ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΜΕΣΩ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗΣ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΣΕ ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΜΑΤΙΣΕΩΝ ΜΕ ΠΛΕΓΜΑΤΑ ΣΥΝΕΧΩΝ ΙΝΩΝ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧ/ΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΜΕΣΩ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗΣ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΣΕ ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΜΑΤΙΣΕΩΝ ΜΕ ΠΛΕΓΜΑΤΑ ΣΥΝΕΧΩΝ ΙΝΩΝ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ ιατριβή διπλώµατος ειδίκευσης του ΖΥΓΟΥΡΗ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΟΥ Χ. ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ

2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Το θέµα που πραγµατεύεται η παρούσα ιατριβή ιπλώµατος Ειδίκευσης αφορά την αντισεισµική ενίσχυση στοιχείων από οπλισµένο σκυρόδεµα µε χρήση σύνθετων υλικών. Η εκπόνηση της διατριβής έγινε στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών στα πλαίσια του Προγράµµατος Μεταπτυχιακών Σπουδών του Τοµέα Σεισµικής Μηχανικής του τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών. Επιβλέπων της διετέλεσε ο καθηγητής Αθανάσιος Χ. Τριανταφύλλου, τον οποίο ευχαριστώ θερµά για την καθοδήγησή του και την έµπρακτη βοήθειά του. Στην πραγµατοποίηση των πειραµάτων, σηµαντική ήταν η συµβολή της λέκτορος Αικατερίνης Παπανικολάου, την οποία θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαιτέρως, για την αδιάκοπη βοήθειά της, την πρακτική, αλλά και ηθική υποστήριξη που µου προσέφερε. Ευχαριστώ επίσης για τη συνεργασία τους συναδέλφους Μπουρνά ιονύση, Σταυρόπουλο Φώτη, Παπαντωνίου Ιωάννη και Αλεξόπουλο Αθανάσιο για τη συνεισφορά τους. Γενικότερα οφείλονται πολλές ευχαριστίες για την συνεργασία τους στους προπτυχιακούς φοιτητές στο εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών. Τέλος, αναφέρεται ότι η εργασία αυτή εκπονήθηκε στα πλαίσια του ερευνητικού προγράµµατος ΕΠΑΜ της ΓΓΕΤ Αριστίων ( Πρόσθετη υλική υποστήριξη προσφέρθηκε σε µορφή υλικών (υφάσµατα άνθρακα και ρητίνες) από την εταιρεία FYFE EUROPE. ΠΑΤΡΑ ΜΑΙΟΣ 2007

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα ιατριβή ιπλώµατος Ειδίκευσης έχει ως θέµα την αντισεισµική ενίσχυση ελλειπώς σχεδιασµένων µελών από οπλισµένο σκυρόδεµα µε σύνθετα υλικά. Το ζήτηµα που κυρίως πραγµατεύεται η συγκεκριµένη διατριβή αφορά τα στοιχεία εκείνα στα οποία ο διαµήκης οπλισµός είναι ενωµένος στην πλαστική άρθρωση µέσω παράθεσης των ευθύγραµµων άκρων των ράβδων σε ανεπαρκή µήκη µάτισης. Η ενίσχυση των µελών γίνεται µέσω περίσφιγξης µε επιβολή µανδυών από σύνθετα υλικά οργανικής ή ανόργανης µήτρας. Η µέχρι τώρα εφαρµογή της συγκεκριµένης µεθόδου αφορά την ενίσχυση µέσω ινοπλισµένων πολυµερών, δηλαδή συνθέτων υλικών στα οποία η µήτρα αποτελείται από ρητίνη οργανικής σύστασης. Σκοπός της εργασίας είναι η πειραµατική διερεύνηση της αποτελεσµατικότητας που παρέχει µια νέα τεχνική ενίσχυσης η οποία συνδυάζει τα σύνθετα υλικά µε µήτρα οργανικής σύστασης. Για τη µελέτη της συγκεκριµένης τεχνικής διενεργήθηκε εκτενές πειραµατικό πρόγραµµα στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών. Στα πλαίσια του παραπάνω πειραµατικού προγράµµατος κατασκευάστηκαν εννέα υποστυλώµατα µορφής προβόλου, έξι εκ των οποίων ενισχύθηκαν µε εφαρµογή τόσο της νέας µεθόδου, στην οποία ο µανδύας αποτελείται από πλέγµα ανθρακονηµάτων σε τσιµεντοκονίαµα (Textile Reinforced Mortar ή TRM), όσο και µε εφαρµογή της µεθόδου ενίσχυσης µε ινοπλισµένα πολυµερή (Fiber Reinforced Polymers ή FRP). Τα εννέα δοκίµια υποβλήθηκαν σε ανακυκλιζόµενη πλευρική φόρτιση αυξανόµενου εύρους µε ταυτόχρονη επιβολή σταθερού αξονικού φορτίου. Τα δοκίµια που κατασκευάστηκαν χωρίστηκαν σε τρεις σειρές. Η πρώτη σειρά αποτελείται από τρία µη ενισχυµένα δοκίµια ή δοκίµια ελέγχου τα οποία αποτελούν τη βάση σύγκρισης των δύο τεχνικών. Οι δύο επόµενες σειρές αποτελούνται από αντίστοιχα δοκίµια µε αυτά της πρώτης σειράς τα οποία όµως έχουν ενισχυθεί µε τέσσερις στρώσεις πλέγµατος ανθρακονηµάτων οργανικής µήτρας και δύο στρώσεις υφάσµατος ινών άνθρακα εµποτισµένες µε ρητίνη αντίστοιχα. Κάθε σειρά αποτελείται από τρία διαφορετικά δοκίµια. Το πρώτο από αυτά αποτελεί ένα υποστύλωµα µε συνεχή διαµήκη οπλισµό από νευροχάλυβα και µε αραιή διάταξη συνδετήρων από λείο χάλυβα. Τα άλλα δυο δοκίµια είναι υποστυλώµατα µε το ίδιο είδος οπλισµού στα οποία όµως ο διαµήκης οπλισµός δεν είναι συνεχής, αλλά

4 αποτελείται από διαφορετικές ράβδους οι οποίες ενώνονται µέσω απλής παράθεσης στη βάση των υποστυλωµάτων. Η παράθεση γίνεται σε µήκη των 20Φ και 40Φ, όπου Φ η διάµετρος των ράβδων του διαµήκους οπλισµού. Η εργασία χωρίζεται σε επτά κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται µια σύντοµη εισαγωγή στο εξεταζόµενο πρόβληµα. Επίσης γίνεται µια αναφορά στη χρήση των συνθέτων υλικών στο πεδίο των ενισχύσεων, καθώς και στις παραµέτρους που χαρακτηρίζουν την εφαρµογή της µεθόδου FRP. Στο δεύτερο κεφάλαιο επιχειρείται µια σύντοµη περιγραφή της µεθόδου ενίσχυσης µε ινοπλέγµατα σε ανόργανη µήτρα, η οποία πρόκειται να εφαρµοστεί στην παρούσα διατριβή. Πιο συγκεκριµένα, καταγράφονται τα χαρακτηριστικά της µεθόδου και των υλικών που αποτελούν το µανδύα που εφαρµόζεται στην περίµετρο του υποστυλώµατος. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά σε άλλες πειραµατικές δοκιµές από τη διεθνή βιβλιογραφία, οι οποίες αφορούν τη διερεύνηση της αποτελεσµατικότητας της µεθόδου ενίσχυσης µε ινοπλέγµατα σε ανόργανη µήτρα, καθώς και γενικότερα την εφαρµογή της ενίσχυσης µε σύνθετα υλικά σε στοιχεία οπλισµένου σκυροδέµατος σε περιοχές µάτισης του διαµήκους οπλισµού. Από την ανασκόπηση αυτή προκύπτει ότι οι εργασίες που έχουν πραγµατοποιηθεί δεν καλύπτουν πλήρως την έκταση του προβλήµατος. Βοηθούν ωστόσο στην εξαγωγή κάποιων συµπερασµάτων τα οποία δίνουν κατευθύνσεις για τον τρόπο που πρέπει να κινηθούν οι περαιτέρω έρευνες. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται µια προσπάθεια περιγραφής της πειραµατικής διάταξης που χρησιµοποιήθηκε για τη δοκιµή των εννέα δοκιµίων. Επίσης, γίνεται αναφορά στις µεθόδους ενίσχυσης που εφαρµόσθηκαν. Τέλος, στο τέταρτο κεφάλαιο παρατίθενται οι αναλυτικές σχέσεις µε βάση τις οποίες γίνονται οι απαραίτητοι υπολογισµοί για την επεξεργασία των αποτελεσµάτων που προέκυψαν από τις δοκιµές. Το πέµπτο κεφάλαιο περιλαµβάνει την περιγραφή των πειραµάτων που πραγµατοποιήθηκαν στα εξεταζόµενα υποστυλώµατα. Οι πειραµατικές δοκιµές φόρτισης περιγράφονται ξεχωριστά για τα δοκίµια ελέγχου, για τα ενισχυµένα δοκίµια µε ινοπλέγµατα σε ανόργανη µήτρα και για τα ενισχυµένα δοκίµια µε ινοπλισµένα πολυµερή. Τα αποτελέσµατα των δοκιµών παρουσιάζονται µε τη µορφή διαγραµµάτων. Ανά σειρά γίνεται σύγκριση των αποτελεσµάτων προκειµένου να διευκολυνθεί η µετέπειτα εξαγωγή συµπερασµάτων. Εξετάστηκαν αρκετές παράµετροι που θεωρείται ότι επηρεάζουν τη συµπεριφορά των υποστυλωµάτων τα

