Statisch zyklische Versuche über das Tragverhalten von Zementstein- Mauerwerk mit Seismur-Wandelementen

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1 Statisch zyklische Versuche über das Tragverhalten von Zementstein- Mauerwerk mit Seismur-Wandelementen Christoph Becker Ruedi Räss Joseph Schwartz Prüf- und Forschungsinstitut Sursee August 2013

2 Statisch zyklische Versuche über das Tragverhalten von Zementstein- Mauerwerk mit Seismur-Wandelementen von Dipl. Ing. FH Christoph Becker Dipl. Ing. ETH Ruedi Räss Prof. Dr. Joseph Schwartz Institut für Technologie in der Architektur Eidgenössische Technische Hochschule Zürich Prüf- und Forschungsinstitut Sursee Sursee und Zürich August 2013

3 Inhaltsverzeichnis Seite 1 Einleitung Problemstellung und Zielsetzung Versuch 1 2 Baustoffe Zementstein Mörtel 1 3 Versuchskörper Allgemeines Seismur-Elemente Versuchskörper 3 4 Durchführung der Versuche Versuchsanlage Belastungseinrichtung Messeinrichtung Belastung Beobachtungen und Messungen 5 5 Versuchsresultate Verzerrungen Rissbilder Trag- und Bruchverhalten 6 6 Zusammenfassung 7 Verdankungen 7 Bezeichnungen 8 Literaturverzeichnis 9 Anhang 10 Aufbau des Versuchskörpers in der Versuchsanlage 10 Fotos des Zemenststeins 10 Schematische Darstellung des Belastungsablaufs 11 Anordnung der Messpunkte 11 Auswertung des Messnetzes 12 Last-Verformungskurve des Versuchskörpers 12 Deformationen des Messnetzes 13 Riss- und Bruchbilder 14

4 - 1-1 Einleitung 1.1 Problemstellung und Zielsetzung Im Rahmen des Forschungsprojektes Versuche an Mauerwerk mit Seismur-Wandelementen wurde in einem ersten Schritt das Tragverhalten von Versuchskörpern aus Backsteinmauerwerk mit unterschiedlichen Wandlängen unter horizontaler, statisch-zyklischer Belastung experimentell untersucht [8]. Die bewehrten und vorgespannten Wandelemente wurden entwickelt, um die Erdbebenkräfte von Mauerwerkswänden durch eine zusätzliche Rahmenwirkung von Wandelementen und Decke effizienter abzutragen. Die Versuche wurden durchgeführt, um das Verhalten der Mauerwerkswand mit den Seismur- Elementen im Erdbebenfall abschätzen zu können. Die entsprechenden Resultate sind in einem unabhängigen Bericht beschrieben. Der vorliegende Bericht behandelt das Verhalten eines Anschlussversuches in Zementsteinmauerwerk. Auftraggeber aller Versuche ist die Firma Stahlton Bauteile AG, Frick. 1.2 Versuch Die Versuchswand (Bild 4) wurde mit einer horizontalen Last statisch-zyklisch beansprucht, welche stufenweise bis zum Bruch gesteigert wurde. Dabei wurden folgende Grössen beobachtet: - Horizontallast - horizontaler Deformationsweg - vertikale Vorspannkraft (Auflast) - Knotenverzerrungen auf der Mauerwerksoberfläche - Rissweiten und Rissbild. Die Stärke des 2500 mm langen und 2600 hohen Versuchskörpers betrug 175 bzw. 180 mm, und es wurde keine Normalkraft aufgebracht. Der Steintyp wurde im Vorfeld mit dem Auftraggeber festgelegt. Bei allen Versuchen wurde Mörtel Fixit 915 verwendet. 2 Baustoffe 2.1 Zemenststein Folgender Steintyp, dessen Lochbild im Bild 5 dargestellt ist, wurde bei den durchgeführten Versuchen verwendet: Steinbezeichnung: C 50 / 18 / 19 Sollmasse (l/b/h): 500 / 180 / 190 [mm] Bruttotrockenrohdichte: 1365 kg/m 3 Normierte Druckfestigkeit: 18.7 N/mm Mörtel Der Mörtel wurde den Normenprüfungen gemäss Norm SIA 266 [6] untersucht. Das Alter der Prismen zum Zeitpunkt der Prüfung betrug 28 Tage.

