- 284 - SINNVOLLE NUTZUNG DER BIEGETRAGFAHIGKEIT VON ZIEGELMAUERWERK AM BEISPIEL DER LINIENHAFTEN VERANKERUNG VON VERBLENDFASSADEN A REASONABLE EXPLOITATION OF THE FLEXURAL STRENGTH OF BRICKWORK BY EXAMPLE OF LINEAR FIXED CAVITY WALLS H. - W. Jedamzik/J. Becker Dipl.-Ing . /MeB- und Regeltechn. von ZUSAMMENFASSUNG Institut für Ziegelforschung Essen e.V. Deutschland Die linienhafte Verankerung von Vormauerschalen bei zweischalig ausgeführten AuBenwandkonstruktionen ist in der neubearbeiteten Mauerwerksnorm DIN 1053, Teil 1, aIs Alternative zur flãchigen Verankerung neu aufgenommen. Um die Vorteile dieses Verankerungssystems in Zukunft sinnvoll nutzen zu kõnnen, wurde das wirkliche Tragverhalten derartig zeilenhaft oder abschnittweise verankerter Vormauerschalen für eine exem- plarische Auswahl von Ziegel-Mõrtelkombinationen untersucht. An standardisierten Kleinprüfkõrpern und geschoBhohen Wanden konnten mit einer neuartigen Belastungseinrichtung horizontale Windlasten praxisnah simuliert und die Funktionsfãhigkeit der Gelenkanker bei punktweise konzentrierter Lastabtragung sowie die zweiachsige Tragwirkung der AuBenschale im Falle einer vierseitigen Lagerung nachgewiesen werden. Der Ansatz zulãssiger Biegezugspannungen senkrecht zur Lagerfuge - wie im Entwurf der europaischen Mauerwerksnorm EC6 bereits vorgesehen- erscheint nach den vorliegenden Ergebnissen gerechtfertigt. ABSTRACT The linear fixing of externaI to internaI skin of cavity walls has been integrated in the recently revised brickwork standard specifications DIN 1053, part 1 as an alternative to uniformly distributed ties. In order to make reasonable use of the advantages of this construction system in future, the real carrying capacity of line-by-line or sectional fixed half brick walls has been studied on basis of an exemplary selection of brick- /mortar combinations. By means of a new type of loading mechanism, horizontal wind loads could be simulated near to reality at standardised small specimen (wallet tes) and walls of storey height, and the functionality at the special ties with pointwise concentrated load transfer as well as the two-way carrying capaci ty of the externaI skin of cavi ty walls could bei evidenced. According to the results achieved, the approach of flexural strength in the vertical direction to bed joints - as provided already in the draft of the European brickwork standard EC 6 - seems to be justified.
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SINNVOLLE NUTZUNG DER BIEGETRAGFAHIGKEIT VON ZIEGELMAUERWERK AM BEISPIEL DER LINIENHAFTEN VERANKERUNG VON VERBLENDFASSADEN
A REASONABLE EXPLOITATION OF THE FLEXURAL STRENGTH OF BRICKWORK BY EXAMPLE OF LINEAR FIXED CAVITY WALLS
H. - W. Jedamzik/J. Becker Dipl.-Ing . /MeB- und Regeltechn.
von
ZUSAMMENFASSUNG
Institut für Ziegelforschung Essen e.V. Deutschland
Die linienhafte Verankerung von Vormauerschalen bei zweischalig ausgeführten AuBenwandkonstruktionen ist in der neubearbeiteten Mauerwerksnorm DIN 1053, Teil 1, aIs Alternative zur flãchigen Verankerung neu aufgenommen. Um die Vorteile dieses Verankerungssystems in Zukunft sinnvoll nutzen zu kõnnen, wurde das wirkliche Tragverhalten derartig zeilenhaft oder abschnittweise verankerter Vormauerschalen für eine exemplarische Auswahl von Ziegel-Mõrtelkombinationen untersucht. An standardisierten Kleinprüfkõrpern und geschoBhohen Wanden konnten mit einer neuartigen Belastungseinrichtung horizontale Windlasten praxisnah simuliert und die Funktionsfãhigkeit der Gelenkanker bei punktweise konzentrierter Lastabtragung sowie die zweiachsige Tragwirkung der AuBenschale im Falle einer vierseitigen Lagerung nachgewiesen werden. Der Ansatz zulãssiger Biegezugspannungen senkrecht zur Lagerfuge - wie im Entwurf der europaischen Mauerwerksnorm EC6 bereits vorgesehen- erscheint nach den vorliegenden Ergebnissen gerechtfertigt.
