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The repair of earthen structures is not an easy task. Earth as a construction material has comparatively weak mechanical properties. It is also susceptible towards liquid water, were it can lose cohesion very quickly if certain moisture contents are exceeded. Repair concepts of structures built with such materials are therefore challenging. Historical earthen structures often exhibit damages in form of extensive cracking, which may have been caused by static or dynamic loads. Frequently these cracks are insufficiently or inappropriately repaired because of lack of knowledge and / or technology. In particular, the behaviour of crack repair by grouting poses a challenge in earthen materials and demands specific requirements for the grouting mortar, such as low water content, good water retention, low shrinkage. Grouting materials require additional specifications such as compatible strengths and Young’s modulus as well as good adhesion to the earthen substrates. In addition, grouts have to be sufficiently flowable to fill small cracks and voids without segregation or bleeding. Therefore, the rheological behaviour has to be well understood and controlled to gain the desired effects.The repair of cracks in earthen buildings is traditionally done by stuffing manually mortar into the gap. Naturally, this method is only usable for cracks with large widths. Another disadvantage is that cracks going through thicker walls cannot be completely reached by the tools used for stuffing the mortar into the crack. Lime based grouts for earthen materials were usually used for re-attachment of plasters but less for structural reasons.Due to the nature of earthen materials grouts based on formulated or hydraulic lime (according to the definition in EN 459-1) have to meet considerable demands on a variety of properties, which are related to compatibility, durability and in particular to the ability of being injected. The goal of this study was to create a grout, which can be used to re-establish structural continuity in cracked earthen masonry or other massive earth walls (rammed earth and cob) with the focus on grouting cracks. The grout material was based on hydrated lime (calcium hydroxide) with additions of pozzolana and lime stone filler.
The repair of earthen structures is not an easy task. Earth as a construction material has comparatively weak mechanical properties. It is also susceptible towards liquid water, were it can lose cohesion very quickly if certain moisture contents are exceeded. Repair concepts of structures built with such materials are therefore challenging. Historical earthen structures often exhibit damages in form of extensive cracking, which may have been caused by static or dynamic loads. Frequently these cracks are insufficiently or inappropriately repaired because of lack of knowledge and / or technology. In particular, the behaviour of crack repair by grouting poses a challenge in earthen materials and demands specific requirements for the grouting mortar, such as low water content, good water retention, low shrinkage. Grouting materials require additional specifications such as compatible strengths and Young’s modulus as well as good adhesion to the earthen substrates. In addition, grouts have to be sufficiently flowable to fill small cracks and voids without segregation or bleeding. Therefore, the rheological behaviour has to be well understood and controlled to gain the desired effects.
The repair of cracks in earthen buildings is traditionally done by stuffing manually mortar into the gap. Naturally, this method is only usable for cracks with large widths. Another disadvantage is that cracks going through thicker walls cannot be completely reached by the tools used for stuffing the mortar into the crack. Lime based grouts for earthen materials were usually used for re-attachment of plasters but less for structural reasons. Due to the nature of earthen materials grouts based on formulated or hydraulic lime (according to the definition in EN 459-1) have to meet considerable demands on a variety of properties, which are related to compatibility, durability and in particular to the ability of being injected. The goal of this study was to create a grout, which can be used to re-establish structural continuity in cracked earthen masonry or other massive earth walls (rammed earth and cob) with the focus on grouting cracks. The grout material was based on hydrated lime (calcium hydroxide) with additions of pozzolana and lime stone filler.
This study presents diagnostic techniques to assess the structural vulnerability of earthen buildings. Medieval structures at Ambel (near Zaragoza, Spain), once a preceptory or monastic house belonging to the Military Orders, provide a useful case study. After more than a thousand years of construction, failure and repair from the 10th century to the present day, Ambel preceptory today is characterised by marked inhomogeneities: construction materials and structural typologies are juxtaposed, with structural discontinuities at the interfaces between construction phases. This paper argues that, while static analysis is an essential prerequisite before a suitable maintenance program can be defined, no evaluation of the structural behaviour of any historic building can ignore an understanding of the building’s history.
The study evaluates Portland limestone cement mortars, natural hydraulic lime mortars and pozzolan-lime mortars modified with water-repellent admixtures (metal soaps and siloxanes) for their use in the maintenance of historic buildings. The chemical-physical characteristics, the durability and the resistance to artificial weathering (exposure to UV light and artificial rain) were examined. The exposure conditions used in the ageing test were chosen in order to simulate outdoor environmental conditions, in particular the processes caused by UV-light and thermal shock induced by rain water.
Beton ist als Massenbaustoff vielseitig einsetzbar. Eine der neuesten Entwicklungen ist Ultrahochleistungsbeton (UHPC). Seine besonderen Eigenschaften ermöglichen eine zusätzliche Funktionalisierung der Oberflächen, da annähernd beliebige Mikrostrukturen exakt abgeformt werden können. So lassen sich beispielsweise Fassadenelemente aus UHPC bereits bei ihrer Herstellung im Betonfertigteilwerk mit selbstreinigenden Oberflächen ausrüsten. Eine andere Möglichkeit ist eine Anwendung als Datenspeicher. Wie das Beispiel der Schallplatte aus UHPC zeigt, lassen sich Muster, die hier die Schallinformationen enthalten, exakt von einer Matrize kopieren.
Es ist bekannt, dass eine Faserbewehrung die Schrumpfrissbildung in Beton vermindern kann. In der Literatur finden sich jedoch zum Teil widersprüchliche Angaben über die Wirksamkeit unterschiedlicher Faserarten, und deren Wirkungsmechanismus ist noch nicht vollständig geklärt. Fasern, die in Deutschland als Betonzusatzstoff eingesetzt werden sollen, bedürfen einer Zulassung durch das DIBt, das für den Nachweis ihrer Wirksamkeit zur Verminderung der Schrumpfrissbildung ein Prüfverfahren mit großformatigen Platten vorschreibt. In diesem Bericht werden die Ergebnisse einer Studie vorgestellt, in der die Eignung verschiedener Prüfverfahren hinsichtlich der Beurteilung der Wirksamkeit von Polymerfasern untersucht wurde. Dieser Bericht ist eine verkürzte Fassung eines Beitrags zum 52. Forschungskolloquium des DAfStb.
Beton ist als Massenbaustoff vielseitig einsetzbar. Eine der neuesten Entwicklungen ist Ultrahochleistungsbeton (UHPC). Seine besonderen Eigenschaften ermöglichen eine zusätzliche Funktionalisierung der Oberflächen, da annähernd beliebige Mikrostrukturen exakt abgeformt werden können. So lassen sich beispielsweise Fassadenelemente aus UHPC bereits bei ihrer Herstellung im Betonfertigteilwerk mit selbstreinigenden Oberflächen ausrüsten. Eine andere Möglichkeit ist eine Anwendung als Datenspeicher. Wie das Beispiel der Schallplatte aus UHPC zeigt, lassen sich Muster, die hier die Schallinformationen enthalten, exakt von einer Matrize kopieren.
Connections improvement plays a key role in seismic upgrade of historical buildings. Their global response is related to the behaviour of the single structural elements as well as by their mutual connections. Up to now limited data is available on the performance of grouted anchor pins in earthen materials where the critical point is the bond between the grout and the earthen substrate.
In this paper results of the experimental testing performed on earth block masonry are presented. Pull-out tests were carried out to investigate the bond strength and failure modes of stainless steel as well as glass fiber reinforced polymer (GFRP) rods with a lime based hydraulic grout and their compatibility with earth block masonry. GFRP rods were investigated as an alternative bonded-in anchorage material to the commonly used steel. In comparison with steel, they have a reduced weight and a reduced coefficient of thermal expansion. Their lower modulus of elasticity seems to be more compatible with the modulus of elasticity of earthen materials, although they exhibit a brittle fracture with lack of plastic phase.
Connections improvement plays a key role in seismic upgrade of historical buildings. Their global response is related to the behavior of the single structural elements as well as to their mutual connections. Up to now only few data are available about the performance of grouted anchor pins in earthen materials where the critical point is the bond between the grout and the earthen substrate. In this paper, results of the experimental testing performed on earth block masonry, rammed earth and cob are presented. Pull-out tests were carried out to investigate the bond strength and failure modes of stainless steel rods with a lime based hydraulic grout and their compatibility with earthen materials. Rods with nuts were investigated to improve the pull-out capacity of the anchors. They showed higher pull-out capacity than rods without nuts. The performances of rods with nuts in cob were influenced by the rough surface at/of the earthen substrate. It is assumed that the non homogeneous surface caused an interlocking mechanism, which allowed to reach a pull-out capacity of about 54% higher than in earth block masonry.
