Betonnen plaatconstructies kunnen worden uitgevoerd zonder dwarskrachtwapening, als de rekenwaarde van de optredende dwarskracht VEd kleiner is dan de rekenwaarde van de dwarskrachtweerstand van de plaat zonder dwarskrachtwapening VRd,c. De huidige formulering voor VRd,c is empirisch afgeleid. Nieuwe inzichten laten duidelijk de beperkingen van deze aanpak zien. Daarom wordt deze formule vervangen in de volgende generatie Eurocode betonconstructies. De aangepaste formule relateert de dwarskrachtcapaciteit aan de scheurwijdte en de ruwheid van de scheur.
Dwarskrachtweerstand gebaseerd op scheurwijdte
Betonnen plaatconstructies kunnen worden uitgevoerd zonder dwarskrachtwapening, als de
rekenwaarde van de optredende dwarskracht V
Ed kleiner is dan de rekenwaarde van de
dwarskrachtweerstand van de plaat zonder dwarskrachtwapening V
Rd,c . De huidige
formulering voor V
Rd,c is empirisch afgeleid. Nieuwe inzichten laten duidelijk de beperkingen
van deze aanpak zien. Daarom wordt deze formule vervangen in de volgende generatie
Eurocode betonconstructies. De aangepaste formule relateert de dwarskrachtcapaciteit aan de scheurwijdte en de ruwheid van de scheur.
Dwarskracht in de volgende generatie Eurocode betonconstructies (1)
42? CEMENT 1 20 23
In dit artikel wordt de dwars-
krachtweerstand besproken voor
elementen zonder normaal-
kracht en waarbij de minimale
dwarskrachtweerstand niet
maatgevend is
(die onderwerpen zullen
in twee vervolgartikelen worden behandeld).
Wanneer geen normaalkracht aanwezig is
(N
Ed = 0) en de minimale dwarskrachtweer-
stand niet maatgevend is (v
min volgens for-
mule 6.2b in de huidige Eurocode), volgt de
rekenwaarde van de dwarskrachtweerstand
voor elementen zonder dwarskrachtwape-
ning (V
Rd,c) uit formule (verkorte weergave
van formule 6.2a):
Formule 1
() c
Rd,c Rd, 1
3
c 1k 100 w k f b d VC ??=??
??
Formule 2
13 dg
1 ck
Rd,c
v 0, 66100 d
f
d ?? = ????
Formule 3
\fc
v4
a ad=
waarin:
C
Rd,c is de rekenwaardefactor, in Nederland
gelijk aan de aanbevolen waarde van 0,12
k
is de f
actor voor het schaaleffect, die
gelijk is aan 1 + ?(200/d), met k ? 2,0
?l is de wapeningsverhouding voor de
langs wapening, die gelijk is aan A
sl / (b w d),
met
?l ? 0,02
d
is de eff
ectieve hoogte van de door-
snede
b
w is g elijk aan de kleinste breedte van de
dwarsdoorsnede in de zone onder trek
f
ck is de karakteristieke cilinderdruk -
ster kte van beton
Deze formule is gebaseerd op de regressie-
analyse volgens Remmel [1]. Het was destijds
de gedachte (Zsutty [2] en Rafla [3]) dat veel
parameters de dwarskrachtweerstand van
elementen zonder dwarskrachtwapening
kunnen beïnvloeden, en dat het ontwikkelen
van een formule gebaseerd op het fysische
gedrag zou leiden tot een formule die te
complex zou zijn voor toepassing in de prak-
tijk. Voor de afleiding van de empirische for-
mule is gebruikgemaakt van onderzoek
door König en Fischer [4], waarvoor 176 ex-
perimenten zijn geselecteerd. Dit heeft gere-
sulteerd in de aanbevolen waarde voor C
Rd,c van 0,12. In Duitsland is in plaats hiervan
gebruikgemaakt van de veel uitgebreidere
ACI-DAfStb dwarskrachtdatabase, opgesteld
door DAfStb (Deutschen Ausschuss für
Stahlbeton) en ACI (American Concrete In-
stitute). Op basis hiervan is in Duitsland de
waarde van
C
Rd,c vastgesteld op 0,10. Dit
toont aan dat een empirische formule af-
hankelijk is van de gebruikte dataset.
Nadelen huidig empirisch model
Ondanks de inspanningen om de empiri-
sche formule te verbeteren door van een
uitgebreidere set experimenten gebruik te
maken, zoals in Duitsland, is het grootste
nadeel van formule 6.2a dat het een empiri-
sche formule is, die uitsluitend is gebaseerd
op regressieanalyse. Het afgelopen decenni-
um, waarin nieuw experimenteel onderzoek
heeft plaatsgevonden en waarin theorieën
zich verder hebben ontwikkeld, is dit nadeel
steeds duidelijker geworden. In het achtergronddocument horende
bij de volgende generatie Eurocode beton-
constructies [18] worden vijf wezenlijke as-
pecten genoemd die ten grondslag liggen
aan de wijzigingen van de formule voor V
Rd,c:
1
De huidig
e formule onderschat de invloed
van het schaaleffect.
2
De huidig
e formule is te conservatief voor
elementen onderworpen aan axiale trek.
3
De in
vloed van de maximale korrelafme-
ting wordt niet meegenomen in de formule.
4
H
et effect van de dwarskrachtslankheid
wordt niet meegenomen in de huidige for-
mule. Hierdoor is de formule mogelijk
onveilig voor slanke elementen en te conser-
vatief voor gedrongen elementen.
5
De d
warskrachtweerstand is empirisch
afgeleid op basis van bestaande experimen-
ten. Dit is potentieel gevaarlijk wanneer de
huidige formule wordt gebruikt buiten het
bereik van een parameter waarvoor de for-
mule empirisch is afgeleid.
Dwarskrachtslankheid? De dwarskrachts-
lankheid is voor een ligger op twee steun-
DR.IR. YUGUANG YANG
Universitair Docent
Technische Universiteit Delft
DR.IR. MARCO ROOSEN
Senior Specialist Rijkswaterstaat auteurs
CEMENT
1 2023 ?43
punten, belast met een puntlast, gedefini-
eerd als de verhouding tussen de lengte van
de dwarskrachtoverspanning a en de effec-
tieve hoogte d. Hierbij is de dwarskracht-
overspanning a gelijk aan de hart-op-hart-
afstand tussen de aangebrachte puntlast en
de ondersteuning (fig. 1). Meer generiek,
dus ook voor doorgaande liggers en verdeel-
de belastingen, wordt de dwarskrachtslank-
heid gedefinieerd als M
Ed/VEd. Hierin is M Ed
het buigend moment en is V
Ed de dwars-
kracht. In de nieuwe Eurocode wordt de
dwarskracht gerelateerd aan de scheur
-
wijdte door
middel van de dwarskrachts-
lankheid: hoe hoger het moment, hoe hoger,
bij een gegeven V
Ed, de dwarskrachtslank-
heid, hoe hoger de rek in de langswapening,
hoe groter de scheurwijdte en dus hoe lager
de dwarskrachtweerstand. De tussen deze
parameters aangenomen relaties worden
in het vervolg van het artikel verder toege-
licht.
