Optimierung der Festigkeitseigenschaften von Mauerziegeln

1 Einleitung und Zielsetzung

Die Schubtragfähigkeit aussteifender Mauerwerksscheiben spielt bei der Realisierung von Bauprojekten eine zunehmend wichtige Rolle. Die aktuellen Entwicklungen, vor allem im Reihenhausbau, hinsichtlich einer Optimierung der Nutzfläche von Gebäuden führen zu einer Minimierung der Wandscheiben. Diese werden von den Architekten und Bauherren oftmals als „störend“ empfunden, sind aber zur Aussteifung der Tragstruktur zwingend notwendig. Andererseits werden im Rahmen der Überarbeitung der Normen für die
Tragwerkseinwirkungen die anzusetzenden Horizontallasten infolge Wind und auch Erdbeben signifikant erhöht. Zeitgleich haben der zunehmende Wettbewerb in der Bauwirtschaft und die Anwendung rationellerer Bauverfahren eine verstärkte Konkurrenz der eingesetzten Materialien zur Folge, was zu einer höheren Ausnutzung der verwendeten Baustoffe führt. Die Festigkeitseigenschaften eines Mauerziegels gewinnen hierdurch verstärkt an Bedeutung.

Ein Teilziel des Forschungsvorhabens ist es, die Festigkeitseigenschaften von Mauerziegeln und somit die Tragfähigkeit des Mauerwerks zu verbessern, vor allem die Schubtragfähigkeit. Dabei sollen aber die bekannten, wichtigen bauphysikalischen Eigenschaften nicht wesentlich verändert bzw. negativ beeinflusst werden.

Die Optimierung soll zum einen durch rohstoffseitige und herstellungsbedingte Maßnahmen erfolgen. Zum anderen ist durch die Entwicklung eines realitätsnahen Materialmodells (Stoffgesetze) für die numerische Simulation des Tragverhaltens von Mauerwerk aus Mauerziegeln eine Optimierung der Lochstruktur vorgesehen. Die hierfür erforderlichen Eingangsgrößen (unter anderem das Nachbruchverhalten) sollen mit Kleinversuchen möglichst genau ermittelt werden.

Bei einer abschließenden Untersuchung zur Druck- und Schubtragfähigkeit an geschosshohen Mauerwerkswänden soll festgestellt werden, ob sich durch die Verwendung von materialoptimierten Mauerziegeln (optimierter Scherben) in Aussteifungswänden größere Schubtragfähigkeit realisieren lässt.

2 Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Die rohstoffseitigen und verfahrenstechnischen Maßnahmen zur Optimierung der Materialeigenschaften lassen unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Scherbenrohdichten eine Erhöhung der Festigkeiten des Ziegelscherbens erwarten, die unter Druck-, Biegezug- und Zugbelastung gegenüber der Ausgangssituation mit etwa 30 % zu beziffern ist. Hierbei sind sowohl der Einsatz von anorganischen Porenbildnern (Leichtzuschlägen), die aufgrund ihrer Zusammensetzung an der Scherbenbildung bzw. den festigkeitssteigernden Sinterprozessen aktiv beteiligt sind, als auch von frühsinternden hoch tonmineralhaltigen Fremdtonen zielführend (»1).

Zur Optimierung der Lochstruktur werden zunächst Kleinprüfkörper untersucht und die Stoffgesetze von Ziegelscherben bestimmt, insbesondere das Nachbruchverhalten. Diese werden in ein Finite-Element-Modell implementiert und damit die Mauerziegel mittels dreidimensionalen Kontinuums-elementen modelliert. Im Vergleich mit Kleinversuchen an Mauerziegeln zeigt sich bei Druckbeanspruchung eine recht gute Übereinstimmung zwischen Versuchsergebnis und numerischer Simulation. Dagegen kommt es bei Zugbeanspruchung zu einer deutlichen Überschätzung der Versuchsergebnisse aufgrund von im Modell nichtberücksichtigten Inhomogenitäten. Mit den ermittelten Stoffgesetzen wird die Lochbildgeometrie der Mauerziegel durch die numerische Analyse des Druck- und Zugtragverhaltens optimiert. In »2 ist neben dem Ausgangslochbild (links) das optimierte Lochbild (rechts) dargestellt.

Parallel zur Optimierung der Lochgeometrie wird ein materialoptimierter Ziegel im Ziegelwerk hergestellt. Die im Labormaßstab ermittelte vergleichsweise höhere mechanische Belastbarkeit des Scherbens wird an Originalziegeln aus einer optimierten Mischung M3 nach Prüfung der Druckfestigkeit in der festgestellten Größenordnung bestätigt. Bei der abschließenden Untersuchung zur Druck- und Schubtragfähigkeit an geschosshohen Mauerwerkswänden muss Folgendes festgestellt werden: Der optimierte Ziegelscherben zeigt eine verstärkte Rissneigung im Brand, was eine zusätzliche Optimierung des Ziegelherstellungsprozesses erfordert. Geschieht dies, so ist, auch hinsichtlich der Schubtragfähigkeit von geschosshohen Mauerwerkswänden, ein erkennbarer Einfluss zu erwarten. 

Dieses Forschungsprojekt der Forschungsgemeinschaft der Ziegelindustrie e.V. (FGZ) wurde unter der Nummer AiF 15253 N vom BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) gefördert. Es wurde vom Institut für Ziegelforschung Essen e.V. (IZF), in Zusammenarbeit mit dem ibac, RWTH Aachen, durchgeführt. Der Schlussbericht ist 152 Seiten lang und kann gegen eine Bearbeitungsgebühr bei der Forschungsgemeinschaft der Ziegelindustrie e.V. in Berlin angefordert werden.