The goal of the present study is to assess the feasibility to develop a first reliable database of materials parameters for Earth Block Masonry (EBM). The database is crucial when defining the materials safety factors. In the first part an experimental campaign of compressive tests were carried out on two types of earth block and two types of earth mortar. The results showed that the mean variation of the compressive strength was remarkably less than expected. This low variation is related to a production with high quality standards of the materials employed. In the second part a partial safety factor for EBM under uniaxial compression was determined through the reliability method. The results proved the reliability of a common calculation method for EBM based on partial safety factors following the current standards.
Das Wissen über die Materialeigenschaften und die Versagensmechanismen bei Lehmbaustoffen ist begrenzt und lückenhaft. Im Rahmen des EU-Projekts NIKER (www.niker.eu) wurden deshalb die mechanischen Eigenschaften von Bauteilen aus Lehm unter statischer Druck- und Schubbeanspruchung bestimmt. Ziel der Untersuchungen war es, grundlegende Daten zum Verformungs- und Versagensverhalten von Lehmbauteilen zu erhalten und dieses mit einem numerischen Modell zu beschreiben. Die Versuchsergebnisse belegten das spröde Verhalten von Lehmsteinmauerwerk bei uniaxialer Druckbelastung und zeigten, dass das Versagen von Lehmsteinmauerwerk infolge Schubbelastung nach Erstrissbildung in Mörtelfugen und Lehmsteinen durch Gleiten der Lehmsteine entlang der Mörtelfugen erfolgt. Die numerische Makromodellierung erbrachte zwar befriedigende Resultate hinsichtlich des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens, jedoch konnte bei der simulierten Rissbildung keine Übereinstimmung mit den in den Versuchen beobachteten Rissbildern erzielt werden. Bei Lehmsteinmauerwerk ist also eine wesentlich aufwendigere Mikromodellierung notwendig, um das Versagensverhalten korrekt beschreiben zu können.--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Knowledge of the material properties and failure mechanisms of earthen materials is limited and scattered. Within the framework of the NIKER project (www.niker.eu) funded by EC, the mechanical properties of earthen material elements were therefore determined under static compression and shear loads. The aim was to obtain fundamental data on deformation behaviour and failure mechanisms of earthen material structural elements and to describe them by means of a numerical model. The test results confirmed the brittle behaviour of earth block masonry under monoaxial compressive load and showed that the failure of earth block masonry under shear load occurs by sliding of the earth blocks along the mortar joints after initial cracking in mortar joints and earth block. Numerical macro modelling showed satisfying results with regard to stress-strain behaviour, but the simulated crack pattern was not consistent with experimental observations. In the case of earth block masonry, it is thus necessary to use micro modelling approaches in order to correctly predict the failure process at local level.
Schätzungen zufolge leben und arbeiten zurzeit 30 bis 40 % der Weltbevölkerung in Gebäuden aus Lehm. Darunter befindet sich auch eine nicht unerhebliche Anzahl an Baudenkmälern, davon viele in einem gefährdeten Zustand. Bauwerke aus Lehm erfordern einen hohen Unterhaltungsaufwand, da sie anfällig sind für Erosion bei Regen sowie Abplatzungen und Querschnittsschwächung, wenn Salze kapillar transportiert werden und auskristallisieren. Außerdem sind sie empfindlich gegenüber mechanischen Beanspruchungen. So führen bereits relativ niedrige Zug- oder Druckspannungen zu Schädigungen durch Rissbildung. Einige Lehmbauweisen werden heute nicht mehr ausgeführt und das Wissen über sie ist zumindest teilweise verloren gegangen. Die verschiedenen Lehmbauweisen unterscheiden sich deutlich in Bezug auf die Zusammensetzung des Materials und die Bautechniken.
This paper presents an innovative way to combine an external ultra-high performance concrete (UHPC) supporting layer with an insulation layer of autoclaved aerated concrete (AAC) or cellular lightweight concrete (CLC) to create light-weight façade elements, which are improved in functionality and in energy efficiency. The durability of the façade elements is improved by developing UHPC with self-cleaning properties. One approach is based on the photocatalytic activation of the external UHPC shell by incorporation of TiO2 particles. The second approach consists of the modification of the UHPC surface by micro structuring in combination with the application of water-repellent agents to create durable super hydrophobicity. The current results obtained from laboratory testing are promising and demonstrate the feasibility of the approaches.
The awareness of the environmental impact of the building sector is increasing. Steel reinforced concrete is the most commonly used construction material, though with a high-embodied energy and carbon footprint. Large environmental gains may arise if an alternative to steel reinforced concrete is developed. In this context, ultra-high performance concrete (UHPC) materials are shown to be promising alternatives with advantages such as lower embodied energy and reduced environmental impact. Predictions suggest that UHPC composite elements for building envelopes could have other benefits such as an increased service life, optimised use of building area due to thinner elements and minimised maintenance due to the absence of reinforcement or use of non-corrosive reinforcing materials such as carbon fibres. In the framework of the H-HOUSE project funded by the European Commission, composite elements are developed. The aim is to create facade panels combining an autoclaved aerated concrete or cellular lightweight concrete insulation layer with an external UHPC supporting layer. To enhance occupant comfort and health, hygroscopic materials that are capable to buffer indoor air humidity shall be applied to the inside of such elements. Indoor air humidity levels are expected to be more stable, which shall subsequently improve the indoor climate and minimise potential decay to the construction.
The awareness of the environmental impact of the building sector is increasing. Steel reinforced concrete is the most commonly used construction material, though with a high-embodied energy and carbon footprint. Large environmental gains may arise if an alternative to steel reinforced concrete is developed. In this context, ultra-high performance concrete (UHPC) materials are shown to be promising alternatives with advantages such as lower embodied energy and reduced environmental impact. Predictions suggest that UHPC composite elements for building envelopes could have other benefits such as an increased service life, optimised use of building area due to thinner elements and minimised maintenance due to the absence of reinforcement or use of non-corrosive reinforcing materials such as carbon fibres. In the framework of the H-HOUSE project funded by the European Commission, composite elements are developed. The aim is to create facade panels combining an autoclaved aerated concrete or cellular lightweight concrete insulation layer with an external UHPC supporting layer. To enhance occupant comfort and health, hygroscopic materials that are capable to buffer indoor air humidity shall be applied to the inside of such elements. Indoor air humidity levels are expected to be more stable, which shall subsequently improve the indoor climate and minimise potential decay to the construction.
The aim of this study was to develop a lightweight composite façade element for refurbishment of existing façades. It was crucial to minimize the thermal bridges and to undercut the thermal requirement of the system existing façade new element. The awareness of the environmental impact of the building sector is increasing. In this context, ultra-high performance concrete (UHPC) materials are shown to be promising alternatives with advantages such as lower embodied energy and reduced environmental impact. Predictions suggest that UHPC composite elements for building envelopes could have other benefits such as an increased service life, optimized use of building area due to thinner elements and minimized maintenance due to the absence of reinforcement or use of non-corrosive reinforcing materials such as carbon fibers. In this framework, composite elements have been developed combining an autoclaved aerated concrete insulation layer with an external UHPC supporting layer. The results show that the lightweight composite element has a good performance in term of thermal transmittance and minimization of thermal bridges.
The study presents the results from the development of a grouting material based on hydrated lime with addition of pozzolana, which is referred to as hydraulic lime, suitable for the repair of cracks in a variety of earthen building techniques. The goal was to develop a material also compatible with earthen structures exposed to dynamic loads. The grouting mortar was designed to be adaptable in strength properties and at the same time to have sufficient robustness for preparation and use on the construction site.
Results showed a satisfactory performance of the grout concerning fresh and hardened mortar properties as well as injectability.
The main aim of the research was the development of a first valid database for material parameters of earth block masonry (EBM) with particular regard to statistical characteristics. A solid database is needed for the determination of the materials partial safety factor. Therefore, compressive strength tests were carried out with two types of earth blocks and two types of prefabricated earth mortar.
The evaluation has shown that the mean variation of the compressive strength was remarkably less than expected, which indicates high quality standards of the components earth block and mortar with regard to industrial production. Using the reliability method, a partial safety factor for EBM subjected to compression was determined on the basis of these test results. The findings have shown that a common calculation method for EBM based on partial safety factors following the valid masonry construction standard is feasible.
