Engineering model for the load bearing capacity of unbounded pre-stressed calcium silicate masonry walls

Vorspannung erhöht die Tragfähigkeit von Mauerwerkwänden unter Biegedruck- oder Scheibenschubbeanspruchung. Bisherige Untersuchungen an vorgespannten Mauerwerkswänden bilden lediglich eine erste Grundlage für Tragfähigkeitsanalysen derartiger Konstruktionen. Insbesondere eine zusammenhängende Darstellung aufeinander aufbauender technischer Inhalte fehlte bisher. Das Tragverhalten ohne Verbund vorgespannter Mauerwerkswände wurde in den letzten 10 Jahren am Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz der TU Braunschweig und an der Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Detmold, intensiv erforscht. Es waren Einwirkungen aus Spannkrafteinleitung, Biegedruckbeanspruchungen senkrecht zur Wandebene sowie aus Scheibenschubbeanspruchung vertieft zu berücksichtigen. Das Ingenieurmodell wurde gestützt durch vorgenommene vertiefte Auswertungen dieser experimentellen Untersuchungen und durch die Ergebnisse ergänzender nichtlinearer FE–Analysen. Bemessungsvorschläge für Tragfähigkeitsbeurteilungen ohne Verbund vorgespannter Wände aus Kalksandstein-Mauerwerk wurden im Rahmen dieses Ingenieurmodells entwickelt. Die Anwendbarkeit der entwickelten Berechnungsansätze des Ingenieurmodells wurde mit Hilfe der Versuchsergebnisse erfolgreich verifiziert. Ein Praxisbeispiel zeigt die Anwenderfreundlichkeit dieser Berechnungsansätze deutlich.Pre-stressing increases the load bearing capacity of masonry walls under vertical load or under shear load. Previous investigations on pre-stressed masonry walls provide only a basis for the sustainability analysis of such constructions. A comprehensive description of the technical characteristics of the effects of pre-stressing has not previously been presented. The structural behaviour of unbounded pre-stressed masonry walls has been researched intensively at the Technical University of Braunschweig and the Hochschule Ostwestfalen-Lippe (University of Applied Sciences), Detmold, during the last 10 years. The load-bearing capacity concerning combined vertical and bending loads, in-plane shear loads and concentrated loads due to pre-stressing forces were researched in detail. Based on an engineering model developed and supported by the results of deepened evaluation of the above experimental investigations and of complementary nonlinear analysis, new suitable algorithms for designing unbounded pre-stressed calcium silicate masonry walls were generated. The application of the dimensioning algorithms was successfully verified by comparing the results of the experimental investigations with calculated values

