Aktuelles


 

 Die aktuellen WWV-Themen betreffen nach wie vor die Berechnung und Simulation von Klebverbindungen. Dazu sind seit Bestehen der WWV-Consulting zahlreiche weitere Kontakte geknüpft sowie Projekte angeregt und bearbeitet worden. Aktuell sind Überlegungen zur Berechnung von Klebverbindungen im Glasfassadenbau mit der Methode der finiten Elemente.

Über ein klebtechnisches Pilotprojekt auf einem anderen Gebiet des Bauwesens, das weitgehend abgeschlossen ist, wird im Folgenden berichtet. Ziel ist die

Ertüchtigung von Gebäuden in Erdbebenregionen

durch Mauerwerkverstärkung mit Naturfasergewebe.


Zusammenfassung

Zur Ertüchtigung bestehender und neuer Gebäude, errichtet in traditioneller Bauweise aus Lehm- und Tonziegelsteinen in erdbebengefährdeten Gebieten, wurde in einem Pilotprojekt durch experimentelle Grundversuche, einem Großwandversuch und rechnerischem Nachweis eine einfache klebtechnische Methode zur Mauerwerksverstärkung mit Naturfasern entwickelt. Die Ergebnisse zeigen eine hervorragende Steigerung des Wandwiderstands gegenüber horizontaler Wandbeanspruchung und geben Anlass, das Verfahren bis zur Anwendungsreife weiter zu verfolgen.

1 Einleitung

Die Motivation zu dem diesem Beitrag zugrunde liegenden Pilotprojekt entstand einerseits durch den glücklichen Umstand, dass der spätere Projektleiter Mitte 2004 am Institut für Werkstofftechnik der Universität Kassel  seine Diplomarbeit begonnen hatte und andererseits, dass einige Monate davor am 26.Dezember 2003 im Süden Irans in der Region um die Stadt Bam ein verheerendes Erdbeben mit der Stärke 6,6 fast 90 Prozent der Bausubstanz einschließlich der historischen Zitadelle Arg è Bam zerstörte und über 33000 Menschen den Tod fanden. Diese Zitadelle, in der sich eine ganze Stadt befand, wurde erstmals im 5. Jahrhundert v. Chr. erbaut, immer wieder erneuert und saniert. Die bis zum Erbeben bestehenden Fassaden und Gebäude waren im traditionellen Lehmziegelstil gebaut und stammten größtenteils aus der Zeit zwischen 1820 und 1850. 2004 wurde Arg è Bam von der UNESCO zum Weltkulturerbe erklärt und auf die Rote Liste des gefährdeten Welterbes gesetzt.


Ziel unseres Projektes war, eine Methode bis zur ersten Anwendung zu entwickeln, mit der in seismisch gefährdeten Regionen das Mauerwerk noch bestehender und neuer Lehmziegelhäuser einfach und kostengünstig verstärkt und gegenüber Erdbebenbeanspruchung ertüchtigt werden kann.

2 Mauerwerkverstärkung

Eine schon seit längerer Zeit bekannte, jedoch bisher nicht weit verbreitete Art der Gebäudeverstärkung ist das Kleben von kohlenstofffaser- (CFK) und glasfaser- (GFK) verstärkten Kunststoffen auf das Mauerwerk. Durch ihre deutlich unterschiedlichen Verformungs-, Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften im Vergleich zum Mauerwerk sind die synthetischen Fasern jedoch für den Lastfall „Erdbeben“ eher ungeeignet, darüber hinaus sind sie in den Ländern mit erhöhtem Erdbebenrisiko kaum erhältlich und auch sehr teuer. Sie sind aus mechanischer Hinsicht zur Ertüchtigung bestehenden Mauerwerks weniger geeignet. Eine hervorragende Alternative  könnte künftig das Verstärken durch Kleben von heimischen Naturfasermatten wie Jutegewebe sein, wodurch eine biaxial verstärkte Klebschicht dem aus Ziegelstein und Mörtel bestehendem Materialverbund einen erhöhten Tragwiderstand und eine größere Duktilität verleit. Damit sollte die „Güte“ des Mauerwerks, die als das Produkt aus diesen beiden Größen definiert ist, gegenüber Erdbebeneinwirkung wesentlich erhöht werden können. Der Klebstoff als Verbindungsmittel zwischen dem mineralischen Untergrund des Mauerwerks und dem Fasergewebe einerseits spielt die entscheidende Rolle, da er sowohl die Haftung auf dem Untergrund als auch die Imprägnierung der Naturfasern gegenüber äußeren Einflüssen übernehmen und dauerhaft gewährleisten muss. Andererseits ist die Faser bzw. das biaxiale Fasergewebe für die Duktilität des aus Stein und Mörtel bestehenden im Allgemeinen spröden Werkstoffverbunds des Mauerwerks entscheidend, da sie quasi die Verformbarkeit des Mörtels erhöht. Dies ist der entscheidende Unterschied zu den bestehenden Methoden der Mauerwerksverstärkung.