5 οποία είχαν σχεδιαστεί µε τους κανονισµούς προγενέστερους του Η βασική παράµετρος που εξετάστηκε ήταν ο ρόλος των ελλειπών µατίσεων. Επίσης εξετάστηκε η επιβολή της περίσφιγξης, µε µανδύες από ινοπλισµένα πολυµερή και από σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας, ως µέσο ενίσχυσης. Τέλος εξετάστηκε η συµπεριφορά του διαµήκους οπλισµού σε περιοχές µάτισης κατά τη φόρτιση των υποστυλωµάτων. Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται η σύγκριση των µεθόδων ενίσχυσης ξεχωριστά για κάθε είδος δοκιµίου. Αρχικά γίνεται σύγκριση των δοκιµίων ανά διαφορετική περίπτωση εσωτερικού οπλισµού µε παρουσίαση συνολικών διαγραµµάτων. Στη συνέχεια ακολουθεί σύγκριση και των εννέα δοκιµίων µε παράθεση πινάκων. Σύµφωνα µε τα ανωτέρω ακολουθούν τα συµπεράσµατα της παρούσας ιατριβής ιπλώµατος Ειδίκευσης, τα οποία παρατίθενται στο έβδοµο κεφάλαιο. Η µέθοδος των ινοπλεγµάτων σε ανόργανη µήτρα προκύπτει πειραµατικά ότι αδιαµφισβήτητα παρέχει ικανοποιητικά αποτελέσµατα στην καµπτική ενίσχυση, την αύξηση της παραµορφωσιµότητας και συνεπώς την ικανότητα απορρόφησης ενέργειας µελών από οπλισµένο σκυρόδεµα. Τα αποτελέσµατα τα οποία προέκυψαν από τη χρήση ινοπλεγµάτων σε ανόργανη µήτρα είναι συγκρίσιµα µε εκείνα που προκύπτουν µε τη χρήση ινοπλισµένων πολυµερών, µε διαφορές όµως ως προς τον τρόπο της αστοχίας και τη γενική συµπεριφορά των ενισχυµένων δοκιµίων. Με βάση την παραπάνω πειραµατική δραστηριότητα ανοίγονται σηµαντικοί δρόµοι πάνω στην έρευνα που αφορά την εισαγωγή παραµέτρων που θα οδηγήσουν σε ασφαλέστερα συµπεράσµατα και βελτίωση της αποτελεσµατικότητας της µεθόδου ενίσχυσης µε ινοπλέγµατα σε ανόργανη µήτρα.

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελίδα ΠΡΟΛΟΓΟΣ i ΠΕΡΙΛΗΨΗ ii ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ v ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΩΝ viii ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ xii ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ xix 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΓΕΝΙΚΑ ΧΡΗΣΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΙΝΕΣ ΜΗΤΡΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΚΟΛΛΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΜΗΤΡΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΜΕΘΟ ΟΥ ΣΥΓΚΟΛΛΗΤΙΚΗ ΟΥΣΙΑ ΠΛΕΓΜΑ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΘΟ ΩΝ FRP ΚΑΙ TRM ΠΡΟΓΕΝΕΣΤΕΡΗ ΕΡΕΥΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΕΡΕΥΝΕΣ ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΜΑΝ ΥΕΣ ΙΝΟΠΛΙΣΜΕΝΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΕΡΕΥΝΕΣ ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΜΗΤΡΑΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΑΠΟ ΤΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ 38

7 4.1 ΓΕΝΙΚΑ ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΟΚΙΜΙΩΝ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ Προετοιµασία επιφάνεια εφαρµογής ενίσχυσης Εφαρµογή µανδυών στις επιφάνειες ενίσχυσης Χρησιµοποιούµενα Υλικά ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑΤΑΞΗ ΑΝΑΛΥΣΕΙΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΟΚΙΜΙΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΟΚΙΜΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΟΚΙΜΙΑ ΕΛΕΓΧΟΥ οκίµιο L0d_C οκίµιο L20d_C οκίµιο L40d_C Σύγκριση δοκιµίων ελέγχου ΟΚΙΜΙΑ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΑ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟ Ο TRM οκίµιο L0d_Μ οκίµιο L20d_Μ οκίµιο L40d_Μ Σύγκριση ενισχυµένων δοκιµίων µε τη µέθοδο TRM ΟΚΙΜΙΑ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΑ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟ Ο FRP οκίµιο L0d_R οκίµιο L20d_R οκίµιο L40d_R Σύγκριση ενισχυµένων δοκιµίων µε τη µέθοδο FRP ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΣΩΤΕΡΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΤΩΝ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΣΧΟΛΙΑΣΜΟΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΟΚΙΜΙΑ ΜΕ ΣΥΝΕΧΗ ΟΠΛΙΣΜΟ ΟΚΙΜΙΑ ΜΕ ΜΗΚΟΣ ΜΑΤΙΣΗΣ 20Φ 117

8 6.4 ΟΚΙΜΙΑ ΜΕ ΜΗΚΟΣ ΜΑΤΙΣΗΣ 40Φ ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΟΙ ΠΙΝΑΚΕΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 126 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 131

9 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΩΝ Λατινικά Α b A e A sw b b d d' d b d base d top E fib E f E m F f c f yd f c f c* f f f fib f fde f k f m f mc f mt, fl f y f u G εµβαδόν διατοµής µατιζόµενης ράβδου εµβαδόν διατοµής περισφιγµένου σκυροδέµατος εµβαδόν διατοµής συνδετήρων πλάτος στοιχείου ισοδύναµο πλάτος στοιχείου ύψος στοιχείου ισοδύναµο ύψος στοιχείου διάµετρος µατιζόµενης ράβδου µετακίνηση βάσης υποστυλώµατος µετακίνηση κορυφής υποστυλώµατος µέτρο ελαστικότητας ινών µέτρο ελαστικότητας συνθέτων υλικών παράλληλα στις ίνες µέτρο ελαστικότητας µήτρας εφελκυστική δύναµη ράβδου θλιπτική αντοχή σκυροδέµατος εφελκιστική και θλιπτική αντοχή χάλυβα θλιπτική αντοχή σκυροδέµατος θλιπτική αντοχή περισφιγµένου σκυροδέµατος εφελκυστική αντοχή υλικών παράλληλα στις ίνες εφελκυστική αντοχή ινών ενεργός τάση σχεδιασµού συνθέτων υλικών χαρακτηριστική θλιπτική αντοχή τοιχοποιίας µέση θλιπτική αντοχή συνδετικού κονιάµατος µέση θλιπτική αντοχή κονιάµατος µέση εφελκυστική αντοχή κονιάµατος τάση διαρροής χάλυβα οριακή τάση αντοχής χάλυβα µέτρο διάτµησης

10 Η h h i Κ Κ i l s m t m c M ο M tot N p p c P pull P push r c t r v v fib v m w i ii καθαρό ύψος υποστυλώµατος ύψος πεδίλου στάθµη επιπέδου µέτρησης συντελεστής αύξησης αντοχής περισφιγµένου σκυροδέµατος δυσκαµψία µέλους µήκος πλαστικής άρθρωσης στοιχείου ένδειξη LVDTs εφελκυόµενης παρειάς ένδειξη LVDTs θλιβόµενης παρειάς ροπή κάµψης λόγω πλευρικής φόρτισης συνολική ροπή κάµψης στοιχείου αξονική δύναµη ποσοστό εγκάρσιου οπλισµού σε περισφιγµένη διατοµή διαδροµή ρηγµάτωσης ράβδου πλευρικό φορτίο κατά τη διευθυνση έλξης του εµβόλου πλευρικό φορτίο κατά τη διευθυνση ώθησης του εµβόλου Καµπυλότητα στις γωνίες του περισφιγµένου στοιχείου πάχος µανδύα από σύνθετα υλικά συντελεστής Poisson ογκοµετρικό ποσοστό ινών ογκοµετρικό ποσοστό µήτρας Έυρος ρωγµής ανάµεσα σε δύο στάθµες αναφοράς i και ii Ελληνικά Α ισοδ α f γ Rd γ f δ pull δ push θ i θ slip Ε εµβαδόν ισοδύναµης διατοµής συντελεστής αποδοτικότητας µανδύα συντελεστής ασφάλειας σχεδιασµού συνθέτων υλικών συντελεστής ασφάλειας συνθέτων υλικών οριζόντια µετατόπιση στη διεύθυνση έλξης του εµβόλου οριζόντια µετατόπιση στη διεύθυνση ώθησης του εµβόλου γωνία στροφής στην περιοχή πλαστικής άρθρωσης στη στάθµη i γωνία στροφής λόγω ολίσθησης µέτρο ελαστικότητας

11 ε f ε y ε f, lim ε u ε m σ c σ f σ l ω f τ b φ oi Φ παραµόρφωση συνθέτων υλικών παραµόρφωση διαρροής χάλυβα οριακή παραµόρφωση σύνθετων υλικών οριακή παραµόρφωση χάλυβα µέση αξονική παραµόρφωση µέλους θλιπτική τάση τάση περίσφιγξης συνθέτων υλικών τάση περίσφιγξης µηχανικό ποσοστό οπλισµού τάση συνάφειας καµπυλότητα διατοµής στην πλαστική άρθρωση στη στάθµη i εµβαδόν διατοµής ράβδου οπλισµού