ABSTRACT
The linear fixing of externaI to internaI skin of cavity walls has been integrated in the recently revised brickwork standard specifications DIN 1053, part 1 as an alternative to uniformly distributed ties. In order to make reasonable use of the advantages of this construction system in future, the real carrying capacity of line-by-line or sectional fixed half brick walls has been studied on basis of an exemplary selection of brick/mortar combinations. By means of a new type of loading mechanism, horizontal wind loads could be simulated near to reality at standardised small specimen (wallet tes) and walls of storey height, and the functionality at the special ties with pointwise concentrated load transfer as well as the two-way carrying capaci ty of the externaI skin of cavi ty walls could bei evidenced. According to the results achieved, the approach of flexural strength in the vertical direction to bed joints - as provided already in the draft of the European brickwork standard EC 6 - seems to be justified.
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Einleitunq
Bei zweischaligem Mauerwerk wird die Verankerung der AuSenschale am traqenden Hintermauerwerk festgeIegt durch die zur Zeit qüItiqe Mauerwerksnorm DIN 1053, Teil L (Ausgabe Februar 1990) 11/. Gefordert wird eine fIachig verteiIte Verankerunq durch Drahtanker aus nicht rostendem Edelstahl, mindestens 5 Stück/m2 WandfIache. Die qroBe Zahl der Anker innerhaIb der FIache ist beim Aufmauern hinderIich Ilnd beim nachtraqlichen Erstellen einer VerbIendschaIe durch Setzen von DüheIn aufwendig; zudem wird die DAmmschicht an zahIreichen SteIIen dllrchstoBen, so daS trotz Anordnung von Tropfscheiben potentielle SchwachsteIIen qegenüher Feuchtigkeitsdllrchtritt entstehen. Eine in dieser Hinsicht vorteilhafte Verankerungsart ist die Iinienfõrmige Verankerung, die in der Neuausgahe von DIN 1053, Teil 1, enthal ten ist. Dabei ist die Standsicherhei t der VerbIendschaIe jedoch gesondert nachzuweisen.
Problemstellunq
Durch Prüfung geschoBhoher Wande, Untersuchungen an ausgeführten Bauten 121 Ilnd Erfahrungen in anderen LAndern konnte die Funktion der zeilenhaften Verankerung nachgewiesen werden. Praktische Erfahrungen mit dieser Ausführungsvariante liegen insbesondere in der Schweiz schon seit mehreren Jahren vor. Für die Verankerung werden spezieIIe GeIenkanker eingesetzt, die in der Lage sind, konzentriert Druckund Soglasten aufzunehmen und weiterzuIeiten, gleichzeitig aber auch pIanparaIIeIe ReIativverformungen zwischen Vor- und HintermauerschaIe zwangungsfrei zu gewahrIeisten. Der Abstand der AnkerzeiIen ergibt sich aus den aufnehmbaren Biegezugspannungen des Mauerwerkes, bei BeIastung durch Winddruck- oder Soglasten. Dabei kann der Standsicherheitsnachweis, den die Norm bei nicht flachiger Verankerung fordert, in Dachrandbereichen wegen fehIender AufIasten und hohem Staudruck Probleme aufwerfen oder zu unwirtschaftIichen Lõsungen führen. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, daS zuIassige Biegezugspannungen senkrecht zur Lagerfuge nach Norm nicht in Ansatz gebracht werden dürfen. Bei abschnittweiser Verankerung der Vormauerschale, das heiSt Anordnung horizontaler und vertikaIer Ankerzeilen, bildet sich unter WindbeIastung ein zweiaxiaIer Spannungszustand aus; dadurch IISt sich das Biegetragverhalten der Wand optimieren, Biegezugspannungen senkrecht zur Lagerfuge kõnnen auf einen vertretbaren Wert reduziert werden. Ziel dieser Untersuchungen ist daher einerseits, Kenntnisse über das wirkIiche TragverhaIten einer durch GeIenkanker vierseitig gehaItenen Wand unter Horizontalbelastung zu gewinnen und andererseits Richtwerte für Biegezugfestigkeiten bei Verwendung bekannter Ziegel-/MõrteIkombinationen zu erhaIten.
VERSUCHSPROGRAMM
Die verwendeten AusgangsmateriaIien Ziegel und Mõrtel sollten marktübIiche Produkte für VerbIendschaIen reprasentieren und zugIeich die Bandbreite hinsichtlich des Haftverbundes und der Biegetragfahigkeit abdecken. Aus versuchstechnischen Gründen wurden dabei gleiche Ziegelformate ausqewahlt.
