Horizontal belastetes Mauerwerk aus leichten porosen Ziegeln D er Effckt von Bewehrungcn in horizomalen Fugen

A. Cajdert, A. Losberg, Chalmers Univcrsity of Technology. Goteborg, Schwedcn

Kurzfassung Der Bericht beschreibt cine cxperimen­tcIle Umersuchung VOll vier 2,0 . 3,5 m groBen Maucrwcrkskorpcrn aus Leicht­betonbJocken (Zuschlag aus Lcca-Bla:h­ron). Die Mauern wurden scnkrccht ZlIf

Wandebene durch einen gleichmaJ3ig verteilten Druck bis zum Bruch be­lastet. Die Belastung wurde mittels eince in cinem Plastiksack wirkenden Druckluft ausgeübt; der Plastiksack bc­fand sich zwischen der Versuchswand und cince starrcn Platte. Zwei der Wande waren an drei Randern (oberee Rand frei), die Jllderen zwei au vier Randcrn gcstützt. Die: Festigkeits- und Vcrformungs­eigenschaften von horizontal belasteten Wanden aus Leichtbetonblocken sowie dic Wirkung einer Bewehrung wurden auf der Basis der Ergebnisse analysiert. Es werden geeignete Mcthoden zur Bcrcchnung der RiB- und Bruchlasten vorgeschlagen.

Laterally loaded light expanded clay block masonry. The eHect 01 Reinforcement in horizontal joints The paper reports an experi mental study 01 four walls 01 light cxpanded c1ay block (Leca) masonry, measuring 2.0·3.5 m (6.5 . 11.5 Ir). The walls were laterally loaded up to failme with a uni­formly distributed pressme. The load was applied by compressed air acting in­side a plastic bag mounted between thc test walI and a rigid panel. Two of the waUs were three sides supported (upper edge free), the other two were four sides supported. On the basis of thc results of wall tests and detail tests, an analysis is made of the strength and strain characteristics of laterally loaded lighr expanded day block masonry and of the eEfect of rcinforcement. Appropriatc methods for calculation of loads at cracking and 111ti mate loads are suggcsted.

Maçonnerie en blocs légers d'argile expansée sous charge latérale. L'effet de l'armature dans les joints La conférence bit rapport sur une étude expéri menta le cOl1cernant 4 murs en blocs légers d'argilc expansée de 2,0 à 3,5 m (6,5 à 11,5 pieds). Les murs furem soumis à une charge de rupture latérale, ayant une prcssion également distribuée. la charge a été appliquéc à l'aide d'air comprimé, agissant à l'in­térieur d'un sac en matiere synthétique, suspendu entre lc mur d'essai et UI1

panneau rigide. De deux dcs l11urs, trois bords furent appl1yés (Ie bord supérieur étant libre) et des deux autres les quatre bords furem appllyés. Sur base des résultats obtcnus, une analyse a été eHectuée sur les caracté­ristiques de résistance et de tcnsion de la maçonnerie cu bloc légers d ' argile expansée et sur l'effet de l'armature. Des suggestions sont faites sur des méthodes de calcul appropriées des charges de fissure et des charges de rupture.

I. Einführung

1.1 Vorgeschichte

eine mit 2 Rundstahlen 0 10 mm (Ks 40) in jeder dritten horizontalcn Fuge bewehrte Wand getestet (siehe Abb. 1).

Senkrecht zm Wandebene belastetes Mauerwcrk - hauptsach­Iich aus Ziegeln bestehend - wurde vor einiger Zeit an der Division of Concrete Structures at Chalmers Univcrsity of Tcchnology (Abteilung Hir Betonkonstruktionen an der Technischen Universitat von Chalmers) getestet. Verstlchser­gebnisse von cinschaligen, unbewchrten [1] und von mattenbe­wehrten, vorgefertigten Ziegelwanden [2] scheinen zu bc­statigen, daB die BeIastbarkcit einer gemauerten Wand senk­recht zu ihrer Ebene, bei sinngemaBer Anwcndung der be­kalIDten Bruchlinicmheorie Íiir Platten gut abgeschatzt werdcn bnn. fine neue Versuchsreihc wllrde speziell mit dem Ziel begon­nen, eine Grundlage fiir die praktische Bemessung erddruckbe­lasteter Keller zu erhalren. D ie Reihe umfaIh Versuche mit Mauerwerk aus Gasbeton (Ytong), aus Leca-Betonblockcn und aus Beton-Hohlblocksteinen mit horizontaler Bewehrung llnd ohne. Weiterhin wird auch das Verhalten von Mallcrn bei Belastung durch Wind unterslIcht werden.

