Querkrafttragfähigkeit zugbeanspruchter Stahlbetonplatten in Verbundbrücken

Abstract

Im Verbundbau aus Stahl und Beton können in der Betonplatte bereichsweise oder über die gesamte Länge des Trägers Zugnormalkräfte auftreten, die weit größer sind als die Zugnormalkräfte in reinen Stahlbeton- bzw. Spannbetonbauwerken. So ist die in Längsrichtung nicht vorgespannte Fahrbahnplatte einer Stabbogenverbundbrücke oder die Betonplatte über der Stütze von Durchlaufträgersystemen i. A. schon im Gebrauchszustand fast vollständig gerissen. Über diese Risse hinweg müssen Querlasten wie beispielsweise die Radlasten des über die Fahrbahnplatte rollenden Verkehrs abgetragen werden. Die Tragfähigkeit von „gezogenen“ Platten ohne Querkraftbewehrung unter Querbelastung wurde bislang nicht umfassend untersucht. Für die Bemessung wird i. A. eine Gleichung verwendet, die für die Ausnutzung der tragfähigkeitssteigernden Wirkung einer Längsdruckkraft z. B. aus Vorspannung bestimmt wurde. Diese Arbeit hat zum Ziel die Querkrafttragfähigkeit infolge Zugbeanspruchung gerissener Verbundplatten umfassend zu untersuchen. Dazu werden zuerst Versuche anderer Forscher in diesem Themenbereich analysiert sowie einige Modelle zur Querkraftabtragung auf ihre Anwendbarkeit für Stahlbetonplatten mit Längszugkräften überprüft. Eigene Versuche, die im Zusammenhang mit dieser Arbeit durchgeführt wurden, werden beschrieben und ausgewertet. Ein numerisches Modell auf der Grundlage der Methode der Finiten Elemente wird durch Versuchsergebnisse verifiziert und zur Untersuchung verschiedener Einflussparameter auf die Querkrafttragfähigkeit verwendet. Ein mechanisches Modell wird entwickelt, das den Versagensmechanismus des Querkraftversagens bei gleichzeitiger Normalkraftbeanspruchung beschreibt. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit münden in einen Bemessungsansatz, der die Querkrafttragfähigkeit von Platten unter Längszug wirklichkeitsnah erfasst.

In concrete slabs of composite structures tension forces may occur over the whole length or partially, exceeding the tension forces in mere reinforced or prestressed structures. For example the non-prestressed concrete slab in a bowstring arch bridge or the concrete slab above the internal support of a continuous beam are generally almost completely cracked, even under service loading. Those cracks have to transmit the shear forces induced by concentrated loads such as wheel loads. The investigation of the shear capacity of slabs in tension without shear reinforcement has not been processed very far. In practice a design equation is used, that has been derived in order to take into account the positive effect of the compression force in prestressed members. The aim of this work is to thoroughly study the shear capacity of composite slabs cracked by tension stresses. At the beginning test results of other scientists are analysed and some theoretical models for the shear failure mechanism are investigated in order to see, whether they apply for reinforced concrete plates in tension. Laboratory experiments that have been made during this research work are described and evaluated. A numerical model on the basis of the Finite Element method is verified by the test results and used to investigate the influence of different parameters on the shear strength. A new concept is developed modelling the shear failure mechanism of slabs in tension. The results yield a design equation rendering realistic values for the shear capacity of reinforced concrete slabs in tension.