Experimentelle Untersuchungen zur Schubtragfähigkeit von Stahlbeton- und Spannbetonträgern

Abstract

Im österreichischen Verkehrswegenetz gibt es eine Vielzahl von Stahl- bzw. Spannbetonbrücken, welche etwa bei einer Ertüchtigung aufgrund des gestiegenen Verkehrsaufkommens mit den derzeitig gültigen Normen nachgewiesen werden müssen. Hier ergeben sich oftmals auch bei Tragwerken, welche sich über lange Zeit bewährt haben, wegen der geänderten Normensituation Probleme bei der Nachweisführung der Querkrafttragfähigkeit. Am Institut für Tragkonstruktionen - Betonbau an der Technischen Universität Wien wird deshalb an einem neuen Berechnungsmodell gearbeitet, welches eine realitätsnahe Beurteilung solcher Tragwerke ermöglichen soll. Die vorliegende Diplomarbeit ist ein Teil dieser Forschung und beschäftigt sich mit der Auswertung dreier Versuchsserien, welche durchgeführt wurden, um die Ansätze und Annahmen des neuen Berechnungsmodells zu überprüfen. Nach einer Zusammenfassung theoretischer Grundlagen und einer ausführlichen Darstellung der Normmodelle, werden die Versuchsserien hinsichtlich Geometrie, Herstellung, Versuchs- und Messdurchführung detailliert beschrieben. Die Versuchsserien können grundsätzlich in Versuchsträger ohne Querkraftbewehrung, Versuchsträger mit Querkraftbewehrung und vorgespannte Versuchskörper mit Querkraftbewehrung unterteilt werden. Den Kern der Arbeit bildet die Auswertung und Analyse der Versuchsergebnisse. Diese werden dabei stets im Vergleich mit den für Österreich relevanten Normen, dem Eurocode~2 und dem Model~Code~2010, betrachtet. Anhand der Versuche wird bestätigt, dass bereits ein Querkraftbewehrungsgrad im Bereich der Mindestquerkraftbewehrung eine große Erhöhung der Querkrafttragfähigkeit bewirkt, und kein Maßstabseffekt mehr auftritt. Die Ergebnisse aus den Berechnungsmodellen nach Eurocode~2 und Model~Code~2010 ergeben für die Versuchsträger ohne Querkraftbewehrung stark streuende und teilweise auf der unsicheren Seite liegende Querkraftwiderstände. Für die Serien mit Querkraftbewehrung und Vorspannung ergeben sich hingegen meist sehr konservative Berechnungsergebnisse. Die im Berechnungsmodell des Eurocode~2 angewandte Fachwerkanalogie mit variabler Druckstrebenneigung bildet in diesen Fällen das reale Tragverhalten nur sehr ungenau ab. Eine explizite Berücksichtigung eines Betontraganteils wie im Model~Code~2010 liefert hingegen bessere Ergebnisse. Die Analyse der Risskinematik zeigt, dass bei hohen Laststufen die Übertragung von Schubspannungen in Rissen ein wichtiger Traganteil bei Trägern ohne Querkraftbewehrung ist. Anhand der Analyse der Rissuferverschiebung wird vermutet, dass im Gegensatz dazu bei der vorgespannten Versuchsserie ein erheblicher Betontraganteil an der Querkraftabtragung mitwirkt.

The austrian transport infrastructure contains a great number of reinforced and prestressed concrete bridges. Because of an increasing traffic load in combination with several modifications in shear design, some of this bridges need to be assessed. Therefore, safety requirements must conform to the actual standard. A common problem is, that existing bridge structures, that have proven itself for many years, cannot fulfill the standard requirements regarding shear failure. To enable a more accurate estimation of shear strength a new calculation model is being developed at the Institute of Structural Engineering, Vienna University of Technology. The purpose of this thesis is to analyse experiments, which were carried out to verify approaches and assumptions of the new calculation model. At the beginning of this thesis, a summary of theoretical principles and a detailed explanation of models of current codes is given. Following, a description is given of the specimens geometry and production as well as the test setup and measuring systems. The specimens can be principally divided in specimens without shear reinforcement, specimens with shear reinforcement and prestressed beams with shear reinforcement. The essence of this thesis is the analysis of the test results and test evaluations which are compared to the results of Eurocode~2 and Model~Code~2010. The results of the experiments confirm that just a minimum amount of shear reinforcement leads to a significantly higher shear carrying capacity and a suppression of size effect. Concerning specimens without shear reinforcement, calculations due to Eurocode~2 and Model~Code~2010 provide results with a pronounced scatter which are often on the unsafe side. For prestressed, as well as shear reinforced specimens, calculations due to Eurocode~2 and Model~Code~2010 provide very conservative results. A truss analogy with variable compression strut inclination is used as calculation model in Eurocode~2 which leads to such conservative results. Calculations with Model~Code~2010 consider a shear resistance attributed to the concrete which leads to better results. The kinematic analysis of cracks shows that transmitted shear stresses across a crack is important for concrete beams without shear reinforcement. The measured opening and sliding of the crack of prestressed specimens indicates, that a significant contribution attributed to concrete could be a important part of shear strength. Especially, the results of prestressed specimens show that there is still a need to rework the standard calculation models. To get a good calculation model, it will be important to implement and lay weight on all shear-carrying mechanisms.