1.2 Übersieht

Die in diesem Bcricht beschriebencn V crsuche wurden an einer Reihe von vier gemauerten Wà:llden aus LeichtbetonblOcken ausgcführt. Dic Mauern hatten eine Hohe von 2 m, eine Breite von 3,5 m und eine Dieke von 0.25 m (10 Zoll). Wahrend der Versuche wurden zwei der Wandc an drei Randern abgestützt (nicht am oberen), die beiden anderen an vier Randern. Bei jeder der beiden Scützarten wurde jeweils eine unbewehrte und

l 3,5 l 3-H 10 Ks40 .1-----'------,1,

865:7, 865:10 865:8,865:11 Abb. 1 : Versuchswande Fig. 1: Wall test specimens

U In das Verhalten der Wande bei Biegebeanspruchllng zu untersuchen, wurden auBerdem ZlISatzversuche mit Mauer­werkskorpern aIs Balken auf zwei Stützen ausgeführt.

2. Hauptversuchsreihen

2.1 Material, Errichtllng des Mallerwerks und Bewehrung

Die Mauern waren aus Leca-Blocken, Kurzbezeichnung für groBformatige Mauersteine aus Leichtbeton mit Blahton­ZlIsehlag (Leca), 25 em breit, 19 em hoeh und 59 em lang, errichtet. Das Nominalgewicht der Steine betrug 0,65 kg /dm3

und die niedrigste Druckfestigkcit 30 kp /cm2• Der Mortcl bestand aus einem Teil Zement und sechs Teilcn Sand, die nach

245

Bcigabc VQll Wasser gut vcrarbeitet werden konnten. Der MorteI hatte nach 28 Tagen eine durchschnittliche Druck­festigkcit VOll 163 kp /cm2 und cine durchschnittliche Bicge­zugfestigkeit von 40 kp /cm2, Die Wande waren vollfugig im Lauferverband gemauen mit 10 mm dicken Monclfugen. Mit Nutcn versehcne Spezialsteine wurden für die Unterbringung der Bewehrung benutzt (siche Abb. 2).

2.2 V crsuchsablal1f

Abb. 2: Spezialstein mil Nuten Fig. 2: Special blocks

Die Maucrn wurden im Alter VOl1 24 bis 28 Tagcn getcstct. Die horizomalc Belastung wurde von eincm mit Drucklufr gefiill­cen Plastiksack glcichnúHig ausgeübt. Der Luftsack war zwischen der Testwand und der starren Platte angcbracht. Die feste Platte lInd die Wand waren an cinem Sti..itzrahmen bc­festigt. Die Versuchsanordnllng ist aus Abb. 3 ersichtlich.

Der Drllck wurde mit Hilfe eines wassergefiillten U-Rohr­Manometers gcmesscn. Bei jeder Lastllngsstufe von 50 kp /m2 bis zum Einsturz wurdcn die DlIrchbiegungen mit mehreren an der Wandoberflachc angcbrachten MeBuhren gcmessen. Die Deformationen wurden vertikalllnd horizontal libcr die Fugen hinweg an mehrercn Stellen der Wandoberflache mit Dehnungsmcsscrn festgestellt. Die Ri13bildllng wllrde bcobach­tct und gemcssen.

2.3 Versllchsergcbnisse an den Wanden Die jcwciligcn RiB- und Bruchlasten der vier getesteten wande sind in Tabelle 2 im Abschnitt, der dic Vcrsllchs­ergebnissc behandelt, angegeben. Dic nach dem Versagen ein­getretenen Risse werdcn in den folgenden Abb. 4 bis 7 gczeigt. Die Endbruchlinien sind mit dicken Linicn markien.

3. Einzelversuche 3.1 Übcrsicht llnd Vcrsllchsablallf Um lnformationcn über das Sparu1tlllgs- und Dehnungsvcrhal­ten in verschiedene Richtungcn dcs Mallerwerks zu erhalten, wurden Biegevcrsuche an beidseitig gestüezten Mallerwerks­korpern von 1 111 Breite und 1,80 m Lange allsgeführt. Drcicrlei derartige Proben ohne Bewehrllllg wurden angcfcrtigt; die Lagerfllgen srandcn zu der Wirkungslinic dcs Biegemoments in drci vcrschiedenen Winkeln, cntsprechend dcn horizontalen, diagonalen tlnd vertikakn Biegllngen in einer Versuchswand, siehc Abb. 8. AuCerdem wurden zwei Mauerwerkskorpcr des Typs A, mit zwei Rundcisen 0 10 KS 40 in den zwei au13eren Lagerfugcn angefertigt.

