O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSteenconstr uc tiescement 2002 778Invulwanden die als stabiliserendelement in raamwerken wordentoegepast, worden belast door eendiagonale drukkracht, waarbij devervorming van het metselwerkloodrecht op de belasting in be-langrijke mate wordt verhinderd(fig. 1). De bepaling van de draag-kracht van metselwerk of lijm-werk onder een dergelijke belas-ting is noch in NEN 6790 (TGBSteen) noch in Eurocode 6 voor-geschreven. Voor de modelleringvan het mechanisch gedrag vaninvulwanden is het evenwel on-ontbeerlijk te beschikken over in-formatie betreffende de stijfheiden de bezwijkcriteria van het met-selwerk [2]. Als onderdeel van hetpromotieonderzoek van B.M. Ng'Andu MSc. werd in het Pieter vanMusschenbroek-laboratoriumvan de TU/e een proefopstellingontwikkeld, waarmee deze infor-matie experimenteel kan wordenbepaald. Hierbij is gebruikge-maakt van de in het laboratoriumbeschikbare 3D-drukbank.P r o e f o p s t e l l i n gMeer dan vijftien jaar geleden iseen proefopstelling ontwikkeldten behoeve van onderzoek naarhet softeningseffect bij beton on-der multiaxiale belasting [3]. Dezeproefopstelling is door andere on-derzoekers aangepast voor hunspecifiek onderzoek. De testbankkan in drie onderling loodrechterichtingen krachten van respec-tievelijk 5000, 2000 en 1000 kN ophet proefstuk uitoefenen. De vij-zels zijn opgehangen aan staalka-bels en werken onafhankelijk vanelkaar(foto2).Voorhetonderzoekmet tweedimensionale drukproe-ven zijn alleen de horizontale enverticale vijzels nodig. Aangeziende horizontale vijzels aan kabelszijn opgehangen, kunnen ze ho-rizontaal vrij bewegen, waardoorde verticale aslijn van het proef-stuk altijd, ook na vervorming vanhet proefstuk, samenvalt met deaslijn van de verticale vijzels.Om ook de horizontale aslijn vanhet proefstuk steeds te laten sa-menvallen met de aslijn van dehorizontale vijzels, wordt het test-frame op luchtkussens geplaatst,in combinatie met schokdem-pers. Voor een meer gedetailleer-de beschrijving van de proefop-stelling wordt verwezen naar [3].Om een gelijkmatige verdelingvandespanningenonderdedruk-plaat te kunnen verzekeren, ookindien de zij- en kopvlakken vanhet proefstuk niet perfect even-wijdig zijn, is in het vooronder-Ontwerpen en dimensioneren van steenconstructies (10)Tweedimensionaal belastmetselwerk onderzocht*)prof.ir.-arch. D.R.W. Martens, TU/e, leerstoel Steenconstructies / Studiebureau Dirk Martens bvba, Zingem (B)B.M. Ng'Andu MSc. en ir. A.T. Vermeltfoort, TU/e, leerstoel Steenconstructies*) Dit artikel is gebaseerd op een lezing die begin november 2002 op de `6thInternational Masonry Conference' te London is gepresen-teerd door B.M. Ng'Andu MSc. [1].Metselwerkwanden worden meestal belast door al dan niet excentrische ver-ticale drukkrachten. Indien deze wanden een stabiliserende functie hebben,dienen ze tevens weerstand te bieden aan de horizontale windbelasting. In ditgeval worden de metselwerkwanden onderworpen aan een tweedimensiona-le drukbelasting.In het kader van een promotieonderzoek naar de toepassing van stabiliseren-de invulwanden met kalkzandsteenelementen in raamwerken, is een vooron-derzoek uitgevoerd naar de mechanische eigenschappen van dergelijk biaxi-aal belast metselwerk. In deze voorstudie is vooral aandacht besteed aan deontwikkeling van een geschikte proefopstelling.ge?dealiseerde drukdiagonaal1 | Drukdiagonaal bij stabili-serende invulwanden inraamwerken2 | ProefopstellingO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSteencons tr uc tiescement 2002 7 79zoek tussen vijzels en drukplateneen sferische kop aangebracht.Om de invloed van de wrijving teminimaliseren [4], zijn tussenproefstuk en lastplaten twee 0,05mm dikke teflonfolies aange-bracht. Om ook na het bereikenvan de maximale drukbelastingmetingentekunnenverrichten,isgekozen voor een vervormingsge-stuurde belasting via een gecom-bineerd hydraulisch en elektro-nisch regelsysteem.P r o e f s t u k k e nIn dit onderzoek is gebruikge-maakt van gele strengpersge-velsteen van Joosten bv. De af-metingen van de stenen waren204 x 98 x 50 mm3(lengte xbreedte x hoogte). Bij eerdere aande TU/e uitgevoerde proeven [2]zijn de druksterkte en de volu-mieke massa van de stenen be-paaldoprespectievelijk66N/mm2en 1997 kg/m3.De gebruikte mortel was een bas-taardmortel met een volumever-houding van portlandcement32,5 R : kalk : zand van 1 : 1 : 6;korrelgrootte van het zand < 3mm. Om de kwaliteit van demortel te evalueren, werden drie-puntsbuigproeven en drukproe-ven op mortelbalkjes 40 x 40 x 160mm3uitgevoerd conform NEN3835 [5]. De gemiddelde buig-treksterkte bedroeg 2,02 N/mm2,de gemiddelde druksterkte 5,7N/mm2.De proefmuurtjes hadden als af-metingen 320 x 190 x 98 mm3. Erzijn drie typen muurtjes vervaar-digd, waarbij de hoek tussen delintvoegen en de verticaal respec-tievelijk 0?, 45? en 90? bedroeg(fig.3).Deproefelementenwerdengezaagd uit grotere muren, die inhet laboratorium traditioneel wa-rengemetseld.Elkproefstukwerdnadien in een rechthoekige stalenmal geplaatst, waarbij de 3 tot 5mm brede opening tussen de malen het metselwerk werd opgevuldmet een geprefabriceerde hoge-sterktemortel van het type Rhino-fil-Metsger met een druksterktevan 100 N/mm2. Na ??n dag ver-harden werden de proefstukkeningepakt in folie en bewaard in deklimaatkamer van het laboratori-um.M e t i n g e nIn totaal werden er zes proevenuitgevoerd, twee proeven van elktype (tabel 1). Bij elke proef wer-den de volgende metingen uitge-voerd (foto 4):? kracht in de verticale richting;? verplaatsing van de verticalevijzel;? kracht in de horizontalerichting;? verplaatsing van de horizon-tale vijzel;? verticale vervorming van hetproefstuk (meetlengte 80mm);? horizontale vervorming vanhet proefstuk (meetlengte100 mm);? verplaatsing van de lastplaten(1 LVDT aan elk uiteinde).Om de drie seconden werd doorde computer automatisch eenmeting geregistreerd. De elektro-nische waarden werden via calli-bratiefactoren omgezet in ver-plaatsingen in mm en krachten inkN.V e r l o o p v a n d e p r o e v e nBij aanvang van de proef werd hetproefstuk gefixeerd door een ho-rizontale klemkracht van 5,0 kN.Tijdensdetestwerddepositievande horizontale lastplaten onge-wijzigd gehouden, terwijl de ver-plaatsing van de verticale vijzelsystematischwerdopgevoerdmeteen snelheid van 30 mm/min.Door de toenemende verticale be-lasting nam ook de dwarsvervor-ming toe, hetgeen resulteerde ineen verhoging van de horizontalevasthoudkracht.De eerste scheurgeluiden werdenwaargenomen bij een verticalekracht van ongeveer 80% van demaximale belasting. Na het berei-ken van de maximale belastingnam de verticale drukkracht vrijsnel af (fig. 5). Bij proef nr. 2 ( =0?) werd vroegtijdig een eerstescheur waargenomen. Bij naderonderzoek is gebleken dat lokaal320 3203208545?100190190(a) (b)(c)1903 | Afmetingen van de drietypen proefstukken(maten in mm)= 90? (a), = 0? (b),= 45? (c)4 | MeetapparatuurO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSteenconstr uc tiescement 2002 780bezwijken van een hoek van hetproefstukhiervandeoorzaakwas.Dit fenomeen kan wellicht ver-klaren waarom de draagkracht indit geval aanzienlijk lager was danbij proef nr. 1.Eenzelfde lokaal bezwijken werdvastgesteldbijproefnr.3( =45?).In dit geval was dit wellicht tewijten aan het afschuiven van eenlintvoeg.S c h e u r p a t r o n e nBij alle testen traden verticalesplijtscheuren op, de scheurvlak-ken evenwijdig met het voorvlakvan het proefstuk (foto 6). Ditscheurpatroon is karakteristiekvoor twee-assige belasting, aange-zien in dit geval alleen trekspan-ningenloodrechtopdebelastingenkunnen ontstaan. Bij de proevennr. 5 en 6, waarbij de verticaledrukbelasting loodrecht op delintvoegen aangreep, ontstondener drie scheurvlakken. De met-selwerkschijven tussen de scheur-vlakken varieerden in dikte vanbovennaarbeneden.Alleeninhetgeval waarbij = 0? werden verti-cale scheuren in de lintvoegenvastgesteld.D r u k s t e r k t e e ne l a s t i c i t e i t s m o d u l u sVoor de modellering van tweedi-mensionaal belast metselwerkzijn zowel de druksterkte als hetspanning-rek-diagram van be-lang. Door in de proeven de hori-zontale vervorming van de zijran-den constant te houden, werd despanningstoestand bij invulwan-den gesimuleerd en kan alleen despanning-rek-relatie in verticalerichting worden ge?valueerd.In tabel 1 is een overzicht gegevenvan de druksterkten en de elasti-citeitsmodili die bij de zes proe-ven werden gemeten. In het gevalwaarbij de drukkracht loodrechtop de lintvoegen aangrijpt, is degemiddelde druksterkte 16,5 N/mm2. Deze waarde is aanmerke-lijk hoger dan de theoretische re-presentatieve druksterkte die uittabel 1 van NEN 6790 [6] kanworden afgeleid. Een berekeningvan de karakteristieke druksterk-te volgens Eurocode 6 [7], op basisvan de druksterkte van de stenenen de mortel, levert het volgendresultaat:? genormaliseerde gemiddeldesteendruksterkte (vormfactor =0,75 x 1,1 = 0,825):fb= 66 N/mm2x 0,825 =54,45 N/mm2? gemiddelde morteldruksterk-te: fm= 5,7 N/mm2? karakteristieke uniaxialemetselwerkdruksterkte:fk= 0,50 x 54,450,7x 5,70,3=13,83 N/mm2Tabel 1 | Experimenteel bepaalde maximale krachten, druksterkten en elasticiteitsmoduliproef HmaxVmaxdruksterkte elasticiteitsmodulus (N/mm2)(?) (kN) (kN) (N/mm2) E1E3E41 0 15,4 487,5 15,3 7752 7063 123732 0 23,0 304,0 9,3 1447 10785 31063 45 49,8 409,5 13,1 2729 6990 30274 45 67,2 513,0 16,2 3346 6726 61305 90 26,2 461,5 14,7 12318 8892 45336 90 10,1 575,5 18,3 8716 10248 9862024681012141618200 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005rek (mm/mm)spanning(N/mm2)4135 | Spanning-rek-diagramgemeten bij proef nr. 61: stuik gemeten op hetproefstuk3en 4: stuik gemetentussen de lastplaten6 | Typisch scheurpatroona. zijaanzicht proefstukb. onderaanzichtproefstukO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSteencons tr uc tiescement 2002 7 81De gemeten biaxiale druksterkteligt dus ongeveer 20% hoger dande uniaxiale druksterkte. Dit geldtevenwel niet voor de elasticiteits-modulus. Uit tabel 1 volgt dat degemiddelde E-modulus, berekenduit de vervormingen van hetproefstuk, E1= 10 517 N/mm2.Deze waarde is zelfs lager dan deE-modulus bij ??nassige belas-ting die volgens Eurocode 6 theo-retischgelijkisaan1000fk=13830N/mm2.Uit de proevenreeks kan ookworden afgeleid dat de gemiddel-de druksterkte het hoogst is bijhorizontale lintvoegen (16,50 N/mm2) en het laagst bij