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ZUR BIEGEZUGFESTIGKEIT VON MAUERWERK

H. Metzemacher Dipl.-Ing.

FLEXURAL STRENGTH OF MASONRY

von

Arbeitsgemeinschaft Mauerziegel, Bonn, Deutschland

1. ZUSAMMENFASSUNG

In der zukünftigen europaischen Mauerwerksnorm, dem EC 6 /1/, werden Werte über die zulassige Biegezugbeanspruchbarkeit von Mauerwerk senkrecht und parallel zur Lagerfuge enthalten sein, die z.T. deutlich über die bisherigen Regelungen der DIN 1053 hinausgehen. Zur Wahrung deutscher Interessen bei den Beratun­gen zum EC 6 wurden im Rahmen eines Forschungsprojektes Biege­zugfestigkeiten von Mauerwerk aus in Deutschland üblichen steinen und Morteln ermittelt. Neben Versuchen an Mauerwerk­Prüfkorpern wurden erganzend Versuche an Kleinprüfkorpern mit dem Ziel durchgeführt, die Mauerwerk-Biegezugfestigkeit mit Hilfe einfach zu ermittelnder Kennwerte abschatzen zu konnen. Die ermittelten Biegezugfestigkeiten zeigen z.T. deutliche Ab­weichungen von diesen Entwurfswerten. Die Biegezugfestigkeit parallel zur Lagerfuge kann mit Hilfe der stein- Biegezugfe­stigkeit abgeschatzt werden, wenn der Bruch im Mauerwerk durch Biegezugversagen der steine hervorgerufen wird.

1. ABSTRACT

The european masonry code EC 6 contains values for the flexu­ral strength of masonry parallel and perpendicular to the bed joints which are significant higher than values in the german standard DIN 1053. To maintain the german interests in the EC 6 the flexural strength of masonry with usual german bricks and mortars had been investigated in a research project. Be­side the testing of masonry specimens special tests on small specimens had been carried out with the purpose to calculate the masonry flexural strength with those simple tests. The flexural strengths obtained in the test were in general diffe­rent from the values in EC 6. It could be shown, that the fle­xural strength parallel to the bed joint can be calculated with the flexural strength of the units ar compressive strength of the units in direction of the bed joint when ma­sonry under flexural load cracks in the units.

2. EINLEITUNG

Zur Wahrung deutscher Interessen bei der zukünftigen europal­schen Mauerwerksnorm, dem EC 6 war es erforderlich, Mauerwerk­Biegezugfestigkeiten von in Deutschland üblichen steinen und Morteln zu ermitteln, da solche Werte bislang kaum vorlagen. Die Untersuchungen wurden dankenswerter Weise vom Bundesmini-

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sterium für Raumordnung, Bauwesen und Stadtebau finanziell un­terstUtzt. Die Untersuchungen und Ergebnisse sind im For­schungsbericht des ibac /2/ ausführlich beschrieben.

3. UNTERSUCHUNGSPROGRAMM

Es wurden Biegezugversuche an Mauerwerk, angelehnt an das Prüfverfahren nach ISO /3/ bzw. CEN /4/ mit Beanspruchung par­allel und senkrecht zur Lagerfuge durchgeführt. Die Mauerwerk­Prüfkorper wurden aus in Deutschland üblichen reprasentativen Mauersteinen und laborgemischten Rezeptmorteln der Festig­keitsklassen MG II a und MG III nach DIN 1053 sowie mit Leichtmortel LM 36 und Dünnbettmortel hergestellt. Zusatzlich wurden Prüfungen an Mauersteinen und an stein- Mortel-Prüfkor­pern mit ahnlicher Beanspruchung wie beim biegezugbeanspruch­ten Mauerwerk durchgeführt. Ziel dieser Versuche war es, die Moglichkeit einer ersatzweisen quantitativen Bestimmung der Mauerwerk-Biegezugfestigkeit durch diese einfachen Prüfungen zu untersuchen. AuBer bei Hochlochziegeln wurden die Prüfkor­per sowohl mit lufttrocknen als auch mit vorgenaBten steinen hergestellt.

