Bruchmechanischer Beitrag zur Biegezugfestigkeit von Mauerwerk

Schmidt, Ulf; Reinhardt, Hans-Wolf; Brameshuber, Wolfgang; Jäger, Wolfram

doi:34477

Bruchmechanischer Beitrag zur Biegezugfestigkeit von Mauerwerk = Fracture Mechanical Contribution to the Flexural Strength of Masonry

Schmidt, Ulf

2015

VerantwortlichkeitsangabeUlf Schmidt

ImpressumAachen : Mainz 2015

UmfangXI, 301 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-95886-025-4

ReiheAachener Beiträge zur Bauforschung ; 19

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Prüfungsjahr: 2014. - Publikationsjahr: 2015.

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Brameshuber, Wolfgang (Thesis advisor) ; Jäger, Wolfram (Thesis advisor) ; Reinhardt, Hans-Wolf (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-04-07

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-015364
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/464788/files/464788.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Baustoffkunde und Institut für Bauforschung (311110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Biegezugfestigkeit von Mauerwerk ist die maßgebende Baustoffkenngröße bei der Bemessung von rechtwinklig zur Plattenebene belasteten Mauerwerkbauteilen, also erddruckbelasteten Kellerwänden, windbeanspruchten Verblendfassaden sowie Ausfachungsmauerwerk und nichttragenden inneren Trennwänden. In dieser Arbeit wird das Tragverhalten bei einem einaxialen Lastabtrag – parallel bzw. senkrecht zu den Lagerfugen – mit numerischen Berechnungsverfahren sowie Bauteilversuchen untersucht, die Spannungszustände im Mauerwerk analysiert und Berechnungsansätze für die Biegezugfestigkeit hergeleitet. Die ermittelten bruchmechanischen Kennwerte und vollständigen Stoffgesetze der Mauersteine und der Verbundfugen bilden die wesentliche Grundlage für die Untersuchungen am Mauerwerk.Die untersuchten Mauersteinmaterialien zeigen deutlich unterschiedliches Verhalten unter Zugbeanspruchung, das mit „spröde“ (Ziegel) bis „ausgeprägt nichtlinear, duktil“ (Leichtbeton) beschrieben werden kann und sich in der Kerbempfindlichkeit sowie den ermittelten Spannungs-Rissöffnungskurven widerspiegelt. Dennoch ist es gelungen, den untersuchten Größeneffekt auf die Mauerstein-Biegezugfestigkeit mit Hilfe eines funktionalen Zusammenhangs für alle Mauersteinarten zu erfassen.Die Verbundfugen werden mit einem Mesomodell beschrieben, bei dem der Mörtel und die Kontaktzone Mauerstein / Mauermörtel verschmiert abgebildet werden. Für die Verbundfugen werden die vollständigen Stoffgesetze unter Zugbeanspruchung sowie unter Scherbeanspruchung bei gleichzeitiger Druckspannung rechtwinklig zur Fuge für unterschiedlichen Mauerstein-/Mauermörtelkombinationen bestimmt. Insbesondere das Zugtragverhalten wird maßgeblich durch die Kerbwirkung infolge Schwindeffekten sowie die Verdübelungswirkung der Mörteldorne bei Lochsteinen beeinflusst. Die experimentellen Untersuchungen belegen einen erheblichen Einfluss der Ausführungsart / -qualität auf die Verbundfestigkeit. Die Stoffgesetze unter Scherbeanspruchung können mit einem neu entwickelten und mit Hilfe numerischer Berechnungen validierten Prüfverfahren durch Torsionsversuchen an Hohlzylindern direkt und an Vollzylindern unter Anwendung eines hergeleiteten analytischen Ansatzes ermittelt werden. Die numerischen Untersuchungen an Zweistein-Prüfkörpern mit rechteckigen Querschnitten verdeutlichen zum einen den Einfluss der Steifigkeit der Mörtelfuge auf die Scherspannungsverteilung bis zur Erstrisslast. Zum anderen ist festzustellen, dass beim maximal übertragbaren Torsionsmoment der Querschnitt nahezu vollständig durchplastifiziert ist. So ist im Bruchzustand für die untersuchten Mörtel und Querschnittsgeometrien der Ansatz einer voll plastifizierten Fuge auf dem Spannungsniveau der Scherfestigkeit (Adhäsion und Reibung) vertretbar.Für