? ? onderzoek?Ir.R. van der Pluijm, TNO Bouw, afdeling Constructies / TU Eindhoven, faculteit Bouwkun-de, vakgroep BKOIn de periode 1989-1993 Is een nationaal onderzoeksprogramma 'Constructief metsel?werk' uitgevoerd [1], dat ondermeer heeft geleid tot het verschijnen van CUR-rapport 172'Constructief metselwerk, een experimenteel/numerieke basis voor praktische rekenre-gels' [2]. Een van de doelstellingen van het programma was het bepalen van materIaal-eigenschappen van metselwerk, die gebruiktkunnen worden voor numerieke simulaties.Dit artikel gaat in op de eigenschappen onder trek.ONDERZOEKCONSTRUCTIEFMETSELWERK (11)TREKKEN AAN METSELWERK?60Constructeurs onder ons zullen zich bij hetlezen van de kop van ditartikel wellichtafvra-gen wat het nut is van de bepaling van eigen-schappen van metselwerk onder trek voorconstructieve toepassingen. Metselwerk isimmers een steenachtige materiaal zoals(ongewapend) beton, waarin als onderdeelvan de draagconstructie (wanden, kolom-men) volgens de norm geen trekspanningenkunnen worden opgenomen. Mede door deinspanning in het Nederlandse betonme-chanicaproject is het inzicht gegroeid, datbezwijken van steenachtige materialenvoor-al wordt veroorzaakt door het overschrijdenvan de treksterkte, zelfs bij ??nassige druk[3,5].Kennis omtrent het gedrag ondertrek is ooknoodzakelijkvoornumerieke simulaties, om-dat bij vrijwel elk belastingsgeval trekspan-ningen ontstaan. Of er rekentechnisch trek-spanningen in constructies ontstaan hangt,afgezien van het beschouwde belastingsge-val, ook af van de schaal waarop het mate-riaal wordt gemodelleerd. Wordt een steen-achtigmateriaal homogeen beschouwd, danontstaan onder??nassige drukslechts druk-spanningen. Trekspanningen zijn echter welaanwezig als de inwendige structuur wordtgemodelleerd [3, 4, 5]. Deze trekspannin-gen zijn verantwoordelijk voor het ontstaanvan de scheuren onder uitwendige drukbe-lasting, waardoor het materiaal zijn samen-hang verliest en uiteindelijk bezwijkt.en de scheidingsvlakken tussen stenen envoegen: de hechtvlakken. Hierdoor dienenvoor numerieke simulaties de eigenschap-pen van stenen en voegen onder trek endruk, en van hechtvlakken onder trek en af-schuiving, te worden bepaald. Voor numerie-ke simulaties is nietalleen de sterkte en stijf-heid van belang, maar ook het gedrag vooren na de top in het a-e-diagram dient bekendte zijn. Dit impliceerde dat experimenten ver-vormingsgestuurd moesten worden uitge-voerd.TestmethodeVoor het experimenteel vaststellen van ma-teriaaleigenschappen is een proefstuk no-dig dat in een proefopstelling wordt ge-plaatst. Zowel de opstelling als het proefstukvertonen hun eigen specifieke constructievegedrag, dat afwijkingen ten opzicht van het'echte materiaalgedrag' veroorzaakt. Het in-terpreteren van de resultaten van een trek-proef met:~ = Fu/A (1)levert niet de treksterkte van het materiaalop, maar de treksterkte van een constructiein een specifieke opstelling. Het is dus vangroot belang om te weten hoe een proefstukzich in een opstelling gedraagt. Dit kan voor-af worden geanalyseerd of achteraf met demateriaaleigenschappen die met de ge-bruikte proef zijn vastgesteld (inverse mo-delling).De invloed van de randvoorwaarden (deproefopstelling) op de metingen zullen