Καµπτική ενίσχυση στοιχείων σκυροδέµατος µε ένθετα ελάσµατα από ινοπλισµένα πολυµερή (ΙΟΠ)

Transcript

1 Καµπτική ενίσχυση στοιχείων σκυροδέµατος µε ένθετα ελάσµατα από ινοπλισµένα πολυµερή (ΙΟΠ). Γ. ΝΟΒΙ ΗΣ Υποψήφιος διδάκτωρ τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών ΠΘ Σ. Ι. ΠΑΝΤΑΖΟΠΟΥΛΟΥ Καθηγήτρια τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών ΠΘ Λέξεις κλειδιά: ελάσµατα, ΙΟΠ, ενισχύσεις, επισκευές, EBR, NSM, οπλισµένο σκυρόδεµα 1 ΜΕΘΟ ΟΙ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Ο. Σ. ΣΕ ΚΑΜΨΗ ΜΕ ΥΣΚΑΜΠΤΑ ΙΟΠ ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Υφιστάµενα στοιχεία σκυροδέµατος µε ανεπάρκεια καµπτικής αντοχής µπορούν να ενισχυθούν µε την προσθήκη δύσκαµπτων λωρίδων ή ελασµάτων από ΙΟΠ είτε εξωτερικά επικολλούµενων, είτε ένθετων (σε επιφανειακές εγκοπές) στην εφελκυόµενη παρειά. Αυτή η τεχνική αποτελεί εξέλιξη παλαιότερης µεθόδου ενίσχυσης µε εξωτερικά επικολλούµενα µεταλλικά ελάσµατα (επιθέµατα) και παρέχει το συγκριτικό πλεονέκτηµα του µικρού βάρους των συνθέτων προϊόντων σε σχέση µε το χάλυβα, της χαµηλότερης δυσκαµψίας και της αδράνειάς τους έναντι διάβρωσης. Κρίσιµο πρόβληµα σχεδιασµού για αυτή την κατηγορία ενισχύσεων είναι το µέγεθος της συνάφειας που µπορεί να αναπτυχθεί κατά µήκος της ένωσης, και η αποτροπή της αστοχίας από αποκόλληση που συχνά παρατηρείται στις θέσεις των ρωγµών καθώς και στα σηµεία απότµησης του ελάσµατος στο ενισχυµένο / επισκευασµένο στοιχείο. 1.1 Καµπτική ενίσχυση µε εξωτερικά επικολλούµενα ελάσµατα - (Externally Bonded Reinforcement, EBR) Για την εξωτερική επικόλληση των λωρίδων ΙΟΠ απαιτείται εκτράχυνση της εφελκυόµενης παρειάς. Το συγκολλητικό υλικό είναι είτε τσιµεντοκονίαµα είτε εποξειδική κόλλα. Οι κυριότερες εφαρµογές σκοπούν σε ενίσχυση ανεπαρκών υφιστάµενων δοµηµάτων, είτε λόγω κακού αρχικού σχεδιασµού, είτε λόγω φθοράς από περιβαλλοντικούς παράγοντες του αρχικού οπλισµού (διάβρωση), είτε λόγω αυξηµένων φορτίων σχεδιασµού που επιβάλλονται από αλλαγή χρήσης του δοµήµατος. Για την αποφυγή πρόωρων αστοχιών, όπως έχει παρατηρηθεί από διάφορους ερευνητές, Oehlers & Moran (199), Taljisten (1997), Malek και Συνεργάτες (199), Smith & Teng (), Pes ic & Pilakoutas (3), Spacone και Συνεργάτες (4), οι σχετικοί κανονισµοί απαιτούν την λήψη συνδυασµένων µέτρων, δηλαδή: (1) επέκταση του ελάσµατος όσο το δυνατό πιο κοντά στις θέσεις µηδενισµού των ροπών του στοιχείου (για εξουδετέρωση της καµπυλότητας και των συνακόλουθων ορθών τάσεων που οδηγούν σε αποκόλληση), () µηχανική αγκύρωση στο πέρας του ελάσµατος µε εγκάρσιους µανδύες ΙΟΠ ή βλήτρα µε το µειονέκτηµα ότι συνεχίζει να υφίσταται ο κίνδυνος της έναρξης αποκόλλησης από ενδιάµεσες καµπτικές ρωγµές στο άνοιγµα. 1. Καµπτική ενίσχυση µε ένθετα ελάσµατα σε επιφανειακές εγκοπές - (Near Surface Mounted, NSM) Η εκδοχή αυτή έχει εξελιχθεί την τελευταία δεκαετία ως εναλλακτική της προηγούµενης επειδή τα φαινόµενα αποκόλλησης ελέγχονται καλύτερα ή και αποσοβούνται. Η τεχνική αυτή προϋποθέτει 1ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου., 6 1

