New findings on shear behaviour in reinforced concrete members without shear reinforcement

Schmidt, Maximilian; Fischer, Oliver; Claßen, Martin; Hegger, Josef

doi:HT031417984

New findings on shear behaviour in reinforced concrete members without shear reinforcement

Schmidt, Maximilian^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Maximilian Schmidt

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Hegger, Josef (Thesis advisor)^RWTH* ; Claßen, Martin (Thesis advisor)^RWTH* ; Fischer, Oliver (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-01-20

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-02391
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1029553/files/1029553.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Massivbau (311610)

Projekte

DFG project G:(GEPRIS)420545423 - Querkrafttragverhalten von Stahlbetonbauteilen ohne Querkraftbewehrung – Entwicklung einer konsistenten experimentellen, analytischen und numerischen Charakterisierungsmethodik (420545423) (420545423)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bauteile ohne Querkraftbewehrung (frei) ; Querkraft (frei) ; SCPT (frei) ; Schub (frei) ; Stahlbeton (frei) ; members without shear reinforcement (frei) ; reinforced concrete (frei) ; shear (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Für eine klimafreundliche Massivbauweise sind Bemessungsansätze erforderlich, die gleichzeitig ausreichend sicher, materialoptimiert und ressourcenschonend sind. Die Grundlage hierfür bilden realitätsnahe Beschreibungen der Tragfähigkeit mittels zuverlässiger Modelle mit geringer statistischer Streuung. Ein tiefergehendes Verständnis des Tragverhaltens ermöglicht es auch Tragfähigkeitsreserven zu identifizieren, die insbesondere bei der Bewertung und Weiternutzung bestehender Bauwerke von Bedeutung sind. Vor diesem Hintergrund ist die Forschung zu Stahl- und Spannbetonbauteilen unter Querkraftbeanspruchung immer noch aktuell. Kern dieser Arbeit ist das Biegeschubverhalten von Stahlbetonbauteilen ohne Querkraftbewehrung. Trotz umfangreicher Forschung in den letzten 100 Jahren sind grundlegende Fragen zu den lokalen Mechanismen der Lastabtragung und deren Interaktion nach wie vor Thema der aktuellen Forschung. Die Grundlage der vorliegenden Untersuchungen bildet eine Versuchsreihe bestehend aus 22 Einzelversuchen an Stahlbeton-Einfeldträgern mit Einzellast, in der ein ausgewähltes Spektrum der wichtigsten Parameter variiert wurde. Der Einsatz moderner Messtechniken, Digitale Bildkorrelation im gesamten Schubfeld und Faseroptische Dehnungsmessung entlang der Längsbewehrung, erlaubt eine detailliertere Analyse der Schubrisskinematik. Darauf aufbauend werden die maßgebenden Tragmechanismen und deren Zusammenwirken, insbesondere Dübelwirkung der Längsbewehrung, Rissreibung sowie die Spannungsübertragung in der Bruchprozesszone und der ungerissenen Betonzone oberhalb der Rissspitze charakterisiert und quantifiziert. Die experimentellen und theoretischen Untersuchungen wurden im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projektes mit der Nummer 420545423 unter der Leitung von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Claßen durchgeführt. Zur Auswertung der Traganteile werden im ersten Schritt konstitutive Modelle aus der Literatur herangezogen. Zur genaueren Erfassung der wesentlichen Tragmechanismen werden auf der Grundlage verfeinerter Messungen konstitutive Modelle erweitert und weiterentwickelt. Insbesondere werden neuartige experimentelle Untersuchungen zur Rissreibung sowie zur Dübelwirkung durchgeführt. Zur vollständigen Beschreibung der Dübelwirkung wird ein neues Modell hergeleitet, das sowohl den Einfluss von Zugnormalkräften in der Längsbewehrung als auch die fortschreitende Dübelrissbildung berücksichtigt. Ausgehend von großmaßstäblichen experimentellen Untersuchungen zur Rissreibung mit einer neuartigen Versuchseinrichtung werden die Kalibrierungsfaktoren des Rough Crack Models neu abgeleitet. Beide Modelle werden in dieser Arbeit zur Quantifizierung der Querkrafttraganteile herangezogen. Abschließend wird das Modell der Shear Crack Propagation Theory (SCPT) validiert, das alle maßgebenden Querkrafttragmechanismen in einem physikalisch basierten Ansatz in Abhängigkeit des Rissfortschrittes unter Einhaltung der Kompatibilitätsbedingungen zusammenfasst. Die gute Übereinstimmung der Modellberechnungen für Querkrafttragfähigkeit, Schubrisskinematik und Dehnungszustand mit den experimentellen Werten bestätigen die Leistungsfähigkeit des Modellansatzes.

To enable climate-friendly concrete constructions, design methods are required that are not only sufficiently reliable but also optimised in terms of material use and resource efficiency. The basis for such methods lies in realistic descriptions of load-bearing capacity through models with low statistical variability. A deeper understanding of structural behaviour also enables the identification of capacity reserves, which is particularly relevant for the assessment and continued use of existing structures. Against this background, research into reinforced and pre-stressed concrete structures under shear loading remains highly relevant. The core of this thesis is the flexural-shear behaviour of reinforced concrete structures without shear reinforcement. Despite extensive research over the past 100 years, fundamental questions concerning the shear transfer mechanisms and their interaction remain the focus of current investigations. The basis of the present study is a test series comprising 22 simply supported beams subjected to a point load, in which a selected spectrum of the most influential parameters was varied. The use of modern measurement techniques, digital image correlation across the entire shear span and fibre-optic strain measurement along the longitudinal reinforcement, enables a more detailed analysis of shear crack kinematics. Building on these measurements, the dominant load-bearing mechanisms and their interaction, particularly dowel action of the longitudinal reinforcement, aggregate interlock, stress transfer in the fracture process zone and in the uncracked concrete zone above the crack tip, are characterised and quantified. The experimental and theoretical investigations were carried out within a project founded by the German Research Foundation (DFG), project number 420545423, under the direction of Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Claßen. For the evaluation of the individual shear transfer mechanisms, constitutive models from the literature are initially employed. Based on refined measurements, these models are extended and further developed to allow a more accurate representation of the key shear transfer mechanisms. In particular, novel experimental investigations into aggregate interlock and dowel action are carried out. For a comprehensive description of dowel action, a new model is derived that accounts for both the influence of axial tensile forces in the longitudinal reinforcement and the propagation of dowel cracks. Based on large-scale experimental studies on aggregate interlock using an innovative test setup, the calibration factors of the Rough Crack Model are redefined. Both models are used in this thesis to quantify the contributions to shear resistance. Finally, the Shear Crack Propagation Theory (SCPT) is validated. This physically based model combines all relevant shear transfer mechanisms into a unified framework as a function of crack propagation, while satisfying compatibility conditions. The good agreement between the model predictions and the experimental results regarding shear capacity, shear crack kinematics and strain distribution, confirms the validity and effectiveness of the modelling approach.

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