::.:::-: t-0 00 •

supporling sleel frame Slülzrahmen aus Slahl

' .. ' ~ . : .' : o' inlerior frame for lesl walls supporled on Ihree sides

Innenrahmen für dreiseilig gestülzle Wande

~

25 cm masonry wall / 25 cm dicke Wand aus Mauerwerk

ai r bag / Luflsack t· o'.

o~. ~ o: .

: '.':: ... 0,0 ••

, o' .'

@. ~ o":o~: :

rigid panel slarre Platte

Verlical seclion A-A

Verlikalschnitt A-A

.:: • : I-;;J""""",,,,,

plaslic sheel Plaslikfolie

I

:::'JO :::.'.:- .... : .• :j: .. :.:.: :: ":1':':! ......... <1'.·0· •• 0 ',' •••• :: •••••

~ • • • • .. •• .....". ".. .' . I i"-...:J'-"4oi" ...... _______ --11 ~-4n

: I i o

~----------------~Ir---u

A'1

Horizonlal seclion

Horizonlalschnill

Abb.3: Versuchsanordnung Fig. 3: Experimental setup for wall testing

246

inpul Luftzufuhr

air pressure conlrol Lufldruckregler

Abb. 4 : An 3 Randern ge5tützte, unbewehrle Wand Fig. 4 : Wall supporled aI 3 edges, unreinforced

Abb. 6 : An 3 Randern geslülzte, bewehrte Wand Fig. 6 : Wall 5upported at 3 edges, reinforced

R~ . ,

, , , , . . I , .

:. • I " • 1

A "Hor; zonta 111

bend i ng

B "Diagonal"

bendi ng

Abb. 8 : Mauerwerkskórper für die Biegetests Fig . 8 : Masonry specimens for bending tesls

, , , , r- ft

I fi-

C "Vertical"

bending

, , , ,

Die Probcn wurdcn aIs Balkcn auf zwci Stützen hei ('incr Spalill­weite von 1,6 m mit zwei LinicnJasten in dcn Vicn clpunlcten belastet (siehc Abb. 9).

Die Last wurde stllfenwcisc mit zwei gegen die Untcrseitc der Probcn drückcnden hydraulischcn PreBtopfen aufgebracht.

160 em

UI P/ 2 U2 PI2 ~~4~0~~ __ ~8~em~ ____ ~~4~0~~

Abb. 9 : Versuchsanordnung für Einzelprüfungen Fig. 9 : EKperimental setup for detail te5ts

Abb. 5 : An 4 Riindern gestützte, unbewehrte Wand Fig. 5: Wall supported at 4 edges, unreinforced

Abb. 7 : An 4 Riindern gestützte, bewehrte Wand Flg. 7 : Wall supported at 4 edges, reinforced

Die Last wlIrdc in Stllfen von 100 kp crhõht, wobei bei jcdcr Stllfe die Gcsamtdllrchbiegllng mie Hilfe von drei MeBllhren, U 1- U 3 gemessen wurde. Die Vcrformungen in Stützwciten­mi tte wurden von 15 em langen,::tll der unteren und der obcrcn Seitc des Mauerstücks angebrachten Oehnllngsmessern ange­zeigt. In dcn bewehrten Mallcrsüieken wurden die Verfor­mungen dcs St::thls in der Mine der Spalillweite von Oeh­nungsmesscrn reglsrnen.

3.2 Tcilvcrsllchscrgebnisse Unbcwehrtc M::tllcrteile

Tabelle l ,'Tablc 1 Ergebnisse der Biegevcrsuchc/ Rcsults o f bending tests

Typ/T ype Anzahl der Mittl ere Mitdercs Bicgezug-Vcrsuehe/ Bruchbst/ Bruch- festigkcit/ Number Averagc momemf M odulus of tcstS ultimare Avcragc of rupture

lm d ultimare (kp) mo ment (kp/cm')

(kplll / m )

A 5 1460 320 3,1 B 2 2350 495 4,8 C 2 1240 275 2,6

Mittclwcrtf ll1 e:l1l value I 363 I 3,5

Bei den Bicgeverstlchen an den Probell A (horizontal) und C (vertikal) crgaben sich ungdiihr glciche Festigkciren, wãhrcnd sich Probe B (diagonal) 31s wesentlich fcster erwies.

247

Bewehrte Mauerteilc (Tabelle/Table 1 a)

Typ /Type Anzahl der Mittlere RiBlasrl Mittlercs RiB- Biegezugfestig- Bruchlastl Bruchmomentf Vcrsuchcf A vetage crack mOll1cnt! A vetagc keitJModulus of Failurc load FaiJure ll10mcnt

Number of load crack Illomcnt tupture tests (kp) (kpm / m) (kp/cm2) (kp) (kpm / m)

A t

2 t

1600 I 345 t

3,3 t

5500 t

1125

Dic bewchrten Mauerteile versagren durch Schubbruch, Ilach­dcm ccwa 85% der angenOllllllenen Traglasc errcicht warcl1.

