Baustoffe J Bauprodukte

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1 A I II Baustoffe J Bauprodukte Eigenschaftswerte von Mauerwerk, Mauersteinen, Mauermçrtel und Putzen 3 Peter Schubert, Aachen Mauerwerksbau mit allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung 9 Roland Hirsch, Berlin

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3 A Baustoffe Bauprodukte 3 I Eigenschaftswerte von Mauerwerk, Mauersteinen, Mauermçrtel und Putzen Peter Schubert, Aachen 1 Vorbemerkung In zahlreichen Fällen werden Eigenschaftswerte von Mauerwerk, Mauersteinen und Mauermçrtel bençtigt, die aus Normen oder Richtlinien direkt oder indirekt nicht zu entnehmen sind. Beispiele dafür sind: die rechnerische Beurteilung der Risssicherheit von Mauerwerk, die Analyse von Schadensfällen, Sonderfälle für Tragfähigkeitsnachweise, Forschung und Entwicklung. Im Folgenden werden wesentliche Eigenschaftskennwerte von Mauersteinen, Mauermçrtel und Mauerwerk, die sich vorrangig auf Festigkeitsund Verformungseigenschaften beziehen, jeweils kurz hinsichtlich Bedeutung und Prüfverfahren beschrieben und soweit mçglich und sinnvoll Zahlenwerte tabellarisch und grafisch angegeben. Zum ersten Mal enthält dieser Beitrag auch Eigenschaftswerte von Außenputzen. Diese sind vor allem für die Verträglichkeit von Putz und Putzgrund zur Vermeidung schädlicher Risse von Bedeutung. Nicht Gegenstand dieses Beitrages sind wärmeund schallschutztechnische Eigenschaftswerte sowie Eigenschaftswerte, die regelmäßig im Rahmen von Normen, Zulassungen, Prüfzeichen-Prüfungen und ¾hnlichem nachzuweisen sind, wie z. B. Druckfestigkeit und Rohdichte. Dieses Kapitel des Mauerwerk-Kalenders ist als ständiger Beitrag, der jährlich aktualisiert wird, vorgesehen. Hinweise auf hier nicht erfasste Untersuchungsergebnisse werden ausdrücklich erbeten. Beim Quellennachweis für die Eigenschaftswerte wird jeweils nur auf die wesentlichen Quellen, vor allem auf diejenigen mit umfangreicheren Ergebnisdarstellungen, Bezug genommen. Ein detaillierter Quellennachweis kann angefordert werden. Eigenschaftswerte von Mauersteinen.1 Festigkeitseigenschaften.1.1 Biegezug-, Spaltzug-, Zugfestigkeit b BZ, b SZ, b Z [1, 39, 54] Bei der üblichen Druckbeanspruchung von Mauerwerkbauteilen senkrecht zu den Lagerfugen ist die Zugfestigkeit der Steine in Richtung Steinlänge bzw. -breite von wesentlichem Einfluss auf die Druckfestigkeit des Mauerwerks. Auch die Zug-, Biegezug- und Schubtragfähigkeit von Mauerwerk kçnnen von der Steinzug- bzw. der Steinbiegezugfestigkeit erheblich beeinflusst werden. Ersatzweise für b Z wird bislang die Druckfestigkeit der Steine ermittelt und für die Beurteilung der Mauerwerkdruckfestigkeit herangezogen. Die Prüfung der Zugfestigkeit ist relativ aufwendig. Eine Prüfnorm oder -richtlinie existiert zurzeit nicht (siehe aber [41]). Einfacher, aber z. T. (vor allem bei Lochsteinen) weniger aussagesicher, ist die Prüfung der Spaltzugfestigkeit [1]. Meist werden die Mauersteine in Richtung Steinlänge geprüft. Wesentliche Eigenschaftsunterschiede zwischen Steinlänge und -breite ergeben sich vor allem