2 την διάνοιξη των εγκοπών στην εφελκυόµενη παρειά των προς ενίσχυση στοιχείων µε τη βοήθεια ειδικού εξοπλισµού, De Lorenzis & κ.α. (1), Hassan & Rizkalla (3), Barros & κ.α. (6). Το βάθος της εγκοπής που απαιτείται εξαρτάται από τη διάσταση του οπλισµού που προστίθεται (βάθος το πολύ µέχρι mm για δύσκαµπτα ελάσµατα, και µέχρι mm για ράβδους ΙΟΠ) και πάντως σε βάθος που δεν διακόπτει τον υφιστάµενο οπλισµό του στοιχείου. Η εσωτερική επιφάνεια της εγκοπής είναι τραχιά από τη διαδικασία διάνοιξής της. Αρχικά τοποθετείται µία στρώση µικρού πάχους του συγκολλητικού υλικού, πιέζεται το έλασµα κατά µήκος της εγκοπής και τέλος συµπληρώνεται το εναποµένον πάχος της εγκοπής µε συγκολλητικό υλικό. Βασικό πλεονέκτηµα της µεθόδου είναι ότι ο οπλισµός ενίσχυσης ενσωµατώνεται στο σώµα του στοιχείου, σε αντίθεση µε την προηγούµενη τεχνική στην οποία παράµενε ως εξωτερικός οπλισµός, µε αποτέλεσµα να αποφεύγονται µορφές αστοχίας που αφορούν σε αποφλοίωση του οπλισµού από το σκυρόδεµα όπως αποκόλληση του ελάσµατος στα σηµεία απότµησης ή αποκόλληση του ελάσµατος σε θέσεις ενδιάµεσων ρωγµών. Άλλα πλεονεκτήµατα αφορούν σε βελτιωµένη πυροπροστασία του σύνθετου οπλισµού, καθώς και προστασία από υπεριώδη ακτινοβολία και το ενδεχόµενο βανδαλισµών. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Ο. Σ. ΣΕ ΚΑΜΨΗ ΜΕ ΥΣΚΑΜΠΤΑ ΙΟΠ ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Το πειραµατικό πρόγραµµα που πραγµατοποιήθηκε στο εργαστήριο Οπλισµένου Σκυροδέµατος του ΠΘ συµπεριλάµβανε την κατασκευή εννέα δοκών-δοκιµίων καµπτικής συµπεριφοράς µε υφιστάµενο οπλισµό προς ενίσχυση µε πρόσθετο διαµήκη οπλισµό από δύσκαµπτες λωρίδες σύνθετων ελάσµάτων από άνθρακα. Η ενίσχυση των δοκών επιτεύχθηκε είτε µε την προσθήκη εξωτερικά επικολλούµενων ελασµάτων είτε µε ένθετα ελάσµατα σε επιφανειακές εγκοπές µε την χρήση εποξειδικής πάστας ρητίνης ως συγκολλητικό µέσο. Σκοπός της µελέτης ήταν να αποτιµηθούν τα χαρακτηριστικά και ο µηχανισµός συνάφειας µεταξύ του σύνθετου οπλισµού και του στοιχείου προς ενίσχυση καθώς και η αποδοτικότητα της κάθε µεθόδου ενίσχυσης..1 Γεωµετρικά και τεχνικά χαρακτηριστικά των δοκών-δοκιµίων Κατασκευάστηκαν εννέα δοκοί Ο.Σ. ορθογωνικής διατοµής διαστάσεων (1 x 3 mm ύψος x πλάτος), µήκους 1 mm. Τοποθετήθηκε διαµήκης οπλισµός από δύο ράβδους διαµέτρου mm στην εφελκυόµενη και θλιβόµενη ζώνη καθώς και εγκάρσιος οπλισµός αποτελούµενος από δίτµητους συνδετήρες διαµέτρου mm ανά 1 mm. Το σκυρόδεµα που χρησιµοποιήθηκε κατά την σκυροδέτηση ήταν κατηγορίας C/3 και η ονοµαστική κατηγορία του χάλυβα οπλισµού ήταν S. Κατά την σκυροδέτηση ελήφθησαν εννέα κυλινδρικά δοκίµια σκυροδέµατος σε µεταλλικές µήτρες διαµέτρου 1 mm και ύψους 3 mm προς έλεγχο της θλιπτικής τους αντοχής µετά την πάροδο ηµέρων και κατά την έναρξη των πειραµάτων. Από την δοκιµή αντοχής σε θλίψη των εν λόγω δοκιµίων προέκυψε η µέση θλιπτική αντοχή του σκυροδέµατος ίση µε 3. MPa. Οι γεωµετρικές διαστάσεις των δοκιµίων και η διάταξη των οπλισµών, πριν την ενίσχυση παρουσιάζονται στο σχήµα 1. Για την ενίσχυση των δοκών χρησιµοποιήθηκαν ΙΟΠ ελάσµατα και µανδύες από άνθρακα µέσω συγκολλητικού υλικού εποξειδικής ρητίνης, Πίνακας 1. Η χρήση των ΙΟΠ µανδύων αφορούσε στον έλεγχο της αγκύρωσης στα σηµεία απότµησης των ελασµάτων. 1 Φ Φ/1 1 Σχήµα 1. Γεωµετρικές διαστάσεις και διάταξη των οπλισµών. 3 3 Μονάδες: (mm) 1ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου., 6

