Shear Strength of Beams with Minimal Web Reinforcement Ratio

• Unité de recherche: OFROU RPT
• Numéro de projet: AGB1999/163
• Titre du projet anglais: Shear Strength of Beams with Minimal Web Reinforcement Ratio

Mots-clé (Allemand)

Schubwiderstand, Spannbetonträger, Strassenbrücke

Mots-clé (Anglais)

Shear resistance
Prestressed girder
Road bridge

Autre Numéro de projet (Allemand)

93/99

Description succincte (Allemand)

Der Überbau einer Strassenbrücke, bestehend aus im Spannbett vorfabrizierten Betonträgern wird ersetzt. Deshalb stehen 21 m lange und ca. 35 t schwere Träger zur Verfügung, die in einem Freiluft-Belastungsstand mit Drei- und Vierpunkt-Biegeversuchen bis zum Bruch belastet werden können.
Die Träger zeichnen sich aus durch einen hohen Vorspanngrad und einen niedrigen Gehalt an Bügelbewehrung. Sie weisen einen Schubwiderstand auf der durch die üblichen schnittweise Bemessungsverfahren nicht erklärt werden kann. Durch Variation der Belastungs- und Auflagergeometrie wird versucht, eine möglichst hohe Schubbeanspruchung zu erzeugen, bevor die Träger in der Regel auf Biegung versagen.
Die Erfassung der Rissebildung und des Verformungsverhaltens erlaubt eine Rekonstruktion des Kraftflusses und die Bestimmung von Grenzwerten der Traglast nach der Plastizitätstheorie. Ein unterer Grenzwert entsteht durch die Anwendung von diskontinuierlichen Spannungsfeldern, ein oberer durch Vergleich der äusseren mit der dissipierten Energie bei einem virtuellen Bewegungszustand (Mechanismus).
Das Projekt soll im Rahmen der Erhaltung von Tragwerken erlauben
- die Tragreserven von solchen Trägern besser auszunützen und unnötige Verstärkungen zu vermeiden,
- bei Verstärkungen des Biegebereichs das Tragverhaltens im Schubbereich besser zu beurteilen,
- die Konsequenzen von Mängeln und Schäden dank vertieftem Verständnis des Kraftflusses besser abschätzen zu können.

Description succincte (Anglais)

In the 1960's and 1970's prefabricated concrete beams were often used for road bridges with spans up to approx. 30 m in Switzerland. The road deck was extended with cast-in-situ concrete. The girders were frequently prestressed with wires and post-tensioned with tendons.
At that time, the beams were designed for shear according to the concept of inclined principal stresses. In addition, high prestressing ratios were applied in order to reduce tensile stresses. Therefore, the shear reinforcement consisted of secondary reinforcement only. Applying existing models, e.g. general truss models with restricted inclination of the compression diagonals, this kind of girder exhibits an insufficient shear strength.
Due to the replacement of a bridge, several prefabricated prestressed beams of approx. 21 m length and weighing approx. 35 tons are available for load tests up to failure. For this purpose an outdoor testing facility was built. With the help of ground anchors, beams with spans of 15-25 m can be loaded.
The research project originally aimed at providing a method of strengthening girder bridges consisting of prefabricated beams under traffic for shear forces. Applying several different test set-ups, shear failure could not be reached before the reliably predictable bending failure.
The shear strength of prestressed beams is obviously higher than the value calculated with existing standards. The research project aims at predicting the effective shear strength of this kind of concrete girder.
Higher shear strength in beams can be calculated by accepting flatter inclinations of the compression diagonals than allowed by standards. Also, it is worth considering the shear resistance of the flexural compression zone in beams with wide flanges. This resistance depends on the tensile strength of the concrete, similar to the punching shear strength of concrete slabs.

Objectifs du projet (Allemand)

Nachweis der Schubtragfähigkeit von Spannbetonträgern mit gemäss Norm ungenügendem Schubwiderstand

Réalisation des objectifs (Allemand)

Das Ziel, wie es im Forschungsgesuch vom 15.7.1999 in Punkt 3.2.2 der Beilage 3 formuliert wurde, ist erreicht.

Résumé des résultats (Abstract) (Allemand)

Aus dem Ersatz einer Brücke im Kanton Uri standen mehrere vorfabrizierte Spannbetonträger von ca. 21 m Länge und 35 t Gewicht für Belastungsversuche zur Verfügung. Auf dieser Grundlage wurde an der ETH Hönggerberg ein Freiluft-Belastungsstand errichtet, auf dem Träger mit Spannweiten von 15-25 m mittels Bodenankern belastet werden können.
Trotz verschiedenen Belastungsanordnungen gelang es nicht, vor dem zuverlässig prognostizierbaren Biegebruch einen Schubbruch herbeizuführen. Diese Tatsache fliesst nun auch in die rechnerische Überprüfung bestehender Brücken ein.