12 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σελίδα 1.1 Τυπικές ιδιότητες ινών (α) Αξονική καταπόνηση δοκιµίου µε µανδύα 6 συνθέτων υλικών (β) ανάπτυξη εγκαρσίων τάσεων λόγω διόγκωσης (Τριανταφύλλου 2005). 1.2 Καµπύλες θλιπτικής τάσης παραµόρφωσης για σκυρόδεµα περισφιγµένο µε σύνθετ υλικά (Τριανταφύλλου 2005) Η περίσφιγξη του σκυροδέµατος σε ορθογωνικές διατοµές που 7 επιτυγχάνεται µέσων καµπύλωσης των γωνιών (Τριανταφύλλου 2005). 1.4 Εντατική κατάσταση στην περιοχή µάτισης (Τριανταφύλλου, 2005) (α) Περίσφιγξη σε περιοχή µάτισης. (β) Ανάπτυξη ρωγµών στην 8 εφελκυόµενη περιοχή κυκλικού υποστηλώµατος λόγω αστοχίας συνάφειας και ορισµός της κρίσιµης διαδροµής ρηγµάτωσης. (γ) Οµοίως για ορθογωνικά υποστηλώµατα (Τριανταφύλλου, 2006). 4.1 Γενική µορφή δοκιµίων Οπλισµός υποστυλωµάτων (α) Μεταλλότυπος και (β) κλωβός οπλισµού των δοκιµίων ιαδικασία τοποθέτησης µετρητών παραµόρφωσης στα δοκίµια Προετοιµασία της επιφάνειας εφαρµογής ιαδικασία εφαρµογής ενίσχυσης µε τη µέθοδο TRM ιαδικασία εφαρµογής ενίσχυσης µε τη µέθοδο TRM (α) ύφασµα συνεχών ινών άνθρακα και (β) πλέγµα ινών Πειραµατική διάταξη Σύστηµα επιβολής αξονικού φορτίου (α) υδραυλικός γρύλλος και (β) 52 ηλεκτροκίνητη αντλία 4.11 Σχηµατική παράσταση πειραµατικής διάταξης (α) γραµµικός διαφορικός µετασχηµατιστής ή απλώς LVDT και 55 (β) διάταξη LVDTs στη βάση του υποστυλώµατος 4.13 Απεικόνιση των µετρήσιµων µεγεθών σε τυχαίες διατοµές κατά την 68 πειραµατική διαδικασία

13 4.14 Απεικόνιση των φαινοµένων δευτέρας τάξης στη δοκιµή Μορφή δοκιµίων (α)l0d_c (β) L20d_C και (γ) L40d_C Συµβατική αστοχία δοκιµίου L0d_C (α) κατά το σπρώξιµο και (β) 64 κατά το τράβηγµα του εµβόλου 5.3 Αστοχία δοκιµίου L0d_C ιαγράµµατα δοκιµίου L0d_C (α) οριζόντιας δύναµης-µετατόπισης και (β) αξονικού φορτίου-µετατόπισης κεφαλής ιαγράµµατα ροπής-στροφών θ δοκιµίου L0d_C (α) στάθµη 1-L (β) 65 στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H 5.6 ιαγράµµατα ροπής καµπυλοτήτων φ δοκιµίου L0d_C (α) στάθµη 1- L (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H ιαγράµµατα παραµορφώσεων άξονα υποστυλώµατος δοκιµίου 68 L0d_C (α) στάθµη 1-L (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H 5.8 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής-ανηγµένης µετατόπισης στην παρειά T 68 ανάµεσα (α) στην 1 η και 2 η (β) στη 2 η και 3 η και (γ) στην 1 η και 3 η στάθµη 5.9 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής-ανηγµένης µετατοπίσης στην παρειά C 68 ανάµεσα (α) στην 1 η και 2 η (β) στη 2 η και 3 η και (γ) στην 1 η και 3 η στάθµη 5.10 Συµβατική αστοχία δοκιµίου L20d_C (α) κατά το σπρώξιµο και (β) 69 κατά το τράβηγµα του εµβόλου 5.11 Αστοχία δοκιµίου L20d_C ιαγράµµατα δοκιµίου L20d_C (α) οριζόντιας δύναµης-µετατόπισης 70 και (β) αξονικού φορτίου-µετατόπισης κεφαλής 5.13 ιαγράµµατα ροπής-στροφών θ δοκιµίου L20d_C (α) στάθµη 1-L 71 (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H 5.14 ιαγράµµατα ροπής καµπυλοτήτων φ δοκιµίου L20d_C (α) στάθµη 1-L (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H ιαγράµµατα παραµορφώσεων άξονα υποστυλώµατος δοκιµίου 71 L20d_C (α) στάθµη 1-L (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H 5.16 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής-ανηγµένης µετατόπισης στην παρειά T 72 ανάµεσα (α) στην 1 η και 2 η (β) στη 2 η και 3 η και (γ) στην 1 η και 3 η στάθµη

14 5.17 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής-ανηγµένης µετατοπίσης στην παρειά C 72 ανάµεσα (α) στην 1 η και 2 η (β) στη 2 η και 3 η και (γ) στην 1 η και 3 η στάθµη 5.18 Συµβατική αστοχία δοκιµίου L40d_C (α) κατά το σπρώξιµο και (β) 73 κατά το τράβηγµα του εµβόλου 5.19 Αστοχία δοκιµίου L40d_C ιαγράµµατα δοκιµίου L40d_C (α) οριζόντιας δύναµης- µετατόπισης και (β) αξονικού φορτίου-µετατόπισης κεφαλής ιαγράµµατα ροπής-στροφών θ δοκιµίου L40d_C (α) στάθµη 1-L 75 (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H 5.22 ιαγράµµατα ροπής καµπυλοτήτων φ δοκιµίου L40d_C (α) στάθµη 1-L (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H ιαγράµµατα παραµορφώσεων άξονα υποστυλώµατος δοκιµίου 75 L40d_C (α) στάθµη 1-L (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H 5.24 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής-ανηγµένης µετατόπισης στην παρειά T 76 ανάµεσα (α) στην 1 η και 2 η (β) στη 2 η και 3 η και (γ) στην 1 η και 3 η στάθµη 5.25 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής-ανηγµένης µετατοπίσης στην παρειά C 76 ανάµεσα (α) στην 1 η και 2 η (β) στη 2 η και 3 η και (γ) στην 1 η και 3 η στάθµη 5.26 Συγκριτικά διαγράµµατα δοκιµίων L0d_C, L20d_C και L40d_C (α) 77 περιβάλλουσες βρόχων υστέρησης και (β) αθροιστική απορροφώµενη ενέργεια κύκλων φόρτισης 5.27 Συγκριτικά διαγράµµατα δοκιµίων L0d_C, L20d_C και L40d_C (α) 78 γωνία στροφής ολίσθησης και (β) δυσκαµψία 5.28 Μορφή δοκιµίων (α)l0d_μ4 (β) L20d_Μ4 και (γ) L40d_Μ Συµβατική αστοχία δοκιµίου L0d_Μ4 (α) κατά το σπρώξιµο και (β) 80 κατά το τράβηγµα του εµβόλου 5.30 Αστοχία δοκιµίου L0d_Μ ιαγράµµατα δοκιµίου L0d_Μ4 (α) οριζόντιας δύναµης- µετατόπισης και (β) αξονικού φορτίου-µετατόπισης κεφαλής ιαγράµµατα ροπής-στροφών θ δοκιµίου L0d_Μ4 (α) στάθµη 1-L 82 (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H

15 5.33 ιαγράµµατα ροπής καµπυλοτήτων φ δοκιµίου L0d_Μ4 (α) στάθµη 1-L (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H 5.34 ιαγράµµατα παραµορφώσεων άξονα υποστυλώµατος δοκιµίου L0d_C (α) στάθµη 1-L (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H ιαγράµµατα εύρους ρωγµής-ανηγµένης µετατόπισης στην παρειά T 83 ανάµεσα (α) στην 1 η και 2 η (β) στη 2 η και 3 η και (γ) στην 1 η και 3 η στάθµη 5.36 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής-ανηγµένης µετατοπίσης στην παρειά C 83 ανάµεσα (α) στην 1 η και 2 η (β) στη 2 η και 3 η και (γ) στην 1 η και 3 η στάθµη 5.37 Συµβατική αστοχία δοκιµίου L20d_ Μ4 (α) κατά το σπρώξιµο και 84 (β) κατά το τράβηγµα του εµβόλου 5.38 Αστοχία δοκιµίου L20d_ Μ ιαγράµµατα δοκιµίου L20d_Μ4 (α) οριζόντιας δύναµης- 85 µετατόπισης και (β) αξονικού φορτίου-µετατόπισης κεφαλής 5.40 ιαγράµµατα ροπής-στροφών θ δοκιµίου L20d_ Μ4 (α) στάθµη 1-L 86 (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H 5.41 ιαγράµµατα ροπής καµπυλοτήτων φ δοκιµίου L20d_C (α) στάθµη 1-L (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H ιαγράµµατα παραµορφώσεων άξονα υποστυλώµατος δοκιµίου 87 L20d_Μ4 (α) στάθµη 1-L (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H 5.43 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής-ανηγµένης µετατόπισης στην παρειά T 87 ανάµεσα (α) στην 1 η και 2 η (β) στη 2 η και 3 η και (γ) στην 1 η και 3 η στάθµη 5.44 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής-ανηγµένης µετατοπίσης στην παρειά C 87 ανάµεσα (α) στην 1 η και 2 η (β) στη 2 η και 3 η και (γ) στην 1 η και 3 η στάθµη 5.45 Συµβατική αστοχία δοκιµίου L40d_Μ4 (α) κατά το σπρώξιµο και 88 (β) κατά το τράβηγµα του εµβόλου 5.46 ιαγράµµατα δοκιµίου L40d_Μ4 (α) οριζόντιας δύναµης- µετατόπισης και (β) αξονικού φορτίου-µετατόπισης κεφαλής ιαγράµµατα ροπής-στροφών θ δοκιµίου L40d_Μ4 (α) στάθµη 1-L 90 (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H

