Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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The paper presents a comparison between different numerical modelling approaches aiming to simulate the in-plain behaviour of three types of earthen materials, namely adobe masonry, rammed earth and cob. For this purpose, uniaxial and diagonal compression tests were carried out, which allowed determining important mechanical parameters, such as compressive strength, Young’s modulus, Poisson’s ratio, shear strength and shear modulus. Furthermore, the tests allowed assessing the level of non-linear behaviour of the respective stress–strain relationships as well as the failure modes. The experimental results were then used for the calibration of numerical models (based on the finite element method) for simulating the non-linear behaviour of the earth materials under in-plane shear loading. Both macro- and micro-modelling approaches were considered for this purpose. The procedures adopted for model calibration established the reliability of various modelling strategies for the different loading conditions. The simplified Approach based on macromodelling 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 higher computational cost, represents a suitable tool to predict the adobe masonry and rammed earth collapse mechanisms.
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.