Paradigms of shear in structural concrete: Theoretical and experimental investigation
Autor: Alexander Beck
Sprache: Englisch
externe SeiteDOI: 10.3929/ethz-b-000482684call_made
Kurzfassung
Diese Dissertation soll einen Beitrag zum tieferen Verständnis des Trag- und Verformungsverhaltens von Scheibenelementen aus Stahlbeton, sowohl mit sehr tiefen Gehalten an, als auch ohne Vertikalbewehrung, unter ebener Beanspruchung liefern. Die elementaren Annahmen, die den meisten vorhandenen Schubmodellen für Stahlbeton zu Grunde liegen – in der vorliegenden Arbeit als Paradigmen bezeichnet – werden identifiziert und auf der Basis einer theoretischen und experimentellen Untersuchung überprüft. Zusätzlich wird das gerissene Scheibenmodell mit fester Rissrichtung (CMM-F) implementiert, um die Studie zu ergänzen. Das CMM-F basiert auf einer mechanisch konsistenten Grundlage und ist geeignet, das Last-Verformungsverhalten von Scheibenelementen, sowohl mit sehr geringen vertikalen Bewehrungsgehalten als auch mit einer einachsigen Bewehrung, vorherzusagen.
Der erste Teil befasst sich mit den theoretischen Grundlagen des Schubtragverhaltens von Stahlbeton. Dabei werden die für diese Abhandlung relevantesten Arbeiten aus der Literatur besprochen. Dies beinhaltet eine Diskussion von Schubmodellen für Stahlbeton mit und ohne Querkraftbewehrung, sowie die Besprechung einer Auswahl von kürzlich erschienenen Publikationen und der Bestimmungen zum Schubtragverhalten in aktuellen Tragwerksnormen. Darüber hinaus werden die identifizierten Paradigmen besprochen. Dies sind (i) die Hypothese spannungsfreier, drehbarer Risse in Traglastverfahren und Druckfeldmodellen, (ii) ein ausgeprägter Effekt von Querdehnungen auf die Betondruckfestigkeit, bekannt als Druckentfestigung, (iii) die Abhängigkeit der Schubtragfähigkeit von der Schubübertragung über vorhandene Risse, beschrieben mittels Schubverzahnungsmodellen, und (iv) die strikte Unterscheidung von Modellen für Stahlbeton mit und ohne Querkraftbewehrung.
Im zweiten Teil wird die Versuchsserie vorgestellt, die zur Überprüfung der Gültigkeit der Paradigmen durchgeführt wurde. Sechs grossmassstäbliche Scheibenelemente mit sehr geringem vertikalem Bewehrungsgehalt – drei mit ρz = 0.22 % und drei mit ρz = 0.14 % – und ein einachsig bewehrtes Scheibenelement wurden in der neu entwickelten Versuchsanlage Large Universal Shell Element Tester getestet. Drei Versuchskörper wurden einer reinen, ebenen Schubbeanspruchung unterworfen und vier Versuche wurden unter einer Kombination von Schub und aufgezwungener Längsdehnung, zwei mit und zwei ohne Gradient über die Höhe, getestet. Dabei wurde moderne Messtechnik, nämlich digitale Bildkorrelation und faseroptische Dehnungsmessungen, eingesetzt. Diese lieferte wertvolle Daten zu den Verformungen und Rissbildern der Betonoberflächen sowie zu den Dehnungen entlang der Bewehrungsstäbe.
Im dritten Teil wird das CMM-F ausführlich besprochen. Zu Beginn werden die für das Modell relevanten Eigenschaften von Beton und Bewehrung sowie deren Verbund erläutert. Nach Anmerkungen zum Rissverhalten wird das Last-Verformungsverhalten von gerissenen Scheibenelementen und damit die Implementierung des CMM-F vorgestellt. Das Modell wird anhand experimenteller Ergebnisse aus der Literatur validiert und mit anderen Modellen verglichen.
Im vierten Teil wird das CMM-F anhand der Ergebnisse der Versuche dieser Studie validiert. Die Korrelation des Modells mit den Versuchsergebnissen liefert Schlussfolgerungen darüber, welches Schubverzahnungsmodell in Verbindung mit dem CMM-F am besten funktioniert und ob die Korrelation konsistent ist. Der Einfluss des vertikalen Bewehrungsgehalts und der aufgezwungenen Dehnung wird ebenfalls untersucht. Daneben werden das Rissverhalten und die Anwendung von Druckfeldmodellen auf leicht bewehrte Scheibenelemente bewertet. Anschließend wird die Schubübertragung über Risse behandelt und die verfügbaren Schubverzahnungsmodelle werden beurteilt: die Rissspannungen werden aus der gemessenen Risskinematik unter Verwendung von drei Schubverzahnungsmodellen und aus dem Gleichgewicht unter Verwendung der gemessenen Bewehrungsdehnungen ermittelt und mit Vorhersagen des CMM-F verglichen. Abschließend werden einige Anmerkungen zur Druckentfestigung gemacht.