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The refurbishment of old buildings often goes hand in hand with an increase in both the dead and live loads. The latter, combined with the higher safety factors, often make the reinforcement of the old structures necessary. Most reinforcement methods involve transforming a structural timber member into a composite beam. Composite sections have a long tradition in timber construction. In the early days, multiple timber beams were connected with interlocking tooth and wooden shear connecters, which resulted in an elastic connection. Although historical timber structures are frequently upgraded, no method has yet been established and fully accepted by all stakeholders such as owners, builders, architects, engineers and cultural heritage organisations. Carbon fibre-reinforced polymers (CFRP) have already shown their efficiency in structural reinforcement especially in concrete structures. Moreover, previous studies have shown that CFRP has the potential to meet the expectations of all parties involved.
In order to reach the service-limit state, a high amount of carbon fibres has to be used, or considering the cost of reinforcement, prestress has to be applied. However, prestressing often goes hand-in-hand with delaminating issues. The camber method presented here offers an efficient solution for prestressing timber bending members and overcoming the known obstacles.
In the method proposed, the timber beam is cambered using an adjustable prop at midspan during the bonding of the CRFP-lamella to the lower side of the bending member. After curing the adhesive, the prop is removed and the prestressed composite beam is ready to be used. The prestress introduced in the system is not constant, but has a triangular shape and peaks at midspan, where it is used the most. The prestress force, which declines towards the end of the beam, leads to a constant shear stress over the whole length of the reinforcement,avoiding a concentrated anchorage zone.
An analytical calculation model has been developed to calculate and design prestressed timber-
bending members using the camber method. Numerical modelling, using a multi-surface plasticity model for timber, confirmed the results from the analytical model, and clearly reduced delaminating issues, comparing very favourably to traditional prestressing methods. The experimental parametric study, including the determination of the short-term loadbearing capacity of structural-sized beams, showed agreement with the analytical and numerical calculation. The prestressed reinforcement showed a benefit of nearly 50% towards the ultimate-limit state and up to 70% towards the service-limit state. Calculations revealed that the use of high modulus CFRP allows even higher benefits, depending on the configurations and requirements. The long-term design of the prestressed composite beam was investigated by extending the analytical model. The creep of the timber leads to a load transfer from the timber towards the CFRP, and therefore increases the benefit towards the ultimatelimit design. Applying high modulus CFRP-lamellas allows for a complete utilisation of the
design capacity of timber and carbon fibre-reinforced polymer.
The thorough investigation conducted demonstrated that the camber method is an efficient technique for prestressing and reinforcing timber-bending members. Furthermore, the calculation model presented allows for a safe design and estimation of long-term behaviour.
Viele Baudenkmale sind dem Konflikt aus baulichem Instandsetzungsbedarf für eine zeitgemäße Nutzung und einer sich möglicherweise daraus ergebenden Gefährdung der Denkmalsubstanz ausgesetzt. Gründe sind steigende Energiekosten für den Gebäudebetrieb, zeitgemäße Anforderungen an Behaglichkeit und Arbeitsschutz, sowie die Vermeidung von Schäden an der Substanz aufgrund baulicher Mängel des konstruktiven Wärme- und Feuchteschutzes. Gleichzeitig gilt für viele Bauten aber auch die Notwendigkeit regelmäßiger Nutzung und Bewirtschaftung, um den Erhalt überhaupt zu sichern. Die energetische Ertüchtigung von Baudenkmalen scheitert in diesem Spannungsfeld oft am unlösbaren Konflikt zwischen dem Erhalt der bauzeitlichen Substanz auf der einen und der notwendigen energetischen Optimierung der Gebäudehülle auf der anderen Seite. Zielsetzung dieser Fallstudie ist die beispielhafte Entwicklung einer bauklimatischen und denkmalgerechten Ertüchtigungsstrategie am Beispiel eines Verwaltungsgebäudes der Nachkriegsmoderne als Beitrag zur Lösung dieses Konfliktes.
In der Arbeit werden Verfahren zur baustofflichen und statisch-konstruktiven Beurteilung von bestehenden Gebäuden mit Außenwandelementen aus haufwerksporigem Leichtbeton mit gefügedichten Betondeckschichten entwickelt und beurteilt. Zunächst werden die an 110 Objekten auf der Grundlage von entwickelten Prüfverfahren diagnostizierten baustofflichen Parameter dieser Außenwandelemente dem Vorschriftenwerk der DIN zugeordet und Spektren bzw. Korrelationen ausgewiesen. Im Ergebnis der baustofflichen Beurteilung werden Berechnungsverfahren, welche das tatsächliche Tragverhalten dieser mehrschichtigen Außenwandelemente erfassen, entwickelt. Auf der Grundlage theoretischer und experimenteller Untersuchungen werden diese Berechnungsverfahren beurteilt und dem der ursprünglichen Planung der Gebäude zugrundeliegenden genormten Berechnungsverfahren für einschichtige Querschnitte gegenübergestellt. Desweiteren werden standsicherheitserhöhende Maßnahmen für diese Gebäude diskutiert und der Einfluß von Zementleiminjektagen auf die baustofflichen und statisch-konstruktiven Parameter beschrieben. Darüber hinaus werden die baustofflichen Voraussetzungen für eine Anwendbarkeit von Zementleiminjektagen im haufwerksporigen Leichtbeton ausgewiesen. Die Ergebnisse der Anwendung der in dieser Arbeit entwickelten Prüf- und Berechnungsverfahren auf vorhandene Gebäude im Rahmen von Fassadensanierungsmaßnahmen werden dargestellt und beurteilt.