4. Analyse der Testergebnisse

Tabel le 2/Tablc 2

(Siehe Abb. 11)

Nr. der Gcstiitztc Bewehrung l Altcr am RiBbst/Crlck load (kp /m2) Bruchbstf Ultilll3tc load (kpjm 2) Wandl Rãndcrf Rcinforcclllcllt Tagc der

WallNo. Supporr- VcrsuchcJ ing edges Age at gClllcsscn l berechnet/ gemessenf bcrechnctl

testing. measun:d calcu lated Illcasurcd calculated da)'s qm

865:7 3 unbewehrtl 28 450 unrcinforccd

865:8 4 unbewehrt/ unreinforccd

28 1200

865:10 3 3 x 2 0 1OKs40 24 800

865: 11 4 3x2 0 1OKs40 24 1150

4.1 RiBlast Die angenommenen RiBlasten in der obigen Tahcllc sind nach der Elastizitatstheoric für isotrope P!atten berechnct, \Vobei dic Mj[celwcrtc dcs Biegcmoments bei Ril1bildung wic im obcecn Teil von Tabellc 1 verwcndcc wurdcn; die Poissonschc Zahl wurdc dabci bcrücksichtigt (0,20). Die Jn dcn Wanden gcmessenen RiBbclastungcn sti 111111cn gllt mie deo errcchnetcn Werten libercin, mie Ausnahme der a l1 der bcwchrrcn, ao drei Randern gestützten Wand (865:10), wo die horizoncale Bcwehruog offensichdich dic RiBbildung an der obcren (freien) Kante verzogerte. Bei unbewchrtem Maucr­wcrk konzemriert sich die waagerechtc Vcrformuog haupt­sachlich ao dcn StoJ3fugcn. Bei bcwehnen Mauern isr diesc Vcrformung infolge der Bewchrung glcichma[Egcr ve rtei lt.

4.2 Hochstbclastung Die angcnommenen Traglasten in Tabclle 2 crgabcn sich durch analoge Anwendung der Bruchlinicmheorie fiir bcwehrte Betonplattcn. Abb. 10 zcigt das angenomlllcnc cinfachc Bruchlinienmuster. Das mittlere Bruchmomcm, 111 = 363 kpl11 / m, das sich bei den Teilversuchen ergab (siehe Tabelle 1), wird in die Gleichungen fi.ir unbewehne Wande in beiden Hauptrichtungcn eingesetzt.

y t,=,=,====

865:7,865:10 865:8, 865 :11

Abb. 10/Fig. 10: Bruchlinienmuster

248

qc qm /qc qm qc qm/qc

480 0,94 550 660 0,84

1140 1,05 1300 1580 0,82

480 1,67 1550 1190 1,30

1140 1,01 2150 2290 0,94

111x = my = 363 kpm/ m. Dic fi.ir die be\Vehrten Wiindc cingcserzren MOlllcnre betragen:

1 l11x = As' as)' . Z· 1) = 960 kpm /m

Illl' = 363 kpm/m

\Vobci As = Querschnitc der Zugbev,fchrung = 2,3 cm2

aSY = 5treckgrenze der Bewchrllng = 4950 kp/cm2

z = innerer Hcbclarm = 16 elll, b = 1,9 m.

Die analoge Anwendullg der einfa chcn Bruchlinienthcorie crgab eine Abweichung von ± 20% zwisehcn dcn berechnetcn lInd den gcmesscnen Hochstlasten. Dics kann im Hinblick auf die Ungleich maBigkeiten in der Festigkeit der Fugen ais be­friedigend angesehen werden. Wegen dieser unvermeidlichen UnregelnüBigkeiten sind dic Festigkeitcn der Teilprobcn mehr oder weniger zutreffend für dic Tragfahigkcit der W and. Die bestell Resultate wurden dadureh erziclr, daB der Mincl­,"yert der Bruchmomente in dic Bcrechnung der Bruchlinien cingeführt wlIrde. Die Verwcndung der vcrsehiedenen Brllch­Illomente aus den Einzelversllchen in verschiedene Richtungen würde andererscits eine Überbesti ml11 l1ng der Traglast ergeben. Alie Wande zeigen einen eckigen Verlauf der Bruchlinien. lo Hinsicht allf andere das Resultat beeinflllssende Faktoren \Vare es jedoch kaurn gereclufcnigt, dicscn eckigen Vcrlallf bei der analogen. Anwendung der Brllchlinicntheorie zu bcrücksid1ti­gCIl. Der Einf1uB dieses Verlaufs ist weicallS geringer aIs z. B. der der UngleichmaBigkeit in der Fugenfcstigkeit.

