Auf einen Blick
- Anorganische Verbundsysteme (FRCM, CRM, SRG) bieten kompatible, dauerhafte und feuerbeständige Lösungen zur Schubfestigung von Mauerwerkswänden
- Der Exploitationsfaktor beschreibt das Verhältnis zwischen tatsächlichem und theoretisch maximalem Verstärkungsbeitrag
- Die mechanische Kompatibilität der Matrix zum Mauerwerkssubstrat bestimmt maßgeblich die Ausnutzung der Faserverstärkung
- Finite-Elemente-Modelle wurden experimentell kalibriert und durch Parameterstudien validiert
- Bestehende Bemessungsformeln für textile Bewehrungen bedürfen der Überprüfung anhand numerischer und experimenteller Daten
Die strukturelle Ertüchtigung von Mauerwerkswänden gewinnt im Rahmen von Sanierungsmaßnahmen an historischer Bausubstanz zunehmend an Bedeutung. Anorganische Verbundsysteme wie FRCM (Fabric Reinforced Cementitious Matrix), CRM (Composite Reinforced Mortar) und SRG (Steel Reinforced Grout) haben sich als vielversprechende Alternativen zu organischen FRP-Systemen etabliert. Die vorliegende Publikation widmet sich der quantitativen Bestimmung des Exploitationsfaktors mithilfe numerischer Methoden und liefert damit wesentliche Grundlagen für die praxisgerechte Dimensionierung von Verstärkungsmaßnahmen.
Methodik: Numerische Modellierung und experimentelle Kalibrierung
Die Autorinnen und Autoren erstellten Finite-Elemente-Modelle (FEM), die das nichtlineare Verhalten von Mauerwerkswänden unter Schubbeanspruchung abbilden. Die Modelle berücksichtigen detailliert die Mauersteine, Mörtelfugen und die mehrlagigen Verstärkungsschichten aus Matrix und textiler Bewehrung. Nach erfolgreicher Kalibrierung an experimentellen Daten aus Vorversuchen wurden umfangreiche Parameterstudien durchgeführt. Untersucht wurden der Einfluss des Textiltyps, der Matrixeigenschaften sowie der Applikationskonfiguration auf den Exploitationsfaktor.
Die Arbeit greift auf etablierte Modellierungsansätze zurück, darunter das plastische Schädigungsmodell für Beton nach Lubliner et al. (1989), und erweitert diese für die spezifischen Anforderungen von Mauerwerk unter Schublast. Die Kalibrierung erfolgte durch Vergleich der globalen Schubspannungs-Dehnungs-Kurven aus Experiment und Simulation.
Kernerkenntnis: Mechanische Kompatibilität der Matrix als Schlüsselfaktor
Die zentrale Erkenntnis der Untersuchung liegt in der signifikanten Abhängigkeit des Exploitationsfaktors von der mechanischen Kompatibilität zwischen der Verstärkungsmatrix und dem Mauerwerkssubstrat. Eine steifere Matrix führt demnach zu einer höheren Auslastung der textilen Bewehrung, während eine zu weiche Matrix die Fasern nicht vollständig aktiviert. Die Studie quantifiziert diesen Zusammenhang erstmals systematisch durch numerische Parameterstudien und ermöglicht damit eine gezieltere Auswahl der Materialkombinationen in der Praxis.
Im Vergleich zu organischen FRP-Systemen, wie sie bereits seit den frühen 2000er Jahren für Mauerwerk untersucht wurden, bieten anorganische Systeme den Vorteil der besseren Kompatibilität mit historischen Untergründen. Dies bestätigen auch frühere experimentelle Untersuchungen an Gewölben und Wänden, bei denen die Dampfdiffusionsfähigkeit und die chemische Verträglichkeit mit Kalkmörtelfugen hervorgehoben wurden.
Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass der Exploitationsfaktor Werte zwischen 0,3 und 0,8 annehmen kann, abhängig von der gewählten Materialkombination und der Applikationsart. Diese Spanne verdeutlicht das Potenzial für wirtschaftliche Optimierungen in der Sanierungspraxis.
Systemvergleich: FRCM, CRM und SRG im Überblick
Die Arbeit vergleicht drei anorganische Verbundsysteme hinsichtlich ihres Schubverstärkungspotenzials. FRCM-Systeme verwenden textile Gelege aus Kohlenstoff-, Glas- oder Basaltfasern in einer zementgebundenen Matrix. CRM-Systeme kombinieren kalkbasierte Mörtel mit Faserverstärkungen und eignen sich besonders für historische Substrate mit geringer Festigkeit. SRG-Systeme setzen auf galvanisierte oder nicht rostende Stahlgelege in Zementmörtel und bieten hohe Tragfähigkeit bei moderaten Kosten.
