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LEHM2020 – 1
Philipp Wiehle¹, Maximilian Brinkmann²
¹ Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin,
² Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, Deutschland
Tragfähigkeit von Lehmmauerwerk –
experimentelle und numerische Analyse
Die Bemessung von tragendem Lehmmauerwerk er-
folgt in Deutschland auf Basis der Lehmbau Regeln
[1]. Das dort verankerte Nachweisverfahren beruht
auf einem globalen Sicherheitskonzept, welches aus
zuverlässigkeitstheoretischer Sicht nicht mehr dem
Stand der Technik entspricht. Auf Grund dessen wird
das Bemessungskonzept für Lehmmauerwerk vom
Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) voraussicht-
lich 2023 außer Kraft gesetzt. Ein statischer Nach-
weis von tragenden Lehmbauten wäre in Deutsch-
land dann ausschließlich mit einer Zustimmung im
Einzelfall (ZiE) oder vorhabenbezogener Bauartge-
nehmigung (vBg) möglich. Beides ist mit erheblichem
Mehraufwand und höheren Kosten verbunden, was
für den Lehmmauerwerksbau einen entscheidenden
Nachteil im Vergleich zum konventionellen Mauer-
werksbau darstellt. Um eine unkomplizierte Praxis-
anwendung von Lehmmauerwerk zu ermöglichen,
werden innerhalb eines Forschungsvorhabens, wel-
ches von der Bundesanstalt für Materialforschung
und -prüfung (BAM), dem Institut für Massivbau der
Technischen Universität Darmstadt sowie dem Inge-
nieurbüro ZRS durchgeführt wird, auf Basis der Pro-
duktnormen für Lehmsteine[2] und Lehmmauermör-
tel[3] Grundlagen für ein aktualisiertes Bemessungs-
konzept entwickelt. Im Rahmen des Projekts wird
ebenfalls untersucht, inwiefern die Bemessungsre-
geln nach den vereinfachten Berechnungsmetho-
den für unbewehrtes Mauerwerk gemäß DIN EN
1996-3 / NA [4] auf den Lehmmauerwerksbau über-
tragbar sind. Falls eine Anwendung des normativen
Nachweisverfahrens bei Lehmmauerwerk möglich
ist, wäre zukünftig eine Aufnahme von Lehmsteinen
und Lehmmauermörtel in den nationalen Anhang des
Eurocode6 denkbar, was eine bedeutsame Erweite-
rung des Anwendungsbereichs von Lehmmauerwerk
zur Folgehätte.
Diverse wissenschaftliche Untersuchungen konnten
zeigen, dass bemessungsrelevante Festigkeits- und
Verformungseigenschaften von Lehmmauerwerks-
baustoen stark von der vorherrschenden Material-
feuchte abhängen[5][7], welche im hygroskopischen
Wassergehaltsbereich im Wesentlichen von der rela-
tiven Luftfeuchte (RLF) bestimmt wird [8]. Auch die
Zwischenergebnisse des laufenden Forschungsvor-
habens zur Entwicklung eines Bemessungskonzepts
für Lehmmauerwerk ergaben eine deutlich erkenn-
bare Abhängigkeit zwischen der Materialfeuchte
und den relevanten Festigkeits- und Verformungs-
eigenschaften. Eine detaillierte Kenntnis des feuch-
teabhängigen Materialverhaltens von Lehmsteinen,
-mörtel und -mauerwerk ist zwingend erforderlich,
um ein konsistentes und zuverlässiges Bemessungs-
konzept für Lehmmauerwerk zu entwickeln. Im Rah-
men des laufenden Forschungsprojektes werden
deshalb umfangreiche Versuche zum Drucktragver-
halten von Lehmsteinen und -mörtel sowie Lehm-
mauerwerk nach Konditionierung bei unterschied-
lichen RLF durchgeführt und analysiert. Weiterhin
werden auf Basis der experimentellen Ergebnisse
numerische Modelle kalibriert, welche die detaillierte
Analyse der Biegedrucktragfähigkeit von Lehmmau-
erwerkermöglichen.
In diesem Beitrag werden zunächst die bisherigen
Zwischenergebnisse bezüglich der experimentell
ermittelten feuchteabhängigen Materialkennwerte
von Lehmsteinen, -mörtel und -mauerwerk darge-
legt. Darauf aufbauend werden numerische Unter-
suchungen zur Bestimmung der Systemtragfähigkeit
von Lehmmauerwerk unter Feuchteeinflusses durch-
geführt underläutert.
LEHM20202 –
TRAGFÄHIGKEIT VON LEHMMAUERWERK EXPERIMENTELLE UND NUMERISCHE ANALYSE
ExperimentelleUntersuchungen
Materialien undPrüfverfahren
Steine undMörtel
Die im Rahmen des Forschungsvorhabens unter-
suchten Lehmsteine und Lehmmauermörtel stam-
men aus werksmäßiger Herstellung. Es wurden so-
wohl experimentelle Untersuchungen an formge-
schlagenen normalformatigen Vollsteinen (NF) sowie
an stranggepressten Vollsteinen im Format 3DF (sie-
he Abbildung 1) durchgeführt. Zudem wurden Mör-
tel der Druckfestigkeitsklasse M2 und M3 gemäß DIN
18946[3] getestet.
