Tragwiderstand und Verformungsvermögen von Winkelstützmauern bei lokaler Korrosion der Bewehrung

Um die bestehenden Unsicherheiten bei der Beurteilung der Tragsicherheit vieler bestehender Winkelstützmauern zu beseitigen, die von lokaler Korrosion der Bewehrung oberhalb der Arbeitsfuge am Wandfuss betroffen sind, wurden vom Astra mehrere Forschungsprojekte lanciert. Der vorliegende Bericht fasst die Ergebnisse des in diesem Zusammenhang durchgeführten Forschungsprojekts AGB 2015/028 zusammen, welches die Auswirkungen der lokalen Korrosion auf das Last-Verformungsverhalten untersuchte. Ergänzende Resultate sind in der ETH-Dissertation „Load-deformation behaviour of reinforced concrete structures affected by local corrosion“ von S. Haefliger enthalten, welche diesem Bericht angehängt ist. Ein lokaler Querschnittsverlust der Bewehrung vermindert offensichtlich den Tragwiderstand von Stahlbetontragwerken. Andererseits reduziert er aber auch – infolge der Lokalisierung der Verformungen – in nochmals stärkerem Ausmass ihr Verformungsvermögen. Letzteres ist bei Stützbauwerken äusserst relevant, da der Erddruck als primäre Einwirkung dieser Bauwerke stark verformungsabhängig ist: Die bei der Bemessung von Stützmauern übliche Annahme des aktiven oder erhöhten aktiven Erddrucks setzt ein ausreichendes Verformungsvermögen voraus, welches bei korrodierenden Stützmauern mutmasslich nicht vorhanden ist. Wird bei der Überprüfung solcher Mauern eine geringere Belastung als der Erdruhedruck angesetzt, muss daher ein ausreichendes Verformungsvermögen nachgewiesen werden. Im vorliegenden Projekt wurden dazu benötigte Grundlagen erarbeitet. Die Resultate aus den Versuchen und theoretischen Untersuchungen zeigen, dass Tragwiderstand und Verformungsvermögen massgeblich von der Verteilung des Gesamtquerschnittsverlusts auf die einzelnen Bewehrungsstäbe abhängen, die Angabe eines mittleren oder gesamten Querschnittsverlusts also nicht ausreichend für eine realitätsnahe Beurteilung ist. Weiter beeinflussen lokale Effekte rund um die Korrosionsstelle (dreidimensionaler Spannungszustand und Biegeeffekte) das Last-Verformungsverhalten des Tragwerks und können das Verformungsvermögen günstig beeinflussen. Modelle, die lediglich die Verformungslokalisierung berücksichtigen, unterschätzen demnach das verbleibende Verformungsvermögen. Aus den Erkenntnissen des Projekts wurde in Zusammenarbeit mit der Forschungsstelle des vor dem gleichen Hintergrund durchgeführten Projekts AGB 2015/029 „Bruchverhalten von Winkelstützmauern – Boden-Wand Interaktion“, das auf die geotechnischen Aspekte (u.a. verformungsabhängiger Erddruck) fokussierte, eine mehrstufige Strategie abgeleitet, die für die Überprüfung von Winkelstützmauern mit lokal korrodierender Bewehrung herangezogen werden kann. Weiter werden Empfehlungen für die Projektierung und Ausführung neuer Winkelstützmauern und Hinweise für die weitere Forschung zu korrodierenden Bauwerken gegeben.
