Querkraftverstärkung von Stahlbetonplatten und -schalen

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: AGB2009/003
• Projekttitel Englisch: Strengthening of reinforced concrete plates and shells for shear

Schlüsselwörter (Deutsch)

Bemessung, Erhaltung, Platten, Querkraft, Schalen, Stahlbeton, Tragsicherheit, Verstärkung

Schlüsselwörter (Englisch)

conservation, dimensioning, reinforced concrete, plates, shear, shells, strengthening, structural safety

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Zurzeit wird bei einem vom Gesuchsteller als Experte und Prüfingenieur begleiteten Projekt ein Tunnel mit einer neuen Innenschale verstärkt. Dabei kommen von der Innenseite her versetzte, im bestehenden Tunnelgewölbe eingemörtelte Querkraftbewehrungen zur Anwendung. Ähnliche Verstärkungs­massnahmen sind oft bei Stahlbetonplatten und -schalen erforderlich. Bezüglich des Querkraft­widerstands und des Verformungsvermögens derart verstärkter Bauteile besteht allerdings eine wesentliche Forschungslücke, die mit dem vorliegenden Projekt geschlossen werden soll. In der Zeit vom April 2009 bis zum Juni 2011 sollen insgesamt 24 Bruchversuche an 12 grossmassstäblichen Versuchs­körpern durchgeführt, ausgewertet und dokumentiert werden, um eine experimentell abgesicherte Basis für die Bemessung solcher Verstärkungen zu erhalten. Der abschliessende Bericht wird die experimentellen Ergebnisse zusammenfassen und entsprechende, für die Praxis relevante Modell­vorstellungen sowie Hinweise für die Projektierung und Ausführung von Querkraftverstärkungen von Stahlbetonplatten und -schalen enthalten.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The present research project is partly based on the experience gained with the strengthening of a tunnel by a new reinforced concrete shell on the inside of the existing vault. The new shell is connected with the existing vault via shear reinforcing bars that are post-installed from the inside of the vault. Similar strengthening measures are frequently applied for other reinforced concrete plate and shell structures. However, the shear resistance and the deformation capacity resulting from such measures are largely unknown. This lacuna shall be filled by the present research project. From April 2009 until June 2011 a total of 24 tests to failure on 12 large-scale test specimens shall be carried out, interpreted and documented to provide an experimentally verified basis for the dimensioning of corresponding strengthening measures. The final report shall summarise the experimental findings, describe relevant theoretical models and provide guidelines for the practical design and execution of shear reinforcing measures for reinforced concrete plates and shells.

Projektbeschreibung (Deutsch)

Bei der Überprüfung von Stahlbetontragwerken ergeben sich immer wieder heikle Fragen zum Querkraft­widerstand und zum Tragverhalten von Platten bzw. Schalen, die in der Regel ohne Querkraftbewehrung ausgeführt werden. Oft ergibt sich die Notwendigkeit einer Querkraftverstärkung, wobei die Querkraft­bewehrungen in nachträglich erstellte Bohrungen versetzt werden müssen. Oft ist nur ein einseitiger Zugang und eine einseitige Ergänzung der bestehenden Konstruktion mit Aufbeton möglich. Mit dem vorliegenden Forschungsprojekt soll eine früher an der ETH Zürich durchgeführte Serie von 28 grossmassstäblichen Versuchen zum Querkraftwiderstand und Verformungsvermögen von Stahlbeton­platten mit und ohne Schubbewehrung [1-3] im Hinblick auf die Querkraftverstärkung von Stahlbeton­platten und -schalen mittels einseitig eingemörtelter Bewehrungsstäbe [4-6] ergänzt werden. Die experimentellen Untersuchungen werden von theoretischen Arbeiten begleitet, die sich auf früher entwickelte Modellvorstellungen [7, 8] abstützen und namentlich auch die neusten Forschungsergebnisse an der ETH Lausanne [9-11] und der Universität Toronto [12-14] berücksichtigen. Die bei Schalen vorhandenen Einflüsse der Membrankräfte und der Krümmung (Umlenkkräfte mit der Gefahr von Abplatzungen auf der Biegezug- und -druckseite) werden zwar nicht experimentell simuliert, aber über frühere und laufende praktische Erfahrungen als Experte bei Bauwerken mit ringförmigen Konstruktionen (Tunnel, Stollen, Pressrohrvortriebe) und entsprechende Erweiterungen früherer Modellvorstellungen [7, 8] einbezogen.

Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser (Deutsch)

Mit dem vorliegenden Projekt wird grundlegendes Wissen zum Einsatz von Querkraftverstärkungen bei lediglich einseitig zugänglichen Platten oder Schalen aus Stahlbeton erarbeitet. Damit wird eine ver­lässliche Basis für die Bemessung sowie für mögliche Systementwicklungen in diesem Bereich der Instandsetzung und Verstärkung von Stahlbetontragwerken bereitgestellt.

Methoden (Deutsch)

Die 20 bzw. 50 cm dicken Platten (Serie C bzw. D) werden je einem Vierpunkt- bzw. Dreipunktversuch bis zum Bruch unterworfen. Insgesamt werden 24 grossmassstäbliche Versuche durchgeführt, ausgewertet und im abschliessenden Bericht beschrieben. Parallel zu den experimentellen Arbeiten werden die vor­handenen theoretischen Modellvorstellungen [7, 8] ergänzt und erweitert. Die für die Praxis relevanten Modellvorstellungen sowie Hinweise für die Projektierung und Ausführung von Querkraftverstärkungen von Stahlbetonplatten und -schalen werden ebenfalls im abschliessenden Bericht zusammengefasst.

Spezielle Geräte und Installationen (Deutsch)

Die Versuche kommen auf dem Aufspannboden der ETH Hönggerberg zur Ausführung.

Allgemeiner Stand der Forschung (Deutsch)

Der Querkraftwiderstand und das Verformungsvermögen von Stahlbetonplatten und -schalen mit und ohne Querkraftbewehrung sind experimentell und theoretisch gut, wenn auch keineswegs abschliessend erforscht [1-3, 7-14]. Für nachträglich bei der Verstärkung solcher Bauteile einseitig eingemörtelte Querkraftbewehrungen besteht allerdings eine wesentliche Lücke, die mit dem vorliegenden Forschungs­projekt geschlossen werden soll. Damit wird ein wichtiger Beitrag zu einem umfassenderen und gesamt­heitlicheren Verständnis des Tragverhaltens von Stahlbetonplatten und -schalen unter allgemeiner Beanspruchung geleistet. Aus wissenschaftlicher Sicht besonders wertvoll ist die Anbindung der vor­gesehenen Versuche an die früheren, umfangreichen experimentellen Untersuchungen an der ETH Zürich [1].

Projektziele (Deutsch)

Infolge von Nutzungsänderungen und erhöhten Einwirkungen sowie zur Berücksichtigung des früher unbeachteten Massstabseffekts besteht in der Praxis ein grosses Bedürfnis nach Querkraftverstärkung von Stahlbetonplatten und -schalen. Oft sind solche Bauteile nur einseitig zugänglich, und die Querkraft­verstärkung erfolgt mit nachträglich eingemörtelten Bewehrungsstäben. Ziel des vorliegenden Forschungsprojekts ist, den Querkraftwiderstand und das Verformungsvermögen derart verstärkter Bauteile theoretisch und experimentell zu untersuchen und damit eine verlässliche Basis für die Bemessung sowie mögliche Systementwicklungen in diesem Bereich der Instandsetzung und Verstärkung von Stahlbetontragwerken bereit zu stellen.

Projektziele (Englisch)

Frequently, reinforced concrete plates and shells need to be strengthened for shear due to changes in the use of structures, due to increased actions on structures, and to account for the hitherto neglected size effect in thick plates and shells. Often, such structural members can be accessed from one side only and post-installed shear reinforcing bars are used. The present project aims at investigating (both theoretically and experimentally) the shear resistance as well as the deformation capacity of structural members strengthened in this way, providing a reliable basis for their dimensioning and the development of new systems for the repair and strengthening of reinforced concrete structures.

Forschungsplan (Deutsch)

Ziel des Projekts ist, die früheren Versuche [1] mit zwei analogen Serien von Bruchversuchen an Stahlbetonplatten (C1-C9, 20 cm dick sowie D1-D3, 50 cm dick) zu ergänzen und damit die Querkraft­verstärkung von Stahlbetonplatten und -schalen mittels einseitig eingemörtelter Bewehrungsstäbe vertieft zu untersuchen.

In der Phase 0 (April 2008 – März 2009, nicht Gegenstand dieses Projekts) wurden bereits die Versuche C1-C3 durchgeführt. Variiert wurden die Art und der Gehalt der Querkraftbewehrung. Ausser konventionellen Bügeln kamen nachträglich in einseitig erstellte Bohrungen versetzte und eingemörtelte Bewehrungsstäbe zum Einsatz.

