Stifterstelle Mauerwerksbau - Lehrstuhl für Massivbau - TUM

1. Einleitung
„Stifterstelle Mauerwerksbau“ an der
Technischen Universität München
Prof. Dr.-Ing. K. Zilch, Dipl.-Ing. D. Schermer
Zu Beginn des Sommersemesters 1999 wurde von der Deutschen Gesellschaft für
Mauerwerksbau am Lehrstuhl für Massivbau (Prof. Dr.- Ing. K. Zilch) der Technischen
Universität München (www.mb.bv.tum.de) eine vorerst auf fünf Jahre befristete
Mauerwerksdozentur gestiftet. Unter der Leitung des Lehrstuhlinhabers verfügt die
Arbeitsgruppe Mauerwerk über zwei Wissenschaftliche Mitarbeiter sowie von Seiten der
angeschlossenen Materialprüfanstalt über einen Fachingenieur. Die Hauptaufgaben der
Arbeitsgruppe Mauerwerk liegen im Bereich der Lehre, der Industrie- und
Grundlagenforschung sowie in der Normungstätigkeit. Aufgrund der breiten Unterstützung
von Seiten der deutschen Mauerwerksindustrie konnten auch insbesondere im Bereich der
Forschung auf einer Vielzahl von Themengebieten umfangreiche Untersuchungen
durchgeführt werden.
2. Lehre
Für Studenten des Studiengangs Bauingenieurwesen an der TU München wird im 4. Semester
die verpflichtende Vorlesung Massivbau-Grundlagen I gehalten. Im Rahmen dieser
Veranstaltung mit einem Umfang von 3 Semesterwochenstunden wird im Anschluss an eine
allgemeine Einführung in den Massivbau das Themengebiet des Mauerwerksbaus ausführlich
behandelt. Das angebotene Skript (130 Seiten) beinhaltet dabei die wesentlichen Grundlagen
des Mauerwerksbaus, u. a. mit den Themen: Baustoffe, Maßordnung und Steinformate,
Sicherheitskonzept, vereinfachtes und genaueres Verfahren, spezielle
Mauerwerkskonstruktionen, Grundlagen des bewehrten Mauerwerks und Aspekte der
Ausführung. Die zugehörige Leistungsprüfung, deren Bestehen Zulassungsbedingung für die
Hauptdiplomprüfung im Fach Massivbau ist, erfolgt im Rahmen einer Studienarbeit und
einem zugehörigen persönlichen Abgabegespräche zu Beginn des nachfolgenden Semesters.
Des Weiteren wird für Studenten mit der Vertiefungsrichtung Massivbau im 7. Semester eine
Wahlpflichtveranstaltung zu den Erweiterten Grundlagen im Mauerwerksbau angeboten. Ziel
dabei ist, den Studenten vertiefende Kenntnisse hinsichtlich der Ausführung von
Mauerwerkskonstruktionen sowie der Berechnung von besonderen Mauerwerksbauteilen zu
vermitteln. Durch das Bestehen der Abschlussklausur werden 2 Semesterwochenstunden als
Wahlpflichtleistung anerkannt.
Zusätzlich zu den Lehrveranstaltungen werden Exkursionen in Form von Baustellen- und
Werksbesichtigungen verschiedener Mauersteinindustrien unternommen.
Abschließend werden noch im Rahmen der Lehrtätigkeit Diplomarbeiten aus dem Gebiet des
Mauerwerksbaus betreut. Die angebotenen Themen liegen sowohl im theoretischen als auch
experimentelle Bereich und sind auf eine Bearbeitungsdauer von 3 Monaten ausgelegt. Die
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Attraktivität des Themenbereiches Mauerwerk für die Studenten wird durch die große
Nachfrage bestätigt.
3. Normung und Industrieforschung
Die Tätigkeit im Bereich der Mauerwerksnormung stellt eine wichtige Plattform dar, in der
Ergebnisse aus der Forschung für die Anwendung in die tägliche Praxis eingebracht werden
können. Die Aktivitäten in den nationalen Normungsgremien umfassen u. a. die Bereiche:
• Bemessung von Mauerwerk (großformatige Planelemente, Neubearbeitung der
Mauerwerksnorm DIN 1053-100 bzw. Eurocode 6, bewehrtes Mauerwerk)
• Erdbebensicherheit von Mauerwerk (E-DIN 4149-1)
• Ziegeldecken (E-DIN 1054-100) und Deckenziegel (DIN 4159)
• Steinnormen sowie Dacheindeckungen
Der Bereich der Industrieforschung, die bei experimentellen Arbeiten die angeschlossene
Materialprüfanstalt (www.mpa.bv.tum.de) einbindet, umfasst die Baustoff- und
Materialprüfungen sowie die Bauwerksuntersuchungen. Mit Hilfe der vorhandenen
Prüfkapazität und der modernen Laborausstattung können, neben üblichen
Standardversuchen, auch sehr aufwendige Versuche mit komplexer Versuchseinrichtung
zuverlässig durchgeführt werden.