4. PRÜFUNGEN

4.1 Steinprüfungen AuBer den üblichen Steinprüfungen nach DIN 105 wurden an den steinen die kapillare Wasseraufnahme nach DIN 52617, die Steinlangsdruckfestigkeit und die Biegezugfestigkeit (Bild 1) der steine nach RILEM /5/ durchgeführt. An Hochlochziegeln wurden zusatzlich die Wasseraufnahme nach ISO /3/ und BS 3921 /6/ ermittelt (Tabelle 1).

Bild 1:

5tahlrolle {i'f 40 mm

f +//"b""" I } . I I .

F i F i 2 2

11 l~ 1 20 20

Biegezugfestigkeit der Steinei Prüfkorper mit Belastung.

Flexural strength of unitsi specimen with load .

Tabelle 1: Mauersteine; Trockenrohdichte ~d' steinfeuchte h st ' Wasseraufnahrnekoeffizient nach OIN 52617 w , Wasseraufnahrne W nach 13/, Saugrate Ws nach 16/, Oruckfestigkeit nach OIN 105 BO St, 6ruckfestigkeit in ~teinlangsrichtung BOL st, Verhaltniswerte der oruckfestigkeiten BOL,St/Bo,st und Biegezugfestigkeit BBz,st (Mittélwerte).

Masonry units; dry density ~d, water content h st ' water adsorption according to OIN 52617 wt ' water adsorption Wa according to ISO 13/, suctionrate according to BS 161 Ws ' cornpressive strength according to DIN 105 BO st, cornpressive strength in directlon of the brick length BOL St, re1ationship of BDL St/BD St and f1exura1 strength BBZ (average values) . / , I

h 3) "t Wa Ws BD,st BDL,St Bf,L,St BBjtJcb_

~c{ 1 St f D,St bild 4)

Stein kg/rn3 H. -% kg/ (rn 2 ...fh) H. - % kg/(rn2 min) N/1tUll 2 N/1tUll 2 - N/1tUll 2 5 F

KS12-2 DF1 ) 1690 3,0 10,5 3,07 - - 28,4 21,2 0,75 2,39 1 4 KS12 - 2 DF 2 ) 1670 3,4 8,2 2,15 - - 31,4 20,7 0,66 2,50 - 5 KSL12-2 DF 1530 3,9 14, ° 3,65 - - 26,9 8,5 0,32 2,16 3 2 KSL12-10 DF 1270 1,5 - 2,22 - - 24,0 n . b. - n.b. - -KSPE20 - 2 DF 1880 6,8 2,65 - - 36,9 23,8 0,65 2,75 4 1

HLz12-2 DF 1270 0, ° 9,6 9,79 12,7 1,4 25,4 6,1 0,24 1,84 4 1 RLz28-2 DF 1480 0,0 - 9,37 10,6 1,4 46,6 15,5 0,33 4,14 1 3 HLz12-16 DF 800 0,0 - 16,30 24,6 3,1 10,1 0,8 0,08 0,14 5 -RLz6-16 DF 760 0, ° - 3,74 19,6 1,1 15,7 0,9 0,05 0,13 5 -

Hbn12-12 DF 1230 1,9 3,1 0,30 - - 15,8 7,3 0,46 1,88 4 1 V2-2 DF 930 2,9 - 0,79 - - 4,8 4,0 0,83 1,14 5 -V12-2 DF 1750 3,1 7,3 0,44 - - 23,1 14,8 0,64 3,85 5 -Vb12-16 DF 690 2,8 - 0,86 - - 3,6 1,3 0,36 0,60 4 1 Hb12-16 DF 7 80 2,6 - 0,99 - - 3,4 1,5 0,44 0,68 5 -Hb16-16 DF 970 1,4 - 0,46 - - 7,9 2,8 0,35 0,63 4 -