Bereik parameters? Als aanvulling op het ge-
noemde vijfde aspect is volgens de auteurs
van dit artikel eveneens de verdeling van de
parameters binnen het beschouwde bereik
van belang. Om dit te demonstreren, kan
worden gekeken naar de ruim 1000 beton-
nen plaatbruggen in het Nederlandse Rijks-
wegennet. De wapeningsverhouding voor de
langswapening
?l van deze bruggen is rela-
tief laag, namelijk tussen 0,6% en 1,2%. Te-
vens heeft meer dan de helft van de plaat- bruggen een grotere effectieve hoogte dan
600 mm. Wanneer naar bijvoorbeeld de 784
relevante experimenten uit de ACI-DAfStb
dwarskrachtdatabase wordt gekeken, heb-
ben maar tien proefstukken een grotere
hoogte dan 600 mm en een
?l van tussen de
0,6% en de 1,2%. Dit is getoond in figuur 2
(het grijs gemarkeerde gebied). Wanneer de
experimenteel gebruikte data niet represen-
tatief zijn voor de beoogde toepassing van de
formule, kan de formule onnauwkeurige
voorspellingen geven die mogelijk onveilig
zijn. Omdat de formule geen fysische basis
heeft, wordt een dergelijke invloed ook niet
'vanzelf ' gecorrigeerd.
Invloed effectieve hoogte
Het overschatten van de dwarskrachtweer-
stand voor grote effectieve hoogten (het
eerdergenoemde schaaleffect) is een goed
voorbeeld van dat de experimenteel ge-
bruikte data niet representatief zijn voor de
toepassing in de praktijk.
Onderzoek TU Delft? Dat voor grotere effec-
tieve hoogten de dwarskrachtweerstand
wordt overschat, blijkt onder andere uit ex-
perimenteel onderzoek dat recentelijk in
opdracht van Rijkswaterstaat is uitgevoerd
door de TU Delft [9-11]. Dit onderzoek richtte
zich op de dwarskrachtweerstand van ge
-
w
apende betonnen elementen zonder
dwarskrachtwapening. De hierbij gebruikte
parameters zijn representatief voor de be-
staande massieve betonnen brugdekken in
1 Geometrie, wapening en testopstelling van dwarskrachtproeven (series H en I)
1
44? CEMENT 1 20 23
Nederland. Zo had een deel van de proef-
stukken een effectieve hoogte van 1200 mm
en was een wapeningsverhouding van de
langswapening gebruikt tussen 0,3% en 1,2%.
Een typische testopstelling voor de uitge-
voerde dwarskrachtproeven is gegeven in
figuur
1. Hierin zijn eveneens de geometrie
en de wapening aangegeven. Foto 3 toont
een proefstuk dat is bezweken op dwars-
kracht. In figuur 4 zijn de experimenteel ge-
vonden waarden van de dwarskrachtweer-
stand, V
R,c(exp) , vergeleken met de dwars-
krachtweerstand die is voorspeld met
formule 6.2a van de huidige Eurocode, V
R,c(EC6.2) . Hierbij is V R,c(EC6.2) , in tegenstelling
tot formule 6.2a, gebaseerd op gemiddelde
waarden zonder partiële veiligheidsfacto-
ren. Bij een ideaal model is V
R,c(EC6.2) altijd ge-
lijk aan V
R,c(exp) . De ratio van V R,c(exp) en V R,c(EC6.2)
is in deze figuur uitgezet tegen de effectieve
hoogte d. De ratio van V
R,c(exp) en V R,c(EC6.2)
neemt duidelijk af bij toename van d. Voor een effectieve hoogte van de
proefstukken van nabij de 1200 mm, is de
voorspelde dwarskrachtweerstand altijd
hoger dan de werkelijke dwarskrachtweer-
stand. In een extreem geval is deze verhou-
ding zelfs kleiner dan 0,5. Dit betekent dat
de huidige Eurocode de werkelijke dwars-
2 Verdeling van effectieve hoogte d en wapeningsverhouding ? l voor de relevante experimenten in de ACI-DAfStb dwarskrachtdatabase [8]
3 Proefstuk H351 na bezwijken op dwarskracht (d = 1160 mm, ?
l = 0,36%)
4 Vergelijking tussen experimentele en de voorspelde (formule 6.2a) weerstand voor de Delftse dwarskrachtdataset
Een van de
belangrijke
uitgangspunten
bij het ontwikke-
len van een
model voor de
dwarskracht-
weerstand is het
verbeteren van
de invloed van
het schaaleffect
2
3 4
CEMENT 1 2023 ?45
krachtweerstand een factor 2 overschat.
Duidelijk is dat formule 6.2a het schaaleffect
van de dwarskrachtweerstand onderschat.
Met andere woorden, de factor k in formule
6.2a houdt onvoldoende rekening met de
reductie van de gemiddelde schuifspannings-
weerstand met een toenemende effectieve
hoogte.
Toronto dwarskrachtproef? Een ander spre-
kend voorbeeld van een relevant experiment
is de Toronto dwarskrachtproef [12] (foto 5).
De proef is uitgevoerd op een betonnen balk
met een hoogte van bijna 4 m. Voorafgaand
aan het dwarskrachtexperiment zijn voor-
spellingen gedaan met de dwarskrachtfor-
mules uit de belangrijkste ontwerprichtlijnen
wereldwijd, waaronder de Eurocode. Het
experimentele resultaat toonde aan dat vrij-
wel alle voorspellingen de invloed van het
schaaleffect onderschatten. Ook voor dit ex-
periment overschatte de huidige Eurocode de werkelijke dwarskrachtweerstand met
een factor 2.
Het verbeteren van de invloed van het
schaaleffect is een belangrijke uitgangspunt
geweest bij het ontwikkelen van een model
voor de dwarskrachtweerstand in de nieuwe
Eurocode. De commissieleden van TG4 stel-
den bovendien voor om uit te gaan van een
model met een duidelijke fysische basis, ge-
zien de beperkingen die zijn ondervonden
met de huidige empirisch afgeleide formule.
Relatie tussen dwarskrachtweer-
stand, scheurwijdte en ruwheid
scheur
Naast het uitvoeren van het experimenteel
onderzoek hebben meerdere onderzoekers
gewerkt aan het ontwikkelen van nieuwe
theoretische modellen die het op dwars-
kracht bezwijken van elementen zonder
dwarskrachtwapening kunnen verklaren,
zoals Vecchio en Collins [13], Yang [14],
Cavagnis [15] en Classen [16]. Bij de experi-
mentele onderzoeken is veelvuldig gebruik-
gemaakt van
Digital Image Correlation (DIC).
DIC is een techniek waarbij een pixelpatroon
wordt aangebracht op de oppervlakte van
een proefstuk, waarvan gedurende het uit-
voeren van het experiment digitale foto's
worden gemaakt. Op basis van een analyse
van de foto's kunnen de relatieve verplaat-
singen worden bepaald. Daarmee is het
mogelijk, beter dan in het verleden, een ge-
detailleerde analyse te maken van het zich
openen van een kritische dwarskracht-
scheur (fig. 6). Op deze manier kan de over-
dracht van schuifspanningen langs een kri-
tische dwarskrachtscheur beter worden
onderzocht. Het is echter nog steeds niet
mogelijk gebleken deze ontwikkelingen
direct te implementeren in een weerstands-
formule die geschikt is voor de praktijk. De
nieuw ontwikkelde modellen hebben echter
wel geleid tot het inzicht dat de dwars-
krachtweerstand van gewapende betonnen
elementen zonder dwarskrachtwapening
gerelateerd kan worden aan het zich openen
van een kritische dwarskrachtscheur. Ook
de Critical Shear Crack Theory (CSCT), een
semi-empirisch model dat is ontwikkeld
door Muttoni [17], gaat uit van dit inzicht.
ARTIKELENSERIE DWARSKRACHT IN DE VOLGENDE GENERATIE EUROCODE
In 2012 werd in Nederland de huidige Eurocode NEN-EN 1992-1-1 geïntroduceerd als de
officiële norm voor het ontwerp en de berekening van betonconstructies. De opvolger
hiervan zal naar verwachting begin 2026 beschikbaar komen. Deze is inmiddels zo ver
gereed dat hierover formeel kan worden gestemd. Het is niet de verwachting dat de norm
nog zal wijzigen.