die Berechnung des Tragverhaltens einer parallel zu den Lagerfugen biegebeanspruchten Wand, bei der die Anzahl der Einflussfaktoren größer und insbesondere infolge der Stoßfugen die Spannungszustände komplexer sind als bei einer senkrecht zu den Lagerfugen biegebeanspruchten Wand, wird ein numerisches Modell erarbeitet und an Wandversuchen kalibriert. Die Versuchs- und Berechnungsergebnisse zeigen i. Allg. eine sehr gute Übereinstimmung. Die Analyse der Spannungszustände in den Mauersteinen und Mörtelfugen in den numerischen Untersuchungen und die experimentellen Untersuchungen an den Mauerwerkwänden mit umfangreichen Verformungsmessungen ermöglichen es, die Versagensmechanismen nachzuvollziehen.Mit dem entwickelten numerischen Modell werden umfangreiche Parameterstudien für die Versagensfälle „Stein“ und „Fuge“ durchgeführt. Dabei werden die Stoffgesetze der Mauersteine und des Mörtels sowie die geometrischen Eigenschaften des Mauerwerks variiert. Der Einfluss der Stoßfugenvermörtelung sowie der einer Auflast senkrecht zur Lagerfuge wird untersucht. Die Untersuchungen zum Steinversagen zeigen, dass die Spannungsverteilung im Mauerstein und damit auch die Mauerwerk-Biegezugfestigkeit maßgeblich durch das Überbindemaß und die Steinbreite (Mauerwerkdicke) sowie nach Erstrissbildung vom Nachbruchverhalten der Steinmaterialien beeinflusst werden. Die ermittelten Spannungszustände in den Lagerfugen sind äußerst komplex und erscheinen nicht durch analytische Ansätze beschreibbar. Zur Ermittlung des maximal übertragbaren Momentes in der Lagerfuge wird daher analog zu den Torsionsversuchen am Zweisteinkörper zunächst eine voll plastifzierte Lagerfuge unter Ansatz der Haftscherfestigkeit und dem auflastabhängigen Reibungsanteil angenommen. Es zeigt sich jedoch, dass das Entfestigungsverhalten in Abhängigkeit der Überbindegeometrie und dem Stoffgesetz zur zutreffenden Ermittlung des Torsionsmomentes berücksichtigt werden muss. Durch die Vermörtelung der Stoßfuge erfolgt eine Verschiebung des Rotationspunktes von der Mitte der Überbindefläche zum Steinrand.Die Ergebnisse der numerischen Simulationsrechnungen werden unter Berücksichtigung der bei den experimentellen Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse, teilweise mit vereinfachenden Annahmen zur Beschreibung der komplexen Spannungszustände, in Form von Berechnungsansätzen analytisch beschrieben. Der Vergleich der Berechnungs- mit den Versuchsergebnissen zeigt insbesondere für die eigenen Untersuchungen, bei denen die maßgebenden Eingangsgrößen für die Berechnungsansätze vorliegen, eine gute Übereinstimmung. Jedoch auch für frühere Versuchsergebnisse konnte eine zufriedenstellende Übereinstimmung erzielt werden.Bei einer Biegebeanspruchung senkrecht zu den Lagerfugen tritt in der Regel Fugenversagen auf. Maßgebend ist das Stoffgesetz der Verbundfuge unter Zugbeanspruchung, das in Kleinprüfkörpern ermittelt wurde. Die durchgeführten Wandversuche zeigen den Einfluss der Streuung der Materialeigenschaften und der Ausführungsqualität auf die Biegezugfestigkeit. Der statistische Ansatz der „weakest-link“-Theorie erscheint grundsätzlich zielführend, die eigenen Versuche lassen aufgrund der Prüfkörperanzahl eine statistische Auswertung jedoch nicht zu. Anhand der eigenen Untersuchungen ist jedoch zu erkennen, dass bei einem statistischen Ansatz neben der Streuung der Materialeigenschaften, der Fugenanzahl und ggf. der Wandlänge auch die Sprödigkeit der Verbundfuge als maßgebende Kenngröße zu berücksichtigen ist.Zusammenfassend liefert die Arbeit zum einen wesentliche Erkenntnisse zu den Stoffgesetzen der Mauerwerk-Komponenten „Stein“ und „Mörtelfuge“ sowie deren zutreffende Ermittlung, zum anderen zu den Spannungsverteilungen in einachsig biegebeanspruchtem Mauerwerk und den Versagensmechanismen bei Berücksichtigung des nichtlinearen Materialverhaltens.