4.3 Elfckt der Bewehrung Die gewahIte Bewehrung - zwci Rundciscn 0 10 111m (Ks 40) in jeder dritten Fuge - entspricht cinem Bewehrungsgehalt von 0,10/0 ' Dieser bescheidene Anteil dcr Bewchrung erhohtc jedoch betrachtlich die Traglast, namlich von 550 allf 1550 kp /m2,

wenn die Wand an drei lUndern gcstiitzt war, und von 1300 auf 2150 kp /m2, wenn alie vicr R1inder gestí.itzt warcn.

1000

500

Bending m kpm/m

moment

sheaf

supposed -o ullimale loa/",

failure ~ ...... ,. -..

PI2 P{2

Ir ,,1 80 om 1" ri o~~~~~~~~~~~~

o 0,5 1,0 1,5 2,0 Tensile strain E -, ..

Abb. 11 : Zugdehnungen bei Teilversuchen (a) und bei Versuchen an den Wãn­den (b)

Dic nahe 3m freien Rand Jiegcndc Bewchrung der drciseir ig gestütztcn Wand bcwirktc eine glcichmaBigcre Verformung llnd verzogcnc dadurch die Bildung V011 Risscn. Die RiBbst der an vier Randcrn gcstiitzten Wand schicn nicht sondcrlich von der Bcwehrung bccinfluBr zu \Verden.

Dic Bcwchnmg hatte gcringe Wirkung auf die Biegcsrcifig­keit lInd die Durchbiegung der Wand vor der RiBbildullg. Andererseits bewirktcn die Bewehrungcn einen '\veitaus plasti­scheren Druch. Cie Durchbiegullg der a11 drei Randcm ge­stützrcn Wand betrug kurz vor dem Bruch l1ngcfãhr 25 111m, verglichcn mit einer Durchbiegullg von 1,6 111m, die dic nichr bewehrte Wand bei 900/0 der Hochsrlast errcicht harre.

Abb. 11 zeigt die maximale Stahldchnung ais Funktion der aufgebrachten Belastung bei den bewehrtcn Mallerwerkshal­ken (a) llnd bei den bewehrten Wanden (b). Dic S,ahldch­nungskurvc Hir die an drei Rãndern gescützre Wand zeigt cine dClltliche Xhnlichkei r mit den Dehnungskurvcn der Balken. Dicse Tatsache beruht darauf, da l3 dcm oberell, horizontal ver­laufenden T cil der Wand eine Trãgerfllnktion zukommr.

Dic oberstc Bewehrung der an drei lUndern gesti.itztcn Wand begann zu flieBen, ais ctwa 85~-b der Hochstlast der W and er­reichr waren. Das endgültige Versagen erfolgte beim Errcichen der Streckgrenze in der nãchsten Bewehrllngslage.

Die an vier lUlldcrn gcstli tzte Wand trug hauptsachlich in lot­rechtcr Richtung, weswcgen sich die horizonrale Bewchrung ais nicht so wi rksam envies. Bei einer Belastung von 2000 kp /m2

(oder ctwa 900/0 der Hochstlast), bei der die Bewehrl1ng eine Maximaldehnung von nUi 0,5°/ 00 erreichtc, cI1twickelten sich die Endbrl1chlinicn plotzlich, was das FlieBcn der in der Mitte Iiegenden Bewehrung aus lostc. Nachdcm die horizontal c Bc­lastung geringfügig gesreigert wordcn war, vcrsagtc die Wand.

5. Folgerungen Die ausgcfi.ihrten Versllche lInd ihre Analyse zeigcn, dal3 die RiBlast bei gemauerten Wanden mit der Elastizitãtstheorie ab­geschatzt werden kann, wenn man dabei die Biegungsmittcl­werte der horizontal , vertikal lllld diagonal wirkenden Ril3-lllomente verwcndet.

Die T raglastcn bei unbcwehrtcn und bewehrtcn Wãnden kon­nen bei cinfacher sinngemaSer Anwendung der bekanntcn Bruchlinientheorie Hir bewehrte Betollplatten mit einer guten

~-------:::

1-......... -1 1 ____ 1

...---------~

1,0 865:11

~-1 ___ __

-------- - ----0,5

Crack load

0,5 1,0 1,5 2,0 Tensile strain E·' ••

Fig. 11 : Tensile reinforcement strains in delail tests (a) and wall tests (b)

Annaherung von ± 20% geschatzt \Vcrden. Die klassischc Bruchlinientheorie besagt, daB sich umer der Hochstlast an jedcr Stelle der Bruchlinien das bei Errcichen der Streckgrenze in der Bewehnmg aufnchmbare Momcnt einstellt. Bei so sprodell1 Material wic unbcwehrtem Mauerwerk mag die Existenz eines so1chen Moments trotz einer moglichen Mo­I11cn teniibertragung an den Rissen durch Gewolbcwirkllng zwciíclhaft erschcinen. Die unbcwehrten Leca-Wandc waren sehr sprode llnd erhiclten Risse bei ctwa 80 bis 900;0 der Hochstbelastung.