bei Lochsteinen mit richtungsorientierten Lochungen. Zugfestigkeitswerte in Richtung Steinbreite liegen nur für HLz vor (8 Werte, Wertebereich b Z,b /b D = 0,003 0,06, Mittelwert: 0,009). Sinnvollerweise werden die b SZ - bzw. b Z -Werte auf die jeweilige Steindruckfestigkeit (nach Norm ermittelt) bezogen als Verhältniswerte b SZ /b D bzw. b Z /b D angegeben. Vorliegende Verhältniswerte b SZ /b D sind zusammen mit den b Z /b D -Werten in Tabelle 1 angegeben. Für den Zusammenhang zwischen b Z (in Steinlängsrichtung) und b D (mit Formfaktor) ließen sich folgende Regressionsgleichungen ermitteln: Mauerwerk-Kalender 009 Herausgegeben von Wolfram Jäger Copyright 009 Ernst & Sohn, Berlin ISBN:

4 4 A Baustoffe Bauprodukte (1) Kalksandsteine Vollsteine (DF), NF: b Z = 0,06 b D Vollsteine mit Griffloch (DF): b Z = 0,05 b D Lochsteine (DF): b Z = 0,04 b D Für Prismen mit jeweils Schlankheit l = 3 bis 4 ergab sich b Z = 0,09 b D (40 Versuchswerte) () Mauerziegel b Z = 0,06 b D (3) Leichtbetonsteine V, Vbl b Z = 0,105 b D V, Vbl, Hbl 4 b Z = 0,06 b D Hbl b Z = 0,086 b D (4) Porenbetonsteine Festigkeitsklasse : b Z = 0,18 b D Festigkeitsklassen 4, 6, 8: b Z = 0,09 b D Für alle Festigkeitsklassen [65]: b Z = 0,10 b D Der Verhältniswert b Z /b D ermittelt jeweils an Zylindern beträgt im Mittel 0,17, der 5%-Quantilwert ist 0,1. Folgende weitere Eigenschaftszusammenhänge wurden ermittelt: (1) Kalksandsteine (Prismen) b BZ = 0,16 b D (Best.: 79%) b Z = 0,55 b SZ (Best.: 90 %) b Z = 0,40 b BZ (Best.: 91 %) () Porenbetonsteine b BZ = 0,18 b D (Anhaltswert) 0,50 b SZ = 0,7 b D b Z = 0,87 b SZ (Best.: 89 %).1. Druckfestigkeit in Richtung Steinlänge b D,l bzw. Steinbreite b D,b Bei einigen Beanspruchungen von Mauerwerkbauteilen bzw. Bauteilbereichen, wie Teilflächenbelastung senkrecht zur Wandebene, Scheibenschub oder Biegung (Biegedruckzone), werden die Mauersteine in Richtung Steinbreite bzw. -länge auf Druck beansprucht. Bei Steinen mit hohem Lochanteil kçnnen b D,l bzw. b D,b im Extremfall maßgebend für die Tragfähigkeit werden. Tabelle 1. Mauersteine; Spaltzugfestigkeit b SZ,l und Zugfestigkeit b Z,l in Richtung Steinlänge bezogen auf die Normdruckfestigkeit b D (ohne Formfaktor) Mauerstein b SZ,l /b D b Z,l /b D n x Wertebereich n x Wertebereich KS 40 0,07 0,04 0, ,065 0,039 0,081 KS (GL) 4 0,045 0,07 0,065 KS L 31 0,06 0,03 0, ,035 0,06 0,055 Mz 9 0,07 0,05 0,08 9 0,04 0,01 0,08 HLz 9 0,04 0,0 0,09 0 0,03 0,013 0,041 LHLz 54 0,01 0,00 0,019 Hbl 10 0,09 0,07 0,15 8 0,08 0,05 0,13 Hbl 10 0,09 0,07 0,15 5 0,09 0,07 0,13 Hbl ,09 0,07 0,15 3 0,07 0,06 0,10 V, Vbl 13 0,11 0,09 0,18 3 0,08 0,04 0,1 V, Vbl 13 0,11 0,09 0, ,11 0,06 0,18 V, Vbl ,11 0,09 0,18 7 0,07 0,05 0,09 PB, PP 4 0,09 0,05 0,14 4 0,11 0,06 0,19 PB, PP 9 0,15 0,1 0,16 7 0,18 0,13 0,0 PB, PP 4,6,8 9 0,1 0,08 0,15 8 0,11 0,09 0,13 Hbn 3 0,04 0,04 0,05 0,08 0,06 0,09 n: Anzahl Versuchswerte; x: Mittelwert; GL: Griffloch