Nach Lagerung der Probekörper in unterschiedlich
feuchten Klimaten wurden Versuche zur Bestim-
mung der Druckfestigkeit und des Verformungsver-
haltens an Steinen und Mörteln durchgeführt, um
den Einfluss der RLF auf Festigkeit und Verformungs-
eigenschaften zu quantifizieren. Neben dem Norm-
klima für Lehmbaustoe (23°C / 50% RLF) wurden die
Probekörper bei 20°C / 65% RLF und 23°C / 80% RLF
bis zum Erreichen der Massekonstanz konditioniert
und anschließend unmittelbar nach Entnahme aus
dem Klimaschrankgeprüft.
Die Druckfestigkeit der Mörtel wurde gemäß DIN
18946 [3] an Prismen mit den Abmaßen 40 × 40 ×
160 mm³ ermittelt. Die Verformungen wurden an
Großprismen der Abmaße 100 × 100 × 200 mm³ in
Anlehnung an DIN 18555-4 [9] geprüft, wobei die
Lastaufbringung gemäß DIN 18945[2] in drei Belas-
tungsästen bis zu einem Drittel der Maximallast er-
folgte. Somit konnten die Verformungseigenschaften
frei von Kriecheinflüssen bestimmt werden, was bei
dem in DIN 18555-4 [9] vorgesehenen Belastungs-
schema mit einer Versuchsdauer von 15 – 20 Minu-
ten bis zum Bruch nicht der Fall ist. Die Dehnungs-
messung erfolgte kontinuierlich mit Clip-onExtenso-
metern.
Die Druckfestigkeit der 3DF-Steine wurde gemäß
Lehmsteinnorm am ganzen mit Gips abgegliche-
nen Stein ermittelt. Die Druckfestigkeit der NF-Stei-
ne wurde zum einen gemäß DIN 18945[2] am hal-
bierten aufeinander gemauerten Stein und gemäß
01 Stranggepresster Lehmstein 3DF (links),
formgeschlagener Lehmstein NF (rechts)
02 Prüfkörper zur Ermittlung der Elastizitätsmodule aus drei ganzen 3DF-Steinen (links) und drei halben, aufeinander
gemauerten NF-Steinen (rechts)
LEHM2020 – 3
PHILIPP WIEHLE, MAXIMILIAN BRINKMANN
DIN EN 772-1[10] am ganzen Stein geprüft. Bei Prü-
fung nach DIN EN 772-1[10] wurden die ermittelten
Druckfestigkeiten mit dem in der Norm angegebenen
Formfaktor normiert. Nach Gegenüberstellung der
Ergebnisse beider Prüfverfahren lässt sich einschät-
zen, ob die Formfaktoren für herkömmliches Mauer-
werk auch für die Prüfung von Lehmsteinen geeignet
sind. Bei beiden Prüfverfahren wurden die Lastein-
leitungsflächen ebenfalls mit Gips abgeglichen. Die
Dehnungen wurden an Prüfkörpern aus drei mit einer
möglichst dünnen Gipsschicht (≤2 mm) aufeinander
gemauerten Steine ermittelt (siehe Abbildung2). Die
gewählte Prüfkörpergeometrie erfolgte in Anlehnung
an SCHUBERT[11], da diese eine Dehnungsmessung
im nahezu von Querdehnungsbehinderung frei-
en mittleren Drittel der Prüfkörperhöhe ermöglicht.
Weiterhin wird die Dehnungsmessung nicht durch
eine Lagerfuge im Messbereich beeinflusst, wie es
nach DIN 18945[2] für normalformatige Steine der
Fall wäre. Die Belastung erfolge in drei Zyklen bis zu
einem Drittel der Maximallast mit entsprechenden
Haltezeiten gemäß[2]. Wie bei den Mörtelprüfungen
erfolgte die Dehnungsmessung kontinuierlich mit
Clip-On Extensometern. Ein Überblick der Prüfkörper
und -verfahren kann Tabelle 1 entnommenwerden.
Mauerwerk
Die Ermittlung der zentrischen Mauerwerksdruck-
festigkeit erfolgte an RILEM-Probekörpern. Bei der
Herstellung der Probekörper wurden die Lehmstei-
ne durch eintauchen in einen Wasserbehälter mit
ca. 10 mm Wasser für etwa 5 Sekunden vorgenässt.
