειών τους
να κυμαίνονται περίπου 0.1, 0.2 και 0.3 σε σχέση με την περιοχή πλήρωσης. Επίσης, τοποθετήθηκαν
κεντρικά ή έκκεντρα, φορτωμένα από αριστερά ή δεξιά κάτω από εννέα γωνιακές θέσεις (0 έως 90°,
δηλαδή από εντός προς εκτός-επιπέδου). Συνολικά, δοκιμάστηκαν 180 μοντέλα, με τα οποία προέκυψαν
καμπύλες αλληλεπίδρασης και εξισώσεις για την εκτίμηση της φέρουσας ικανότητας με βάση αυτή του
γυμνού πλαισίου του εντός-επιπέδου. Οι εξισώσεις που παρήχθησαν έδειξαν καλή προσαρμογή με τα
δεδομένα από τις προσομοιώσεις. Less Abstract (german) W¨ahrend eines Erdbebens werden mehrst¨ockige Geb¨aude durch die seismischen
Wellen in beliebiger Richtung angeregt und in der Regel durch Stockwerksverschiebungen und
Tr¨agheitskr¨afte belastet. Betrachtet man die Hauptachsen des Bauwerks, so l¨asst sich diese Belastung
in Kr¨afte parallel (in) und senkrecht zur Ebene aufteilen. Bei den Kr¨aften in der Ebene handelt
es sich naturgem¨aß um Geschossverschiebungen, w¨ahrend die Kr¨afte senkrecht zur Ebene sowohl
aus
... More Geschossverschiebungen als auch aus Tr¨agheitskr¨aften bestehen.
Im Ergebnis der Literaturrecherche konnte herausgearbeitet werden, dass die meisten Experimente
senkrecht zur Ebene ein ¨aquivalentes Lastbild zu den Tr¨agheitskr¨aften verwenden, nur wenige
mit dynamischen Kr¨aften und nur zwei unter Anwendung von geschoss¨ubergreifender Geschossverschiebungen
durchgef¨uhrt wurden. In der Arbeit wurden die in der Literatur zu findenden analytischen
Modelle zur Berechnung der Tragf¨ahigkeit anhand verschiedener Experimente ¨uberpr¨uft
und die Anwendungsgrenzen sowie die am geeignetsten Gleichungen bestimmt. Dar¨uber hinaus
konnte anhand der gesammelten experimentellen Daten festgestellt werden, dass die statischen und
quasi¬statischen Methoden zur Berechnung der Kr¨afte infolge Geschossverschiebungen mehr ¨Ahnlichkeiten
mit dynamischen Tests aufweisen als die Methoden unter Ber¨ucksichtigung der Tr¨agheitskr
¨afte. Abgesehen von den begrenzten Studien zu Geschossverschiebungen senkrecht zur Ebene,
von denen keine mit Stahlbetonrahmen durchgef¨uhrt wurden, gab es nur wenige und widerspr¨uchliche
Studien unter der Ber¨ucksichtigung von ¨Offnungen. Die in dieser Arbeit durchgef¨uhrten Untersuchungen
befassen sich mit dem Einfluss von Ausfachungsw¨anden mit und ohne ¨Offnungen
auf Stahlbeton¬rahmen, die Lasten aus Geschossverschiebungen in der und senkrecht zur Ebene
ausgesetzt sind.
Die Arbeit baut auf den Ergebnissen bzw. Untersuchungen zur zyklischen, quasi-statischen Belastung
von Ausfachungsw¨anden in der Ebene auf. Der experimentelle Beitrag umfasst die zyklische,
quasi-statische, geschoss¨ubergreifende Driftbelastung senkrecht zur Ebene an Rahmen mit und ohne
Ausfachungen und ¨Offnungen sowie Biegeversuchen senkrecht zur Ebene an Mauerwerksversuchs–
k¨orpern. F¨ur alle drei Versuche wurden die gleichen Materialien, Techniken und Ger¨ate verwendet.
Die Art der ¨Offnungen (Fenster und T¨uren) und ihre Position (zentrisch und exzentrisch)
wurden variiert. Die Belastung beim Biegeversuch erfolgte senkrecht zur Ebene parallel und senkrecht
zu den Lagerfugen. Die Geschossverschiebungstests senkrecht zur Ebene zeigen, dass sich
die Ausfachungs¬wand und der Rahmen gemeinsam bewegen und dass die Ausfachung einen unbedeutenden
Beitrag zum Gesamtverhalten des Rahmens leistet, d. h. das Verhalten des nackten
Rahmenmodells ist ¨ahnlich wie das ausgef¨ullter Rahmen. Dennoch erlitt die Ausfachungswand erhebliche
Sch¨aden, vor allem durch die Trennung von Blockreihen in den Lagerfugen. Dies deutet
darauf hin, dass die Interaktion zwischen Rahmen und Mauerwerk einseitig ist, d. h. nur der Rahmen
¨ubertr¨agt Verschiebungen und sch¨adigt die Ausfachungswand. Alle Ergebnisse der Geschossverschiebungstests
senkrecht zur Ebene stimmen mit den in der Literatur ver¨offentlichten Studien
¨uberein.
