Experimental characterization and modelling of textile reinforced masonry structures with the Equivalent frame method
Creators: name: Rizzo, Stefania
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Masonry structures
seismic retrofitting/strengthening
fibre-reinforced cementitious matrix (FRCM)
textile-reinforced mortar (TRM)
EQ-GRID strengthening system
multi-axial hybrid fibre grid
experimental characterization
tensile tests
shear-bond tests
cyclic lateral shear tests
shaking table tests
numerical modelling
Equivalent frame method
TREMURI
ACI 549.4R-13
CNR-DT 215/2018

description: Mauerwerk wird häufig als Material für den Bau von Wohngebäuden auf der ganzen Welt verwendet. Es zeichnet sich durch mehrere Vorteile wie hohe Wärmedämmung, Feuerbeständigkeit und Kosteneffizienz aus. Allerdings haben vergangene seismische Ereignisse wie die Erdbeben in Kaschmir (Pakistan, 2005), Chile (2010), L’Aquila (Italien, 2009), Amatrice (Italien, 2016) gezeigt, dass bestehende Gebäude aus Mauerwerk unter seismischen Einwirkungen erhebliche Schäden bis hin zum Einsturz erleiden können. Dieses schlechte strukturelle Verhalten wird im Allgemeinen durch mehrere Faktoren verursacht, wie z. B. das Fehlen guter Verbindungen zwischen den tragenden Bauteilen (z. B. Wände, Decken) und eine geringe Zug- sowie Scherfestigkeit des Mauerwerks. Daher ist die seismische Verstärkung bestehender Tragwerke von grundlegender Bedeutung, um den potenziellen Bodenbewegungen infolge eines Erdbebens standzuhalten. In dieser Hinsicht werden Verbundwerkstoffe häufig für die statische Sanierung und Verstärkung von Mauerwerksbauten verwendet. Eine gängige Technik besteht in der Aufbringung von hochleistungsfähigen Textilstreifen oder Geweben auf das Mauerwerkssubstrat mit organischen Matrizen (faserverstärkte Polymere (FRP)) oder offenen Textilgeweben, die mit anorganischen Matrizen (gewebeverstärkte zementäre Matrix (FRCM) oder textilverstärkter Mörtel (TRM)) aufgebracht werden. Die am häufigsten ver-wendeten Fasermaterialien zur Herstellung der Verbundwerkstoffe sind alkalibeständiges (AR) Glas, Kohlenstoff, Aramid, Basalt oder Polyparaphenylenbenzobisoxazol (PBO). Allerdings haben die FRPs einige Einschränkungen, wie z.B. Hitzeempfindlichkeit, problematische Anwendung auf nassen Substraten. Außerdem benötigen sie eine Oberflächenvorbereitung und die Un-durchlässigkeit der Polymermatrix kann zu Haftungsproblemen mit dem Mauersubstrat führen. Schließlich gelten Polymere als Gefahrstoffe, die vor, während und nach ihrer Verwendung besondere Handhabungsprozesse erfordern. Daher wurden Verbundwerkstoffe auf Zement- oder Kalkmörtelbasis entwickelt. Um die genannten Anwendungsgrenzen zu überwinden, wurde die organische Matrix des FRP durch eine anorganische ersetzt. In dieser Hinsicht haben die FRCM/TRM viele Vorteile gegenüber den FRPs, z. B. physikalische/chemische Kompatibilität mit dem Mauerwerkssubstrat, Dampfdurchlässigkeit, hohe Beständigkeit gegenüber erhöhten Temperaturen und Ultraviolettstrahlung, mögliche Anwendung auf unregelmäßigen oder nassen Substraten mit minimaler oder keiner Oberflächenvorbereitung. Die FRCM/TRM-Textilkomponente ist in der Regel ein offenes Gewebe aus Fasergarnen, die in zwei oder mehr Richtungen angeordnet sind. Sie können trocken, beschichtet oder vorimprägniert sein. Die Textilgitter werden vollständig in die Matrix eingebettet, wodurch die Fasergarne geschützt werden können und die Spannungsübertragung zwischen Substrat und Textilkomponente gewährleistet ist. Die Matrizen bestehen in der Regel aus feinkörnigem Mörtel mit Portlandzement und trockenen organischen Polyme-ren. Letztere werden in der Regel zugesetzt, um die Abbindezeit, die Verarbeitbarkeit und das Verbundverhalten zu verbessern, aber sie reduzieren gleichzeitig den Feuerwiderstand und die Dampfdurchlässigkeit. Daher ist im Allgemeinen ihre Menge geringer als 5% im Gewicht. Das in dieser Arbeit vorgestellte Verstärkungssystem heißt EQ-GRID. Es wurde am Karlsruher Institut für