5 - 2 - Es wurden folgende Prüfwerte für den Mörtel Fixit 915 erreicht: Trockenrohdichte: 1731 kg/m 3 Druckfestigkeit: 18.8 N/mm 2 Biegezugfestigkeit: 4.5 N/mm 2 Die Mindestanforderungen nach Norm SIA 266 an Mauermörtel für Standardmauerwerk wurden erfüllt. Die Probenahme erfolgte durch den Auftraggeber. 3 Versuchskörper 3.1 Allgemeines Der Versuchskörper wurde von einem qualifizierten Maurer erstellt und während mindestens 28 Tagen bei ca. 20 C Raumtemperatur gelagert. Er hatte eine Höhe von 2600 mm und die Wandstärke betrug 175 bzw. 180 mm. Die Wandlänge betrug 2500 mm. 3.2 Seismur-Elemente Die vorfabrizierten Seismur-Wandelemente hatten die Abmessungen 500/175/2600 mm, und wurden jeweils beidseitig angeordnet. Sie bestanden aus im Spannbett vertikal vorgespannten Stahlbetonstützen mit dünner verlorener Backsteinschalung. Die mittlere Vorspannung der Elemente betrug 3.5 N/mm 2. Bild 1 zeigt einen Schnitt durch ein Seismur-Element, im Bild 2 ist die Anordnung der Seismur-Elemente in den Versuchswänden dargestellt Legende: 1 Betonfüllung C 50/60 fck,cube = 60 N/mm 2 2 Aussparungskörper Backstein 3 Längsbewehrung, Spannstahl S 1600/1860, Ø 6 mm ft,k = 1860 N/mm 2 Mittlere Vorspannung 3.5 N/mm 2 4 Bügelbewehrung BSt 500, Ø 6 mm Bild 1: Aufbau des Seismur-Wandelementes

6 Versuchskörper Legende: 1 Betonfüllung C 50/60 2 Aussparungskörper Backstein 3 Längsbewehrung, Spannstahl S 1600/ Mörtelfuge zwischen Seismurelement und Mauerwerkswand 5 Füllwand, Zemenstein C 18 / 19 Bild 2: Gesamtansicht des Wandsystems

7 - 4 - Der Versuchskörper (Bild 2) bestand aus einer Mauwerwerkswand, die an beiden Enden von einem Seismur-Element eingefasst war, welches seinerseits kraftschlüssig mit den darüber und darunter liegenden Stahlbetonplattenelementen verbunden war. um eine Einspannwirkung der Wand zu erzielen. Die Lager- und Stossfugen wurden vollflächig vermörtelt. Die Qualität der Vermauerung war gut. Absichtlich sollte sie einer in der Praxis erzielbaren Qualität entsprechen. Übersicht der Versuchsparameter: Versuchskörper Länge [mm] Stärke [mm] Höhe [mm] Normalkraft [kn] / Bei der Laststufe 5 wurde die Normalkraft von 0 auf 440 kn, und bei der Laststufe 7 auf 800 kn gesteigert, da die Versuchsanlage ihre Grenzen ohne Normalkraft erreichte. 4 Durchführung der Versuche Die Versuche wurden in der Versuchshalle des Prüf- und Forschungsinstituts in Sursee durchgeführt. 4.1 Versuchsanlage Legende: 1 Seismur - Wandelemente 2 Betonriegel / Betonplatte 3 Füllwand, Zementstein C 18 / 19 4 Kolben 5 Kraftmessdose 6 Lasteinleitungsträger 7 Gewindestange 8 Vorspannkabel 9 Versuchsanlage 10 Boden Bild 3: Versuchsaufbau

8 - 5 - In der speziellen Prüfanlage konnte der Versuchskörper durch einen Kolben am Wandkopf horizontal statisch-zyklisch in beide Richtungen in seiner Wandebene belastet werden. Die Normalkraft wurde durch vier Vorspannkabel mit je einem Kolben in die Mauerwerksscheibe aufgebracht. Die vorgefertigten Seismur-Elemente waren biegesteif mit der Betonplatte verbunden. Dies wurde durch entsprechende Ausbildung der aus den Seismur-Elementen hervorstehenden Spanndrähte mit Verankerungsköpfchen sowie in die Decke eingelegte Zusatzbewehrung erreicht. Durch Zusammenwirken zweier Seismur- Elemente als Stiele an den Wandenden, und der Betonplatte als steifer Riegel soll eine Rahmenwirkung erzielt werden, wobei der beschriebene Rahmen zusätzlich durch das Mauerwerk ausgefacht ist. Der horizontale Deformationsweg am oberen Ende der Wand wurde mit einem an der Versuchsanlage angebrachten Weggeber digital erfasst. Bild 3 zeigt eine Gesamtansicht der Anlage. 4.2 Belastungseinrichtung Die horizontale Kraft wurde von einem hydraulischen Kolben mittels Handpumpe kraftgesteuert über die Betonplatte auf den Versuchskörper aufgebracht. Dieser wurde in seiner Ebene in beide Richtungen abwechselnd ausgelenkt. 4.3 Messeinrichtung Der globale Deformationsweg wurde mit einem elektronischen analogen Weggeber gemessen und digital erfasst. Die Verformungen wurden mittels eines digitalen Dehnungsmesstasters auf der Oberfläche der Versuchskörper ermittelt. Dazu wurde ein Messnetz einseitig auf dem Versuchskörper aufgebracht. Die Messwerte wurden manuell tabellarisch erfasst. Um die Rissentwicklung möglichst gut verfolgen zu können, wurden die Versuchskörper weiss gestrichen. 4.4 Belastung Der Versuchskörper wurde im Alter von mindestens 28 Tagen geprüft. Die Horizontallast wurde in der Wandebene nach einem vorgängig festgelegten Programm in beide Richtungen abwechselnd gesteigert. Der Versuchskörper wurde in eine Richtung kraftgesteuert ausgelenkt und anschliessend die Verformungen auf dem Versuchskörper gemessen, wobei die Horizontalkraft annähernd konstant gehalten wurde. Danach erfolgte der Ablauf in die andere Auslenkungsrichtung und wurde anschliessend abwechselnd fortgesetzt. Die Horizontalverformungen wurden bei jeder Laststufe gemessen. Der Versuch wurde bis zum Versagen des Versuchskörpers mit Hilfe der Erhöhung der Normalkraft fortgesetzt, damit die Versagensart beobachtet werden konnte. 4.5 Beobachtungen und Messungen Folgende Messungen wurden durchgeführt: a) Horizontallast H Messung der Horizontalkraft mittels einer Kraftmessdose und Lastablesung am elektronischen Anzeigegerät.

