Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Institut de structures IS (Laboratoire de construction en béton IS-Beton)

Poinçonnement symétrique des dalles en béton armé

Guandalini, Stefano ; Muttoni, Aurelio (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3380.

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    Summary
    Punching of reinforced concrete and prestressed slabs is usually a critical failure mode for the design and verification of structures such as flat slabs or bridge slabs. Although codes of practice propose several rules for common cases (usually with an empirical basis), they do not provide a general tool for studying the punching strength because they are not based on a physical model. Furthermore, a better accuracy in the determination of the punching strength is needed when investigating the ultimate load of existing structures. Recently, test results from a series of 10 concrete slabs without punching reinforcement (performed within this thesis) as well as different tests performed by other researchers allowed to check and validate the application limits of a failure criterion proposed by Professor Muttoni for slabs without punching reinforcement. This failure criterion defines the punching strength mainly as a function of the radial rotation of the slab in the vicinity of the column. Even if a punching failure is predominantly a shear failure, the vertical displacements and the plate rotations before failure are governed mainly by the flexural characteristics of the slab. A computational model for the flexural behavior of concrete slabs has been developed, considering the different material non linearities and allowing also to include the effect of prestressing. Finally, both the failure criterion and the computational model are merged into a physical model which is able to determine the punching strength of symmetrical slabs, with any flexural reinforcement layout (prestressed or not). The comparison between theoretical and experimental results shows good agreement, better than provided by current codes of practice. With this physical model, it is also possible to determine the punching strength for particular cases, not covered by building codes. For instance, in the case of an inner column at a flat slab, it is possible to compute the enhanced punching strength due to the restraint effect exerted by the rest of the slab. The model can also be used to determine the failure load of a foundation plate, considering the interaction between the soil pressure and the slab displacement. Furthermore, it is possible to include temperature effects on the punching strength evaluating the loss of resistance due to fire exposure of the slab. The proposed model is very flexible and can easily be adapted to the different cases which an engineer is confronted to. It revealed itself as a very helpful tool for determining the failure load of an existing structure as well as for designing the reinforcement layout for new projects. Within this thesis, only axisymmetrical cases have been studied. To analyse border or edge columns as well as other non symmetrical cases, the model should be adapted.
    Résumé
    Le poinçonnement des dalles en béton armé ou précontraint est un mode de rupture qui contrôle très souvent le dimensionnement et la vérification de structures de type plancher-dalle ou pont-dalle. Un modèle physique capable de déterminer la résistance au poinçonnement dans des conditions particulières non prévues par les normes et avec une meilleure précision pour les cas usuels est indispensable pour l'évaluation de la capacité portante de structures existantes. Les résultats d'essais en laboratoire menés sur une série de 10 dalles en béton armé sans armature de poinçonnement et les résultats d'essais faits par d'autres chercheurs ont permis de valider et vérifier les limites d'application d'un critère de rupture proposé par le directeur de thèse pour les dalles sans armature de poinçonnement. Ce critère définit la résistance au poinçonnement en fonction principalement de la rotation radiale de la dalle autour de la colonne. Bien que la rupture par poinçonnement se produise finalement par effort tranchant dans la zone fortement comprimée autour de la colonne, la déformée et la rotation de la dalle avant rupture dépendent essentiellement des caractéristiques flexionnelles de la dalle. Un modèle de calcul du comportement en flexion des dalles en béton armé a été développé. Le modèle tient compte entre autres de la non linéarité des matériaux et peut décrire l'effet dû à la précontrainte. La combinaison du critère de rupture et du modèle de calcul du comportement des dalles conduit a un modèle physique qui permet de déterminer la résistance au poinçonnement pour le cas d'une dalle symétrique, avec répartition d'armature à la flexion quelconque, précontrainte ou non. La comparaison entre résultats théoriques et expérimentaux montre de bonnes correspondances et confirme l'applicabilité du modèle physique pour la détermination de la résistance au poinçonnement avec une meilleure précision que les normes actuelles. Le modèle physique est en outre capable de déterminer la résistance au poinçonnement dans des conditions particulières non prévues par les normes. Dans le cas par exemple d'une colonne intérieure d'un plancher-dalle, il est possible de calculer l'augmentation de résistance au poinçonnement en tenant compte de l'effet favorable du confinement du reste de la dalle. Le modèle est aussi applicable au calcul de la résistance au poinçonnement des radiers de fondation et peut déterminer la réaction du sol de fondation sur le radier. Finalement il est aussi possible de considérer l'influence de la température sur la résistance au poinçonnement et déterminer la perte de résistance causée par un incendie. Le modèle proposé est très flexible et facilement adaptable aux cas particuliers qui se posent dans la pratique de l'ingénieur. Il s'agit d'un instrument très utile lors de l'évaluation de la capacité portante de structures existantes, de projets de renforcement, ou de construction innovantes. Dans le cadre de cette thèse, seulement des cas axi - symétriques ont été étudiés. Pour l'analyse de colonnes de bord ou d'angle ainsi que d'autres cas non symétriques, le modèle devrait être adapté.
