Punching shear of post-tensioned slab bridges

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: AGB2007/002
• Projekttitel Englisch: Punching shear of post-tensioned slab bridges

Schlüsselwörter (Englisch)

Slab bridge, post-tensioning, punching-shear, shear strength, punching reinforcement, structural safety, existing structures

Schlüsselwörter (Französisch)

Pont-dalle, précontrainte, poinçonnement, effort tranchant , armature de poinçonnement, sécurité structurale, ouvrages existants

Forschungsprogramme (Französisch)

Programme de travail :

a) Etude théorique du champ de cisaillement: 2007/Q3+4 + 2009/Q1

b) loi charge-rotation pour les dalles précontraintes: 2007/Q3+4 –+2009/Q1+2

c) série d’essais sur dalles précontraintes : 2007/Q4 – 2008/Q2

d) série d’essais sur dalles avec barres relevées : 2008/Q2+3

e) validation du modèle théorique avec barres relevées 2008/Q4

f) étude de l’effet de la compression 2009/Q1+2

g) modèle théorique avec précontrainte 2009/Q1-2010/Q1

rédaction du rapport 2010/Q2

Kurzbeschreibung (Englisch)

The aims of the research project will be reached by :

- studying the actual behavior of slabs post-tensioned in one or two directions, without or with only limited punching shear reinforcement ;

- developing a theoretical model, with a simplified version for practical applications, in a format compatible to that of the current SIA 262 design code;

performing a series of experimental tests to validate the theoretical model, including the effect of post-tensioning and bent-up bars.

Kurzbeschreibung (Französisch)

Les buts de la recherche seront atteints par :

- l’étude du comportement réel des dalles précontraintes dans une ou deux directions, sans ou avec une faible armature de poinçonnement ;

- le développement d’un modèle théorique, avec une version simplifiée pour la pratique, dans un format compatible avec celui de la norme SIA 262;

une série d’essais pour valider le modèle théorique, incluant l’effet de la précontrainte et des barres relevées.

Projektbeschreibung (Französisch)

La démarche suivante est prévue :

a) Etude théorique du champ de cisaillement et influence de la rigidité sur la répartition de l’effort tranchant (effet de la précontrainte et de l’armature dans les deux directions). Ce travail sera effectué en étudiant les résultats de calculs par éléments finis avec un comportement non-linéaire à la flexion.

b) Dérivation d’une loi analytique charge-rotation pour les dalles précontraintes. Préparation d’une version simplifiée utilisable dans la pratique.

c) Exécution d’une série d’essais de poinçonnement sur 8 dalles précontraintes dans une seule direction ou partiellement dans les deux directions avec pour but de valider la relation charge-rotation proposée et de valider le critère de rupture pour de faibles déformations.

d) Exécution d’une série d’essais de poinçonnement sur 4 dalles avec une armature de poinçonnement constituée de barres d’armature relevées. Deux dalles seront sans précontrainte tandis que les autres deux auront une précontrainte longitudinale.

e) Validation du modèle théorique pour la détermination de la résistance au poinçonnement des dalles avec barres d’armature relevées.

f) Etude de l’effet d’un effort de compression sur la résistance au poinçonnement des dalles.

g) Dérivation d’un modèle théorique pour la détermination de la résistance au poinçonnement des dalles précontraintes.

h) Dérivation de règles pratiques en vue de la révision partielle de la norme SIA 262.

i) Rédaction du rapport et d’articles scientifiques.

Methoden (Französisch)

L’approche du problème sera effectuée en suivant plusieurs axes distincts, dont les composants sont déjà disponibles au sein du laboratoire :

- simulations numériques par éléments finis non-linéaires

- modélisation physique du comportement au poinçonnement

- essais en laboratoire sur des spécimens de grande taille (3.00 x 3.00 x 0.25 m).

Les modèles et approches existants du problème du poinçonnement seront étendus pour inclure les paramètres étudiés et leur influence. Le critère de rupture au poinçonnement sera validé pour ces cas

Spezielle Geräte und Installationen (Französisch)

Nicht erforderlich / pas nécessaire

Stand der eigenen Forschung (Französisch)

Plusieurs travaux de recherche ont été effectués par le responsable de la recherche proposée et par ses collaborateurs à l’EPFL-IS-BETON sur le sujet de la résistance au poinçonnement des dalles. Les principaux sont :

· Développement d’un modèle théorique pour considérer l’effet de taille et l’influence du taux d’armature sur la résistance au poinçonnement [3]. Ce travail a été la base de la révision partielle de la norme SIA 162(1993) en ce qui concerne le poinçonnement.