9 - 6 - b) Horizontalverformung v Messung des horizontalen Deformationsweges mit elektronischem analogem Wegaufnehmer (Auflösungsvermögen 1 µm). c) Wandverformungen Die Verzerrungen wurden mit Hilfe eines Messnetzes auf der Vorderseite des Versuchskörpers mit einem Deformeter der Basislänge 300 mm gemessen (Auflösungsvermögen 1 µm). Das Deformetergerät wurde auf Bolzen aufgesetzt, die auf die Steine geklebt waren und den Messknoten entsprachen. Die Anordnung der Messpunkte des Messnetzes ist im Bild 7 dargestellt. d) Risse Am Ende jeder Laststufe wurden die von Auge sichtbaren Risse auf dem Versuchskörper mit einem schwarzen Filzschreiber nachgezeichnet und das Rissbild protokolliert. Nach dem Bruch wurde der Versuchskörper fotografiert. Vor Beginn der horizontalen Belastung wurde eine Nullmessung durchgeführt, um für die nachfolgenden Messungen gesicherte Ausgangswerte zu erhalten. 5 Versuchsresultate 5.1 Verzerrungen Die Dehnungen und Schiebungen des Versuchskörpers wurden aus den Knotenverschiebungen u und v von jeweils drei Messnetzknoten berechnet. Die x-achse bzw. die u-achse verlief senkrecht, die y-achse bzw. die v-achse parallel zu den Lagerfugen. Für kleine Verzerrungen gelten folgende kinematischen Beziehungen: εx = u/ x ; εy = v/ y ; γxy = u/ y + v/ x Aus den Verschiebungen u und v von jeweils drei Messnetzknoten wurden für den Bereich innerhalb der Knoten mittlere Verzerrungen berechnet. Für die Darstellung in den Last-Verzerrungs-Diagrammen wurden die Verformungen eines Teilbereichs des Versuchskörpers gemittelt. Somit bleiben Störungen der Verformung im Randbereich des Versuchskörpers weitgehend ohne Auswirkung. Ein entsprechendes Diagramm ist im Bild 10 festgehalten. 5.2 Rissbilder Die Rissbilder wurden fotografiert. Bild 11 zeigt das Rissbild bei Laststufe Trag- und Bruchverhalten Die gemessenen horizontalen Lasten und die entsprechenden Deformationen und Mauerwerksverzerrungen sind in der folgenden Tabelle dargestellt. Laststufe Normalkraft [kn] Schubkraft [kn] Hor. Verformung [mm]

