Dissertation Nr. 14736
Zur Tragfähigkeit stark vorgespannter Betonbalken
Abhandlung zur Erlangung des Titels
DOKTOR DER TECHNISCHEN WISSENSCHAFTEN der
EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE ZÜRICH
vorgelegt von Daia Zwicky Dipl. Bauingenieur ETH
geboren am 6. Juli 1971 Bürger von Mollis GL
angenommen auf Antrag von Prof. Thomas Vogel, Referent Prof. Dr. Aurelio Muttoni, Korreferent
2002
Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit will einen Beitrag leisten zur Anwendung verfeinerter Untersu- chungen auf der Basis der Plastizitätstheorie in der rechnerischen Beurteilung der Trag- sicherheit bestehender Betontragwerke. Sie soll ein Leitfaden sein für die rechnerische Überprüfung, insbesondere von aus profilierten Trägern zusammengesetzten, vorge- spannten Brücken unter besonderer Berücksichtigung kleiner Lagerüberstände und ho- her Vorspanngrade. Die Arbeit beschränkt sich auf die deterministische Beurteilung der Tragsicherheit stark vorgespannter, minimal verbügelter Betonbalken konstanter Bau- höhe. Unter minimal verbügelten Bauteilen werden Tragelemente verstanden, die auf- grund der bei der Bemessung verwendeten Norm lediglich eine konstruktive Bügelbe- wehrung enthalten; als stark vorgespannte Bauteile werden solche aufgefasst, die als Längsbewehrung fast ausschliesslich Spannbewehrung und entsprechend hohe Vor- spanngrade aufweisen.
Die angestellten Überlegungen werden vorwiegend auf profilierte, im Spannbett vor- fabrizierte und zusätzlich nachträglich mit Spanngliedern vorgespannte einfache Balken angewendet; vereinzelt werden auch Hinweise zu Durchlaufträgern gegeben. Die ange- wandten Methoden werden an einem ausgewählten Tragwerk und insbesondere anhand daran durchgeführter Bruchversuche im Massstab 1:1 illustriert.
Die Arbeit besteht aus zwei Teilen und einem Anhang. In einem ersten Teil werden Grundlagen für die Bestimmung von Kennwerten für Stahl, Beton und Verbund bereit- gestellt, die in einer Überprüfung zur Anwendung kommen können, und ihr Verhalten wird diskutiert. Es werden zudem Vorschläge gemacht für die Bestimmung einer effek- tiven Betondruckfestigkeit im ebenen Spannungszustand sowie die mittlere Verbund- spannung auf der Übertragungslänge von Spannbettbewehrung; ein weiterer Schritt un- tersucht den Einfluss von Querdruck auf die Übertragungslänge. Ausserdem wird ein Ansatz für den wirksamen Umfang für Verbund bei gekrümmt geführten Spanngliedern angegeben.
In einem zweiten Teil werden das Vorgehen in rechnerischen Überprüfungen und Bruchmechanismen und Spannungsfelder als verfeinerte Berechnungsmethoden vorge- stellt. Dieser Teil der Arbeit wird mit Überlegungen zur Reduktion von Einwirkungen im Nachweis der Tragsicherheit abgeschlossen.
In einem Anhang wird die Planung, Durchführung und Auswertung von Bruchversu- chen im Massstab 1:1 besprochen. Es wird auf die Besonderheiten, Gemeinsamkeiten und Unterschiede von Labor- und Feldversuchen eingegangen. Es werden Angaben ge- macht zu Belastungsanordnung und -vorrichtungen, Messtechnik, Versuchsdurchfüh- rung und Versuchsüberwachung sowie zur Auswertung, Darstellung, Interpretation und Nachrechnung von Versuchsdaten. Dieser Anhang findet sein Zielpublikum wohl eher bei aktiven und zukünftigen Forschern als bei Ingenieuren in der Praxis.
Summary
This thesis presents refined limit analysis models for checking the structural safety of existing concrete structures. Guidelines for the assessment of such structures are pro- posed, in particular for bridges with profiled concrete girders and minimum overhang at supports and high prestressing ratios. The study is restricted to the deterministic evalua- tion of structural safety of highly prestressed concrete girders of constant height with minimum shear reinforcement. Structural concrete elements are considered to have minimum shear reinforcement if earlier codes required secondary shear reinforcement only. Prestressing ratios are considered high for fully prestressed elements.
The models are mainly applied to existing simply supported, prefabricated, pre-ten- sioned concrete girders that were provided with some additional post-tensioning. Re- marks regarding continuous structures are also given. The use of the models is illustrat- ed using an actual bridge girder and with the results of full-scale tests conducted on this structure.
The thesis is structured in two parts and an appendix. In the first part, basic consider- ations regarding the behavior of the material properties of steel, concrete and bond rele- vant to the assessment of structures are given and discussed. Expressions are proposed for the effective compressive strength of concrete in plain stress as well as for the rela- tionship between average bond strength and the transfer length of pre-tensioned steel.
Furthermore, the effect of transverse pressure on the reduction of the transfer length is discussed. An approach is presented for the circumference of curved prestressing ten- dons effective for bond stresses.
In the second part, a procedure for the assessment of existing concrete structures is treated. Failure mechanisms and stress fields are presented as refined models for the as- sessment. The part is closed with considerations aimed at reducing the applied loads rel- evant when checking structural safety.
The appendix deals with the planning, the implementation and evaluation of full- scale tests. The features, similarities and differences between in-situ and laboratory test- ing are treated. Specifications are proposed for test set-ups and arrangements, monitor- ing and implementation of tests and evaluation, representation, interpretation and re- calculations of experimental data.