The flexural strength of masonry is the decisive building material characteristic value in the design of masonry members loaded orthogonal to the plane, i. e. basement walls under earth pressure, facing masonry under wind loads as well as infill masonry and non-loadbearing internal partition walls. In this paper, the load bearing behaviour at a uniaxial load transfer - parallel and perpendicular to the bed joints - is examined with numerical calculation methods as well as in building component tests, the stress states in the masonry are analysed and calculation approaches for the flexural strength are derived. The determined fracture mechanical characteristic values and the complete material laws of the masonry units and the bond joints form the essential basis for the examinations on masonry.The examined masonry unit materials show a significantly different behaviour under tensile stress which can be described as “brittle” (brick) up to “distinctly non-linear, ductile” (lightweight concrete) and which is reflected in the sensitivity to notches as well as in the determined stress-crack opening curves. Nevertheless, it proved possible to describe the examined size effect on the flexural tensile strength of the masonry unit by means of one functional correlation for all types of masonry units.The bond joints are described using a meso model in which the mortar and the interface masonry unit / masonry mortar are modelled in a smeared way. For the bond joints, the complete material laws are determined for different masonry unit / masonry mortar combinations under tensile as well as shear load at a simultaneous compressive load orthogonal to the joint. Especially the tensile load bearing behaviour is significantly influenced by the notch effect resulting from shrinkage effects as well as by the anchoring effect of the mortar bolts in perforated bricks. The experimental investigations prove a considerable influence of the type and quality of the workmanship on the bond strength. The material laws under shear stress can be directly determined with torsion tests on hollow cylinders applying a newly developed test method validated by means of numerical calculations. On solid cylinders, they can be determined applying a derived analytical approach. On the one hand, the numerical investigations on two-unit specimens with rectangular cross-sections illustrate the influence of the stiffness of the mortar joint on the shear stress distribution up to the first crack load. On the other hand, it can be noted that the cross-section is almost completely plastified at the maximum transferable torsional moment. So, for the examined mortars and cross-sectional geometries in the state of failure, the calculational approach of a fully plastified joint on the stress level of the shear strength (adhesion and friction) is reasonable.In order to calculate the load bearing behaviour of a wall under bending stress parallel to the bed joints, where the number of influencing factors is higher and the stress states are more complex due to the head joints as compared to a wall under bending stress perpendicular to the bed joints, a numerical model is developed and calibrated on wall tests. In general, the test and calculation results show a very good correlation. The analysis of the stress states in the masonry units and mortar joints in the numerical investigations and the experimental tests on the masonry walls with extensive deformation measurements make it possible to comprehend the failure mechanisms.With the developed numerical model, comprehensive parameter studies are conducted for the failure cases “unit” and “joint”. In doing so, the material laws of the masonry units and the mortar as well as the geometric properties of the masonry are varied. The influence of the head joint mortar as well as of a superimposed load perpendicular to the bed joint is examined. The investigations on unit failure illustrate that the stress distribution in the masonry unit and hence the flexural strength of the masonry are significantly influenced by the overlap and the unit width (masonry width) as well as by the post-failure behaviour of the unit materials after the first crack formation. The determined stress states in the bed joints are extremely complex and they can obviously not be described by analytical approaches. Therefore, for the determination of the maximum transferable moment in the bed joint, analogous to the torsion tests on two-unit specimens, first a completely plastified bed joint is assumed applying the shear bond strength and the percentage of friction depending on the superimposed load. However, it turns out that the softening behaviour depending on the overlap geometry and the material law must be taken into account for the correct determination of the torsional moment. By mortaring the head joint, the rotation point is displaced from the centre of the overlap area to the edge of the unit.The results of the numerical simulation calculations are analytically described in the form of calculation approaches considering the findings gained in the experimental investigations, partly making simplified assumptions to describe the complex stress states. In parts, simplified assumptions are used to describe the complex stress states. The comparison of the calculation to the test results shows a good correlation especially for the own investigations where the decisive input parameters for the calculation approaches are available. A satisfactory correlation could however also be achieved for previous test results. At a bending load perpendicular to the bed joints, normally a joint failure occurs. The material law of the bond joint under tensile stress which was determined on small-size specimens is decisive. The conducted wall tests illustrate the influence of the scatter of the material properties and of the workmanship on the flexural strength. In principle, the statistic approach of the “weakest-link” theory seems targeted, however, the own tests do not allow for a statistic evaluation due to the number of test specimens. Based on the own examinations it can however be seen that, in addition to the scatter of the material properties, the number of joints and, when indicated, the wall length, also the brittleness of the bond joint must be taken into account as decisive characteristic value in a statistic approach.Summing up, on the one hand, this paper provides essential findings with regard to the material laws of the masonry components “unit” and “mortar joint” as well as to their determination; on the other hand, it illustrates findings regarding the stress distributions in masonry under uniaxial bending load and the failure mechanisms considering the non-linear material behaviour.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)