16 5.48 ιαγράµµατα ροπής καµπυλοτήτων φ δοκιµίου L40d_Μ4 (α) στάθµη 1-L (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H ιαγράµµατα παραµορφώσεων άξονα υποστυλώµατος δοκιµίου 90 L40d_Μ4 (α) στάθµη 1-L (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H 5.50 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής-ανηγµένης µετατόπισης στην παρειά T 91 ανάµεσα (α) στην 1 η και 2 η (β) στη 2 η και 3 η και (γ) στην 1 η και 3 η στάθµη 5.51 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής-ανηγµένης µετατοπίσης στην παρειά C 91 ανάµεσα (α) στην 1 η και 2 η (β) στη 2 η και 3 η και (γ) στην 1 η και 3 η στάθµη 5.52 Συγκριτικά διαγράµµατα δοκιµίων L0d_Μ4, L20d_Μ4 και L40d_Μ4 92 (α) περιβάλλουσες βρόχων υστέρησης και (β) αθροιστική απορροφώµενη ενέργεια κύκλων φόρτισης 5.53 Συγκριτικά διαγράµµατα δοκιµίων L0d_Μ4, L20d_Μ4 και L40d_Μ4 93 (α) γωνία στροφής ολίσθησης και (β) δυσκαµψία 5.54 Μορφή δοκιµίων (α)l0d_r2 (β) L20d_R2 και (γ) L40d_ R Συµβατική αστοχία δοκιµίου L0d_ R2 (α) κατά το σπρώξιµο και 95 (β) κατά το τράβηγµα του εµβόλου 5.55 Αστοχία δοκιµίου L0d_ R ιαγράµµατα δοκιµίου L0d_ R2 (α) οριζόντιας δύναµης- µετατόπισης και (β) αξονικού φορτίου-µετατόπισης κεφαλής ιαγράµµατα ροπής-στροφών θ δοκιµίου L0d_ R2 (α) στάθµη 1-L 97 (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H 5.58 ιαγράµµατα ροπής καµπυλοτήτων φ δοκιµίου L0d_ R2 (α) στάθµη 97 1-L (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H 5.59 ιαγράµµατα παραµορφώσεων άξονα υποστυλώµατος δοκιµίου 98 L0d_ R2 (α) στάθµη 1-L (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H 5.60 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής-ανηγµένης µετατόπισης στην παρειά T 98 ανάµεσα (α) στην 1 η και 2 η (β) στη 2 η και 3 η και (γ) στην 1 η και 3 η στάθµη 5.61 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής-ανηγµένης µετατοπίσης στην παρειά C 98 ανάµεσα (α) στην 1 η και 2 η (β) στη 2 η και 3 η και (γ) στην 1 η και 3 η στάθµη

17 5.62 Συµβατική αστοχία δοκιµίου L20d_ R2 (α) κατά το σπρώξιµο και 99 (β) κατά το τράβηγµα του εµβόλου 5.63 Αστοχία δοκιµίου L20d_ R ιαγράµµατα δοκιµίου L20d_ R2 (α) οριζόντιας δύναµης- 100 µετατόπισης και (β) αξονικού φορτίου-µετατόπισης κεφαλής 5.65 ιαγράµµατα ροπής-στροφών θ δοκιµίου L20d_ R2 (α) στάθµη 1-L 101 (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H 5.66 ιαγράµµατα ροπής καµπυλοτήτων φ δοκιµίου L20d_ R2 (α) στάθµη 1-L (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H ιαγράµµατα παραµορφώσεων άξονα υποστυλώµατος δοκιµίου 102 L20d_ R2 (α) στάθµη 1-L (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H 5.68 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής-ανηγµένης µετατόπισης στην παρειά T 102 ανάµεσα (α) στην 1 η και 2 η (β) στη 2 η και 3 η και (γ) στην 1 η και 3 η στάθµη 5.69 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής-ανηγµένης µετατοπίσης στην παρειά C 102 ανάµεσα (α) στην 1 η και 2 η (β) στη 2 η και 3 η και (γ) στην 1 η και 3 η στάθµη 5.70 Συµβατική αστοχία δοκιµίου L40d_ R2 (α) κατά το σπρώξιµο και 103 (β) κατά το τράβηγµα του εµβόλου 5.71 ιαγράµµατα δοκιµίου L40d_ R2 (α) οριζόντιας δύναµης- µετατόπισης και (β) αξονικού φορτίου-µετατόπισης κεφαλής ιαγράµµατα ροπής-στροφών θ δοκιµίου L40d_ R2 (α) στάθµη 1-L 104 (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H 5.73 ιαγράµµατα ροπής καµπυλοτήτων φ δοκιµίου L40d_ R2 (α) στάθµη 1-L (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H ιαγράµµατα παραµορφώσεων άξονα υποστυλώµατος δοκιµίου 105 L40d_ R2 (α) στάθµη 1-L (β) στάθµη 2_M και (γ) στάθµη 3-H 5.75 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής-ανηγµένης µετατόπισης στην παρειά T 106 ανάµεσα (α) στην 1 η και 2 η (β) στη 2 η και 3 η και (γ) στην 1 η και 3 η στάθµη 5.76 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής-ανηγµένης µετατοπίσης στην παρειά C 106 ανάµεσα (α) στην 1 η και 2 η (β) στη 2 η και 3 η και (γ) στην 1 η και 3 η στάθµη

18 5.77 Συγκριτικά διαγράµµατα δοκιµίων L0d_C, L20d_C και L40d_C (α) 107 περιβάλλουσες βρόχων υστέρησης και (β) αθροιστική απορροφώµενη ενέργεια κύκλων φόρτισης 5.78 Συγκριτικά διαγράµµατα δοκιµίων L0d_C, L20d_C και L40d_C (α) 108 γωνία στροφής ολίσθησης και (β) δυσκαµψία 5.79 Απεικόνιση τοποθέτησης µετρητών παραµόρφωσης σε δοκίµιο µε 109 µάτιση (α) 20Φ και (β) 40Φ 5.80 Κατανοµή παραµόρφωση ενωµένων ράβδων στην περιοχή µάτισης ιαγράµµατα παραµόρφωσης σε συνάρτηση µε τη µετατόπιση για τα 112 δοκίµια L20d_C,L20d_M4 και L20d_R2 (α) για τη ράβδο σε αναµονή και (β) για τη µατιζόµενη ράβδο 5.82 ιαγράµµατα παραµόρφωσης σε συνάρτηση µε τη µετατόπιση για τα 113 δοκίµια L20d_C,L20d_M4 και L20d_R2 (α) για τη ράβδο σε αναµονή και (β) για τη µατιζόµενη ράβδο 6.1 Συγκριτικά διαγράµµατα δοκιµίων L0d_C, L0d_Μ4 και L0d_R2 (α) 115 περιβάλλουσες βρόχων υστέρησης και (β) αθροιστική απορροφώµενη ενέργεια κύκλων φόρτισης 6.2 Συγκριτικά διαγράµµατα δοκιµίων L0d_C, L0d_Μ4 και L0d_R2 (α) 116 γωνία στροφής ολίσθησης και (β) δυσκαµψία 6.3 Συγκριτικά διαγράµµατα δοκιµίων L20d_C, L20d_Μ4 και L20d_R2 117 (α) περιβάλλουσες βρόχων υστέρησης και (β) αθροιστική απορροφώµενη ενέργεια κύκλων φόρτισης 6.4 Συγκριτικά διαγράµµατα δοκιµίων L20d_C, L20d_Μ4 και L20d_R2 118 (α) γωνία στροφής ολίσθησης και (β) δυσκαµψία 6.5 Συγκριτικά διαγράµµατα δοκιµίων L20d_C, L20d_Μ4 και L20d_R2 119 (α) περιβάλλουσες βρόχων υστέρησης και (β) αθροιστική απορροφώµενη ενέργεια κύκλων φόρτισης 6.6 Συγκριτικά διαγράµµατα δοκιµίων L20d_C, L20d_Μ4 και L20d_R2 121 (α) γωνία στροφής ολίσθησης και (β) δυσκαµψία

19 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Σελίδα 1.1 Τυπικές ιδιότητες ινών Μηχανικές ιδιότητες ρητινών Σύγκριση τυπικών ιδιοτήτων εποξειδικών ρητινών σκυροδέµατος και 14 χάλυβα 4.1 Ιδιότητες υλικών µεθόδου ενίσχυσης FRP Ιδιότητες υλικών µεθόδου ενίσχυσης FRP Ονοµατολογία δοκιµίων πειραµατικής εφαρµογής Κατάλογος δοκιµίων πειραµατικής εφαρµογής Χαρακτηριστικές τιµές χάλυβα οπλισµών Μέγιστη διατµητική τάση συνάφειας Μέγιστες τιµές οριζόντιας δύναµης δοκιµίων Αθροιστική απορροφώµενη ενέργεια Μεταβολή δυσκαµψίας 124