Insgesamt wurden vier Stein-Mörtel-Kombinationen
getestet: NF / M2, NF / M3, 3DF / M2 und 3DF / M3. Je
Stein-Mörtel-Kombination wurden drei Probekörper
hergestellt und bis zum Erreichen der Massekons-
tanz bei 23°C / 50% RLF bzw. bei 23°C / 80% RLF ge-
lagert. Eine weitere Versuchsserie bei 20°C / 65% RLF
steht noch aus. Die Prüfung erfolgte gemäß DIN EN
1052-1[12], wobei der Prüfzeitpunkt durch Erreichen
der Massekonstanz und nicht nach einem definier-
ten Zeitraum von 28Tagen festgelegt wurde. Die Be-
lastung erfolgte konstant und weggeregelt mit einer
Belastungsgeschwindigkeit, die einen Bruch nach
ca. 15 Minuten herbeiführt. Die Dehnungen wurden
auf Vorder- und Rückseite kontinuierlich mit je drei
induktiven Wegaufnehmern aufgezeichnet. Je Pro-
bekörperseite wurden einmal die Quer- und zwei-
mal die Längsdehnungen gemessen. Anordnung und
Länge der Messtrecken kann Abbildung3 und Abbil-
dung4 entnommenwerden.
Ergebnisse
Steine undMörtel
Die gemäß DIN 18945 [2] nach Konditionierung im
Normklima (23°C / 50% RLF) ermittelten Steindruck-
festigkeiten betragen für die NF-Steine im Mittel
4,38 N / mm² und für die 3DF-Steine 4,98 N / mm², wo-
bei die kleinsten Einzelwerte jeweils über 3,0 N / mm²
lagen. Beide Steine können somit der Druckfestig-
keitsklasse 3 zugeordnet werden. Die Mörteldruck-
festigkeiten betrugen für den als M3 klassifizierten
Mörtel 4,13 N / mm² und für den als M2 klassifizier-
ten Mörtel 3,99 N / mm². Die Mörtel können somit in
die Festigkeitsklassen M3, respektive M4 gemäß DIN
18946 [3] eingeordnet werden und liegen somit je
eine Druckfestigkeitsklasse höher als vom Hersteller
angegeben. Erwartungsgemäß nimmt die Druckfes-
tigkeit von Mörtel und Steinen mit steigender RLF ab.
Ebenso nimmt der Elastizitätsmodul der Steine mit
steigender RLF ab. Ein Überblick der Prüfergebnisse
kann den Tabellen2 und 3 entnommen werden. Da-
bei sind für die normalformatigen Steine sowohl die
Ergebnisse der halbierten aufeinander gemauerten
Steine (NFhalb) als auch die am ganzen Stein geprüf-
ten und mittels Formfaktor normierten Ergebnisse
(NFganz) angegeben. Die normierten Druckfestigkei-
Tabelle 1 Überblick des Versuchsprogramms an Steinen undMörteln
Stein / Druckfestigkeit Elastizitätsmodul
Mörtel Probekörper Prüfverfahren Anzahl Probekörper Prüfverfahren Anzahl
NF
halbiert, aufeinander
gemauert DIN18945 10 3 halbe aufeinander
gemauerteSteine Verfahren nach
Schubert in
Verbindung mit
DIN18946
3
ganzerStein DIN EN772-1 10
3DF ganzerStein DIN 18945 und
DINEN772-1 10 3 ganze aufeinander
gemauerteSteine 3
M2 Prisma 160 ×
40 × 40 mm³ DIN18946 6Großprisma
100 × 100 × 200 mm³
DIN 18555-4 in
Verbindung mit
DIN18945
3
M3
LEHM20204 –
TRAGFÄHIGKEIT VON LEHMMAUERWERK EXPERIMENTELLE UND NUMERISCHE ANALYSE
ten liegen hierbei im Mittel ca. 10% über den Werten
der Prüfung am halbierten aufeinander gemauerten
Stein gemäß DIN 18945[2]. Um eine gesicherte Aus-
sage über die Anwendbarkeit der Formfaktoren nach
DIN EN 772-1[10] bei der Prüfung von Lehmsteinen
treen zu können, müssen jedoch noch weitere Un-
tersuchungen durchgeführtwerden.
In Abbildung5 sind die auf das Normklima (23°C / 50%
RLF) bezogenen Druckfestigkeiten (f / f50%) und Elasti-
zitätsmoduln (E0.33 / E0.33,50%) der Lehmsteine darge-
stellt. Bei Steigerung der RLF von 50 auf 80% ver-
mindert sich die Druckfestigkeit der 3DF-Steine um
ca. 35% und die der NF-Steine um ca. 25%. Die Ab-
minderung der Elastizitätsmoduln fällt bei gleicher
Steigerung der RLF mit ca. 42% bei den NF-Steinen
und ca. 45% bei den 3DF-Steinen etwas größer aus.
Anhand der eingefügten linearen Interpolation ist gut
zu erkennen, dass ein annähernd linearer Zusam-
menhang zwischen RLF und Druckfestigkeit sowie
Elastizitätsmodul besteht. Lediglich bei den 3DF Stei-
nen ist dieser Trend wenigerausgeprägt.
In Abbildung 6 sind darüber hinaus die bezogenen
Druckfestigkeiten (f / f50%) der Lehmmörtel abgebil-
det. Hier beträgt die Verringerung der Druckfestigkeit
infolge einer Steigerung der RLF von 50% auf 80%
ca. 29%.