Vooral de wijze waarop de dwarskrachtweerstand moet worden bepaald, is fundamenteel
gewijzigd. Deze wijzigingen zullen aanzienlijke gevolgen hebben voor de bouwpraktijk.
Aan de dwarskrachtformules is sinds 2012 gewerkt door een taakgroep binnen CEN (CEN/
TC250/SC2/WG1/TG4). In Nederland zijn onderzoekers van de TU Delft, TNO en Rijkswa-
terstaat hierbij betrokken geweest.
In een serie artikelen wordt de aangepaste methodiek voor het bepalen van de dwars-
krachtweerstand beschreven en vergeleken met de huidige methodiek. Hierbij zal ook
aandacht zijn voor de vraag of het wijzigen van de dwarskrachtregels wel nodig is. Met
deze serie artikelen wordt getracht inzicht te geven in de achtergronden van de volgende
generatie Eurocode betonconstructies, zodat op deze manier kan worden bijgedragen
aan een soepelere invoering in Nederland.
Het eerste (onderhavige) artikel richt zich op de dwarskrachtweerstand van elementen
zonder dwarskrachtwapening. Over dit onderwerp zullen nog twee vervolgartikelen ver-
schijnen, namelijk (i) het effect van de normaalkracht op de dwarskrachtweerstand en (ii)
de minimale dwarskrachtweerstand van elementen zonder dwarskrachtwapening. Ook
over de dwarskrachtweerstand van elementen mét dwarskrachtwapening zal een artikel
volgen. Vervolgens zal een artikel worden gewijd aan het bepalen van de dwarskracht-
weerstand bij de beoordeling van bestaande constructies. De serie artikelen zal worden
afgesloten met twee artikelen over de impact van de wijzigingen voor de bouwpraktijk,
één voor infrastructurele werken en één voor de utiliteitsbouw.
46? CEMENT 1 20 23
Deze CSCT vormt de basis voor de dwars-
krachtweerstand in de nieuwe Eurocode.
In de CSCT zijn een aantal vereenvoudigin-
gen doorgevoerd, zodat een praktische
d
warskrachtformule voor de praktijk kon
worden ontwikkeld met behoud van het
eerdergenoemde fysische inzicht. Zo is als
vereenvoudiging aangenomen dat het zich
openen van een dwarskrachtscheur kan wor -
den uitgedrukt met de gemiddelde scheur-
wijdte. Deze gemiddelde scheurwijdte w ka
n
worden gerelateerd aan het product van de rek van de langswapening (
?v) en de scheur-
afstand, waarvoor voor de eenvoud d w
ordt
aangehouden. Aangezien
?v direct gerelateerd
is aan het buigend moment M (
?v = M / z As Es),
kan de dwarskracht
slankheid (
a / d of M
Ed / V Ed)
direct in de weerstandsformule worden op -
genomen. In de CSCT is verder de dwars-
krachtweerstand van elementen met ver-
schillende dwarsdoorsneden en de
cilinder
druksterkten genormaliseerd met de
term: V
R,c / (b w d ? f cm).
In tegenstelling tot volledig empirische
of volledig theoretische modellen, is bij
5
5 Dwarskrachtexperiment op een betonnen balk van 4 m hoog in Toronto
6 De ontwikkeling van scheuren tijdens een dwarskrachtexperiment aan de TU Delft verkregen uit DIC-analyse
Door uit te
gaan van een
formule met
een fysische
basis wordt de
invloed van de
dwarskracht-
slankheid (of de
scheurwijdte)
meegenomen
net als de
invloed van de
maximale
korrelafmeting
6
CEMENT 1 2023 ?47
de ontwikkeling van de CSCT een tussen-
stap genomen. Hierbij is aangenomen dat
V
R,c / (b w d ?f cm) kan worden gerelateerd aan
de gemiddelde scheurwijdte w. In plaats van
een complex model te ontwikkelen, heeft
CSCT een regressieanalyse toegepast om
een eenvoudige formule te kunnen afleiden.
Deze regressieanalyse is gebaseerd op een
selectie van in totaal 285 experimenten.
Figuur 7 toont de uit de regressieanalyse
afgeleide hyperbolische vergelijking. De pa-
rameter d
dg, die wordt gebruikt in de term
?v d / d dg, refereert aan de gemiddelde ruw-
heid van de kritische scheur en is afhanke-
lijk van de gebruikte maximale korrelafme-
ting en de cilinderdruksterkte van beton.
In de nieuwe Eurocode is de hyperbolische
vergelijking alleen opgenomen in de annex
voor de beoordeling van bestaande con-
structies (prEN 1992-1-1, Annex I). Voor de
hoofdtekst van de nieuwe Eurocode is deze
hyperbolische relatie verder vereenvoudigd
door Cavagnis [15], zodat de vorm lijkt op
formule 6.2a in de huidige Eurocode. Om
iteraties te voorkomen, is deze formule in
een gesloten vorm afgeleid. De uiteindelijke
formulering wordt verderop in dit artikel
gegeven en verder uitgelegd (onder kopje 'Schuifspanningsweerstand'). Een nadelig
gevolg van deze eenvoudige formulering is
dat voor elementen met een effectieve hoog-
te groter dan 500 mm nog steeds een cor-
rectiefactor k
vd nodig is om het schaaleffect
te corrigeren (k
vd = 1,35 (100 ?l d / d dg)1/10).
Het voordeel van de gehanteerde aanpak is
dat, in tegenstelling tot veel puur theoreti-
sche modellen, een niet al te ingewikkeld
model kon worden afgeleid. Anderzijds biedt
het model nog steeds een duidelijke fysische
verklaring van het dwarskrachtgedrag.
De formule is daarom minder gevoelig voor
de selectie van de data in vergelijking tot
een puur empirisch afgeleide formule.
Hoewel hij is afgeleid van een veel kleinere
dataset, blijkt de formule de dwarskracht-
weerstand goed te kunnen voorspellen
voor een zeer uitgebreide dataset, waar
-
onder
de ACI-DAfStb dwarskrachtdatabase,
de Delftse dwarskrachtproeven op platen
en zelfs de 4 m hoge balk die is beproefd in
Toronto (fig. 7). Hoewel bij deze dwars
-
kr
achtexperimenten zeer verschillende
combinaties van parameters zijn gebruikt,
hebben alle gegevenspunten een zeer sterke
cohesie. Een gedetailleerde afleiding van
de formule naar zijn huidige vorm is te
vinden in het achtergronddocument van
7 Relatie tussen ? v d / d dg en de genormaliseerde dwarskrachtweerstand V R,c / (b w d ?f cm)
voor zowel de prEN 1992-1-1 als voor experimenteel gevonden waarden
7
48? CEMENT 1 20 23
de volgende generatie Eurocode beton -
constructies [
18].
Gezien de fysische basis van de formule kon
deze op een consistente manier worden uit-
gebreid naar elementen zonder dwars-
krachtwapening onderworpen aan een axia-
le druk (voorgespannen platen) of trek. In
een volgend artikel zal verder worden inge-
gaan op de het effect van de normaalkracht
op de dwarskrachtweerstand van elementen
zonder dwarskrachtwapening.
Schuifspanningsweerstand
Nu de theoretische achtergrond is beschre-
ven, zal de formulering volgens de nieuwe
E
urocode worden toegelicht. In de nieuwe
Eurocode wordt niet langer de dwarskracht -
weerstand beschreven maar de schuif
-
spannings
weerstand. Dit vereenvoudigt de
formulering en maakt de in de praktijk
gevonden weerstanden beter herkenbaar.