20 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ Ο βασικός στόχος κατά τον αντισεισµικό σχεδιασµό µιας κατασκευής, είναι η δηµιουργία ενός φορέα που να εξασφαλίζει τόσο µεγάλη αντοχή όσο και µεγάλη πλαστιµότητα κατά τη σεισµική δράση. Ως πλαστιµότητα ορίζεται η ικανότητα ενός φορέα να παραµορφώνεται πέρα από το όριο διαρροής χωρίς να παρουσιάζεται σηµαντική µείωση στην αντοχή και στη δυσκαµψία του (Pauley & Priestley 1996). Ωστόσο, η ανάπτυξη αντισεισµικών κανονισµών πάνω στη φιλοσοφία αυτή άρχισε να γίνεται στην Ελλάδα µετά από τα µέσα της δεκαετίας του Ως εκ τούτου, πολλές κατασκευές οπλισµένου σκυροδέµατος, πριν από το 1985, έχουν σχεδιαστεί λαµβάνοντας υπόψιν κυρίως τα κατακόρυφα φορτία και τις φορτίσεις λόγω ανέµου µε ελλειπή ή µηδαµινή εφαρµογή αντισεισµικού κανονισµού. Σαν αποτέλεσµα οι κατασκευές λειτουργούσαν χωρίς να εξασφαλίζεται η πλάστιµη συµπεριφορά του φορέα κατά τη σεισµική δράση, ενώ οποιαδήποτε αστοχία µπορεί να είναι ψαθυρή και να οδηγήσει σε κατάρρευση. Η αναβάθµιση ή ενίσχυση των φερόντων στοιχείων των υφιστάµενων κατασκευών αποτελεί ένα σηµαντικό ζήτηµα για την επιστήµη του Πολιτικού Μηχανικού. Στην παρούσα εργασία τα φέροντα στοιχεία της κατασκευής που εξετάζονται για ενίσχυση είναι τα υποστυλώµατα. Ο πιο διαδεδοµένος τρόπος αναβάθµισης υποστυλωµάτων είναι η ενίσχυση µε χρήση µανδυών από οπλισµένο σκυρόδεµα. Σε αυτή την περίπτωση η ενίσχυση επιτυγχάνεται µε αύξηση της διατοµής του στοιχείου µε νέες στρώσεις σκυροδέµατος και νέους οπλισµούς κατασκευάζοντας έναν µανδύα γύρω από το αρχικό στοιχείο. Ωστόσο, το τελευταίο επίτευγµα της επιστήµης στο πεδίο της αναβάθµισης των ανεπαρκών κατασκευών είναι οι ενισχύσεις µε χρήση συνθέτων υλικών. Η τεχνική ενίσχυσης µε σύνθετα υλικά χωρίζεται σε δύο κατηγορίες. Η πρώτη κατηγορία αφορά τις ενισχύσεις µέσω περίσφιγξης, είτε µε µανδύες ινοπλισµένων πολυµερών ή FRP (Fiber Reinforced Polymers), είτε µε µανδύες ινοπλεγµάτων σε ανόργανη µήτρα ή TRM (Textile Reinforced Mortar). Η δεύτερη κατηγορία αφορά τις ενισχύσεις µε εφαρµογή ελασµάτων από σύνθετα υλικά σε εγκοπές µε στόχο την αύξηση της

21 δυσκαµψίας και της αντοχής των στοιχείων οπλισµένου σκυροδέµατος. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στην εφαρµογή των συνθέτων υλικών στο πεδίο των ενισχύσεων. 1.2 ΧΡΗΣΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Η εφαρµογή των συνθέτων υλικών, στο πεδίο των τεχνικών έργων και ειδικότερα στο πεδίο των ενισχύσεων/επισκευών, έχει αναπτυχθεί παγκοσµίως την τελευταία εικοσαετία. Η τεχνική της ενίσχυσης δοµικών στοιχείων µε σύνθετα υλικά παρουσιάζει µεγάλες προοπτικές µε αποτέλεσµα την έξαρση των εφαρµογών τόσο σε πραγµατικές κατασκευές όσο και σε ερευνητικό επίπεδο. Τα σύνθετα υλικά αρχικά χρησιµοποιήθηκαν ευρέως και αποκλειστικά σε τοµείς όπως η αυτοκινητοβιοµηχανία, η ναυσιπλοΐα, η αεροναυπηγική, η αεροδιαστηµική, τα είδη ηλεκτρονικών συσκευών και τα αθλητικά είδη. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια έχει αλλάξει η εικόνα αυτή καθώς ένα µεγάλο ποσοστό της παγκόσµιας παραγωγής, που αγγίζει το 25% κατά το έτος 2002, απορροφάται στο πεδίο των τεχνικών έργων. Η µέθοδος ενίσχυσης µε σύνθετα υλικά στηρίζεται στην χρήση ινών κυρίως άνθρακα και γυαλιού και σπανιότερα αραµιδίου, σε συνδυασµό µε εποξειδική ρητίνη ή κάποιο είδος ρητινούχου κονιάµατος. Η εφαρµογή τους ως οπλισµός ενίσχυσης στοιχείων οπλισµένου σκυροδέµατος συνίσταται στην επικόλλησή τους στις εξωτερικές επιφάνειες δοµικών στοιχείων, µε τέτοια διεύθυνση ινών ώστε να παραλαµβάνουν σηµαντικές εφελκυστικές δυνάµεις (Τριανταφύλλου, 2003). Τα σύνθετα υλικά τυγχάνουν ευρείας χρήσης λόγω των πολύ ελκυστικών ιδιοτήτων τους. Τα κυριότερα πλεονεκτήµατα των συνθέτων υλικών είναι η ανθεκτικότητα σε διάβρωση και η εξαιρετικά υψηλή εφελκυστική αντοχή τους (πολλαπλάσια του κοινού χάλυβα) που συνδυάζεται µε το χαµηλό τους βάρος. Συν τοις άλλοις η εκτεταµένη βιοµηχανική παραγωγή των συνθέτων υλικών εξασφαλίζει τη διαθεσιµότητά τους σε πολύ µεγάλα µήκη και σε εύκαµπτη µορφή. Έτσι διασφαλίζεται η διάρκεια της ενίσχυσης, η ευκολία και η ταχύτητα στην εφαρµογή της καθώς και η ανάπτυξη πλήρους αντοχής σε µικρό χρονικό διάστηµα. Επίσης σηµαντικό πλεονέκτηµα της τεχνικής είναι η εφαρµογή της σε δυσπρόσιτα τµήµατα των κατασκευών επιφέροντας σχετικά µικρή όχληση. Επιπλέον, τα σύνθετα υλικά που χρησιµοποιούνται στην ενίσχυση δοµικών στοιχείων έχουν πολύ µικρό πάχος µε αποτέλεσµα να µην υπάρχει αύξηση στην περίµετρο του ενισχυµένου στοιχείου και να µη δηµιουργούνται αντιαισθητικές

22 προσθήκες στη αρχιτεκτονική του κτηρίου, όπως συµβαίνει στην περίπτωση ενίσχυσης µε µανδύα οπλισµένου σκυροδέµατος. Ωστόσο η χρήση των συνθέτων υλικών στον τοµέα των ενισχύσεων/επισκευών παρουσιάζει κάποια σηµαντικά µειονεκτήµατα. Το σηµαντικότερο µειονέκτηµά τους είναι η πτωχή συµπεριφορά τους σε υψηλές θερµοκρασίες. Ένα ακόµη µειονέκτηµα των συνθέτων υλικών συνίσταται στην έλλειψη πλαστιµότητας σε αντίθεση µε το χάλυβα. Όµως το γεγονός ότι παρέχουν υψηλή παραµορφωσιµότητα µπορεί να συνεισφέρει στην αύξηση της πλαστιµότητας ενός δοµικού στοιχείου σε πολλές περιπτώσεις. Τέλος, το υψηλό κόστος στην παραγωγή των συνθέτων υλικών θεωρείται ένας ανασταλτικός παράγοντας στη χρήση των συνθέτων υλικών, ο οποίος όµως µετριάζεται λόγω της ταχύτητας και της ευκολίας στην εφαρµογή τους. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω η επικόλληση των µανδυών από σύνθετα υλικά πάνω στις επιφάνειες των υπό ενίσχυση δοµικών στοιχείων γίνεται µε δυο πρακτικές. Η µια µέθοδος αφορά τη χρήση συνθέτων υλικών µε οργανική µήτρα, η οποία έχει σαν µέσο συγκόλλησης µήτρα εποξειδικής ρητίνης. Η εναλλακτική πρακτική είναι αυτή της χρήσης σύνθετων υλικών µε ανόργανη µήτρα που έχει σαν βάση κάποιο τσιµεντοειδές κονίαµα. Η τεχνική της ενίσχυσης µε µανδύες ινοπλεγµάτων σε ανόργανη µήτρα αποτελεί µια καινοτοµία που ξεκίνησε προ ολίγων ετών ακολουθώντας την αυξανόµενη παραγωγή δοµικών κονιαµάτων υψηλών επιδόσεων. Η εν λόγω µέθοδος παρουσιάζει σηµαντικά πλεονεκτήµατα στην εφαρµογή της. Ένα από αυτά είναι το µικρό κόστος συγκριτικά µε την πρακτική των συνθέτων υλικών µε µήτρα εποξειδικής ρητίνης. Επίσης η εφαρµογή της µεθόδου είναι πιο φιλική προς το περιβάλλον και τον χρήστη. Στην παρούσα διατριβή ουσιαστικά διερευνάται η αποτελεσµατικότητα της περίσφιγξης του σκυροδέµατος µε µανδύες συνθέτων υλικών ανόργανης µήτρας σε παλαιού τύπου υποστυλώµατα από οπλισµένο σκυρόδεµα σε σχέση µε µανδύες συνθέτων υλικών οργανικής µήτρας. 1.3 ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Υπάρχουν πολλοί παράγοντες που καθορίζουν την αντισεισµική συµπεριφορά µιας υφιστάµενης κατασκευής. Ένας από αυτούς αποτελεί ο µηχανισµός συνάφειας