3 Πίνακας 1. Γεωµετρικά και τεχνικά χαρακτηριστικά των σύνθετων υλικών Τύπος σύνθετου υλικού συστηµάτων (MBrace) Μέτρο ελαστικότητας Ε t (MPa) Μέγιστη παραµόρφωση ε u (%) Εφελκυστική αντοχή f ut (MPa) Πάχος t (mm) Πλάτος w (mm) Έλασµα 16, Μανδύας 3, Αστάρι Ρητίνη Περιγραφή των µεθόδων ενίσχυσης των δοκών-δοκιµίων Η οµάδα των εννέα δοκών δοκιµίων χωρίσθηκε σε τρεις κατηγορίες, Πίνακας. Η 1 η κατηγορία συµπεριελάµβανε δύο δοκούς ελέγχου χωρίς ενίσχυση. Στην η κατηγορία συµπεριλήφθησαν δύο δοκοί για ενίσχυση µε εξωτερικά επικολλούµενα ελάσµατα και στην 3 η κατηγορία συµπεριλήφθησαν οι υπόλοιπες πέντε δοκοί προς ενίσχυση µε ένθετα ελάσµατα σε επιφανειακές εγκοπές. Οι δύο δοκοί ελέγχου ήταν πανοµοιότυπες - µε τις ίδιες δηλαδή διατάξεις αρχικού οπλισµού όπως και τα υπόλοιπα δοκίµια - και αναφέρονται εφεξής ως Control-Beams (CB) επειδή χρησιµοποιήθηκαν ως σηµείο αναφοράς για τον έλεγχο της καµπτικής αντοχής των στοιχείων. Στο πειραµατικό πρόγραµµα αναφέρονται ως CB1 και CB. Η ενίσχυση των δοκών της ης κατηγορίας πραγµατοποιήθηκε µέσω εξωτερικά επικολλούµενου ελάσµατος πάχους mm και µήκους 94 mm, το οποίο τοποθετήθηκε κεντρικά στην κάτω εφελκυστική παρειά της κάθε δοκού. Η µοναδική διαφορά ενίσχυσης µεταξύ των δύο δοκών αφορά στην τοποθέτηση στην µία δοκό εγκάσριου µανδύα µίας στρώσης στο πέρας του ελάσµατος µήκους mm και πλάτους 3 mm. Στο πειραµατικό πρόγραµµα οι δύο δοκοί αναφέρονται ως LBEBR και LBEBR-J αντίστοιχα. Οι χαρακτήρες (LB) στην κωδική ονοµασία αντιστοιχούν στην ύπαρξη ελάσµατος (Laminate, Beam), ο αριθµός () στο πλάτος του ελάσµατος, η ονοµασία (EBR) στην µέθοδο ενίσχυσης (Externally Bonded Reinforcement έναντι Near Surface Mounted) και ο χαρακτήρας (J) στην τοποθέτηση µανδύα (Jacket). Η 3 η κατηγορία δοκών αφορά στην µελέτη ενίσχυσης δοκών µε ελάσµατα ένθετα σε επιφανειακές εγκοπές. Αντικείµενο των δοκιµών ήταν η διερεύνηση των βασικών παραµέτρων σχεδιασµού της ενίσχυσης, όπως το πάχος της εγκοπής, το πλάτος του ελάσµατος, η τοποθέτηση του πάχους του ελάσµατος σε οριζόντια ή σε κατακόρυφη κατεύθυνση και η τοποθέτηση εγκάρσιου µανδύα για ενίσχυση της αγκύρωσης στα σηµεία απότµησης του ελάσµατος. Αναλυτικά, δύο δοκοί κατασκευάστηκαν µε υφιστάµενη εγκοπή κατά την σκυροδέτηση πλάτους mm, βάθους 1 mm και µήκους 94 mm. Μετά την τοποθέτηση του ελάσµατος στις δοκούς, στην δεύτερη τοποθετήθηκε εγκάρσιος µανδύας µίας στρώσης στο πέρας του ελάσµατος µήκους mm και πλάτους 3 mm, όπως και στην δοκό LBEBR-J της ης κατηγορίας. Στην τρίτη κατά σειρά δοκό η εγκοπή που προκατασκευάστηκε είχε το ίδιο πλάτος και µήκος των δύο πρώτων αλλά διπλάσιο βάθος ίσο µε mm. Στην τέταρτη δοκό προκατασκευάστηκαν δύο εγκοπές κάθετες στην παρειά της δοκού πλάτους 3 mm, βάθους mm και µήκους πάλι 94 mm κεντρικά και σε απόσταση µεταξύ τους mm. Τέλος, στην πέµπτη δοκό το µήκος και το βάθος της εγκοπής κατασκευάσθηκε όµοιο της τρίτης δοκού µε την διαφορά ότι διπλασιάστηκε το πλάτος της από mm σε 1 mm. Η αντίστοιχη κωδική ονοµασία των πέντε τελευταίων δοκιµίων είναι: LBNSM1, LBNSM1-J, LBNSM, LB.3NSM. και LB1NSM. Το τελευταίο νούµερο στις ονοµασίες υποδηλώνει το βάθος της εγοπής σε (cm) και ο χαρακτηρισµός (NSM) υποδηλώνει την µέθοδο ενίσχυσης (Near Surface Mounted). Σηµειώνεται ότι οι επιφάνειες των εγκοπών εκτραχύνθηκαν µέχρις ότου δηµιουργηθούν ανοµοιόµορφες αυλακώσεις βάθους περίπου 1 mm. Επίσης, πριν την τοποθέτηση των ελασµάτων µέσω της εποξειδικής ρητίνης, ήταν απαραίτητο, σύµφωνα µε την υπεύθυνη εταιρία προµήθειας των σύνθετων υλικών, αρχικά να επαληφθούν οι επιφάνειες της εγκοπής µε ειδικό αστάρι ώστε να 1ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου., 6 3