Jedoch scheincn die Versuche zu bestatigen, daS einc Illodifi­zierte "Bruchlinien "-Analogie eine niitzlichc Hilfc bei der Konstruktion von biegebeanspruchten Wandcn sein kann. Wcircre Experimente wcrden gcmacht werden, um das tat­sachliche statische Verhalten von Mauerwerk Zll erforschen. Die aussteifendeWirkung von Querwanden, das Verhaltnis von Lange zu Hohe, Offnungen etc. werden untersllcht wer­den. W citerhin kann gcsagt werden, daS ein rc1ativ bcgrcnztcr Be­wehrllngsgehalt die Traglast erheblich heraufsetzt. InFolge der Bewchrung konme all13erdem die RiBlast einer dreiseitig gc­sciitztcn Wand bctrachtlich vergroBert wcrden. Dies hat prak­ti sche Bedeutung z. B. bei Biegebelastungen wahrcnd der Er­richtung von Fundamenrwanden. Bis dic Deckc beroniert (oder bei vorgefcrtigten Platten montiert) ist, wird eine derarti­gc Wand an drci Rãndern gesti.itzt und lauft glcichzei tig Ge­fahr , wahrend dcr Hinterfiillung einem hohen Erddruck aus­gcsctzt zu sein.

LITERA TURHINWEISE: Sei,c 251

Laterally Loaded Light Expanded Clay Block Masonry. The Effect of Reinforcement in Hori­zontal Joints

I. Introduction 1.1 llackground Laterally loadcd masonry, mainly brickwork, has carlier becn testcd at the Division of Concrete Structures ar Chalmers Univcrsity of Technology. Results fro m tests on single-leaf unrcillforced brick waUs [lJ and mesh-rcinforced prcfabricated

249

brick pane! walls 12] seem to show that the ul ti mate bearing capacity of a masonry wall subjected to a lateral load can be estimated witil good approximation \Vith help of an ana logy with the wellknown yicld line tileory for slabs. A llew series of tests has bem started \vitil special ai 111 of obtain­ing some basis for a practical design I11cthod for fOllndation waUs subjected to carril prcssurc. The seri es includcs tests or masonry of ccllular lightweight concrete (Ytong), light cxpanded c1ay blocks (Leca) and concrete hollow blocks wi th or without horizontal reinforcement. The behaviour of brick panels subjccted to wind load will also be studied fllrther.

1.2 Scope Thc tests reportcd in this paper are carried Ol1t on a series of four masonry wa lls of light expanded c1ay blocks. The walls were 3.5 m \Vide, 2.0 111 high and 0,25 m (lO-in) thick. During tlle tests two of tlle waUs \Vere supporrcd along three edges (upper edge frec), the other {WO \valls wcre supported along fom edges. For cach supporting condition an llnreinforced wall alld a waU rcÍlúorced wirh 2 0 10 111m deformcd bars (Ks 40) in every rhird horizontal joint were tested, see figo 1. In order to exa min e the properties in lateral fl cxure of the masonry waUs detai l tests on simply supported masonry beams are also carried out.

2. P r incipal test series

2.1 Materiais, masonry construction and reinforcement The walls \Verc consrructed fram 25 cm wide Leea blocks wirll the height 19 cm and the length 59 cm. The nominal density of rhc blocks was 0.65 kg/dm3 and rhe minimul11 co mpressive strength 30 kp /cm2 . The mortar containcd 1 part by weight of masonry cement and fi parts by weight of masonry sand rogether with a water amount giving good workability. The mona r had an average eo mpressive strength of 163 kp /cm2 and an averagc modulus of rupture of 40 kp /cm2 after 28 days. The masonry pattern was running bond \vith 10 111111 fillcd joims. Special blocks with recesses were used for the reÍlúorced courses, sec figo 2.

