Νικόλαος ΓΙΑΝΝΑΚΑΣ 1, Ιωάννης Τέγος 2, Ξάνθιππος ΜΗΤΣΙΟΣ 3, Θεανώ ΚΑΠΕΤΗ 4. Λέξεις κλειδιά: Ενίσχυση, κυκλικές διατομές, περίσφιξη

Transcript

1 1 Εργαστηριακός έλεγχος αντισεισμικής μηχανικής απόδοσης συμβατικών τύπων ενίσχυσης στύλων κυκλικής διατομής Experimental evaluation of the earthquake-resistant effectiveness of conventional methods for strengthening concrete circular columns Νικόλαος ΓΙΑΝΝΑΚΑΣ 1, Ιωάννης Τέγος 2, Ξάνθιππος ΜΗΤΣΙΟΣ 3, Θεανώ ΚΑΠΕΤΗ 4 Λέξεις κλειδιά: Ενίσχυση, κυκλικές διατομές, περίσφιξη ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Το πρόβλημα της επισκευής και ενίσχυσης των στύλων οικοδομών και βάθρων γεφυρών αντιμετωπίζεται με την εφαρμογή είτε συμβατικών, είτε εξελιγμένων μεθόδων, όπως, όσον αφορά τις τελευταίες, η χρησιμοποίηση των ινοπλισμένων πολυμερών, που ανήκουν στις μη συμβατικές περιπτώσεις και συνεισφέρουν στην παραλαβή τέμνουσας και στην εξασφάλιση περίσφιξης. Ως προς τις συμβατικές μεθόδους, πιστεύεται, ότι ενόψει και της ολοκλήρωσης του ΚΑΝ.ΕΠΕ είναι αναγκαία η κατάθεση κατά το δυνατόν περισσοτέρων πειραματικών αποτελεσμάτων. Η παρούσα εργασία είναι πειραματική, περιλαμβάνει αποτελέσματα 9 δοκιμίων και στα πλαίσιά της αξιολογούνται οι μηχανικές αποδόσεις συμβατικών δοκίμων μεθόδων ενίσχυσης στύλων κυκλικής διατομής. Ειδικότερα, εξετάζονται μανδύες μη συρρικνούμενου κονιάματος, καθώς και διάφορες λύσεις που περιλαμβάνουν, ως στοιχεία εξωτερικής όπλισής τον μεταλλικό σωλήνα ή τμήματα σωλήνα (δακτυλίδια) τοποθετημένα κατά το ύψος των στοιχείων. ABSTRACT : Repairing and reinforcing common building columns and bridge piers, is a situation faced with conventional and evolutionary methods. Strengthening with Fiber Reinforced Plastic jackets, is a state-of-the-art method, which contributes to transverse force decrease and concrete confinement. Concerning conventional 1 Πολιτικός Μηχανικός, Θεσσαλονίκη, giannakasnikos@gmail.com 2 Καθηγητής, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, itegos@metesysm.gr 3 Πολιτικός Μηχανικός, Θεσσαλονίκη, giannakasnikos@gmail.com 4 Πολιτικός Μηχανικός, Θεσσαλονίκη, giannakasnikos@gmail.com

2 2 methods, is widely believed that more experimental results are necessary before the release of the greek Code for the Intervention of Concrete Buildings. The present experimental study examines the behaviour of 9 specimens and the performance of conventional strengthening methods for concrete circular columns. Specifically, there are examined jackets of non-shrink mortar and also solutions, where metal tube or parts of it (rings) are positioned along element s height and act like external reinforcement. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ενίσχυσή της φέρουσας ικανότητας έναντι των μεγεθών ορθής έντασης, της τέμνουσας και της περίσφιξης των στύλων κυκλικής διατομής πραγματοποιείται μέχρι τούδε, βάσει των συμβατικών και των νέας γενιάς μεθόδων ενίσχυσης. Στις πρώτες, ως γνωστόν, ανήκουν οι μανδύες οπλισμένου σκυροδέματος, οι μεταλλικοί κλωβοί και τα μεταλλικά ελάσματα, οι μεταλλικοί μανδύες και στις δεύτερες οι μανδύες από σύνθετα υλικά (ανθρακο- υαλο- και μεταλλοϋφάσματα). Σχήμα 1. Δυνατότητες κατασκευής μεταλλικού μανδύα σε θλιβόμενα μέλη κυκλικής διατομής Στην παρούσα εργασία παρατίθενται τα αποτελέσματα διερεύνησης της όχι τόσο συχνής τεχνικής επισκευής και ενίσχυσης υποστυλωμάτων κυκλικής διατομής που περιλαμβάνει την τοποθέτηση μέσω επικόλλησης εξωτερικά του στύλου κυκλικής διατομής, είτε πλήρους ύψους μεταλλικό σωλήνα, ή τμήματα αυτού με τη μορφή δακτυλίων, Σχήμα 1. Συγκεκριμένα, στόχο απετέλεσε η εξαγωγή συμπερασμάτων, κατά πόσο είναι δυνατόν ο εγκάρσιος οπλισμός περίσφιξης των ενισχυμένων με ολόπλευρους μανδύες κυκλικών υποστυλωμάτων να υποκατασταθεί από εξωτερικά τοποθετημένους μεταλλικούς δακτυλίους ή

3 3 σωλήνες δομικού χάλυβα, ώστε να προκύψει ικανοποιητική περίσφιξη και συγχρόνως η βελτίωση της θλιπτικής φέρουσας ικανότητας και της πλαστιμότητας των υποβαλλόμενων σε ορθή ένταση στύλων κυκλικής διατομής, καθώς και να εξαλειφθούν με τη χρήση των εν λόγω στοιχείων αδυναμίες όπλισης υφιστάμενων δομικών στοιχείων που μειονεκτούν έναντι τέμνουσας. Η προς διερεύνηση στην παρούσα εργασία πρακτική ενίσχυσης πλεονεκτεί έναντι των άλλων μεθόδων ενίσχυσης, κυρίως των χαρακτηριζομένων ως εξελιγμένες, στα εξής σημεία: Ο χάλυβας διαθέτει υψηλή πλαστιμότητα και δεν αστοχεί ψαθυρά και με εκρηκτικό τρόπο σε αντίθεση με τα ινοϋφάσματα Διαθέτει αξιόλογη αντοχή σε σύνθλιψη Δεν απαιτείται εξειδικευμένη γνώση στην εφαρμογή του καθώς και δε απαιτεί ιδιαίτερη επεξεργασία και κατασκευή Η εργασία εκπονήθηκε με φιλόδοξο κίνητρο την κατάθεση πειραματικού υλικού προς αξιοποίηση από τον, είδη, έτοιμο ΚΑΝ.ΕΠΕ.. ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ Βασικές Αρχές Όσον αφορά την βελτίωση της αντοχής και της πλαστιμότητας των θλιβόμενων μελών είναι δυνατόν να επιτευχθεί μέσω τοποθέτησης εξωτερικά τους μεταλλικών σωλήνων χάλυβα. Μέσω του περιορισμού της εγκάρσιας παραμόρφωσης του υπό διόγκωση σκυροδέματος αυξάνεται η αξονική θλιπτική αντοχή και, κατ επέκταση, η φέρουσα ικανότητα του θλιβόμενου μέλους. Η περίσφιξη μέσω του εξωτερικού σωλήνα χάλυβα έχει ως αποτέλεσμα, να επιβάλλεται στο μεταλλικό περίβλημα, μία διαξονική