Investigation of the shear force bearing capacity of reinforced and prestressed masonry beams using shear stress field models

Für die Berechnung der Querkrafttragfähigkeit bewehrter Mauerwerkbalken ohne Querkraftbewehrung werden in bauaufsichtlichen Regelwerken überwiegend einaxiale Festigkeitswerte unbewehrten Mauerwerks verwendet. Die Berücksichtigung mehraxialen Materialverhaltens sowie der vorhandenen Längsbewehrung erfolgt häufig nicht; Anisotropie der Mauersteine und des Mauerwerks werden vernachlässigt. Es erschien daher notwendig, einen Berechnungsvorschlag zu entwickeln, der die Querkrafttragfähigkeit von bewehrten Mauerwerkbalken ohne Querkraftbewehrung innerhalb der Schubspannungsfelder wirklichkeitsnah erfasst. Recherchen zu und Untersuchungen an bewehrten Mauerwerkbalken haben gezeigt, dass neben den Festigkeitseigenschaften von Mauerwerk der geometrieabhängige Einfluss der Schubschlankheit die Querkrafttragfähigkeit maßgebend beeinflusst. Dieser wurde quantifiziert und in den Berechnungsansatz implementiert. Zur Abgrenzung des Tragmodells zwischen Mauerwerkbalken und wandartigen Trägern wurden experimentelle Untersuchungen und ergänzende FE-Berechnungen an wandartigen Trägern durchgeführt; das Tragmodell ist vergleichbar mit dem eines wandartigen Trägers aus Stahlbeton. In Übereinstimmung mit dem EC6 konnte für Mauerwerkbalken die Grenze von l_eff/h>=2 verifiziert werden. Der auf Spannungsfeldern basierende, aus dem Stahlbetonbau (SMCFT) abgeleitete Berechnungsvorschlag nach Abschnitt 7.2 ermöglicht die Querkraftberechnung sowohl von bewehrten als auch vorgespannten Mauerwerkbalken unterschiedlicher Bauteilkategorie nach Tabelle 2.1. Grundlage waren die aus dem fib MC 2010 bekannten Gleichungen zur Schubbemessung von Balken ohne Querkraftbewehrung. Der Verformungszustand infolge der Einwirkungssituation wird bei der Berechnung berücksichtigt. Aufgrund anisotroper Eigenschaften von Mauerwerk unter einem variierenden Beanspruchungswinkel wurde der Ansatz durch ein Werkstoffgesetz von Ganz und Mojsilovic ergänzt. Hier werden in Abhängigkeit des Beanspruchungswinkels charakteristische Bruchbedingungen von Mauerwerk berücksichtigt. Auf Grundlage dieser Arbeit ist es möglich, den Querkraftwiderstand von Mauerwerkbalken verschiedener Bauteilkategorie, die bislang teils divers zu berechnen sind, mit demselben Berechnungsansatz zu ermitteln. Die Tragfähigkeit von Mauerwerkbalken wird dabei zuverlässiger berechnet. Zusätzlich ist durch die untersuchten Mauerwerkbalken großer Schubschlankheiten eine Erweiterung bisheriger Anwendungsfelder in der Praxis vorstellbar.For the calculation of the shear force bearing capacity of reinforced masonry beams without shear force reinforcement, mainly uniaxial strength values of unreinforced masonry are used in building regulations. The consideration of multi-axial material behavior and the existing longitudinal reinforcement is often not considered; anisotropy of the bricks and the masonry is neglected. Therefore it seemed necessary to develop a calculation proposal that realistically captures the shear force bearing capacity of reinforced masonry beams without shear reinforcement within the shear stress fields. Research and investigations on reinforced masonry beams have shown that, in addition to the strength properties of masonry, the geometry-dependent influence of the shear slenderness has a decisive influence on the shear force bearing capacity. This was quantified and implemented in the calculation approach. To differentiate the load bearing model between masonry beams and wall-like beams, experimental investigations and supplementary FE-calculations were carried out on wall-like beams; the load bearing model is comparable to that of a wall-like beam made of reinforced concrete. In accordance with EC6 the limit of l_eff/h>=2 could be verified for masonry beams. The stress field based calculation proposal derived from the reinforced concrete construction (SMCFT) according to section 7.2 allows the shear force calculation of both reinforced and prestressed masonry beams of different component categories according to table 2.1. The basis were the equations known from fib MC 2010 for the shear design of beams without shear force reinforcement. The deformation state due to the action situation is considered in the calculation. Due to anisotropic properties of masonry under a varying angle of loading, the approach was supplemented by a material law from Ganz and Mojsilovic. Here, characteristic fracture conditions of masonry are considered depending on the angle of action. Based on this work it is possible to determine the shear force resistance of masonry beams of different component categories, which up to now have partly been calculated diversely, using the same calculation approach. The load bearing capacity of masonry beams is calculated more reliably. In addition, the examined masonry beams of large shear slenderness can be used to extend the fields of application in practice