Afin d’éliminer les incertitudes lors de l’évaluation de la sécurité structurale des murs de soutènement à semelle affectés par la corrosion des armatures au-dessus du joint de construction à la base du mur, plusieurs projets de recherche ont été lancés par l’OFROU. Ce rapport résume les résultats du projet de recherche AGB 2015/028, qui a étudié les effets de la corrosion locale sur le comportement charge-déformation de ces murs. Les résultats complémentaires sont compris dans la dissertation ETH „Load-deformation behaviour of reinforced concrete structures affected by local corrosion“ de S. Haefliger, qui est jointe à ce rapport. Une réduction locale de la section de l’armature réduit évidemment la résistance ultime des structures en béton armé. Toutefois, elle réduit encore davantage la capacité de déformation des structures, en raison de la localisation des déformations. Ceci est particulièrement important pour les structures de soutènement, parce que la poussée des terres, charge primaire de ces structures, dépend fortement des déformations: L’hypothèse habituelle de la poussée active ou d’une poussée active majorée présuppose une capacité de déformation suffisante, qui n’existe supposément pas dans les murs de soutènement corrodés. Si la poussée des terres considérée lors de la vérification de ces murs est inférieure est à celle au repos, il faut donc vérifier que la capacité de déformation soit suffisante. Le présent projet a permis d’élaborer les bases de calcul requises pour cette preuve. Les résultats des essais et des recherches théoriques montrent que la résistance ultime et la capacité de déformation dépendent de la distribution de la réduction de la section totale sur différentes barres d’armature. L’indication d’une réduction de section moyenne ou totale ne suffit donc pas pour une évaluation réaliste. De plus, les effets locaux autour de la zone corrodée (état de contrainte tridimensionnel et effets de flexion) influencent le comportement charge-déformation de la structure, pouvant améliorer la capacité de déformation. Les modèles qui regardent seulement l’effet de localisation sous-estiment donc la capacité de déformation résiduelle. Sur base des conclusions du présent projet et en collaboration avec l’équipe de recherche du projet AGB 2015/029 „Comportement de rupture des murs de soutènement à semelle – Intéraction sol-mur“, réalisé dans le même contexte et centré sur les aspect géotechniques (notamment la poussée des terres en fonction des déformations), une stratégie en plusieurs étapes a été élaborée pour la vérification des murs de soutènement à semelle affectés par la corrosion locale. De plus, des recommandations pour la conception et la réalisation de nouveaux murs de soutènement cantilever ont été données, ainsi que des indications pour la poursuite des recherches sur les ouvrages affectés par la corrosion.
The Federal Roads Office FEDRO launched several research projects to reduce the present uncertainties regarding the structural safety assessment of many cantilever retaining walls affected by local corrosion of the reinforcement above the construction joint at the wall base. The present report summarises the results of the research project AGB 2015/028, which investigated the effects of local corrosion on the load-deformation behaviour. The ETH dissertation „Load-deformation behaviour of reinforced concrete structures affected by local corrosion“ by S. Haefliger contains supplementary results and is added to the appendices of this report. A local cross-section loss of the reinforcement obviously reduces the load-carrying capacity of reinforced concrete structures. On the other hand, and to an even greater extent, it also reduces their deformation capacity due to the localisation of the deformations. The latter is highly relevant for retaining walls since the earth pressure – as primary load of these structures – strongly depends on the deformation: The usual assumption of an active or increased active earth pressure in the design of retaining walls relies on a sufficient deformation capacity, which is presumably strongly impaired in case of corrosion. Therefore, the deformation capacity needs to be assessed carefully if a lower load than the earth pressure at rest is assumed for corroding retaining walls. For this purpose, the necessary basics were developed within this project. The results of the experiments and theoretical investigations show that the load-carrying and deformation capacity significantly depend on the distribution of the total cross-section loss over the individual reinforcing bars. Therefore, merely indicating a mean or total crosssection loss is not sufficient for a realistic assessment of corroding structures. Moreover, local effects at the corrosion pits (triaxial stress state and bending moments) influence the load-deformation behaviour and can have a favourable effect on the deformation capacity. Models solely considering the strain localisation thus underestimate the residual deformation capacity. Based on the findings of this project, a multilevel strategy for the assessment of cantilever retaining walls affected by local corrosion was elaborated in close collaboration with the research team of the project AGB 2015/029 „Failure of Cantilever Retaining Walls – SoilRetaining Wall Interaction“, which was carried out against the same background but focusing on the geotechnical aspects (including the deformation-dependent earth pressure). Furthermore, recommendations for the design and construction of new cantilever retaining walls and for further research on corroding structures are given.