εντατική κατάσταση αμέσως μετά τη σύνδεση μεταξύ της επιφάνειας του σκυροδέματος και εκείνης της ενίσχυσης. Αυτό προκύπτει, επειδή ο μεταλλικός μανδύας καταπονείται, αφενός, μέσω της εγκάρσιας διόγκωσης του σκυροδέματος στη διεύθυνση της περιφέρειας και, αφετέρου, μέσω της αξονικής φόρτισης του στύλου στην αξονική του διεύθυνση. Μέσω του εγκάρσιου περιορισμού του σκυροδέματος, το οποίον έχει την τάση να διογκώνεται εγκαρσίως, όταν φορτίζεται αξονικά, φαινόμενο Poisson, αυξάνεται η αξονική θλιπτική αντοχή και επομένως η φέρουσα ικανότητα του θλιβόμενου στοιχείου. Αναλυτική διερεύνηση μηχανικής απόκρισης στύλων ενισχυμένων με μεταλλικό σωλήνα σε ολόκληρο το ύψος τους Για έναν μονοαξονικά καταπονούμενο στύλο κυκλικής διατομής, ο οποίος ενισχύεται εξωτερικά με μεταλλικό σωλήνα χάλυβα σε ολόκληρο το ύψος του, ισχύει η «εξίσωση σωλήνων» για κυλινδρικά κελύφη, Σχήμα 2, όπως π.χ. των

4 δεξαμενών. Υπό την παραδοχή μίας ομοιόμορφα κατανεμημένης εφελκυστικής δύναμης στον εξωτερικό περίβλημα χάλυβα ασκείται ως αντίδραση μία ομοιόμορφα κατανεμημένη πλευρική θλίψη στον πυρήνα σκυροδέματος. Αυτή η περιμετρική ενεργός θλίψη σ l είναι δυνατόν να εκφραστεί ως συνάρτηση της τάσης σ rs στον χαλύβδινο μανδύα ενίσχυσης, ως εξής: 21 rs D (2) 1 K conf 1 (3) K 0,5 conf rs rs (4) όπου Κ conf είναι η ακαμψία του μεταλλικού περιβλήματος, ε 1 η περιφερειακή παραμόρφωση του σκυροδέματος, ε rs η παραμόρφωση του μεταλλικού περιβλήματος, ρ rs το ογκομετρικό ποσοστό του οπλισμού περίσφιξης και Ε rs το μέτρο ελαστικότητας του μεταλλικού περιβλήματος H θλιπτική τάση σ l εξισώνεται με την τάση του μανδύα ενίσχυσης σ rs = E rs ε rs f rs, και επομένως η μέγιστη τάση στη ακτινική κατεύθυνση f l προκύπτει από την εξίσωση: f 1 0,5rs Ers rs, u (5) με ε RS,u η ενεργός παραμόρφωση θραύσης του μεταλλικού περιβλήματος Σχήμα 2. Περιμετρική τάση μέσω της εξωτερικής ενίσχυσης Αναλυτική διερεύνηση μηχανικής απόκρισης στύλων με δακτυλιοειδή εξωτερική ενίσχυση Στην περίπτωση που ο στύλος σκυροδέματος ενισχυθεί μέσω μεταλλικών δακτυλίων εξωτερικά, τοποθετημένων σε πυκνές αποστάσεις, εμφανίζονται 4

5 5 ελεύθερες ζώνες σκυροδέματος με αποτέλεσμα να προκύπτει μία μειωμένη ικανότητα απόδοσης εν σχέσει με την τοποθέτηση πλήρη σωλήνα σε όλο το ύψος του στύλου Για τον συνυπολογισμό της επιρροής των ελεύθερων ζωνών εισάγεται στην εξίσωση της ακαμψίας του δακτυλίου ένας συντελεστής αποτελεσματικότητας k e < 1. K 0,5 E k conf rs rs e (6) O συντελεστής αυτός προκύπτει λαμβάνοντας υπόψη ότι η εγκάρσια πίεση των μεταλλικών μανδυών είναι ενοργός μόνο εκεί, όπου αναπτύσσεται πλήρως η ακτινική τάση στο σκυρόδεμα λόγω της δράσης των δακτυλίων. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, η επίπτωση των ελεύθερων ζωνών στη μορφή του περισφιγμένου πυρήνα του δομικού στοιχείου είναι δυνατόν να περιγραφεί μέσω μίας παραβολής, η οποία ορίζεται από και δύο γωνίες στις θέσεις των άκρων της των 45 ο. Το εμβαδόν της περισφιγμένης διατομής Α c μεταξύ των δακτυλίων ενίσχυσης προκύπτει επομένως ως εξής: s ' Ac D 4 2D 2 (7) Σχήμα 3. Δακτυλιοειδής όπλιση στύλων σκυροδέματος και τρισδιάστατη απεικόνιση περισφιγμένου πυρήνα κυκλικής διατομής με μεταλλικούς δακτυλίους Οι συντελεστές αποδοτικότητας του μανδύα k c προκύπτουν λαμβάνοντας υπόψη την σχέση A e /A c με A c = A g A s για το εμβαδόν του σκυροδέματος (μεικτή διατομή πλην της επιφάνειας του διαμήκους οπλισμού). k e 2 s' 1 2D s' 1 1 2D sg 2 (8)

6 6 με ρ sg = A s /A g (Λόγος του οπλισμού χάλυβα προς τη συνολική διατομή) Διατμητική ενίσχυση στύλων με μεταλλικούς σωλήνες Η ενίσχυση σε διάτμηση των στύλων, οι οποίοι περιβάλλονται από μεταλλικούς σωλήνες χάλυβα γενικά υπολογίζεται ως εξής: για κυκλικές διατομές:,,,, (9) frs 2 Vrs, d trs Dsin 2 rs 1 m (10) για ορθογωνικές διατομές: f rs 2 Vrs, d 2trs Dsin rs 1 m (11) όπου V rs το μερίδιο του μεταλλικού περιβλήματος V Rd1 το μερίδιο του σκυροδέματος V s,d το μερίδιο των συμβατικών οπλισμών και D η διάμετρος της κυκλικής διατομής, ή στη περίπτωση των ορθογωνικών διατομών, το ενεργό υψος της διατομής στην κατεύθυνση φόρτισης Σημειωτέον, ότι το μεταλλικό περίβλημα σωλήνα ή δακτυλίου κατά την αξονική καταπόνηση του στύλου συμπεριφέρεται απολύτως πλάστιμα, με αποτέλεσμα η παραμόρφωσή του να λαμβάνει τιμές και άνω του 1,0 %. Όσον αφορά τους συντελεστές ασφαλείας αυτοί λαμβάνονται υπόψη με τις ακόλουθες τιμές: γ rs = 1,15 για το μεταλλικό περίβλημα, γ l = 1,4 για την αποφυγή αποκόλλησης και γ m = 1,1 για το μοντάζ. ΠΕΙΡΜΑΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ Για τη διερεύνηση του προβλήματος αποτελεσματικότητας της ενίσχυσης και της επισκευής υποστυλωμάτων μέσω μεταλλικών σωλήνων και δακτυλίων χάλυβα, κατασκευάστηκαν τρεις σειρές συμπαγών κυλινδρικών δοκιμίων, από τις οποίες η πρώτη περιλάμβανε τέσσερα δοκίμια κυκλικής διατομής διαμέτρου 150 mm και ύψους 300 mm, η δεύτερη τρία δοκίμια με διάμετρο 200 mm και ύψους 800 mm και η τρίτη δύο δοκίμια, τα οποία αστόχησαν αρχικά λόγω υπέρβασης της καμπτικής το πρώτο και διατμητικής το δεύτερο φέρουσας ικανότητάς τους. Συγκεντρωτικά τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των δοκιμίων, οι ποιότητες των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν και ο οπλισμός περίσφιξής τους φαίνονται αναλυτικά στον Πίνακα 1.

7 7 Πίνακας 1 Γεωμετρικά χαρακτηριστικά Δοκιμίων περίσφιξης Σειρά Δοκ. Η [cm] D [cm] Διαμήκης Οπλισμός Εγκάρσιος Οπλισμός Ενίσχυση [mm] Πάχος Δακτυλίου t [mm] f c,cub [MPa] f yw [MPa] Δ Μοντάζ Ø4,2 Ø4,2/1, η Δ Μοντάζ Δ Ø4,2/1, Ø4,2 Δ Δακτύλιοι 2,0 28 Μοντάζ Δ Ø4, η Μοντάζ Δ Ø4,2 Δακτύλιοι 2,0 49 Δ Ø4,2/1,0 Σωλήνας 2, η Δ Ø10 Ø4,2/2,0 Δακτύλιοι 2, Δ Ø10 Ø4,2/2,0 Δακτύλιοι 3, η Σειρά Δοκιμίων Το Δοκίμιο Δ1-1 διέθετε εγκάρσιο σπειροειδή οπλισμό περίσφιξης των Ø4,2/1,5 με αποτέλεσμα να διαθέτει μηχανικό ογκομετρικό ποσοστό περίσφιξης της τάξης του ω w = 0,235. Τα Δοκίμια Δ1-2, Δ1-3 και Δ1-4, σκυροδετήθηκαν ταυτόχρονα, ώστε να διαθέτουν την ίδια ποιότητα σκυροδέματος. Σχήμα 4. Πρώτη σειρά Δοκιμίων προοριζόμενα για αμιγώς θλιπτική καταπόνηση και ενίσχυση Δοκιμίου Δ1-4 μέσω δακτυλίων 20 mm

8 8 Στο Δοκίμιο Δ1-2 δεν τοποθετήθηκε διαμήκης ή εγκάρσιος οπλισμός και δοκιμάστηκε ώστε να προκύψει η οριακή θλιπτική αντοχή του απερίσφιγκτου σκυροδέματος. Το Δοκίμιο Δ1-3 διέθετε πυκνό εγκάρσιο σπειροειδή οπλισμό Ø4,2/10 mm με μηχανικό ογκομετρικό ποσοστό εγκάρσιο οπλισμό περίσφιξης της τάξης των ω w = 0,27 στο κυρίως τμήμα του, ενώ στις ακραίες περιοχές υπήρξε πύκνωση της σπείρας, ώστε να αποφευχθούν δευτερογενή φαινόμενα τοπικών αστοχιών. Το Δοκίμιο Δ1-4 κατασκευάστηκε αρχικά ως άοπλο και στη συνέχεια τοποθετήθηκαν εξωτερικά περισφιγκτικοί δακτύλιοι. Προς προσομοίωση των πραγματικών συνθηκών ενίσχυσης, όσον αφορά την εφαρμογή σε υφιστάμενους στύλους κυκλικής διατομής και δεδομένου ότι οι στύλοι συνδέονται στα άκρα τους με τις δοκούς κ.ά., που παρεμποδίζουν την εισαγωγή πλήρων δακτυλίων, χρησιμοποιήθηκαν ημιδακτύλιοι πλάτους 20 mm και πάχους 2 mm, οι οποίοι στη συνέχεια επικολλήθηκαν στην εξωτερική επιφάνεια του κυλινδρικού δοκιμίου. Η αποκατάσταση της συνέχειας των ημικυκλίων πραγματοποιήθηκε μέσω συγκόλλησης λαμών των 20x20 mm στις θέσεις των αρμών, Σχήμα 4. Σχήμα 5. Δεύτερη σειρά Δοκιμίων προοριζόμενα για αμιγώς θλιπτική καταπόνηση 2η Σειρά Δοκιμίων Περαιτέρω διερεύνηση της απόδοσης των επικολλημένων εξωτερικώς δακτυλίων, αλλά και ολόκληρου μεταλλικού σωλήνα στην θλιπτική αντοχή στύλων κυκλικής διατομής απετέλεσε η δεύτερη σειρά δοκιμίων, Σχήμα 5. Τα δοκίμια της δεύτερης σειράς κατασκευάστηκαν με διάμετρο 200 mm και ύψους 800 mm. Το δοκίμιο Δ2-1 κατασκευάστηκε άοπλο και προς αποφυγή εμφάνισης δευτερογενών φαινομένων διάσπασης στα άκρα του τοποθετήθηκαν δακτύλιοι πλάτους 100 mm