Description des résultats (Allemand)

Mit der Mechanismusmethode der klassischen Plastizitätstheorie lässt sich die massgebende Laststellung und meist auch die massgebende Versagensart bestimmen. Da Träger mit mehreren Bewehrungs- bzw. Vorspannlagen innerlich statisch unbestimmt sind, auch wenn sie als einfache Balken gelagert werden, ist die Plastizitätskontrolle nicht trivial. Mit Spannungsfeldern lässt sich jedoch ein statisch zulässiger Spannungszustand finden, der auch die Verankerungs- und Verbundwiderstände der verschiedenen Zugglieder berücksichtigt. Die ganze Berechnung ist parametrisiert, so dass eine Tabellenkalkulation, die dem Schlussbericht beiliegt, die Anwendung auf vergleichbare Fälle erlaubt.

Mise en oeuvre et application (Allemand)

Der Schlussbericht enthält eine CD-ROM mit Excell-Tabellen, die sowohl für obere als auch für untere Grenzwerte der Traglast die Eingabe der erforderlichen Parameter eines konkreten Projekts erlaubt (Mechanismen und Spannungsfelder). Damit kann ein erfahrener Ingenieur im konkreten Fall leicht nachweisen, dass der Nachweis der Tragsicherheit nicht zu erbringen ist (Mechanismen) oder aber mit etwas mehr Aufwand, dass es einen statisch zulässigen Spannungszustand gibt (Spannungsfelder).

Expertise/évaluation (Allemand)

Die Begleitkommission C (BK C) der AGB hat den Schlussbericht genehmigt und zur Publikation freigegeben. Die im Forschungsgesuch vom 15.07.1999 formulierten Projektziele sind erreicht worden.

Rapport d'évaluation (Allemand)

Die Begleitkommission C (BK C) der AGB hat den Schlussbericht genehmigt und zur Publikation freigegeben. Die im Forschungsgesuch vom 15.07.1999 formulierten Projektziele sind erre

Publications / Résultats (Allemand)

Zwicky, D., und Vogel, T.: “Bruchversuche an ausgebauten Brückenträgern aus Spannbeton”, Institut für Baustatik und Konstruktion, ETH Zürich, IBK Bericht Nr. 258, Nov. 2000, 167 pp.
Zwicky, D.: "Structural Evaluation of 30-year-old Prestressed Concrete Girders", Proceedings, 3rd International PhD Symposium in Civil Engineering, Ed. K. Bergmeister, Institute of Structural Engineering, University of Agricultural Sciences, Vienna, Oct. 5-7, 2000, V. 2, pp. 343-354.
Zwicky, D.: "Structural Evaluation of 30-year-old Prestressed Concrete Girders", Proceedings, 3rd International PhD Symposium in Civil Engineering, Ed. K. Bergmeister, Institute of Structural Engineering, University of Agricultural Sciences, Vienna, Oct. 5-7, 2000, V. 2, pp. 343-354.
Zwicky, D.: “Zur Tragfähigkeit stark vorgespannter Betonbalken”, Institut für Baustatik und Konstruktion, ETH Zürich, IBK Bericht Nr. 275, Sept. 2002, 229 pp.
Zwicky, D.: "Schubwiderstand minimal verbügelter Balken", Beton- und Stahlbetonbau, 96. Jahrgang, Heft 4, Apr. 2001, pp. 342.
Zwicky, D., and Vogel, T.: "A Concept for checking structural safety of existing girder bridges and comparison with full scale tests", Proceedings and CD-ROM, 1. International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management, IABMAS'02, Barcelona, July 14-17, 2002, pp. 455-456.
Zwicky, D., and Vogel, T.: "Checking the Limit State of Existing T-Beam Girder Bridges", Proceedings, 6th International Conference on Short & Medium Span Bridges SMSB VI, Vancouver, BC, July 31, - Aug. 2, 2002, V. II, pp. 691-698.
Zwicky, D.; Vogel, T.: "Critical Inclination of Compression Struts in Concrete Beams", submitted for consideration for publication in the ASCE Journal of Structural Engineering, 2003.
Zwicky, D.; Vogel, T.: "Full-Scale Tests on Dismantled Bridge Girders", submitted for consideration for publication in the ASCE Journal of Bridge Engineering, 2003.

No du rapport (Allemand)

569