23 µεταξύ ράβδων οπλισµού και σκυροδέµατος σε περιοχές µατίσεων των διαµήκων οπλισµών. Στη συντριπτική τους πλειοψηφία τα υποστυλώµατα των παλαιοτέρων κατασκευών είχαν ενώσεις των διαµήκων τους ράβδων µέσω απλής παράθεσης, ακριβώς πάνω από τη βάση του κάθε ορόφου, χωρίς να προβλέπεται περίσφιγξη µέσω εγκάρσιου οπλισµού. Αυτή η πρακτική έρχεται σε αντίθεση µε τον ορθολογικό τρόπο αντισεισµικού σχεδιασµού, ο οποίος προβλέπει την πραγµατοποίηση πλαστικών αρθρώσεων στη βάση, για τα υποστυλώµατα του ισογείου. Οι πιθανές αστοχίες στις περιοχές µατίσεων οφείλονται συνήθως στο µικρό µήκος µάτισης και στη χρήση λείων ράβδων χωρίς επαρκή άγκιστρα. Η παρούσα εργασία έχει ως σκοπό την πειραµατική διερεύνηση της συµπεριφοράς µελών οπλισµένου σκυροδέµατος, που έχουν κατασκευαστεί χωρίς αντισεισµικό σχεδιασµό, υπό ανακυκλιζόµενη φόρτιση, καθώς και της ενίσχυσής τους. Η µέθοδος ενίσχυσης που µελετήθηκε ήταν η περίσφιγξη είτε µε µανδύες από σύνθετα υλικά µε ανόργανη µήτρα είτε µε µανδύες από σύνθετα υλικά µε οργανική µήτρα. Η εξέταση του προβλήµατος έγινε µέσω πειραµατικών δοκιµών σε στοιχεία οπλισµένου σκυροδέµατος τύπου υποστυλώµατος. Η παράµετρος που ελέγχθηκε ήταν η επιρροή της ύπαρξης µατίσεων στην αντισεισµική συµπεριφορά των µη σεισµικά σχεδιασµένων υποστυλωµάτων. Ελέγχθηκαν δυο διαφορετικά µήκη µάτισης, ενώ να σηµειωθεί πως τα υποστυλώµατα κατασκευάστηκαν µε συνδυασµό λείων οπλισµών και νευροχαλύβων S500s και µε ποιότητα σκυροδέµατος C16/20, δηλαδή σχεδιασµένα µε τον προ του 1985 Αντισεισµικό Κανονισµό. Μέσω της σειράς των πειραµατικών δοκιµών, που έλαβαν χώρα στο εργαστήριο της Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του τµήµατος των Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών, έγινε έλεγχος της απόδοσης της µεθόδου ενίσχυσης που αφορά την εφαρµογή δυο διαφορετικών ειδών µανδυών από υφάσµατα ανθρακονηµάτων. Η µέθοδος ενίσχυσης που εφαρµόστηκε, βασίστηκε στην ευνοϊκή επιρροή που ασκεί η περίσφιγξη στο σκυρόδεµα, η οποία αναλύεται στα ακόλουθα κεφάλαια. 1.4 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ

24 Περίσφιγξη σκυροδέµατος είναι η κατάσταση κατά την οποία το σκυρόδεµα βρίσκεται σε κατάσταση τριαξονικής θλίψης, η οποία πρακτικά δηµιουργείται όταν οι εγκάρσιοι οπλισµοί του στοιχείου ή οι µανδύες από σύνθετα υλικά παρεµποδίζουν την πλευρική διόγκωση. Ο περιορισµός της εγκάρσιας διαστολής του δοκιµίου έχει σαν αποτέλεσµα αφενός την αύξηση της αντοχής του και αφετέρου την αύξηση της αξονικής παραµόρφωσης στη θραύση (Τριανταφύλλου, 2001). Η περίσφιγξη ενεργοποιείται όταν αρχίζουν να δηµιουργούνται οι εσωτερικές ρωγµές συνάφειας µεταξύ αδρανών και κονιάµατος, που χαρακτηρίζουν την ανελαστική συµπεριφορά του σκυροδέµατος. Ο ρόλος της περίσφιγξης σε ένα στοιχείο σκυροδέµατος είναι πολύ σηµαντικός. Αρχικά αυξάνει τη θλιπτική αντοχή του σκυροδέµατος στην κύρια διεύθυνση σε * f c = f c (1 + (1.1) όπου K) 0.87 p K 3.7 f c (1.2) και A p = swσ s sr (1.3) Παράλληλα αυξάνει τη µέγιστη κρίσιµη παραµόρφωση σε τιµές πολύ µεγαλύτερες από το συµβατικό όριο αστοχίας ε cu. Ωστόσο, ο πιο σηµαντικός ρόλος της περίσφιγξης έγκειται στην αύξηση της πλαστιµότητας. Με δεδοµένη µάλιστα την επιρροή της σεισµικής φόρτισης σε µια κατασκευή, είναι πολύ σηµαντικό να εξασφαλίζεται η πλάστιµη συµπεριφορά ενός φορέα σε όσο το δυνατό µεγαλύτερες παραµορφώσεις. Ειδικότερα στο θέµα των µατίσεων η περίσφιγξη είναι πολύ αποτελεσµατική, διότι παρεµποδίζει την ολίσθηση των ράβδων µε συνέπεια πιο πλάστιµη συµπεριφορά σε φορείς µε ανεπαρκή µήκη µάτισης. Είναι κοινώς αποδεκτό πως η περίσφιγξη του σκυροδέµατος µε σύνθετα υλικά είναι πιο αποτελεσµατική σε κυκλικές διατοµές. Αυτό συµβαίνει εξαιτίας του σχήµατος των κυκλικών συνδετήρων ή µανδυών, οι οποίοι όταν βρίσκονται σε εφελκυσµό δηµιουργούν συνεχείς τάσεις προς την περιφέρεια. Σε ορθογωνικές

25 διατοµές αντιθέτως, υπάρχει µεγάλη συγκέντρωση τάσεων στις γωνίες. Καθώς το σκυρόδεµα διογκώνεται οι συνδετήρες εκτρέπονται προς τα έξω δηµιουργώντας βέλος κάµψης, µε αποτέλεσµα η πίεση περίσφιγξης να είναι πολύ σηµαντική στις γωνίες. Για να αναλυθεί η συµπεριφορά και να εξαχθεί ο καταστατικός νόµος του περισφιγµένου σκυροδέµατος µε σύνθετα υλικά γίνεται θεώρηση ενός κυλινδρικού στοιχείου από σκυρόδεµα διαµέτρου D που περιβάλλεται από µανδύα συνθέτων υλικών πάχους t f και µέτρου Ελαστικότητας E f µε τις ίνες του κατά τη διεύθυνση της περιµέτρου και στο σύνολο της επιφάνειάς του. Αν το στοιχείο καταπονηθεί αξονικά, θα προκληθεί αξονική βράχυνση και ταυτόχρονα πλευρική διόγκωση. Εξαιτίας της πλευρικής διόγκωσης αναπτύσσονται εγκάρσιες τάσεις στο µανδύα. Σαν αντίδραση σε αυτές τις τάσεις δηµιουργούνται ίσες και αντίθετες τάσεις από το µανδύα προς τον πυρήνα του σκυροδέµατος. Αν θεωρηθεί πάχος µανδύα t f και εφελκυστική παραµόρφωση µανδύα ε f τότε η προκύπτουσα η συνολική τάση περίσφιγξης σ l ισούται µε t f σ l = E f ε f D (1.4) (α) (β) Σχήµα 1.1 Τυπικές ιδιότητες ινών (α) Αξονική καταπόνηση δοκιµίου µε µανδύα συνθέτων υλικών και (β) Ανάπτυξη εγκαρσίων τάσεων λόγω διόγκωσης (Τριανταφύλλου, 2005). Συν τοις άλλοις, οι τάσεις περίσφιγξης στο σκυρόδεµα έχουν σαν αποτέλεσµα τον περιορισµό των µικρορωγµών και της έναρξης και διάδοσης των ρηγµατώσεων.

26 Η σχέση θλιπτικής τάσης-παραµόρφωσης για σκυρόδεµα περισφιγµένο µε µανδύα συνθέτων υλικών παρουσιάζεται στο ακόλουθο σχήµα. Σχήµα 1.2 Καµπύλες θλιπτικής τάσης παραµόρφωσης για σκυρόδεµα περισφιγµένο µε σύνθετα υλικά (Τριανταφύλλου, 2006). Όπως φαίνεται στο παραπάνω διάγραµµα, η µορφή της καµπύλης είναι περίπου διγραµµική µε µεταβατική ζώνη εξοµάλυνσης µεταξύ των ευθύγραµµων τµηµάτων σε ένα επίπεδο τάσεων, που αντιστοιχεί περίπου στην αντοχή του απερίσφιγκτου σκυροδέµατος. Στο πρώτο τµήµα της καµπύλης φαίνεται πως η συµπεριφορά του περισφιγµένου σκυροδέµατος δεν διαφοροποιείται από αυτή του απερίσφιγκτου. Στο επόµενο τµήµα της καµπύλης υπάρχει αλλαγή στην κλίση µετά την παραµόρφωση που αντιστοιχεί στην αντοχή του απερίσφιγκτου σκυροδέµατος και ακολούθως η αύξηση των εγκαρσίων παραµορφώσεων ενεργοποιεί το µανδύα από σύνθετα υλικά. Στην περίπτωση ορθογωνικού υποστυλώµατος η περίσφιγξη είναι λιγότερο αποδοτική. Προκειµένου να είναι αποδοτική η περίσφιγξη σε ορθογωνικά υποστυλώµατα είναι απαραίτητη η καµπύλωση των γωνιών τους. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται η µείωση οποιασδήποτε ανεπιθύµητης επίδρασής των γωνιών στην εφελκυστική αντοχή του µανδύα. Σχήµα 1.3 Η περίσφιγξη του σκυροδέµατος σε ορθογωνικές διατοµές που επιτυγχάνεται µέσω καµπύλωσης των γωνιών (Τριανταφύλλου, 2006).