4 εξασφαλισθεί η κατάλληλη πρόσφυση για την βάση του συστήµατος ελασµάτων (MBrace) µε σκοπό την δηµιουργία ισχυρών δεσµών συνάφειας µεταξύ των διαφορετικών υλικών. Κατόπιν και µετά την πάροδο ενός χρονικού διαστήµατος ολοκληρώθηκε η διαδικασία ενίσχυσης µε τον τρόπο που αναφέρθηκε στην παράγραφο 1.. Στο σχήµα παρουσιάζεται η διαδικάσία ενίσχυσης στο εργαστήριο ενδεικτικά για την δοκό LB1NSM. (γ) (δ) Σχήµα. Προκατασκευασµένη εγκοπή πλάτους 1 mm, διάστρωση ασταριού προ ρητίνης, (γ) διάστρωση ρητίνης και τοποθέτηση ελάσµατος και (δ) τελική διάστρωση ρητίνης. Πίνακας. Συγκεντρωτικός πίνακας χαρακτηριστικών των δοκών - δοκιµίων Α/Α Όνοµα δοκιµίου Σχήµα διατοµής Βάθος εγκοπής t g (mm) Πλάτος εγκοπής w g (mm) Αριθµός ελασµάτων Τοποθέτηση µανδύα 1.1 CB CB LBEBR LBEBR-J Ναι 3.1 LBNSM LBNSM1-J Ναι 3.3 LBNSM LB.3NSM LB1NSM ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου., 6 4

5 .3 ιάταξη φόρτισης, οργάνων και καταγραφή αποτελεσµάτων Η γενική διάταξη δοκιµίου-φόρτισης προσαρµόστηκε σε πλαίσιο αποτελούµενο από µεταλλική κατασκευή διατοµών τύπου UPN και RHS, Σχήµα 3. Η φόρτιση των δοκών πραγµατοποιήθηκε µε την γνώριµη επονοµαζόµενη διάταξη τεσσάρων σηµείων µέσω δυο συµµετρικών συγκεντρωµένων φορτίων όπως φαίνεται και στο σχήµα 3. Η φόρτιση επιβλήθηκε µονότονα σε όλες τις δοκούς εκτός της τελευταίας, LB1NSM, η οποία υποβλήθηκε σε φόρτιση αποφόρτιση µετά την σταθεροποιηµένη ρηγµάτωση µε σκοπό την διερεύνηση της ης µεθόδου ενίσχυσης, µε ένθετα ελάσµατα σε επιφανειακές εγκοπές, υπό κόπωση. Η διαδικασία φόρτισης πραγµατοποιήθηκε µε υδραυλική πρέσα δυνατότητας φορτίου tn, η οποία συνδέθηκε µε ηλεκτρονικό υπολογιστή ώστε οι τιµές του φορτίου να καταγράφονται σε αρχείο προγράµµατος βάσης δεδοµένων (4 τιµές ανά 1 sec) µέσω ηλεκτρονικής συσκευής. Επίσης στην θέση επιβολής των συγκεντρωµένων φορτίων χρησιµοποιήθηκαν µεταλλικές πλάκες µικρού πλάτους ώστε να εξασφαλισθεί η σηµειακή εφαρµογή των φορτίων. Για την ακριβή µέτρηση των µετακινήσεων χρησιµοποιήθηκε ηλεκτρονικό µηκυνσιόµετρο (LVDT, Σχήµα 4) ενώ για την παρακολούθηση των ρωγµών καθώς και της µορφής αστοχίας χρησιµοποιήθηκε ψηφιακή φοτωγραφική µηχανή Σχήµα 3. Γενική διάταξη δοκιµίου-φόρτισης και γεωµετρικά χαρακτηριστικά φόρτισης 4 σηµείων. Στηρίξεις 1 16 LVDT Έλασµα Σκυρόδεµα Σηµεία φόρτισης 94 L b = 39 Σχήµα 4. Φοτωγραφία διάταξης δοκιµίου-φόρτισης και LVDT και ενδεικτική διάταξη ελάσµατος. 1ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου., 6

6 .4 Πειραµατικά αποτελέσµατα Η εκτέλεση των πειραµάτων πραγµατοποιήθηκε κατά κατηγορία, µε την σειρά της ως άνω παρουσίασης και τα πειραµατικά αποτελέσµατα δίνονται συγκεντρωτικά για όλα τα δοκίµια στους πίνακες 3 και 4. Έξη διαφορετικές µορφές αστοχίας παρατηρήθηκαν κατά την φόρτιση των δοκών: Καµπτική αστοχία στις δοκούς ελέγχου, CB1 και CB, αποκόλληση του ελάσµατος στο πέρας του στην ενισχυµένη δοκό, LBEBR, (γ) αποκόλληση της ρητίνης µε το έλασµα στο πέρας του στις ενισχυµένες δοκούς, LBNSM1 και LB1NSM, (δ) αποκόλληση της ρητίνης µε το έλασµα σε θέση ενδιάµεσων ρωγµών στις ενισχυµένες δοκούς, LBEBR-J και LBNSM1-J, (ε) εγκάρσια θραύση της ρητίνης και ολίσθηση του ένθετου ελάσµατος στο σώµα της στην ενισχυµένη δοκό LBNSM και (στ) διατµητική αστοχία του κορµού των ενισχυµένων δοκών, LB.3NSM. και LB1NSM. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα των δοκών, CB1 και CB, παρουσιάζονται γραφικά στο σχήµα και γίνεται σύγκριση αυτών µε την αναλυτική καµπύλη αντοχής των στοιχείων στην αρχική κατάσταση, στο σχήµα. Για τους αναλυτικούς υπολογισµούς χρησιµοποιήθηκε για το σκυρόδεµα η σχέση τάσεων παραµορφώσεων του Hognestad και για τον χάλυβα, κατηγορίας S ελαστοπλαστικό διάγραµµα. Η βύθιση της δοκού (ακριβώς κάτω από τα σηµεία φόρτισης) υπολογίσθηκε βάσει των τιµών καµπυλοτήτων που προέκυψαν από την ανάλυση διατοµής. Η καµπτική αστοχία των εν λόγω δοκών απεικονίζεται στα σχήµατα 6 και 6, όπου διακρίνονται µε έντονο µαύρο χρώµα η εξέλιξη των καµπτικών ρωγµών και η µεταξύ τους απόσταση η οποία κυµαίνεται από 1 έως mm CB CB1 1 M (KNm ) P (KN) 4 Ανάλυση διατοµής CB 6 CB δ (mm) δ (mm) Σχήµα. Καµπύλη Φορτίου Βύθισης για τις δοκούς CB1 και CB και Σύγκριση πειραµατικών και αναλυτικών αποτελεσµάτων βάσει Ροπής Βύθισης για τις δοκούς CB1 και CB Σχήµα 6. Καµπτική αστοχία δοκού CB1 και καµπτική αστοχία δοκού CB. 1ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου., 6 6

7 Πίνακας 3. Συγκεντρωτικός πίνακας πειραµατικών αποτελεσµάτων των δοκών δοκιµίων (πορεία ρηγµάτωσης) Α/Α Όνοµα δοκιµίου Φορτίο (1 ης ) P cr,1 (KN) Βύθιση (1 ης ) δ cr (mm) Φορτίο ( ης ) P cr, (KN) Φορτίο (3 ης ) P cr,3 (KN) Φορτίο (4 ης ) P cr,4 (KN) Φορτίο ( ης ) P cr, (KN) Φορτίο (6 ης ) P cr,6 (KN) Φορτίο σταθερής ρηγµάτωσης P cr,s (KN) Βύθιση σταθερής ρηγµάτωσης δ cr,s (mm) 1 CB CB LBEBR LBEBR-J LBNSM LBNSM1-J LBNSM LB.3NSM LB1NSM Πίνακας 4. Συγκεντρωτικός πίνακας πειραµατικών αποτελεσµάτων των δοκών δοκιµίων Α/Α Όνοµα δοκιµίου Φορτίο διαρροής P y (KN) Βύθιση διαρροής δ y (mm) Φορτίο αστοχίας P u (KN) Βύθιση αστοχίας δ u (mm) Ροπή αστοχίας Μ u (KN) Αξονική δύναµη ελάσµατος f fp.u (ΚΝ) Αξονική παραµόρφωση ελάσµατος ε fp,u Ποσοστό αξ. παραµόρφωσης ελάσµατος ε fp,u / ε u (%) Αύξηση αντοχής (%) *Μορφή αστοχίας 1 CB CB LBEBR LBEBR-J (δ)+ LBNSM (γ) 6 LBNSM1-J (δ) 7 LBNSM (ε) LB.3NSM (στ) 9 LB1NSM (στ)+(γ) * Μορφή αστοχίας: Καµπτική αστοχία της δοκού, αποκόλληση του ελάσµατος στο πέρας του, (γ) αποκόλληση της ρητίνης µε το έλασµα στο πέρας του (δ) αποκόλληση της ρητίνης µε το έλασµα σε θέση ενδιάµεσων ρωγµών, (ε) εγκάρσια θραύση της ρητίνης και ολίσθηση του ένθετου ελάσµατος στο σώµα της κατά µήκος και (στ) διατµητική αστοχία της δοκού. 1ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου., 6 7

8 LBEBR-J LBEBR δ (mm) CB P (KN) P (KN) Η µέθοδος ενίσχυσης της δοκού αναφοράς µε εξωτερικά επικολλούµενο έλασµα πρόσφερε σχετικά µικρή αύξηση της καµπτικής αντοχής της, περίπου 1. %, λόγω της πρόωρης αποκόλλησης του ελάσµατος που επήλθε (δοκός LBEBR, Σχήµα 7α). Η συγκεκριµένη αστοχία είναι απότοµη και οφείλεται σε συγκέντρωση ορθών εφελκυστικών τάσεων στο πέρας του ελάσµατος λόγω της καµπυλότητας του στοιχείου σε αυτή τη θέση. Επειδή η εφελκυστική αντοχή της επιφανειακής στρώσης του σκυροδέµατος που αποτελεί και υπόστρωµα για την ενίσχυση είναι πολύ χαµηλή, το αποκολλούµενο έλασµα συµπαρασύρει µόνον ένα λεπτό στρώµα σκυροδέµατος χωρίς διάρρηξη της επικάλυψης, όπως φαίνεται και στο σχήµα. εδοµένου αυτού του τρόπου αστοχίας, η δεύτερη ενισχυµένη δοκός µε εξωτερικά επικολλούµενο