verticalelintvoegen(12,30N/mm2).Bijeenhoek van 45? werd een tussen-liggende waarde gemeten (14,65N/mm2). In dit laatste geval bleekde horizontale vasthoudkrachtmeer toe te nemen dan bij hori-zontaleofverticalelintvoegen.Ditfenomeen is te verklaren door hetafglijden van een deel van hetproefstuk ter plaatse van de schui-ne lintvoegen.Bij alle proeven was het - -diagram nagenoeg paraboolvor-mig, zoals voorgesteld in figuur 5.Op de ordinaat is de verticaledrukspanning uitgezet, terwijlhorizontaal de stuik in verticalerichting is voorgesteld. 1stelthierbij de stuik voor die is ge-meten door de LVDT's op hetproefstuk, terwijl 3en 4de rela-tieveverticalevervormingenvoor-stellen die werden gemetentussen de lastplaten. Indien deaanloopeffecten ten gevolge vanhet dichtdrukken van de spletentussen de lastplaten en het proef-stuk worden weggefilterd, kan,door toepassing van een regres-sieanalyse, het - -diagram wor-den ge?dealiseerd tot een tweede-graadsparabool (fig. 7). Dezecurve stemt vrij goed overeen methet parabool-rechthoekig - -diagram volgens Eurocode 6.C o n c l u s i e sUit de beperkte reeks biaxialedrukproeven op metselwerk metverschillende ori?ntatie van delintvoegen, blijkt dat de gebruikteproefopstelling geschikt is omde gewenste mechanische eigen-schappen bij tweedimensionaalbelast metselwerk te bepalen.Teneinde de invloed van de ran-den te elimineren, is het evenwelaan te bevelen de proefstukkeniets groter te nemen. In dit on-derzoek is geopteerd voor eengelijkmatige inleiding van despanningen. Hierdoor hebben delastplaten tijdens de proeven eenkleine rotatie ondergaan. Indieneen parallelle vervorming van deranden is vereist, dient de belas-ting met meerdere vijzels teworden aangebracht.Bij bezwijken onder tweedimen-sionaledrukbelastingtredensteedsscheuren op in het vlak van de be-lastingen. De druksterkte vanbiaxiaal belast metselwerk is aan-merkelijkhogerdanvanuniaxiaalbelast metselwerk, terwijl de stijf-heid van dezelfde grootteorde isals bij ??ndimensionale belasting.In een vervolgonderzoek zullende mechanische eigenschappenvan lijmwerk onder tweedimen-sionalebelastingwordenbepaald.Hierbij zal ook de invloed van hetal dan niet vullen van de stoot-voegen worden onderzocht.L i t e r a t u u r1. Ng'Andu, B.M., VermeltfoortA.T., Martens, D.R.W., Biaxialcompression of masonry,explorative research into thebehaviour of a two-jack testrig, Proceedings of the 6thInternational Masonry Con-ference, London, 2002.2. Rots, G. (ed), StructuralMasonry: An Experimental/Numerical Basis for PracticalDesign Rules. Published forCUR Gouda, A.A. Balkema,Rotterdam, 1997.3. Van Mier, J.G.M., StrainSoftening of Concrete undermultiaxial loading conditions.Proefschrift TU Eindhoven,1984.4. Vermeltfoort, A.T., Effects ofboundary conditions on com-pressive behaviour of brittlematerials. Proceedings of the7th North American MasonryConference, South Bend,Indiana, 1996.5. NEN 3835, Mortels voor met-selwerk van stenen, blokkenof elementen van baksteen,kalkzandsteen, beton en gas-beton. NNI, 1991.6. NEN 6790, TGB Steen7. NVN-ENV 1996-1-1, Eurocode6: Ontwerp en berekeningvan steenconstructies +NAD.8. Page, A.W., The biaxial com-pressive strength of brickmasonry. Proceedings Insti-tution of Civil Engineers, 71(2), Sept 1981.024681012141618200 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005134rek (mm/mm)spanning(N/mm2)7 | Ge?dealiseerd spanning-rek-diagram1: stuik gemeten op hetproefstuk3en 4: stuik gemetentussen de lastplaten