Motivation und Forschungsfrage

Die konsequente Senkung der CO₂-Emissionen im Bausektor ist eine der drängenden Herausforderungen unserer Zeit. Lehmbauweisen, wie Stampflehm und Lehmziegel, können aufgrund ihrer vergleichbar geringen Emissionen in der Herstellung einen Beitrag zu dieser Senkung leisten. Eingesetzt als lastabtragende Wandbildner sind sie als Alternative zu mineralischen Baustoffen wie Beton und gebrannten Ziegel auch masserelevant. Speziell Stampflehmbauweisen, also die lagenweise in eine Schalung eingebrachte und mechanisch verdichtete Mischung aus Lehm und Zuschlagstoffen (Kies), erlauben die Herstellung von monolithischen Wandelementen vor Ort oder die Herstellung von großformatigen Fertigteilen. Die Kenntnisse über das mechanische Verhalten, besonders über das mechanische Langzeitverhalten (Schwinden und Kriechen) dieser Bauweise sind lückenhaft und hemmen daher die Integration in gängige Planungsprozesse. Dieses Forschungsprojekt fragt nach der Eignung von faseroptischer Sensorik zur Verformungsmessung von Stampflehmbauteilen für zukünftige Langzeitbeobachtungen.

Ausgangssituation

Lehm zeichnet sich durch seine einfache Verarbeitung, lokale Verfügbarkeit und die Bereitstellung eines hervorragenden Raumklimas aus. Seine äußerst günstige Energie- und Umweltbilanz (ÖKO-BAUDAT nach EN 15804+A2) macht ihn zu einer vielversprechenden Alternative in der Bauindustrie. Die Nutzung von Lehm als Baumaterial ist nicht nur ökologisch, sondern auch ökonomisch sinnvoll: Lehm kann aus Aushubmaterial gewonnen werden, das nicht deponiert werden muss, wodurch die Kreislaufwirtschaft wesentlich gestärkt wird. Ohne den Einsatz von Zusatzstoffen wie Kalk oder Zement ist Lehm vollständig wiederverwertbar und ermöglicht damit eine nachhaltige, ressourcenschonende Bauweise.

Derzeit wird Lehm im Bauwesen jedoch nur vereinzelt angewendet. Es fehlt an etablierten Bemessungs- und Berechnungsgrundlagen für lastabtragende Lehmbauten. Bestehende Bauwerke beruhen vorwiegend auf empirischen Erfahrungen des Handwerks, weniger auf ingenieurwissenschaftlichen Ansätzen. Das Tragverhalten hängt in hohem Maße von der Feuchteverteilung, Verdichtung und den klimatischen Randbedingungen ab. Die wesentliche Wissenslücke betrifft die Abhängigkeit der Formänderungseigenschaften über die Zeit– insbesondere des Schwind- und Kriechverhaltens des Lehms. Dies er erschwert den Einsatz des Baustoffs erheblich.

Inhalte und Zielsetzung

Vor diesem Hintergrund adressiert die Sondierung die zentrale Frage, ob verteilte faseroptische Sensorik (Distributed Fiber Optic Sensing, DFOS) als zerstörungsfreies, kontinuierliches Messverfahren geeignet ist, um das Formänderungsverhalten von Stampflehmwänden unter Feuchtigkeits- und Temperaturschwankungen sowie unter Auflasten über längere Zeiträume zu erfassen und so eine Grundlage für die Langzeitüberwachung realer, lastabtragender Bauteile zu schaffen.

Für eine fundierte ingenieurmäßige Modellbildung fehlen umfassende Datensätze zum Formänderungsverhalten. Faseroptische Messverfahren bieten hierfür ein vielversprechendes Potenzial, ihre Anwendung im Stampflehm ist bisher nicht erprobt.

