"Murverks beteende under horisontalbelastning i sitt eget plan"

Sammanfattning på svenska av Miklós Molnárs licentiatrapport

Sammanfattning

Regelverket kring murverksdimensionering har traditionellt dominerats av strävan att använda starka, höghållfasta material och därmed förse konstruktionerna med tillräcklig bärförmåga. Resultatet har blivit att liten uppmärksamhet ägnats åt sprickbildning orsakad av initiell krympning och klimatpåverkan i form av fukt- och temperaturvariationer. Då både sprickbildning och den idag schablonmässigt överdrivna användningen av dilatationsfogar anses vara kostnadskrävande och förfulande, mer nyanserade kunskaper behövs. Föreliggande licentiatrapport behandlar materialegenskapernas, vertikallastens och randvillkorens betydelse för sprickbildning i murverk utsatt för horisontala laster i sitt eget plan och utgör därmed ett steg mot en mer rationell hantering av sprickproblematiken för murverk.

Det är känt att murverks förmåga att motstå dragande laster i sitt eget plan i horisontalled är låg. För att öka förståelsen för det här fenomenet, en kombinerad analytisk/experimentell studie har genomförts. Kraftöverföringsmekanismer och parametrar av betydelse har identifierats. En datorbaserad modell, som beskriver murverks beteende under horisontal belastning har skapats. Modellen är en så kallad mikromodell, vilket innebär att murverks beteende på strukturnivå beskrivs med hjälp av stenarnas och fogarnas mekaniska egenskaper på komponentnivå. Modellen gör en tydlig skillnad mellan murbruks egenskaper så som bestäms på standardiserade provkroppar och egenskaper murbruk uppvisar när det har murats in i en fog. Stenar har modellerats som elastiskt-spröda material, medan fogarna som elasto-plastiska friktionsmaterial vars skjuvhållfasthet beskrivs av Coulombs lag. Brottkriterier inkluderade i modellen är dragbrott i stenar samt skjuvbrott och torrfriktion i liggfogar. Stötfogar betraktas som ickebärande komponenter i aktuellt lastfall.

Modellen har implementerats i det kommersiella finita elementprogrammet ANSYS. Dess förmåga att återge verkliga konstruktioners beteende har verifierats på försöksmaterial från Nederländerna ( Vermeltfoort & Raijmakers 1993). I de nederländska försöken har meterhöga väggar belastats samtidigt med horisontala skjuv- och tryckande vertikallaster. Materialegenskaper för stenar och fogar har erhållits från parallella försök. Bra överensstämmelse mellan modellerat och uppmätt beteende har erhållits, vilket visar att den framtagna murverksmodellen är lämplig för att beskriva sprickbildning i murverk belastat i sitt eget plan i horisontalled.

I arbetets experimentella del har mekaniska egenskaper hos två sorters massiva tegelstenar och två sorters murbruk, ett cementrikt ( M 100/600) och ett kalkrikt ( KC 75/25/750), studerats. Tegelstenarnas elasticitetsmodul bestämdes genom både egenfrekvensmätningar (ickeförstörande metod) och direkta dragförsök. Från samma försök bestämdes även stenarnas draghållfasthet. Deformationskontrollerade skjuvförsök med tre olika nivåer på vertikal förspänning genomfördes på murbruksfogar för att erhålla mekaniska egenskaper i såväl ospruckna som spruckna stadiet.

Med indata från försöken på stenar och murbruksfogar, har krympning av i horisontalled fasthållna murverksväggar simulerats. Materialparametrarnas, den vertikala lastens och de vertikala randvillkorens effekter på uppkomsten av sprickor har därmed åskådliggjorts.

Slutsatser avseende sprickbildning

1. Sprickbildning i murverk belastat i sitt eget plan i horisontalled är resultatet av växelverkan mellan delmaterialens mekaniska egenskaper, lastsituationen och de rådande randvillkoren.

2. Sprickinitiering i en dragbelastad, horisontalt fasthållen men i övrigt fri vägg fördröjs om:

· Kalkrikt bruk används i stället för cementrikt. Den positiva fördröjande effekten förstärks av ökande vertikala trycklaster.

· Vertikallasten ökas. Effekten är tydlig oavsett typen av murbruk.