De rekenwaarde van de schuifspannings-
weerstand van elementen zonder dwars
-
kr
acht
w
apening kan worden bepaald met
de formule:
Formule 1
() c
Rd,c Rd, 1
3
c 1k 100 w k f b d VC ??
= ??
??
Formule 2
13 dg
1 ck
Rd,c
v
0, 66
100 d
f
d
?? = ????
Formule 3
\fc
v4
a ad=
Hierin is ?v de partiële factor voor de dwars-
krachtweerstand als er geen dwarskracht-
wapening aanwezig is. De parameter d
dg
beschrijft de gemiddelde ruwheid van de
kritische scheur. Hierbij is d
dg gelijk aan:
ddg = 16 mm + D onder (? 40 mm) voor beton
met f
ck ? 60 MPa
ddg = 16 mm + D onder (60/ f ck)2 (? 40 mm) voor
beton met f
ck > 60 MPa
Hierbij wordt met D
onder gerefereerd aan de
korreldiameter en is D
onder gedefinieerd als
de kleinste waarde van de grootste zeefmaat
D voor de grofste korrelgroep volgens de
specificatie van het beton. Wanneer in de
praktijk geen ondergrens wordt gehanteerd,
zal D
onder moeten worden voorgeschreven
door de constructeur. De dwarskrachtweer-
stand neemt toe wanneer een grotere maxi-
male korrelafmeting wordt gebruikt door
toename van de scheurwrijving (aggregate
interlock). Voor f
ck > 60 MPa is deze toename
beperkter, omdat de scheuren zich door het toeslagmateriaal in plaats van eromheen
vormen. Hierdoor neemt de relatieve toena-
me van scheurwrijving af.
De parameter d is de effectieve hoogte.
In de formule kan voor de eenvoud d wor -
den ingevuld om de weerstand te bepalen.
Op deze manier wordt zonder veel inspan-
ning een conservatieve waarde voor
?Rd,c
gevonden. Maar de d kan ook worden ver-
vangen door de mechanische dwarskracht-
overspanning
av die, onder de voorwaarde
dat a
cs < 4d, gelijk is aan:
= sc
v4
a ad
In deze formule is a cs de effectieve dwars-
krachtoverspanning gerelateerd aan de
toetsdoor
snede. Hierbij is a
cs gelijk aan
| M
Ed / V Ed| ? d . Als a v in plaats van d wordt
gebruikt, wordt rekening gehouden met de
in
vloed van het moment (en dus de rek in
de langswapening en de gemiddelde scheur-
wijdte) op de dwarskrachtweerstand. De
maatg
evende toetsdoorsnede moet worden
gezocht en voor elke toetsdoorsnede moet
worden nagegaan welke belastingscombina -
tie leidt tot de maatgevende combinatie van
snedekr
achten. Hierdoor kan een hogere
waarde voor de dwarskrachtweerstand wor -
den gevonden dan wanneer eenvoudigweg d
w
ordt ingevuld, zij het met aanzienlijk meer
inspanning.
Voor het beoordelen van de dwarskracht-
weerstand bij bestaande bouw wordt de
weerstand expliciet gerelateerd aan de ge-
middelde scheurwijdte. Dit komt tot uiting
in de formule voor de rekenwaarde voor de
schuifspanningsweerstand
?Rd,c (Annex
I.8.3.2(1)), die is gerelateerd aan het product
van de rek in de langswapening
?v en de ef-
fectieve hoogte d (de hyperbolische relatie,
volgens figuur 7). Door gebruik te maken
van de originele formule zonder vereenvou-
digingen ontstaat meer flexibiliteit in de
toepassing van de formule voor complexe
gevallen.
De schuifspanningsweerstand
?Rd,c moet
g
roter zijn dan de gemiddelde schuif-
spanning
?Ed,c. Voor platen wordt de
CEMENT 1 2023 ?49
schuifspanning gevonden door de reken-
waarde van de dwarskracht per breedte-
eenheid v
Ed te delen door z, de hefboomsarm
voor het berekenen van de schuifspanning.
Deze hefboomsarm z is gelijkgesteld aan
0,9 d. Voor liggers wordt
?Rd,c gevonden door
de rekenwaarde van de dwarskracht in de
beschouwde doorsnede V
Ed te delen door de
minimale breedte b
w en z.
Samengevat
In de nieuwe Eurocode is de maximale
dwarskrachtweerstand gerelateerd aan de
gemiddelde scheurwijdte en de ruwheid van
de scheur. Vanwege de fysische basis is de
formule minder gevoelig voor de selectie van
de data in vergelijking tot een puur empirisch
afgeleide formule.
Door uit te gaan van een formule met een
fysische basis wordt de invloed van de
dwarskrachtslankheid (of de scheurwijdte)
meegenomen evenals de invloed van de
maximale korrelafmeting. Daarnaast wordt
beter rekening gehouden met de invloed van
het schaaleffect. Het effect van deze aspecten
is in de huidige Eurocode onvoldoende be-
schouwd, waardoor de weerstand van (plaat-)
elementen zonder dwarskrachtwapening
significant kan worden onder- of overschat.
Het gebruik van een model met een fysi-
sche basis draagt bij aan het inzicht in het
dwarskrachtgedrag en de wijze waarop ver-
schillende parameters de weerstand beïn-
vloeden.
Om voor een optimaal ontwerp uit te kun-
nen gaan van de maximale dwarskracht-
weerstand, is een aanzienlijke inspanning
van de constructeur nodig. Hierdoor kan de
formule voor dwarskrachtweerstand worden
gezien als een stap terug in gebruiksgemak.
Hierop wordt in een vervolgartikel verder
ingegaan.
LITERATUUR
1?Remmel, G., Zum
Zugtragverhalten hochfester
Betone und seinem Einfluss auf die
Querkrafttragfahigkeit von
schlanken Bauteilen ohne
Schubbewehrung, in TH
Darmstadt. 1992: Darmstadt.
2?Zsutty, T.C., Shear Strength
Prediction for Separate Catagories
of Simple Beam Tests. ACI Journal
68(2), 1971, p. 138-143.
3?
Rafla, K., Empirische Formeln zur
Berechnung der Schubtrag f ähigkeit
von Stahlbetonbalken (Empirical
formulas for the calculation of
shear capacity of reinforced
concrete beams). Strasse Brücke
Tunnel 23(12), 1971, p. 311-320.
4?König, G. and J. Fischer, Model
Uncertainties Concerning Design
Equations for the Shear Capacity
of Concrete Members without
Shear Reinforcement, CEB Bulletin
No. 224. 1995, p. 117.
5?Reineck, K.-H., D.A. Kuchma, and
B. Fitik, Erweiterte Datenbanken
zur U?berpr
ü fung der
Querkraftbemessung f
ü
r
Konstruktionsbetonbauteile mit
und ohne B
ü gel. Deutscher
Ausschuss fu?r Stahlbeton, 597, 2012.
6?Yang, Y., et al., Shear Capacity
of 50 Years Old Reinforced
Concrete Bridge Decks without
Shear Reinforcement, in The 3rd Congress of the International
Federation for Structural Concrete.
2010: Washington DC.
7?Yang, Y., et al., The shear
capacity of reinforced concrete
members with plain bars, in
Structural faults and repair. 2016:
Edinburg.
8?Reineck, K.H., et al., ACI-DAfStb
Database of Shear Tests on
Slender Reinforced Concrete
Beams without Stirrups. ACI
Structural Journal, 2013. 110(5),
p. 867-875.