Methodische Vorgehensweise

Durch verteilte faseroptische Messverfahren kann eine lückenlose Erfassung von Formänderungen mit hoher Auflösung entlang der gesamten Faserlänge realisiert werden. Auf diese Weise lassen sich lokale Veränderungen und kleinste Deformationen im Mikrometerbereich, wie Rissbildungen, frühzeitig erkennen. Aufgrund ihrer geringen Abmessungen und ihres niedrigen Gewichts beeinflussen die Sensorfasern oder -kabel das Trag- und Verformungsverhalten des Prüfkörpers bzw. Bauteils nicht und eignen sich daher ideal für zerstörungsfreie Messanwendungen. Bisher wurden faseroptische Sensoren vor allem in Betonbauteilen, auf Stahloberflächen oder im Bereich der Ingenieurgeodäsie angewandt.

Das Projekt umfasst (i) experimentelle Prüfserien an Stampflehmprüfkörpern in unterschiedlichen Größen, Dabei wurden zur Ermittlung von Materialkennwerten (Druckfestigkeit, E-Modul, Biegezugfestigkeit, Trocknungsschwindmass) und zur Verformungsmessung Kleinproben getestet (ii) Zentral wird geprüft, ob sich das Messverfahren mit DFOS für die Erfassung des lastabhängigen Materialverhaltens (Kriechen) eignet und ob es (iii) für In-situ-Messungen an bauteilgroßen, lastabtragenden Stampflehmelementen tauglich ist.

Die faseroptischen Sensorkabel wurden sowohl eingestampft als auch in eine Nut auf die Oberfläche der Prüfkörper aufgebracht. Besonderer Fokus wurde auf den Verbund zwischen Sensorkabel, Kleber und Stampflehm gelegt. Die Messergebnisse wurden mittels konventioneller Referenzmethoden (Setzdehnungsaufnehmer, digitale 3D-Bildkorrelation) überprüft und validiert.

Der theoretische Projektteil integriert die experimentell gewonnenen Kennwerte in ein numerisches Modell mittels Finite-Elemente-Methode (FEM), um das Trag- und Verformungsverhalten von Stampflehmelementen unter statischer Belastung realitätsnah abzubilden.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass das Messverfahren mit faseroptischer Sensorik grundsätzlich für die Erfassung von Formänderungen in Stampflehm geeignet ist. Sowohl eingestampfte als auch aufgeklebte Sensoren lieferten reproduzierbare Messdaten. Die mit DFOS gemessenen Dehnungen korrelierten gut mit den Referenzmessungen. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass der Klebstoff, der auf Prüfkörperoberfläche aufgeklebten Sensorkabel, entscheidend für die Qualität der Messung ist. Weitere Ergebnisse zeigten jedoch, dass der Verbund zwischen eingestampften Sensorkabeln und Stampflehm bislang nicht ausreichend ist, um eine zuverlässige Dehnungsmessung zu gewährleisten.

Das numerische Modell bildete den Belastungsversuch einer Lehmkappendecke realitätsnah ab und zeigte, dass experimentell bestimmte Materialparameter effektiv in die Modellierung überführt werden können.

Zukünftige Forschung soll die Eignung von faseroptischer Sensorik für großmaßstäbliche Prüfungen und In-situ-Messungen im Stampflehm vertieft untersuchen, um langfristige Einflüsse von Feuchtigkeits- und Temperaturschwankungen (Schwinden) sowie mechanischer Beanspruchungen durch Auflasten (Kriechen) zerstörungsfrei und kontinuierlich zu erfassen.

Die erzielten Ergebnisse sollen als Grundlage für ein Folgeprojekt dienen, das auf die Erarbeitung praxisorientierter Bemessungsvorschriften für lastabtragende Stampflehmwände im Einklang mit dem semiprobabilistischen Sicherheitskonzept gemäß Eurocode abzielt.

Projektleitung

Technische Universität Graz – Institut für Tragwerksentwurf

Projekt- bzw. Kooperationspartner:innen

• Technische Universität Graz – Institut für Ingenieurgeodäsie und Messsysteme
• Technische Universität Graz – Labor für Konstruktiven Ingenieurbau

Technische Universität Graz – Institut für Tragwerksentwurf
Assoc.Prof. Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Andreas Trummer
Technikerstraße 4/4
A-8010 Graz
Tel: +43 (316) 873 6211
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