This paper presents the development of ultra-high performance concrete (UHPC) for façade elements with self-cleaning properties. For creating self-cleaning surfaces two different approaches are proposed. One approach is based on the photocatalytic activation of the external UHPC shell by incorporation of TiO2 particles. The second approach consists of the modification of the UHPC surface by micro structuring in combination with the application of hydrophobic agents to create durable super hydrophobicity. In the framework of the H-HOUSE Project funded by the European Commission the experimental investigations were performed with UHPC based on Dyckerhoff Nanodur® technology. The special properties of this material enable the precise reproduction of any micro structure without flaws. The current results obtained from laboratory and outdoor weathering tests are promising and demonstrate the feasibility of the approaches.
In the past few years, the share of earthen building materials used in constructions in Central Europe has increased. That is due to growing acknowledgement of its qualities regarding balancing of humidity, absorption of odours and acoustical insulation.
To regulate these (mostly indoor) uses, the German Institute for Standardization (DIN) has published norms for adobe, earth mortar for masonry and earth plaster. In addition to these traditional building materials, earthen panels have been developed. As an ecological alternative to gypsum plaster boards, they combine climatic advantages of traditional materials with economic advantages of industrial processing, i.e. prefabrication and drywall techniques. Earthen panels are a composite layered material, comparable to Textile Reinforced Concrete (TRC). Most products contain an inner layer of reed tubes which improve the tensile strength and reduce the weight. Often, one or both surfaces are reinforced with a fibrous net to prevent cracks in the plastering that is usually applied on top. Additives range from straw to expanded clay. Special panels contain waxes that improve their heat storage capacity or water pipes to allow the usage as flat heating and cooling systems.
Die Instandsetzung von Lehmbauwerken ist keine einfache Aufgabe. Der Baustoff Lehm hat vergleichsweise schwache mechanische Eigenschaften. Er ist außerdem anfällig gegenüber eindringendem Wasser, wobei er sehr schnell seinen Zusammenhalt verlieren kann, wenn gewisse Feuchtegehalte überschritten werden. Instandsetzungskonzepte für Bauwerke aus solchen Materialien stellen deshalb eine Herausforderung dar. Historische Lehmbauwerke zeigen oft Schäden in Form von starker Rissbildung, die durch statische oder dynamische Lasten hervorgerufen sein kann. Häufig werden solche Risse wegen mangelnder Fachkenntnis und / oder fehlender Techniken nur ungenügend instandgesetzt. Die Rissinstandsetzung mit Einpressmörteln birgt insbesondere für Lehmbaustoffe eine Herausforderung und erfordert spezifische Anforderungen an den Einpressmörtel, wie z. B. niedriger Wassergehalt, gutes Wasserrückhaltevermögen, niedriges Schwindmaß, an das instandzusetzende Material angepasste Festigkeit und E-Modul sowie eine gute Haftung am Lehmuntergrund. Zusätzlich müssen Einpressmörtel eine ausreichende Fließfähigkeit aufweisen, um kleine Risse und Hohlräume ohne Entmischung zu füllen. Deshalb muss das rheologische Verhalten des Einpressmörtels gut untersucht und kontrolliert werden, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Die Rissinstandsetzung bei Lehmbauwerken erfolgt traditionell durch manuelles Stopfen mit einem Mörtel. Natürlich können auf diese Weise nur Risse mit einer großen Breite verfüllt werden. Ein weiterer Nachteil ist, dass Risse, die durch dickere Wände verlaufen, nicht vollständig mit den für das Stopfen verwendeten Werkzeugen erreicht werden können. Kalkgebundene Einpressmörtel für Lehmbaustoffe werden gewöhnlich für die Wiederbefestigung von Putzen und weniger aus statisch-konstruktiven Gründen eingesetzt.
Aufgrund der Eigenschaften von Lehm, müssen Einpressmörtel auf Basis von hydraulischem Kalk nach EN 459-1 [4] wesentliche Anforderungen an eine Reihe von Eigenschaften erfüllen, die sich auf die Verträglichkeit, die Dauerhaftigkeit und insbesondere die Injektionsfähigkeit beziehen. Das Ziel der vorgestellten Untersuchungen war einen Einpressmörtel zu herzustellen, mit dem die strukturelle Kontinuität in Lehmmauerwerk oder anderen massiven Lehmwänden (Stampf- und Wellerlehm) durch Rissverpressung wiederhergestellt werden kann. Das Material bestand aus Kalkhydrat mit Zusätzen von Puzzolanen und Kalksteinfüller.
Die Instandsetzung von Lehmbauwerken ist keine einfache Aufgabe. Der Baustoff Lehm hat vergleichsweise schwache mechanische Eigenschaften. Er ist außerdem anfällig gegenüber eindringendem Wasser, wobei er sehr schnell seinen Zusammenhalt verlieren kann, wenn gewisse Feuchtegehalte überschritten werden. Instandsetzungskonzepte für Bauwerke aus solchen Materialien stellen deshalb eine Herausforderung dar. Historische Lehmbauwerke zeigen oft Schäden in Form von starker Rissbildung, die durch statische oder dynamische Lasten hervorgerufen sein kann. Häufig werden solche Risse wegen mangelnder Fachkenntnis und / oder fehlender Techniken nur ungenügend instandgesetzt. Die Rissinstandsetzung mit Einpressmörteln birgt insbesondere für Lehmbaustoffe eine Herausforderung und erfordert spezifische Anforderungen an den Einpressmörtel, wie z. B. niedriger Wassergehalt, gutes Wasserrückhaltevermögen, niedriges Schwindmaß, an das instandzusetzende Material angepasste Festigkeit und E-Modul sowie eine gute Haftung am Lehmuntergrund. Zusätzlich müssen Einpressmörtel eine ausreichende Fließfähigkeit aufweisen, um kleine Risse und Hohlräume ohne Entmischung zu füllen. Deshalb muss das rheologische Verhalten des Einpressmörtels gut untersucht und kontrolliert werden, um die gewünschte Wirkung zu erzielen.
Die Rissinstandsetzung bei Lehmbauwerken erfolgt traditionell durch manuelles Stopfen mit einem Mörtel. Natürlich können auf diese Weise nur Risse mit einer großen Breite verfüllt werden. Ein weiterer Nachteil ist, dass Risse, die durch dickere Wände verlaufen, nicht vollständig mit den für das Stopfen verwendeten Werkzeugen erreicht werden können. Kalkgebundene Einpressmörtel für Lehmbaustoffe werden gewöhnlich für die Wiederbefestigung von Putzen und weniger aus statisch-konstruktiven Gründen eingesetzt Aufgrund der Eigenschaften von Lehm, müssen Einpressmörtel auf Basis von hydraulischem Kalk nach EN 459-1 wesentliche Anforderungen an eine Reihe von Eigenschaften erfüllen, die sich auf die Verträglichkeit, die Dauerhaftigkeit und insbesondere die Injektionsfähigkeit beziehen. Das Ziel der vorgestellten Untersuchungen war einen Einpressmörtel zu herzustellen, mit dem die strukturelle Kontinuität in Lehmmauerwerk oder anderen massiven Lehmwänden (Stampf- und Wellerlehm) durch Rissverpressung wiederhergestellt werden kann. Das Material bestand aus Kalkhydrat mit Zusätzen von Puzzolanen und Kalksteinfüller.
Ultrahochleistungsbeton (UHPC) zeichnet sich durch eine enorme hohe Druckfestigkeit von über 150MPa aus, während er gleichzeitig eine hohe Dichtheit besitzt. Im Schwerpunktprogramm SPP 1182 der DFG sind umfangreiche Untersuchungen zu verschiedensten Aspekten des UHPC durchgeführt worden, sodass die Voraussetzungen für eine breite Anwendung gegeben sind.