Technologie in Deutschland zur seismischen Verstärkung und Retrofitting von Mauerwerksbauten entwickelt. Die Textilkomponente ist ein multiaxiales Hybridgitter aus alkalibeständigen Glas- und Polypropylenfasern. Die Matrix ist ein speziell für dieses System entwickelter natürlicher hydraulischer Kalkmörtel (NHL). Sie kann die Maschenöffnungen des Gitters durchdringen und die Garne sehr gut einkapseln. Diese Eigenschaft ist entscheidend für den Verbund an der Schnittstelle Textil-Matrix und Matrix-Substrat. Da das EQ-GRID-System darauf abzielt, die Festigkeit und das unelastische Verformungsvermögen von Mauerwerkskonstruktionen zu verbessern, wurde am Karlsruher Institut für Technologie in Deutschland eine umfangreiche Versuchskampagne durchgeführt. Die Ergebnisse werden in dieser Arbeit vorgestellt und diskutiert. Das Versuchsprogramm umfasste Zugversuche an Textilproben und Verbundwerkstoff-proben für jede Hauptrichtung des Gitters (vertikal, horizontal und diagonal) sowie Druck- und Biegeversuche an Matrixproben. Daher wurden die mechanischen Eigenschaften des EQ-GRID Systems bestimmt. Darüber hinaus wurden doppel- und einlagige Scherverbundversuche durchgeführt, um das Verbundverhalten des Systems auf Standardmauerwerksziegel zu untersuchen. Die Ergebnisse haben keine vorzeitige Ablösung vom Untergrund gezeigt, obwohl das System ohne mechanische Verankerung aufgebracht wurde. Schließlich wurden zyklische Schubversuche an Mauerwerkswände im Originalzustand und mit EQ-GRID verstärkt durchgeführt, um die Leistungsfähigkeit des verstärkten Bauteils mit dem Original zu vergleichen. Die Ergebnisse wurden in Form von Schub-Drift-Kurven dargestellt, aus denen äquivalente multilineare Kurven ermittelt wurden. Außerdem wurden der Schubwiderstand und die Tragfähigkeitsdiagramme aller getesteten Mauerwerkswände analytisch bestimmt. Die durch das EQ-GRID System Erhöhung der Tragfähigkeit wird durch die vorgeschlagene Modifikation der Anfangsscherfestigkeit des Mauerwerks und der Steinzugfestigkeit sowie nach der italienischen technischen Norm CNR-DT 215/2018 “Guide for the Design and Construction of Externally Bonded Fibre Reinforced Inorganic Matrix Systems for Strengthening Existing Structures” berechnet. Darüber hinaus wurden die zyklischen Schubversuche durch die im Programm TREMURI implementierte “Equivalent Frame” Methode modelliert. Diese Modellierungstechnik besteht darin, die Wände in einem Rahmen zu idealisieren. Jede tragende Mauerwerkswand wird in verformbaren Mauerwerkselementen unterteilt, in denen das nichtlineare Verhalten und die Verformung konzentriert sind. Dann werden die Mauerwerkselemente durch starre Knoten verbunden, die Teile der Wand sind, die normalerweise nicht beschädigt werden. Alle untersuchten Mauerwerkswände wurden durch das im Programm implementierte nichtlineare Balkenelement mit konzentrierter Unelastizität und multilinearem Verhalten modelliert. Die durch das System erhörte Tragfähigkeit wurde nach CNR-DT 215/2018 berechnet. Die von dieser Norm vorgeschlagenen Formeln sind im Programm implementiert und sind mit dem angewendeten nichtlinearen Balkenelement kompatibel. Schließlich wurden zwei Rütteltischversuche, die an einem Gebäudemodell aus Mauerwerk am Institut für Erdbebeningenieurwesen und Ingenieurseismologie (IZIIS) in Skopje durchgeführt wurden, ebenfalls mit der “Equivalent Frame” Methode modelliert. Ziel war es, das beobachtete Verhalten des Gebäudemodells im Originalzustand und nach der seismischen Ertüchtigung mit EQ-GRID numerisch zu reproduzieren. Dazu wurden Modalanalysen, nichtlineare monotone, zyklische statische und dynamische Analy-sen durchgeführt. Die numerischen Ergebnisse wurden mit den Experimentellen hinsichtlich des Struktur-verhaltens, des erreichten Schadensniveaus und der gemessenen Verschiebungen und Beschleunigungen verglichen. Die Ergebnisse konnten bestätigen, dass die “Equivalent Frame” Methode eine geeignete Modellierungstechnik für unbewehrte sowie textilbewehrte Mauerwerksbauten ist.