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

Zum Querkraftwiderstand von Stahl- und Spannbetonträgern mit dünnen Stegen

Hars, Eckart ; Muttoni, Aurelio (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3551.

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    Summary
    The design of reinforced and prestressed concrete girders is usually performed so as to avoid any non ductile failure mode. Amongst these failure modes, one of the most undesirable occurs by crushing of concrete in the web. To avoid this brittle type of failure, it is of paramount importance to know precisely the effective compressive strength of concrete in the web. It is reduced by cracking (transverse strains), which is due to the shear deformations. In the presence of post-tensioning cables in the web, cracks may form along the cables inside the web, which also weakens the concrete of the web. Numerous bridges have been built in Switzerland by using profiled girders with thin webs containing only a minimal amount of stirrups but large post-tensioning ducts, which occupy a considerable part of the web width. Both phenomena mentioned above play a role for these bridges, especially for more brittle high performance concrete. The two phenomena are only partly understood. A sound physical model for the shear behaviour as well as a failure criterion are necessary to achieve a uniform safety level for new structures and to evaluate the strength of existing structures. Large-scale laboratory tests on prestressed concrete girders have been conducted in order to improve understanding and to investigate both phenomena in detail. Web crushing along the post-tensioning cables was the mode of failure of all girders. In addition, laboratory tests have been conducted on prismatic specimens to investigate the effect of the presence of a post-tensioning cable in an isolated manner. A physical model has been developed for the shear behaviour of reinforced and prestressed concrete girders. The variation of loading, stresses and strains along the girder axis is taken into account. The shear capacity of the compression flange is considered on the basis of equilibrium and compatibility. The load increase in the post-tensioning cables is calculated with a bond condition. A physical failure criterion has been developed for the effect of the presence of a posttensioning cable. The failure load of the conducted prism tests and a large number available in the literature has been estimated with a good precision for various post-tensioning duct types and concrete cylinder strengths. Based on physical considerations a failure criterion has been developped that takes into account the effect of transverse strains. Both effects are more pronounced for a higher cylinder strength. With the developed physical model and the failure criteria, the failure load of a large number of reinforced and prestressed concrete girders (laboratory and from the literature) has been estimated with good precision. The interaction of the effects of the presence of a post-tensioning cable and of transverse strains has been taken into account for the development of a combined failure criterion. Its format is compatible with the current design codes.
    Zusammenfassung
    Die Bemessung von Stahl- und Spannbetonträgern sollte zum Ziel haben, einen Sprödbruch zu vermeiden. Dabei ist besonders der Stegdruckbruch gefährlich. Um diesen zu beherrschen, muss daher die effektive Druckfestigkeit des Stegbetons genau bekannt sein. Sie wird durch den Verzerrungszustand im Steg, der durch die Schubverformungen hervorgerufen wird, beeinträchtigt. Bei Präsenz von Spanngliedern im Steg kommt es darüber hinaus auf Spanngliedhöhe zur Spaltrissbildung im Steginnern, was den Stegbeton ebenfalls schwächt. In der Vergangenheit sind zahlreiche Brücken aus profilierten Trägern entstanden, die in dem dünnen Steg nur wenig Bügelbewehrung haben, sowie Vorspannglieder, die einen Grossteil der Stegdicke einnehmen. Beide oben genannten Phänomene spielen hier eine Rolle. Dies ist bei Hochleistungsbetonen noch stärker der Fall. Die beiden genannten Phänomene sind nur teilweise verstanden. Ein physikalisches Modell zur Beschreibung des Schubtragverhaltens sowie ein Bruchkriterium sind unabdingbar zur Garantierung gleichmässiger Sicherheit bei der Bemessung neuer Tragwerke sowie bei der Beurteilung bestehender Bauten. Laborschubversuche an Spannbetonträgern im Massstab 1:1 haben ein besseres Verständnis und die detaillierte Untersuchung beider Phänomene ermöglicht. Für alle Träger wurde Stegdruckbruch entlang der