Erdbebenbedingte Sanierung und Verstärkung von unbewehrten Mauerwerkswänden mit FRP (Faserverstärkte Kunststoffe)

Glas- und Kohlefaserkunststoffe sind eine einzigartige Lösung zur Reparatur und Verstärkung von unbewehrten Mauerwerkswänden. Sowohl die Biege- als auch Scherfestigkeit von Mauerwerkswänden können durch Aufbringen einer dünnen Glas- oder Kohlefaserkunststoffschicht, einer von Quakewrap patentierten Technology, erhöht werden.

Einige der Vorteile von Faserkunststoffen sind:

Erhöhung der Biegefestigkeit rechtwinklig zur Ebene
Erhöhung der Scherfestigkeit in der Ebene
Erhöhung der Steifigkeit bei Gebrauchslasten
Zusammenfassen des Mauerwerks zu einem monolithischen Block
Umwandlung des Mauerwerks von einem schwachen und spröden Material in ein starkes und duktiles Material
Die Wand kann durch nur stellenweises Behandeln verstärkt werden
Gewichtzunahme vernachlässigbar klein
Erhöhung der Wanddicke um weniger als 5mm
Einfacher Zugang
Kostengünstiger als herkömmliche Methoden

Wie funktioniert die erdbebenbedingte Umrüstung und Verstärkung?

Eine Schicht Epoxidharz wird auf der Wandoberfläche aufgebracht. Kohle- oder Glasfasergewebe werden mit Harz gesättigt und dann in Streifen auf die Wand aufgeklebt. Die Faserkunststoffe erhöhen die Biege- und Scherfestigkeit der Wand erheblich und bilden aus einzelnen Abschnitten einen monolithischen Block. Wenn gewünscht, kann die Wand danach gestrichen, verputzt oder mit anderen ästhetischen Materialen bedeckt werden.

Forschung und Entwicklung

Vertreter von QuakeWrap, Inc. waren die ersten Forscher in den USA, die zwei Forschungsprojekte von der National Science Foundation (1992 und 1995) bewilligt bekamen, um das Verhalten ihrer patentierten Technologie (U.S. Patent #5,640,825) zu untersuchen. Eine Großzahl von unbewehrten Mauerwerksexemplaren wurde gebaut und unter simulierter Erdbebenlast getestet. Die Ergebnisse dieser Studie wurden in verschiedenen technischen Berichten veröffentlicht.

Biegefestigkeit

Die Biegefestigkeit von unbewehrten Mauerwerkswänden ist durch die Zugfestigkeit des Mörtels beschränkt, die in den meisten älteren Konstruktionen sehr gering ist. Wenn Glas- oder Kohlefaserkunststoffe mit der Wandoberfläche verbunden sind, stellt dies eine sehr zugfeste Komponente dar, die zusammen mit der hohen Druckfestigkeit des Mauerwerks große Moment aufnehmen kann.

Ein- und zweilagige Wände aus Tonziegel wurden zwischen 71 cm und 3,05 m hoch gemauert. Die Oberflächen wurden mit Glassfaserkunststoffen von 7% bis 100% verklebt. Die Tragfähigkeit der Wände wurde für wechselseitige, gleichmäßig verteilte Flächenpressung ermittelt.

Eine typische Hysteresiskurve einer 1,42 m hohen Wand mit Glasfaserverstärkung ist hier dargestellt. Die Durchbiegung in der Wandmitte betrug über 6,4 cm und die Wand widerstand Lasten von mehr als ihrem 12-fachen Eigengewicht. Diese Werte sind deutlich höher als die im Bemessungscode vorgeschriebenen Werte.

Alle Exemplare mit Faserbewehrung zeigten duktiles Versagen bei sehr hoher Last und Verformung. Wie im Bild gezeigt, führt mehr Glasfaserbewehrung zu höherer Widerstandsfestigkeit gegen laterale Lasten. Genaue Ergebnisse dieser Studie bezüglich Verhalten, Verformung rechtwinklig zur Ebene und Modellierung von umgerüsteten Wänden wurden in Artikeln der ASCE and ACI Journals veröffentlicht.

