Bruchmechanischer Beitrag zur Biegezugfestigkeit von Mauerwerk

Aachen / Mainz (2015, 2015) [Doktorarbeit]

Seite(n): XI, 301 S. : Ill., graph. Darst.

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.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Schmidt, Ulf

Gutachterinnen und Gutachter

Brameshuber, Wolfgang
Jäger, Wolfram
Reinhardt, Hans-Wolf

Identifikationsnummern

  • ISBN: 978-3-95886-025-4
  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-015364
  • REPORT NUMBER: RWTH-2015-01536

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