3 Lösungsweg

3.1 Mauerwerksbeanspruchung und –versagen

Durch die überwiegend horizontale Einwirkung eines Erdbebens kann die Mauerwerkwand in der Wandebene als auch senkrecht dazu je nach Stärke des Bebens stark beansprucht werden. Dabei ist das Tragverhalten der Mauer in der Wandebene (Scheibentragverhalten) für die horizontale Gebäudeaussteifung von größerer Bedeutung als die Plattenbiegung. Je nach Randbedingungen wie Wandgeometrie und -einspannung, Materialeigenschaften der beiden Komponenten Stein und Mörtel, Format der Steine und ihre geometrische Anordnung führen die bauwerksbedingten Vertikalkräfte und die überlagerten Horizontalbeanspruchungen zu unterschiedlichen Versagensformen. Man unterscheidet im Allgemeinen vier verschiedene globale Versagensarten, die in Bild 1 schematisch dargestellt sind: Versagen durch Biegung, kombinierte Schub-Druckbeanspruchung und reine Schubbeanspruchung in der Fuge sowie Schubbeanspruchung mit Steinzug.
 
Bild 1 Grundversuche und Kleinmauerwerksversuche zur Mauerwerksverstärkung

Bis auf den Steinbruch unter Zugbeanspruchung versagt die Wand in der Mörtelschicht und löst bei wiederholter Beanspruchung die Tragfähigkeit des Verbunds auf, so dass zusammen mit den vertikalen Gewichtslasten das Gebäude zum Einsturz gebracht wird. Mit den in Bild 1 schematisch dargestellten experimentellen Untersuchungen sollte der Nachweis erbracht werden, dass durch ein vollflächiges Bekleben der Wand mit Naturfasern, derartige Versagensarten verhindert werden können.

3.2 Grundversuche und Ergebnisse

Obwohl Naturfasern schon seit einigen tausend Jahren beim Gebäudebau Verwendung finden (z.B. Lehmverstärkung mit Stroh), sind systematische Untersuchungen zum flächigen Verstärken von Mauerwerkswänden mit Naturfasergewebe bislang nicht bekannt. Im Rahmen dieser Studie wurde aus wirtschaftlichen Gründen und wegen ihrer Verfügbarkeit in erdbebegefährdeten Ländern in der Hauptsache die Jutefaser untersucht. Als Klebstoff wurde ein mineralisch gefülltes zweikomponentiges Epoxidharzsystem verwendet. In umfangreichen Grundversuchen wurden die mechanischen Klebstoff-, Faserbündel- und Gewebeeigenschaften sowie das aus Fasergewebe und Klebstoff sich einstellende Verbundwerkstoffverhalten ermittelt (Bild 1). Für den Nachweis einer Mauerwerksverstärkung gemäß der entsprechenden Beanspruchungsarten wurden aus den kleinstmöglichen aus Mauerwerk und Verbundwerkstoff bestehenden Einheiten Probekörper aus ein, zwei und drei Steinen hergestellt (Bild 1) und mit eigens dafür entwickelten Belastungsvorrichtungen geprüft. Im Folgenden ist exemplarische jeweils ein Ergebnis aus den Grund- und Kleinmauerwerkuntersuchungen dargestellt.


In Bild 2 ist das Spannung-Dehnung-Verhalten des „Bauklebstoffs“ Sikadur 331 w dargestellt. Die mit Laserextensometrie gemessene Längenänderung der markierten Zonen lässt auf eine fertigungsbedingte Inhomogenität des gehärteten Klebstoffs schließen und zeigt seine hohe Sprödigkeit.
 Laserextensometrie

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bild 2 Mit Laserextensometrie (links, System Fiedler Optoelektronik) erstelltes Spannung- Dehnung-Diagramm des verwendeten Klebstoffs Sikadur 331 w

