193 Materiaalparameters voor

Transcriptie

1 Civieltechnisch Centrum Uitvoering Research en Regelgeving 193 Materiaalparameters voor constructief metselwerk

2 1I111i1 Postbus AK Gouda Tel Fax Materiaalparameters voorconstructief metselwerk ONDERZOEK UITGEVOERD IN DE PERIODE DOOR TNO BOUW EN TU EINDHOVEN ir. A.Th. Venneltfoort ir. R. van cler Pluijm

3 Deze publicatie is onder de volgende trefwoorden opgenomen in het -infobestand: berekeningsmethoden numerieke simulaties constructief metselwerk experimenteel onderzoek metselwerkconstructies materiaaleigenschappen breukenergie dilatantie druksterkte elasticiteitsmodulus hechtsterkte schuifsterkte treksterkte Omslagillustratie: CVK Kalkzandsteen Auteursrechten Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieen, opnamen of op enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de. Het is toegestaan overeenkomstig artikel 15a Auteurswet 1912 gegevens uit deze uitgave te dteren in artikelen, scripties en boeken, mits de bron op duidelijke wijze wordt vermeld, alsmede de aanduiding van de maker, indien deze in de bron voorkomt. ' -rapport 193 'ExperimenteeVnumerieke materiaalparameters voor constructief metselwerk', september 1999, Stichting, Gouda.' Aansprakelijkheid De en degenen die aan deze publicatie hebben meegewerkt, hebben een zo groot mogelijke zorgvuldigheid betracht bij het samenstellen van deze uitgave. Nochtans moet de mogelijkheid niet worden uitgesloten dat er toch fouten en onvolledigheden in deze uitgave voorkomen. Ieder gebruik van deze uitgave en gegevens daaruit is geheel voor eigen risico van de gebruiker en de sluit, mede ten behoeve van al degenen die aan deze uitgave hebben meegewerkt, iedere aansprakelijkheid uit voor schade die mocht voortvloeien uit het gebruik van deze uitgave en de daarin opgenomen gegevens, tenzij de schade mocht voortvloeien uit opzet of grove schuld zijdens de en/of degenen die aan deze uitgave hebben meegewerkt. ISBN

4 VOORWOORD Metselwerk is, met zijn eeuwenoude historie, nog steeds het materiaal dat het uiterlijk van vele gebouwen bepaalt. Ondanks hevige concurrentie van 'nieuwe' materialen, vormt metselwerk ook voor dragende muren een goed altematief, mede vanwege het gebruik van grote elementen. Nieuwe ontwikkelingen en toepassingsmogelijkheden voor metselwerk zijn moeilijk realiseerbaar door een gebrek aan fundamentele kennis. Dit werd reeds in het voorwoord van -rapport 171 'Constructief Metselwerk' vermeld. Met het opvullen van deze kennislacunes werd gestart in De resultaten van het onderzoek van de eerste vier jaar zijn weergegeven in -rapport 171. Na deze onderzoekperiode is een vervolg gestart onder de titel: 'Rationalisering ontwerptechnieken voor Constructief metselwerk II'. Dit onderzoek is uitgevoerd onder leiding van -commissie C 96 'Stuurgroep Constructief metselwerk'. De brede aanpak waarbij theoretisch, experimenteel en numeriek onderzoek parallel aan elkaar werden uitgevoerd, heeft geleid tot verdere invulling van de genoemde kennislacunes en nieuwe constructieve inzichten. De werkzaamheden zijn uitgevoerd door commissie A 33 'Numerieke metselwerkmechanica, commissie B 50 'Experimenteel metselwerk' en commissie C 105 'Utilisatie metselwerk'. Dit rapport beschrijft de fundamentele onderzoeken, met name experimenteel onderzoek naar materiaalgedrag, die tijdens dit onderzoek zijn uitgevoerd en die als grondslag zijn gebruikt voor onderzoek naar constructieve aspecten. De in dit rapport beschreven onderzoeken werden uitgevoerd door TU Eindhoven, leerstoel Stapelbouw en TNO Bouw. Ten tijde van het opstellen van dit rapport was de samenstelling van deze commissies als volgt: Onderzoekcommissie C 96, 'Stuurgroep constructiefmetselwerk' ir. A. BRUIJNTJES, voorzitter Arcadis Bouw/Infra ir. M.H.M. COPPENS Research Centrum Kalkzandsteen ir. F.BJ. GIJSBERS TNO Bouw ir. P. DE JONG Adviesbureau Ir. J.G. Hageman B.V. ir. J.H.M. LAVRIJSSEN BB&S prof.ir. D.R.W. MARTENS TU Eindhoven, Faculteit der Bouwkunde ing. PI.G. MERKs Hogeschool 's-hertogenbosch ir. M.H.M. NIEUWENHUYS KNB 3