· Amélioration du modèle théorique pour les cas axisymétriques [4,5]. Ce travail a été la base pour le chapitre concernant le poinçonnement de la nouvelle norme SIA 262(2003).

· Travail de recherche soutenu par cemsuisse avec pour but la validation expérimentale du critère de rupture pour les cas des dalles épaisses et peu armées [11,12] ainsi que le développement d’un modèle numérique pour la vérification au poinçonnement des dalles axisymétriques [13].

· Développement d’une solution analytique pour le poinçonnement axisymétrique et définition d’une expression plus générale pour la courbe charge-rotation [6].

· Recherche sur la résistance des éléments sans armature d’effort tranchant basée sur la théorie de la fissure critique [14].

· Recherche sur le comportement des dalles de roulement des ponts (recherche soutenue par l’OFROU, AGB2002/028: Comportement et calcul des dalles de roulement en béton armé). Ce travail a démontré que le poinçonnement est déterminant en cas de présence de charges ponctuelles importantes [15-18]. Le rapport OFROU est en préparation et prévu pour août 2007.

· Analyse du champ de cisaillement dans les dalles soumises à des charges concentrées, en cas d’encastrement des colonnes et pour des situations non-axisymétriques [19].

· Recherche sur le poinçonnement non-axi-symétrique dans le cas des ponts-dalles (recherche soutenue par le Canton des Grisons et suivie par la commission accompagnante C de l’AGB, mandat de recherche AGB2005/012: Poinçonnement des ponts-dalles). Ce travail a permis de donner une réponse à bon nombre des questions ouvertes évoquées à la section 1. En particulier le critère de rupture a été validé pour les cas non-axisymétriques (analyse des travaux expérimentaux décrits en [20-21]) et une relation plus générale pour la courbe charge-rotation a été proposée. Un rapport sur les résultats obtenus est prévu pour avril 2007.

· Développement d’un modèle pour le dimensionnement de l’armature de poinçonnement et la vérification du poinçonnement des dalles avec une faible armature transversale [10]. Ce travail démontre que la norme SIA 262(2003) est trop prudente en ce qui concerne la résistance au poinçonnement des dalles avec une faible armature transversale. Une amélioration de la norme sera proposée dans le cadre de la prochaine révision. Cela permettra d’analyser les ponts-dalles construits dans les années 1960-1980 et de réduire le nombre de cas où un renforcement est nécessaire.

· Aide au développement d’un système de renforcement (pour l’entreprise Hilti) et développement d’une méthode de dimensionnement pour ce genre de renforcement.

Recherche dans d’autres centres

Malgré l’importance du phénomène du poinçonnement et les questions encore ouvertes, les centres de recherche actuellement actifs dans ce domaine sont relativement peu nombreux. Sur le plan international on peut évoquer les Universités de Aachen, Stuttgart et Munich en Allemagne, Innsbruck en Autriche, Stockholm en Suède, Calgary, Montréal et Waterloo au Canada, Urbana-Champaign (Illinois) aux Etats-Unis ainsi que Brasilia en Amérique Latine. Les publications [22, 23 et 24] constituent de bons résumés de la recherche et des connaissances actuelles dans le domaine du poinçonnement.

Des travaux expérimentaux en ce qui concerne les ponts-dalles ont été effectués à l’Université Technique de Stockholm dans les années 1970 [20,21]. Ce même centre a par la suite effectué des essais sur dalles précontraintes dans une seule direction [38] ; des essais dans cette même direction ont été effectués au Polytechnique de Londres [39].

Projektziele (Englisch)

The research proposes to further develop the scientific knowledge required for a better design of post-tensioned slab bridges. It will also enhance the checking methods applicable in engineering practice for the analysis of existing bridges. In this latter case, it is especially important to have reliable calculation methods that account for all load-carrying reserves, to avoid unnecessarily strengthening, which can be both complicated and costly. Part of the results may be included in the partial revision of the SIA 262 concrete design code, scheduled for 2008-2009.