έλασµα, LBEBR-J, ενισχύθηκε στις περιοχές αγκύρωσης του ελάσµατος µε µία στρώση σύνθετου µανδύα από άνθρακα. Η τοποθέτηση της µίας στρώσης µανδύα τελικά δεν συντέλεσε σε περαιτέρω αύξηση της καµπτικής αντοχής της δοκού σε σχέση µε την πρώτη, αλλά συνεισέφερε στην καθυστέρηση της τελικής αστοχίας της, η οποία συµβαίνει λόγω της θραύσης του εφελκυόµενου χαλύβδινου οπλισµού, αλλά και στην διαµόρφωση τελικά διαφορετικής µορφής αστοχίας. Η καθυστέρηση έναρξης της αστοχίας στο εν λόγω δοκίµιο συνεπάγεται πραγµατοποίηση µεγαλύτερης βύθισης σε σχέση µε την αρχική κατά περίπου 1 mm, η οποία απεικονίζεται στο συγκρητικό διάγραµµα του σχήµατος 7. Η αστοχία επήλθε πρώτα από αποκόλληση του ελάσµατος ενδιάµεσα των ρωγµών 1 και η οποία εν συνεχεία διαδόθηκε µέχρι το πέρας του, Σχήµα LBNSM CB LBNSM1-J 1 1 LBNSM1 3 3 δ (mm) 4 4 Σχήµα 7. Καµπύλη Φορτίου Βύθισης για τις δοκούς LBEBR και LBEBR-J και LBNSM1, LBNSM1-J και LBNSM Σχήµα. Αστοχία αποκόλλησης του ελάσµατος στο πέρας του της δοκού LBEBR και αστοχία αποκόλλησης του ελάσµατος ενδιάµεσα των ρωγµών 1 και για την δοκό LBEBR-J. Στην περίπτωση της ενίσχυσης µε ένθετο έλασµα σε επιφανειακή εγκοπή, τα αποτελέσµατα κρίνονται ως πιο αποδοτικά. Στην δοκό LBNSM1, µε βάθος και πλάτος εγκοπής 1 και mm αντίστοιχα η αύξηση της καµπτικής αντοχής ήταν περίπου 3. % της αρχικής, Σχήµα 7. Η 1ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου., 6

9 αστοχία προκλήθηκε από την αποκόλληση της ρητίνης στην διεπιφάνεια µε το σκυρόδεµα, Σχήµα 9, και ξεκίνησε από το πέρας του ελάσµατος όπως και στην περίπτωση της δοκού LBEBR. Η αστοχία οφείλεται στην υπερίσχυση της εφελκυστικής αντοχής ρητίνης-ελάσµατος έναντι της διαµητικής αντοχής της διεπιφάνειας. Σηµειώνεται ότι οι δυνάµεις του ελάσµατος µεταβιβάζονται στο υπόστρωµα του σκυροδέµατος µέσω διατµητικών τάσεων (τάσεις συνάφειας) στο πάχος της διεπιφανειακής στρώσης (ρητίνη, και ένωση ρητίνης σκυροδέµατος). Η περαιτέρω ενίσχυση της προηγούµενης δοκού στις περιοχές αγκύρωσης µε την προσθήκη µίας µόνον στρώσης µανδύα (δοκός LBNSM1-J), συνέβαλε στην πραγµατοποίηση ακόµα υψηλότερης καµπτικής αντοχής (αύξηση κατά περίπου 4. % της αντίστοιχης τιµής της δοκού αναφοράς), όπως φαίνεται στο σχήµα 7. Η µορφή αστοχίας ήταν όµοια της αντίστοιχης ενισχυµένης δοκού µε εξωτερικά επικολλούµενο έλασµα και επήλθε στο διάστηµα µεταξύ των ρωγµών και 4, Σχήµα 9. Αυξάνοντας στο διπλάσιο το βάθος της εγκοπής από 1 mm σε mm στο δοκίµιο δοκού LBNSM, επετεύχθη αύξηση στην καµπτική αντοχή παραπάνω από την διπλάσια της δοκού αναφοράς, όπως φαίνεται στο σχήµα 7. Η αστοχία προκλήθηκε από θραύση της ρητίνης κατά την εγκάρσια διεύθυνση στη θέση της 1ης, µε αποτέλεσµα την απώλεια της συνάφειας µεταξύ της ρητίνης και του ένθετου ελάσµατος και της ολίσθησής του στο σώµα της, Σχήµα 1. Η συγκεκριµένη αστοχία ήταν επακόλουθο της υπερίσχυσης της διατµητικής αντοχής στην διεπιφάνεια ρητίνης σκυροδέµατος έναντι της εφελκυστικής αντοχής της ρητίνης Σχήµα 9. Αστοχία αποκόλλησης της ρητίνης µε το έλασµα στο πέρας του της δοκού LBNSM1 και αστοχία αποκόλλησης της ρητίνης µε το έλασµα ενδιάµεσα των ρωγµών και 4 για την δοκό LBNSM1-J. ΕΛΑΣΜΑ ΡΗΤΙΝΗ (γ) Σχήµα 1. Αστοχία µε θραύση της ρητίνης κατά την εγκάρσια διεύθυνση στη θέση της 1ης και ολίσθηση του ένθετου ελάσµατος στο σώµα της κατά µήκος της δοκού LBNSM, και (γ) λεπτοµέρεια αστοχίας της δοκού LBNSM. Η ενίσχυση της δοκού LB.3NSM. πραγµατοποίηθηκε επίσης µε τη µέθοδο των ένθετων ελασµάτων σε επιφανειακές εγκοπές, αλλά µε την διαφορά ότι η τοποθέτηση των ελασµάτων έγινε έτσι ώστε το πάχος του ελάσµατος να βρίσκεται στην κατεύθυνση του πλάτους της διατοµής της δοκού (βλ. ένθετο στο σχήµα 11). ιατηρώντας το ίδιο εµβαδόν οπλισµού ενίσχυσης όπως και 1ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου., 6 9