5 -publicatie 193 ir. C.A. QUIRIJNS drjr. J.G. ROTS ir. J. STROBAND prof.ir. CJ.M. SCHIEBROEK, corresp. lid ing. PJ.W. SMIT, corresp. lid J. VAST, corresp. lid ing. H.W. CORPORAAL secretaris/coordinator prof.ir. C.S. KLEINMAN, mentor NEMO TNOBouw Bekker en Stroband B.V. VOBN Vereniging van Megamix Specieproducenten Onderzoekcommissie A 33 'Numerieke metselwerkmechanica' ing. PJ.G. MERKS, voorzitter Hogeschool 's-hertogenbosch drjr. J.G. ROTS, secretaris/rapporteur TNO Bouw ir. GJ. HOBBELMAN TU Delft, Faculteit der Bouwkunde ir. HJ.M. JANSSEN TU Eindhoven, Faculteit der Bouwkunde ir. R. van LINGEN BB&S ir. M.H.M. NIEUWENHUYS KNB ir. S.N.M. WIJTE Adviesbureau Ir. J.G. Hageman B.V. ir. J. RIEZEBOS CVK Kalkzandsteen ing. H.W. CORPORAAL, coordinator prof.drjr. J. BLAAUWENDRAAD, mentor Onderzoekcommissie B 50 'Experimenteel metselwerk' ir. EBJ. GUSBERS, voorzitter TNO Bouw ir. HJ.M. JANSSEN, secretaris ing. A. BRINK if. M.H.M. COPPENS ir. G.WJ. VAN DRIE drjr. CJ.W.P. GROOT ir. R. van LINGEN ir. M.H.M. NIEUWENHUYS ir. R. VAN DER PLUUM, rapporteur ir. A.Th. VERMELTFOORT, rapporteur ing. H.W. CORPORAAL, coordinator prof.ir. C.S. KLEINMAN, mentor TU Eindhoven, Faculteit der Bouwkunde NEMO Research Centrum Kalkzandsteen Adviesbureau Ir. J.G. Hageman B.V. TU Delft, Faculteit der Civiele Techniek BB&S KNB TNOBouw TU Eindhoven, Faculteit der Bouwkunde 4

6 Materiaalparameters voor constructief metselwerk Onderzoekcommissie C 105 'Utilisatie metselwerkonderzoek' ir. J. STROBAND, voorzitter ir. A.Th. VERMELTFOORT, secretaris L. BETLEHEM ing. A.M.H.M.A. CLAESSENS ir. M.H.M. NIEUWENHUYS ir. R. van DER PLUIJM ing. G.J. ROELOFSEN ing. A.E.M. VAN DER W AART ir. S.N.M. WIJTE ir. lh.m. LAVRIJSSEN, corresp. lid J.C. VAN DER LIPPE, corresp. lid ir. D. NEMEGEER, corresp. lid ir. P. DE JONG, rapporteur ing. H.W. CORPORAAL, coordinator ir. M.L. YWEMA, coordinator prof.ir. C.S. KLEINMAN, mentor Bekker en Stroband B.V. TU Eindhoven, Faculteit der Bouwkunde NEMO CVK Kalkzandsteen KNB TNOBouw Corsmit Raadgevend Ingenieursbureau B.V. COB-Bouwtoezicht Adviesbureau Ir. J.G. Hageman B.V. BB&S Gebroeders Bodegraven B.V. N.V. Bekaert Dienst Dramix Adviesbureau Ir. J.G. Hageman B.V. (tot 1-1-'99) Het rapport is opgesteld door A.Th. Vermeltfoort (hoofdstukken J, 2, 3 en 6 en eindredactie), R. van der Pluijm (hoofdstukken 1, 2,4, 5, 6 en eindredactie) en lg. Rots (paragraaf 3.4). De spreekt haar dank uit aan de financiers van het onderzoekplan 'Rationalisering ontwerptechnieken voor constructief metselwerk', die dit onderzoek moge1ijk hebben gemaakt: - Ministerie van Economische Zaken - Koninklijk Verbond van Nederlandse Baksteenfabrikanten - Stichting BB&S - Co6peratieve Verkoop- en produktievereniging van Kalkzandsteenfabrikanten u.a. - Nederlandse Morte1 Organisatie - Bekaert Nederland B.V. september 1999 Het bestuur van de 5