    Riassunto
    Riassunto Il punzonamento di una piastra in calcestruzzo armato o precompresso è il modo di rottura determinante per il dimensionamento e la verifica di strutture quali solai piani o ponti a piastra. Un modello fisico capace di determinare la resistenza al punzonamento nel caso di condizioni particolari non previste nelle norme e con una maggiore precisione per i casi più ricorrenti è indispensabile per poter valutare la capacità portante di strutture esistenti. Prove di carico in laboratorio sono state eseguite su una serie di 10 piastre in calcestruzzo armato senza armatura al taglio. I risultati di tali prove, insieme a quelli ottenuti da altri ricercatori, hanno permesso di convalidare e verificare i limiti di impiego di un criterio di rottura per piastre senza armatura al taglio proposto dal relatore. Tale criterio definisce la resistenza al punzonamento in funzione principalmente della rotazione radiale della piastra nei pressi della colonna. Benchè la rottura finale per punzonamento avvenga a causa dello sforzo di taglio nella zona fortemente compressa attorno alla colonna, il comportamento deformativo antecedente alla rottura dipende essenzialmente dalle caratteristiche flessionali della piastra. Un modello di calcolo del comportamento alla flessione delle piastre in calcestruzzuo armato è stato sviluppato. Il modello tiene conto anche della non linearità dei materiali e sa descrivere l'effetto dovuto ad una precompressione. La combinazione del criterio di rottura e del modello di calcolo del comportamento delle piastre conduce ad un modello fisico che permette di determinare la resistenza al punzonamento nel caso di piastre simmetriche, con qualunque ripartizione dell'armatura flessionale, con o senza precompressione. Il confronto tra risultati teorici e sperimentali mostra una buona corrispondenza e conferma l'applicabilità del modello nella determinazione della resistenza al punzonamento con una precisione migliore rispetto alle norme. Il modello fisico inoltre è in grado di determinare la resistenza al punzonamento anche in casi particolari non previsti dalle norme. Nel caso per esempio di una colonna interna di un solaio piano è possibile calcolare l'aumento di resistenza al punzonamento dovuto all'effetto favorevole di confinamento esercitato dal resto della piastra. Il modello è anche applicabile al calcolo della resistenza al punzonamento di platee di fondazione ed è in grado di determinare la reazione del suolo sulla platea. È inoltre possibile considerare l'influsso della temperatura sulla resistenza al punzonamento e determinare la perdita di resistenza causata da un incendio. Il modello proposto è molto flessibile e facilmente adattabile ai casi particolari che si pongono nella pratica dell'ingegnere. Si tratta di uno strumento molto utile nel caso di valutazione della capacità portante di strutture esistenti, per il progetto di rinforzi strutturali, o per costruzioni innovative. Nell'ambito di questa tesi sono stati studiati solamente i casi assialsimmetrici. Il modello dovrebbe quindi essere adattato per l'analisi di colonne di bordo o d'angolo così come per altri casi non simmetrici.
    Zusammenfassung
    Das Durchstanzen von Stahl- oder Spannbetondecken ist eine Versagensart, die für den Entwurf und die Bemessung von Tragwerke wie Flachdecken oder Plattenbrücken im Allgemein oft maßgebend ist. Ein physisches Modell, das ermöglicht die Durchstanzlast unter speziellen, von den Normen nicht berücksichtigten Bedingungen, und mit einer besseren Präzision unter normalen Bedingungen zu bestimmen, ist unerlässlich um den Widerstand bestehender Tragwerke abzuschätzen. Eine Serie von zehn im Versuchslabor an Stahlbetonplatten ohne Schubbewehrung durchgeführten Durchstanzversuchen und die Versuche von anderen Forschern haben ermöglicht, ein vom Prof. Muttoni vorgeschlagenes Bruchkriterium bezüglich Platten ohne Schubbewehrung zu bestätigen und dessen Anwendungsgrenzen nachzuweisen. Das Bruchkriterium definiert den Durchstanzwiderstand in erster Linie in Funktion von der radialen Plattenrotation bei der Stütze. Obwohl das Durchstanzversagen aufgrund einer zu hohen Schubbeanspruchung in der stark druckbeanspruchten Zone rund um die Stütze erfolgt, hängen die Plattendurchbiegung und die Rotation vor dem Versagen vorwiegend von den Plattenbiegeverhalten ab. Zur Beschreibung dieses Biegeverhaltens wurde ein nichtlineares Rechenmodell für Stahl- und Spannbetonplatten entwickelt. Die Kombination des Bruchkriteriums und des Rechenmodells für Biegeverhalten führt zu einem physischen Modell das ermöglicht die Durchstanzlast für den symmetrischen Fall, mit beliebig angeordneter Biegebewehrung sowie mit oder ohne Vorspannung zu bestimmen. Der Vergleich zwischen theoretischen und experimentellen Ergebnissen ist gut und zeigt, dass das physische Modell für die Ermittlung des Durchstanzwiderstandes von Stahl- und Spannbetondecken angewendet werden kann. Es erlaubt für die klassischen Fälle im Vergleich zur gegenwärtigen Normen eine genauere Bestimmung der Durchstanzlast. Außerdem kann das entwickelte physische Modell auch für außergewöhnliche, in den Normen nicht berücksichtigten Fälle eingesetzt werden. Es ist zum Beispiel möglich, die Steigerung des Durchstanzwiderstandes im Fall einer Innenstütze einer Flachdecke infolge behinderter Querausdehnung durch die übrigen Deckenabschnitte abzuschätzen. Ebenso ermöglicht das Modell die Durchstanzlast einer Fundamentplatte zu bestimmen, indem die Interaktion zwischen Sohldruckspannung und Plattenverschiebung berücksichtigt wird. Es ist aber auch möglich, den Temperatureinfluss auf den Durchstanzwiderstand zu berücksichtigen und somit den Widerstandsverlust infolge Brandeinwirkung zu bestimmen. Das vorgeschlagene Modell ist somit sehr flexibel und kann den verschiedensten Fällen der Ingenieurpraxis angepasst werden. Es handelt sich um ein sehr nützliches Hilfsmittel bei der Abschätzung des Widerstandes bestehender Bauten oder neuer Verstärkungsprojekte. Lediglich rotationssymmetrische Fälle sind in dieser Dissertationsarbeit betrachtet worden. Um Rand- und Eckstützen sowie andere nichtsymmetrische Fälle zu analysieren, sollte das Modell angepasst werden.