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Shear in reinforced concrete structures without shear reinforcement : analysis and design

Adam, Viviane Felizitas^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Viviane Felizitas Adam

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Hegger, Josef (Thesis advisor)^RWTH* ; Taerwe, Luc R. (Thesis advisor) ; Fischer, Oliver (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-07-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-08006
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/825058/files/825058.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl und Institut für Massivbau (311610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bemessungsvorschlag (frei) ; Querkraft (frei) ; Stahlbeton (frei) ; design proposal (frei) ; digital image correlation (frei) ; digitale Bildkorrelation (frei) ; experimental investigations (frei) ; experimentelle Untersuchungen (frei) ; reinforced concrete (frei) ; shear (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Eine Herausforderung der heutigen Zeit besteht darin, den steigenden Bedarf an Gebäuden und Infrastrukbauwerken zu decken. Einerseits können konservative Bemessungsregeln aufgrund unzureichender Kenntnisse über günstige Einflüsse möglicherweise zu überdimensionierten Bauteilen führen. Andererseits bleiben bei der Bestandsbewertung durch eine vereinfachte Bemessung mögliche Kapazitätsreserven rechnerisch ungenutzt. Bei Stahlbetontragwerken stellt der Querkraftnachweis einen wesentlichen Bemessungfall dar. Ein umfassendes Verständnis über das Tragverhalten von Stahlbetonbauteilen unter Querkraftbeanspruchung stellt daher einen Beitrag zu einem verantwortungsvollen und zuverlässigen Materialeinsatz dar. Diese Arbeit behandelt das einaxiale Biegeschubverhalten von Stahlbetonbauteilen, das bereits seit mehr als einem Jahrhundert untersucht wird und eine der ältesten Forschungsfragen im konstruktiven Betonbau ist. Mitte des 20. Jahrhunderts lag der Schwerpunkt hierbei auf der Ermittlung einer unteren Tragfähigkeitsgrenze zur sicheren und benutzerfreundlichen Bemessung. Später trugen Entwicklungen in der Prüftechnik sowie neue Möglichkeiten zur Auswertung und Modellierung mit mechanischen und stochastischen Methoden dazu bei, verfeinerte Ansätze zur Beschreibung des Querkrafttragverhaltens abzuleiten. Die Lastabtragungsmechanismen in Stahlbetonbauteilen sind jedoch bis heute nicht vollständig geklärt. Daher sind experimentelle Untersuchungungen weiterhin entscheidend für ein verbessertes Verständnis der beteiligten Effekte und mechanischen Hintergründe. Für die i.d.R. zur Anwendung kommenden konservativen Bemessungsansätze wurden über 90~\% aller Biegeschubversuche an gelenkig gelagerten Einfeldträgern mit konzentrierter Belastung durchgeführt. Zwei wesentliche Randbedingungen realer Bauteile unterscheiden sich jedoch: Es sind üblicherweise Mehrfeldsysteme mit vorwiegend verteilten Lasten. Beides wirkt sich günstig auf das Tragverhalten aus. In Hinblick auf Stahlbetonplatten ist eine verfeinerte Biegeschubbemessung von hoher Relevanz, da sie einen Großteil des Betons bei Stahlbetonhochbauten ausmachen, woraus sich ein hohes Einsparpotential ergibt. In dieser Arbeit wird das Querkrafttragverhalten von Stahlbetonbauteilen ohne Querkraftbewehrung untersucht. Neben den Auflagerbedingungen und der Belastungsart wird der Einfluss der Bauteilbreite betrachtet. Kern der Untersuchungen ist ein umfangreiches Versuchsprogramm zur genaueren Analyse der wesentlichen Tragmechanismen und deren Interaktion. Durch Anwendung verfeinerter Messmethoden (\textit{Digitale Bildkorrelation}) erfolgt die detaillierte Betrachtung der Rissentwicklung und des Zusammenspiels der maßgebenden Tragmechanismen, wie z. B. Dübelwirkung der Längsbewehrung, Rissreibung, Zugspannungsübertragung in der Bruchprozesszone und übertragbare Schubspannungen in der ungerissenen Biegedruckzone. Basierend auf den Versuchsergebnissen und einer umfangreichen Literaturrecherche wird ein modifiziertes semi-empirisches Modell vorgeschlagen. Mittels einer Zuverlässigkeitsanalyse wird der Vorschlag in einen Bemessungsansatz überführt. Der Vergleich der Berechnungsergebnisse mit Versuchsdaten aus der Literatur an Stahlbetonplatten und -trägern ohne Querkraftbewehrung zeigt eine gute Übereinstimmung.

One of the current challenges is to handle the increasing need for buildings and infrastructures. On the one hand, for new structures, potentially conservative design rules due to insufficient knowledge of favourable effects results in unnecessarily massive structures. On the other hand, for existing structures, a simplified assessment disregards potential reserves in capacity. For reinforced concrete (RC) structures, shear design is essential. Therefore, a comprehensive understanding of the structural performance of RC members under shear loading represents one contribution to a responsible and reliable use of building materials. One-way flexural shear response of RC structures, which is the core topic of this thesis, has been investigated for more than a century and represents one of the oldest research questions related to structural concrete. In mid-20th century, the focus was to find a lower bound criterion for a reliable and user-friendly shear design. Later, developments in testing methods and methodology as well as improved analysing and modelling techniques using mechanical and stochastic methods contributed to more refined approaches for describing shear behaviour. However, the interaction of mechanisms contributing to shear transfer in RC members has not been entirely unravelled until today. Nowadays, experimental studies are still crucial to enhance understanding of involved effects and mechanical explanations. For conservative design approaches, more than 90~\% of all flexural shear tests have been conducted using simply supported beams with concentrated loading. Boundary conditions in real structures differ in two key aspects: They usually are multi-span systems with continuous supports and loading is predominantly distributed. Both are known to have favourable effects. With regard to RC slabs, a refined flexural shear design is of high relevance as they represent a large proportion of the concrete structures which results in a high potential for saving resources. In this thesis, shear response of RC members without shear reinforcement is investigated thoroughly. Besides support conditions and the type of loading, the influence of the width is emphasised. Core of the investigations is a comprehensive experimental campaign to work out the relevant load bearing mechanisms and their interaction. The application of advanced measuring techniques (\textit{Digital Image Correlation}) allows to take a closer look on crack development and the interaction of all determining bearing mechanisms, such as dowel action of the longitudinal bars, aggregate interlock along crack faces, residual tensile stresses in the fracture process zone of propagating cracks and transferred shear stresses in the uncracked flexural compression zone. Based on own test results and an extensive literature review, a modified semi-empirical model is derived to describe one-way shear capacity of RC members without shear reinforcement. By means of reliability analysis, the proposal is transformed into a design approach. The comparison of the model with shear tests from literature on reinforced concrete slabs and beams without shear reinforcement shows a good agreement.

OpenAccess:
PDF
(additional files)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT021052868

Interne Identnummern
RWTH-2021-08006
Datensatz-ID: 825058

Beteiligte Länder
Germany