Προσπάθεια µερικής αντικατάστασης οπλισµού συνδετήρων µε χαλύβδινες ίνες στις σύγχρονες κατασκευές

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Προσπάθεια µερικής αντικατάστασης οπλισµού συνδετήρων µε χαλύβδινες ίνες στις σύγχρονες κατασκευές"

Ερμόλαος Παπαδόπουλος
4 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Προσπάθεια µερικής αντικατάστασης οπλισµού συνδετήρων µε χαλύβδινες ίνες στις σύγχρονες κατασκευές Αλέξανδρος Γ. Τσώνος, ρ. Πολιτικός Μηχανικός,, Αναπληρωτής Καθηγητής Α.Π.Θ, Λέξεις κλειδιά: Πλαισιακά υποσύνολα δοκού-υποστυλώµατος, οκοί, Υποστυλώµατα Κόµβοι δοκού-υποστυλώµατος, Αντισεισµικές κατασκευές, Ινοπλισµένα σκυροδέµατα, ιατµητική αντοχή. ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Στην εργασία αυτή εξετάζεται πειραµατικά εάν είναι εφικτή, χωρίς επιδείνωση της σεισµικής συµπεριφοράς των συγχρόνων Αντισεισµικών Κατασκευών, η σηµαντική µείωση του οπλισµού διάτµησης και η αντικατάστασή του µε χαλύβδινες ίνες. Έτσι, για τις ανάγκες του παρόντος προγράµµατος κατασκευάζονται δύο δοκίµια, εκ των οποίων το ένα (δοκίµιο Α ) έχει σχεδιαστεί σύµφωνα µε τις απαιτήσεις του ACI Το δεύτερο δοκίµιο (δοκίµιο SA ) είναι όµοιο µε το πρώτο, ως προς τους διαµήκεις οπλισµούς της δοκού και του στύλου, ενώ διαφέρει µε το Α µόνον ως προς τους οπλισµούς συνδετήρων στύλου, κόµβου και δοκού, και αντί του κοινού σκυροδέµατος στο δοκίµιο αυτό χρησιµοποιείται ινοπλισµένο σκυρόδεµα. Από τη σύγκριση της σεισµικής συµπεριφοράς των δύο δοκιµίων εξάγονται πολύτιµα συµπεράσµατα για την εφαρµογή του ινοπλισµένου σκυροδέµατος στις κατασκευές. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να απαντηθεί το ερώτηµα: Στις σύγχρονες κατασκευές, οι οποίες παρουσιάζουν µια σηµαντική συσσώρευση οπλισµού συνδετήρων κυρίως στις κρίσιµες περιοχές των δοµικών τους στοιχείων µε τα γνωστά κατασκευαστικά προβλήµατα, είναι δυνατή η αντικατάσταση σηµαντικού ποσοστού του οπλισµού αυτού µε χαλύβδινες ίνες. Για να δοθεί απάντηση στο ανωτέρω ερώτηµα έχει καταστρωθεί ένα µεγάλο ερευνητικό πρόγραµµα στο Εργαστήριο Σιδηροπαγούς Σκυροδέµατος του Α.Π.Θ., στο οποίο συγκρίνεται η σεισµική συµπεριφορά δοκιµίων πλαισιακού υποσυνόλου δοκού στύλου - κόµβου σχεδιασµένων σύµφωνα µε τις διατάξεις σύγχρονων κανονισµών και οµολόγων δοκιµίων πλαισιακού υποσυνόλου στα οποία σηµαντικό ποσοστό οπλισµού συνδετήρων αντικαθίσταται µε χαλύβδινες ίνες. Έτσι, εάν η σεισµική συµπεριφορά των ινοπλισµένων δοκιµίων είναι εφάµιλλη ή καλύτερη αυτής των συµβατικά οπλισµένων δοκιµίων που αποτελούν τµήµατα σύγχρονων κατασκευών, το γεγονός αυτό θα µας οδηγήσει στην πρόταση αντικατάστασης σηµαντικού τµήµατος οπλισµού συνδετήρων µε χαλύβδινες ίνες. Στο σηµείο αυτό θα πρέπει να τονιστούν τα ενθαρρυντικά αποτελέσµατα από τις εργασίες του Henager (92) και των Τσώνος (990), Tsonos et al. (992). Οι ερευνητές αυτοί προσπάθησαν να αντικαταστήσουν σηµαντικό ποσοστό του οπλισµού συνδετήρων κόµβου µε χαλύβδινες ίνες, χωρίς να υποβαθµιστεί η σεισµική συµπεριφορά του στοιχείου και το πέτυχαν. Βεβαίως, τα πειράµατα αυτά αφορούσαν αποκλειστικώς την περιοχή του κόµβου και ήταν αρκετά περιορισµένα. Επίσης, υπήρχε το µειονέκτηµα της αδυναµίας πρότασης για εφαρµογή στην πράξη. Ακριβέστερα, παρόλο ότι ήταν επιτυχή τα πειράµατα αυτά, δεν ήταν δυνατόν να προταθεί µία µείωση οπλισµού συνδετήρων στη µικρή περιοχή του κόµβου ο οποίος να αντικαθίσταται (µόνον στην περιοχή αυτή) µε χαλύβδινες ίνες. Τµήµα του ανωτέρω εκτεταµένου ερευνητικού προγράµµατος αποτελεί και το παρόν ερευνητικό πρόγραµµα που αποτελείται από δύο δοκίµια πλαισιακού υποσυνόλου δοκού στύλου κόµβου σχεδιασµένων το ένα σύµφωνα µε τις διατάξεις του Αµερικανικού Κανονισµού ενώ το

