Zum Einfluss der Rissreibung auf die Querkrafttragfähigkeit von Stahlbetonbauteilen

Abstract

Das Querkrafttragverhalten ist insbesondere bei Stahlbetonbauteilen ohne Schubbewehrung unter den Forschenden nach wie vor umstritten. Es liegt zwar ein allgemeiner Konsens bezüglich der Existenz der einzelnen Tragmechanismen, welche an der Abtragung von Querkräften beteiligt sind, vor. Diese werden jedoch in den zahlreichen vorhandenen Modellvorstellungen unterschiedlich stark gewichtet. Am Institut für Tragkonstruktionen (Forschungsbereich für Stahlbeton- und Massivbau) der Technischen UniversitätWien wird momentan die These verfolgt, dass die Rissreibung einen maßgeblichen Einfluss auf die Schubtragfähigkeit von Stahlbetonbauteilen ohne Bügelbewehrung hat. Die vorliegende Diplomarbeit dient dazu, den derzeitigen Wissensstand zu diesem Thema zusammenzutragen sowie diesen auf Basis der Ergebnisse aus Laborversuchen zu erweitern. Zu Beginn dieser Arbeit sind die Erkenntnisse aus einer Literaturrecherche dargestellt: Es werden Gründe für die Bestrebungen, ein allgemein anerkanntes möglichst realitätsnahes Querkraftmodell zu finden, angeführt. Zudem werden alle bekannten Querkrafttragmechanismen im Zustand II bei Stahlbetonbalken ohne Schubbewehrung überblicksartig beschrieben. Der Fokus wird dann auf das Rissreibungsverhalten von Beton - insbesondere auf die bekanntesten diesbezüglichen Modellvorstellungen sowie auf darauf aufbauende konstitutive Beziehungen - gelegt. Zur experimentellen Untersuchung dieses Traganteils wurden im Herbst 2015 insgesamt 15 'Push-o'-Versuche im institutseigenen Labor durchgeführt. Die Versuchskörper, welche allesamt eine externe Zwangsvorrichtung aufwiesen, wurden aus vier unterschiedlichen Betonen gegossen. Dabei wurde die Betondruckfestigkeit variiert (40N=mm2 bzw. 60N=mm2). Zudem kamen zwei in Österreich übliche Gesteinskörnungen - rundkörnige, quarzitische Flusssedimente und kantkörniger Zuschlag aus gebrochenem Dolomit - zum Einsatz. Der Einfluss der Quersteifigkeit der 'Push-o'-Körper auf die Versuchsergebnisse konnte durch die Verwendung dreier solcher Konfigurationen untersucht werden. Außerdem wurden sieben nur halbseitig schubbewehrte Stahlbetonbalken, welche ebenso aus den erwähnten vier Betonen hergestellt wurden, bis zum vollständigen Biegeschubversagen im bügelfreien Schubfeld belastet (3-Punkt-Biegeversuche). Ein Hauptaugenmerk wurde dabei auf die kontinuierliche Aufnahme der Kinematik des jeweiligen kritischen Biegeschubrisses gelegt. Dies geschah über ein photogrammetrisches Messsystem, das zum selben Zweck auch bei den 'Push-o'-Versuchen verwendet wurde. Die Versuche (z. B. Aufbau, Durchführung und Messkonzept), die aufbereiteten Messdaten sowie darauf aufbauende weiterführende Analysen sind im Hauptteil dieser Arbeit eingehend erläutert: Die Beziehungen zwischen den charakteristischen Größen Rissgleitung, Rissönung, Normalspannung und Schubspannung, welche bei den ¿Push-o¿- Versuchen erfasst wurden, werden beschrieben und hinsichtlich etwaiger Einflüsse der variierten Parameter untersucht. Dabei kommt auch ein Analysekonzept, bei welchem die durch Rissreibung absorbierte Energie begutachtet wird, zur Anwendung. Des Weiteren werden ausgewählte Rissreibungsmodelle anhand des Vergleichs damit modellierter und experimenteller Kontaktspannungsverläufe studiert. Die Querkraftversuche werden in puncto Last-Durchbiegungs-Beziehung, Versagensmechanismus und Verlauf bzw. Kinematik des kritischen Biegeschubrisses analysiert und miteinander verglichen. Auf Basis der beiden letztgenannten Punkte und mittels der begutachteten Rissreibungsmodelle wird dann der Querkrafttraganteil zufolge Rissreibung abgeschätzt. Die experimentellen Querkraftwiderstände werden zudem jenen gemäß Eurocode 2 und fib Model Code 2010 gegenübergestellt. Es stellte sich letztlich heraus, dass weitere derartige Versuche und darauf aufbauende Analysen von Nöten sein werden. Dadurch könnten beobachtete Tendenzen bestätigt und folglich allgemein gültige Aussagen über Einflüsse auf das Rissreibungsverhalten von Beton sowie über den prozentualen Anteil der Rissreibung an der Schubtragfähigkeit gemacht werden.

The shear behaviour of reinforced concrete (RC) beams without stirrups is still disputed amongst scientists. There is a general consensus on the existence of the individual mechanisms transferring shear forces. However, their importance is weighted dierently in the numerous shear models published in the last few decades. Currently aggregate interlock and its influence on the shear strength of RC elements without transversal reinforcement is investigated at the Institute of Structural Engineering (Department for Structural Concrete, Vienna University of Technology). This Master's thesis aims at summarizing research already done on this subject and expanding the level of education based on results of laboratory experiments. In the first two chapters of this publication literature is reviewed: A motivation for finding a generally acknowledged realistic shear model and all the well-known shear transfer mechanisms considering RC beams without shear reinforcement are presented. After that particular attention is paid to crack friction and to various widely known aggregate interlock models. 15 push-o-tests on specimens with external restraint were carried out to investigate aggregate interlock experimentally. Both concrete strength (40N=mm2, 60N=mm2) and aggregate type (rounded gravel, crushed dolomite) were varied by using four dierent concrete mixtures. Three configurations considering the transverse stiness of the samples were applied to examine this impact on the test results. Besides that, shear tests (three point flexural tests) on seven RC beams were performed. Those were also made of the four mentioned concretes and only had stirrups on one half. Loading was increased as far as complete shear failure occurred in the area without shear reinforcement. While all the experiments were carried out, three-dimensional digital image correlation was used to record crack kinematics continuously - completing conventional measurement technology. The experimental investigations (e.g. test configurations/procedures and instrumentation), the processed measuring data and their analysis are presented and described in detail in the main part of this thesis: The results of the push-o-tests (i.e. relationships between crack opening, crack sliding, normal stress and shear stress in the crack area) are examined - especially with regard to the influences of the varied parameters. For this purpose, a concept from the literature, in which values representing the absorbed energy due to aggregate interlock are calculated and compared with each other, was used, as well. Furthermore, selected aggregate interlock models - or rather their constitutive laws - are studied by contrasting experimental with predicted contact stresses in the crack area of the push-o-specimens. The performed shear tests are analysed with regard to load-deflection-curve, failure mechanism and kinematics of the critical shear crack. The shear strength of each beam is calculated by using the relevant equations from Eurocode 2 and fib Model Code 2010. Then the predicted values are compared with the experimental ones. At last, the contribution of crack friction to the shear resistance is assessed by linking the kinematics and the shape of a critical shear crack with aggregate interlock models. It became apparent that additional tests of the same kind and analysis based on their results will be necessary. This could possibly confirm observed tendencies with regard to influences on aggregate interlock and its contribution to the shear strength of RC beams without stirrups.