aanMetselwerk is in het onderzoek beschouwd de hand van een voorbeeld volgens de eindi-op een niveau waarbij onderscheid wordt ge- ge-elementenmethode duidelijk worden ge-maakt tussen homogene stenen en voegen maakt.CEMENT1995/4Een proefstuk bestaande uit twee halve ste-nen waalformaat met een voeg, wordt tus-sen twee stalen platen gelijmd. Op de stalenplaten wordt een trekkracht uitgeoefend.Eenmaal zal de rotatie van de stalen platenvolledig worden verhinderd en als alternatiefzal de kracht via een scharnier op de eneplaat en via een pendelstaaf die aan de an-dere plaat is bevestigd, worden ge?ntrodu-ceerd. Verder is aangenomen dat het hecht-vlak in het proefstuk 80% van de bruto door-snede beslaat en enigszins excentrisch ten0.50,40,30,2E~ 0,1:zb1-: 0? -0,1~(?~20 40 60 80 100--..,. positie in dwarsdoorsnede (mm)opzichte van de werklijn van de trekkracht G) Vervormingen in de trekproef met ver- @ Trek- en schuifspanningen in het hecht-ligt. Uit de uitgevoerde proeven is gebleken hinderde rotatie vlak bij de trekproef met verhinderde rotatiedat dit realistische aannamen zijn. Zonderverder op de schematisering volgens de ein-dige-elementenmethode in te gaan [6j, zijnin de figuren 1 tot en met 4 de vervormingenen de spanningsverdelingen voor beide al-ternatieven in de bezwijktoestand weergege-ven.Vooral uit de verschillen tussen de span-ningsverdelingen blijkt de invloed van derandvoorwaarden. Bij volledig verhinderderotatie wordt over het gehele aanhechtop-pervlak de gemodelleerde treksterkte bij debezwijkbelasting redelijk benaderd. Dit in te-genstelling tot het alternatief, waarbij ditslechts op ??n punt gebeurten in de rest vanhet hechtvlak de spanning achterblijft. Alsgevolg hiervan is de bezwijkbelasting bij vol-ledig verhinderde rotatie voor gemiddeldemateriaaleigenschappen dan ook 1,3 maalhoger dan bij vrije rotatie. Om het gedragH\\\\ IO,S0.40.3N0,2E~:z 0,1b.: 0? -0,10 20 40 60 80 100--..,. positie in dwarsdoorsnede (mm)goed te kunnen meten, is het duidelijk dat ? Vervormingen in de trekproefmet schar- @ Trek- en schuifspanningen in het hecht-een volledige inklemming de voorkeur ver- nieren vlak bij de trekproef met scharnierendient. Dat bij volledige inklemmingnietgelijk-tijdig over het gehele oppervlak de treksterk-te wordt bereikt, komt door het gedrag vanhet proefstuk als constructie.Deze fenomenen waren al bekend vanuit hetbetonmechanicaproject [7, 8]. Er is dank-baar gebruik gemaakt van een proefopstel-ling in het Stevinlaboratorium van de TUDelft, die in dat kader is ontwikkeld door Hor-dijk [7] (fig. 5).MaterialenVoor de deelnemende industrie?n in het pro-ject is een representatief aantal gegevensvan hun produkten vastgesteld. Voor zowelde trek-, druk- en schuifproeven is steeds ge-bruik gemaakt van dezelfde basismateria-len (stenen en mortels). Op de uitgevoerdedruk- en schuifproeven wordt in andere bij-dragen in deze artikelenreeks teruggeko-In deze opstelling zijn de ingeklemde rand- men. Afhankelijk van reeds bekende eigen-voorwaarden gerealiseerd en is bovendien schappen van de basismaterialen, is eeneen stuursysteem beschikbaar, waarmeehet mogelijk is om trekproeven gecontro-keuze gemaakt voor de te onderzoekenveerkrachtsgevallen ( = hettype proef). Nietvijzel100kN ----+verstijvingssysteem -~=::::J~~~ti----!drukdoos -geleidingssysteem _ _~:::::=:::;:::::)leerd over de top van het a -E -diagram alle basismaterialen zijn voor alle proeven ? Trekproefopstelling Stevinlaboratoriumheen te sturen. gebruikt. ~ TU Delft [7JCEMENT1995j4 61? ? onderzoek?tF~I-::" ....