700
500 500
500
700 120
620 220
120
Horiz 1Horiz 1
Vert 1
Vert 2
Vert 1
Vert 2
03 Anordnung und Länge der Messtreckender RILEM Probekörper aus NF-Steinen (a) und 3DF-Steinen (b)
04 Mauerwerksprobekörper aus NF-Steinen (links) und 3DF-Steinen (rechts) inklusive Messtechnik während der Prüfung
LEHM2020 – 5
PHILIPP WIEHLE, MAXIMILIAN BRINKMANN
Mauerwerk
Wie bei Lehmsteinen und -mörteln geht auch bei
Lehmmauerwerk eine Steigerung der RLF mit einer
Verringerung der Druckfestigkeit und des Elastizitäts-
moduls einher. Für das aus normalformatigen Stei-
nen hergestellte Mauerwerk ergibt sich bei Erhöhung
der RLF von 50% auf 80%, unabhängig vom verwen-
deten Mörtel eine Abminderung der Druckfestigkeit
von ca. 33%. Der Elastizitätsmodul der mit Mörtel M2
hergestellten Prüfserie nimmt mit ca. 34% in etwa
gleich stark ab, wohingegen der Elastizitätsmodul
des Mauerwerks mit Mörtel M3 lediglich um 13% ab-
nimmt. Druckfestigkeiten und Elastizitätsmoduln der
aus 3DF-Steinen hergestellten Mauerwerksprüfkörper
nehmen zwischen 34 und 37% ab. Die Ergebnisse als
Mittelwerte der jeweiligen Prüfserien sind in Tabel-
le 4enthalten.
Ein Vergleich der Mauerwerksdruckfestigkeiten bei
gleicher Steinart und RLF zeigt, dass der Mörtel kaum
Einfluss auf die Druckfestigkeit des Mauerwerks hat,
was im Wesentlichen an den sehr ähnlichen Druck-
festigkeiten der verwendeten Mauermörtel liegt (vgl.
Tabelle 3).
Wie MÜLLER et.al. [13][14] bereits feststellen konn-
ten, sind Tragverhalten und Versagensmechanismen
von Lehmmauerwerk prinzipiell dieselben wie bei
konventionellem Mauerwerk, was deutlich anhand
der Rissbildungen im Versagenszustand beobach-
tet werden kann. Im Gegensatz zu konventionellem
Mauerwerk sind jedoch die Bruchdehnungen bei
Lehmmauerwerk vergleichsweise groß und nehmen
mit steigender RLF weiter zu. Dieser Zusammenhang
wird beim Vergleich der Spannungs-Dehnungs-Li-
nien deutlich. In Abbildung 7 sind die normierten
Spannungs-Dehnungs-Linien der Lehmmauerwerks-
probekörper als Mittelwerte der Versuche angegeben.
Zu erkennen sind die höheren Bruchdehnungen der
bei 80% RLF durchgeführten Prüfserien. Weiterhin
wurden exemplarisch die Spannungs-Dehnungs-Li-
nien von Mauerwerk aus gebrannten Ziegeln und Po-
renbeton mit den Kennzahlen zur Bestimmung des
Elastizitätsmoduls gemäß DIN EN 1996-1-1 / NA [15]
Tabelle 2 Mittelwerte der Versuchsergebnisse fürLehmsteine
Stein Prüfklima
Druckfestigkeit
NFhalb / NFganz
Variationskoeffizient
NFhalb / NFganz
Elastizitäts-
modul
Variations-
koeffizient
Querdehnungs-
modul
Variations-
koeffizient
T / RLF [°C / %] f [N / mm²] Vk[%] E0.33 [N / mm²] Vk[%] Q0.33 [N / mm²] Vk[%]
NF
23 / 50 4,38 / 4,57 5,9 / 1,6 2806 2,8 15743 12,7
20 / 65 4,0¾,23 3,6 / 3,7 2167 4,4 16315 8,3
23 / 80 3,30 / 3,63 3,5 / 2,4 1629 4,2 15615 10,5
3DF
23 / 50 4,98 3,3 3350 20,5 7372 24,5
20 / 65 3,98 1,5 3011 12,4 5845 13,6
23 / 80 3,28 3,0 1874 5,5 10304 39,8
Tabelle 3 Mittelwerte der Versuchsergebnisse fürLehmmauermörtel
Mörtel
Prüfklima Druckfestigkeit Variationskoeffizient Elastizitätsmodul Variationskoeffizient
T / RLF [°C / %] f [N / mm²] Vk[%] E0.33 [N / mm²] Vk[%]
M2
23 / 50 4,13 8,7 3258 4,6
23 / 60 3,71 7,2
ausstehend ausstehend
23 / 70 3,42 7,4
23 / 80 2,94 7,8 2691 41,4
M3
23 / 50 3,99 5,2 5450 4,2
23 / 60 3,35 9,4
5139* 3,3*
23 / 70 3,04 7,9
23 / 80 2,86 6,8 3118 12,9
* Werte ermittelt bei 20 °C / 65 %RLF
LEHM20206 –
TRAGFÄHIGKEIT VON LEHMMAUERWERK EXPERIMENTELLE UND NUMERISCHE ANALYSE
30 40 50 60 70 80 90 100
f/f 50%
NFlin
3DFlin
NF
3DF
RLF [%]
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
NF: R² = 0,9604
3DF: R² = 0,9897
30 40 50 60 70 80 90 100
E0,33 /E0,33,50%
NFlin
3DFlin
NF
3DF
RLF [%]
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
NF: R² = 0,9976
3DF: R² = 0,9112
30 40 50 60 70 80 90 100
M2lin
M3lin
M2
M3
f/f 50%
RLF [%]
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
M2: R² = 0,9258
M3: R² = 0,992
05 Bezogene Druckfestigkeiten (oben) und Elastizitätsmodule (unten) der NF- und 3DF-Steine
06 Bezogene Druckfestigkeiten der Mörtel
LEHM2020 – 7
PHILIPP WIEHLE, MAXIMILIAN BRINKMANN
eingetragen, um die unterschiedlichen Bruchdeh-
nungen zuveranschaulichen.