10 P (KN) στις προηγούµενες λύσεις ενίσχυσης, τοποθετήθηκαν δύο ελάσµατα σε δύο εγκοπές βάθους mm και πλάτους 3 mm. Υπενθυµίζεται ότι οι εγκοπές προκατασκευάστηκαν συµµετρικά στην εφελκυόµενη κάτω παρειά της δοκού και σε απόσταση mm µεταξύ τους. Βάσει των πειραµατικών αποτελεσµάτων η συγκεκριµένη ενίσχυση αποδείχθηκε η βέλτιστη όλων, εφόσον όµως έχει εξασφαλιστεί η αποφυγή της διατµητικής αστοχίας στον κορµό του δοµικού στοιχείου λόγω της αυξηµένης καµπτικής ικανότητας. Στο εν λόγω δοκίµιο η καµπτική αντοχή ήταν κατά. φορές µεγαλύτερη της καµπτικής αντοχής της δοκού αναφοράς, όπως φαίνεται στο διάγραµµα φορτίου βύθισης στο σχήµα 11. Η τελική αστοχία επήλθε τελικά από διάτµηση, µε την δηµιουργία διαγώνιας στο διατµητικό άνοιγµα του στοιχείου (ρωγµή Νο. 6 στο Σχήµα 11) LB.3NSM CB δ (mm) 4 4 Σχήµα 11. Καµπύλη Φορτίου Βύθισης για την δοκό LB.3NSM. και διατµητική αστοχία. P (KN) Τέλος, η ενισχυµένη δοκός LB1NSM δοκιµάσθηκε σε φόρτιση κόπωσης αφού πρώτα σταθεροποιήθηκε η ρηγµάτωσή της σε βύθιση περίπου 6 mm. Η συγκεκριµένη δοκός ενισχύθηκε µε διπλάσιο οπλισµό έναντι των προηγούµενων και η εγκοπή προκατασκευάσθηκε µε βάθος mm και πλάτος 1 mm. Η σταθεροποίηση της ρηγµάτωσης πραγµατοποιήθηκε µετά την η και 6η ρωγµή σε τιµή φορτίου 4. (ΚΝ) που αντιστοιχεί σε αύξηση της καµπτικής αντοχής κατά περίπου φορές της τιµής που αντιστοιχεί στη δοκό αναφοράς, Σχήµα 1. Πέντε κύκλοι φόρτισης αποφόρτισης επετεύχθηκαν µέχρι την καµπτοδιατµητική αστοχία της δοκού που συνοδεύθηκε από αποκόλληση του ελάσµατος µε την ρητίνη στο πέρας του (ρωγµή Νο., Σχήµα 1) LB1NSM CB δ (mm) Σχήµα 1. Καµπύλη Φορτίου Βύθισης για την δοκό LB1NSM και καµπτοδιατµητική αστοχία µε αποκόλλης του συστήµατος ενίσχυσης έλασµα ρητίνη. Στο επόµενο σχήµα, Σχήµα 13, παρουσιάζονται χαρακτηριστικές λεπτοµέρειες για τις αστοχίες των δοκών. 1ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου., 6 1

11 ΜΑΝ ΥΑΣ ΕΛΑΣΜΑ (γ) ΕΛΑΣΜΑ (δ) (ε) (στ) Σχήµα 13. Ενδεικτικές λεπτοµέρειες αστοχίας για τις δοκούς & LBEBR, (γ) LBEBR-J, (δ) & (ε) LBNSM1και (στ) LB1NSM. 3 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Το πειραµατικό πρόγραµµα που παρουσιάστηκε αφορούσε στην καµπτική ενίσχυση δοκών οπλισµένου σκυροδέµατος µέσω ΙΟΠ ελασµάτων από άνθρακα. Οι παράµετροι προς διερεύνηση ήταν: α) ο τρόπος ενίσχυσης των δοκών, δηλαδή, είτε µε επικόλληση του ελάσµατος εξωτερικά, είτε µε επικόλληση του ελάσµατος σε επιφανειακές εγκοπές στην εφελκυόµενη παρειά της δοκού, β) η ενίσχυση των περιοχών αγκύρωσης του ελάσµατος µέσω µίας στρώσης σύνθετου µανδύα από άνθρακα, γ) το βάθος και το πλάτος των επιφανειακών εγκοπών, δ) η διάταξη του ελάσµατος στις επιφανειακές εγκοπές (δηλαδή το πάχος του ελάσµατος στην κατεύθυνση είτε του ύψους είτε του πλάτους της διατοµής της δοκού), και ε) η συµπεριφορά της ης µεθόδου ενίσχυσης υπό κόπωση µέσω της διαδικασίας φόρτισης