9?Yang, Y., H. van der Ham, and
M. Naaktgeboren, Shear capacity
of RC slab structures with low
reinforcement ratio ? an
experimental approach, in
fib symposium. 2021: Lisbon.
10?Yang, Y. and R.T. Koekkoek,
Measurement report on the
transition between flexural and
shear failure on RC beams without
shear reinforcement. 2016, Delft
University of Technology: Delft.
11?Yang, Y., Shear behaviour of
deep RC slab strips (beams) with
low reinforcement ratio. 2021, Delft
University of Technology.
12?Collins, M.P., et al., The
Challenge of Predicting the Shear
Strength of Very Thick Slabs.
Concrete International 37(11), 2015,
p. 29-37.13?Vecchio, F.J. and M.P. Collins,
The Modified Compression-Field
Theory for Reinforced Concrete
Elements Subjected to Shear.
ACI Journal 83(2), 1986, p. 219-231.
14?Yang, Y., Shear Behaviour of
Reinforced Concrete Members
without Shear Reinforcement ? A
New Look at an Old Problem, in
Department of Civil Engineering.
2014, Delft University of
Technology: Delft, the
Netherlands.
15?Cavagnis, F., Shear in
reinforced concrete without
transverse reinforcement: from
refined experimental
measurements to mechanical
models. 2017, EPFL: Lausanne.
16?Classen, M., Shear Crack
Propagation Theory (SCPT) ? The
mechanical solution to the riddle
of shear in RC members without
shear reinforcement? Engineering
Structures.
17?Muttoni, A. and M.F. Ruiz, Shear
Capacity of Members without
Transverse Reinforcement as
Function of Critical Shear Crack
Width. ACI Structural Journal 105(2)
2008, p. 163-172.
18?Muttoni, A., et al., Background
document to subsections 8.2.1 and
8.2.2: Shear in members without
shear reinforcement. 2021.
50? CEMENT 1 20
23
In het kort
- De formule voor het bepalen van de dwarskrachtweerstand VRd,c in de huidige Eurocode (formule 6.2a) is empirisch afgeleid.
- In het afgelopen decennium is het nadeel van de huidige formule die uitsluitend is gebaseerd op regressieanalyse, steeds duidelijker geworden.
- In het achtergronddocument horende bij de volgende generatie Eurocode betonconstructies worden vijf wezenlijke aspecten genoemd, die ten grondslag liggen aan de wijzigingen van de formule voor VRd,c.
- Een van de belangrijke uitgangspunten bij het ontwikkelen van een model voor de dwarskrachtweerstand is het verbeteren van de invloed van het schaaleffect.
- De nieuw ontwikkelde modellen hebben geleid tot het inzicht dat de dwarskrachtweerstand van gewapende betonnen elementen zonder dwarskrachtwapening kan worden gerelateerd aan het zich openen van een kritische dwarskrachtscheur.
- Critical Shear Crack Theory (CSCT) is een semi-empirisch model dat de basis vormt voor de dwarskrachtweerstand in de nieuwe Eurocode.
- Het voordeel van het uitgaan van de CSCT is dat, in tegenstelling tot puur theoretische modellen, een niet al te ingewikkeld model kon worden afgeleid.
- Door uit te gaan van een formule met een fysische basis wordt de invloed van de dwarskrachtslankheid (of de scheurwijdte) meegenomen net als de invloed van de maximale korrelafmeting.
Artikelenserie dwarskracht in de volgende generatie Eurocode
In 2012 werd in Nederland de huidige Eurocode NEN-EN 1992-1-1 geïntroduceerd als de officiële norm voor het ontwerp en de berekening van betonconstructies. De opvolger hiervan zal naar verwachting begin 2026 beschikbaar komen. Deze is inmiddels zo ver gereed dat hierover formeel kan worden gestemd. Het is niet de verwachting dat de norm nog zal wijzigen.
Vooral de wijze waarop de dwarskrachtweerstand moet worden bepaald, is fundamenteel gewijzigd. Deze wijzigingen zullen aanzienlijke gevolgen hebben voor de bouwpraktijk. Aan de dwarskrachtformules is sinds 2012 gewerkt door een taakgroep binnen CEN (CEN/TC250/SC2/WG1/TG4). In Nederland zijn onderzoekers van de TU Delft, TNO en Rijkswaterstaat hierbij betrokken geweest.
In een serie artikelen wordt de aangepaste methodiek voor het bepalen van de dwarskrachtweerstand beschreven en vergeleken met de huidige methodiek. Hierbij zal ook aandacht zijn voor de vraag of het wijzigen van de dwarskrachtregels wel nodig is. Met deze serie artikelen wordt getracht inzicht te geven in de achtergronden van de volgende generatie Eurocode betonconstructies, zodat op deze manier kan worden bijgedragen aan een soepelere invoering in Nederland.
Het eerste (onderhavige) artikel richt zich op de dwarskrachtweerstand van elementen zonder dwarskrachtwapening. Over dit onderwerp zullen nog twee vervolgartikelen verschijnen, namelijk (i) het effect van de normaalkracht op de dwarskrachtweerstand en (ii) de minimale dwarskrachtweerstand van elementen zonder dwarskrachtwapening. Ook over de dwarskrachtweerstand van elementen mét dwarskrachtwapening zal een artikel volgen. Vervolgens zal een artikel worden gewijd aan het bepalen van de dwarskrachtweerstand bij de beoordeling van bestaande constructies. De serie artikelen zal worden afgesloten met twee artikelen over de impact van de wijzigingen voor de bouwpraktijk, één voor infrastructurele werken en één voor de utiliteitsbouw.
Huidig model dwarskrachtweerstand
In dit artikel wordt de dwarskrachtweerstand besproken voor elementen zonder normaalkracht en waarbij de minimale dwarskrachtweerstand niet maatgevend is (die onderwerpen zullen in twee vervolgartikelen worden behandeld). Wanneer geen normaalkracht aanwezig is (NEd = 0) en de minimale dwarskrachtweerstand niet maatgevend is (vmin volgens formule 6.2b in de huidige Eurocode), volgt de rekenwaarde van de dwarskrachtweerstand voor elementen zonder dwarskrachtwapening (VRd,c) uit formule (verkorte weergave van formule 6.2a):
waarin:
CRd,c is de rekenwaardefactor, in Nederland gelijk aan de aanbevolen waarde van 0,12
k is de factor voor het schaaleffect, die gelijk is aan 1 + √(200/d), met k ≤ 2,0
ρl is de wapeningsverhouding voor de langswapening, die gelijk is aan Asl / (bw d), met ρl ≤ 0,02
d is de effectieve hoogte van de doorsnede
bw is gelijk aan de kleinste breedte van de dwarsdoorsnede in de zone onder trek
fck is de karakteristieke cilinderdruksterkte van beton
Deze formule is gebaseerd op de regressieanalyse volgens Remmel [1]. Het was destijds de gedachte (Zsutty [2] en Rafla [3]) dat veel parameters de dwarskrachtweerstand van elementen zonder dwarskrachtwapening kunnen beïnvloeden, en dat het ontwikkelen van een formule gebaseerd op het fysische gedrag zou leiden tot een formule die te complex zou zijn voor toepassing in de praktijk. Voor de afleiding van de empirische formule is gebruikgemaakt van onderzoek door König en Fischer [4], waarvoor 176 experimenten zijn geselecteerd. Dit heeft geresulteerd in de aanbevolen waarde voor CRd,c van 0,12. In Duitsland is in plaats hiervan gebruikgemaakt van de veel uitgebreidere ACI-DAfStb dwarskrachtdatabase, opgesteld door DAfStb (Deutschen Ausschuss für Stahlbeton) en ACI (American Concrete Institute). Op basis hiervan is in Duitsland de waarde van CRd,c vastgesteld op 0,10. Dit toont aan dat een empirische formule afhankelijk is van de gebruikte dataset.