Zusammenfassung Bei Hochleistungsbetonen werden trotz der für Normalbetone üblichen Nachbehandlung häufig Schäden im jungen Alter in Form einer Mikrorissbildung beobachtet. Diese Mikrorisse, die insbesondere bei Zugabe von Mikrosilica auftreten, sind größtenteils auf das autogene Schwinden der Bindemittelmatrix zurückzuführen. Die autogenen Verformungen der Bindemittelmatrix eines Betons werden durch eine Vielzahl von Materialparametern beeinflusst und sind eng mit der Hydratation und der daraus resultierenden Selbstaustrocknung, aber auch mit den sich insbesondere im jungen Alter stark verändernden Gefügeeigenschaften verknüpft. Die Aussagekraft einfacher, auf empirischen Untersuchungen basierender Stoffmodelle, die ein "autogenes Schwindmaß" vorhersagen sollen, ist jedoch begrenzt, da sie die Komplexität der hydratationsbedingten Vorgänge bei Hochleistungsbetonen im jungen Alter nur unzureichend abbilden. Für die Erweiterung des Kenntnisstands wurden in dieser Arbeit deshalb der Einfluss der Bestandteile und der Zusammensetzung der Bindemittelmatrix von Hochleistungsbetonen auf ihr autogenes Verformungsverhalten systematisch untersucht und kausale Zusammenhänge aufgezeigt. Hierfür wurden die gemessenen autogenen Verformungen sowohl mit der Hydratation als auch mit der sich entwickelnden Porenstruktur und den mechanischen Ei genschaften in Beziehung gesetzt. Die Zementhydratation und die Reaktionen der Zusatzstoffe wurden mit der isothermen Wärmeflusskalorimetrie und der Thermogravimetrie verfolgt. Die Untersuchung der Porenstruktur erfolgte mit der Quecksilberdruckporosimetrie. Zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften wurden statischer EModul sowie Druck und Biegezugfestigkeit bestimmt. Der Einfluss der in dieser Arbeit verwendeten organischen Zusatzmittel auf die Oberflächenspannung wässriger Lösungen wurde mit der Tensiometrie untersucht. Mit dem gewählten Verfahren für die Verformungsmessung war es möglich, die Verformungen bereits kurze Zeit nach Herstellung der Bindemittelleime zu erfassen. Die Messergebnisse enthielten deshalb auch plastische Verformungen, die vor der Erstarrung der Bindemittelleime auftraten und keinen Einfluss auf die Entwicklung von Zwangsspannungen haben. Zur Unterscheidung zwischen plastischen Verformungen und Verformungen, die nach der Erstarrung bei entsprechender Behinderung Zwangsspannungen induzieren, wurde der Zeitpunkt t 0 ermittelt, ab dem Spannungen in der Matrix übertragen werden können. Hierfür wurde eine Methode entwickelt, mit der t 0 durch Analyse der gemessenen autogenen Verformungen bestimmt werden kann. Für die Abschätzung der Kapillarspannungen, die als Hauptursache des autogenen Schwindens gelten, wurden die sich bei der Selbstaustrocknung in den Kapillarporen einstellenden Meniskusradien der Porenlösung ermittelt. Hierfür wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem der Meniskusradius, als Radius der größten noch mit Flüssigkeit gefüllten Poren, mit Hilfe der experimentell ermittelten Porenradienverteilungen und der kapillaren Sättigung bestimmt wird. Hierfür wurde ein Modell gebildet, mit dem die kapillare Sättigung, die die Selbstaustrocknung des kapillaren Porenraums beschreibt, als Funktion des Hydratationsgrades berechnet wird. Es konnte damit gezeigt werden, dass das beobachtete autogene Schwindverhalten zumindest nach dem für Bindemittelleime mit niedrigen w/b Werten typischen starken Anfangsschwinden mit der Selbstaustrocknung und den dadurch zu erwartenden Kapillarspannungen korreliert.
Mittels Wärmebehandlung lassen sich die hervorragenden Eigenschaften von UHFB nochmals verbessern. Die für eine optimale Umsetzung relevanten Randbedingungen werden aktuell in der Fachwelt diskutiert. In dieser Veröffentlichung werden die Ergebnisse eines Forschungsprojekts vorgestellt, das die Wirkung verschiedener Einflussgrößen bei der Wärmebehandlung auf die Eigenschaften von UHFB zum Thema hatte. Dabei wurden die Art des Schutzes gegen das Austrocknen, die Vorlagerungszeit und die Haltezeit variiert. Um die zugrunde liegenden Prozesse zu verstehen, wurde der Phasenbestand mittels Röntgendiffraktometrie untersucht. Die höchsten Druckfestigkeiten des UHFB ließen sich bei einer Wärmebehandlung mit Wasserlagerung erzielen, da hierbei eine weitere Hydratation begünstigt wird. Vergleichsweise niedriger waren die Steigerungen bei einer Behandlung mit Schutz vor Austrocknung, während eine ungeschützte Behandlung zu deutlich geringeren Festigkeiten führte. Die Vorlagerungszeit beträgt im Idealfall einige Tage, um die Ausbildung eines offenbar günstigen Ausgangsgefüges sicherzustellen. Die Haltezeit sollte möglichst ausgedehnt sein, weil die Hydratation entsprechend lange gefördert wird. Im oberflächennahen Bereich war unter bestimmten Bedingungen eine Zonierung zu beobachten, deren Ursachen und Folgen, insbesondere in Bezug auf die Dauerhaftigkeit, weitere Forschung erfordern.
This paper focuses on the experimental evaluation of one of the key microstructural Parameters of a short-fiber reinforced composite – the orientation distribution of fibers. It is shown that computed tomography (CT) produces results suitable for reconstruction of the orientation distribution function. This function is used for calculation of the effective elastic properties of polymer-fiber reinforced concrete. Explicit formulas are derived for overall elastic moduli accounting for orientation distribution in the frameworks of the noninteraction approximation, the Mori–Tanaka–Benveniste scheme, and the Maxwell scheme.
The approach illustrated can be applied to any kind of composite material.
In this paper, a comparative study on the initial shear strength of
masonry with earth mortars is presented. Triplet tests were carried out to characterise the shear bond strength of five different types of earth mortar, three purely mineral and two with vegetable additives (wood and straw chaff), using calcium silicate blocks. In spite of their lower bulk densities, mortars with chaffs reached a value of compressive strength comparable to the values shown by the purely mineral mortars. The characteristic initial shear strengths of all the tested earth mortars were between two and five times higher than the minimum values for initial shear strengths required by standards.
To assess the influence of blocks pre-wetting, a comparison between calcium silicate blocks and earth blocks was performed to evaluate the results obtained from the standard test procedure compared to the more common practice of using earth mortars in combination with earthen blocks.
The current paper focuses on the determination of reliable numerical models of earth block masonry wallettes under different loading conditions. Uniaxial compression and diagonal compression tests were performed. Experimental behaviour was modelled with a non-linear model able to describe the cracking behaviour. The simplified approach based on macro-modelling shows a satisfactory accuracy and low computational costs. The results reproducing the uniaxial compression are in good correspondence with the post-elastic behaviour observed in the experimental campaign. The micro-modelling approach adopted to reproduce the shear behaviour, even with high computational cost, represents a suitable tool to predict the masonry collapse mechanism.
Der Einfluß der Mischungszusammensetzungen auf das frühe autogene Schwinden der Bindemittelmatrix von Hochleistungsbetonen wurde durch Korrelation mit der Hydratationskinetik untersucht. Durch die Analyse der Verformungsgeschwindigkeiten konnte eine Unterscheidung zwischen plastischen und spannungsinduzierenden Verformungen vorgenommen werden.
Multi residential buildings, developed as highly energy-efficient and airtight are nowadays often fitted with mechanical Ventilation Systems as a way to overcome shortcomings and even defects tinked to indoor climate. The presented study investigates the potential of low-emitting. natural building materials with hygroscopic properties to contribute to a healthy and comfortable indoor environment, while reducing the need for mechanical Ventilation.
A selection of natural building materials suitable for application as internal partition walls has been investigated with regards to their water vapour adsorption capacity.
Special emphasis was placed on the investigation of modified earth plasters as well as wood-based materials, used as wall lining to provide increased adsorption capacities.
In addition, tests on materials emissions (formaldehyde, VOCs, SVOCs and radon) as well as adsorption tests of airborne pollutants have been conducted in specially-designed fest chambers. All tests were performed at either the material or the component tevel.
Overall results to date suggest that natural materials contribute to an improved indoor environment quality through an increased moisture-buffering capacity, low emissions and the potential to adsorb airborne pollutants, therefore reducing the need for mechanical Ventilation.