~cilinder100100 ......_._- - -- steencontoura b? Proefstukken voor de trekproeven (maten in mm)a. gemetselde prisma'sb. mortelprisma'sc. gekerfde steenproefstukkenGezien de doelstellingvan de proeven, ligtdebeproeving van de basismaterialen op zichvoor de hand. Alleen het gedrag van hethechtvlakzou dan metbehulp van een stukjemetselwerk moeten worden vastgesteld.Helaas is dit voor wat de mortel betreft nietmogelijk. De eigenschappen van mortel inmetselwerk worden namelijksterk be?nvloeddoor de stenen waartussen deze verhardt.Dit komt door het vochttransport dat tijdensverharden tussen steen en mortelspecieplaatsheeft [9]. De consequentie hiervan is,datde mechanische eigenschappen van ver-harde mortelsalleen indirectkunnen wordenbepaald aan stukjes metselwerk.In voorschriften wordt wel gebruik gemaaktvan de mortelkwaliteit om de sterkte van hetcomposiet af te leiden. Om de waarde hier-van voor dit onderzoek te beoordelen, zijnweergegeven.In eerste instantie zijn voor traditioneel met-selwerk met waalformaat strengpersstenen,vormbakstenen en kalkzandstenen, eenmortel met een lage (1:2:9) en een mortelmet een hoge sterkte (1:0,5:4,5) toegepast.Zodoende kon een goede indrukvan de ordevan grootte en de mogelijke variatie van ma-teriaalparameters worden verkregen. Laterzijn voor minder traditionele materialen alsgelijmde kalkzandsteen, betonsteen, cellen-beton en gelijmde baksteen proeven uitge-voerd met ??n voor het materiaal kenmer-kende mortel. Op het cellenbeton zijn alleentrekproeven op het materiaal zelf uitge-voerd, omdat de hechtsterkte tussen de lijmen hetcellenbeton in de praktijk groteris dande treksterkte van het cellenbeton zelf. Vooreen uitgebreide beschrijving van de materia-ook proeven op mortelprisma's uitgevoerd.len wordt verwezen naar [2,11].De mortel in deze prisma's is in een stalenmal gevormd en verhard conform NEN 3835 Treksterkte van de stenen[10]. De bakstenen zijn zowel in de strek-richtingDe gebruikte proefstukken zijn in figuur 6 (evenwijdig aan de lintvoeg) als in de dikte-Tabel 1Gemiddelde steentreksterkte~ v.c. aantalmateriaal(N/mm2) (%) proevenstrengpE'lrs$1;een strek-richting 2,36 21 2strengperssteen dikte-richting 3,51 3 3..vormbaksteen.sttek~richting 2,47 14 3vormbaksteen dikte-richting 1,50 4 3kalkzandsteen waalformaat, kwaliteit 'klinker' 2,34 10 3cellenbeton G600 0,42 27 362I 60prisma crichting (loodrecht op de lintvoeg) beproefd,omdat werd verwacht dat zij in deze richtin-gen een verschillend gedrag zouden verto-nen, Dit is niet bij kalkzandsteen gebeurd,omdat op grond van het fabricageproceseen isotroop gedrag mag worden verwacht.Cellenbeton is alleen loodrecht op de lint-voeg belast. In tabel 1 zijn de resultaten vande trekproeven op de stenen weergegeven(proefstuktype c uit figuur 6).Uit de resultaten blijkt dat de treksterkte vande 'zware stenen' van dezelfde orde vangrootte isalsvan beton. Bij de bakstenen valtop dat de strengperssteen in dikte-richtingen de