αποφόρτισης της δοκού. Οι δύο ενισχυµένες δοκοί µε εξωτερικά επικολλούµενα ελάσµατα αστόχησαν πρόωρα, η πρώτη µε αποκόλληση του ελάσµατος στο πέρας του και η δεύτερη µε αποκόλληση του ελάσµατος σε θέση ενδιάµεσων ρωγµών. Η συµπεριφορά τους ήταν αµιγώς καµπτική και η αύξηση της καµπτικής τους αντοχής σε σύγκριση µε τις δοκούς ελέγχου ήταν σχετικά µικρή. Η ενίσχυση των δοκών µε επικόλληση ελασµάτων σε επιφανειακές εγκοπές αποδείχτηκε ιδιαίτερα αποτελεσµατική βελτιώνοντας τον µηχανισµό συνάφειας σκυροδέµατος ρητίνης ελάσµατος, αυξάνοντας σηµαντικά την καµπτική αντοχή των δοκών. Ειδικότερα, η διάταξη ενίσχυσης όπου το πάχος του ελάσµατος τοποθετήθηκε στην κατεύθυνση του πλάτους της διατοµής της δοκού αποδείχθηκε η βέλτιστη όλων, εφόσον όµως έχει εξασφαλιστεί η αποφυγή της διατµητικής αστοχίας στον κορµό του δοµικού στοιχείου λόγω της αυξηµένης καµπτικής ικανότητας. Επίσης, σηµαντική καµπτική ενίσχυση παρατηρήθηκε και κατά την αύξηση του βάθους της εγκοπής όταν το έλασµα τοποθετήθηκε µε το πάχος του στην κατεύθυνση του ύψους της διατοµής της δοκού. Τέλος, η τοποθέτηση των ΙΟΠ µανδύων στην περιοχή αγκύρωσης των ελασµάτων (ειδικότερα στα σηµεία απότµησής τους), ανεξαρτήτως µεθόδου ενίσχυσης, συνέβαλε είτε στην αύξηση της πλαστιµότητας της δοκού είτε στην αύξηση της καµπτικής αντοχής της και διαφοροποίησε την 1ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου., 6 11

12 αστοχία από αποκόλληση του ελάσµατος στο πέρας του σε αποκόλλησή του σε θέσεις ενδιάµεσα των καµπτικών ρωγµών. 4 ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] Barros J., Ferreira D., Fortes A. & Dias S., (6). Assessing the effectiveness of embedding CFRP laminates in the near surface for structural strengthening, Construction and Building Materials, Elsevier, Vol. : [] De Lorenzis L., Miller B. & Nanni A., (1). Bond of Fiber-Reinforced Polymer laminates to concrete. Journal of Materials, ACI, Vol. 9, No. 3: [3] Hassan T. & Rizkalla S., (3). Investigation of bond in concrete structures strengthened with Near Surface Mounted carbon Fiber-Reinforced Polymer strips. Journal of Composites for Construction, ASCE Vol. 7, No. 3: 4 7. [4] Malek A., Saadatmanesh H. & Ehsani M., (199). Prediction of failure load of R/C beams strengthened with FRP plate due to stress concentration at the plate end. Journal of Structural, ACI, Vol. 9, No. 1: [] Oehlers D. & Moran J., (199). Premature failure of Externally Plated Reinforced concrete beams. Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 116 No. 4: [6] Pes ic N. & Pilakoutas K., (3). Concrete beams with Externally Bonded Flexural FRP- Reinforcement: analytical investigation of debonding failure. Journal of Composites Part B: Engineering, Elsevier, Part b Vol. 34: [7] Smith S. & Teng J., (). Interfacial stresses in plated beams. Journal of Engineering Structures, Vol. 3: [] Täljsten B., (1997). Defining anchor lengths of steel and CFRP plates bonded to concrete. Int. Journal of Adhesion and Adhesives, Vol. 17, No. 4: [9] Thomsen H., Spacone E., Limkatanyu S., & Camata G., (4). Failure mode analyses of reinforced concrete beams strengthened in flexure with Externally Bonded Fiber-Reinforced Polymers. Journal of Composites for Construction, ASCE, Vol., No. : ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου., 6 1