Projektziele (Französisch)

La recherche propose de développer les connaissances scientifiques nécessaires pour mieux dimensionner les ponts-dalles précontraints et pour améliorer les méthodes applicables dans la pratique pour l’analyse des ponts existants. C’est surtout pour la vérification des ponts existants qu’il est important de disposer de méthodes de calcul fiables et considérer toutes les réserves existantes, afin d’éviter des renforcements compliqués et onéreux. Une partie des résultats pourra être considérée dans la révision partielle de la norme SIA 262 prévue pour 2008-2009

Umsetzung und Anwendungen (Französisch)

Le but de la recherche est de contribuer au dimensionnement et à la vérification des ponts-dalles précontraints. Sa première application sera sans doute dans le cadre de la vérification de ponts-dalles existants. Elle trouvera cependant également des applications pratiques lors du dimensionnement de nouveaux ouvrages. Il est attendu que ses résultats pratiques soient introduits dans la prochaine révision de la norme SIA 262.

Berichtsnummer (Deutsch)

653

Berichtsnummer (Englisch)

653

Berichtsnummer (Französisch)

653

Literatur (Französisch)

[1] Kinnunen S., Nylander H. , Punching of Concrete Slabs Without Shear Reinforcement, Transactions of the Royal Institute of Technology, N°158, 112 p., Stockholm, Sweden, 1960.

[2] Schaeidt W., Ladner M., Rösli A. , Berechnung von Flachdecken auf Durchstanzen, EMPA, 68 pp., Zürich, Switzerland, 1970.

[3] Muttoni, A., Schwartz, J., Behaviour of Beams and Punching in Slabs without Shear Reinforcement, IABSE Colloquium, Structural Concrete, Stuttgart 1991, pp 703-708.

[4] Muttoni A., Schubfestigkeit und Durchstanzen von Platten ohne Querkarftbewehrung, Beton- und Stahlbetonbau, Vol. 98, No 2, pp. 74-84, Berlin, Germany, 2003

[5] Muttoni A., Durchstanzen, Dokumentation SIA, D 0182 Einführung in die Norm SIA 262, p. 57-65, Zurich, Suisse, 2003

[6] Muttoni, A., Punching shear strength of reinforced concrete slabs without transverse reinforcement, American Concrete Institute, Structural Journal, USA, (submitted for publication, 2006).

[7] Conzett, Bronzini, Gartman AG, Überführung Anschluss Vial, Statische Nachrechnung, Dokument Nr. 13a 211, Chur, Februar, 2005.

[8] Conzett, Bronzini, Gartman AG, Überführung Anschluss Maienfeld, Statische Nachrechnung, Dokument Nr. 13a 701, Chur, April, 2005.

[9] Conzett, Bronzini, Gartman AG, Grüne Brücke, Statische Nachrechnung, Zustandsuntersuchung, Dokument Plan Nr. 13c 564, Chur, Oktober, 2005.

[10] Fernández Ruiz, M., Muttoni, A., Punching shear strength of reinforced concrete slabs with transverse reinforcement, American Concrete Institute, Structural Journal, USA, (en preparation, 2007)

[11] Guandalini, S., Muttoni, A., Essais de poinçonnement symétrique des dalles en béton armé sans armature à l’effort tranchant, EPFL-IS-BETON, Rapport 00.03-R1, mai 2004, p. 78.

[12] Guandalini, S., Burdet, O., Muttoni, A., Punching tests of slabs with low reinforcement ratios, American Concrete Institute, Structural Journal, USA, (en preparation, 2007)

[13] Guandalini S., Poinçonnement symétrique des dalles en béton armé, Thèse n° 3380 (2005), Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, 289 p., 2006.

[14] Muttoni, A., Fernández Ruiz, M., Shear strength of members without transverse reinforcement as a function of the critical shear crack width, American Concrete Institute, Structural Journal, en révision, 2006

[15] Vaz Rodrigues R., Muttoni, A., Shear Strength of RC Bridge Deck Cantilevers, Proceedings of the 6th Int. Ph.D. Symposium in Civil Engineering, Zurich 2006, Zürich, Switzerland, 2006

[16] Vaz Rodrigues R., Muttoni A., Burdet O., Large Scale Tests on Bridge Slabs Cantilevers Subjected to Traffic Loads, Proceedings of the 2nd fib Congress, vol.1, pp. 232, Naples, 2006

[17] Vaz Rodrigues R., Burdet O., Muttoni A., Experimental investigation of the shear capacity of plastic hinges, Proceedings of the fib Symposium Budapest 2005, vol. 2, pp. 651-656, Budapest, Hungary, 2005

[18] Vaz Rodrigues Rui, Shear Strength of Reinforced Concrete Bridge Deck Slabs, PhD thesis EPFL n° 3739, 264 p., 2007

[19] Muttoni, A., Fernández Ruiz, M., Schubkraftfluss in Stahlbetonflachdecken, Bau und Wissen, Tagung 864571/72, Wildegg, 2007, pp. 1-16.