Scherverhalten

In Beton- und Mauerwerksbauten führt Scherbelastung zu diagonalen Zugkräften. Wenn FRP mit der unbewehrten Mauerwerkswand verbunden sind und die Fasern in horizontaler und vertikaler Richtung verlaufen, tritt Scherversagen erst nach dem Zugversagen der Fasern auf. So wie die Stahlbewehrung bei Stahlbetonwänden zweiseitig gerichtet sein muss, so gilt dies auch für die zweiseitig wirkenden QuakeWrap™ Faserplatten, die zur Scherverstärkung von unbewehrten Mauerwerkswänden herangezogen werden.

Zur Simulation der Scherbewehrung wurden sogenannte "Stoßtests" im Labor durchgeführt. Drei Ziegel wurden wie im Bild aneinandergereiht. Um die Mörtelfestigkeit zu vernachlässigen, wurde kein Mörtel benutzt. Um dennoch die festigkeitsreduzierende Fuge zwischen den Ziegeln zu berücksichtigen, wurden Platzhalter zwischen den Ziegeln zur Simulation des Mörtels eingefügt. Solche Versuchsexemplare hätten keine Scherfestigkeit. Durch den beidseitigen Verbund mit den 11,4 cm x 20,3 cm QuakeWrap™ Faserkunststoff widerstanden die Versuchsexemplare jedoch Scherkräften von über 4450 N. Bei einer Faserorientierung von 45/135 Grad wurde das System steifer, die Versagenslast war jedoch genauso hoch wie bei der 0/90 Grad Faserorientierung. Genauere Information dieser Studie finden Sie in diesem ASCE Journalartikel.

Zusätzlich zu den geschilderten Laborversuchen wurde 1995 ein Feldprojekt gestartet, bei dem Mauerwerk aus Hohltonziegeln mit Glasfaserplatten verstärkt wurde. Das "San Francisco City Hall Building" wurde Mitte der 90er Jahre in Hinblick auf Erdbebengefährdung umgerüstet. Der Keller des Gebäudes beinhaltete eine Anzahl von Mauern aus Hohltonziegel mit schwacher Scherfestigkeit.

Fünf "Stoßtests" wurden schon von einem unabhängigen Labor (Schwein/Christensen Laboratories, Inc., Lafayette, CA) zur Bestimmung der Scherfestigkeit der Wände durchgeführt. Die Ergebnisse aller Tests sind im rechten Schaubild dargestellt. Sie ergaben eine mittlere Scherfestigkeit von etwa 440 KPa. Die Projektingenieurin (Ms. Simin Naaseh von Forell/Elsesser Engineers Inc, San Francisco) folgerte, dass diese Werte zu niedrig seien und deshalb die Wände abgerissen werden müssten.

Es wurde daraufhin beschlossen, dass einige dieser Wände mit QuakeWrap™ bewehrt und anschließend die Scherfestigkeit durch Tests ermittelt werden sollte.

Die Faserverbundwerkstoffe wurden zum selben Labor geschickt, in dem die ersten Stoßtests mit der Wand durchgeführt wurden, um objektive Testresultate zu erhalten. Glasfaserstoffe wurden an der Vorder- und Rückseite einiger Wände angebracht. Drei solcher Tests wurden durchgeführt. Die Ergebnisse in grünen Stäben zeigen, dass die mit Faserplatten bewehrten Wände durchschnittlich fast 1,7 MPa Scherfestigkeit erreichten. Die Versagensart aller verstärkten Wände war das Zerbersten der Hohltonziegel durch den Kontakt mit den Auflagern. Mit soliden Ziegeln würden zweifellos noch höhere Scherfestigkeiten erreicht werden.

Fachstudie

Mehrere Gebäude wurden mit Glas- und Kohlefaserstoffen von QuakeWrap™ bewehrt. Ausgewählte Projekte sind unten aufgeführt. Spezifische Informationen erhalten Sie beim Anklicken des jeweiligen Projekts.

Den genauen Vorgang von Feldinstallationen finden Sie hier.