G2-16 DF 470 4,7 9, ° 2,80 - - 3,6 2,6 0,72 0,33 5 -G6-16 DF 700 8,7 18,1 4,10 - - 9,1 4,6 0,51 0,54 5 -GP2-16 DF 490 4,9 - 2,90 - - 3,3 2,4 0,73 0,32 5 -

! ---- - -

1) groBe Wasseraufnahrne nach OIN 52617 2) geringe Wasseraufnahrne nach OIN 52617 3) zum Zeitpunkt des Vermauerns; 1: lUfttrocken, f: vorgenaBt 4) Anzahl der Prüfkórper, bei denen der Bruch im Stein undjoder an der Mórtelfuge auftrat . n.b.: nicht bestirnmt

w O

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4.2 Mauermortel An den Morteln wurden die Morteleigenschaften AusbreitmaB, Wasserrückhaltevermogen, Frischmortelrohdichte, Luftgehalt und Druckfestigkeit nach DIN 18555 ermittelt (Tabelle 2).

Tabelle 2: Mauermorteli Wasserrückhaltevermogen WRV, AusbreitmaB a, Luftgehalt L, Frischmortelrohdichte g~ und Oruck­festigkeit Bo,14 im Alter von 14 Tagen.

Masonry mortari waterretention WRV, f10w rate a, air content L, fresh mortar density ~? and compressive strength Bo at the age of 14 days. "

Mortelartj WRV -gruppe

%

NM lIa 71

NM IrI 78

LM 36 73

OM 99

OM: Oünnbettmortel LM: Leichtmortel

4.3 Mauerwerkprüfungen

a

mm

170

165

156

184

L ff r Bo,14

Vol.-% kg/m3 N/mm 2

4,8 2060 6,82

4,6 2100 14,6

27 1100 6,67

5,5 1930 11,4

Die Prüfung der Mauerwerk-Biegezugfestigkeiten erfolgte als 4-Punkt-Biegezugversuch im wesentlichen nach CEN TC 125 /4/. Die PrüfkorpergroBe war jeweils so gewahlt, daB der Abstand der inneren Auflager etwa der vierfachen wanddicke entsprach (Bild 2). Die Prüfkorper wurden mit lufttrockenen bzw. vor­genaBten steinen auf dicken stahlplatten aufgemauert, unter Folien vor Zugluft geschützt bei Normalklima DIN 50014-20/65-1 bis zum Alter von 14 Tagen gelagert und anschlieBend mit den stahlplatten in die Prüfmaschine eingebaut. Abweichend von CEN Te 125 wurden die frisch hergestellten Mauerwerk-Prüfkorper mit einer Lage der jeweils verwendeten steine belastet. Oie Prüfkorper zur Ermittlung der Biegezugfestigkeit parallel zur Lagerfuge wurden auf einer Trennschicht mit einem Reibbeiwert von weniger als 0,10 aufgemauert (Bild 3). Oie Belastungsge­schwindigkeit bei den Versuchen war konstant und so einge­stellt, daB die Hochstlast nach etwa 60 seco erreicht wurde. Die Last wurde von einer zwischen Hydraulikkolben und den Lasteinleitungselementen angeordneten Kraftmessdose gemessen und kontinuierlich aufgezeichnet.

Bild 2:

Bild 3:

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-- Aufloger

- - - - Belos tun g

1540

Mauerwerk-Prüfkorper mit groBformatigen steinen für die Biegezugprüfung senkrecht und parallel zur Lagerfuge.

Masonry specimens with large units for testing the flexural strength perpendicular and parallel to the bed joints.

"-<--'"...-''-1- Mouerwerk - Prüfkórper

Mortel

harle thermoplosl ische Folie - O,L. mm

Glei lfett PE -Fo lie - O.2mm

Folienlager als Unterlage für die Mauerwerk­prüfkHrper zur Biegezugfestigkeit parallel zur Lagerfuge.

Foil-bearing as support for masonry specimens for testing the flexural strength parallel to the bed joints.

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4.4 Erganzungsprüfungen

4.4.1 Haftscherfestigkeit Oie Haftscherfestigkeit wurde nach dem in CEN TC 125 beschrie­benen Verfahren an jeweils drei Prüfkorpern ermittelt (Bild 4) •

r--

~ -]

(l, b: Steinliinge, -breite)

Bild 4: Haftscherfestigkeit; Prüfkorper mit Belastung.

Bond shear strength; specimen with load.

4.4.2 Haftzugfestigkeit Oie Haftzugfestigkeit zwischen Stein und Mortel wurde nach RILEM TC 76 an jeweils drei Prüfkorpern bestimmt (Bild 5) .

F (s - ~ ) o = ___ Z_. F HI bZ , 1/6 b'172

(l, b: Steinlãng!, -breite)

Bild 5: Haftzugfestigkeit; Prüfkorper mit Belastung.

Bond test; specimen with load.

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5. ERGEBNISSE

Die an Mauerwerk-Prüfkorpern aus in Deutschland üblichen stei­nen und Morteln ermittelten Biegezugfestigkeiten'weichen z;T deutlich von den Biegezugfestigkeiten im Entwurf des EC 6 ab (Tabelle 3).

Tabelle ): Mauerwerk; Steinfeuchte h St ' Wasseraufnahme wa und Wanddicke ~w sowie Mittelwerte der Biegezugfestigkeit parallel 8 SZ p und senkrecnt zur Lagerfuge ~BZ S im Vergleich zur charakteristischen Biegezugfestlgkeit aus EC 6 fOr Mortel M 5 und'M 10.

Ma sonry unit humidity hSt. water adsorption Wa • wall width dmw and average values of masonry f l exural strength paraI leI BSZ p and perpendicular to the bed joints B compared with the characteristic f l exufal strength in EC 6 for rnortars M 5 andB~lro.

5tein Mortel J ) h 4) W. 5) d m", 6)

Boz,p ~~H) /}oz,s St

H.-\ M.-\: mm N/mm 2

KS12-2 DF'

) tIH rI a 10,5-( 1,11 O,)) KS12-2 DF

') NH 111 10,5-t 0,95 O, ) 6

KS12 -2 DF 2 ) NH III 8,2-t 1,07 0,25 KS L12 -2 DF NH III 14,0-( 0,89 O, J 7 KS PE20-2 DF DH 6,8-[ 1,14 O, ",)

n. b. 115 KS12 -2 DF l ) "H II a ),0-1 O. )8 0,9 0,13 KS12 -2 DF

') NH III ),0- 1 0,)9 0, 10

)(512 -2 DF 2 ) NH II · ). <\-1 0,50 0,05 KS1 2-2 DF 2 ) NH III ),' -1 O. "8 0,1)

KS L12-2 DF NH 111 ),9-1 0,27 0,04

KS LU-la DF tIH III 1 , 5- 1 240 0,10 0,09

IIL1.12-2 DF !IH II · 0,0-1 12,7 0 . 51 0,4<

HLz1 2-2 .DF NI1 II • 9,6-t n . b. 115 0,79 0,9 0,67

tlLz20-2 DF NH II · 0,0-1 1,08 0,44

HLz20-2 DF "H III 0,0-1 10,6 115 0,85 1,1 O, )1

IILz12-16 DF NH III 0,0-1 0,19 0,18 HLz12 -16 DF NH 11 • 0,0-1 24,6 0,21 0, 2)

HLz12-16 DF Ui )6 0,0-1 0,11 0,9 0,07 240

HLz6-16 DF NH II · 0,0-1 0,18 0,55 HLz6-16 DF LH )6 0,0-1 19,0;) 0,1) 0,21

Hbn12 - 12 DF NH II · 1,9-1 0,76 O. )4 Hbn1 2- 12 DF NH III 1,9-1 n.b. 240 0,74 0,27 O, ·1 a Hbn1 2-12 DF NH 111 ),1- ( 0,1) 0,45

