TY - CONF A1 - Strangfeld, Christoph A1 - Stolpe, Heiko A1 - Wiehle, Philipp T1 - Moisture diffusion affected by the Knudsen effect in temporal changing pore networks T2 - Proceedings of the 4th international congress on materials & structural stability N2 - Almost all building materials in civil engineering have an open porosity and interact with or are affected by the environmental conditions. Structures might suffer from effects such as moisture adsorption, carbonation, corrosion, penetration of salt ions and chemical substances, etc. In the hygroscopic range, these processes are mostly driven by diffusion. Due to the confinement of small pores (< 1 µm), the Knudsen effect reduces the molecular diffusion. This reduction can become more significant in case of temporal changing pore systems because of physisorption of water vapor, carbonation, or chemisorption. In this study, unstabilised earth blocks and earth masonry are investigated. In a first step, the pore size distribution of the blocks is measured and sorption isotherms are recorded in experiments. Besides the ordinary physisorption, the involved clay minerals undergo swelling or shrinking due to chemisorption. The following two effects must be considered: first, the reduction of the available pore space by the adsorbed water layer. For this, the Hillerborg sorption theory is used, which is a combination of the well-known Brunauer-Emmett-Teller sorption theory and the Kelvin equation. This allows the computation of adsorbed water layers even in curved pore geometries. Second, the variation of the initial pore size distribution due to chemisorption needs to be modelled. Based on these two models, the effective diffusion coefficient can be predicted. For validation, arrays of relative humidity sensors were embedded into a free-standing earth masonry wall. This monitoring was carried out over more than a year to have a broad variety of environmental conditions and was located in Berlin, Germany. The prediction of the effective diffusion coefficient can also be transferred to other processes and allows the investigation of materials having temporarily changing pore systems. Examples are the carbonation of cementitious materials, alkali silica reaction, calcium leaching of long-lasting structures, etc. This effect becomes most prominent in the meso-pore range and might alter the effective diffusion coefficient by more than 100 %. T2 - 4th International Congress on Materials & Structural Stability CY - Rabat, Morocco DA - 08.03.2023 KW - Earth masonry KW - Material moisture KW - Molecular diffusion KW - Chemisoprtion KW - Knudsen effect KW - Physisorption PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-571391 SP - 1 EP - 8 PB - RILEM CY - Champs-sur-Marne AN - OPUS4-57139 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Wiehle, Philipp A1 - Brinkmann, M. T1 - Tragfähigkeit von Lehmmauerwerk - Experimentelle und numerische Analyse T1 - Load-bearing capacity of earth masonry – An experimental and numerical analysis T2 - LEHM 2020 - Tagungsbeiträge der 8. Internationalen Fachtagung für Lehmbau T2 - LEHM 2020 – Proceedings of the 8th International Conference on Building with Earth N2 - Die Bemessung von tragendem Lehmmauerwerk erfolgt in Deutschland auf Basis der Lehmbau Regeln. Das dort verankerte Nachweisverfahren beruht auf einem globalen Sicherheitskonzept, welches aus zuverlässigkeitstheoretischer Sicht nicht mehr dem Stand der Technik entspricht. Auf Grund dessen wird das Bemessungskonzept für Lehmmauerwerk vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) voraussichtlich 2023 außer Kraft gesetzt. Ein statischer Nachweis von tragenden Lehmbauten wäre in Deutschland dann ausschließlich mit einer Zustimmung im Einzelfall (ZiE) oder vorhabenbezogener Bauartgenehmigung (vBg) möglich. Beides ist mit erheblichem Mehraufwand und höheren Kosten verbunden, was für den Lehmmauerwerksbau einen entscheidenden Nachteil im Vergleich zum konventionellen Mauerwerksbau darstellt. Um eine unkomplizierte Praxisanwendung von Lehmmauerwerk zu ermöglichen, werden innerhalb eines Forschungsvorhabens, welches von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), dem Institut für Massivbau der Technischen Universität Darmstadt sowie dem Ingenieurbüro ZRS durchgeführt wird, auf Basis der Produktnormen für Lehmsteine und Lehmmauermörtel Grundlagen für ein aktualisiertes Bemessungskonzept entwickelt. Im Rahmen des Projekts wird ebenfalls untersucht, inwiefern die Bemessungsregeln nach den vereinfachten Berechnungsmethoden für unbewehrtes Mauerwerk gemäß DIN EN 1996-3 / NA auf den Lehmmauerwerksbau übertragbar sind. Falls eine Anwendung des normativen Nachweisverfahrens bei Lehmmauerwerk möglich ist, wäre zukünftig eine Aufnahme von Lehmsteinen und Lehmmauermörtel in den nationalen Anhang des Eurocode 6 denkbar, was eine bedeutsame Erweiterung des Anwendungsbereichs von Lehmmauerwerk zur Folge hätte. Diverse wissenschaftliche Untersuchungen konnten zeigen, dass bemessungsrelevante Festigkeits- und Verformungseigenschaften von