2 άλλο δοκίµιο διαφέρει µε το προηγούµενο στο ότι σηµαντικό ποσοστό οπλισµού συνδετήρων αντικαταστάθηκε µε χαλύβδινες ίνες. Η σεισµική συµπεριφορά των δοκιµίων αυτών συγκρίνεται και αναλύεται στην παρούσα εργασία. 2 ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΟΚΙΜΙΩΝ Το δοκίµιο Α αποτελεί πλαισιακό υποσύνολο σύγχρονης κατασκευής σχεδιασµένης σύµφωνα µε τον ACI 3(995) και τις Συστάσεις της Μικτής Επιτροπής ACI-ASCE 352 (95). Για το σκοπό αυτό υπολογίστηκαν µε λεπτοµέρεια όλα τα δοµικά στοιχεία που απαρτίζουν το δοκίµιο Α σύµφωνα µε τους κανονισµούς αυτούς. Στο Σχήµα φαίνονται οι διαστάσεις και οι οπλισµοί του δοκιµίου Α. Στο δοκίµιο SFA µειώθηκαν οι οπλισµοί συνδετήρων της δοκού από 6/6.5 που είχε το Α σε /20. Επίσης, στα υποστυλώµατα και τον κόµβο το δοκίµιο Α διέθετε 6/5cm πολύτµητο συνδετήρα ενώ το δοκίµιο SFA έχει στο υποστύλωµα /20cm και στον κόµβο µόνον. Το δοκίµιο SFA αντί του κοινού σκυροδέµατος κατασκευάστηκε µε ινοπλισµένο σκυρόδεµα περιεκτικότητας σε χαλύβδινες ίνες.5% κατ όγκο (οι ίνες που χρησιµοποιήθηκαν ήταν διαµέτρου 0.5mm και µήκους 30mm). Ο χάλυβας και το σκυρόδεµα µε τα οποία κατασκευάστηκαν και τα δύο δοκίµια ήταν ποιότητας S500 και C25 αντιστοίχως. Σχήµα. ιαστάσεις και οπλισµοί δοκιµίου Α

3 3 ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΟΚΙΜΙΩΝ Α ΚΑΙ SFA Η σεισµική συµπεριφορά του δοκιµίου Α ήταν εξαιρετική. Οι υστερητικοί του βρόχοι χαρακτηρίζονται από σταδιακή αύξηση της αντοχής του πρώτου κύκλου στους επόµενους κύκλους και από ιδιαίτερα µεγάλη ικανότητα απορρόφησης ενέργειας (Σχ. 2). Στο δοκίµιο αυτό σχηµατίζεται από τους πρώτους κύκλους πλαστική άρθρωση στη δοκό και η αστοχία συγκεντρώνεται αποκλειστικά στην περιοχή της δοκού (Σχ. 3) οκίµιο A Μετακινήσεις (mm) L Η Vb Επιβαλλόµενη τέµνουσα Vb (kν) H R= *00 / L Σχετική ανηγµένη γωνία R (%) οκίµιο SFA Μετακινήσεις (mm) L 70 Επιβαλλόµενη τέµνουσα Vb (kν) Η H Vb R= *00 / L Σχετική ανηγµένη γωνία R (%) Σχήµα 2. Υστερητικοί βρόχοι δοκιµίων Α και SFA

οκίµιο A οκίµιο SFA Σχήµα 3. Εικόνες αστοχίας δοκιµίων Α και SFA Η συµπεριφορά του δοκιµίου SFA εµφανίζεται ελαφρώς υποδεέστερη αυτής του οµολόγου δοκιµίου Α.