9 9 και πάχους t = 2,0 mm. Το δοκίμιο Δ2-2 κατασκευάστηκε αρχικά άοπλο και στη συνέχεια τοποθετήθηκαν 8 μεταλλικοί δακτύλιοι πλάτους 50 mm και πάχους 2,0 mm, κατανεμημένοι σε ίσες μεταξύ τους αποστάσεις. Η επικόλλησή τους στο σώμα του δοκιμίου πραγματοποιήθηκε με τη χρήση μη συρρικνούμενου σκυροδέματος υψηλής αντοχής (EMACO), αφού προηγήθηκε εκτράχυνση του σκυροδέματος στις κατάλληλες θέσεις τοποθέτησης των δακτυλίων, οι οποίοι είχαν υποστεί αμμοβολή στο εσωτερικό τους. Η επιλογή ως μέσου επικόλλησης του μη συρρικνούμενου τσιμεντοκονιάματος έγινε, καθόσον αυτό αποτελεί την βέλτιστη και αποδοτικότερη λύση, ώστε να αξιοποιηθεί πλήρως η ικανότητα περίσφιξης των δακτυλίων (Dritsos S. Pilakoutas K., 1994). Η κατασκευή του δοκιμίου Δ2-2 παρουσιάζει μεγάλη ομοιότητα με το δοκίμιο Δ1-4 της Πρώτης Σειράς, καθώς οι τοποθετούμενοι δακτύλιοι συγκολλήθηκαν, αφενός, μεταξύ τους στους αρμούς των ημικυκλίων με ραφή και, αφετέρου, μέσω προσθήκης επιπλέον λάμας των 50x20 mm. Η επιλογή της συγκεκριμένης λύσης, όπως και στην περίπτωση του δοκιμίου Δ1-4, πραγματοποιήθηκε με γνώμονα τη ρεαλιστικότερη απόδοση της προς διερεύνησης τεχνικής σε πραγματικές κατασκευές, όπου οι δακτύλιοι δεν είναι δυνατόν να είναι ενιαίοι. Στο Δοκίμιο Δ2-3 πριν τη σκυροδέτηση και στο εσωτερικό του εγκάρσιου σπειροειδή οπλισμού τοποθετήθηκε σωλήνας με ραφή γενέτειρα διαμέτρου 150 mm και πάχους 2,0 mm προς έλεγχο της ιδανικής περίπτωσης περίσφιξης (συνθήκες υδροστατικής πίεσης). Επιπλέον τοποθετήθηκε εξωτερικώς του σωλήνα, πυκνός εγκάρσιος σπειροειδής οπλισμός Ø4,2/1,5 mm. Προς ενίσχυσή των ευαίσθητων έναντι τοπικής αστοχίας, άκρων του Δοκιμίου και εξασφάλιση της παραλληλίας τους κατασκευάστηκαν στον πόδα και στη κεφαλή πέλματα διαστάσεων 300x300x150 mm. 3η Σειρά Δοκιμίων Η τρίτη σειρά Δοκιμίων αποτελείτο από συμπαγούς κυκλικής διατομής στύλους, οι οποίοι υποβληθέντες αρχικώς σε εγκάρσια φόρτιση, αστόχησαν ο μεν πρώτος καμπτικά σε προχωρημένη ανελαστική κατάσταση και ο δεύτερος διατμητικά που εκδηλώθηκε με θραύση του εγκάρσιου σπειροειδή οπλισμού. Συγκεκριμένα στο δοκίμιο Δ3-1, το οποίο ενισχύθηκε καμπτικά, τοποθετήθηκε σωλήνας κυκλικής διατομής πάχους 2,0 mm στην περιοχή της σχηματισθείσας πλαστικής άρθρωσης και σε μήκος ενός στατικού ύψους εκατέρωθεν του άξονα συμμετρίας του Δοκιμίου, ενώ στις υπόλοιπες έντονα ρηγματωμένες περιοχές (15 cm εκατέρωθεν του μεταλλικού σωλήνα) επιλέχθηκε η κατασκευή συμβατικού μανδύα, Σχήμα 6. Ο μανδύας περιλάμβανε αποκλειστικά εγκάρσιο σπειροειδή οπλισμό, ο οποίος στο ένα του άκρο συγκολλήθηκε με τον μεταλλικό σωλήνα. Σημειωτέον ότι ο μεταλλικός σωλήνας περιλάμβανε ραφή κατά γενέτειρα, ώστε να μεταφερθεί ρεαλιστικότερα η εφαρμογή της πράξης στη δοκιμή. Όσον αφορά το διατμητικά ενισχυμένο δοκίμιο Δ3-2, τοποθετήθηκε στο άκρο όπου παρατηρήθηκε η αρχική αστοχία του Δοκιμίου (θράυση του εγκάρσιου σπειροειδή οπλισμού) και σε εύρος δύο διαμέτρων μεταλλικός σωλήνας πάχους