4. Forschung
Der Schwerpunkt der Mauerwerksforschung an der TU München liegt im Bereich der
Bemessung und Konstruktion. Dabei werden sowohl experimentelle als auch numerische
Untersuchungen durchgeführt. Nachfolgend wird ein kurzer Überblick über einige größere
Vorhaben gegeben und beispielhaft der Themenkomplex Erdbeben etwas ausführlicher
dargestellt.
4.1 Ziegeldecken
Ein Projekt, das sowohl experimentelle Arbeiten als auch die Modellierung des Trag- und
Verformungsverhaltens umfasste, stellten die Untersuchungen an schlaff bewehrten und – als
Erweiterung dazu – vorgespannten Ziegeldecken dar. Dabei wurden im Rahmen von zwei
umfangreichen Versuchsserien das Querkraft-, Biegetrag- und Verformungsverhalten
experimentell untersucht. Aufbauend auf diese Ergebnisse und basierend auf die neue
Normengeneration im Massivbau DIN 1045-1 wurde ein neues Bemessungskonzept
erarbeitet. Dieses fand Eingang in den aktuellen Normentwurf für schlaff bewehrte
Ziegeldecken E-DIN 1045-100 sowie in die aktuelle Deckenziegelnorm DIN 4159.
4.2 Flachstürze
Für die Übermauerung von Flachstürzen ohne Stoßfugenvermörtelung fehlen bislang die
normativen Grundlagen, obwohl bei geringen Stützweiten und unter bestimmten
Randbedingungen (z.B. nur Eigengewicht der Übermauerung) keinerlei Schäden aus der
Praxis bekannt sind. Aufbauend auf diesen Divergenzen wurden mehrere Versuche mit
unterschiedlichen Randbedingungen durchgeführt und das Last-Verformungsverhalten und
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sowie die Maximalbeanspruchung gemessen. Darauf aufbauend erfolgt zurzeit die
Modellierung und Nachrechnung mit einem nichtlinearen Materialmodell.
4.3 Biegetragverhalten
Im Bereich der Modellierung des Tragverhaltens sind auch die momentan laufenden Arbeiten
über das Biegetragverhalten unbewehrter Mauerwerkwände zu nennen. Die Problematik der
Tragfähigkeit von senkrecht zur Wandebene belastetem Mauerwerk stellt sich besonders im
Bereich von Kelleraußenwänden bei geringer Drucknormalkraft und bei windbelasteten,
nichttragenden Ausfachungswänden. In Rahmen eines laufenden Forschungsvorhabens soll
ein Bemessungskonzept für infolge horizontaler Dauerlast aus Biegung beanspruchtes
Kellermauerwerk entwickelt werden. Ziel ist es, Rechenansätze zu modellieren mit denen das
Biegetragverhalten möglichst realitätsnah beschrieben werden kann. Dabei soll u. a. auch die
Bruchlinientheorie auf den Baustoff Mauerwerk angepasst werden und die in der
Vergangenheit durchgeführten Versuche nachgerechnet werden. Es soll dabei sowohl das
Bruchbild als auch die erreichte Bruchlast im Modellansatz eingearbeitet werden.
4.4 Rissschäden an Außenwänden infolge Deckenverformungen
In einem in Kürze beginnenden Forschungsvorhaben soll der Problembereich von
Rissschäden an Außenwänden infolge Deckenverformungen untersucht werden. Ziel des
Forschungsvorhabens ist es, die maßgebenden Einflussfaktoren für die Rissentstehung zu
bestimmen und anhand von numerischen Untersuchungen die Wirksamkeit konstruktiver
Maßnahmen zur Rissvermeidung darzulegen. Des weiteren sollen aufbauend auf bekannten
Konstruktionsdetails neue Lösungen entwickelt und deren Wirksamkeit und
Praxistauglichkeit beurteilt werden. Für den Einsatz in der Praxis sollen die Ergebnisse dieser
Untersuchungen in Form von gewerkeübergreifenden Empfehlungen bezüglich der
konstruktiven Ausbildung des Wand-Deckenknotens und sonstiger konstruktiver Maßnahmen
in Abhängigkeit der verschiedenen Randbedingungen dargestellt werden.