7 Materiaalparameters voor constructief metselwerk INHOUD SAMENVATTING SUMMARY NOTATIES Hoofdstuk INLEIDING Algemeen. Rationalisering ontwerptechnieken voor constructief metselwerk. Doelstelling.. Werkwijze. Het rapport Hoofdstuk MATERIAALPARAMETERS 21 Inleiding 21 Basismaterialen 21 Stenen 21 Mortels 23 Proefstukvervaardiging 24 Druk 25 Inleiding 25 Beproevingsmethode 26 Drukproefstukken 26 Resultaten (algemeen) 27 Druksterkte en gedrag van stenen (Bolidt proeven) 27 Druksterkte van gemetselde proefstukken 28 Vervormingsgedrag van gemetselde proefstukken 30 Conclusies 33 Trek 34 Inleiding 34 Proefopstellingen 34 Trekproefstukken 35 Resultaten (algemeen) 36 Stijfheid 41 Treksterkte en hechtsterkte 41 Breukenergie 43 Netto aanhechtoppervlak 45 Buiging 46 7

8 -publicatie Inleiding. Proefopstellingen. Proefstukken. Resultaten.. Breukenergie uit trekproeven versus die uit buigproeven Afschuiving van voegen. Inleiding. Proefmethode. Schuifproefstukken. Resultaten (algemeen). Afschuifsterkte en -stijfbeid. Wrijvingscoefficient. Mode II breukenergie. Dilatantie.. Conclusie Hoofdstuk Hoofdstuk DRUKSTERKTE 65 Inleiding 65 Invloedsfactoren bij drukproeven 67 Beproevingsapparatuur 67 Randcondities 68 Proefstukken 69 Conclusies 73 Experimenteel onderzoek breedte- en randconditie-effect 74 Inleiding 74 Materialen 75 Experimenten 76 Scheurgedrag, sterkte en stijfbeid 79 Conclusies 88 Numerieke simulaties breedte en randconditie-effect 90 Voorgaand numeriek onderzoek 90 Scope van onderzoek 92 Modellering en opzet berekeningen 93 Berekeningsresultaat Conclusies 100 TIJDSAFHANKELIJK VERVORMINGSGEDRAG Inleiding 103 Literatuurstudie 104 Krimp/zwelling 104 Kruip 106 Materialen en proefstukken 108 8

9 Materiaalparameters vaor canstructiefmetselwerk Stenen Mortels Proefstukvervaardiging Proefstukken Mechanische eigenschappen proefstukken Opzet experimenten Algemeen Metingen Proefresultaten Metselwerk vervaardigd met kalkzandsteen Metselwerk vervaardigd met strengpers bakstenen Metselwerk vervaardigd met betonstenen Numerieke simulatie Conclusies 126 Hoofdstuk Hoofdstuk HECHTSTERKTE EN BUIGTREKSTERKTE 127 Inleiding 127 Het meten van de buigtreksterkte 127 Numerieke stochastische benadering 129 Kansverdelingen 132 Toekennen van waarden aan de elementen 132 Berekeningen 133 Resultaten 134 Conclusies ten aanzien van de berekeningen 137 Experimenteelonderzoek 137 Testmethoden 139 Materialen en verwerking 142 Testprogramma 142 Resultaten 145 Conclusies 147 EIGENSCHAPPEN VOOR DE PRAKTIJK 149 Inleiding 149 Eigenschappen onder druk 149 Sterkte 149 Stijtbeid 151 Vorm van het 0"- diagram 153 Numerieke simulatie 153 Kruip 153 Hechting 154 Treksterkte 156 Buigtreksterkte 157 Schuifsterkte 157 9

