Investigations of the Loadbearing Behaviour of Timber Bending Beams Reinforced Using Prestressed CFRP-Lamellas

Lehmann, Martin

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.

Die Sanierung von bestehenden Gebäuden bringt häufig eine Erhöhung der Nutz- und Auflasten mit sich. Dies und die von den neuen Normen geforderten höheren Sicherheitsfaktoren erfordern oft eine Verstärkung der bestehenden Tragstruktur. Die meisten Massnahmen verwandeln den Holzbalken in einen Verbundquerschnitt. Zusammengesetzte Querschnitte haben in der Holzkonstruktion eine lange Tradition. Zu Beginn wurden die Konstruktionen durch Verzahnen und / oder durch Hartholzdübel respektive Keile miteinander verbunden. Kohlefaser verstärke Kunststoffe (CFK) haben bereits den Nachweis der Effizienz zur Verstärkung bestehender Strukturen erbracht, dies insbesondere im Betonbau. Verstärkungen im Holzbau werden bereits durchgeführt, jedoch hat sich bis heute noch keine Methode etabliert welche für alle involvierten Parteien wie Bauherr, Bauunternehmung, Architekt Ingenieur und Denkmalpflege zufriedenstellend ist. Verschiedene Untersuchungen zeigten, dass CFK das Potenzial hat diese Ansprüche zu erfüllen. Um mit dem Hochleistungsmaterial CFK auch die Durchbiegung reduzieren zu können ist entweder eine Vorspannung notwendig oder es muss andererseits sehr viel CFK eingesetzt werden, was die Methode unnötig verteuert. Leider kommt eine Vorspannung meist Hand in Hand mit Delaminierungsproblemen. Die Ursache dafür sind konzentrierte Schubspannungen an den Lamellenenden. Hier setzt die in der Dissertation präsentierte Methode zur Vorspannung von Biegebalken an und löst die bekannten Probleme. Die Vorspannung wird durch Überhöhung des zu sanierenden Balkens während der Verklebung mit der Kohlefaserlamelle erzeugt. Dies erfolgt mit Hilfe einer Schalungsstütze in der Mitte des Balkens. Durch das Entfernen der Schalungsstütze wird der verstärkte Balken vorgespannt und kann belastet werden. Das durch die Überhöhung induzierte Biegemoment ist dreieckförmig. Daher ist die Schubspannung in der Klebefuge gleichmässig über die Länge verteilt und auf eine konzentrierte Verankerung der Vorspannkraft wird verzichtet. Die Vorspannkraft ist in der Mitte, wo sie am meisten benötigt wird, am grössten und gegen aussen abnehmend. Ein analytisches Berechnungsmodel zur Berechnung und Dimensionierung von Balken, welche mit der präsentierten Methode vorgespannt sind, wurde entwickelt. Nummerische Modellierungen mit einem nichtlinearen Materialmodell für Holz bestätigten die Resultate der analytischen Berechnungen und das klar reduzierte Risiko gegenüber Delaminierung. Die Laborversuche beinhalteten eine Parameterstudie sowie die Ermittlung der Bruchlast von vorgespannten Holzbalken mit baupraktischen Abmessungen. Die Tragfähigkeit konnte um ca. 50 % gesteigert werden. Der Beitrag zur vebrauchstauglichkeit war, abhängig vom Gefährdungsbild, bis zu 70 %. Berechnungen zeigten, dass bei der Verwendung von hochmoduligen CFK-Lamellen diese Werte je nach Anforderung und Gefährdungsbild noch höher ausfallen. Das Langzeitverhalten des Verbundquerschnittes wurde analytisch untersucht. Durch das Kriechen des Holzes wird es über die Zeit leicht entlastet und der CFK übernimmt mehr Last. Bei hochmoduligen CFK-Lamellen kann die Kapazität von Holz und CFK vollständig ausgenutzt werden. Die ausführlichen Untersuchungen bewiesen die Effizienz der präsentierten Verstärkungsmethode. Mit dem analytischen Berechnungsmodell können verstärkte Balken sicher dimensioniert und das Langzeitverhalten abgeschätzt werden.

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Lehmann, Martin: Investigations of the Loadbearing Behaviour of Timber Bending Beams Reinforced Using Prestressed CFRP-Lamellas. 2015.

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