· Vidhäftningen mellan stenar och murbruk i fogarna ökas. Effekten är speciellt positiv vid låga nivåer på vertikallasten. Förenklat kan sägas att det vid låga vertikallaster är det vidhäftningen som håller "ihop murverket", medan dess hophållande roll minskar relativt sett i närvaro av höga vertikallaster. På så sett är vidhäftning och vertikallast utbytbara när det gäller att minska sprickrisken i det aktuella lastfallet.

· Stenarnas draghållfasthet ökas. Har stor betydelse för uppkomsten av genomgående vertikala sprickor.

3. När en dragspricka slår upp i en vägg, avlastas den uppspruckna väggen och den initiella deformationen koncentreras till sprickan. Sprickbredden är därmed direkt proportionell mot avlastningen och vägglängden. Avlastningen i sin tur bestäms främst av vidhäftningen mellan stenar och murbruk. Då vidhäftningen i murverk med cementrikt bruk generellt är större än vid kalkrikt bruk, blir avlastningen i första fallet större. Generellt, vid given vägglängd och nivå på vertikallasten, dragsprickor i murverk med cementrikt bruk blir bredare än det blir fallet med kalkrikt bruk.

4. Sprickkriteriet i form av maximalt acceptabel sprickbredd är ett subjektivt mått, som bland annat beror av väggytans textur och allmänhetens tolerans för den här typen av olägenhet. I icke jordbävningsdrabbade områden som Norden eller Nederländerna, är toleransen för sprickor väsentligt lägre än i t.ex. länder i Södra Europa.

Slutsatser avseende modelleringen

1. Den framtagna murverksmodellen har visat vara lämplig att reproducera beteendet hos väggar belastade med skjuv- och låga till medelstora vertikallaster ( vertikallaster mindre än 1 MPa). Detta bekräftar riktigheten i antagandet att skjuvbrott i liggfogar samt dragbrott i stenar är de viktigaste brottmekanismerna i murverk belastat i sitt eget plan i horisontal riktning.

2. Att betrakta stötfogar som ickebärande element är en rimlig förenkling i det studerade fallet.

3. Den aktuella modellen kräver färre materialparametrar än andra likartade modeller.

4. Modellen lämpar sig för implementering i kommersiella finita elementprogram (t.ex. ANSYS).

5. Vid modellering av stora murverkskonstruktioner, skulle en detaljering av hela konstruktionen ända ner till sten- och fognivå vara svårhanterlig. I sådana fall bör den aktuella strategin kombineras med andra modeller, där murverk betraktas som ett homogent material.

Slutsatser avseende de experimentella studierna

1. Mätning av stenars elasticitetsmodul med egenfrekvensmetoden innebär väsentliga tidsbesparingar jämfört med de direkta dragförsöken.

2. Massiva tegelstenars draghållfasthet ligger generellt mellan 2.0 - 2.5 MPa, vilket även styrks av resultat från Nederländerna.

3. Med hjälp av den utvecklade skjuvutrustningen kan fogars styvhets-, hållfasthets- och plastiska egenskaper bestämmas och resultaten utgör indata för den datorbaserade modelleringen.

4. Skjuvutrustningen ger tillförlitliga resultat när brott uppstår i vidhäftningszonen mellan stenar och murbruk, vilket är fallet när massiva, förhållandevis starka stenar kombineras med ej extremt cementrika murbruk. Om materialkombinationen är sådan, att brott uppstår i stenar, blir resultaten svårtolkade.

5. Skjuvprovningen bör utföras under deformationsstyrning, vilket ställer höga krav på provningsmaskinen. Höga krav ställs även på utrustningen som används för mätning av deformationerna.

Uppnådda resultat

1. Den utvecklade murverksmodellen ger en realistisk beskrivning av skjuv- och horisontalbelastade väggars beteende och lämpar sig för att uppskatta risken för sprickbildning.

2. Modellen beskriver murverks beteende på strukturnivå utifrån ett relativt begränsat antal mekaniska egenskaper hos de ingående stenarna och fogarna. Modellen kan därmed användas för att förutsäga egenskaper hos murverk utifrån förhållandevis enkla provningar på delmaterialen eller att utifrån önskade egenskaper hos murverket välja lämpliga delkomponenter.

3. Ett antal skillnader i mekaniska egenskaper mellan ett typiskt cementrikt resp. kalkrikt murbruk har kvantifierats och deras betydelse för sprickbildning i tvångsbelastat murverk belysts.