Aus dem aus einer Charge bestehendem Jutefasergewebe mit unterschiedlichen Flächengewichten wurden jeweils aus dem Gewebe entnommene Einzelfaserbündel, Faserbündel innerhalb des Gewebes und ganze Gewebesteifen im Zugversuch untersucht, um die Unterschiede infolge von Ondulation und Biaxialität bestimmen zu können. Aus dem Klebstoff als Matrix und dem Gewebe wurden im Handverfahren Laminate hergestellt, die in Abhängigkeit von der Faserorientierung ebenfalls auf ihre Zugeigenschaften geprüft wurden (Bild 3). Das Gewebe zeigt gegenüber dem Faserbündel eine Duktilitätszunahme (Bild 3 links) und das Laminat (Bild 3 rechts) das typische für spröde Matrizes und duktile Fasern dreiphasige Verbundverhalten mit quasielastischem Anfangsverlauf, einem Plateau mit Rissbildung in der Matrix und Verfestigung mit weiterer Verformungszunahme durch Gewebeverzug mit Faserausrichtung in Beanspruchungsrichtung. Diese mechanischen Laminateigenschaften müssen zusammen mit dem Haftungsvermögen des Laminats auf dem Untergrund so abgestimmt sein, dass bei Mauerwerksbeanspruchung weder der Stein oberflächennah bricht noch das Laminat vom Stein delaminiert, sondern dass der Materialverbund eine möglichst hohe Energieaufnahme erreicht.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bild 3 Spannung-Dehnung-Diagramm von Faserbündel und Gewebestreifen [0°/90°] aus Jutegewebe mit dem Flächengewicht 275 g/m2 im Vergleich zum Klebstoff (links) und des daraus hergestellten Verbundwerkstoffs (rechts)


Zur Beurteilung dieser Anforderungen liefern die Kleinmauerwerkuntersuchungen erste Erkenntnisse. In den Bildern 4a, b sind Ergebnisse für eine einlagige Biaxialverstärkung im Vergleich zu unverstärktem und mit GFK-Laminat verstärktem Mauerwerk dargestellt. Die Ergebnisse in Bild 4a zeigen deutlich die hervorragende Erhöhung der „Erdbebengüte“ des natutrfaserverstärkten Mauerwerks im Vergleich zu einem unverstärkten, nur mit Mörtel verbundenem Mauerwerk und damit die Qualität der Methode.

 

 

 Bild 4a Ergebnisse aus Schubversuchen an unverstärktem und mit Jutegewebe verstärktem Mauerwerk

 

 In Bild 4b ist das Ergebnis aus einem Versuch mit einer Jutegewebeverstärkung  dem Ergebnis aus einem Versuch mit Glasfaserverstärkung  gegenüber gestellt. Bei der Glasfaser konnte zwar eine hohe Tragfähigkeit erzielt werden, der Stein selbst brach jedoch wegen der hohen Steifigkeit des Fasergewebes in seiner Grenzschicht.  

 

 Bild 4b Vergleich der Erdbebengüte zwischen Glas- und Jutefaserverstärkung 

 

Ganz anders sieht das Ergebnis bei der Jutefaserverstärkung aus. Hier wird der Stein nicht zerstört, sondern Festigkeit und Deformierbarkeit des geklebten Jutefasergewebes werden vollständig ausgenutzt und damit eine hohe Arbeitsaufnahme (schraffierte Fläche in Bild 4b) erzielt.

 Vor dem Errichten eines Mustergebäudes zur Untersuchung der Dauerhaftigkeit der Verstärkung und möglicher Rütteltischversuche sollte jedoch ein Wandversuch weitere Bestätigung liefern. Da derartige Versuche kostenintensiv sind und Ergebnisse von Wandversuchen mit Porenbetonsteinen vorlagen, wurde eine Wand aus diesen Steinen erneut errichtet und mit den biaxialen Gewebematten vollflächig „tapeziert“. Die horizontale Krafteinleitung (Bild 5) erfolgte über einen Mörtelverbund zur oberen Traverse, auf die eine zusätzliche statische Vertikallast durch zwei Hydraulikzylinder aufgebracht wurde. Im Gegensatz zur unverstärkten Wand, die durch die Wechselbeanspruchung große Fugenverschiebungen und Fugenbrüche erlitt und deshalb keine weitere Horizontalkraftsteigerung mehr zuließ, zeigte die verstärkte Wand eine wesentlich höhere Steifigkeit und keine erkennbaren äußeren Schäden. Auch die ertragbare Last lag deutlich höher, konnte aber nicht weiter gesteigert werden, da die gemörtelte Einspannung zur oberen Traverse versagte.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bild 5 Verstärkte Porenbetonwand mit hydraulischen Belastungsvorrichtungen und Ergebnis der Schwingbeanspruchung

4 Planung, Bau und Verstärkung von zwei Demonstrationsgebäuden auf dem Gelände von Arge Bam 

In Zusammenarbeit mit der UNESCO, der iranischen Denkmalbehörde im Rahmen des Recovery Projekt of Bam´s Cultural Heritage und der Sika Schweiz AG wurden zwei einfache Demonstrationsgebäude zur Erprobung der entwickelten Methode geplant und in traditioneller Bauweise mit Lehm- und Tonziegelsteinen auf einem Stahlträgerfundament im Februar 2008 errichtet (Bild 6). Vor der Mauerwerksverstärkung wurde eine FE-Analyse zur Beanspruchung der Gebäude mit dem Belastungskollektiv des Erdbebens von Kobe aus dem Jahr 1995 mit einer Stärke bis zu 7,2 der Richter-Skala durchgeführt (Bild 7).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bild 6 Aufbau der Häuser in Arg é Bam                             Bild 7 FE- Modell unter Beanspruchung