10 -publicatie 193 LITERATUUR 159 VERKLARENDE WOORDENLIJST 163 BIJLAGE BULAGE BULAGE A B C Dilatantie in Mortelvoegen 165 Krimp- en kruipdata voor numerieke programa's 167 Parameters voor hechtingsonderzoek

11 Materiaalparameters veer constructiefmetselwerk SAMENVATTING Metselwerk, gemaakt volgens een eeuwenoude bouwtechniek, verkeerde als constructiemateriaallang in een ondergeschoven positie. De laatste jaren komt daarin verandering, onder meer door de publicatie van -rapport 171. Er is meer kennis ontstaan over materiaal- en constructiegedrag, waarmee de basis wordt gelegd voor nieuwe constructieve toepassingen van metselwerk. Dit rapport bevat de resultaten van een onderzoek dat heeft gelopen van 1994 tot 1997: Rationalisering ontwerp-technieken voor Constructief metselwerk 11. Dit onderzoek was, naast het verder aanvullen van lacunes die werden geconstateerd in rapport 171, vooral gericht op het toepassen van de eerder verkregen kennis. Hierbij is een meer algemene in plaats van een ad hoc benadering gevolgd, namelijk een gecombineerde aanpak van theoretisch, experimenteel en numeriek onderzoek. Het onderzoek naar de invloeden van de breedte en de randvoorwaarden bij drukproeven en het onderzoek naar de statistische effecten bij hechting zijn bijvoorbeeld op deze wijze uitgevoerd. Met deze voorbeelden wordt tevens aangegeven hoe de in dit rapport geboden parameters bij numerieke simulaties kunnen worden gebruikt. Het bestand met materiaalparameters die bij de eindige-elementenmethode nodig zijn om het gedrag van metselwerk te beschrijven werd verder uitgebreid en verbanden tussen sterkte en stijfheid werden vastgelegd. Hiervoor werden vervormingsgestuurde druk- trek- buig- en afschuifproeven uitgevoerd. De effecten van vorm, afmetingen en randcondities op het gedrag van metselwerk werden verder gekwantificeerd om uiteindelijk te komen tot de 'werkelijke' druksterkte van metselwerk. In het kader van het anderzoekprogramma is ook experimenteel onderzoek gedaan naar tijdsafhankelijk vervarmingsgedrag, dat een ral speelt bij elke metselwerkconstructie. Vit het experimentele onderzoek volgde dat krimp vooral afhankelijk blijkt van het type steen en niet van het soort voeg of de voegdikte. Bij kalkzandsteen blijkt kruip vooral afhankelijk van het soort voeg, maar niet van de onderlinge afstand tussen de voegen. Bij baksteen is de kruip aok sterk afhankelijk van het soort voeg, terwijl bij betonsteen kruip wordt gedomineerd door de steen en niet door het soort voegen. De buigtreksterkte van metselwerk bepaalt voor een belangrijk deel het draagvermogen van gevels. Duidelijk is geworden dat de buigtreksterkte geen materiaalgrootheid is en dat het verband tussen hechtsterkte en buigtreksterkte van een aantal factoren afhankelijk is. Het verband tussen verschillende proefmethoden werd vastgesteld, zowel wat de hechttreksterkte als de buigtreksterkte betreft. Daarbij is de invlaed van de spreiding van de materiaaleigenschappen op de buigtreksterkte in rekening gebracht. Gp grand van dat anderzoek mag worden verwacht dat de kruisproef de werkelijke sterkte aanzienlijk onderschat. De zogenaamde bondwrenchproef heeft meer perspectieven. 11

12 -publicatie 193 De resultaten van de experimenten en simulaties, beschreven in dit rapport, hebben meer inzicht opgeleverd in de rnateriaaleigenschappen van stenen, voegen en rnetselwerk. Daarmee is een meer kwantitatieve benadering van metselwerk rnogelijk, die kan worden vastgelegd in (inter)nationale regelgeving. 12