In-plane shear behaviour of earthen materials panels strengthened with polyester fabric strips
(2016)
An experimental investigation was carried out to study the in-plane shear behaviour of earthen material Panels strengthened with polyester fabric strips. Strengthened panels were developed to exploit the strength potential of earthen materials and to solve its lack of tensile strength, significantly improving not only strength but also ductility. Three earthen materials were considered: cob, earth block masonry (EBM) and rammed earth (RE). As first approach the strengthening configuration, based on different adhesive materials, was tested only for cob panels. As part of the study the results of a big testing campaign of unstrengthened Panels were considered. Seven strengthened panels were tested in diagonal compression/shear.A unique reinforcement orientation was used. The results of these tests are presented in this paper, and include the load-displacement behaviours, crack patterns, failure modes. The results showed that the reinforcement was the most effective in EBM panels, with increase in strength and ductility observed. In RE and cob panels the reinforcement did not likely contribute significantly to the shear resistance, due to a lack of embedment length of the strips. Instead, in EBM it was likely that the vertical reinforcement acted in tension to restrain shear induced dilation and to restrain sliding.
Emissions of building materials might have negative impact on human health and well-being. In the EU-funded research project H-House more than 30 natural materials (earthen dry boards and plasters, bio-based insulation materials made of wood, flax, reed, straw, etc.) used for renovation and refurbishment were tested regarding emissions of VOC, formaldehyde and radon. Different to ordinary emission tests on single materials this study focuses on the emissions from complete wall assemblies. Therefore, specially designed test chambers were used allowing the compounds to release only from the surface of the material facing indoors. The testing parameters were chosen in order to simulate model room conditions. The emission results were finally evaluated using the AgBB evaluation scheme, a procedure currently applied for the approval of flooring materials in Germany.
Pozzolanalime mortars modified with water-repellent admixtures were designed and studied to obtain mortars for restoration application. Powdered silane and calcium stearates were mixed with pozzolana, lime and sand and the chemicalphysical properties of the resulting mortars were evaluated by X-ray diffraction, electron microscopy (SEM-EDX), thermogravimetric analysis and FT-IR spectroscopy. The mechanical behavior, the pore structure and the hygric behavior were measured. The resistance of water-repellent mortars to the salt crystallization was evaluated. Both calcium stearates and powdered silane allowed good water-repellent protection even if the water-repellent agents and their dosage modified some physical properties and the hydration kinetic.
The life span of a building product is a key Parameter when it comes to Life Cycle Assessment (LCA) performance. Nevertheless, many uncertainties affect this parameter due to a lack of long-term performance data. The sensitivity of the LCA outcomes to this parameter has been studied within the framework of the FP7 project H-House (Healthier Life with Eco-innovative Components for Housing Constructions) funded by the European Commission.
The paper Features two comparative studies conducted within the scope of this project: one for new construction and another for renovation. An innovative precast sandwich panel made of Textile Reinforced Concrete (TRC) and Foamed Concrete (FC), used for external walls in new construction, is compared with a steel reinforced concrete (SRC) wall of the same thermal resistance. For renovation, a novel halfsandwich panel made of Ultra-High-Performance-Concrete (UHPC) and Autoclaved Aerated Concrete (AAC) is compared with cladding having the same thermal performance. The Evaluation was conducted using a multi-criteria basis according to the LCA methodology (ISO 14040- 44). In each case, an identical life span for both scenarios leads to the fact that H-House components have a better environmental performance. The ISO 15686 and ist relevant parts have been considered for the estimation of the service life span. The sensitivity analysis shows the link between the impact savings of the innovative walls and the life span of the walls and their components. In particular, it was found that since both scenarios need to fulfil the same service during an identical reference period, and since some maintenance and replacement of materials are necessary over time for standard Solutions compared to the innovative ones, the chosen life span of the components plays a role of utmost importance. The sensitivity analysis discloses the effect of the assumptions on these aspects.
Industrial byproducts and natural pozzolanas are increasingly being used as supplementary cementitious materials. In the group of natural pozzolanas volcanic ashes are the most prominent. Despite the fact that volcanic pozzolanas were used since Roman times, not much is known about their role in influencing the long term durability of concrete. The paper presents results of the volcanic pozzolana ‘Rhenish trass’, which is quarried in western Germany and its role during an alkali silica reaction (ASR). Field data and laboratory experiments indicate that trass releases alkalis into the pore solution but also changes cement paste chemistry and alkali binding behavior. There seems to be a sensitive balance between alkali release and increase of alkali binding capacity, both mechanisms crucial for the course of an ASR in concrete.
Earth represents one of the oldest construction materials, which is still utilised both in developed and in developing countries. In this paper a comparison of the mechanical performance of structural elements built in three basic techniques, earth block (adobe) masonry, rammed earth and cob, is presented. In order to gain better knowledge on the structural behaviour under static loads an extensive compression and diagonal compression (shear) test campaign was performed. First compression results showed brittle mechanical behaviour in the case of earth block masonry and rammed earth elements, whereas cob exhibited a very different stress–strain pattern: cob can deform beyond the elastic range with a gradual drop in capacity. Despite its low compressive strength, cob thus presents a relatively good performance within the earthen material range as far as shear behaviour is concerned.
The data here reported represents a base for a further investigation on the dynamic behaviour of the three materials considered. The study was carried out within the framework of the project NIKER funded by the European Commission dealing with improving immovable Cultural Heritage assets against the risk of earthquakes.
Mikrorissbildung in Hochleistungsbeton - Vom Modell zu den Auswirkungen auf Betoneigenschaften
(2007)
In diesem Beitrag werden numerische Analysen der mechanischen Eigenschaften von Lehmsteinmauerwerk unter Druck- und Schubbeanspruchung vorgestellt. Ergebnisse von einachsigen Druck- und Schubversuchen an Wandprüfkörpern lieferten dafür grundlegende mechanische Kennwerte im elastischen Bereich und im nichtelastischen Versagenszustand.Die Testergebnisse zeigten, dass verschiedene Vorlasten keinen wesentlichen Einfluss auf die Schubfestigkeit haben. Außerdem bestätigten die Ergebnisse das spröde Verhalten von Lehmsteinmauerwerk unter einachsiger Druckbelastung und es zeigte sich, dass das Versagen des Lehmsteinmauerwerks unter Scherbelastung entlang der Mörtelfugen erfolgt.
Die experimentellen Ergebnisse wurden verwendet, um das Verhalten von Lehmsteinmauerwerk durch nichtlineare Finite-Elemente-Methoden auf der Basis von Makro- und Mikro-Modellierungsansätzen zu simulieren. Entsprechendes konstitutives Materialverhalten und Zwängungen, die in den Versuchen durch die Art der Lasteinleitung in Form von Stahlprofilen und Stahlschuhen verursacht wurden, wurde in den Modellen berücksichtigt. Es wurde zuerst ein auf der Grundlage der experimentellen Daten kalibriertes Makro-Modell entwickelt, was zu einer brauchbaren Vorhersage des Versagensverhaltens der Mauerwerksprüfkörper führte. Die simulierten Spannungs-Dehnungs-Kurven, berechnet unter einachsiger Druckbelastung, zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen der geprüften Mauerwerkskörper, sowohl im elastischen als auch im nichtelastischen Bereich. Ein vereinfachter Ansatz, basierend auf der Makro-Modellierung und einem homogenisierten Prüfkörper, kann für die Untersuchung größerer Tragsysteme oder ganzer Gebäude angewendet werden, wobei eine zufriedenstellende Genauigkeit bei geringerem Rechenaufwand erreicht wird. Obwohl das globale Spannungs-Dehnungs-Verhalten zufriedenstellend wiedergegeben wurde, ist ein solches nichtlineares isotropes Kontinuumsmodell für Lehmsteinmauerwerk nicht in vollem Umfang geeignet, um das bei den Versuchen beobachtete Rissbild an den Prüfkörpern zu simulieren.
Eine detailliertere Analyse des mechanischen Verhaltensdes Mauerwerks wurde mit einem Mikro-Modellierungsansatz durchgeführt. Das Modell, in dem ein Wandabschnitt nicht mehr homogenisiert, sondern in konkrete Stein- und Fugenelemente diskretisiert wird, hat sich insbesondere für das Verhalten von Lehmsteinmauerwerk unter Schubbeanspruchung als geeignet erwiesen. Die Auswertung der Spannungsverteilungen bei der nichtlinearen Analyse lieferte Informationen über die tatsächlichen Mechanismen der Lastübertragung zwischen Steinen und Mörtelfugen. Mit dem Mikro-Modell war es möglich, das nichtlineare Verhalten von Lehmsteinmauerwerk vorherzusagen. Es stellt somit ein geeignetes Werkzeug für die Untersuchung der Versagensmechanismen von Lehmsteinmauerwerk dar. Allerdings sind aufgrund der Komplexität des Modells für die Beschreibung der Stein/Mörtel-Schnittstelle und die hohe Anzahl an erforderlichen mechanischen Parametern umfassendere Untersuchungen notwendig. Die zukünftige Forschung wird sich daher einerseits auf die Verfeinerung der numerischen Modelle und andererseits auf die Simulation komplexer Belastungssituationen und Gebäudekomponenten konzentrieren.