Dazu wurden die in den Wänden infolge der Belastungsamplituden des Bebens auftretenden maximalen Hauptnormalspannungen mit den zulässigen Hauptspannungen (Bild 8) verglichen, die aus den Kleinmauerwerkversuchen für unverstärktes und verstärktes Mauerwerk erhalten wurden.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bild 8 Zweiachsige Hauptspannungszustände in der unverstärkten (links) und verstärkten Wand mit den Beanspruchungsgrenzen für Rissentstehung (Ende des quasilinearen Bereichs) und Bruch (maximale Beanspruchbarkeit)

Für unverstärktes Mauerwerk kann man aus dem Schaubild entnehmen, dass die in der Wand zum Zeitpunkt einer hohen Beanspruchungsamplitude des Bebens herrschenden zweiachsigen Spannungszustände die Grenzgeraden weit überschreiten und so örtliche Mauerwerksbrüche erzeugen, die zum Einsturz des Gebäudes führen können. Bei verstärktem Mauerwerk wird zwar die Kurve der Linearitätsgrenze überschritten, aber die Spannungszustände sind in ausreichendem Abstand zur Grenzgeraden.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Bild 9 Verstärkung eines der Demonstrationshäuser und Fertigstellung im Januar 2009

Die errichteten Gebäude wurden unter der Anleitung von A. Davazdah Emami mit iranischen Handwerkern an den Innen- und Außenwänden sowie der Kuppeldecke verstärkt und sind nun den landestypischen Witterungsverhältnissen ausgesetzt. Für den Lagenaufbau und die Faserorientierung der Verstärkung wurden die Ergebnisse der experimentellen und numerischen Untersuchungen zugrunde gelegt. Da die Häuser auf einem Stahlfundament errichtet wurden, können durch einfache Methoden Beanspruchungen vor Ort eingeleitet oder der Transport zu und der Aufbau auf einem Rütteltisch vorgenommen werden.

5 Schlussfolgerungen und Ausblick

 Das gesteckte Ziel der Umsetzung einer Idee in eine erste Anwendung wurde mit den umfangreichen experimentellen Untersuchungen und den rechnerischen Nachweisen mit Sicherheit erreicht. Jedoch bleiben eine Reihe Fragen offen, die z.B. die bauphysikalische Qualität der Verstärkung, die Langzeitbeständigkeit infolge klimatischer Beanspruchung oder den rechnerischen Nachweis der Erdbebensicherheit betreffen. Alle diese Fragen sollten in weitern Projekten beantwortet werden.  

WWV-Consulting ist von der vorgestellten Methode jedoch sehr überzeugt und wird ihre weitere Erforschung und Anwendung vorantreiben. Dabei sind wir aber auf Unterstützung angewiesen. Falls Sie dieser kurze Artikel überzeugt hat, Sie die Methode unterstützen oder eventuell einsetzn wollen, sprechen Sie uns bitte an. 

6 Danksagung

Die Untersuchungen wurden am Institut für Werkstofftechnik der Universität unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. M. Schlimmer von  Dipl.-Ing. A. Davazda Emami durchgeführt. Finanzielle Unterstützung auch für Arbeiten im Iran erhielten wir von der SIKA Schweiz AG, die auch den Klebstoff zur Verfügung stellte. Der Aufbau der Häuser selbst wurde aus Mitteln der UNESCO und des Recocery Projects of Bam´s Cultural Heritage finanziert und durch dessen Direktor Dr. E. Mokharti maßgeblich gefördert. Ihnen sei an dieser Stelle ganz herzlich gedankt. Weiterer Dank richtet sich an Prof. Dr.-Ing. E. Fehling vom Institut für Konstruktiven Ingenieurbau der Universität Kassel, der mit dem Wandversuch und seinen wertvollen Hinweisen das Projekt ebenfalls unterstützte. Darüber hinaus gebührt der industriellen klebtechnischen Gemeinschaftsforschung und der AiF besonderer Dank, denn nur mit ihrer finanziellen Unterstützung konnten in diversen klebtechnischen Projekten die Methoden der experimentellen Untersuchungen erst entwickelt werden.

7 Literaturhinweis

 Davazad Emami, A., Schlimmer, M.: Bonding of Natural Fiber Composite onto Masonry to Additionally Improve Eathquake-prone Buildings. Fourth International Conference on FRP in Civil Engineering (CICE 2008), Zurich, Switzerland