Spannglieder erreicht. Zusätzlich wurden Prismenversuche unternommen, um den Effekt der Spanngliedpräsenz isoliert zu untersuchen. Zum Schubtragverhalten von Stahl- und Spannbetonträgern ist ein physikalisches Modell entwickelt worden, das den Verformungszustand berücksichtigt. Das Modell berücksichtigt die Änderung der Einwirkungen, Spannungen und Dehnungen entlang der Balkenachse. Die Schubtragwirkung des Druckgurts wird mit Gleichgewichts- und Verträglichkeitsbetrachtungen berücksichtigt. Der Spannungszuwachs in den Vorspanngliedern wird über eine Verbundbedingung bestimmt. Für den Effekt der Spanngliedpräsenz ist ein physikalisches Bruchkriterium entwickelt worden. Eigene Prismenversuche und die aus der Literatur konnten für unterschiedliche Hüllrohrtypen und Betongüten mit guter Genauigkeit nachgerechnet werden. Für den Einfluss des Verzerrungszustands ist ein Bruchkriterium auf Grundlage der physikalischen Zusammenhänge entwickelt worden. Beide Kriterien tragen der Sprödheit bei höherer Zylinderdruckfestigkeit Rechnung. Gemeinsam mit dem entwickelten Modell und den Bruchkriterien konnte eine Grosszahl an Stahl- und Spannbetonträgern (eigene und aus der Literatur) mit guter Genauigkeit nachgerechnet werden. Dabei wurde die Interaktion zwischen dem Effekt der Spanngliedpräsenz und des Verzerrungszustands für ein kombiniertes Bruchkriterium berücksichtigt. Sein Format ist mit dem moderner Normen kompatibel.
    Résumé
    Le dimensionnement des poutres en béton armé et précontraint est généralement effectué de manière à éviter une rupture fragile. Parmi les modes de rupture fragile, l'un des plus indésirables est celui qui se produit par écrasement des bielles de béton comprimées dans l'âme. Pour maîtriser ce phénomène, il importe de connaître la résistance effective à la compression du béton de l'âme. Elle est réduite par la fissuration (déformation transversale) induite par la flexion. Dans une poutre précontrainte, la présence de câbles dans l'âme peut en outre conduire à une fissuration interne de celle-ci le long des câbles, ce qui réduit également la résistance effective. De nombreux ponts ont été construits en Suisse par des poutres profilées, dont l'âme mince contient peu d'armature d'étriers et dans lesquelles les câbles de précontrainte occupent une partie considérable de la largeur. Les deux phénomènes mentionnés ci-dessus peuvent jouer ici un rôle considérable, qui est encore plus prononcé dans les bétons à hautes performances. Ces deux effets sont compris en partie seulement. Un modèle physique pour décrire le comportement à l'effort tranchant et un critère de rupture sont donc nécessaires pour garantir une sécurité uniforme des nouvelles structures et pour l'évaluation des structures existantes. Une série d'essais en laboratoire à l'échelle 1:1 sur des poutres précontraintes a permis de mieux comprendre et d'investiguer en détail les deux phénomènes. Pour toutes les poutres, la rupture a eu lieu par écrasement de l'âme le long des câbles de précontrainte. Grâce à des essais en laboratoire sur des prismes, l'effet de la présence des câbles de précontrainte a pu être examiné de manière isolée. Un modèle physique pour décrire le comportement à l'effort tranchant des poutres en béton armé et précontraint a été développé. Le modèle prend en compte la variation des efforts, des contraintes et des déformations le long de l'axe de la poutre. La contribution de l'aile comprimée est considérée sur la base de l'équilibre et de la compatibilité. L'augmentation de la force dans les câbles de précontrainte est déterminée par une condition d'adhérence. Un critère de rupture physique a été développé pour tenir compte de la présence des câbles de précontrainte. La charge de rupture des essais sur prismes et d'un grand nombre d'essais similaires de la littérature a été estimée avec une bonne précision pour des types de gaine de précontrainte variables et une résistance à la compression sur cylindre variable. Un critère de rupture a été développé pour l'effet de la déformation transversale sur la base du comportement physique. Les deux critères tiennent compte de la fragilité liée aux bétons à hautes performances. En appliquant le modèle et les critères développés, la charge ultime d'un grand nombre de poutres en béton armé et précontraint (du laboratoire et de la littérature) a été estimée avec une bonne précision. L'interaction des effets de la présence des câbles et de la déformation transversale a été prise en compte pour l'établissement d'un critère de rupture combiné. Son format est compatible avec des normes actuelles.