Weiterhin kann festgestellt werden, dass das Ver-
hältnis von Elastizitätsmodul zu Druckfestigkeit bei
Lehmmauerwerk deutlich geringer ausfällt als etwa
bei Kalksandstein- oder Ziegelmauerwerk. Um einen
Vergleich der Verhältnisse zu ermöglichen, wurden
die Mittelwerte der Mauerwerksdruckfestigkeiten mit
Hilfe des in DIN 1052-1 [12] angegebenen Faktors
von 1,2 in charakteristische Festigkeiten umgerech-
net. Die entsprechenden Werte des aus normalfor-
matigen Steinen hergestellten Mauerwerks liegen
mit E0.33 / fk = 460 – 600 in etwa in dem für Poren-
betonmauerwerk angegebenen Wertebereich von
E0.33 / fk = 500 – 650 [15]. Bei dem aus 3DF-Steinen
hergestellten Mauerwerk ist das Verhältnis von Elasti-
zitätsmodul zu charakteristischer Druckfestigkeit mit
E0.33 / fk = 280 – 310 jedoch erheblich geringer, ob-
wohl die Elastizitätsmoduln der 3DF-Steine zumin-
dest im Normklima deutlich über denen der NF-Stei-
nen liegen (siehe Tabelle 2). Die genaue Ursache
hierfür gilt es im weiteren Rahmen der Forschungs-
arbeit zuermitteln.
NumerischeUntersuchungen
Modellierung vonLehmmauerwerk
Aufbauend auf den experimentell gewonnen Mate-
rialkennwerten wird ein numerisches Modell erstellt,
um den Einfluss der Feuchte auf die globale Trag-
fähigkeit von Lehmmauerwerk unter zentrischer und
exzentrischer Druckbeanspruchung abzuschätzen.
Die Kalibrierung des Modells erfolgt hierbei anhand
der Versuchsergebnisse der Mauerwerksprobekörper
aus normalformatigen Lehmsteinen. Zur Modellbil-
dung wird der Ansatz einer vereinfachten Mikromo-
dellierung gewählt, bei der die einzelnen Mauersteine
zusammen mit jeweils der Hälfte der angrenzenden
Mörtelfugen als Mauerwerksblöcke modelliert wer-
den. Ein Mauerwerksblock ist mit 10 × 10 × 10 Netz-
elementen diskretisiert. An Wandfuß und -kopf des
Modells sind steife Lasteinleitungsplatten vorgesehen,
um Singularitäten in Auflager- und Lasteinleitungs-
bereichen zu vermeiden. Die Lagerbedingungen am
oberen und unteren Wandende erlauben lediglich
eine freie Verdrehung um die Längsachse des Mo-
dells. Die Verbundbedingungen zwischen den einzel-
nen Steinreihen sind durch Kontaktelemente in den
Lagerfugen definiert. Diesen wird ein diskretes Riss-
modell ohne Zugfestigkeit zugewiesen. Die Geome-
trie des numerischen Modells ist in Abbildung 8dar-
gestellt.
Die Mauerwerksblöcke werden mit Hilfe eines Ge-
samtdehnungsrissmodells (siehe Abbildung 9) mo-
delliert, welches es erlaubt sowohl nichtlineares
Materialverhalten unter einachsiger Biegedruckbe-
anspruchung abzubilden als auch unterschiedliches
Druck- und Zugverhalten zu berücksichtigen. Zur
Modellierung der Spannungs-Dehnungs-Beziehung
unter Druckbeanspruchung wird das Materialgesetz
nach DIN EN 1992-1-1[16]verwendet:
0 2 4 6 8 10
ɛ [‰]
σ / f
NF_50% RLF
NF_80% RLF
Ziegel
Porenbeton
3DF_50% RLF
3DF_80% RLF
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
07 Vergleich der Spannungs-Dehnungs-Linien von Lehmmauerwerk bei unterschiedlichen RLFmit den idealisierten
Spannungs-Dehnungs-Linien von Ziegel- und Porenbetonmauerwerk gemäß EC6
LEHM20208 –
TRAGFÄHIGKEIT VON LEHMMAUERWERK EXPERIMENTELLE UND NUMERISCHE ANALYSE
mit
mit
(1)
Mit:
Das Zugverhalten der Mauerwerksblöcke wird mit
einem linearen Verlauf und sprödem Nachbruch-
verhalten angenähert. Die angesetzte Zugfestigkeit
entspricht hierbei der experimentell ermittelten Bie-
gezugfestigkeit der Lehmsteine im jeweiligen Umge-
bungsklima. Da die Kontaktelemente in den Lagerfu-
gen keine Zugfestigkeit aufweisen, determinieren sie
jedoch die Biegezugfestigkeit des gesamtenModells.
