Shear Capacity of Concrete Members under Monotonic and Cyclic Loading

Javidmehr, Sara

To date, a reliable assessment of shear safety of concrete members is a challenging task for evaluation of existing concrete structures such as bridges. Available investigations and models for determination of shear capacity are often based on diagonally cracked members and assure the shear safety mainly based on provided shear rein-forcement. Application of such models results often in a calculated lack of shear resistance due to deficient shear reinforcement, although existing concrete members are often free from diagonal cracks. To avoid over-conservative evaluations in such cases, the shear capacity provided by concrete tensile strength would be evaluated in this thesis. A safe consideration of this load-bearing mechanism for members subjected to cyclic service loads e. g. traffic loads requires, however, an adequate consideration of cyclic damage on concrete tensile behaviour. At first, concrete tensile behaviour under uniaxial tension is investigated using conducted tensile tests on cyclically damaged members and a compiled database of cyclic tensile tests. The findings are used to propose a tensile curve for cyclically damaged concrete. In the second part, cracking of concrete members under shear loading is evaluated using provided mechanical models and shear tests in the technical literature. A database of monotonic and cyclic shear tests on reinforced and prestressed concrete members without shear reinforcement with provided data on diagonal cracking is compiled. Based on monotonic tests of the database, a mechanical model is proposed for a better approximation of diagonal cracking load. This model is adapted later on to derive mechanical models, which account for prestressing as well as cyclic damage. In a higher approximation level, some benchmark shear tests are evaluated using nonlinear finite element (FE) analysis to propose a refined model configuration for reliable assessment of diagonal cracking of shear critical members. The refined model configuration is validated in a further step using the monotonic tests in the shear database. In addition, recommendations are made for numerical prediction of the diagonal cracking load of cyclically damaged concrete members. Finally, the results of the theoretical, experimental and numerical investigations are summarized in proposals for determination of the shear capacity of members under monotonic and cyclic shear loads at the state of diagonal cracking using mechanical and numerical models.

Eine zuverlässige Bewertung der Tragsicherheit von Betonbauteilen ist bislang eine herausfordernde Aufgabe bei der Bewertung bestehender Bauwerke wie Brücken. Vorhandene Untersuchungen und Modelle zur Bestimmung der Querkrafttragfähigkeit basieren oft auf Bauteile, die bereits Schrägrisse aufweisen und bei denen die Querkrafttragfähigkeit über die vorhandene Querkraftbewehrung sichergestellt wird. Die Anwendung solcher Modelle führt oft zu einer rechnerischen defizitären Querkrafttragfähigkeit, obwohl die bestehenden Bauteile oft frei von Schrägrissen sind. Um in solchen Fällen eine zu konservative Bewertung zu vermeiden, wird in dieser Arbeit der Betonzugtraganteil unter Querkraftbeanspruchung bewertet. Eine sichere Berücksichtigung dieses Traganteils für Bauteile wie Brücken, die zyklischen Be-triebslasten ausgesetzt sind, erfordert jedoch eine angemessene Berücksichtigung der zyklischen Schädigung. In dieser Dissertation wird hierzu in einem ersten Schritt das einaxiale Betonzugtragverhalten mithilfe eigener Zugversuche an zyklisch vorgeschädigten Proben und einer erstellten Datenbank zu zyklischen Zugversuchen untersucht. Aus den Ergebnissen wird eine Arbeitslinie für zyklisch vorgeschädigten Beton vorgeschlagen. In einem zweiten Schritt wird die Schrägrissbildung von Betonbauteilen anhand vorhandener mechanischer Modelle sowie vorhandener Querkraftversuche in der Fachliteratur mit dokumentierten Schrägrisslasten bewertet. Hierzu wird eine Datenbank zu monotonsteigend und zyklisch durchgeführten Querkraftversuchen an Stahlbeton- und Spannbetonbalken ohne Querkraftbewehrung aufgebaut. Mithilfe der Datenbank wird ein vorhandener mechanischer Ansatz ausgewählt, optimiert und zur Herleitung weiterer Modelle für die rechnerische Bewertung der Schrägrisslasten von vorgespannten Bauteilen und zyklisch vorbelasteten Stahlbetonbauteilen modifiziert. In einer höheren Nachweisstufe wird anhand von FE-Analysen von Querkraftversuchen eine verfeinerte Modellkonfiguration ausgewählt, welche mit den monotonen Datenbankversuchen validiert wird. Darüber hinaus werden Empfehlungen für die numerische Modellierung der Schrägrissbildung von zyklisch vorgeschädigten Stahlbetonbauteilen gegeben. Schließlich werden die Ergebnisse der theoretischen, experimentellen und numeri-schen Untersuchungen in Vorschläge zur Bewertung der Schrägrissbildung von Bauteilen unter monotoner und zyklischer Querkraftbeanspruchung zusammengefasst.

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Javidmehr, Sara: Shear Capacity of Concrete Members under Monotonic and Cyclic Loading. 2019.

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