    Riassunto
    Riassunto Il dimensionamento delle travi in cemento armato e cemento armato precompresso è generalmente effettuato in modo da evitare una rottura fragile. Tra i possibili modi di rottura fragile, uno tra i più pericolosi è quello che si produce per schiacciamento in compressione del calcestruzzo nelle bielle inclinate d'anima. Per controllare questo fenomeno è importante conoscere la resistenza alla compressione effettiva del calcestruzzo nell'anima. Tale resistenza è ridotta a causa della fessurazione (stato di deformazione trasversale alla biella) indotta dalla flessione. In una trave precompressa, inoltre, la presenza di cavi nell'anima può portare alla formazione di fessure localizzate lungo i cavi, che riducono ulteriormente la resistenza effettiva. Numerosi ponti sono stati costruiti in passato con travi profilate la cui anima sottile è provvista di una modesta armatura a taglio e nelle quali i cavi di precompressione occupano una parte considerevole della larghezza dell'anima. Per ponti di questo tipo, i due fenomeni descritti in precedenza possono giocare un ruolo importante, in particolare nel caso dei più fragili calcestruzzi ad alte prestazioni. La comprensione di questi due fenomeni é ancora parziale. Un modello fisico che descriva il comportamento a taglio ed un criterio di rottura sono necessari per garantire una sicurezza adeguata delle nuove strutture e per permettere la valutazione di quelle esistenti. Una serie di esperienze di laboratorio su travi precompresse in scala 1:1 ha permesso una migliore comprensione ed un'analisi dettagliata dei due fenomeni. Per tutte le travi testate, la rottura si è verificata per schiacciamento del calcestruzzo d'anima in corrispondenza dei cavi di precompressione. Un'ulteriore serie di test su prismi ha inoltre permesso di studiare in modo indipendente l'effetto della presenza dei cavi di precompressione. È stato sviluppato un modello fisico per descrivere il comportamento al taglio di travi in cemento armato e cemento armato precompresso. Il modello considera stati di sforzo, tensione e deformazione variabili lungo l'asse della trave. Il contributo dell'ala compressa è introdotto grazie a condizioni di equilibrio e di compatibilità. L'aumento della forza nei cavi di precompressione è considerata tramite una legge di aderenza. È stato sviluppato un criterio fisico di rottura che considera l'effetto legato alla presenza dei cavi di precompressione. Il modello permette di stimare con buona precisione il carico ultimo per i test su prismi e per un gran numero di test similari, reperiti in letteratura. Sono stati considerati test con diversi tipi di guaina di precompressione e con calcestruzzi di diversa resistenza alla compressione su cilindro. Sulla base del comportamento fisico, è stato inoltre sviluppato un criterio di rottura che considera lo stato di deformazione trasversale. I due criteri possono considerare anche la maggior fragilità associata ai calcestruzzi ad alte prestazioni. Il modello ed i criteri sviluppati sono stati applicati all'analisi di un gran numero di test su travi in cemento armato e cemento armato precompresso, svolti in laboratorio o reperiti in letteratura. Il carico ultimo è stato stimato con buona precisione. L'interazione degli effetti dovuti alla presenza dei cavi ed allo stato di deformazione trasversale é stata considerata nella definizione di un criterio di rottura combinato. La formulazione di tale criterio è compatibile con le vigenti norme di costruzione.