Experimentelle Untersuchungen des Schwingungs- und Dämpfungsverhaltens einer Dippelbaumdecke mit Basalt-textilbewehrter Aufbetonschicht

Abstract

Dippelbaumdecken waren im Gebiet der ehemaligen Habsburgermonarchie während der Biedermeier- und Gründerzeit eine weit verbreitete Deckenkonstruktion. In Wien war ihre Verwendung für die oberste Geschossdecke behördlich vorgeschrieben, da sie aufgrund ihrer hohen Tragfähigkeit Trümmerlasten aufnehmen konnten und aus Brandschutzgründen als besonders geeignet galt. Im Zuge von Dachgeschossausbauten verlangt diese historische Deckenkonstruktion nun nach effizienten Sanierungsmaßnahmen um die Tragfähigkeit und vor allem die Gebrauchstauglichkeit zu verbessern. Die derzeit übliche Methode ist eine Verstärkung der Dippelbäume mit einer Aufbetonschicht aus Stahlbeton. Dabei wird über Schubverbinder, wie z.B. Schrauben, ein Holz-Beton-Verbundquerschnitt hergestellt. Durch die notwendige Betondeckung von Stahlbewehrungen ergeben sich Aufbetonschichtstärken von ca. 5-7cm, obwohl diese statisch oft nicht erforderlich sind. Dieses zusätzliche Eigengewicht kann Verstärkungsmaßnahmen an den bestehenden Tragstrukturen erforderlich machen. Eine mögliche Alternative ist die Verwendung einer dünnen, Basalt-textilbewehrten Aufbetonschicht. Ziel dieser Arbeit ist, die Eigenschaften einer Dippelbaumdeckenverstärkung mit einer dünnen Basalt-textilbewehrten Aufbetonschicht im Vergleich zur klassischen Stahlbetonlösung zu ermitteln. Dazu wurde eine experimentelle Untersuchung an zwei Verbunddeckenstreifen mit einer Länge von 4,7m durchgeführt. Die Versuche umfassten einen zerstörenden Belastungsversuch zur Untersuchung des Tragverhaltens sowie verschiedene Schwingungsversuche zur Analyse der dynamischen Eigenschaften. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Auswertung zweiterem. Ergänzend dazu wurde ein Finite-Elemente-Modell erstellt und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Darauf aufbauend wurde eine Übertragung auf typische Spannweiten von Gründerzeithäusern durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Basalt-textilbewehrte Aufbetonschicht eine vielversprechende und ressourcenschonende Alternative zur herkömmlichen Sanierungsmethode darstellt. Die Stahlbeton-Verbunddecke weist aufgrund der größeren Höhe und somit größeren Biegesteifigkeit zwar geringere Durchbiegungen auf, jedoch ist der Unterschied in den dynamischen Eigenschaften, wie etwa der ersten Eigenfrequenz, gering. Sowohl die experimentellen Untersuchungen als auch die Finite-Elemente-Modelle zeigen, dass beide Verstärkungsmethoden die Anforderungen an Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit gemäß Eurocode 5 erfüllen. Diese Erkenntnisse unterstreichen das Potenzial der Basalt-Textilbewehrung als innovative Sanierungsmethode für Dippelbaumdecken. Für eine vollständige Bewertung sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich, insbesondere hinsichtlich des Langzeitverhaltens und der horizontalen Lastabtragung.

Dowel beam ceilings were a common ceiling construction in the former Habsburg Monarchy during the Biedermeier and Gründerzeit periods. Their use for top floor ceilings was mandated by the authorities in Vienna because of their high load-bearing capacity to withstand debris loads and because they were considered particularly suitable for fire protection. In the course of loft conversions, this historic ceiling structure now requires efficient retrofitting measures to improve its load-bearing capacity and, above all, its serviceability. The current standard method is to add a layer of reinforced concrete on top of the dowel beams. Shear connectors, such as screws, are used to create a timber-concrete composite section. The required thickness of the concrete covering the steel reinforcement results in concrete layer thicknesses of approximately 5-7cm, although this is often not necessary from a structural point of view. This additional weight may require supporting and strengthening measures of the existing structure. A possible alternative is the use of a thin basalt textile reinforced concrete layer. The aim of this work is to determine the properties of a retrofitted dowel beam ceiling with a thin basalt textile-reinforced concrete layer in contrast to the established steel reinforced concrete solution. For this purpose, an experimental investigation was carried out on two timber-concrete composite floors with a length of 4.7m. The experimental setup included a destructive load test to investigate the load-bearing capacity and various vibration tests to analyze the dynamic properties. This thesis focuses on the evaluation of the latter. In addition, a finite element model was developed and compared with the experimental results. From this model, conclusions for typical spans of Gründerzeit houses were drawn. The results show that the basalt textile-reinforced concrete layer is a promising and resource-efficient alternative to the conventional retrofitting method. The steel-reinforced concrete composite floor has lower deflection values due to its greater height and therefore greater bending stiffness. However, the differences in dynamic properties, such as the first natural frequency, are minor. Both the experimental results and the finite element models show that both methods meet the Eurocode 5 requirements for load-bearing capacity and serviceability. These results underline the potential of basalt textile-reinforcement as an innovative retrofit method for dowel beam ceilings. However, further investigations are required for a complete evaluation, especially regarding long-term behavior and the horizontal load-bearing capacity.