4 οκίµιο A οκίµιο SFA Σχήµα 3. Εικόνες αστοχίας δοκιµίων Α και SFA Η συµπεριφορά του δοκιµίου SFA εµφανίζεται ελαφρώς υποδεέστερη αυτής του οµολόγου δοκιµίου Α. Κατά τη διάρκεια των πρώτων κύκλων φόρτισης ο κόµβος επιτρέπει στη δοκό του SFA να σχηµατίσει πλαστική άρθρωση. Μετά τον 3 ο κύκλο φόρτισης εµφανίζονται συγχρόνως µε τη δοκό και τριχοειδείς ρηγµατώσεις στον κόµβο. Μετά τον 6 ο κύκλο φόρτισης τα ρήγµατα αυτά του κόµβου διευρύνονται σταδιακά. Έτσι, η βλάβη στο δοκίµιο SFA συγκεντρώνεται τόσο στη δοκό όσο και στον κόµβο (Σχ. 3). Οι υστερητικοί βρόχοι του δοκιµίου SFA χαρακτηρίζονται από µικρότερη διατήρηση της αντοχής του πρώτου κύκλου φόρτισης και µικρότερη ικανότητα απορρόφησης ενέργειας (Σχ. 2). Αξίζει να σηµειωθεί ότι ο οπλισµός συνδετήρων στην περιοχή του κόµβου του SFA ήταν επτά φορές λιγότερος αυτού του δοκιµίου Α. Έτσι, εύλογα δικαιολογείται το µικρό έλλειµµα σεισµικής συµπεριφοράς που παρουσιάζει το δοκίµιο SFA συγκριτικά µε αυτό του δοκιµίου Α και απεικονίζεται στα διαγράµµατα σύγκρισης αντοχής, ακαµψίας και απορρόφησης ενέργειας (Σχ. 4, 5 και 6). Αντιθέτως, αξίζει να σηµειωθεί ότι τόσο οι δοκοί όσο και τα υποστυλώµατα του SFA συµπεριφέρθηκαν εξαιρετικά ικανοποιητικά, παρόλον ότι διέθεταν (ιδιαίτερα τα υποστυλώµατα) πολύ λιγότερους συνδετήρες συγκριτικά µε το δοκίµιο Α.

5 οκίµια SFA / A.0.05 Λόγος αντοχών Άνω ηµίκυκλος οκίµια SFA / A.0.05 Λόγος αντοχών Κάτω ηµίκυκλος Σχήµα 4. Σύγκριση αντοχής δοκιµίου Α µε την αντοχή του SFA

6 οκίµια SFA / A.0.05 Λόγος ακαµψιών ν Κύκλος Σχήµα 5. Σύγκριση ακαµψίας δοκιµίου Α µε την ακαµψία του SFA οκίµια SFA / A 3000 Απορρόφηση ενέργειας (kn mm) SFA A Κύκλος Σχήµα 6. Σύγκριση ικανότητας απορρόφησης ενέργειας µεταξύ των δοκιµίων Α και SFA Σχετικά πρόσφατη ανακοίνωση του συγγραφέα µε το ίδιο αντικείµενο (Τσώνος 2000) είχε περισσότερο ενθαρρυντικά αποτελέσµατα: το ινοπλισµένο δοκίµιο της εργασίας (Τσώνος 2000) παρουσίασε βελτιωµένες τις µηχανικές αντισεισµικές ιδιότητες συγκριτικά µε το δοκίµιο πλαισιακού υποσυνόλου σχεδιασµένου σύµφωνα µε τους νέους Ελληνικούς Κανονισµούς. Αλλά