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Die wichtigsten Eigenschaften der EinzeIbaustoffe und Angaben zu ihrem VerbundverhaIten sind den TabeIIen 1 bis 3 zu entnehmen.
WS Wassersaugvermõgen nach TBE-RichtIinie in g/(dm2 * min)
RD Rohdichte in kg/dm3 LA Lochanteil in % BZ Biegezu~festigkeit
in N/mm"
MORTEL M1 KaIkzementmõrtel aIs Rezeptmõrtel nach DIN 1053 , Teil 1, Tab.A1 ZeiIe 9 M2 Fertigmõrtel aIs handelsübIicher Werktrockenmõrtel (Sackware) für Ve r bIendmauerwerk
RD FestmõrteIrohdichte in kg/dm3 LP Luftporengehalt in % DF Druckfestigkeit in N/mm 2
Tab. 1 MateriaIeigenschaften der verwendeten Ziegel und Mõrtel TabIe 1 Distinguishing characteristics of bricks and mortars used
SPANNUNGEN IN N/mm2 ZHll
Haftscherverbund 1. 89 Haftzugverbund 0 . 32
SPANNRICHTUNG ZIMl Z1M2
Parallel 11 2.0 1.0 Senkrecht J.. 1.2 0.4
a) Prüfung paraIlel b) Prüfung senkrecht
Z1M2 Z2Ml
1. 23 3.25 0.10 0.57
Z2Ml Z2M2
2.2 0 . 5 1.0 0.2
Z2M2
1. 02 0 . 23
Tab. 2 Verbundeigenschaften geprüft an Zweisteinkõrpern TabIe 2 characteristic vaIues of combination brick-mortar
h/2
hk-3~ b )
Tab. 3 Biegezugfestigkeiten in N/mm2 ermitteIt an Standardprüfkõrpern TabIe 3 FIexural strength of waIIettes in N/mm2
In den 4 mõgIichen Ziegel-MõrteIkombinationen wurden Prüfwãnde nach AbbiIdungen 2 bis 4 aufgemauert und mit GeIenkankern Iinienhaft verankert . Unter horizontaler Biegebeanspruchung wurden Tragfahigkeit und Verformung dieser Wãnde bestimmt .
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VERSUCHSDURCHFUHRUNG
Zur SimuIation der gleichfórmig verteilten WindbeIastung, die aIs Druckund Sogkraft auftritt, wurden Prüfstlnde gemlS BiId 1 verwendet . Horizontallasten konnten durch Luttslcke mit regelbarem Innendruck beidseitig auf die linienhaft verankerte Vormauerschale aufgebracht werden. In Kombination mit einem Druckprüfstand war es móglich, auch den EintluS zusãtzlicher VertikaIlasten zu berücksichtigen.
.' " ,
T
a) Llngsschnitt mit: 1 Hintermauerschale 2 Luftsack 3 ' Vormauerschale
r
300
4 Widerlager 5 Gelenkanker
b) Prüfstand mit eingebauter Wand
Bild 1 Wandprüfstand für Horizontal - und Vertikalbelastung Figure 1 Testing machine for horizontal and vertical loading
Im Gebrauchszustand wurden Verformungen der VerblendschaIe bei wechselnder Beanspruchung gemessen . Der Bruchzus tand wurde durch den Las tfall "Windsog" herbeigeführt. Dabei konnte das vordere Widerlager mit Luf tsack entfernt werden, so daS RiSbiIdungen rechtzeitig zu erkennen waren. Nach baupraktischen Gesichtspunkten wurden für diese Untersuchungen in Abhlngigkeit von der Lage des Bauteiles Wandsysteme gemlS Bild 2 bis 4 ausgewlhlt:
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a) statische Systeme b) Lagerfuge mit Gelenkanker
Bild 2 Einaxial vertikal gespannte Wand (Typ A) Figure 2 Half brick wall spanning vertically (type A)
Reprasentiert wird der unte['e Gebaudebereich, in dem geringere Windkraf te wirken und vertikale Auflasten aus Eigengewicht der Verblendschale vorhanden sind. Horizontale Ankerzeilen, in Hôhe der GeschoBdecken oder zusatzlich in halber GeschoBhôhe angeordnet, sind für diese Beanspruchung i.d.R. ausreichend.