5 I Eigenschaftswerte von Mauerwerk, Mauersteinen, Mauermçrtel und Putzen 5 Tabelle. Mauersteine; Druckfestigkeit in Richtung Steinlänge b D,l, Steinbreite b D,b bezogen auf die Normdruckfestigkeit (mit Formfaktor) b D, Auswertung vorliegender deutscher Versuchsergebnisse [, 33, 37] a 1 = b D,l /b D (oberer Tabellenteil), a = b D,b /b D (unterer Tabellenteil) Mauerstein n b D Wertebereich N/mm a x min x max x Mz HLz 1) HLz ) ,9/, ,4 6, 0,67 0,3 0,18 0,64 0,1 0,05 0,70 0,33 0,39 KS KS L 8 7 4,1 36,8 8,9 6,9 0,59 0,40 0,3 0,3 0,75 0,56 V Vbl Hbl ,1 3,1,7 3,6,5 7,9 0,75 0,90 0,61 0,61 0,36 0,35 0,83 1,13 0,81 Hbn 1 15,8 0,46 PB, PP 15,3 9,4 0,70 0,50 0,9 Mz HLz 6 1,9/,7 17,4 8,0 0,74 0,44 0,73 0,0 0,75 0,65 KS KS L 4,1 31,4 8,9 6,9 0,69 0,67 0,56 0,55 0,83 0,79 PB, PP 3,5 8,1 0,79 0,56 1,01 n: Anzahl der Versuchsserien; x: Mittelwert; min x, max x: Kleinst-, Grçßtwert 1) Trockenrohdichte r d > 1,0 kg/dm 3 ) r d 1,0 kg/dm 3 Wie bei der Steinzugfestigkeit ist es auch hier sinnvoll, b D,l und b D,b bezogen auf die nach Norm ermittelte Druckfestigkeit b D als Verhältniswerte b D,l /b D bzw. b D,b /b D anzugeben. Die Tabelle enthält im Wesentlichen die in [, 33, 37] erfassten und ausgewerteten Verhältniswerte. Sie sind in den Bildern 1 a bis 1 d dargestellt. Bei der Normdruckfestigkeit wurde der Formfaktor berücksichtigt. Für Porenbetonsteine ergab sich der Zusammenhang (s. auch Bild 1 c) b D,l /b D = 0,91 0,04 b D (Best.: 70%), d. h. der Verhältniswert nimmt mit zunehmender Steindruckfestigkeit ab. Er beträgt im Mittel 0,8; 0,7; 0,6 für die Steinfestigkeitsklassen, 4, 6.. Verformungseigenschaften..1 Druck-E-Modul E D Der E-Modul ist als Sekantenmodul bei 1 /3 der Hçchstspannung (Druckspannung senkrecht zu den Lagerfugen) und einmaliger Belastung definiert E D ¼ max s D 3 e l mit e l Längsdehnung bei 1 /3 max s D Es liegen nur wenige Versuchswerte vor. Für Kalksandsteine ergibt sich aus 1 Einzelwerten für Prismen: E D;l ¼ 30 b D.. Querdehnungsmodul E q Der Querdehnungsmodul ist der Sekantenmodul bei einer Druckspannung (senkrecht zur Lagerfuge Steinlagerfläche) von rd. 1/3 der Hçchstspannung (Druckfestigkeit), wobei die Spannung auf die zugehçrige, in Richung Steinlänge oder -breite gemessene Querdehnung e q,l bzw. e q,b bezogen wird:

6 6 A Baustoffe Bauprodukte Bild 1. Mauersteine; Verhältniswert Längsdruckfestigkeit/Normdruckfestigkeit b D,l,st /b D,st in Abhängigkeit von der Normdruckfestigkeit. a) Leichthochlochziegel, b) Kalksandvollsteine, Kalksandlochsteine, c) Porenbeton-Blocksteine, Porenbeton-Plansteine, d) Leichtbetonsteine, Betonsteine Tabelle 3. Mauersteine; Querdehnungsmodul E q,l in 10 3 N/mm, Querdehnungszahl m, Anhaltswerte [3, 4, 34, 35] Mauerstein Festigkeitsklasse n E q,l Wertebereich Hbl, Vbl 6 8 3,6 0 0,08 0,11 PB, PP 6 7 5,6 5 KS, KS L, KSHbl HLz n: Anzahl Versuchswerte, m 0,11 0,0 E q;l ¼ max s D 3 e q;l bzw. E q;b ¼ max s D 3 e q;b Der Querdehnungsmodul beeinflusst zusammen mit dem Querverformungsverhalten (Querdehnungsmodul) des Mçrtels die Druckfestigkeit des Mauerwerks. Günstig ist es, wenn der Querdehnungsmodul des Steines gleichgroß oder etwas kleiner als der des Mçrtels ist. Die Ermittlung von E q ist schwierig und erfolgt bisher an in der Lagerfläche miteinander verklebten Mauersteinen. Die vorliegenden Werte für E q,l sowie