Résistance des ponts précontraints avec étriers insuffisants

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: AGB2006/015_OBF

Schlüsselwörter (Englisch)

Resistance of reinforced and prestressed concrete bridges, Evaluation of existing structures, Improvement of analytical methods, Strengthening methods

Schlüsselwörter (Französisch)

Résistance des ponts en béton armé et précontraint, Evaluation des structures existantes, Amélioration des méthodes d’analyse, Méthodes de renforcement

Kurzbeschreibung (Englisch)

Reinforced and prestressed concrete bridges built in the ‘60s to 80’s are often characterized by insufficient shear reinforcement according to more recent design codes (insufficient amount of stirrups and/or insufficient anchorage in the top chord). Available test results from the literature remain scarce on this subject, and the theoretical knowledge does bit yet allows developing a simple design approach fully coherent with the current approach of the Swiss design codes.

It is therefore envisioned to perform a series of experimental tests in the laboratory on samples that closely match the Swiss practice of reinforced and prestressed bridges, and to develop the required models for the checking of existing bridges. The aim is to present engineers with a simple and coherent checking methodology. This should consequently allow improving the current code SIA 262:2003 (Concrete structures), to complement the code project SIA 269/2 (Evaluation of existing concrete structures) and to avoid costly strengthening measures.

Kurzbeschreibung (Französisch)

Les ponts en béton armé précontraint réalisés en Suisse dans les années 1960-1980 sont souvent caractérisés par des armatures d’effort tranchant insuffisantes selon les nouvelles normes (taux d’étriers et/ou leur ancrage dans la membrure supérieure). Pour ces cas les essais disponibles dans la littérature scientifique sont encore rares et les connaissances théoriques ne permettent pas encore d’élaborer une méthode d’analyse simple et cohérente avec les approches actuelles des normes suisses.

Pour ces raisons il s’agit d’effectuer une série d’essais en laboratoire sur des échantillons qui reproduisent fidèlement la pratique suisse des ponts en béton armé précontraint et de développer les modèles nécessaires pour l’évaluation des ponts existants. Le but étant de fournir aux ingénieurs une méthodologie de vérification simple et cohérente, ceci devrait permettre d’améliorer la norme SIA 262:2003 (Constructions en béton), de compléter le projet de norme SIA 269/2 (Evaluation des constructions existantes en béton) et d’éviter ainsi des renforcements chers et compliqués.

Projektbeschreibung (Französisch)

Pour atteindre les objectifs définis plus haut, la démarche suivante est prévue :

a) Evaluation systématique des essais à disposition (Zürich, Stuttgart, Toronto, Aachen, Illinois et autres). Dans ce cadre, la répartition des efforts dans l’âme et dans les dalles sera étudiée (voir Fernández Ruiz, Hars et Muttoni, 2006).

b) Comparaison des résultats expérimentaux à disposition avec les modèles existants (champs de contraintes discontinus, champs de contraintes continus avec compatibilité, théorie de la fissure critique, MCFT,..).

c) Proposition d’un modèle théorique pour l’étude de la transition entre la théorie de la fissure critique (sans étriers) et champs de contraintes (étriers suffisants)

d) Validation du modèle par une campagne d’essais

e) Proposition d’une méthode pratique pour la vérification des ponts existants avec étriers insuffisants

f) Etude du problème de l’ancrage insuffisant des étriers par le biais d’une série d’essais et une étude théorique basée sur la méthode des champs de contrainte continus.

g)Rédaction du rapport et d’articles scientifiques.

Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser (Französisch)

	Résultat	Application	Mise en œuvre
1	Modèle de calcul pour la résistance à l’effort tranchant des poutres avec peu d’étriers (transition entre la théorie de la fissure critique et la méthode des champs de contraintes)	Evaluation des ponts existants construits dans les années 1960-1980 pour lesquels le taux d’étriers est souvent insuffisant selon les normes actuelles	Chapitre dans la future norme SIA 269/2 (évaluation des structures existantes en béton)
2	Relation permettant de définir l’inclinaison minimale des bielles en fonction de l’effort de compression dans l’âme dû à la précontrainte	Dimensionnement et évaluation des ponts précontraints	Révision de la norme SIA 262 chiffre 4.3.3.3.2 ou chiffre correspondant dans la nouvelle norme SIA 269/2
3	Validation des règles concernant l’ancrage des étriers selon EC2:2004	Evaluation des ponts existants construits dans les années 1960-1980 pour lesquels l’ancrage des étriers est souvent assuré uniquement par des crochets	Révision de la norme SIA 262 chiffre 5.5.2.4 ou chiffre correspondant dans la nouvelle norme SIA 269/2
4	Définition d’une procédure cohérente et par étapes pour la vérification des âmes des ponts existants	Evaluation des ponts existants construits dans les années 1960-1980	Description de la méthode de vérification dans la documentation

Methoden (Französisch)

Voir paragraphes précédents

Spezielle Geräte und Installationen (Französisch)

Aucun

Allgemeiner Stand der Forschung (Französisch)

Plusieurs travaux de recherche ont été récemment effectués par l’IS-BETON sur le sujet de la résistance à l’effort tranchant des éléments avec et sans armature d’effort tranchant. Ces travaux, financés en partie par l’Office Fédéral de Routes, ont permis de faire avancer l’état des connaissances sur plusieurs aspects, avec une application directe pour l’évaluation de la capacité porteuse des ouvrages d’art existants :

- La résistance des éléments sans armature d’effort tranchant basée sur la théorie de la fissure critique (Muttoni 2003, Guandalini 2005, Vaz Rodrigues, 2006, Muttoni et Fernández Ruiz, 2008a)

- La résistance des éléments avec armature suffisante d’effort tranchant basée sur la méthode des champs de contraintes (projet AGB 2001/486, Hars, 2006, Fernández Ruiz, Hars et Muttoni, 2006)

Le développement de ces théories a également permis au responsable de cette demande de collaborer aux travaux du Task Group 4.2 de la fib (fédération internationale du béton), où les bases théoriques et les modèles pour l’analyse de l’effort tranchant dans le futur Code-Modèle 2010 sont actuellement en discussion.

En plus de ces recherches, les travaux effectués récemment à l’IS-BETON sur l’adhérence dans le béton structural (Fernández Ruiz et al. 2007a, Muttoni et Fernández Ruiz, 2007b) peuvent être utilisés pour l’analyse de la capacité d’ancrage des étriers.

D’autres centres de recherche ont été ou sont actuellement actifs dans ce domaine :

- L’ETHZ, où d’intéressantes recherches ont été développées concernant l’analyse des éléments de structure par la théorie de la plasticité et des champs de contraintes. Les résultats de plusieurs séries d’essais effectuées depuis les années ’70 seront étudiés en détail (Caflisch et Thürlimann 1970a, 1970b, Caflisch et al. 1971, Krauss et Bachmann 1971, Krauss et al. 1973, Kaufmann et Menn 1976, Kaufmann et Marti 1996, Stoffel et Marti 1997, Zwicky et Vogel 2000).

- Les essais effectués à l’Université de Stuttgart présentent également un grand intérêt (Leonhardt et al. 1973).

- L’Université de Toronto est un centre particulièrement actif dans le domaine de l’effort tranchant sans et avec étriers. Une théorie complète a été développée par Collins, Mitchell et Vecchio et leurs collaborateurs sous le nom de « Modified Compression Field Theory » (MCFT, Vecchio et Collins 1986, Vecchio 2000). L’étude des résultats expérimentaux de l’université Toronto sur des éléments avec des taux d’armature insuffisants ainsi qu’une comparaison entre la MCFT et l’approche basé sur les champs de contraintes et la théorie de la fissure critique semble également d’un grand intérêt.