2.2 Testing procedure The waUs were rcsred ar an age of 24- 28 days. The transverse load was applied llniformly by a plastic bag fi lled with COI11-prcssed air. The air bag was l11011ntcd bctween the test wa ll and the rigid panel. The rig id pancl and thewa ll \Verc firmly anached to a supporting frame. The experimental serup is shown in Fig. 3. The pressure \Vas l1l easured with a U-tllbe filled with w:itc r. For evcry loading stcp of 50 kp / m2 up to the fai lure, the lateral deflecrions were ll1easurcd by a number of dial gauges on the wall surbce. The strains were mcasurcd vertica lly and horizontally across the joints at a llul11ber of points on the \Vali surfaees by strain gauges. The crackillg was observed alld !loted.

2.3 Wall test resules The crack loads and ultimare loads of the fo m tested waUs are shown in tablc 2 in tlle section deal ing wi th the analysis of resc results. The crack figo aher failurc are shown in the following photos, figo 4-7. Thc final yield line figo are marked \Vith heavy lines.

3. Detail tcsts 3.1 Scope and testing proccdure In order to get informJtion about thestress andstraincharactcris­tics in different dircc tions of the masonry, flexural rests on si mply supporrcd masonry beams, 1.0 m \Vide and 1.8 m long wcre carried out. T esr specimens of this kind withoutreinforce­ment '.vere made of threc types with the bed joints in three different directiollS in relation to the direetions of bending moment, eorresponding to horizomal, diagonal and vertical

250

bCllding in a test waH, see figo 8. T wo bea ms of thc type A, reillforeed \Vi rh 2 0 10 Ks 40 in the two ourer bed joims, wcrc also fabricated . The beams were tesred simply supportcd wirh 1.6 m theorctieal span, loaded wirh two linc loads in the quartcr poinrs, see figo 9. The loads \Vere applied in steps with help of two hydraulic jacks, working against the bonom si de of the test spccimen. The load was applied in steps of 100 kp. At every step the midspan deflection \Vas measurcd by the th ree dia} gallgcs Ul­U3. The strains at midspan were measllred by strain gauges wirh a lcngth of 15 cm, attaehcd at the upper and lower sides of the beam. In rhe rcinforced beams the stcel strains at midspan \Vere mcasurcd by strain gauges.

3.2 Detail test results Unreinforecd masonry bcams Table 1 Thc horizontal (type A) and vertical (type C) bcnding tests gave about the same ul timare strengrh, while the masonry was reasonably stronger in rhe diagonal direetion (rype B).

Reinforeed masonry bcallls Table la Thc reinforced masonry bcams failed in shcar ar aboue 85% of rile supposed ultimate load, see figo 11.

4. Analysis of test results

Table 2 4.1 Crack load The theoretical eraek loads in the above table are calculatcd according to the theory of c1asticity for isotropic plates wirh Poisson's ratio as 0.20, using the mean valllcs of the bending crack moments according to tabJe 1, upper parto The 111easured wall crack loads are in good agrce mcnt wi th the theoretical valucs, exeept for the reilúorccd wall laterally sllpported along thrcc edges (865:10), where the horizontal rcinforeement obviously delayed the crack formation at the free edge. The horizontal st rain for an un reinforecd masonry w:t11 is mainly concentra ted ar th e hcad joints. In the reinforecd wall this strain showcd a sl1100ther distribution along the wall because of the reinforce mcnt.

4.2 Ulti mare load Thc theorcrical ultimatc loads in tablc 2 are dcrived by cmploy­ing an analogy \Vi th fhe yicld linc rhcory for reinforced concrete slabs. Fig. 10 shows the assumed si l11ple yield line pattem. The average ultimate bending moment, 111 = 363 kpm/ m, according to the detail tests, see table 1, is inserted in the cquations for the 11l1feinforced test walls in the both perpendicular directions, viz. Il1x = my = 363 kpm/m. The mOl11ents to be inserrcd for the reinforeed walls are

1 Ill x = As' as)' . Z . b = 960 kpm/ m

my ~ 363 kpm/m where As = rcnsilc reinforcc l11cnt arca = 2.3 e l11 2

Os)' = reinforcemcnt yield stress = 4950 kp /cm2

z = intcrnlcver arm = 16 cm, b: = 1.9 111.

Thc simple yicld line analogy gave abOlir ± 20,?,o deviation between l11easllred and calculated ultimate loads. That may be satisfaetory witll regard to the scatter in joim strength. Be­cause of this inevitablc sca ttcr the strengrhs of the dctail tests specimcns are more or less relevam to the bcaring capacity of the waU.

Thc best resu!ts were obrained by introdllcing the Il1can ultimate bending momcnt in the yield line calculations. On the other hand, ming rhe different ultimate bending llloments from the detai l tcsts in different direcriolls overcstimared the l.l1ti mate load.