10 Die ersten Risse entstanden entlang der Fugen im Übergang von Seismur-Element zum ausfachenden Mauerwerk, und am Fusspunkt des Seismur-Elementes. Im Verlauf der 4. Laststufe zeigte sich, dass die Versuchsanlage an ihre Grenzen stösst. Aus diesem Grund wurde bei den folgenden Laststufen eine Normalkraft aufgebracht. Erst bei der Laststufe 7 (H=600 kn, N=800 kn) enstand ein erster diagonaler Riss. Es wurden horizontale Verformungen in der Grössenordnung von 15 mm erreicht. Dies entspricht lediglich 0.6% der Wandhöhe. Die bescheidene Verformungsfähigkeit liegt unter anderem in der ausserordentlich grossen Schubsteifigkeit der weitgehend rissfreien Zementsteinausfachung begründet. Der Versuchskörper versagte schliesslich infolge eines Verankerungsbruches des Seismur-Elementes in der unteren Betonplatte. 6 Zusammenfassung Im Rahmen des Forschungsprojektes Versuche an Mauerwerk mit Seismur-Wandelementen wurde das Tragverhalten eines Versuchskörpers, welcher zwischen den Seismur-Elementen mit Zementsteinmauerwerk ausgefacht war, unter horizontaler, statisch-zyklischer Belastung am Prüf- und Forschungsinstitut in Sursee experimentell untersucht. Der horizontale Tragwiderstand konnte aufgrund der vorhandenen Rahmenwirkung zwischen Seismur-Elementen und Betonplatte im Vergleich zu einer unbewehrten Mauerwerkswand gesteigert werden. Es ist zu bemerken, dass relativ wenige Zyklen gefahren wurden (Siehe Ablaufschema Bild 6). Mit steigender Anzahl der Lastwechsel wurde das System immer weicher. Der horizontale Tragwiderstand ist unter anderem stark abhängig von der Anzahl der Lastwechsel bzw. der Zyklen aufgrund der nichtlinearen Zusammenhänge der Ermüdung und Dauerfestigkeit der Baustoffe. Infolge der grossen Schubsteifigkeit der weitgehend rissfreien Zementsteinausfachung konnte die Verformungsfähigkeit gegenüber einer Wand ohne Seismur-Elemente nicht wesentlich gesteigert werden. Verdankungen Der vorliegende Bericht wurde im Rahmen des Forschungsprojektes Versuche an Mauerwerk mit Seismur - Wandelementen am Lehrstuhl für Tragwerksentwurf der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich ausgearbeitet. Für die grosszügige finanzielle Unterstützung möchten die Verfasser der Stahlton Bauteile AG aufrichtig danken. Der experimentelle Teil der Untersuchungen wurde im Prüf- und Forschungsinstitut p+f in Sursee durchgeführt. Auch die Herstellung der Versuchskörper sowie die Normprüfungen am Stein wurden am p+f in Sursee durchgeführt. Die Verfasser möchten allen an diesen Arbeiten beteiligten Mitarbeitern für ihr Entgegenkommen und ihre Mitarbeit bestens danken.

11 - 8 - Bezeichnungen Geometrische Grössen x y u v Ax t Koordinatenachse senkrecht zu den Lagerfugen Koordinatenachse parallel zu den Lagerfugen Verschiebung in x-richtung / horizontale Richtung Verschiebung in y-richtung / vertikale Richtung Bruttoquerschnittsfläche Wandstärke Kraft- und Deformationsgrössen N H v εx εy γxy Normalkraft horizontale Last horizontaler Deformationsweg Verzerrung in x-richtung Verzerrung in y-richtung Schiebung Baustoffkennwerte Ex Ey Gxy σx σy τxy Sekantensteifigkeit in x-richtung Sekantensteifigkeit in y-richtung Schubsteifigkeit Spannung in x-richtung Spannung in y-richtung Schubspannung

12 - 9 - Literaturverzeichnis [1] Ganz H.R., Thürlimann B.: Versuche über die Festigkeit von zweiachsig beanspruchtem Mauerwerk, Institut für Baustatik und Konstruktion, ETH Zürich, Versuchsbericht Nr , Februar 1982, Birkhäuser Verlag [2] Ganz H.R., Thürlimann B.: Versuche an Mauerwerksscheiben unter Normalkraft und Querkraft, Institut für Baustatik und Konstruktion, ETH Zürich, Versuchsbericht Nr , Oktober 1984, Birkhäuser Verlag Basel [3] Ganz H.R.: Mauerwerksscheiben unter Normalkraft und Schub, Institut für Baustatik und Konstruktion, ETH Zürich, Versuchsbericht Nr. 148 (Dissertation), September 1985, Birkhäuser Verlag Basel [4] Lurati F., Graf H., Thürlimann B.: Versuche zur Feststellung der Festigkeitswerte von Zementsteinmauerwerk, Institut für Baustatik und Konstruktion, ETH Zürich, Versuchsbericht Nr , Januar 1990, Birkhäuser Verlag Basel [5] B. Zimmerli, J. Schwartz, G. Schwegler Mauerwerk: Bemessung und Konstruktion Birkhäuser Verlag 1999 [6] Schweizerischer Ingenieur- und Architekten-Verein (SIA): Norm SIA 266 Mauerwerk, Ausgabe 2003, Zürich [7] Schweizerischer Ingenieur- und Architekten-Verein (SIA): Mauerwerk Bemessungsbeispiele zur Norm SIA 266 Dokumentation D 0196 [8] C. Becker, R. Räss, J. Schwartz Statisch zyklische Versuche über das Tragverhalten von Mauerwerk mit Seismur-Wandelementen, 2013