In der Phase 1 (April 2009 – Dezember 2009) sollen die Versuche C1-C3 mit analogen Versuchen D1-D3 an 50 cm dicken Platten ergänzt werden.

In der Phase 2 (Januar 2010 – September 2010) werden die Versuche C1-C3 und D1-D3 ausgewertet und die Versuche C4-C9 durchgeführt. Die definitiven Versuchsparameter (Einbindelänge der Querkraft­bewehrung, Verankerung auf der Biegezug- statt der Biegedruckseite, Variation der Querkraft­bewehrungsdurchmesser, etc.) werden aufgrund der Versuche C1-C3 und D1-D3 festgelegt.

In der Phase 3 (Oktober 2010 – Juni 2011) werden ein umfassender Versuchsbericht sowie der abschliessende ASTRA-Bericht erstellt.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die Forschungsergebnisse werden über die Lehre, wissenschaftliche Publikationen und die Bericht­erstattung in Fachgremien sowie über die Begleitung ausgewählter Projekte in der Praxis umgesetzt.

Berichtsnummer (Deutsch)

678

Literatur (Deutsch)

Jäger, T., Marti, P., „Versuche zum Querkraftwiderstand und zum Verformungsvermögen von Stahlbetonplatten“, Institut für Baustatik und Konstruktion, ETH Zürich, IBK-Bericht Nr. 294, vdf Verlag, Zürich, Februar 2006, 358 pp.

[2] Jaeger, T., Marti, P., „RC Slab Shear Prediction Competition: Experiments“, ACI Structural Journal, May-June 2009.

[3] Jaeger, T., Marti, P., „RC Slab Shear Prediction Competition: Entries and Discussion“, ACI Structural Journal, May-June 2009.

[4] Eligehausen, R., Spieth, H., Sippel, T. „Eingemörtelte Bewehrungsstäbe – Tragverhalten und Bemessung”, Beton- und Stahlbetonbau, Jg. 94, Heft 12, 1999, pp. 512-523.

[5] Spieth, H., Eligehausen, R., „Bewehrungsanschlüsse mit nachträglich eingemörtelten Bewehrungsstäben”, Beton- und Stahlbetonbau, Jg. 97, Heft 9, 2002, pp. 445-459.

[6] Kupfer, H., Münger, J., Kunz, A., Jähring, A, „Nachträglich verankerte gerade Bewehrungsstäbe bei Rahmenknoten”, Bauingenieur, Jg. 78, Ausgabe 1/2-2003, 2003, pp. 46-60.

[7] Marti, P., „Design of Concrete Slabs for Transverse Shear”, ACI Structural Journal, Vol. 87, No. 2, March-April 1990, pp. 180-190.

[8] Jäger, T., „Querkraftwiderstand und Verformungsvermögen von Stahlbetonplatten“, Institut für Baustatik und Konstruktion, ETH Zürich, IBK-Bericht Nr. 305, vdf Verlag, Zürich, Oktober 2007, 114 pp.

[9] Muttoni, A., Fernández Ruiz, M., Kunz, J., „Nachträgliche Durchstanzbewehrung zur Verstärkung von Stahlbetonflachdecken”, EPFL, Report 06-A01-R1b, Lausanne, October 2007, 13 pp.

[10] Muttoni, A., „Schubfestigkeit und Durchstanzen von Platten ohne Querkraftbewehrung”, Beton- und Stahlbetonbau, Jg. 98, Heft 2, 2003, pp. 74-84.

[11] Muttoni, A., Fernández Ruiz, M., „Shear Strengh of Members without Transverse Reinforcement as Function of Critical Shear Crack With”, ACI Structural Journal, Vol. 105, No. 2, March-April 2008, pp. 163-172.

[12] Collins, M.P., Mitchell, D., Adebar, P., Vecchio, F.J., „A General Shear Design Method“, ACI Structural Journal, Vol. 93, No. 1, Jan.-Feb. 1996, pp. 36-45.

[13] Gupta, P., Collins, M.P., „Evaluation of Shear Design Procedures for Reinforded Concrete Members under Axial Compression”, ACI Structural Journal, Vol. 98, No. 4, July-Aug. 2001, pp. 537-547.

[14] Sherwood, E., Bentz, E., Collins, M.P., „Effect of Aggregate Size on Beam-Shear Strength of Thick Slabs”, ACI Structural Journal, Vol. 104, No. 2, March-April 2007, pp. 180-190.