Aufbauend auf den Ergebnissen der Experimente werden Berechnungsmodelle entwickelt, anhand
dieser kalibriert und die Faktoren ermittelt, die das simulierte Verhalten der Modelle bestimmen.
Bei den Untersuchungen in der Ebene sind dies das Modell f¨ur die Fuge zwischen Ausfachung
und Rahmen sowie das Materialmodell f¨ur Beton und bei den Biegeversuchen f¨ur die Mauerwerksw
¨ande senkrecht zur Ebene auch das Modell f¨ur die Fugen / M¨ortel und das f¨ur Mauerwerk.
Daraus wird gefolgert, dass das Materialmodell f¨ur Mauerwerk nur einen geringen Einfluss auf das
Gesamtverhalten der Simulationen in der Ebene hat. Abschließend werden die Forschungsergebnisse
extrapoliert, um Belastungen innerhalb und senkrecht zur Ebene zu einer gleichzeitigen Einwirkung
in Form einer resultierenden Kraft zu kombinieren. Die Kombination wird durch den Winkel der
resultierenden Kraft α beschrieben. Hierf¨ur wurden 20 Konfigurationen aus einem Rahmen ohne
Ausfachung und mit Ausfachungsw¨anden mit oder ohne ¨Offnungen mit einem Fl¨achenverh¨altnis
von etwa 0.1, 0.2 und 0.3 im Verh¨altnis zur Fl¨ache der Ausfachung. Zus¨atzlich wurden die ¨Offnungen
zentrisch oder exzentrisch positioniert. Alle Modelle wurden von links oder rechts in neun
Winkelstellungen (0 bis 90°, d. h. von in- bis senkrecht zur Ebene) belastet. Insgesamt wurden
somit 180 Modelle analysiert und daraus Interaktionskurven sowie Gleichungen zur Absch¨atzung
der Tragf¨ahigkeit auf der Grundlage des einfachen Rahmens belastet in der Ebene abgeleitet. Die
Absch¨atzungsgleichungen zeigen eine gute ¨Ubereinstimmung mit den Daten aus den Simulationen. Less Keywords
RC frames
masonry infill walls
influence of openings
experimental and computational approach
out-of-plane drift force load
simultaneous in- and out-of-plane action
simultaneous in- and out-of-plane interaction curves
simultaneous in- and out-of-plane load-bearing equation.
Keywords (english)
armirano-betonski okviri
ispunsko ziđe
utjecaj otvora
eksperimentalni i proračunski pristup
opterećenje okomito na vlasititu ravninu
simultano opterećenje u i okomito na vlastitu ravninu
interakcijske krivulje simultanog opterećenja
jednadžbe za procjenu nosivosti uslijed simultanog opterećenja.
Keywords (greek)
πλαίσια οπλισμένου σκυροδέματος
τοίχοι πλήρωσης τοιχοποιίας
επιρροή ανοιγμάτων
πειραματική και υπολογιστική προσέγγιση
φορτίο δύναμης μετατόπισης εκτός-επιπέδου
ταυτόχρονη δράση εντός και εκτός-επιπέδου
ταυτόχρονες καμπύλες αλληλεπίδρασης εντός και εκτός-επιπέδου
ταυτόχρονη φέρουσα εξίσωση εντός και εκτός-επιπέδου.
Keywords (german)
Stahlbetonrahmen
Mauerwerksausfachungen
Einfluss von ¨Offnungen
experimenteller und rechnerischer Ansatz
Belastung durch Driftkr¨afte senkrecht zur Ebene
gleichzeitige Einwirkung in und senkrecht zur Ebene
Interaktionskurven.
Language english URN:NBN urn:nbn:hr:133:129275 Promotion 2022 Study programme Title: Postgraduate university study program in civil engineering Catalog URL http://161.53.208.100/cgi-bin/lb04/unilib.cgi?form=D1580364001 Type of resource Text File origin Born digital Access conditions Open access Terms of use Created on 2022-10-11 09:19:52