Nadelen huidig empirisch model
Ondanks de inspanningen om de empirische formule te verbeteren door van een uitgebreidere set experimenten gebruik te maken, zoals in Duitsland, is het grootste nadeel van formule 6.2a dat het een empirische formule is, die uitsluitend is gebaseerd op regressieanalyse. Het afgelopen decennium, waarin nieuw experimenteel onderzoek heeft plaatsgevonden en waarin theorieën zich verder hebben ontwikkeld, is dit nadeel steeds duidelijker geworden.
In het achtergronddocument horende bij de volgende generatie Eurocode betonconstructies [18] worden vijf wezenlijke aspecten genoemd die ten grondslag liggen aan de wijzigingen van de formule voor VRd,c:
- De huidige formule onderschat de invloed van het schaaleffect.
- De huidige formule is te conservatief voor elementen onderworpen aan axiale trek.
- De invloed van de maximale korrelafmeting wordt niet meegenomen in de formule.
- Het effect van de dwarskrachtslankheid wordt niet meegenomen in de huidige formule. Hierdoor is de formule mogelijk onveilig voor slanke elementen en te conservatief voor gedrongen elementen.
- De dwarskrachtweerstand is empirisch afgeleid op basis van bestaande experimenten. Dit is potentieel gevaarlijk wanneer de huidige formule wordt gebruikt buiten het bereik van een parameter waarvoor de formule empirisch is afgeleid.
Dwarskrachtslankheid
De dwarskrachtslankheid is voor een ligger op twee steunpunten, belast met een puntlast, gedefinieerd als de verhouding tussen de lengte van de dwarskrachtoverspanning a en de effectieve hoogte d. Hierbij is de dwarskrachtoverspanning a gelijk aan de hart-op-hart-afstand tussen de aangebrachte puntlast en de ondersteuning (fig. 1). Meer generiek, dus ook voor doorgaande liggers en verdeelde belastingen, wordt de dwarskrachtslankheid gedefinieerd als MEd/VEd. Hierin is MEd het buigend moment en is VEd de dwarskracht.
In de nieuwe Eurocode wordt de dwarskracht gerelateerd aan de scheurwijdte door middel van de dwarskrachtslankheid: hoe hoger het moment, hoe hoger, bij een gegeven VEd, de dwarskrachtslankheid, hoe hoger de rek in de langswapening, hoe groter de scheurwijdte en dus hoe lager de dwarskrachtweerstand. De tussen deze parameters aangenomen relaties worden in het vervolg van het artikel verder toegelicht.
Figuur 1. Geometrie, wapening en testopstelling van dwarskrachtproeven (series H en I)
Bereik parameters
Als aanvulling op het genoemde vijfde aspect is volgens de auteurs van dit artikel eveneens de verdeling van de parameters binnen het beschouwde bereik van belang. Om dit te demonstreren, kan worden gekeken naar de ruim 1000 betonnen plaatbruggen in het Nederlandse Rijkswegennet. De wapeningsverhouding voor de langswapening ρl van deze bruggen is relatief laag, namelijk tussen 0,6% en 1,2%. Tevens heeft meer dan de helft van de plaatbruggen een grotere effectieve hoogte dan 600 mm. Wanneer naar bijvoorbeeld de 784 relevante experimenten uit de ACI-DAfStb dwarskrachtdatabase wordt gekeken, hebben maar tien proefstukken een grotere hoogte dan 600 mm en een ρl van tussen de 0,6% en de 1,2%. Dit is getoond in figuur 2 (het grijs gemarkeerde gebied). Wanneer de experimenteel gebruikte data niet representatief zijn voor de beoogde toepassing van de formule, kan de formule onnauwkeurige voorspellingen geven die mogelijk onveilig zijn. Omdat de formule geen fysische basis heeft, wordt een dergelijke invloed ook niet ‘vanzelf’ gecorrigeerd.
Figuur 2. Verdeling van effectieve hoogte d en wapeningsverhouding ρl voor de relevante experimenten in de ACI-DAfStb dwarskrachtdatabase [8]
Een van de belangrijke uitgangspunten bij het ontwikkelen van een model voor de dwarskrachtweerstand is het verbeteren van de invloed van het schaaleffect
Invloed effectieve hoogte
Het overschatten van de dwarskrachtweerstand voor grote effectieve hoogten (het eerdergenoemde schaaleffect) is een goed voorbeeld van dat de experimenteel gebruikte data niet representatief zijn voor de toepassing in de praktijk.
Onderzoek TU Delft
Dat voor grotere effectieve hoogten de dwarskrachtweerstand wordt overschat, blijkt onder andere uit experimenteel onderzoek dat recentelijk in opdracht van Rijkswaterstaat is uitgevoerd door de TU Delft [9-11]. Dit onderzoek richtte zich op de dwarskrachtweerstand van gewapende betonnen elementen zonder dwarskrachtwapening. De hierbij gebruikte parameters zijn representatief voor de bestaande massieve betonnen brugdekken in Nederland. Zo had een deel van de proefstukken een effectieve hoogte van 1200 mm en was een wapeningsverhouding van de langswapening gebruikt tussen 0,3% en 1,2%. Een typische testopstelling voor de uitgevoerde dwarskrachtproeven is gegeven in figuur 1. Hierin zijn eveneens de geometrie en de wapening aangegeven. Foto 3 toont een proefstuk dat is bezweken op dwarskracht.
Foto 3. Proefstuk H351 na bezwijken op dwarskracht (d = 1160 mm, ρl = 0,36%)
In figuur 4 zijn de experimenteel gevonden waarden van de dwarskrachtweerstand, VR,c(exp), vergeleken met de dwarskrachtweerstand die is voorspeld met formule 6.2a van de huidige Eurocode, VR,c(EC6.2). Hierbij is VR,c(EC6.2), in tegenstelling tot formule 6.2a, gebaseerd op gemiddelde waarden zonder partiële veiligheidsfactoren. Bij een ideaal model is VR,c(EC6.2) altijd gelijk aan VR,c(exp). De ratio van VR,c(exp) en VR,c(EC6.2) is in deze figuur uitgezet tegen de effectieve hoogte d. De ratio van VR,c(exp) en VR,c(EC6.2) neemt duidelijk af bij toename van d.
Figuur 4. Vergelijking tussen experimentele en de voorspelde (formule 6.2a) weerstand voor de Delftse dwarskrachtdataset
Voor een effectieve hoogte van de proefstukken van nabij de 1200 mm, is de voorspelde dwarskrachtweerstand altijd hoger dan de werkelijke dwarskrachtweerstand. In een extreem geval is deze verhouding zelfs kleiner dan 0,5. Dit betekent dat de huidige Eurocode de werkelijke dwarskrachtweerstand een factor 2 overschat. Duidelijk is dat formule 6.2a het schaaleffect van de dwarskrachtweerstand onderschat. Met andere woorden, de factor k in formule 6.2a houdt onvoldoende rekening met de reductie van de gemiddelde schuifspanningsweerstand met een toenemende effectieve hoogte.
Toronto dwarskrachtproef
Een ander sprekend voorbeeld van een relevant experiment is de Toronto dwarskrachtproef [12] (foto 5). De proef is uitgevoerd op een betonnen balk met een hoogte van bijna 4 m. Voorafgaand aan het dwarskrachtexperiment zijn voorspellingen gedaan met de dwarskrachtformules uit de belangrijkste ontwerprichtlijnen wereldwijd, waaronder de Eurocode. Het experimentele resultaat toonde aan dat vrijwel alle voorspellingen de invloed van het schaaleffect onderschatten. Ook voor dit experiment overschatte de huidige Eurocode de werkelijke dwarskrachtweerstand met een factor 2.