! 1CD >-' ----- 2,75 ____ -l,
t tGD .1--1,37' ---"--1,37' -_'
a) statische Systeme b) Prüfstand mit eingebauter Wand
Bild 3 Einaxial horizontal gespannte Wand (Typ B) FIgUre 3 Half brick wall spanning horizontally (type B)
Reprasentiert werden DachgeschoB- oder Attikabereiche, in denen hohe Winddruckkraf te oder Sogspi tzen zu berücksichtigen sind und nennenswerte Auflasten fehlen. Hier sind vertikale Ankerzeilen notwendig, um die günstigere Tragwirkung des Mauerwerks parallel zur Lagerfuge nutzen 2U
kônnen.
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l System Nr. Iy I x System Nr. I y I x
[±J 1 2,75 3,75 t=t=j 4 1,38 3,75
d = 11,5cm 400
4,00 jJ
ffi±] 2 2,75 1,88 [±] 5 1,38 3,75
ffi 3 2,75 1,88 rt-±-~ 6 1,38 1,88 +'+
Bild 4 Abschnittweise verankerte Wand (Typ C) Figure 4 Half brick wall fixed horizontally and vertically (type C)
Bei Kombination horizontaler und vertikaler Ankerzeilen kann sich ein zweiachsiger Spannungszustand einstellen. Damit ist dem Tragwerksplaner die Mõglichkeit gegeben, õrtliche Spannungsüberschreitungen bei einachsiger Lastabtragung durch flexible Anpassung des statischen Systems zu vermeiden .
. lI.n 10 bis 16 Punkten der Vormauerschale wurden jeweils Horizontalverformungen über induktive Wegaufnehmer gemessen. Ankerkraftmessungen erfolgten mit DMS . Horizontallasten konnten über den sich aufbauenden Luftdruck unmittelbar am Kompressor und zusãtzlich über MeBventile im Luftsack bestimmt werden. Die MeBwerte wurden unter Verwendung einer VielstellenmeBanlage mit PC aufgenommen, gespeichert und ausgewertet.
VERSUCHSERGEBNISSE
In Tabelle 4 sind Bruchlasten für die aus unterschiedlichen Materialkombinationen gemauerten Prüfwãnde zusammengestellt.
WANDTYP A WANDTYP B WANDTYP C
Bau- Wand System Bruch- Wand System Bruch- Wand System Bruch-stofte Nr. Nr. nach last Nr. Nr . nach last Nr. Nr. nach last
Bild 2 kN/m2 Bild 3 kN/m2 Bild 4 kN/m2
ZlM1 1 A 1 7.4 5 B 2 25.0 9 C 3 17.0 ZlM2 2 A 1 5. 0 6 B 2 15.6 10 C 3 11. 8 Z2M1 3 A 2 20.0 7 B 2 27.0 11 C 6 20,1 Z2M2 4 A 2 14.0 8 B 2 9.5 12 C 6 9.5
Tab. 4 Zusammenstellung der Bruchlasten Table 4 Summary of the maximum loads in the course of testing
l.O ·
Verformungen im Bruchzustond
~--. Sy.t.m' [lI~[rl"""--,_n,--,---,-_,
AIlordnung der HeDstellen:
ti +l Jt
z . ~ ._- .. , +6 .7 8+
... ttL +12 13+
~.~-~-::r- --2.0 e.o 10.0 12.0
laSl fkN/m 1 )
®Mus 2 (1)Mess 7 (DMcS$ 12 (DMus 16 (DMess 17
Last-Verformungsdiagramm
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Figure 5 graphs showing the deformation platted against the load
Prüfkõrper im Bruchzustand
Figure 6 Masonry unit after breakdown
In Bild 5 ist ein Last-Verformungsdiagramm für Wand- Nr. 9 dargestell t, BiId 6 zeigt Wand Nr. 12 im Bruchzustand.
UBERTRAGUNG DER ERGEBNISSE AUF DEN ANWENDUNGSBEREICH
Die Laborversuche haben gezeigt, daB für die Tragfahigkeit der linienhaft verankerten Vormauerschale die Biegezugfestigkeit des Mauerwerkes unter Horizontalbelastung maBgebend isto Ein Versagen der Anker konnte nur insofern beobach tet werden, aIs nach RiBbildung auf der Innensei te de,r VerbIendschaIe im Bereich negativer Momente der Haftverbund geschwacht wurde und dadurch die Verankerung auf Zug versagte. Aus den in Tabelle 4 angegebenen Bruchlasten wurden für die zugehõrigen statischen Systeme Spannungen berechnet und Sicherh~itsbetrachtungen durchgeführt. Dabei ist ein Staudruck von 0,80 kN/m~ für Gebaudehõhen bis 20.00 m berücksicht igt, mit WinddruckIas ten vou 1. 64 kN/m2 und Soglasten von 1,60 kN/m2 für Sogspitzen in Randbereichen. Die Ergebnisse sind in TabeIIe 5 zusammengesteIIt. Die Betrachtung zeigt, daB nach durchgeführten Eignungsprüfungen an Standardprüfkõrpern unter Berücksichtigung des Sicherheitsfaktors mit zuIassigen Biegezugspannungen paraIIel und senkrecht zur Lagerfuge gerechnet werden kann. Die Bruchspannungen der Iinienhaft verankerten Prüfwande Iagen in allen Fallen hõher, aIs die der standardisierten Kleinprüfkõrper . Vierseitig gehaltene Wande kõnnen wie drillweiche isotrope Platten bere.chnet werden.