Pour les poutres précontraintes avec étriers faibles et/ou faiblement ancrés un modèle simple, cohérent et compatible avec l’approche des normes suisses n’est néanmoins pas disponible.

Projektziele (Englisch)

1. investigate the actual behavior of prestressed girders with low reinforcement ratios;

2. develop a theoretical model allowing a transition from the classical “strut-and-tie” models (usual approach for elements with a sufficient amount of stirrups, SIA 262:2003 number 4.3.3) and the models for elements without stirrups (critical shear crack theory, SIA 262:2003 number 4.3.3.2) ;

3. propose a relationship able to define the minimum inclination of the struts as a function of the compressive action of prestressing in the web ;

4.propose checking methods for cases with an insufficient development length of the stirrups ;

Projektziele (Französisch)

1. étudier le comportement réel des poutres précontraintes avec faible taux d’étriers ;

2. établir un modèle théorique qui permette la transition entre les modèles classiques de type « bielles et tirants » (approche classique pour les éléments avec étriers suffisants, SIA 262:2003 chiffre 4.3.3.3) et les modèles pour les éléments sans étriers (théorie de la fissure critique, SIA 262:2003 chiffre 4.3.3.2) ;

3. proposer une relation qui permette de définir l’inclinaison minimale des bielles en fonction de l’effort de compression dans l’âme dû à la précontrainte ;

4.proposer des méthodes de vérification en présence d’un ancrage insuffisant des étriers ;

Forschungsplan (Französisch)

1ère année

2ème année

3ème année

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

Evaluation systématique des essais existants

X

Comparaison des résultats expérimentaux à disposition avec les modèles existants

X

X

Proposition d’un modèle théorique

X

X

X

Validation du modèle par une campagne d’essais

X

X

X

X

X

Proposition d’une méthode pratique pour la vérification des ponts existants avec étriers insuffisants

X

X

Etude du problème de l’ancrage insuffisant des étriers

X

X

X

Rédaction du rapport et d’articles scientifiques

X

X

Umsetzung und Anwendungen (Französisch)

Voir paragraphe précédent

Berichtsnummer (Französisch)

658

Literatur (Französisch)

Caflisch, R., Thürlimann, B., (1970a) “Biegeversuche an teilweise vorgespannten Betonbalken”, IBK, ETHZ, Bericht Nr. 6504-1, Zürich, 1970, 108 p.

Caflisch, R., Thürlimann, B., (1970b) “Schubversuche an teilweise vorgespannten Betonbalken”, IBK, ETHZ, Bericht Nr. 6504-2, Zürich, 1970, 177 p.

Caflisch, R., Krauss, R., Thürlimann, B., (1971) “Biege- und Schubversuche an teilweise vorgespannten Betonbalken, Serie C”, IBK, ETHZ, Bericht Nr. 6504-3, Zürich, 1971, 167 p.

Krauss, R., Bachmann, H., (1971) “Biege- und Schubversuche an teilweise vorgespannten Leichtbetonbalken”, IBK, ETHZ, Bericht Nr. 6504-4, Zürich, 1971, 148 p.

Krauss, R., Heimgartner, E., Bachmann, H., (1973) “Versuche über den Einfluss geneigter Spannkabel in teilweise vorgespannten Betonbalken”, IBK, ETHZ, Bericht Nr. 6504-6, Birkhäuser Verlag Basel und Stuttgart, 1973, 110 p.

Kaufmann, J., Menn, C., (1976) “Versuche über Schub bei Querbiegung”, IBK, ETHZ, Bericht Nr. 7201-1, Birkhäuser Verlag Basel und Stuttgart, 1976, 92 p.

Leonhardt, F., Koch, R., Rostásy, F. S., (1973) “Schubversuche an Spannbetonträgern”, Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Heft 227, Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin, 1973, 179 p.

Lüchinger, P., Maag, W., (1997) “Schubtragverhalten”, Département fédéral des transports, des communications et de l’énergie – Office Fédérale des Routes, Union des Professionnels suisses de la route (VSS), Zürich, 1997, 77 p.