27 Η επίδραση της περίσφιγξης είναι πολύ σηµαντική, ειδικά σε περιοχές στις οποίες σχηµατίζονται πλαστικές αρθρώσεις. Ωστόσο σε υφιστάµενες κατασκευές είναι πολύ συχνό το φαινόµενο να υπάρχουν ανεπαρκή µήκη µάτισης σε αυτά τα σηµεία, µε αποτέλεσµα την πτωχή αντισεισµική συµπεριφορά του φορέα. Έχουν γίνει πολλά πειράµατα σχετικά µε την περίσφιγξη του σκυροδέµατος µε µανδύες από σύνθετα υλικά (π.χ Ma and Xiao 1997, Saadatmanesh et al.1997, Seible et al 1997, Restrepo et al. 1998, Osada et al. 1999, Chang et al.2001, Haroun et al.2001). Από αυτά τα πειράµατα διαπιστώνεται ότι η περίσφιγξη που παρέχουν οι µανδύες συνθέτων υλικών σε περιοχές µατίσεων έχουν πολύ ευνοϊκοί δράση. Στο παρακάτω σχήµα παρουσιάζεται η εντατική κατάσταση στην περιοχή µάτισης ή αλλιώς µηχανισµός τριβής. F=A b f s =p c τ b l s Εγκάρσια τάση σl ls ιαγώνιοι θλιπτήρες Τάση συνάφειας τ b =µσ l Σχήµα 1.4 Εντατική κατάσταση στην περιοχή µάτισης (Τριανταφύλλου, 2006). Στην περιοχή µάτισης µιας ράβδου οπλισµού µπορεί να αναπτυχθεί µια εφελκυστική δύναµη, που εξισορροπείται από τη διατµητική τάση συνάφειας που αναπτύσσεται στην περιφέρεια της ράβδου. Η διατµητική τάση συνάφειας είναι ανάλογη της εγκάρσιας τάσης περίσφιγξης που παρέχει ο µανδύας των συνθέτων υλικών και του συντελεστή τριβής µ µεταξύ των δυο ράβδων. Για να αποφευχθεί η ολίσθηση µεταξύ των δυο µατιζοµένων ραβδών, πρέπει να εξασφαλισθεί ότι η διαρροή του διαµήκους οπλισµού θα αναπτυχθεί πριν από την απώλεια συνάφειας. ηλαδή πρέπει: (1.5) Α b f yd = p σ l c l s

28 µατίσεις (αραιή διάταξη) (α) (β) (γ) Σχήµα 1.5 (α) Περίσφιγξη σε περιοχή µάτισης. (β) Ανάπτυξη ρωγµών στην εφελκυόµενη περιοχή κυκλικού υποστυλώµατος λόγω αστοχίας συνάφειας και ορισµός της κρίσιµης διαδροµής ρηγµάτωσης. (γ) Οµοίως για ορθογωνικά υποστυλώµατα (Τριανταφύλλου, 2006). εδοµένου ότι στην οριακή κατάσταση αστοχίας ενός στοιχείου σκυροδέµατος διατοµής bxd η τάση περίσφιγξης ισούται µε: (1.6) σ = a l f ( b + d) t bd f f fde όπου αf ο συντελεστής αποδοτικότητας του µανδύα ενεργούς αντοχής f fde, τότε προκύπτει πως το απαιτούµενο πάχος µανδύα ώστε να αποφεύγεται η απώλεια συνάφειας σε περιοχές µατίσεων είναι: t f = γ Rd l bd(1 l f s s,min a ( b + d) p f c ) l fde s A b f yd (1.7) Στην παραπάνω σχέση Α b είναι το εµβαδόν διατοµής µιας µατιζόµενης ράβδου οπλισµού διατοµής d b και p c η διαδροµή ρηγµάτωσης της ράβδου όπως ορίζεται στο σχήµα 1.5. Για την εξασφάλιση της συνάφειας ράβδου-σκυροδέµατος θα πρέπει η εγκάρσια παραµόρφωση να µην ξεπερνά µια κρίσιµη τιµή, γύρω στο

29 (Seible et al.,1997). Εποµένως για το σχεδιασµό του πάχους µανδύα, η ενεργή τάση σχεδιασµού των συνθέτων υλικών f fde θα πρέπει να περιορίζεται σε: f fde E f (1.8) Η περίσφιγξη στοιχείων σκυροδέµατος µε µανδύες από σύνθετα υλικά, εµποδίζει την ρηγµάτωση του σκυροδέµατος και συνεπώς την ολίσθηση των ράβδων σε περιοχές µατίσεων, µε αποτέλεσµα η πλαστιµότητα του ενισχυµένου στοιχείου να είναι πολύ µεγαλύτερη σε σχέση µε ένα µη περισφιγµένο στοιχείο. 1.5 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Τα βασικά συστατικά ενός συστήµατος ενίσχυσης είναι τα σύνθετα υλικά και η κόλλα εφαρµογής τους σε επιφάνειες σκυροδέµατος ή τοιχοποιίας. Τα σύνθετα υλικά που χρησιµοποιούνται στις ενισχύσεις αποτελούνται από συνεχείς ίνες (συνήθως άνθρακα ή γυαλιού και σπανιότερα αραµιδίου) σε συνδυασµό µε εποξειδική ρητίνη ή µε ανόργανη µήτρα. Τα σύνθετα υλικά διατίθενται σε µορφή δύσκαµπτων ελασµάτων ή εύκαµπτων υφασµάτων µε ίνες σε µια ή και περισσότερες διευθύνσεις. Το κυριότερο χαρακτηριστικό των ινών είναι η εξαιρετικά µεγάλη εφελκυστική αντοχή τους κατά τον άξονα τους, στη διεύθυνση του οποίου παραλαµβάνουν τα επιβαλλόµενα φορτία, καθώς και γραµµικά ελαστική συµπεριφορά τους ως την θραύση. Σε συνδυασµό µε το γεγονός ότι η συνεισφορά της µήτρας στην ανάληψη των φορτίων είναι αµελητέα, η προκύπτουσα αντοχή και δυστένεια του σύνθετου υλικού οφείλεται σχεδόν αποκλειστικά στις ίνες. Οι µηχανικές ιδιότητες κατά τη διεύθυνση των ινών στο σύνθετο υλικό που προκύπτει από τον εµποτισµό των ινών στην µήτρα (για υλικά µίας διεύθυνσης) εκτιµούνται σύµφωνα µε την αναλογία ανάµειξης ως εξής: E f E fib V fib + E m V m (1.9) f f f fib V fib + f m V m (1.10)

30 όπου: E, E, E : το µέτρο ελαστικότητας του σύνθετου υλικού κατά τη διεύθυνση των f fib m ινών, των ινών και της µήτρας αντίστοιχα V fib : το ογκοµετρικό ποσοστό των ινών V : το ογκοµετρικό ποσοστό της µήτρας ( = 1 ) και m f fib m V fib f, f, f : η εφελκυστική αντοχή του σύνθετου υλικού κατά τη διεύθυνση των ινών, των ινών και της µήτρας αντίστοιχα. Επειδή όµως E fib >> Em και fib f m f >> είναι δυνατό οι όροι που αναφέρονται στην µήτρα να αγνοηθούν και εποµένως το µέτρο ελαστικότητας και η εφελκυστική αντοχή του σύνθετου υλικού να εκτιµηθεί βάσει της αντίστοιχης ιδιότητας των ινών επί του ογκοµετρικού ποσοστού τους. Η µεταφορά φορτίου µεταξύ της µήτρας και ινών των σύνθετων υλικών γίνεται µε ανάπτυξη διατµητικών τάσεων στη διεπιφάνεια τους. Ο κυριότερος τρόπος αστοχίας είναι αποκόλληση των ινών από τη µήτρα εξαιτίας της εξασθένισης των δεσµών που αναπτύσσονται στη διεπιφάνεια. Όσο µεγαλύτερο είναι το ποσοστό των ινών στο σύνθετο υλικό τόσο πιο δύσκολα εξασθενούν αυτοί οι δεσµοί εποµένως η αντοχή του σύνθετου υλικού είναι αυξηµένη. 1.6 ΙΝΕΣ Πολλά υλικά παρουσιάζουν εξαιρετικές µηχανικές ιδιότητες όταν βρίσκονται σε µορφή ινών. Είναι δυνατό να χρησιµοποιηθούν σε µικρά µήκη, αναµεµειγµένες και διασκορπισµένες σε τυχούσα διεύθυνση για τη βελτίωση των µηχανικών χαρακτηριστικών υλικών όπως του σκυροδέµατος (ινοπλισµένα σκυροδέµατα). Στις ενισχύσεις µε σύνθετα υλικά όµως χρησιµοποιούνται ίνες διαµέτρου 5-20 µm και µεγάλου µήκους σε µία ή δύο διευθύνσεις. Ο υψηλός λόγος µήκους προς διάµετρο επιτρέπει την αποτελεσµατική µεταφορά φορτίων µέσω του άλλου βασικού συστατικού του συστήµατος, της µήτρας, ώστε πλέον οι ίνες να λειτουργούν ως οπλισµός. Κύριο χαρακτηριστικό των ινών είναι η εξαιρετικά υψηλή εφελκυστική αντοχή τους και η γραµµικά ελαστική συµπεριφορά ως την θραύση τους. Στα