die Querdehnungszahl m enthält Tabelle 3. Zwischen E q und b D,st (mit Formfaktor) ergaben sich folgende Zusammenhänge: Mauerziegel: 0,93 E q = 810 b D,st (Best.: 89%) Leichtbetonsteine: E q = 790 b D,st (Best.: 88%)..3 Zug-E-Modul E Z Der Zusammenhang zwischen E Z und b Z wurde für Kalksandsteine (Prismen) zu 0,73 E Z = 5800 b Z (Best.: 95%) ermittelt. Für Leichtbetonsteine (V, Vbl, Hbl) Prüfung in Steinlängsrichtung und Steinprismen (35 Einzelwerte) ergab sich E Z = 6000 b Z (Best.: 77%) Für Porenbetonsteine (1 Mittelwerte) ergab sich 0,80 E Z = 900 b Z (Best.: 81%)

7 I Eigenschaftswerte von Mauerwerk, Mauersteinen, Mauermçrtel und Putzen 7..4 Dehnung bei Hçchstspannung e u,d ; e u,z Für Porenbetonsteine wurden folgende Werte in mm/m ermittelt: e u,d Mittelwert:,87, Wertebereich:,3 3,74 e u,z Mittelwert: 0,35, Wertebereich: 0,8 0,44..5 Feuchtedehnung (Schwinden, Quellen), Kriechen, Wärmedehnung Schwindendwerte und Wärmedehnungskoeffizienten sind in [36, 46] angegeben (siehe auch Abschnitt 5..4 und Tabellen 11a bis 11d). Bei Mauerwerk aus großformatigen Mauersteinen, Elementen entsprechen diese Eigenschaftswerte der Mauersteine in guter Näherung denen des Mauerwerks. Für Porenbetonsteine wurden folgende Werte ermittelt (Mittelwerte, Anhaltswerte): Endkriechzahl j 1 = 0,6 Endschwindwert e s 1 = 0, mm/m Max. Quelldehnung max e q = 0, mm/m 3 Eigenschaftswerte von Mauermçrteln 3.1 Festigkeitseigenschaften Zugfestigkeit b Z Für Normalmçrtel ergab sich mit 33 Versuchswerten (Mittelwerte) der folgende Zusammenhang zur Druckfestigkeit b D b Z = 0,11 b D (Best.: 91%) 3.1. Scherfestigkeit b S Die Scherfestigkeit von Mauermçrtel ist definiert als maximale Spannung bei einschnittiger Scherbeanspruchung. Ein genormtes Prüfverfahren existiert nicht. Üblicherweise wird die Scherfestigkeit an nach DIN bzw. DIN EN 1015 hergestellten Mçrtelprismen 160 mm 40 mm 40 mm geprüft. Dabei wird das Prisma senkrecht zur Prismenlängsachse auf Scheren beansprucht. Die Scherfestigkeit von Mauermçrtel ist z. B. von Interesse bei der rechnerischen Berücksichtigung von mit Mauermçrtel verfüllten Mauersteinkanälen (Verfüllziegel-Mauerwerk) und beim rechnerischen Nachweis von Verankerungen mit Haken, z. B. bei zweischaligem Mauerwerk. Mit den für diese Auswertung vorliegenden 11 Versuchswerten für Werk-Trockenmçrtel, Werk- Frischmçrtel und Rezeptmçrtel ergeben sich folgende Zusammenhänge zwischen Scherfestigkeit b S und der Normdruckfestigkeit b D (Bereich für b D : 4 bis 18 N/mm ) 0,68 b S = 0,55 b D (Best.: 89%) b S = 0,5 b D (Best.: 76%) 3. Verformungseigenschaften 3..1 E-Modul (Längsdehnungsmodul) E l Der E-Modul E l ist wie in Abschnitt..1 definiert. Er wird i.d.r. nach DIN [6] zusammen mit dem Querdehnungsmodul ermittelt. Nach den vorliegenden Versuchsergebnissen lassen sich folgende Beziehungen zwischen E l und der Normdruckfestigkeit b D angeben [7] (s. auch Bild ). a) Normalmçrtel 0,7 E l = 100 b D Bild. Mauermçrtel; Längsdehnungsmodul E l in Abhängigkeit von der Normdruckfestigkeit b D. a) Normalmçrtel, b) Leichtmçrtel; Zuschlag Naturbims l, Zuschlag Blähton g, Zuschlag Perlite h