PrUf~and
Sau· System 8ruchspannung
stoffe nach
Tab. 4 1
A I 2,3111\
21MI 82
C3 0 0 ,99
AI 1,5111\
21M2 82
CJ 0 0,69
A2 1,5511\
22MI 82
C6 EI,67
0,69
A2 1,04 (i)
22M2 82
C6 EO,79
0,32
E Spannungen 1m Etnspannbereich • 8rucherzeugende Spannung
11
2,69
2,36
1,68
1,64
2,90
EI,36
0,35
1,02
EO,64
0,16
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S t andardprüfkorper
Vergl ei chsspannung
nach Tab. 3
1 11
N/rrm'
1,16
2,01
0,43
0,97
1,02
2,18
0,19
0,54
1 Homentenermittlung erfolgte für elastisch eingespannten WandfuB.
PrUfwand
Spannung im Gebrauchslustand
w; nddruck ~ Wi ndsog 0 max f
J. 11 J. 11
mm
0,05 0,37 0,3
0,07 0,18 < 0,1
0,04 0,09 0,10 0,20 0,4
0,05 0,37 0,4
0,07 0,18 0,1
0,04 0,09 0,10 0,20 0,2
-0,11 -0,03 0,1
0,07 0,18 < 0,1
EO,05 EO,04 EO,I3 0,10
0,02 0,01 0,05 0,03 0,1
-0,11 -0,03 0,1
0,07 0,18 < 0,1
EO,05 EO,04 EO,I3 0,10
0,02 0,01 0,05 0 , 03 < 0 ,1
Htel'" sind voraussichtlich sysUmbedingte Risse auf der Wandinnenseite VOl'" dem erkennbaren 8ruch aufgetreten. Z Feldmomente wurden für Platten ohne volle Orilltragnhigkeit ermittelt. 3 Angegeben 1st die groBte Horizontalverfonnung bei 3facher Gebrauchslast aus Windsog.
Tab. 5 ZusammensteIlung ausgewerteter Versuchsergebnisse Table 5 Comparison of resuIts
In Zusammenhang mit den in /2/ durchgeführten Bauwerksuntersuchungen und Verformungsmessungen für den Lastfall "Temperatur" sowie Erfahrungen mit verschiedenen ausgeführten Objekten kann die Funktionsfahigkeit dieser Verankerung aIs nachgewiesen betrachtet werden, Eine sinnvolle wirtschaftIiche Anwendung ist jedoch abhangig von den MõgIichkeiten, zulãssige Biegezugspannungen in reaIistischer Grõllenordnung innerhaIb des Standsicherheitsnachweises ansetzen zu kõnnen, Dabei sind die aufnehmbaren Biegezugspannungen entscheidend von der Auswahl aufeinander abgestimmter Eigenschaften der EinzeIbaustoffe Stein/Mõrtel abhangig. Bis hier entsprechende Kriterien im Normenwerk zur Verfügung gesteIIt werden, sollten bei der Anwendung der Iinienhaften Verankerung Biegezugspannungen in beiden Tragrichtungen in Abhangigkeit von Eignungsprüfungen in der PIanungsphase und geeignete Ersatzprüfverfahren /3/ für die Qualitatssicherung bei der Bauausführung in Verbindung mit dem ohnehin durchzuführenden Standsicherheitsnachweis aIs übergangsIõsung von den Bauaufsichts- und Prüfamtern akzeptiert werden.
Literatur
/1/ DIN 1053, Teil I, - Rezeptmauerwerk; Ausg, Februar 1990 /2/ ScheIIbach, G., Zumbroich, H: Geschollweise Verankerung der
Vorsatzschale von zweischaIigem Mauerwerk, IRB - F 1969 /3/ Schubert, P., Metzemacher, H,: Biegezugfestigkeit von Mauerwerk
senkrecht und paraIIel zur Lagerfuge, IRB - T 2194