Foto 5. Dwarskrachtexperiment op een betonnen balk van 4 m hoog in Toronto
Het verbeteren van de invloed van het schaaleffect is een belangrijke uitgangspunt geweest bij het ontwikkelen van een model voor de dwarskrachtweerstand in de nieuwe Eurocode. De commissieleden van TG4 stelden bovendien voor om uit te gaan van een model met een duidelijke fysische basis, gezien de beperkingen die zijn ondervonden met de huidige empirisch afgeleide formule.
Door uit te gaan van een formule met een fysische basis wordt de invloed van de dwarskrachtslankheid (of de scheurwijdte) meegenomen net als de invloed van de maximale korrelafmeting
Relatie tussen dwarskrachtweerstand, scheurwijdte en ruwheid scheur
Naast het uitvoeren van het experimenteel onderzoek hebben meerdere onderzoekers gewerkt aan het ontwikkelen van nieuwe theoretische modellen die het op dwarskracht bezwijken van elementen zonder dwarskrachtwapening kunnen verklaren, zoals Vecchio en Collins [13], Yang [14], Cavagnis [15] en Classen [16]. Bij de experimentele onderzoeken is veelvuldig gebruikgemaakt van Digital Image Correlation (DIC). DIC is een techniek waarbij een pixelpatroon wordt aangebracht op de oppervlakte van een proefstuk, waarvan gedurende het uitvoeren van het experiment digitale foto’s worden gemaakt. Op basis van een analyse van de foto’s kunnen de relatieve verplaatsingen worden bepaald. Daarmee is het mogelijk, beter dan in het verleden, een gedetailleerde analyse te maken van het zich openen van een kritische dwarskrachtscheur (fig. 6). Op deze manier kan de overdracht van schuifspanningen langs een kritische dwarskrachtscheur beter worden onderzocht. Het is echter nog steeds niet mogelijk gebleken deze ontwikkelingen direct te implementeren in een weerstandsformule die geschikt is voor de praktijk. De nieuw ontwikkelde modellen hebben echter wel geleid tot het inzicht dat de dwarskrachtweerstand van gewapende betonnen elementen zonder dwarskrachtwapening gerelateerd kan worden aan het zich openen van een kritische dwarskrachtscheur. Ook de Critical Shear Crack Theory (CSCT), een semi-empirisch model dat is ontwikkeld door Muttoni [17], gaat uit van dit inzicht. Deze CSCT vormt de basis voor de dwarskrachtweerstand in de nieuwe Eurocode.
Figuur 6. De ontwikkeling van scheuren tijdens een dwarskrachtexperiment aan de TU Delft verkregen uit DIC-analyse
In de CSCT zijn een aantal vereenvoudigingen doorgevoerd, zodat een praktische dwarskrachtformule voor de praktijk kon worden ontwikkeld met behoud van het eerdergenoemde fysische inzicht. Zo is als vereenvoudiging aangenomen dat het zich openen van een dwarskrachtscheur kan worden uitgedrukt met de gemiddelde scheurwijdte. Deze gemiddelde scheurwijdte w kan worden gerelateerd aan het product van de rek van de langswapening (εv) en de scheurafstand, waarvoor voor de eenvoud d wordt aangehouden. Aangezien εv direct gerelateerd is aan het buigend moment M (εv = M / zAs Es), kan de dwarskrachtslankheid (a/d of MEd / VEd) direct in de weerstandsformule worden opgenomen. In de CSCT is verder de dwarskrachtweerstand van elementen met verschillende dwarsdoorsneden en de cilinderdruksterkten genormaliseerd met de term: VR,c / (bw d √fcm).
In tegenstelling tot volledig empirische of volledig theoretische modellen, is bij de ontwikkeling van de CSCT een tussenstap genomen. Hierbij is aangenomen dat VR,c / (bw d √fcm) kan worden gerelateerd aan de gemiddelde scheurwijdte w. In plaats van een complex model te ontwikkelen, heeft CSCT een regressieanalyse toegepast om een eenvoudige formule te kunnen afleiden. Deze regressieanalyse is gebaseerd op een selectie van in totaal 285 experimenten. Figuur 7 toont de uit de regressieanalyse afgeleide hyperbolische vergelijking. De parameter ddg, die wordt gebruikt in de term εv d / ddg, refereert aan de gemiddelde ruwheid van de kritische scheur en is afhankelijk van de gebruikte maximale korrelafmeting en de cilinderdruksterkte van beton.
Figuur 7. Relatie tussen εv d / ddg en de genormaliseerde dwarskrachtweerstand VR,c / (bw d √fcm) voor zowel de prEN 1992-1-1 als voor experimenteel gevonden waarden
In de nieuwe Eurocode is de hyperbolische vergelijking alleen opgenomen in de annex voor de beoordeling van bestaande constructies (prEN 1992-1-1, Annex I). Voor de hoofdtekst van de nieuwe Eurocode is deze hyperbolische relatie verder vereenvoudigd door Cavagnis [15], zodat de vorm lijkt op formule 6.2a in de huidige Eurocode. Om iteraties te voorkomen, is deze formule in een gesloten vorm afgeleid. De uiteindelijke formulering wordt verderop in dit artikel gegeven en verder uitgelegd (onder kopje ‘Schuifspanningsweerstand’). Een nadelig gevolg van deze eenvoudige formulering is dat voor elementen met een effectieve hoogte groter dan 500 mm nog steeds een correctiefactor kvd nodig is om het schaaleffect te corrigeren (kvd = 1,35 (100 ρl d / ddg)1/10).
Het voordeel van de gehanteerde aanpak is dat, in tegenstelling tot veel puur theoretische modellen, een niet al te ingewikkeld model kon worden afgeleid. Anderzijds biedt het model nog steeds een duidelijke fysische verklaring van het dwarskrachtgedrag. De formule is daarom minder gevoelig voor de selectie van de data in vergelijking tot een puur empirisch afgeleide formule. Hoewel hij is afgeleid van een veel kleinere dataset, blijkt de formule de dwarskrachtweerstand goed te kunnen voorspellen voor een zeer uitgebreide dataset, waaronder de ACI-DAfStb dwarskrachtdatabase, de Delftse dwarskrachtproeven op platen en zelfs de 4 m hoge balk die is beproefd in Toronto (fig. 7). Hoewel bij deze dwarskrachtexperimenten zeer verschillende combinaties van parameters zijn gebruikt, hebben alle gegevenspunten een zeer sterke cohesie. Een gedetailleerde afleiding van de formule naar zijn huidige vorm is te vinden in het achtergronddocument van de volgende generatie Eurocode betonconstructies [18].
Gezien de fysische basis van de formule kon deze op een consistente manier worden uitgebreid naar elementen zonder dwarskrachtwapening onderworpen aan een axiale druk (voorgespannen platen) of trek. In een volgend artikel zal verder worden ingegaan op de het effect van de normaalkracht op de dwarskrachtweerstand van elementen zonder dwarskrachtwapening.
Schuifspanningsweerstand
Nu de theoretische achtergrond is beschreven, zal de formulering volgens de nieuwe Eurocode worden toegelicht. In de nieuwe Eurocode wordt niet langer de dwarskrachtweerstand beschreven maar de schuifspanningsweerstand. Dit vereenvoudigt de formulering en maakt de in de praktijk gevonden weerstanden beter herkenbaar. De rekenwaarde van de schuifspanningsweerstand van elementen zonder dwarskrachtwapening kan worden bepaald met de formule:
Hierin is γv de partiële factor voor de dwarskrachtweerstand als er geen dwarskrachtwapening aanwezig is. De parameter ddg beschrijft de gemiddelde ruwheid van de kritische scheur. Hierbij is ddg gelijk aan:
- ddg = 16 mm + Donder (≤ 40 mm) voor beton met fck ≤ 60 MPa
- ddg = 16 mm + Donder (60/fck)2 (≤ 40 mm) voor beton met fck > 60 MPa
Hierbij wordt met Donder gerefereerd aan de korreldiameter en is Donder gedefinieerd als de kleinste waarde van de grootste zeefmaat D voor de grofste korrelgroep volgens de specificatie van het beton. Wanneer in de praktijk geen ondergrens wordt gehanteerd, zal deze moeten worden voorgeschreven door de constructeur. De dwarskrachtweerstand neemt toe wanneer een grotere maximale korrelafmeting wordt gebruikt door toename van de scheurwrijving (aggregate interlock). Voor fck > 60 MPa is deze toename beperkter, omdat de scheuren zich door het toeslagmateriaal in plaats van eromheen vormen. Hierdoor neemt de relatieve toename van scheurwrijving af.
De parameter d is de effectieve hoogte. In de formule kan voor de eenvoud d worden ingevuld om de weerstand te bepalen. Op deze manier wordt zonder veel inspanning een conservatieve waarde voor τRd,c gevonden. Maar de d kan ook worden vervangen door de mechanische dwarskrachtoverspanning av die, onder de voorwaarde dat acs < 4d, gelijk is aan:
In deze formule is acs de effectieve dwarskrachtoverspanning gerelateerd aan de toetsdoorsnede. Hierbij is acs gelijk aan |MEd / VEd| ≥ d. Als av in plaats van d wordt gebruikt, wordt rekening gehouden met de invloed van het moment (en dus de rek in de langswapening en de gemiddelde scheurwijdte) op de dwarskrachtweerstand. De maatgevende toetsdoorsnede moet worden gezocht en voor elke toetsdoorsnede moet worden nagegaan welke belastingscombinatie leidt tot de maatgevende combinatie van snedekrachten. Hierdoor kan een hogere waarde voor de dwarskrachtweerstand worden gevonden dan wanneer eenvoudigweg d wordt ingevuld, zij het met aanzienlijk meer inspanning.
Voor het beoordelen van de dwarskrachtweerstand bij bestaande bouw wordt de weerstand expliciet gerelateerd aan de gemiddelde scheurwijdte. Dit komt tot uiting in de formule voor de rekenwaarde voor de schuifspanningsweerstand τRd,c (Annex I.8.3.2(1)), die is gerelateerd aan het product van de rek in de langswapening εv en de effectieve hoogte d (de hyperbolische relatie). Door gebruik te maken van de originele formule zonder vereenvoudigingen ontstaat meer flexibiliteit in de toepassing van de formule voor complexe gevallen.
De schuifspanningsweerstand τRd,c moet groter zijn dan de gemiddelde schuifspanning τEd,c. Voor platen wordt de schuifspanning gevonden door de rekenwaarde van de dwarskracht per breedte-eenheid vEd te delen door z, de hefboomsarm voor het berekenen van de schuifspanning. Deze hefboomsarm z is gelijkgesteld aan 0,9d. Voor liggers wordt τRd,c gevonden door de rekenwaarde van de dwarskracht in de beschouwde doorsnede VEd te delen door de minimale breedte bw en z.
Samengevat
Literatuur
- Remmel, G., Zum Zugtragverhalten hochfester Betone und seinem Einfluss auf die Querkrafttragfahigkeit von schlanken Bauteilen ohne Schubbewehrung, in TH Darmstadt. 1992: Darmstadt.
- Zsutty, T.C., Shear Strength Prediction for Separate Catagories of Simple Beam Tests. ACI Journal 68(2), 1971, p. 138-143.
- Rafla, K., Empirische Formeln zur Berechnung der Schubtragfähigkeit von Stahlbetonbalken (Empirical formulas for the calculation of shear capacity of reinforced concrete beams). Strasse Brücke Tunnel 23(12), 1971, p. 311-320.
- König, G. and J. Fischer, Model Uncertainties Concerning Design Equations for the Shear Capacity of Concrete Members without Shear Reinforcement, CEB Bulletin No. 224. 1995, p. 117.
- Reineck, K.-H., D.A. Kuchma, and B. Fitik, Erweiterte Datenbanken zur Uberprufung der Querkraftbemessung fur Konstruktionsbetonbauteile mit und ohne Bugel. Deutscher Ausschuss fur Stahlbeton, 597, 2012.
- Yang, Y., et al., Shear Capacity of 50 Years Old Reinforced Concrete Bridge Decks without Shear Reinforcement, in The 3rd Congress of the International Federation for Structural Concrete. 2010: Washington DC.
- Yang, Y., et al., The shear capacity of reinforced concrete members with plain bars, in Structural faults and repair. 2016: Edinburg.
- Reineck, K.H., et al., ACI-DAfStb Database of Shear Tests on Slender Reinforced Concrete Beams without Stirrups. ACI Structural Journal, 2013. 110(5), p. 867-875.
- Yang, Y., H. van der Ham, and M. Naaktgeboren, Shear capacity of RC slab structures with low reinforcement ratio – an experimental approach, in fib symposium. 2021: Lisbon.
- Yang, Y. and R.T. Koekkoek, Measurement report on the transition between flexural and shear failure on RC beams without shear reinforcement. 2016, Delft University of Technology: Delft.
- Yang, Y., Shear behaviour of deep RC slab strips (beams) with low reinforcement ratio. 2021, Delft University of Technology.
- Collins, M.P., et al., The Challenge of Predicting the Shear Strength of Very Thick Slabs. Concrete International 37(11), 2015, p. 29-37.
- Vecchio, F.J. and M.P. Collins, The Modified Compression-Field Theory for Reinforced Concrete Elements Subjected to Shear. ACI Journal 83(2), 1986, p. 219-231.
- Yang, Y., Shear Behaviour of Reinforced Concrete Members without Shear Reinforcement – A New Look at an Old Problem, in Department of Civil Engineering. 2014, Delft University of Technology: Delft, the Netherlands.
- Cavagnis, F., Shear in reinforced concrete without transverse reinforcement: from refined experimental measurements to mechanical models. 2017, EPFL: Lausanne.
- Classen, M., Shear Crack Propagation Theory (SCPT) – The mechanical solution to the riddle of shear in RC members without shear reinforcement? Engineering Structures.
- Muttoni, A. and M.F. Ruiz, Shear Capacity of Members without Transverse Reinforcement as Function of Critical Shear Crack Width. ACI Structural Journal 105(2) 2008, p. 163-172.
- Muttoni, A., et al., Background document to subsections 8.2.1 and 8.2.2: Shear in members without shear reinforcement. 2021.
Reacties
J. de Wit - Vulkan-Europe bv 30 maart 2023 10:42
Als ik de informatie over de nieuwe Eurocode betonconstructies / dwarskracht lees dan merk ik op dat de aangegeven berekeningen gebaseerd zijn op wapening van staal . Maar anno 2023 moet het toch duidelijk zijn dat een wapening van staal vervangen zal worden door een wapening van basaltvezels . Dit alleen al qua materiaal eigenschappen en ook milieutechnisch . Basaltvezel wapening kan niet corroderen dus ook de verwijzing naar de scheurwijdte dient herzien te worden .