Shear capacity of concrete bridge decks without transverse reinforcement

Mit der Einführung der neuen, auf dem Teilsicherheitskonzept basierenden, Normengeneration zeigte sich, dass die Tragfähigkeit von Brückenfahrbahnplatten aus Stahlbeton häufig nicht mehr ohne Querkraftbewehrung nachgewiesen werden kann. Dies steht im Widerspruch zur langjähri-gen Praxis, nach der die Platten von Brücken meist ohne eine Bügelbewehrung im stegnahen Bereich ausgeführt wurden. Eine Untersuchung dieser Diskrepanz ist für die Baupraxis dringend notwendig. Die vorliegende Arbeit soll daher einen Beitrag zum besseren Verständnis des Trag-verhaltens von Platten unter örtlich konzentrierten Einwirkungen, wie Radlasten, und damit zur Weiterentwicklung der Bemessung von Fahrbahnplatten ohne Querkraftbewehrung leisten. Hier-zu werden die wesentlichen Einflussfaktoren, die in einem solchen Bemessungskonzept zu integ-rieren sind, systematisch analysiert. Die Tragfähigkeit von Stahlbetonplatten ohne Querkraftbe-wehrung unter Punktlasten wird durch Versuche und numerische Berechnungen untersucht. Wei-terhin werden die wesentlichen Rechenmodelle für die Anwendung bei Fahrbahnplatten erörtert und mit einer Gegenüberstellung zu Versuchsergebnissen überprüft. Der erste Abschnitt der Arbeit befasst sich mit dem Studium des Tragverhaltens von Stahl-betonbauteilen unter Querkraftbelastung anhand von veröffentlichten Forschungsergebnissen. Eine umfangreiche Datenbank mit Versuchsergebnissen zur Querkrafttragfähigkeit von Stahlbe-tonbalken und verschiedene Querkraftmodelle aus der Literatur werden ausführlich diskutiert. Mittels Regressionsanalysen der Datenbank wird ein neues Rechenmodell entwickelt, dass me-chanisch durch die bestehende Theorie des kritischen Biegeschubrisses und der Anwendung der Bruchmechanik begründet ist. Anschließend erfolgt eine Überprüfung dieses und weiterer Be-messungsansätze durch eine Gegenüberstellung der Rechenergebnisse mit den Versuchswerten der Querkraftdatenbank. Insbesondere wird das Sicherheitsniveau bei Versuchen mit für Fahr-bahnplatten typischen Parametern betrachtet. Die Auswertung zeigt, dass der entwickelte Ansatz weitaus bessere Ergebnisse in diesen Parameterbereichen liefert, als der Ansatz der DIN 1045-1. Des Weiteren werden Einflüsse typischer bei Fahrbahnplatten auftretender Bauteilgeometrien und Belastungsanordnungen auf die Querkrafttragfähigkeit untersucht. Es zeigt sich, dass die in der DIN erlaubte Abminderung der bemessungsrelevanten Querkraft durch Anwendung des Ab-zugswertes Vcc bei Vouten teilweise widersprüchlich ist. Weiterhin liegen in der Literatur nur wenige übertragbare Versuche vor, so dass der Einfluss einer Voute auf die Tragfähigkeit von Platten ohne Querkraftbewehrung experimentell nicht abgesichert ist. Der zweite Abschnitt widmet sich zunächst den verschiedenen Ansätzen zur Schnittgrößen-berechnung von Brückenfahrbahnplatten. Es folgt eine Darstellung speziell auf diese Bauteile zugeschnittener Versuche an Platten unter Einzellasten. Hieraus wird ein Modell zur Berechnung der Tragfähigkeit von Fahrbahnplatten ohne Querkraftbewehrung mit Berücksichtigung abwei-chender Momenten-, Querkraft- und Bewehrungsrichtung entwickelt und dieses mit Versuchser-gebnissen verglichen. Es zeigt sich, dass die bekannten Rechenansätze die Tragfähigkeit auf der sicheren Seite abschätzen. Während die Abweichungen unterschiedlicher Querkraftmodelle rela-tiv gering sind, ergeben sich aus der Systembildung zur rechnerischen Lastausbreitung und Schnittgrößenermittlung, sowie bei Berücksichtigung des Abzugswertes Vcc bei Vouten wesent-liche Differenzen der berechneten Tragfähigkeiten. Aufbauend auf den Erkenntnissen dieser Ar-beit werden weitere experimentelle Untersuchungen empfohlen.After the introduction of the new generation of standards, which are based on the concept of partial safety factors, it became apparent, that the design of reinforced concrete bridge deck slabs is now often governed by the shear bearing capacity. While a sufficient bearing capacity of thin slabs is frequently only reached with the alignment of shear reinforcements, it has formerly been common practice to construct thin bridge deck slabs without shear reinforcement. It is highly essential to further examine this evident discrepancy in order to achieve sound design regulations and correctly asses the reliability of existing bridge deck slabs. Hence, the purpose of this thesis is to analyse the bearing behaviour of slabs under concentrated loads, such as wheel loads, and to further improve the evaluation of the shear bearing capacity of reinforced concrete bridge deck slabs without shear reinforcement. The influencing factors, that have to be integrated in an ap-propriate design formula, are systematically investigated. Furthermore, the load bearing behav-iour of reinforced concrete slabs without shear reinforcement under concentrated loads is studied experimentally and numerically. Fundamental models for the numerical analysis of the shear bearing capacity of reinforced concrete slabs are discussed and compared with test results. The first part of the thesis focuses on the bearing behaviour of reinforced concrete members under shear based on studies of published research results. A substantial database comprising test data and results of experiments with reinforced concrete beams exhibiting shear failures and various models to calculate the shear bearing capacity are discussed. A new model based on the theory of the critical crack in combination with fracture machanics is proposed. The design for-mula is developed by a regression analysis of the shear database. The model is verified and com-pared to the shear database and other models. Particular emphasis is devoted to the accuracy of the various models predicting the bearing capacity of tests with characteristics typical for bridge deck slabs. The model, which has been developed in this thesis, shows a better agreement with test results than the design formula of the present DIN 1045-1. Furthermore, the influence of typical bridge deck slab geometries and load arrangements is examined. A beneficial effect of a tapered slab bottom on the shear capacity as implemented in the DIN code with the reduction shear force Vcc cannot be verified by test results. The second part of the thesis starts with an overview of methods for calculating the shear force distribution in slabs. Following this, large scale tests with slabs under point loads, repre-senting bridge deck slabs, are described and analysed. A procedure for calculating the bearing capacity of bridge deck slabs without shear reinforcement accounting for possible deviations of principal moment, principal shear force and reinforcement directions is described and compared with test results. It appears that the implementation of the known design formulas provides con-servative estimates of the shear bearing capacity. While the capacities calculated with various design formulas differ little, the choice of method determining the design shear force distribution results in a considerable variation of the calculated bearing capacity. The need for further ex-perimental research of slabs under pointloads with and without haunches is emphasized