[20] Nylander H., Sundquist H., Genomstansning av pelarunderstödd plattbro av betong med ospänd armering, Test Report KTH, nr. 104, Stockholm, Sweden, 1972.

[21] Kinnunen S., Nylander H., Tolf P., Plattjocklekens inverkan pa betongplattors hallfasthet vid genomstansning. Försök med rektangulära plattor, Test Report KTH, N.137, pp. 73, Stockholm, Sweden, 1980.

[22] Silfwerbrand, J., Hassanzadeh, G., Editors, International Workshop on Punching Shear Capacity of RC Slabs, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, 2000, 527 p.

[23] Fédération Internationale du Béton, Punching of structural concrete slabs, fib bulletin 12, Lausanne, Switzerland, 2001, 307 p.

[24] Polak, M. A., Editor, Punching Shear in Reinforced Concrete Slabs, American Concrete Institute, Farmington Hills, USA., SP 232, 2005, 302 p.

[25] Scordelis, A. C.; Lin, T. Y.; and Mayo, H. R., Shearing Strength of Prestressed Lift Slabs, ACI JOURNAL, Proceedings V. 55, No. 10, Oct. 1958, pp. 485-506.

[26] Andersson, J. L., Genomstansning Av Lift Slabs, Nordisk Betong, 1963, pp. 229-252.

[27] Grow, J. B., and Vanderbilt, M. D., Shear Strength of Prestressed Lightweight Aggregate Concrete Flat Plates, PCI Journal, V. 12, No. 4, Aug. 1967, pp. 18-28.

[28] Gerber, L. L., and Burns, N. H., Ultimate Strength Tests of Post-Tensioned Flat Plates, PCI Journal, V. 16, No. 6, Nov.-Dec. 1971, pp. 40-58.

[29] Smith, S. W., and Burns, N. H., Post-Tensioned Flat Plate to Column Connection Behaviour, PCI Journal, V. 19, No. 3, May 1974, pp. 74-91.

[30] Pralong, J., Brändli, W., Thürlimann, B., Durchstanzversuche an Stahlbeton- und Pannbetonplatten, IBK-ETH, Bericht Nr. 7305-3, Zürich, Dezember 1979.

[31] Brändli, W., Müller, F.-X., Thürlimann, B., Bruchversuch an Stahlbeton- und Spannbetonplatten bei Rand- und Eckstützen, IBK-ETH, Bericht Nr. 7305-4, Zürich, Mai 1982, p. 140.

[32] Burns, N. H., and Hemakon, R., Test of Post-Tensioned Flat Plate with Banded Tendons, Journal of the Structural Division, ASCE, V. 111, No. 9, Sept. 1985, pp. 1899-1915.

[33] Burns, N. H., and Hemakon, R., Test of Scale Model Post-Tensioned Flat Plate, Journal of the Structural Division, ASCE, V. 103, No. ST6, June 1977, pp. 1237-1255.

[34] Kosut, G. M.; Burns, N. H.; and Winter, C. V., Test of Four-Panel Post-Tensioned Flat Plate, Journal of the Structural Division, ASCE, V. 111, No. 9, Sept. 1985, pp. 1916-1929.

[35] Kordina, K., and Nölting, D., Versuche zum Durchstanzen ohne Verbund Vorgespannter Flachdecken, Lehrstuhl für Massivbau, Technische Universität, Braunschweig, Germany, 1984, 59 pp.

[36] Hassanzadeh, G., Betongplattor pa Pelare, Dimensionerings Metoder för Plattor Med Icke Vidhäftande Spännarmering, Bulletin 43, Institutionen för Byggkonstruktion, KTH, Stockholm, Sweden, 1998, pp. 110-130.

[37] Silva, R. J. C.; Regan, P. E.; and Melo, G. S. S. A., Punching of Post-Tensioned Slabs—Tests and Codes, ACI Structural Journal; March-April 2007, pp. 123-132.

[38] Nylander H., Kinnunen S., Ingvarsson H., Genomstansning av pelarunderstödd plattbro av betong med spänd och ospänd armering, Test Report KTH, nr. 123, Stockholm, Sweden, 1977.

[39] P. E. Regan, Punching Shear in Prestressed Concrete Slab Bridges, Engineering Structures Research Group, Polytechnic of Central London, London, 1983, 249 p.