All rhc waUs show com er spalling of the yicld li ncs. Wirh rcga rd ro rl1 c othcr aspects influencing the result, it has not, howevcr, bcen regarded as justificd to calcularc w ith comer spall ing in tlle yield line analogy. The inflllence of this spalling eEfect is 11111ch smaJler than for cxample of the joint strength scattcr.

4.3 The effect of reinforcemcnr The choscn rcinforccment, 2 0 10 Ks 40 in ever}' third bed ioint, corresponds to a total reinforcement amollnt of 0.1 0%' This moderate reinforccmcllt amOllnt, howcver, considerably incrcased thc uhimatc load, viz. from 550 to 1550 kp /m2 whcn the walI was supporred at dure edges, and from 1300 ro 2150 kp /m2 when supportcd at fom edges.

Thc reinfo rcemenr nea r the frcc upper edge of the \vall supportcd ar tllree cdges madc tile strain distribution smoother and thcrdore dclayed the crack formation. The crack load of tlle \vall supportcd at fo ur edges did nm seem to be significantly Í1úluenccd by the reinforccmcnt.

The rcinforcement had littlc effcct on rhe bcnding sriffncss and deflectiollS of rhe wall before it cracked. On the mhcr hand the reinforccmem naturall y enough gave a llluch more plastic fai lurc. The ddlenion of the wa ll suppon ed at three edges was abollt 25 111111 just bcfore coHapse, as compared to a deflection of 1.6 mm of the llnrcinforced wa lI at 90% of ultimate load.

Fig. 11 shows the maxi mulll steel st rnins as a funcrion of the imposcd load, for the reinforccd masonry beams (a), and the reinforced walls (b). The sreel srrain curve for the wall sllpportcd at thrce edgcs shows a reasonable similarity CO the strain curves for thc bcams. This face is due to tile main bearing fllnction of the llpper part of the wall as a horizoncal beam.

The uppermost tensile reinforcc menr in the waU supported at three edges began co yicld ar 850;0 of the tlltimate \vaU load. Final coHapse occurred wllen the yicld stress was reached in the reinforcemcm !ayer ncxt below.

The walI supported at fom edges spanned mainly in vertical direcrion, and that is why rhe horizontal reinforcement was noc 'o effeetive. At a load of 2000 kp /m' or abollt 90% of the ultimate load, whcn rhe reinforccment had reachcd only a maxi 111 li 111 strain of 0.50/0' the final yicld lines suddcnly devclop­ed, ca using yiclding in the central rensile reinforcemcl1t. CoIlapse occurrcd .lfter so me further increase of the latcralload.

5. Conclusions Thc tests carried out and the analyse thcrcof show that the crack loads of the masonry waUs can be esti mated according to the theory of elasticity, using thc Illean value of rhe bellding crack mOl1lcnts in horizontal , diagonal and vertical directions.

Thc ultimare loads can wi th good approximarion, abollt ± 20%

, for both unrcinforced .lnd reinforced waIls be estimared \Virh help of nn simple an:dogy witil rhe wcllknown yield line rheory for reinforced concrete slabs. The classical yicld line thcory postulates that tilc yicld momem is developcd in ali tlle yicld lines ar ultimate load. For such a brittle material as unreinforced masonry, the existence of a "yield momem" may be dOllbtful, in spite of so me probable mOl11ent transfcr in the craeks beca use of arching aetion. The unreinforced Leca wa lls \Vere very brinle with cracking ar abOlir 80-90% of ultimate Joad. Howevcr. the tests seem to show that a modificd "yield line" analogy may be a uscful design tOol for larerally loaded masonry walls. Furriler research will be done in order to get bener knowledge of the real stat ical behaviour of Illasonry \VaI/s. The influencc of resrraint in joining cross walls, diffcrent lengrh /height ratios, openings etc. \ViU be studied. It can also be stated rhat a rclativcly limitcd amount of rein­forcelllent considerably increased tile ultimate load. Also the crack load was highly incrcascd bcca llSc of the reÍlúorcelllent, whm the waU was supported ar duce cdges. This has pracrical signifieancc for exa mple for the loading cases during cOllStruc­tion of fOllndation \VaUs. Until the slab is casr or 11101lntcd, it pre-cast , such a wall is suppon ed at three edges and ar [he sa me ti me runs the risk to be subieeted to a too high carth pressme during Illcchanical filling l1p and packing against the masonry.

REFERENCES

{I] A. Losbcrg alld S, Johallsson: "Sidcway Prcssure 011 Masonry Walls of Brickwork". International Symposiull1 011 Bcaring Walls, Warsaw, June 1969,

[2] r. H. E. Nilsson and A, Losberg: "Thc Strcngth of H orizontall y Loaded Prefabricated Brick Panel Walls", SIDMAC Procccdings, Stoke-on-Trent, England, April 1970.

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