Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.