Zum Tragverhalten von Injektionsdübeln in ungerissenem und gerissenem Mauerwerk

Verankerungen mit Injektionsdübeln stellen eine universell anwendbare Befestigung im Mauerwerk dar. Die wichtigsten Vorteile des Injektionssystems sind die Möglichkeit der Befestigung mit Einzeldübel, Installation mit geringeren Rand- und Achsabständen, relativ hohe Tragfähigkeit und vielfältige Anwendung. Ein Bemessungskonzept für die Tragfähigkeit derartiger Befestigungssysteme ist grundsätzlich für Vollsteine vorhanden. Allerdings werden aus den bauphysikalischen Gründen heutzutage meistens Lochsteine im Mauerwerksbau eingesetzt. Die Tragfähigkeit des Injektionsdübels in Lochsteinen hängt wesentlich von der Steinsorte und der Steingeometrie ab. Für eine wirtschaftliche und sichere Bemessung dieser Verankerungen in Lochsteinen sind das Tragverhalten und die Einflussparameter auf die Tragfähigkeit bisher nicht ausreichend untersucht. Aus diesem Grund wird die Traglast heutzutage durch zahlreiche Labor- und Baustellenversuche (falls nicht in ETA vorhanden) ermittelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden umfangreiche experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt, um das Tragverhalten von Injektionsdübeln in Lochsteinen unter Zug- und Querbelastung zu beschreiben. Zuerst wurde eine Versuchseinrichtung für die Untersuchungen von Verankerungen in Einzelsteinen entwickelt, die die zeitaufwendigen Versuche im Mauerwerk ersetzt. Anhand von Vergleichsversuchen im Mauerwerk wurde gezeigt, dass die entwickelte Prüfeinrichtung für Verankerungen in Einzelsteinen vergleichbare Bedingungen wie die direkte Prüfung im Mauerwerk liefert. Weiterhin wurde ein numerisches Modell anhand der Versuche validiert, um detaillierten Einblick in das Tragverhalten des Injektionsdübels in Lochsteinen zu bekommen. Es wurde eine ausführliche Parameterstudie zum Einfluss der Steingeometrie auf die Dübeltragfähigkeit vorgenommen. Darüber hinaus wurde die Verankerung am freien Rand und Einfluss einer Gruppenbefestigung untersucht. Anhand der gewonnen Erkenntnisse wurde ein Bemessungskonzept in Abhängigkeit der Steingeometrie für Injektionsdübel in Lochsteinen (Hochlochziegel und Kalksandlochsteine) vorgeschlagen. Das vorgestellte Bemessungskonzept wurde mithilfe der eigenen Versuche validiert. Es wurde gezeigt, dass die Bemessungsgleichungen für Zug- und Querbelastung gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen. Die vorliegende Arbeit stellt zusätzlich noch einige wichtige Einflüsse auf die Tragfähigkeit eines Injektionsdübels im Mauerwerk dar. Es handelte sich um Druckbelastung auf Dübel, Dübeltragverhalten bei Abstandsmontage durch eine Wärmedämmung und Verankerung in gerissenen Steinen und Mauerwerksfugen.Metal injection anchors represent a universal fastening for use in masonry. The most important advantages of the injection system are possibility of fixing with single fastener, installation with smaller edge distances and spacing between anchors, relatively high load-bearing capacity and a wide range of applications. A design concept for determination of the load-bearing capacity of such fastening systems is available for solid masonry units. However, frequently hollow masonry units are used in buildings because of their better thermal insulation properties com-pared to the solid units. The load-bearing capacity of the metal injection anchors in hollow masonry units strongly depends on the stone type (material) and the stone geometry. For a cost-effective and reliable dimensioning of these anchors in hollow masonry units, the load-bearing behaviour and the parameters influencing the load-bearing capacity have not been sufficiently investigated so far. Therefore the load-bearing capacity is determined by numerous tests in laboratory and construction sites (for stones not covered by European Technical Assessment). In this work, extensive experimental and numerical studies are carried out to describe the load-bearing behaviour of metal injection anchors in hollow masonry units under tension and shear loads. In order to replace the time-consuming testing of fasteners in masonry, a new test setup is developed. Based on standardised tests in masonry, it is shown that the new developed test setup provides comparable test conditions and results. To provide better insight into the load-bearing behaviour of the metal injection anchors in hollow masonry units, numerical studies have been performed using 3D FE models which are also validated against experiments. Within the scope of detailed parametric study, the influence of the stone geometry on load-bearing capacity of metal injection anchors in hollow masonry units was investigated. Furthermore, cases of anchoring at the free edge and the influence of anchor groups are also studied. Based on the findings of this study, new empirical models for the determination of load-bearing behaviour of the metal injection anchors in hollow masonry units (hollow bricks and hollow calcium silicate stones) as a function of the stone geometry are presented. Validation of the proposed models against experimental results shows that the models are capable of realistic determination of the load-bearing capacity of anchors under tension or shear loads. Additionally, in the presented work certain other important factors influencing the load-bearing capacity of metal injection anchors in masonry are investigated. They include compression loading to anchors, behaviour of anchors in case of offset mounting (thermal insulation), anchoring in cracked stones and in masonry joints