Die numerischen Untersuchungen zeigen, dass die Steifigkeitsverhältnisse zwischen Matrix und Mauerwerk den maßgeblichen Einflussfaktor darstellen. Ein zu großes Steifigkeitsgefälle führt zu Spannungskonzentrationen und vorzeitigen Versagensformen im Mauerwerk, während ein ausgewogenes Verhältnis eine gleichmäßige Aktivierung der Faserverstärkung ermöglicht. Die Arbeit liefert damit konkrete Anhaltspunkte für die materialgerechte Auswahl in der Planungspraxis.
Transferpotenzial für Maurer
Für das Maurergewerk ergeben sich aus der Publikation konkrete Anwendungsbereiche und Handlungsleitlinien. Bei der Sanierung historischer Mauerwerkswände zur Erdbebenertüchtigung oder bei nachträglicher Aussteifung von Gebäudehüllen können anorganische Verbundsysteme als Alternative zu klassischen Methoden wie Stahlrahmen oder Spritzbeton in Betracht gezogen werden. Die Applikation erfolgt durch die im Maurerhandwerk etablierten Techniken des Mörtelauftrags, wobei die textile Bewehrungslage wie eine armierte Putzschicht eingebracht wird.
Die Ergebnisse der Studie unterstützen die Ausschreibung und Materialauswahl: Maurerbetriebe können anhand der Steifigkeitsparameter des vorhandenen Mauerwerks die passende Matrix wählen und damit die Wirtschaftlichkeit der Verstärkungsmaßnahme optimieren. Insbesondere bei denkmalgeschützter Bausubstanz erfüllen anorganische Systeme die Konservierungsanforderungen besser als Kunstharz-basierte FRP-Laminate, wie bereits in früheren Untersuchungen zur Gewölbeertüchtigung gezeigt wurde.
Die Kenntnis des Exploitationsfaktors ermöglicht zudem eine transparente Kommunikation mit Tragwerksplanern: Anstatt pauschale Sicherheitsbeiwerte anzuwenden, können präzisere Bemessungsvorschläge auf Basis der numerisch validierten Zusammenhänge entwickelt werden. Dies stärkt die Position des ausführenden Maurerbetriebs im Planungsprozess und kann zu Kosteneinsparungen bei gleichbleibender Sicherheit führen.
Fazit
Die vorliegende Arbeit liefert einen wesentlichen Beitrag zur quantitativen Bestimmung des Exploitationsfaktors bei der Schubfestigung von Mauerwerkswänden mit anorganischen Verbundsystemen. Durch die systematische Verknüpfung von experimentellen Kalibrierungsdaten mit numerischen Parameterstudien werden praxisrelevante Zusammenhänge zwischen Matrixsteifigkeit, Textilart und Ausnutzungsgrad quantifiziert. Für das Maurergewerk eröffnet sich damit die Möglichkeit, Verstärkungsmaßnahmen präziser zu planen und wirtschaftlicher auszuführen.
Die Ergebnisse untermauern die Eignung von FRCM-, CRM- und SRG-Systemen für die Ertüchtigung historischer Bausubstanz und liefern wissenschaftlich fundierte Grundlagen für die Materialauswahl. Künftige Entwicklungen sollten die Validierung der numerischen Modelle an weiteren experimentellen Datensätzen aus verschiedenen Mauerwerkstypen vorantreiben und die Integration der Erkenntnisse in nationale und europäische Normenwerke voranbringen.
Quellen
- Primär: Shear strengthening of masonry walls with inorganic-based composites: Quantifying fiber exploitation through a numerical approach. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2026.122390
- Lubliner, J., Oliver, J., Oller, S., Oñate, E. (1989): A plastic-damage model for concrete. International Journal of Solids and Structures, 25(3), 299-326.
- Shear behavior of masonry panels strengthened by FRP laminates (2002). Construction and Building Materials.
- Mechanical properties and numerical modeling of Fabric Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) systems for strengthening of masonry structures (2013). Composites Part B: Engineering.
- Tensile behavior of FRP and hybrid FRP sheets in freeze-thaw cycling environments (2013). Construction and Building Materials.
- Tensile behavior of epoxy based FRP composites under extreme service conditions (2011). Composites Part B: Engineering.
- Strengthening masonry vaults with organic and inorganic composites: An experimental approach (2015). Construction and Building Materials.
- Shear behaviour of Fiber Reinforced Mortar strengthened masonry walls built with limestone blocks and hydraulic mortar (2016). Composites Part B: Engineering.
- Numerical simulation of squat reinforced concrete wall strengthened by FRP composite material (2016). Engineering Structures.