In Tabelle 5 sind die Eingangsparameter für die Mo-
dellierung der Mauerwerksblöcke zusammengefasst.
Bei der numerischen Analyse wird vereinfachend an-
genommen, dass die Bauteilfeuchte und somit auch
die Festigkeits- und Verformungseigenschaften über
die Wanddicke konstantsind.
Zur Validierung des Modells werden in Abbildung10
die numerisch erzeugten Spannungs-Dehnung-Be-
ziehungen unter zentrischer Druckbeanspruchung
für eine relative Luftfeuchtigkeit von 50% und 80%
den experimentell ermittelten Arbeitslinien gegen-
übergestellt. Es ist erkennbar, dass der nichtlineare
Verlauf der Spannungs-Dehnungs-Beziehung mit
Hilfe des numerischen Modells gut angenähert wer-
den kann. Weitere Informationen zur numerischen
Modellbildung von Lehmmauerwerk sind in BRINK-
MANN et al.[17] zufinden.
Tabelle 4 Mittelwerte der Versuchsergebnisse fürLehmmauerwerk
Prüfserie Prüfklima Anzahl Druckfestigkeit
Variations-
koeffizient Elastizitätsmodul
Variations-
koeffizient
Stein / Mörtel T / RLF [°C / %] [-] f [N / mm²] Vk[%] E0.33 [N / mm²] Vk[%]
NF / M2
23 / 50 33,72 3,8 1656 6,9
23 / 80 32,51 3,1 1093 10,9
NF / M3
23 / 50 33,66 6,2 1399 3,9
23 / 80 32,43 4,4 1225 12,1
3DF / M2
23 / 50 33,56 0,2 911 8,5
23 / 80 22,36 1,25 592 13
3DF / M3
23 / 50 33,59 3,4 848 17,9
23 / 80 22,27 3,6 570 1,4
Tabelle 5 Eingangswerte für dieModellierung
Prüfklima f fb,t E0.33 εfεult
T / RLF [°C / %] N / mm² N / mm² N / mm² [‰] [‰]
23 / 50 3,69 1,59 1527 5,08 6,06
23 / 80 2,47 1,17 1159 6,44 7,90
ɛ
ult
ɛ
f
f
b,t
f
ɛ
σ
09 Gesamtdehnungsrissmodell der Mauerwerksblöcke
LEHM2020 – 9
Höhe von f80% / f50% =0,67. Wie in Abbildung12 dar-
gestellt ist, bleibt das Verhältnis NRd,80% / NRd,50% je-
doch auch bei größeren Schlankheiten nahezu kon-
stant. Da die Traglast von Mauerwerk im Bereich des
Stabilitätsversagens nicht mehr von der Druckfestig-
keit, sondern vorrangig von der Steifigkeit des Mau-
erwerks abhängt, lässt dieser Eekt darauf schließen,
dass sich die Steifigkeit von Lehmmauerwerk bei Er-
höhung der Luftfeuchtigkeit in ähnlichem Maße re-
duziert wie die Druckfestigkeit. Dieser Sachverhalt
kann zu einer deutlichen Vereinfachung bei der Er-
stellung feuchteabhängiger Bemessungsformeln
führen, da die Reduzierung der Traglast bei erhöhter
Luftfeuchtigkeit somit sowohl bei Querschnitts- als
auch bei Stabilitätsversagen mit einem einheitlichen
Faktor berücksichtigt werdenkann.
Schlussfolgerungen undAusblick
In diesem Beitrag wurden experimentelle Untersu-
chungen zur Ermittlung der Festigkeits- und Ver-
Tragfähigkeit von Lehmmauerwerk
unterFeuchteeinfluss
Mit Hilfe des numerischen Modells wird die System-
tragfähigkeit von Lehmmauerwerk unter Druckbe-
anspruchung bei 50% RLF sowie bei 80% RLF analy-
siert und gegenübergestellt. Hierbei wird sowohl die
Schlankheit des Modells als auch die Exzentrizität der
einwirkenden Drucknormalkraft variiert. Die Ergeb-
nisse der Traglastanalysen sind in Abb.11 dargestellt.