In the past decade, nanoindentation has become commonly used experimental technique for obtaining quantitative data on elastic and inelastic material properties in small volumes, typically in submicron length scale. The methodology was developed mainly for homogeneous materials or, at least, the homogeneity is assumed far enough from the tested volume in evaluation procedures1. Measurement on a heterogeneous system, in which the material phases are intermixed in small volume, is still a challenging task due to several circumstances.
First, the preparation of a flat surface on the heterogeneous sample with high differences in stiffness needs Special care. Second, the mechanical interaction between the material phases during surface loading is often unavoidable and therefore the extraction of intrinsic properties of individual phases from the heterogeneous system may not be possible. If differences between the stiffnesses of the interacting phases are low, finding of intrinsic properties can be successful using conventional Evaluation. In other cases, the error in estimating intrinsic properties can reach tens of percent.
Nanotechnologie im Bauwesen
(2008)
Zu den Zielen der Nanotechnologie gehört die Entwicklung, Produktion und Anwendung von Materialien und Werkstoffen mit völlig neuartigen Leistungsspektren. Für die Baupraxis und die Materialforschung lassen sich über den Einsatz der Nanotechnologie Ziele wie die Optimierung von Baustoffeigenschaften, Vermeidung von Schäden und neue Funktionalitäten definieren. Der vorliegende Beitrag gibt einen Überblick über mögliche Anwendungsbereiche der Nanotechnologie im Bausektor, wie z. B. zementgebundene Baustoffe, Außen- und Dachfassaden, Fenster und Verglasungen, Brandschutz, Inneneinrichtung und Infrastrukturbau. Zudem werden aktuelle Forschungsarbeiten mit nanowissenschaftlichem und nanotechnologischem Schwerpunkt im Bereich baustoffbezogener Materialien der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin vorgestellt. Die Forschungstätigkeiten beziehen sich zum einen auf die Modifikation der Hydratphasen in Ultra-Hochleistungsbeton (UHPC) und zum anderen auf die Weiterentwicklung von Anti-Graffiti-Systemen.
Earth, timber, fibre boards and insulation materials based on wooden and other natural fibres offer a variety of properties beneficial for eco innovative constructions that are able to improve the energy and resource efficiency of buildings.
Due to their porosity, natural building materials are vapour active and are able to buffer moisture. In combination with highly insulated and airtight but vapour permeable building envelopes, modern earth-timber constructions provide stable indoor humidity levels and can therefore be naturally ventilated while achieving highest energy efficiency standards. Experimental evidence suggests that monitored pilot buildings in Berlin do show healthy indoor air humidity levels (around 50%) in wintertime, while mechanically ventilated buildings demonstrate significantly lower values (around 25%), which have to be considered as uncomfortable and unhealthy.
The application of building materials being poor in chemical emissions, particularly volatile organic compounds (VOC) and radon, improves the indoor air quality further, so that intermittent ventilation twice a day will be sufficient to provide healthy indoor air quality. The air quality in critical rooms (e.g. small bedrooms), demonstrating a smaller air volume, should be monitored if appropriate ratios of room size to occupancy level cannot be realised.
Through night time ventilation in summer, vapour active earth-timber constructions provide evaporative cooling (humidity adsorption at night time and desorption during the day). As a result, indoor temperatures of earth-timber buildings range around 8 °C below the outside temperature peak, when an appropriate glazing ratio is reflected. The EU funded research project H-house is investigating various construction materials regarding water vapour adsorption as well as emission and absorption of harmful substances. Based on this investigation new wall constructions are designed to provide a healthier indoor environment.
Im Rahmen des abgeschlossenen EU-Projekts NIKER (www.niker.eu) wurden die mechanischen Eigenschaften von Lehmsteinmauerwerk untersucht. Im ersten Teil wurde das mechanische Verhalten unter statischer Druck- und Schubbeanspruchung bestimmt. Ziel dieser Untersuchungen war es, grundlegende Daten zum Verformungs- und Versagensverhalten von Lehmbauteilen zu erhalten und dieses mit einem numerischen Modell zu beschreiben. Die Versuchsergebnisse belegten das spröde Verhalten von Lehmmauerwerk bei uniaxialer Druckbelastung und zeigten, dass das Versagen von Lehmmauerwerk infolge Schubbelastung nach Erstrissbildung in Mörtelfugen und Lehmsteinen durch Gleiten der Lehmsteine entlang der Mörtelfugen erfolgt. Mit der Software DIANA® wurden numerische Modelle entwickelt. Eine Makromodellierung erbrachte zufriedenstellende Resultate hinsichtlich des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens unter statischem Druck, während mit einer Mikromodellierung zufriedenstellende Ergebnisse hinsichtlich des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens unter statischer Schubbeanspruchung erzielt wurden. Für beide Fälle, d.h. Makromodellierung von statischem Druck und Mikromodellierung von statischem Schub, wurde eine gute Übereinstimmung der simulierten Rissbildung mit den tatsächlichen Rissbildern beobachtet.
Im zweiten Teil des Projekts wurden Verfahren zur experimentellen Beurteilung von Verpressankern für Lehmsteinmauerwerk erprobt. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass die gewählten Versuchsabläufe mit Betrachtung der Verformungen bzw. Relativverschiebungen der Ankerkomponenten und des Mauwerwerks geeignet sind, die am häufigsten wiederkehrenden Versagensarten zu bestimmen und Traglastkurven für Verpressanker zu erstellen.
The paper presents a comparison between two different numerical modelling approaches aimed to simulate the in-plain behaviour of rammed earth walls, namely under axial, diagonal and cyclic shearcompression loading. In the first part of the study the mechanical characterisation of wallets tested under uniaxial compression and diagonal compression and walls tested under in-plane cyclic shear-compression loading is presented. The results were used to implement and validate the finite element simulations.
The numerical modelling of the rammed earth samples tested is then discussed in the second part. A non-linear constitutive law based on the total strain rotating crack model (TSRCM) was employed as implemented in the DIANA® software. The aim of the numerical analyses presented here is to simulate the behaviour of rammed earth under different inplane loading conditions. For the wallets, tests under static loading both macro- and micro-modelling
approaches were considered for the simulation of the experimental tests. For the walls subjected to cyclic loading only the micro-modelling approach was applied for the simulation of the experimental tests.
The respective FEM model was calibrated with the experimental results. The rammed earth layers were represented by continuum elements, the contact surfaces between layers by interface elements. This approach allowed assessing the influence of the apparent weakness of the interfaces between layers on the shear behaviour of rammed earth.
The goal of the numerical simulation of the cyclic tests was to establish the adequacy of common analytical methods (e. g. used for masonry) applied to the analysis of rammed earth. Rammed earth exhibits brittle characteristics similar to masonry materials and is used in geometrical typologies, such as walls, common in masonry construction.
The paper presents a comparison between two different numerical modelling approaches aimed to simulate the in-plain behaviour of rammed earth walls, namely under axial, diagonal and cyclic shearcompression loading. In the first part of the study the mechanical characterisation of wallets tested under uniaxial compression and diagonal compression and walls tested under in-plane cyclic shear-compression loading is presented. The results were used to implement and validate the finite element simulations. The numerical modelling of the rammed earth samples tested is then discussed in the second part. A non-linear constitutive law based on the total strain rotating crack model (TSRCM) was employed as implemented in the DIANA® software [1]. The aim of the numerical analyses presented here is to simulate the behaviour of rammed earth under different inplane loading conditions. For the wallets, tests under static loading both macro- and micro-modelling approaches were considered for the simulation of the experimental tests. For the walls subjected to cyclic loading only the micro-modelling approach was applied for the simulation of the experimental tests. The respective FEM model was calibrated with the experimental results. The rammed earth layers were represented by continuum elements, the contact surfaces between layers by interface elements. This approach allowed assessing the influence of the apparent weakness of the interfaces between layers on the shear behaviour of rammed earth. The goal of the numerical simulation of the cyclic tests was to establish the adequacy of common analytical methods (e. g. used for masonry) applied to the analysis of rammed earth. Rammed earth exhibits brittle characteristics similar to masonry materials and is used in geometrical typologies, such as walls, common in masonry construction.
ln this paper a modelling approach is presented to reproduce the mechanical behaviour of sandwich panels via finite element analysis. Two types of panels were investigated in this scope of work. The first sandwich element was a textile reinforced concrete (TRC) panel with cellular lightweight concrete insulation and the second configuration was an ultra-high performances concrete (UHPC) panel with aerated autoclaved concrete insulation. The goal was to obtain a reliable numerical strategy that represents a reasonable compromise in terms of sufficient accuracy of the element characteristics and the computational costs. The results show the possibility of describing the composite action in a full sandwich panel. The achieved modelling approach will later be used for the optimization of TRC and UHPC panels in terms of minimizing the thickness, identifying the number and location of connectors, as well as evaluating varying anchorage Systems.