V2-2 DF NH II · 2,9-1 0, 5) 0,42 V12-2 DF NH III ),1-1 n.b. 115 1, )2 O," J 0,69 V12-2 DF NH II • ),1-1 1,10 0,6) V12-2 DF NH II • 7,)-( 0,91 0,)8

Vb12-16 DF LH )6 2,8-1 0,28 0,17 Hb12-16 DF LH )6 2,6-1 n .b 24 ° O,JO 0,27 0.14 Hb16 - 16 DF LH )6 1 , "-1 0 ,46 0,)0

G2-16 DF NI1 II • 4 , 7-1 0,17 0,03 G6 - 16 DF NH II · 0,7-1 0,21 0,05 G2-1G DF "H 11 a 9,0-t n .b 240 0,17 0,27 0,06 G6-1G DF "H 11 · 18,1-( 0.20 0, 0 8 GP2-16 DF DH 4,9-1 0.2) 0,10

1 ) groBe Was seraufnahme nach OIN 52617 2) geringe Wasserauf nahme nach DIN 52617 3) LM 36 wurde M 5, OB wurde M 10 zugeordnet 4) Feuchtegeha1t der Steine beim Vermauern; 1: 1ufttrocken, f: vorgenaBt 5) Wa : Was seraufnahrne nach 3 6) d mw : Oicke der Mauerwerk-Prüfkórper n.b. nicht bestimrnt

-

~~t' g)

O,)

O,)

0,4

O,)

0.16

0,24

0,16

. .

0,16

1.5

I)

1.0

0.8

0.5

O)

0.0

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oie Biegezugfestigkeit paraIIel zur Lagerfuge kann in Abhan­gigkeit vom BruchbiId (stein- oder Lagerfugenversagen) ver­haItnismaBig gut mit HiIfe der stein- Biegezugfestigkeit bzw. der stein- Langsdruckfestigkeit abgeschatzt werden, falls der Biegezugbruch durch die steine verIauft (BiId 6). Beim Biege­zugbruch durch die Lagerfugen wurde nur eine schwache Abhangigkeit der Mauerwerk-Biegezugfestigkeit von der Haftscherfestigkeit festgesteIIt. Ein Zusammenhang zwischen der Biegezugfestigkeit senkrecht zur Lagerfuge und der Haft­zugfestigkeit zwischen stein und Mortel für alIe steine und Mortel ist nur bei einigen steinsorten vorhanden.

-'" KS. I(S l . HU . Hbn. V. Vbl. Hbt +

- Rf9rt~,ionskV("f --

" ~+ " -

. v -

A ~BZ.mw p = 01,8x~BZ.st066

;: (Besl.: 95% SOS = 0.09 N/mm 2 )

y , , ,

O. 2. J. ~. 5.

Bild 6:

~BZ.st In N/mm2

Biegezugfestigkeit parallel zur Lagerfuge 5 BZ p in Abhangigkeit von der Stein-Biege­zugrestigkeit 5 BZ ,st

Flexural strength parallel to the bed joints BBZ p versus flexural strength of bricks BBZ: st

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LITERATUR

/1/ EUROCODE Nr. 6 Gemeinsame einheitliche Regeln für Mauer­werksbauten. Luxembourg: Kommission der Europaischen Gemeinschaften, Entwurf 1988.

/2/ Metzemacher, H., Schubert, P.: Biegezugfestigkeit von Mauerwerk senkrecht und paraIIeI zur Lagerfuge. Aachen: Institut für Bauforschung, 1989 - Forschungsbericht Nr. F 275.

/3/ ISO TC 179/SC 3 N19A Part 4 Draft 11.88. Masonry - Methods of testo

/4/ CEN TC 125 - Mauerwerki WG 4/TG 1. Prüfverfahren für Mauerwerk (N34, Bearbeitungsstand 03.90).

/5/ RILEM TC 76 - LUM. A.2 01.88. Load-Bearing unit masonrYi Test of units and materiaIs i Determination of fIexuraI strength of units.

/6/ BS 3921: 1985 CIay Bricks. British Standard Specification.