Sigrist, V., Marti, P., Bättig, A., (2006) “Verstärkung der Autobahnbrücke Brunau Süd”, Beton- und Stahlbetonbau, 101 (5), 2006, pp. 360-638

Kaufmann, W., Marti, P., (1996) “Versuche an Stahlbetonträgern unter Normal- und Querkraft”, IBK, ETHZ, Bericht 226, Birkhäuser Verlag Basel-Boston-Berlin, 1996, 141 p.

Stoffel, P., Marti, P., (1997) “Modellversuche Europabrücke”, IBK, ETHZ, Bericht 227, Birkhäuser Verlag Basel-Boston-Berlin, 1997, 118 p.

Zwicky, D., Vogel T., (2000) “Bruchversuche an ausgebauten Brückenträgern aus Spannbeton”, IBK, ETHZ, Bericht 258, Birkhäuser Verlag Basel-Boston-Berlin, 2000, 118 p.

Guandalini S., (2005) “Poinçonnement symétrique des dalles en béton armé”, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Thèse 3380 (2005), Lausanne, 2005, 289 p.

Vaz Rodrigues R., (2006) “Shear Strength of RC Bridge Deck Cantilevers”, 6th International PhD Symposium in Civil Engineering, IBK Publication SP-015, 2006, pp. 160-161

Hars, E. (2006) “Zum Querkraftwiderstand von Stahl- und Spannbetonträgern mit dünnen stegen”, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Thèse 3551 (2006), Lausanne, 2006, 154 p.

Muttoni A. (2003), “Schubfestigkeit und Durchstanzen von Platten ohne Querkarftbewehrung”, Beton- und Stahlbetonbau, Vol. 98, No 2, Berlin, Germany, 2003, pp. 74-84

Fernández Ruiz, M., Hars E., Muttoni, A., (2006) “Résistance à l’effort tranchant des poutres précontraintes à âme mince ”, Département fédéral des transports, des communications et de l’énergie – Office Fédérale des Routes, Union des Professionnels suisses de la route (VSS), Rapport 606, Bern, 2006, 68 p.

Fernández Ruiz, M., Muttoni, A., Gambarova, P. G., (2007a) “Analytical modelling of the pre- and post-yield behaviour of bond in reinforced concrete”, American Society of Civil Engineers, Journal of Structural Engineering, Vol. 133, No. 10, October 2007, pp. 1364-1372

Muttoni, A., Fernández Ruiz (2007b) “Concrete cracking in tension members and application to deck slabs of bridges”, American Society of Civil Engineers, Journal of Bridge Engineering, Vol. 12, No. 5, 2007, pp. 646-653

Muttoni, A., Fernández Ruiz, M., (2008a) “Shear strength of members without transverse reinforcement as a function of the critical shear crack width”, American Concrete Institute, Structural Journal, Vol. 105, No. 2, 2008, pp. 163-172

Fernández Ruiz, M., Muttoni, A., (2008b) “Shear strength of thin-webbed post-tensioned beams”, American Concrete Institute, Structural Journal, Vol. 105, No. 3, 2008, pp. 308-317

Vecchio, F. J., Collins, M. P. (1986) “The modified compression field theory for reinforced concrete elements subjected to shear”, American Concrete Institute Journal, 83, March-April, 1986, pp. 219-231

Vecchio, F. J., “Disturbed stress field model for reinforced concrete: formulation”, American Society of Civil Engineers, Journal of Structural Engineering, Vol. 126, No. 9, September, 2000, pp. 1070-1077

EC2 (2004), “Eurocode 2—Design of Concrete Structures: Part 1-1, General Rules and Rules for Buildings,” EN 1992-1-1, Brussels, Belgium, 2004, 225 pp.

AASHTO LRFD (2004), “Bridge Design Specifications and Commentary,” 3rd Edition, American Association of State Highway Transportation Officials, Washington, DC, 2004, 1264 pp.