7 είναι άξιο να σηµειωθεί ότι στην εργασία εκείνη υπήρχαν τρεις διαφορές συγκριτικά µε την παρούσα µελέτη: (α) Το δοκίµιο αναφοράς µε το οποίο συγκρινόταν το ινοπλισµένο δοκίµιο παρουσίασε πολύ φτωχή σεισµική απόκριση, (β) Το ινοπλισµένο δοκίµιο είχε στον κόµβο και στα άλλα δοµικά του στοιχεία περίπου µισό ποσοστό συνδετήρων συγκριτικά µε το δοκίµιο αναφοράς και (γ) Το ποσοστό ινών του ινοπλισµένου δοκιµίου ήταν 0.5% κατ όγκο. Κύρια επιδίωξη της έρευνας είναι να προταθεί τελικώς το κατάλληλο και συγχρόνως ρεαλιστικό ποσοστό ινών µε το οποίο εν απουσία σηµαντικού ποσοστού οπλισµού συνδετήρων θα επιτυγχάνεται τουλάχιστον η ίδια σεισµική συµπεριφορά δοκιµίων ινοπλισµένου σκυροδέµατος µε δοκίµια αναφοράς, όπως το Α της παρούσας µελέτης. Επειδή εδείχθη µε την παρούσα εργασία ότι ο κόµβος ήταν το µόνο δοµικό στοιχείο του SFA που παρουσίασε µικρή αντισεισµική ανεπάρκεια συγκριτικά µε τον κόµβο του Α, σε άµεσα προγραµµατιζόµενα πειράµατα θα κατασκευασθούν δοκίµια όµοια µε το SFA µε τη διαφορά ότι θα έχουν σταδιακά περισσότερους συνδετήρες στον κόµβο και η σεισµική τους απόκριση θα συγκρίνεται και πάλι µε αυτήν του Α η οποία θεωρείται άριστη. 4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από την εξέταση των πειραµατικών αποτελεσµάτων της παρούσας εργασίας εξάγονται τα ακόλουθα:. Φαίνεται ότι είναι δυνατή η αντικατάσταση σηµαντικού ποσοστού οπλισµού συνδετήρων των δοµικών στοιχείων των σύγχρονων οικοδοµών µε χαλύβδινες ίνες. 2. Για να προταθεί µε ακρίβεια το ποσοστό οπλισµού συνδετήρων που δύναται να αντικατασταθεί µε ασφάλεια στις σύγχρονες οικοδοµές µε χαλύβδινες ίνες απαιτείται πύκνωση των πειραµατικών αποτελεσµάτων της παρούσας εργασίας. 5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Ευχαριστίες εκφράζονται από τον συγγραφέα στην εταιρεία Mac Beton Hellas S.A. για τη δωρεάν χορήγηση της απαιτούµενης ποσότητας χαλύβδινων ινών. ΑΝΑΦΟΡΕΣ ACI-ASCE Committee Recommendations for design of beam-column joints in monolithic reinforced concrete structures (ACI 352R-5). American Concrete Institute, Detroit, 9pp. ACI Committee Building code requirements for structural concrete (ACI 3-95) and commentary (3 R-95). American Concrete Institute, Detroit, 369pp. Henager, C. H Steel Fibrous, Ductile Concrete Joint for Seismic-Resistant Structures. American Concrete Institute, SP53-4, Detroit, Τσώνος, Α. Γ Συµβολή στη βελτίωση της Σεισµικής Συµπεριφοράς Εξωτερικών Κόµβων Πλαισίων από Ο/Σ. ιδακτορική ιατριβή, Θεσσαλονίκη, σελ Τσώνος, Α. Γ Προσπάθεια µερικής Αντικατάστασης οπλισµού συνδετήρων µε Χαλύβδινες Ίνες στις Σύγχρονες Κατασκευές (σχεδιασµένες µε τον ΕΑΚ 200 και τον Κ.Ο.Σ. 995). Πρακτικά Α Ελληνικού Συνεδρίου Σύνθετων Υλικών Σκυροδέµατος, Ξάνθη, Tsonos, A. G, Tegos, I. A. and Penelis, G. G Seismic Behaviour of Exterior Beam-Column Joints of Conventional or Fibre-reinforced Concrete. Proceedings of Phase Interaction in Composite Materials, Edited by S.A. Paipetis and G.C. Papanikolaou, Omega Scientific, Tsonos, A. G, Tegos, I. A. and Penelis, G. G Seismic Resistance of Type 2 Exterior Beam- Column Joints Reinforced with Inclined Bars. ACI Journal, Proceedings V. 9, No, -2.

Σχετικά έγγραφα

Ινοπλισµένο σκυρόδεµα υψηλής αντοχής για την κατασκευή µανδυών αντισεισµικής ενίσχυσης κτιρίων χωρίς τη χρήση συµβατικού χάλυβα

Ινοπλισµένο σκυρόδεµα υψηλής αντοχής για την κατασκευή µανδυών αντισεισµικής ενίσχυσης κτιρίων χωρίς τη χρήση συµβατικού χάλυβα Α.-.Γ. Τσώνος Αναπληρωτής Καθηγητής, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών Α.Π.Θ. Λέξεις