Shear design of straight and haunched concrete beams without stirrups
Creators: name: Nghiep, Vu Hong
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2011
Subjects: subject: Querkraftbemessung, Stahlbetonbalken ohne Querkraftbewehrung, gevoutete Balken
subject: shear design, concrete beams without stirrups, haunched beams
classificationCode: 620
subject: Ingenieurwissenschaften

description: Trotz langjähriger Forschungsaktivitäten, die ersten Versuche führte Mörsch 1920 durch, ist die Querkraftbemessung von Stahlbetonbalken ohne Querkraftbewehrung bislang unzurei-chend geklärt. Dies zeigt sich unter anderem darin, dass die meisten Bemessungsverfahren nicht auf einem mechanischen Modell sondern auf empirisch entwickelten Gleichungen ba-sieren, welche sehr große Streuungen und damit sehr hohe Sicherheitsfaktoren aufweisen. Das Problem der Querkraftbemessung besteht vor allem bei Platten. So weisen zahlreiche Massivbrücken in Deutschland nach der seit dem Jahre 2001 gültigen Norm rechnerisch eine zu geringe Tragfähigkeit in Querrichtung auf. Weiterhin ist die Querkraftbemessung von gevouteten Trägern, wie Sie beispielsweise bei Fahrbahnplatten von Brücken auftreten, bis-lang kaum geklärt. Diese Forschungsarbeit soll zu einem besseren Verständnis des Querkrafttragverhaltens von Stahlbetonbalken ohne Bügelbewehrung beitragen. Hierzu werden zunächst die wesentlichen aus der Literatur bekannten, teilweise sehr unterschiedlichen Rechenmodelle analysiert und deren Genauigkeit durch einen Vergleich mit den Versuchswerten aus einer Schubdatenbank bestimmt. Es zeigen sich erhebliche Streuungen zwischen den Rechen- und den Versuchs-ergebnissen. Zum Studium des Tragverhaltens wurden umfangreiche Versuche mit insgesamt 18 Stahlbe-tonbalken ohne Bügelbewehrung unterschiedlicher Schubschlankheit durchgeführt. Hierbei lag der Schwerpunkt bei gevouteten Trägern. Es zeigt sich, dass die bestehenden Ansätze den Einfluss eines geneigten Druckgurtes auf die Querkrafttragfähigkeit nur unzureichend beschreiben. Teilweise ergeben sich auf der unsicheren Seite liegende Rechenwerte. Zu einem genaueren Studium der Beanspruchungen und der Tragmechanismen werden die Versuche mittels stofflich nichtlinearer Finite Elemente Berechnungen mit dem Programm ABAQUS simuliert. Es zeigen sich sehr gute Übereinstimmungen zwischen Versuch und FE-Analyse. Dies trifft sowohl bei den Kraft-Weg-Verläufen, bei den Traglasten als auch bei den Rissbildern zu. Das entwickelte numerische Modell gibt somit das Verhalten von Stahl-betonbalken im Gebrauchs- und Grenzzustand zutreffend wieder. Die FE-Berechnungen zeigen, dass die Querkräfte im Wesentlichen in der ungerissen Druckzone übertragen werden und somit die Rissreibung im Grenzzustand der Tragfähigkeit keine wesentliche Rolle spielt. Die numerischen und experimentellen Untersuchungen haben weiterhin ergeben, dass die ungerissene Betonzugzone einen wesentlichen Anteil der Querkraft aufnimmt. Basierend auf den theoretischen und experimentellen Untersuchungen wird ein einfaches analytisches Modell zur Berechnung der Querkrafttragfähigkeit von geraden und gevouteten Stahlbetonbalken ohne Bügelbewehrung entwickelt, was erheblich genauere Werte als die bekannten Ansätze liefert.
description: In spite of very long research activities with the first tests conducted by Mörsch in the 1920th, the design for shear of concrete members without transverse reinforcement is still not cleared. This may be demonstrated in the fact that most shear design procedures are not based on mechanical models but on empirical equations which show very big uncertainties. Thus very high safety factors have to be used. The problem of shear design exists primarily for slabs. In Germany numerous old concrete bridges show a lack of safety in transverse direction since the year 2001, when a new DIN-code was introduced. Furthermore the shear design principle of haunched concrete structures, as for example, cantilever slab of bridges, is hardly cleared, up to now. This research work aims to improve the understanding of the shear behaviour, to identify the significant shear resistance mechanisms and finally to develop new shear design models for practical use which is valid for straight and haunched concrete beams without stirrups. The essential, partially very different approaches known from the literature are analysed first and their accuracies are checked by a comparison with the test values from a shear database. Considerable differences appear between the arithmetic results and the test values. To study the behaviour of concrete members under high shear loads an extensive test program with 18 reinforced concrete beams without web reinforcement of different shear slenderness and inclination of compression chord was conducted. These experiments focused on haunched beams. It appears that the existing approaches describe the influence of an inclined compression chord on the shear capacity only in an insufficient manner. In some cases the design according to the DIN- or EC-Code results in unsafe values. To get a better understanding of the load-bearing mechanisms all tests are simulated by means of non-linear Finite Elements analysis with the programme ABAQUS. Very good agreement appears between the test results and those of FE-analysis including the load-deflection curves, the load bearing capacity and the crack patterns. Thus the developed numerical model can simulate the behaviour of reinforced concrete beams up to the ultimate limit state. The FE-analysis demonstrates that the shear forces are transferred in uncracked compression zone mainly. Therefore crack friction and dowel action plays no significant role on shear bearing capacity at the ultimate limit state. As a result of the FE-analysis and the test program, a shear resistance action of uncracked concrete part in the tension zone is firstly introduced to be one of the two main shear bearing actions of concrete structures without stirrups. Based on the theoretical and experimental investigations an easy analytic model is developed for the estimation of the shear capacity of straight and haunched reinforced concrete beams without stirrups. It shows more accurate results than the known approaches.