Der Beitrag präsentiert einen Vergleich zwischen verschiedenen numerischen Modellierungsansätzen die dazu dienen sollen, das flächige Verhalten von Stampflehmwänden, genauer unter axialer, diagonaler und zyklischer Scherkraftbelastung zu simulieren.
Im ersten Teil der Studie werden die mechanischen Eigenschaften der Wandscheiben, die unter einachsiger und diagonaler Druckbelastung getestet wurde und der Wände, die in flächigen, zyklischen Scherkraftbelastung getestet wurden, dargestellt. Die Ergebnisse werden verwendet, um die Finite Elemente Simulation anzuwenden und zu bewerten. Die numerische Modellierung der getesteten Stampflehmproben
wird dann im zweiten Teil diskutiert. Ein nichtlineares Materialgesetz basierend auf dem Gesamtdehnungsrissmodell (total strain rotating crack model – TSRCM) wurde, wie durch die Software DIANA® verwendet, angesetzt. Ziel dieser hier präsentierten numerischen Analyse ist es, das Verhalten von Stampflehm unter verschiedenen Lasteinflüssen
zu simulieren. Für die Wandscheiben wurden Versuche unter linearer Last, sowohl in Makro- als auch Mikromodellansätze für die Simulation der experimentellen Versuche gewählt. Für die Wände, welche zyklischer Belastung ausgesetzt waren, wurden nur die Mikromodellansätze für die Simulation der experimentellen Versuche gewählt. Das betreffende FEM Modell wurde mit den experimentellen Ergebnissen kalibriert. Die Stampflehmlagen wurden mit durchgehenden Elementen, die Kontaktflächen zwischen den Lagen mit Oberflächenelementen repräsentiert.
Dieser Ansatz erlaubte die Bewertung des Einflusses der auftretenden Schwächung in den Oberflächen zwischen den Lagen auf das Scherverhalten des Stampflehms. Ziel der numerischen Simulation von zyklischen Versuchen war es, die Eignung allgemeiner Analysemethoden (z. B. für Mauerwerk) für die Analyse von Stampflehm einzuführen und anzuwenden. Stampflehm zeigt brüchige Eigenschaften vergleichbar zu Mauerwerksbaustoffen und wird in geometrischen Formen, wie Wänden, genutzt, die im Mauerwerk üblich sind.
In the beginning of the 1980s earth building has undergone a renaissance, which nowadays leads to an increasing use of load-bearing earth constructions and in particular, earth block masonry. At present, there are no common structural standards according to the semi-probabilistic design concept, which is the state-of-the-art in European standards.
A solid database is needed for the determination of the partial safety factor on the resistance side. Therefore, compressive strength tests were carried out with two types of earth blocks and two types of prefabricated earth mortar. The evaluation showed that the variation of the compressive strength was remarkably less than expected, which seems to indicate high quality standards of the components earth block and mortar with regard to industrial production.
On the basis of these results and together with the reliability method, a partial safety factor for earth block masonry subjected to compression was determined. The main aim of the research was the development of a first valid database for material parameters of earth block masonry with particular regard to statistical characteristics. The results showed that a common calculation method for earth block masonry based on partial safety factors following the valid masonry construction standard is feasible.
Thermal treatment improves the excellent properties of UHPC. Recent studies have shown that an increase in compressive strength of more than 30 % is possible. However, the accurate conditions of thermal treatment for a maximal strength are considered as yet undetermined. A multitude of parameters can be varied: temperature, pressure, water saturation, and duration of the process steps. These parameters influence the phase development and in consequence the macroscopic properties of UHPC. The primary objective of the presented study was the optimisation of the conditions for thermal treatment, concerning compressive strength. It focuses on pre-storage time and duration of the treatment at defined temperatures and pressures (90 °C and 185 °C/1.1MPa).
As expected, experimental results showed a fundamental change of phase composition in hydrothermally treated UHPC in comparison to standard cured UHPC: Ettringite decomposes at higher temperatures and is absent after thermal treatment; the amount of portlandite and clinker phases decreases. The change of phase composition is accompanied by increased compressive strength.
Experimental studies of calcium-silicate-systems at hydrothermal conditions predict the formation of the crystalline C-S-H phase tobermorite. In fact, this is a typical phase occurring in other hydrothermally treated calcium-silicate-systems like Autoclaved Aerated Concrete (AAC). Commonly, high strength is attributed to the presence of tobermorite; however, in the presented study tobermorite was not detected in the hydrothermally treated UHPC. Therefore, tobermorite cannot be responsible for the increased strength of hydrothermally treated UHPC.
In conclusion the development of phases and strength of UHPC at hydrothermal conditions differs fundamentally from AAC and the experimental studies with water saturation. Results of these systems cannot be transferred to UHPC. In thermally treated UHPC, the hydration of clinker is enhanced and the puzzolanic reaction is intensified. Hence, more C-S-H is formed that fills pores and cracks, leading to a denser structure and finally to higher strength.
A further improvement of the excellent properties of UHPC can be realized with thermal Treatment. Like for normal concrete, it accelerates the hardening and prevents shrinkage after the treatment. Additionally, an increase in strength can be achieved. Aim of this study was the optimisation of the thermal Treatment conditions of UHPC for very different Treatment methods; heat Treatment at 90 °C for unprotected and sealed samples, hot water bath at 90 °C and hydrothermal Treatment at 185 °C/1.1 MPa. The pre-storage time and the dwell time were systematically varied for each method to gain a higher strength. The compressive strength depends on the manner of Treatment at which higher water accessibility leads to higher strengths. The Phase composition changes considerably with different Treatment tempereatures. Finally, it can activate unhydrated binder components forming additional C-S-H, leading to higher strength.
Concrete is by far the most common building material in the world. Due to its good durability it is widely used in building envelopes. One major part of the embodied energy in concrete comes from the production of Portland cement that consumes around 3,500 MJ energy per each ton of cement. Globally 2.6 billion tons of Portland cement is produced and the consumption is increasing. Since concrete will be used as main building material also in future construction, it is reasonable to develop concrete building components with lower embodied energy.Using the example of an ultra-high performance concrete (UHPC) façade element, it is demonstrated how the embodied energy can be reduced by application of hydrothermal curing.
In this paper results of the experimental testing performed on brick masonry and earth block masonry are presented. The paper outlines the development of the testing procedures for two different types of anchors. For this purpose, two experimental campaigns of pull-out tests on masonry corner connections strengthened by metallic rod grouted were carried out. Experimental results proved that the implemented testing procedures are suitable to determine the most recurring failure modes of the anchor pins. Moreover, a procedure is proposed to estimate the capacity of grouted anchor pins based on experimental studies.
Die größten Ressourcenverbraucher unserer Zeit sind die Gebäude oder Behausungen des Menschen sowohl in der Phase der Errichtung als auch im Betrieb. Der Gebäudesektor und damit auch die Architektur verbrauchen in Deutschland ca. 50 % der fossilen Energieressourcen und verursachen ca. 60 % des gesamten Müllaufkommens mit dem zugehörigen Bedarf an Ressourcen in der Errichtung. Öl, Stahl und Beton haben uns Glauben gemacht die natürlichen Begebenheiten bei der Gestaltung von Gebäuden wenig beachten zu müssen. Immer neue Techniken zum Betrieb und zur Klimatisierung von Gebäuden waren die Zukunft. Der Klimawandel und die Ressourcenknappheit sind Aufforderungen zur Veränderung. Das Voranschreiten der Reform des Bauwesens hat somit zentrale Bedeutung zur Erreichung der Nachhaltigkeitsziele und um unsere Gesellschaft zukunftsfähig zu machen. Klimaangepasste Architekturkonzepte und die Verwendung von klimaaktiven Naturbaustoffen werden einen wesentlichen Beitrag zum Ressourcenschutz erbringen.