4.5 Erdbeben
Im Zuge der Überarbeitung der nationalen Erdbebennorm DIN 4149 auf Basis des Eurocode 8
resultieren in deutschen Erdbebengebieten deutliche Lasterhöhungen. Als Konsequenz ergibt
sich, dass viele in der Vergangenheit bewährte Bauweisen im Lastfall Erdbeben mit den
momentan vorhandenen Modellansätzen rechnerisch nicht mehr nachgewiesen werden
können. Die Nachweise sind nur mit realitätsnahen Widerstandsmodellen möglich, deren
Entwicklung Ziel der nachfolgend dargestellten Forschungsprojekte ist.
Im Rahmen eines vom Bauministerium geförderten Forschungsprojektes sollen die
wissenschaftlichen Grundlagen für wirtschaftliche Bemessungsergebnisse von Bauten aus
unbewehrtem Mauerwerk in deutschen Erdbebengebieten erarbeiten werden. Dieses Ziel soll
zum einen durch Anpassung der Sicherheitsansprüche des Eurocode 8 an die Gegebenheiten
in Schwachbebengebieten wie Deutschland, zum anderen durch die rechnerische Ermittlung
eines allgemeingültigen Verhaltensbeiwertes zur Berücksichtigung des nichtlinearen
Verhaltens von Bauten aus Mauerwerk erreicht werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit sowie
der nachfolgend dargestellten Versuchsserien sollen abschließend in die Überarbeitung der
deutschen Erdbebennorm E-DIN 4149-1 einfließen.
Parallel zu den rechnerischen Untersuchungen wurden mit Industrieunterstützung
Erdbebenversuche an 10 geschosshohen und unbewehrten Wänden im Maßstab 1:1
durchgeführt. Als Methode wurde die Pseudodynamik angewendet, wodurch eine
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größtmögliche Realitätsnähe der Versuche erreicht werden kann. Hierbei wird in einem quasistatischen
Versuch das dynamische Verhalten eines gesamten Gebäudes simuliert. Basis der
Versuche war ein Gebäudemodell mit seinem durch Massen- und Steifigkeitsverteilung
charakterisierten dynamischen Verhalten. Die Untersuchungen erfolgten dabei an einem die
Tragwand im untersten Geschoss repräsentierenden Wandabschnitt mit den Abmessungen
2,50 m 2,50 m 0,175 m (s. Abbildung 1, 2 und 3).
Abbildung 1: Untersuchtes Gebäudemodell (Reihenmittelhaus) mit rechnerischer Vereinfachung
Auf das Gebäude wurde rechnerisch eine Erdbebenbelastung in Form eines für deutsche
Erdbebengebiete charakteristischen Bodenbeschleunigungszeitverlaufes angesetzt. Die
Ermittlung der Gebäudereaktion erfolgte aus der zeitschrittweisen Lösung der
Schwingungsdifferentialgleichung des gesamten Gebäudes. Die berechnete
Wandverschiebung wurde zusammen mit dem Kopfmoment auf den Prüfkörper aufgebracht
und anschließend wurden die Reaktionen gemessen. Als Gebäudemodell wurde dabei ein
Mehrmassenschwinger angesetzt, bei dem die Punktmassen durch nichtlineare Schub- und
Biegefedern miteinander verbunden und elastisch in die Geschossdecken eingespannt sind (s.
Abbildung 1). Die nichtlinearen Federkennlinien der Schubwände der oberen Geschosse
wurden im Rahmen von zyklisch-statischen Vorversuchen mit entsprechend angepasster
Vertikallast ermittelt.
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Abbildung 2: Wand KS2 (KS-PE mit DM) im Versuchsstand und abschließendes Rissbild (Vorderseite)
Abbildung 3: Wand E (Plan-HLz mit DM) im Versuchsstand und abschließendes Rissbild (Vorderseite)
5. Ausblick
Aufgrund der Unterstützung des Lehrstuhls von Seiten der Mauerwerksindustrie konnten
viele Bereiche in beiderseitigem Nutzen bearbeitet werden. Für verschiedene Fragestellungen
im Mauerwerksbau konnten die Grundlagen gelegt werden. Es ist sicher eine lohnenswerte
Erstrebung, diese Kooperation weiter zu führen
Für die großzügige Unterstützung der Industrie, ihrer Verbände und öffentlicher
Forschungsgeber sei nochmals gedankt.
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1. Einleitung...........................................................................................................................1
2. Lehre..................................................................................................................................1
3. Normung und Industrieforschung .......................................................................................2
4. Forschung...........................................................................................................................2
4.1 Ziegeldecken ................................................................................................................2
4.2 Flachstürze ...................................................................................................................2
4.3 Biegetragverhalten........................................................................................................3
4.4 Rissschäden an Außenwänden infolge Deckenverformungen........................................3
4.5 Erdbeben ......................................................................................................................3
5. Ausblick.............................................................................................................................5
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