Charakterisierung und Modellierung der mechanischen Eigenschaften von Lehmsteinmauerwerk – Mechanical Characterization and Modelling of Earth Block Masonry

Abstract

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 Verformungsund 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 confi rmed 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.

A methodology for the mix design of earth bedding mortar

“…Compressive strength of the earth mortars M1 and M2Mortar M2 is approximatively three times less resistant than M1. Compared to other values of the literature[37,40], the mortars present average performances. It should be reminded that mortar M1 is formulated with a larger ratio of clay, and the present results seem to support the correlation between clay content and strength established by Heath et al[6].…”

“…The present cohesion and friction angle are within the orders of magnitude that can be found in the literature ( [37,[43][44][45][46]) However, the quality of adobes and types of tests of those references are always different, might it be a triplet test with or without confinement, or a direct shear test realized at a reduced scale (such as the present test) or at full scale. Yet, the cohesion ranges from 10 kPa to 160 kPa and the friction angle from 29° to 50°.…”

“…The standard suggests a loading rate from 10 to 50 N/s. Nonetheless, given the poor tensile strength of earth mortar (1 MPa to 4 MPa, [8,[36][37]) it was decided to load at a rate of 2.5 N/s so that the test lasted around 2 minutes and dynamic phenomena did not interfere.…”

Leistungsfähigkeit und Einsatzmöglichkeiten zementstabilisierter Lehmsteine

“…So sind in Bild 8 an der Längsseite deutliche vertikale Risse zu erkennen, welche auf die behinderte Querverformung des Mörtels und die dadurch entstehenden Zugspannungen im Mauerstein zurückzuführen sind. Weitere Forschungsarbeiten zu Mauerwerk aus herkömmlichen Lehmsteinen [20,31,32] und Mauerwerk aus zementstabilisierten Lehmsteinen [18,33] bestätigen ein vergleichbares Tragverhalten. Aufgrund dieser grundsätzlichen Gleichartigkeit zwischen Mauerwerk aus Lehmsteinen und konventionellem Mauerwerk wird eine Bemessung in Anlehnung an DIN EN 1996-3 [34] angestrebt.…”