Die Anwendung von modernen Lehmbaustoffen hat in den letzten Jahren überdurchschnittliche Wachstumsraten erreicht. Für Bauherren und Planer ausschlaggebend ist häufig ihr extrem niedriger CO2-Äquivalentkennwert. Entsprechend wurden Lehmplatten in einem Projekt mit Pilotcharakter für den Umbau des alten Abgeordnetenhauses in Bonn zum Gebäude des Klimareferats der Vereinten Nationen verwendet. Bei der Entscheidung für die Bauweise mit Lehmplatten standen vor allem raumklimatische und schallschutztechnische, das heißt gesundheitliche Aspekte, aber auch der Wunsch nach erhöhter Nachhaltigkeit im Vordergrund. Durch das Fehlen einer Norm entstehen im Vergleich zu geregelten Bauprodukten jedoch noch deutliche Wettbewerbsnachteile für Produzenten von Lehmplatten. Planer und Anwender sehen aufgrund fehlender Prüfzertifikate nicht selten von der Anwendung dieser Lehmbaustoffe ab. Wie schon für Lehmsteine und Lehmmörtel sollen deshalb jetzt auch für Lehmplatten an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in dem Projekt StandardBoard Grundlagen für eine Produktnorm geschaffen werden. Darin ist als Projektpartner der Hersteller Conluto beteiligt. Zweck des in Erarbeitung befindlichen Regelwerks ist es, über die Festlegung von Qualitätsanforderungen und Prüfvorschriften die Gebrauchstauglichkeit von Lehmplatten sicherzustellen und somit einerseits Sicherheit für Planer und Anwender und andererseits Vergleichbarkeit und damit Konkurrenzfähigkeit zu konventionellen Plattenprodukten für gleiche Einbaubereiche zu erreichen. Darüber hinaus stellt sie ein Instrument dar, um die besonderen ökologischen und bauphysikalischen Eigenschaften der Lehmbaustoffe hervorzuheben. Die Erarbeitung des Regelwerks erfolgt in enger Abstimmung mit dem Dachverband Lehm e. V. (DVL).
In this paper an extensive research campaign aimed to define the mechanical performance of earth block masonry panels is presented. Uniaxial compression and diagonal compression tests were performed. The test results confirmed the brittle behaviour of earth block masonry under uniaxial compressive load and showed that the failure of earth block masonry under shear load occurs by sliding of the earth blocks along the mortar joints after initial cracking in mortar joints and earth blocks. For diagonal compression test results showed that building technique practice is one of the key factors affecting the structural performances. Experimental behaviour was modelled with a non-linear model capable of describing cracking behaviour. Both micro-modelling and macro-modelling implementing isotropic or orthotropic material laws were used to assess the reliability of different modelling strategies. The model calibration was carried out by sensibility analysis of the input parameters to understand the influence of unit strength on the shear behaviour of masonry.
An experimental investigation was carried out to study the in-plane shear behaviour of rammed earth structural elements strengthened with polyester fabric strips. The original idea for the retrofitting with polyester fabric strips was to introduce a vertical element for walls in order to take up horizontal loads resulting in a shear response of the building element. It has to be considered that vertical slits into the walls for fixing the strips are points of weakness and have to be mitigated by the adhesive. In this case a base coat mortar was employed. Strengthened elements were tested to exploit the strength potential of earthen materials and to solve its lack of tensile strength, significantly improving not only strength but also ductility. As part of the study results of a testing campaign of unstrengthened structural elements were considered. Strengthened elements were tested in diagonal compression/shear and cyclic shear-compression. A unique reinforcement orientation was used. The results of these tests are presented in this paper and include the load-displacement behaviours, crack patterns, failure modes. The results showed that the reinforcement was the most effective under cyclic shear-compression tests, with increase in load and displacement capacity observed. Under diagonal compression the reinforcement did not likely contribute significantly to the shear resistance, due to a lack of embedment length of the strips.
Water-repellent renders were studied in order to evaluate their suitability for restoration applications. Water repellent admixtures, such as powdered siloxane-based products and metal soaps (zinc and calcium stearates), were mixed with a pozzolana-lime binder similar to historical binders with hydraulic properties. The chemical-physical and structural properties, the effectiveness and the durability of the water-repellent mortars in different environmental conditions were studied. The influence of the water repellent admixtures was evaluated by FT-IR analyses, by testing the mechanical properties and the behaviour in presence of water. The durability of the water-repellent mortars was evaluated after the exposure to artificial weathering (UV-light and water) and to immersion/drying cycles in saturated sodium sulphate solution. The nature of the water-repellent admixtures influenced both the hydration reactions and the chemical-physical properties of the mortars resulting in different resistance to the weathering and to salt crystallization.
Anhand von Versuchsergebnissen und zuverlässigkeitstheoretischen Grundlagen erfolgte die Ermittlung eines Teilsicherheitsbeiwertes für Lehmmauerwerk unter dem Lastzustand Druck nach der Kalibrationsmethode der DIN EN 1990. Darüber hinaus fanden Untersuchungen zur Ermittlung der Parameter zur Bestimmung der rechnerischen Mauerwerksfestigkeit statt. Aufgrund der derzeit noch ungenügenden Datengrundlage konnten lediglich erste Empfehlungen für Teilsicherheitsbeiwerte ausgesprochen werden. Ein Bemessungskonzept im Lehmmauerwerksbau auf Basis von Teilsicherheitsbeiwerten, welches sich an der gültigen Mauerwerksnormung anlehnt, scheint aber prinzipiell möglich. Es bedarf allerdings noch weiterer Forschung, insbesondere im Hinblick auf andere Lastzustände und auf das Feuchtigkeitsverhalten von Lehmmauerwerk.
Water-repellent mortars were prepared using different hydrophobic compounds as admixtures. Calcium and zinc stearates, silane/siloxane products (as liquid solution and powder) were mixed into limestone cement mortars for obtaining in-bulk water-repellent mortars suitable for building protection and resistant to the degrading action of water. The influences of the admixtures on the hydration and structure of the designed mortars were investigated by SEM, TG–DSC, FT-IR, XRD, and isothermal calorimetry. The effectiveness of these agents against water action was evaluated by using techniques and methods such as mercury intrusion porosimetry, water absorption tests and contact angle measurements. Siloxane products conveyed good water-repellent effectiveness, without strongly influencing the setting and hydration of the binder, while the zinc stearates slowed down the hydration reactions.
In August 2013, the German National Institute for Standardization DIN published three national standards for industrially-produced earth building materials without the use of chemical stabilizers:
DIN 18945 Earth blocks definitions, building materials, requirements, test procedures DIN 18946 Earth masonry mortars definitions, building materials, requirements, test procedures DIN 18947 Earth plaster mortars definitions, building materials, requirements, test procedures The development of these standards was initiated by the Dachverband Lehm e.V. (DVL), the German umbrella organisation for building with earth. These standards are in accordance with the requirements of the EU Regulation No. 305/2011 which came into force in Germany on 1 July 2013. These basic requirements introduce provisions relating not only to the safety of buildings and other construction works but also to health, durability, energy economy, protection of the environment and other important aspects in the public interest. The basic requirements are defined by essential characteristics expressed by levels or classes, or in a description. The relevant essential characteristics define the performance of the construction product.
The DIN 18945, 46 and 47 outline unified test procedures describing the relevant essential characteristics of the earth building products as well as systems for assessing and verifying the constancy of their performance. The relevant systems of verification are determined by a national Technical Assessment Body (TAB), which in Germany is the Deutsches Institut für Bautechnik DIBt.
UHPC-AAC/CLC composite panels with self-cleaning properties. Materials and production technology
(2016)
The aim of this study is to show the development of a façade composite panel combining either an autoclaved aerated concrete or a cellular lightweight concrete insulation layer with a box-type external ultra-high performance concrete (UHPC) supporting layer. The paper presents the materials characteristics of the different components and the production technology of the panel. The efficiency of surface modifications of the materials forming the external shell of the panel is reported. The activation of self-cleaning properties is described. The test results showed that the most efficient way to use the water-repellent agent is its application on the substrate before the concrete cast. Concerning the production technology, the preliminary studies showed more advantages of a twostep manufacturing procedure of the UHPC boxes than a one-step procedure.