Stephan Görtz, Patrick Widell, Birol Fitik, Thomas Zedler

• Eine Torsionsbeanspruchung stellt eine der grundsätzlichen Belastungsarten eines Balkenbauteils dar, wobei die Beanspruchung zumeist in Kombination mit einer ergänzenden Biege- bzw. Querkraftbeanspruchung einhergeht. Die Nachrechnung zahlreicher älterer Bestandsbrückenbauwerke infolge des gestiegenen Schwerlastverkehrs zeigt, dass gerade bei den Beanspruchungsarten Querkraft und Torsion vielfach rechnerische Defizite festzustellen sind, obwohl das äußere Erscheinungsbild oft noch keine Anzeichen einer Überbeanspruchung erkennen lässt. Während die Bemessungsmodelle für Stahlbeton- bzw. Spannbetonbauteile für Querkraft durch zahlreiche wissenschaftliche Arbeiten immer weiter verfeinert wurden, sind in den letzten 40 Jahren in Deutschland sowie international im Vergleich deutlich wenigerer Untersuchungen zu Stahlbeton- und Spannbetonbauteilen unter Torsionsbelastung durchgeführt worden. Um einen ergänzenden Beitrag zur Forschung an torsionsbeanspruchten Bauteilen zu leisten und torsionsbeanspruchte Bauteile in gleichem Maße sicher und effizient auszunutzen, wie dieses unter Querkraftbeanspruchung möglich ist, wurde im Rahmen des vorliegenden Projektes Folgendes erbracht: 1. Zusammenfassende Darstellung des Sachstandes bzw. aktueller Bemessungsmodelle zur Torsionstragfähigkeit von Stahlbeton- und Spannbetonbauteilen. 2. Erstellung einer Datenbank bestehend aus 1.527 Torsionsversuchen an Stahlbeton- und Spannbetonbalken in Kombination mit Beanspruchung infolge Biegung, Normalkraft und Querkraft. Der Aufbau der Datenbank erfolgte angelehnt an die international anerkannten ACI-DAfStb Shear Databases. 3. Überprüfung der Torsionstragfähigkeit von Stahlbeton- und Spannbetonbauteilen in Kombination mit Biegung, Normalkraft und Querkraft im Kontext des aktuellen Eurocode anhand der Datenbank. Basierend auf den Auswertungen wurden Sicherheitsdefizite bzw. Optimierungspotentiale aufgezeigt. Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: (1) Mit dem Torsionsmodell der DIN EN 1992 werden die experimentellen Bruchlasten grundsätzlich gut erfasst. Sicherheitsdefizite bestehen lediglich bei der Druckstrebentragfähigkeit. (2) Bezüglich der Druckstrebnneigung zeigen die durchgeführten Untersuchungen, dass ausgehend von der Rissneigung im Grenzzustand der Tragfähigkeit eine Rotation auf den Plastizitätswinkel möglich ist. Für Bauteile ohne Normalkraftbeanspruchung konnte anhand der Datenbank eine maximale Rotation von 20° festgestellt werden, mit steigender Normalkraftbeanspruchung und damit flacher werdendem Risswinkel nimmt das Rotationspotential ab. (3) Die Druckstrebentragfähigkeit unter Torsionsbeanspruchung liegt gemäß den durchgeführten Untersuchungen sowohl nach DIN EN 1992 als auch nach dem Rechenansatz der prN EN 1992 (Fassung Oktober 2021) auf der unsicheren Seite. Dieses wurde bereits in ZEDLER 2011 festgestellt und ist vor allem darin begründet, dass sich der äußere Teil der Betondeckung unter Torsionseinwirkung teilweise der Beanspruchung entzieht. (4) Die Datenbankauswertungen bestätigen die Untersuchungen von THÜRLIMANN 1975, ZEDLER 2011 bzw. STAKALIES 2021, nachdem auch Bewehrung im Inneren des idealisierten Hohlkastens einen Beitrag zur Torsionstragfähigkeit liefert und als Torsionslängsbewehrung ansetzbar ist. (5) Darüber hinaus zeigen die Auswertungen an der Datenbank vor allem unter kombinierter Beanspruchung (Torsion mit Biegung bzw. Querkraft), dass die rechnerischen Bruchmomente im Regelfall überschritten werden und daher offensichtlich noch Traglastreserven bestehen. Dieses wird im Wesentlichen auf Umlagerungen der Längsbewehrung innerhalb des Querschnittes sowie auf die Tragwirkung der ungerissenen Betondruckzone zurückgeführt. Basierend auf den o. g. Erkenntnissen wurden Empfehlungen für eine Weiterentwicklung des Torsionsmodells des Eurocode 2 abgeleitet, einmal im Hinblick auf die Bemessung von Neubauwerken und einmal im Hinblick auf die Nachrechnung von Bestandsbauwerken.
• Torsion is one of the basic types of loading on a beam element, which usually acts in combination of an additional bending moment and/or shear forces. With respect to the recalculation of existing bridges momentarily done as result of a significantly increased traffic loading over the past decades, the design checks for shear and torsion loading often cannot be fulfilled, while the structure itself doesn’t present any visible evidence of excessive stress impact. While intensive research studies have been conducted recently to determine the design provisions for the shear bearing capacity of RC and PC elements in a most accurate way, the research studies done with regard to the corresponding intention for a torsion loading have been rather limited in number in Germany and internationally over the last 40 years. In order to improve the knowledge of the load bearing capacity of torsion-stressed elements and utilize those as safely and efficiently as possible for shear loading, the following investigations were carried out as part of this project: 1. Summarizing presentation of the state of the art of current design models to determine the torsional load bearing capacity of reinforced and prestressed concrete members. 2. Creation of a database consisting of 1,527 tests on reinforced concrete and prestressed concrete beams subjected to torsion loading – pure and in combination with bending, normal force and/or shear force. The set up of the database is based on the internationally established standard of the ACI-DAfStb Shear Database. 3. Review of the current design provisions (e. g. Eurocode) with regard to the load bearing capacity of reinforced and prestressed concrete members subjected to torsion or combined loading with bending, normal force and/or shear force using the database. On the basis of these evaluations, insufficient safety levels for particular design checks as well as potential optimization are identified. The results can be summarized as follows: (1) For members with intended, ductile reinforcement failure mode the experimental failure loads are predicted by the torsion design model of DIN EN 1992 with acceptable accuracy. For members with a detected failure of the concrete strut the design provisions reveal an insufficient safety level (2) With regard to the strut inclination the investigations show, that starting with the crack angle a rotation in the direction of the angle of plasticity is possible. For girders without normal force a maximum rotation of 20° could be observed as result of the database analysis. With increasing normal force, and a corresponding flatter crack angle by this, the possible rotation decreases. (3) According to the investigations the failure of the concrete struts is predicted with insufficient safety according to both DIN 1992 as well as the design model of prN 1992 (draft version from October 2021). This was already identified by ZEDLER 2011 and is primarily due to the fact that the concrete cover does, depending on its relative thickness, not contribute to the torsional load bearing capacity. (4) The database evaluations confirm the investigations by THÜRLIMANN 1975, ZEDLER 2011 and STAKALIES 2021 with regard to the positive influence on the load bearing capacity of longitudinal reinforcement positioned inside the idealized hollow box section. (5) In addition, the database analysis identifies, that especially under combined loads (torsion with bending and/or shear force) the calculated failure load for torsion is usually exceeded. By further investigations the detected additional load bearing capacity in case of a combined loading to torsion and bending could be attributed to the redistribution of the longitudinal stresses within the cross-section respectively to the load-bearing capacity of the uncracked concrete compression zone. Based on the above results, recommendations were derived for further development of the torsion model of Eurocode 2 - with regard to the design of new structures as well as with regard to the recalculation of existing buildings.