Es ist zu erkennen, dass sich die Tragfähigkeit von
Lehmmauerwerk bei Erhöhung der RLF deutlich ver-
ringert. Da bei geringer Schlankheit im Allgemeinen
Querschnittsversagen maßgebend wird, determiniert
hier die Druckfestigkeit des Mauerwerks die maximal
aufnehmbare Normalkraft. Auf Grund dessen redu-
ziert sich die Traglast von gedrungenen Lehmmauer-
werkswänden bei Anstieg der RLF von 50% auf 80%
erwartungsgemäß um das Verhältnis der Druckfes-
tigkeiten unter den jeweiligen Klimabedingungen in
PHILIPP WIEHLE, MAXIMILIAN BRINKMANN
X
Y
Z
81
81
81
486 mm 586 mm
81
81
81
50
50
Z
X
Z
Y
115 mm125250125
X
Y
Z
81
81
81
486 mm 586 mm
81
81
81
50
50
Z
X
Z
Y
115 mm125250125
0 2 4 6 8 10
ɛ [‰]
σ [N/mm]
Numerische
Ergebnisse
Experimentelle
Ergebnisse
80% RLF
50% RLF
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
08 Geometrie des numerischen Modells
10 Experimentelle und numerische Spannungs-Dehnungs-Beziehung unter zentrischer Druckbeanspruchung
LEHM202010 –
TRAGFÄHIGKEIT VON LEHMMAUERWERK EXPERIMENTELLE UND NUMERISCHE ANALYSE
formungseigenschaften von Lehmbaustoen unter
verschiedenen klimatischen Randbedingungen dar-
gelegt. Hierbei wurde ersichtlich, dass Druckfestig-
keit und Elastizitätsmodul von Lehmmauerwerk und
seinen Einzelkomponenten mit steigender relativer
Luftfeuchtigkeit abnehmen. Eine Erhöhung der rela-
tiven Luftfeuchtigkeit von 50 auf 80% führte bei den
geprüften Lehmbaustoen zu einer Abminderung der
Druckfestigkeit von 25-35% sowie zu einer Abmin-
derung des Elastizitätsmoduls von 25-45%. Weiterhin
konnte festgestellt werden, dass das aktuell gültige
Normprüfverfahren für Lehmsteine ähnliche Ergeb-
nisse wie das Prüfverfahren für herkömmliche Mau-
ersteine nach DIN EN772-1 [10] mit anschließender
Umrechnung durch die dort festgelegten Formfak-
toren liefert. Inwiefern die Formfaktoren für Lehm-
steine tatsächlich valide Ergebnisse liefern, gilt es im
Zuge weiterer Forschung zu klären. Vor dem Hinter-
0 5 10 15 20 25 30
hef/t
N Rd/(t·1) [ N/mm ]
Numerische
Ergebnisse 50% RLF
Numerische
Ergebnisse 80% RLF
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
e/t = 0,01
e/t = 0,20
e/t = 0,30
0 5 10 15 20 25 30
hef/t
N Rd80% / N Rd50%
e/t = 0,01
e/t = 0,20
e/t = 0,30
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
grund einer möglichen Bemessung von Lehmmauer-
werk nach DIN EN1996-3 / NA[4] erscheint es jedoch
prinzipiell sinnvoll die Bestimmung der Druckfestig-
keit für Lehmsteine an die im Mauerwerksbau übli-
chen Prüfvorschriften anzugleichen. Aufgrund des
geringen Einflusses der Mörteldruckfestigkeit auf die
Mauerwerksdruckfestigkeit kann weiterhin überlegt
werden, ob die relativ eng abgestufte Einteilung der
Mörteldruckfestigkeitsklassen nach DIN 18946 [3]
zweckmäßig ist oder ob auch hier eine Angleichung
an die Mörtelklassen gemäß DIN EN 998-2 [18] er-
folgen sollte. Tragende Lehmmauermörtel weisen in
der Regel Festigkeiten von 2,5 N / mm² bis 5 N / mm²
auf und könnten somit den Mörtelklassen M2,5 bzw.
M 5 zugeordnet werden. Im Zuge der Bemessung
von Lehmmauerwerk nach den vereinfachten Be-
rechnungsmethoden gemäß DIN EN1996-3 / NA[4]
genügt gegebenenfalls eine Mindestmörteldruckfes-
11 Numerisch ermittelte Tragfähigkeit von Lehmmauerwerk unter exzentrischer Druckbeanspruchung
bei 50% RLF und 80% RLF
12 Verhältnis der Traglast bei 80% RLF zur Traglast bei 50% RLF
LEHM2020 – 11
ermöglichen. Somit kann es schließlich gelingen den
Einfluss der Feuchte auf die Tragfähigkeit von Lehm-
mauerwerk zu quantifizieren und innerhalb eines Be-
messungskonzepts adäquat zuberücksichtigen.
Danksagung
Die vorliegende Arbeit wurde dankenswerter Weise
im Rahmen des Forschungsprojektes “Schaung von
Bemessungsgrundlagen für Lehmmauerwerk auf Ba-
sis von DIN EN 1996-3 / NA mittels experimenteller
und numerischer Untersuchungen” durch die Deut-
sche Bundesstiftung Umwelt (DBU) gefördert. Wei-
terhin danken wir den Firmen claytec e.K. und conlu-
to® für die zur Verfügung gestellten Materialien und
ihre Expertise sowie Christof Ziegert für seine stets
hilfreichenDiskussionsbeiträge
PHILIPP WIEHLE, MAXIMILIAN BRINKMANN
tigkeit in Höhe von f≥2,5 N / mm² ohne wesentliche
Verluste im Hinblick auf die Mauerwerksdruckfestig-
keit in Kauf zunehmen.