31 συστήµατα ενισχύσεων χρησιµοποιούνται τρεις τύποι ινών µε σηµαντική ποικιλία όσον αφορά τις φυσικές και µηχανικές τους ιδιότητες. Οι ίνες γυαλιού έχουν πυκνότητα kg/m³, παράγονται από λιωµένο γυαλί και σηµαντικό τους πλεονέκτηµα είναι το χαµηλό τους κόστος. Οι ίνες τύπου E παρασκευάζονται από τον κοινό τύπο γυαλιού, αλλά παρουσιάζουν µικρή αντίσταση σε αλκαλικό περιβάλλον, όπως αυτό του σκυροδέµατος. Οι ίνες τύπου S έχουν υψηλότερη αντοχή και µεγαλύτερο µέτρο ελαστικότητας από τις τύπου Ε, χωρίς ωστόσο καλύτερη συµπεριφορά σε αλκαλικό περιβάλλον. Ανθεκτικές σε αλκαλικό περιβάλλον είναι µόνο οι ίνες τύπου Z, µε αντίστοιχες ιδιότητες µε αυτές του τύπου Ε. Οι ίνες αραµιδίου είναι οι ελαφρότερες µε πυκνότητα 1450 kg/m³. Παράγονται είτε από αρωµατικό πολυαραµίδιο (Κέβλαρ, Twaron) είτε από αρωµατικό πολυαιθεραµίδιο (Technora) και πλεονεκτούν αναφορικά µε την αντοχή τους σε κρουστικά φορτία. Είναι χαρακτηριστικό ότι χρησιµοποιούνται για την παρασκευή αλεξίσφαιρων γιλέκων και την κατασκευή µανδυών σε υποστυλώµατα γεφυρών όπου υπάρχει κίνδυνος µεγάλων κρουστικών φορτίων. Τέλος οι ίνες άνθρακα µε πυκνότητα kg/m³ διακρίνονται σε αυτές που παράγονται µέσω απόσταξης κάρβουνου (pitch) και σε αυτές που προέρχονται από την θερµική κατεργασία του πολυακρυλονιτριλίου (PAN) µε µεγαλύτερη αντοχή και δυσκαµψία από τις πρώτες. Τυπικές ιδιότητες των ινών ανάλογα µε το υλικό παρασκευής τους αναφέρονται στον πίνακα 1.1 (Τριανταφύλλου 2004). Πίνακας 1.1 Τυπικές ιδιότητες ινών Υλικό Μέτρο Οριακή εφελκυστική Εφελκυστική ελαστικότητας παραµόρφωση αντοχή (MPa) (GPa) αστοχίας (%) Άνθρακας Υψηλής αντοχής ,4-2,0 Υπερ-υψηλής αντοχής ,5-2,3 Υψηλού µέτρου ελαστικότητας ,5-0,9 Υπέρ-υψηλού µέτρου ,2-0,4

32 ελαστικότητας Γυαλί E ,0-4,5 Z ,0-4,5 S ,5-5,5 Aραµίδιο Χαµηλού µέτρου ελαστικότητας ,3-5,0 Υψηλού µέτρου ελαστικότητας ,5-3,5 Οι ίνες είναι δυνατό να διατίθενται σε µορφή νήµατος, αλλά και φύλλων µίας διεύθυνσης, υφασµάτων µίας ή δύο διευθύνσεων και πλεγµάτων δύο διευθύνσεων. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις για να εφαρµοστεί η ενίσχυση γίνεται απευθείας εµποτισµός των ινών στην µήτρα και συγκόλλησή τους στην επιφάνεια του υπό ενίσχυση στοιχείου. Σε διαφορετική περίπτωση οι ίνες διατίθενται ήδη εµποτισµένες στην σκληρυµένη µήτρα και το προκατασκευασµένο σύνθετο υλικό αποµένει να συγκολληθεί στην επιφάνεια του σκυροδέµατος. 1.7 ΜΗΤΡΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Η µήτρα στα σύνθετα υλικά αποτελεί τη συγκολλητική ουσία µεταξύ των ινών. Ο ρόλος της µήτρας στα σύνθετα υλικά είναι σηµαντικός παρόλο που δε έχει καµία συµµετοχη στην ανάληψη των φορτίων. Αρχικά συγκρατεί τις ίνες στην επιθυµητή θέση και διεύθυνση αποτελώντας το συνδετικό υλικό µεταξύ τους. Η µήτρα µε τις κατάλληλες µηχανικές ιδιότητες εξασφαλίζει τη µεταφορά φορτίων στις δυστενείς ίνες µέσω της ανάπτυξης διατµητικών τάσεων στη διεπιφάνεια µεταξύ ίνας και µήτρας. Παράλληλα, καθορίζει αρκετές από τις µηχανικές ιδιότητες του σύνθετου υλικού, όπως είναι η διατµητική και η θλιπτική αντοχή καθώς και την αντοχή κάθετα στην διεύθυνση των ινών. Τέλος, η µήτρα προσφέρει προστασία στις ίνες από

33 δυσµενείς περιβαλλοντικές επιδράσεις, ανθεκτικότητα και ηλεκτρική µόνωση. Η µήτρα στα σύνθετα υλικά µπορεί να είναι είτε πολυµερικής είτε ανόργανης σύστασης. Για την παραγωγή των συνθέτων υλικών µε οργανική µήτρα χρησιµοποιείται συνήθως εποξειδική ρητίνη και σπανιότερα πολυεστέρας ή βινυλεστέρας. Οι εποξειδικές ρητίνες είναι θερµοσκληρυνόµενα πολυµερή και αποτελούν το πιο κοινό υλικό τόσο ως µήτρες, όσο και για τη συγκόλληση του παραχθέντος σύνθετου υλικού. Η εκτεταµένη χρήση τους σε σχέση µε άλλα πολυµερικά υλικά βασίζεται στις εξαιρετικές µηχανικές ιδιότητες και την µεγάλη ανθεκτικότητά τους σε δυσµενείς περιβαλλοντικές επιδράσεις. Ωστόσο είναι σηµαντικό να αναφερθεί ότι οι εποξειδικές ρητίνες είναι ακριβότερες από τις πολυεστερικές και βινυλεστερικές. Στους ακόλουθους τυπικές παρουσιάζονται οι σηµαντικότερες µηχανικές ιδιότητες των ρητινών ιδιότητες καθώς και των εποξειδικών ρητινών που χρησιµοποιούνται σε έργα πολιτικού µηχανικού, συγκρινόµενες µε τις αντίστοιχες του σκυροδέµατος και του χάλυβα (Τριανταφύλλου 2004). Πίνακας 1.2 Μηχανικές ιδιότητες ρητινών Είδος ρητίνης Εποξειδική Πολυεστερική Βινυλεστερική Πίνακας 1.3 Εφελκυστική αντοχή (MPa) Μέτρο Ελαστικότητας (GPa) Επιµήκυνση θραύσης (%) < Πυκνότητα (gr/cm 3 ) Σύγκριση τυπικών ιδιοτήτων εποξειδικών ρητινών σκυροδέµατος και χάλυβα Ιδιότητα Εποξειδική (σε 20 C) ρητίνη Σκυρόδεµα Χάλυβας Πυκνότητα (kg/m³) Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 0, Μέτρο διάτµησης (GPa) 0, Λόγος Poisson 0,3-0,4 0,2 0,3 Εφελκυστική αντοχή (MPa) ιατµητική αντοχή (MPa)

34 Θλιπτική αντοχή (MPa) Οριακή παραµόρφωση σε εφελκυσµό (%) 0,5-5 0, Ενέργεια θραύσης κατά προσέγγιση (Jm - ²) Συντελεστής θερµικής διαστολής (10-6 / C) Υδατοαπορροφητικότητα: 7 ηµ. 25 C (% κ.β.) 0, Θερµοκρασία υαλώδους µετάπτωσης ( C) Ένα κύριο χαρακτηριστικό των εποξειδικών ρητινών ως πολυµερή είναι η θερµοκρασία υαλώδους µετάπτωσης, στην οποία αποµειώνεται ραγδαία το µέτρο ελαστικότητάς τους. Έτσι µετατρέπονται σε πλαστικά υλικά και µειώνεται η ικανότητά τους να µεταφέρουν δυνάµεις. Η θερµοκρασία υαλώδους µετάπτωσης κυµαίνεται ενδεικτικά µεταξύ των 50 και 80 C. Παράλληλα οι εποξειδικές ρητίνες είναι ευαίσθητες στην επιρροή περιβαλλοντικών παραγόντων, όπως η υπεριώδης ακτινοβολία και οι υψηλές θερµοκρασίες. Η υπεριώδης ακτινοβολία προσβάλλει επιφανειακά τις εποξειδικές ρητίνες αλλοιώνοντας τη µοριακή τους δοµή µε αποτέλεσµα τη µείωση της εφελκυστικής παραµόρφωσης αστοχίας αλλά και τη χρωµατική τους αλλοίωση. Ιδιαίτερα κρίσιµο πρόβληµα όµως εντοπίζεται στις υψηλές θερµοκρασίες που επιφέρουν µη αναστρέψιµες συνέπειες λόγω του εύφλεκτου των εποξειδικών ρητινών. Έτσι θερµοκρασίες της τάξης των 200 έως 300 C προκαλούν ανάφλεξη και καύση τους απελευθερώνοντας τοξικές ουσίες. υσµενή επιρροή στην εφαρµογή των εποξειδικών ρητινών παρουσιάζουν και οι χαµηλές θερµοκρασίες κάτω των 10 C, καθώς ως θερµοσκληρυνόµενα πολυµερή η τήξη τους καθίσταται δυσχερής. Εκτός της µεθόδου εφαρµογής συνθέτων υλικών µε χρήση µήτρας πολυµερικής σύστασης, υπάρχει και η µέθοδος µε χρήση οργανικής µήτρας. Αντί για ρητίνη η µήτρα που χρησιµοποιείται έχει σαν βάση κονίαµα. Η µέθοδος αυτή έχει πολλά πλεονεκτήµατα σε σχέση µε τη µέθοδο µε τη ρητίνη. Αρχικά, το κονίαµα είναι λιγότερο επιβλαβές από τη ρητίνη και παράλληλα αποτελεί υλικό µε το οποίο ο τεχνικός κόσµος είναι πολύ εξοικειωµένος. Επίσης από πλευράς κόστους, η εφαρµογή της µεθόδου ενίσχυσης µε ανθρακονήµατα και κονίαµα είναι πιο φθηνή από τις ενισχύσεις µε ανθρακονήµατα και ρητίνη. Ένα ακόµα πλεονέκτηµα της µεθόδου είναι ότι ο µανδύας που προκύπτει είναι πιο ανθεκτικός σε δράσεις πυρκαγιάς και ακτινοβολίας. Η παραπάνω µέθοδος ενίσχυσης