Finite-Elemente-basierte Bestimmung der Tragfähigkeitserhöhung von Ziegelmauerwerk durch faserverstärkte Mörtelfugen

Abstract

Im Mauerwerksbau bringt die Verwendung plangeschliffener Hochlochziegel in Kombination mit Dünnbettmörtel zahlreiche Vorteile mit sich, etwa kürzere Bauzeiten, eine höhere Ausführungsgenauigkeit oder bessere Eigenschaften hinsichtlich des Wärmeschutzes. Bei dieser Bauweise kann jedoch keine durchgehende Mörtelschicht gewährleistet werden; die vertikalen Aussparungen der Ziegelsteine verbinden sich zu langen Schächten. Insbesondere bei Anschlüssen in der Außenfassade führt die damit einhergehende Luftzirkulation zu Wärmeschutzund Schallschutzproblemen, zudem ist die Luftdichtheit der Gebäudehülle geringer. Um diesem Problem entgegenzuwirken, kommen vereinzelt gewebeverstärkte Mörtelfugen zum Einsatz. Das Gewebe gewährleistet eine durchgehende Mörtelschicht und verhindert dadurch die Entstehung langer, vertikaler Schächte im Mauerwerk. Zusätzlich attestieren Ziegelhersteller damit ein günstigeres Verhalten im Erdbebenfall. Vor allem bei herkömmlichem Mauerwerk mit dickeren Lagerfugen treten unter Vertikalbelastung durch die Steifigkeitsunterschiede von Ziegelscherben und Mörtel hohe horizontale Zugspannungen in den Querstegen des steiferen Ziegels auf. Das Glasfasergewebe erhöht die effektive Steifigkeit der Mörtelschicht, wodurch die Querzugspannungen im Ziegel abnehmen. Dies führt zu einer höheren Tragfähigkeit des (Hochlochziegel-)Mauerwerks unter vertikaler Belastung. Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung der möglichen Tragfähigkeitserhöhung von Hochlochziegelmauerwerk durch faserverstärkte Mörtelfugen mittels numerischer Simulationen in der Finite-Elemente-Software Abaqus. Die Modellierung des Mauerwerks als Einheitszelle unter periodischen Randbedingungen ermöglicht die Simulation eines unendlich ausgedehnten Kontinuums durch einen ausreichend großen, repräsentativen Ausschnitt, was eine signifikante Reduktion der benötigten Rechendauer nach sich zieht. Der Einsatz des orthotropen Versagenskriteriums nach Hoffman trägt der ausgeprägten Orthotropie von stranggepressten Ziegelsteinen Rechnung. Das Versagen des spröden Ziegelscherbens ist durch die Entstehung von Querzugrissen geprägt, diese werden daher mithilfe der Extended Finite Element Method (XFEM) diskret modelliert. Versuche an Vollziegelmauerwerk ergaben, dass faserverstärkte Mörtelfugen einen deutlichen Anstieg der Vertikaltragfähigkeit bewirken. Anhand dieser Versuchsergebnisse erfolgte die Validierung der entwickelten Modellierungsstrategien. Die Anwendung dieser Strategien auf Hochlochziegelmauerwerk lässt dann Rückschlüsse über die mögliche Erhöhung der Tragfähigkeit zu. Auf Basis einer Parameterstudie wurde die Abhängigkeit zwischen dem Bewehrungsgrad der Fuge und der Vertikaltragfähigkeit herausgearbeitet. Dabei zeigte sich, dass durch Faserverstärkung nicht nur die Querzugspannungen im Ziegel abnehmen, sondern auch ein duktileres Nachrissverhalten auftritt. Aus diesem Zusammenhang lässt sich ableiten welche Gewebe-Eigenschaften erforderlich sind, um einen signifikanten Anstieg der Tragfähigkeit zu erreichen.

In masonry construction, using vertically perforated bricks laid in thin bed mortar results in numerous advantages, such as shorter building periods, higher building accuracy, and improved masonry properties regarding thermal insulation. However, using this construction technique does not allow for a continous mortar layer between the bricks, resulting in vertically connected chambers. Especially with installations in the facade and subsequent occuring air circulation this causes severe problems concerning thermal insulation and noise protection, plus, the airtightness of the building face is reduced. To encounter this problem, fibre reinforced bed joints are occasionally used on construction sites, ensuring a continous layer of mortar. In conventional masonry, transverse tensile stresses occur in the bricks due to the stiffness differences of brick and mortar. Yet, the fibre reinforcement within the mortar layer increases its stiffness, thereby reducing the tensile stresses in the transverse webs of the brick. The estimation of the feasible increase of the load carrying capacity of perforated brick masonry due to fibre reinforced bed joints by means of a numerical analysis is the main objective of this thesis. A unit cell approach with periodical boundary conditions allows the simulation of an infinitely large continuum via a sufficiently large, representive part of the model. Implementation of Hoffman’s orthotropic failure criterion as a user subroutine takes the distinct orthotropy of extruded bricks into account. Cracking processes are a central matter in the failure of brittle materials like bricks. Therefore, cracks are modelled discretely by means of the extended finite element method (XFEM). Experiments on solid brick masonry reveal that fibre reinforced bed joints result in a significant increase of the vertical load carrying capacity. The chosen modelling strategies are validated by reproducing the experimental results in finite element simulations. Hence, the application of these strategies on vertically perforated brick masonry provides estimations for the feasible increase of the load carrying capacity. By increasing the volume fraction of the fibre reinforcement gradually, a correlation between the vertical resistance of masonry and the volume fraction of fibres in the bed joints can be developed. The study shows that increasing reinforcement not only causes smaller transverse tensile stresses, but also results in a more ductile behaviour after the initial crack. The developed correlation allows to define required fibre mesh properties for reaching a significant increase of the load carrying capacity.