Um eine Analyse der Tragfähigkeit von Lehmmauer-
werk unter verschiedenen klimatischen Bedingungen
durchzuführen, wurde anhand der experimentell er-
mittelten Materialkennwerte ein numerisches Modell
kalibriert. Die Traglast unter exzentrischer Druckbe-
anspruchung reduzierte sich bei 80% RLF auf unge-
fähr zwei Drittel der Traglast bei 50% RLF. Auällig
war, dass das Verhältnis NRd,80% / NRd,50% nicht nur im
Bereich des Querschnittversagens, sondern auch im
Bereich des Stabilitätsversagens sowie bei variieren-
der Exzentrizität ungefähr dem Verhältnis der Druck-
festigkeiten f80% / f50% entspricht. Dieser Sachverhalt
lässt darauf schließen, dass sich die Steifigkeit von
Lehmmauerwerk bei steigender RLF in ähnlichem
Umfang verringert wie dessen Druckfestigkeit. Die
bisher durchgeführten Untersuchungen fanden aller-
dings stets nach Konditionierung bis zur Massekon-
stanz statt, das heißt die Prüfkörper haben über den
gesamten Querschnitt hinweg ihre Gleichgewichts-
feuchte erreicht. Je nach Klima und Prüfkörpervo-
lumen dauerte dies bei den Mauerwerksprüfkörpern
bis zu sieben Wochen. Im Anwendungsfall liegen in
der Regel instationäre Klimabedingungen vor, die ei-
nen entsprechenden Gradienten der Feuchte über
den Querschnitt zur Folge haben. Welche Bauteil-
feuchten sich über den Jahresverlauf in Abhängig-
keit des Wandaufbaus und der Anwendungssituation
tatsächlich einstellen, wird im weiteren Verlauf des
Forschungsprojekts durch Langzeitfeuchtemessun-
gen an Lehmmauerwerkermittelt.
Um weitere Erkenntnisse über das Tragverhalten von
Lehmmauerwerk zu erlangen, werden im weiteren
Projektverlauf experimentelle Untersuchungen bei
verschiedenen Klimabedingungen an exzentrisch be-
lasteten Lehmmauerwerkswänden unterschiedlicher
Schlankheit durchgeführt. Darüber hinaus wird das
Langzeitverhalten von Lehmmauerwerk in Form von
Kriech- und Dauerstandprüfungen bei verschiedenen
relativen Luftfeuchtenuntersucht.
Letztlich gilt es die Ergebnisse der unter stationären
Bedingungen durchgeführten Laborversuche mit den
am Anwendungsfall orientierten Feuchtemessungen
unter realen Klimabedingungen zusammenzuführen,
um Rückschlüsse auf das Tragverhalten bei instatio-
nären und zyklischen klimatischen Bedingungen zu
Literatur
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– Baustoe – Bauteile. Wiesbaden: Vieweg + Teub-
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[2] DIN 18945: 2018-12. Lehmsteine – Anforderungen,
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ralischen Bindemitteln – Teil 4: Bestimmung der Längs-
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LEHM202012 –
TRAGFÄHIGKEIT VON LEHMMAUERWERK EXPERIMENTELLE UND NUMERISCHE ANALYSE
[12] DIN EN 1052-1: 1998-12. Prüfverfahren für Mauerwerk –
Teil 1: Bestimmung derDruckfestigkeit.
[13] Müller, P. et al.: Versuchsgestützte Kalibrierung von Teil-
sicherheitsbeiwerten im Lehmmauerwerksbau – Emp-
fehlungen für die Erarbeitung eines Bemessungskon-
zepts. In: Mauerwerk-Kalender 42, Berlin: Ernst & Sohn,
S.181–194,2017.
[14] Müller, P. et al.: Development of partial safety factors for
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[15] DIN 1996-1-1 / NA: 2019-12. Nationaler Anhang – Nati-
onal festgelegte Parameter – Eurocode 6: Bemessung
und Konstruktion von Mauerwerksbauten – Teil 1-1: All-
gemeine Regeln für bewehrtes und unbewehrtesMau-
erwerk.
[16] DIN EN 1992-1-1: 2011-01. Eurocode2: Bemessung
und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbeton-
tragwerken – Teil1-1: Allgemeine Bemessungsregeln
und Regeln für denHochbau.
[17] Brinkmann, M., Graubner, C.-A.: Load-bearing capaci-
ty of slender earth masonry walls under compression.
17th International Brick and Block Masonry Conferen-
ce,2020.
[18] DIN EN 998-2: 2017-02. Festlegungen für Mörtel im
Mauerwerksbau – Teil 2:Mauermörtel.
Kontaktangaben
Web: www.massivbau.tu-darmstadt.de
www.bam.de
E-Mail: brinkmann@massivbau.tu-darmstadt.de
philipp.wiehle@bam.de