Lehmmauerwerksbaustoffen stark von der vorherrschenden Materialfeuchte abhängen, welche im hygroskopischen Wassergehaltsbereich im Wesentlichen von der relativen Luftfeuchte (RLF) bestimmt wird. Auch die Zwischenergebnisse des laufenden Forschungsvorhabens zur Entwicklung eines Bemessungskonzepts für Lehmmauerwerk ergaben eine deutlich erkennbare Abhängigkeit zwischen der Materialfeuchte und den relevanten Festigkeits- und Verformungseigenschaften. Eine detaillierte Kenntnis des feuchteabhängigen Materialverhaltens von Lehmsteinen, -mörtel und -mauerwerk ist zwingend erforderlich, um ein konsistentes und zuverlässiges Bemessungskonzept für Lehmmauerwerk zu entwickeln. Im Rahmen des laufenden Forschungsprojektes werden deshalb umfangreiche Versuche zum Drucktragverhalten von Lehmsteinen und -mörtel sowie Lehmmauerwerk nach Konditionierung bei unterschiedlichen RLF durchgeführt und analysiert. Weiterhin werden auf Basis der experimentellen Ergebnisse numerische Modelle kalibriert, welche die detaillierte Analyse der Biegedrucktragfähigkeit von Lehmmauerwerk ermöglichen. In diesem Beitrag werden zunächst die bisherigen Zwischenergebnisse bezüglich der experimentell ermittelten feuchteabhängigen Materialkennwerte von Lehmsteinen, -mörtel und -mauerwerk dargelegt. Darauf aufbauend werden numerische Untersuchungen zur Bestimmung der Systemtragfähigkeit von Lehmmauerwerk unter Feuchteeinflusses durchgeführt und erläutert. N2 - The structural design of load-bearing earthen masonry in Germany is based on the Lehmbau Regeln. The verification procedure outlined in these regulations is based on a global safety concept that no longer corresponds to the state of the art from a reliability theory perspective. As a result, the structural design concept for earthen masonry will most likely be discontinued by the German Institute for Building Technology (DIBt) in 2023. A structural verification of load-bearing earthen buildings would then only be possible in Germany with an approval for individual cases (ZiE) or a project-related permit type (vBg). Both methods are associated with considerable additional work and higher costs, which is a decisive disadvantage for earthen masonry construction compared to conventional masonry construction. In order to enable a straightforward practical application of earthen masonry, the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), the Institute for Solid Construction of the Technical University of Darmstadt and ZRS Engineers are laying the groundwork for an updated structural design concept based on the product standards for earth blocks and earthen masonry mortar. The project will also investigate the extent to which the design rules based on the simplified calculation methods for unreinforced masonry according to DIN EN 1996-3 / NA can be transferred to earthen masonry construction. If the normative verification procedure can be applied to earthen masonry, it would be conceivable to include earth blocks and earthen masonry mortar in the national appendix of Eurocode 6 in the future, which would result in a significant expansion of the field of application of earthen masonry. Various scientific studies have shown that the strength and deformation properties of earthen masonry building materials relevant to structural design are strongly dependent on the prevailing material moisture level, which is essentially determined by the relative humidity (RH) in the hygroscopic water content range. The interim results of the current research project for the development of a structural design concept for earthen masonry also showed a clearly recognisable dependency between the material moisture level and the relevant strength and deformation properties. Detailed knowledge of the moisture-dependent material behaviour of earth blocks, earthen mortar and masonry is absolutely essential to developing a consistent and reliable structural design concept for earthen masonry. Within the framework of the current research project, extensive tests on the pressure load bearing capacity of earth blocks and earthen mortar as well as earthen masonry after conditioning at different RH levels are therefore being carried out and analysed. Furthermore, numerical models are being calibrated on the basis of the experiment results, which facilitate a detailed analysis of the bending pressure bearing capacity of earthen masonry. This paper presents, firstly, the interim results obtained so far concerning the experimentally determined moisture-dependent material characteristics of earth blocks, earthen mortar and masonry. Based on this material, numerical investigations for determining the system bearing capacity of earthen masonry under the influence of moisture are carried out and explained. T2 - LEHM 2020 CY - Weimar, Germany DA - 30.10.2020 KW - Lehm KW - Earth KW - Tragfähigkeit KW - Mauerwerk KW - Feuchte KW - Load-bearing KW - Moisture KW - Strength PY - 2020 SP - 1 EP - 12 PB - Dachverband Lehm CY - Weimar AN - OPUS4-53231 LA - mul AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -