Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
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.
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.
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 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).
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.
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.