vormbaksteen in strek-richting sterkeris. Dit fenomeen wordt vermoedelijk veroor-zaakt door de ori?ntatie van de kleideeitjesin de stenen. Door het verschil in fabricage-proces is de ori?ntatie van de kleideeitjes bijvormbakstenen anders dan bij strengpers-stenen. Cellenbeton vertoont vergelekenmet de andere stenen een sterk afwijkendgedrag. Gezien de aard van het materiaal isdit niet verwonderlijk.Hechttreksterkte tussen mortel en stenenDe hechtsterkte in metselwerk wordt be?n-vloed door een zeer groot aantal factoren.Zonder volledig te zijn, kunnen worden ge-noemd:? mortelsamenstelling;? opbouw van het zand;? vochtconditie van de steen;? nabehandeling;? voegdikte;? zuiggedrag van de steen;? afmetingen van de steen (verhouding tus-sen voegdikte en steenhoogte);? regelmaat van verwerking;? vulling van de voegen;? doorstrijken of afvoegen.CEMENT1995/4Door het grote aantal factoren dat in de uit- Tabel 2voeringsfase kan worden be?nvloed, is de Gemiddelde hechttreksterktespreiding van de hechttreksterkte in het al-gemeen groot. De gevonden gemiddeldehechttreksterkten ~b zijn in tabel 2 weerge-geven. Tevens zijn de variatieco?ffici?nten(v.c.) vermeld. Benadrukt wordt echter datde betrouwbaarheid van de v.c. gering is,vanwege het beperkte aantal proefresulta-ten.Zonder in detail op de resultaten in te gaan,blijkt ook hier een grote spreiding, ondanksde laboratoriumomstandigheden. DeTGB-Steenconstructies (NEN 6790) gaatimpliciet uit van een minimale hechtsterkte= 0,3 N/mm2. Op basis hiervan kan gesteldworden dat de lijmmortels en pefab mortelsonder laboratoriumomstandigheden zeergoede resultaten geven. Hierbij speelt de af-stemming tussen de componenten steen enmortel een belangrijke rol.Van invloed op de gemeten hechtsterkte ishet werkelijke aanhechtoppervlak, hetgeenin de literatuur niet wordt genoemd. Uit eenvisuele inspectievan hetbreukvlak bleek dathet aanhechtoppervlak van proefstuk totproefstuk aanzienlijk verschilde en aanmer-kelijk kleinerkon zijn dan de bruto doorsnedevan een proefstuk. Dit fenomeen zal later indit artikel worden besproken.Breukenergie en 'na de top'-gedragVoor het bepalen van het gedrag van eenNEE-:zi:::>?3,02,52,01.51,00,5? 1,0 2.0 3.0 4,0~f(%o)steenachtig materiaal is het vaststellen van (J) Breukenergie als functie van het trek- ? Verloop van vervormingsgestuurde trek-het trekspanning-scheurwijdtediagram en spanning-scheurwijdtediagram proeven (kalkzandsteen, kwaliteit normaal)de daaraan gekoppelde breukenergie zeerbelangrijk. De breukenergie is de energie dieper oppervlak nodig is om een scheur tecre?ren. Het in figuur 7 weergegeven trek-spanning-scheurwijdtediagram geeft sche-matisch hetgedragvan een steenachtig ma-teriaal onder trek weer. Het oppervlak onderde kromme is gelijk aan de breukenergie.Bij de analyse van de proefresultaten is ver-ondersteld, dat er een uniforme openingvande scheur plaatsheeft en dat het proefstukcentrisch wordt getrokken. Uit de analysevan de trekproeven volgens de eindige-ele-mentenmethode is gebleken dat deze bena-deringgerechtvaardigd is. In figuur 8 zijn alsvoorbeelden van het verloop van de vervor-mingsgestuurde trekproeven de spanning-rekdiagrammen voor kalkzandsteen-waal-formaat weergegeven. ~CEM ENT1995/415012090..... 30l!:>? 08