10 10 3,0 mm επίσης με μία ραφή. Στο υπόλοιπο μήκος του Δοκιμίου κατασκευάστηκε πλήρης μανδύας με εγκάρσιο σπειροειδή οπλισμό και μοντάζ, ο οποίος συγκολλήθηκε με το μεταλλικό σωλήνα στο ένα του άκρο, Σχήμα 6. Η διαδικασία ενίσχυσης στις δύο περιπτώσεις ενίσχυσης ήταν ως εξής: Αρχικά αφαιρέθηκε η επικάλυψη στις περιοχές της αστοχίας και της έντονης ρηγμάτωσης και εκτραχύνθηκε η αρηγμάτωτη περιοχή, τοποθετήθηκε ο μεταλλικός σωλήνας στις κατάλληλες θέσεις. Τοποθετήθηκε εγκάρσιος οπλισμός σε μήκος 150 mm για την περίπτωση του δοκιμίου Δ3-1 και στο υπόλοιπο μήκος για την περίπτωση του δοκιμίου Δ3-2 προς ενίσχυση της διατμητικής αντοχής. Τέλος η πλήρωση του διάκενου μεταξύ του σωλήνα και του εκάστοτε δοκιμίου πραγματοποιήθηκε με μη συρρικνούμενο κονίαμα υψηλής αντοχής (EMACO, S66) προς επίτευξη της βέλτιστης δυνατής συνεργασίας Δοκιμίου και μεταλλικού σωλήνα (Dritsos S. Pilakoutas K., 1994) Σημειωτέον ότι προς βελτίωση της συνεργασίας του μεταλλικού σωλήνα με το χυτό μη συρρικνούμενο κονίαμα, αφενός για την περίπτωση του δοκιμίου Δ3-1 και αφετέρου για το δοκίμιο Δ3-2, εκτραχύνθηκε η εσωτερική πλευρά του σωλήνα με την μέγιστου δυνατού πάχους αμμοβολή 1,5 mm. Σχήμα 6. Τρίτη σειρά ενισχυμένων Δοκιμίων σε κάμψη και τέμνουσα, προοριζόμενα για καμπτική καταπόνηση (Δοκιμή τεσσάρων σημείων) Διάταξη Φόρτισης Μετρήσεις Όσον αφορά τα υπό αμιγώς θλιπτική καταπόνηση Δοκίμια εφαρμόστηκε μονότονη αξονική θλιπτική δύναμη μέχρι αστοχίας σε ειδικές πρέσες των 100 t

11 11 και 600 t. Σε όλες τις δοκιμές αξονικής σύνθλιψης τοποθετήθηκαν μεταξύ των πλακών της πρέσας βελόμετρα με διακριτική ικανότητα 0,01 mm προς υπολογισμό της ανηγμένης παραμόρφωσης των Δοκιμίων κατά την αύξηση του φορτίου, ώστε να προκύψουν διαγράμματα τάσης παραμόρφωσης και να αξιολογηθούν συγκριτικά τα αποτελέσματα. Στο Δοκίμιο Δ1-1 τοποθετήθηκαν επιπλέον ταινίες μήκυνσης με σκοπό την μέτρηση της ανηγμένης παραμόρφωσης του εγκάρσιου οπλισμού στο μέσο ύψος του Δοκιμίου, όπου αναμένεται να υπάρξει και η μεγαλύτερη εγκάρσια διόγκωσή του. Σχήμα 7. Διάταξη φόρτισης και μέτρησης 3 ης Σειράς Δοκιμίων Τα Δοκίμια Δ3-1 και Δ3-2, τα οποία πριν ενισχυθούν είχαν υποβληθεί ως αμφιέρειστες δοκοί σε καμπτοδιατμητική καταπόνηση δύο συμμετρικών φορτίων, εξετάστηκαν υπό τις ίδιες φορτίσεις, ενώ προς καθορισμό των βυθίσεών τους στο μέσο του στατικού ανοίγματος τοποθετήθηκαν βελόμετρα. Στο Σχήμα 7 φαίνονται οι διατάξεις φόρτισης και μέτρησης που χρησιμοποιήθηκαν για τις δοκιμές. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 1 η Σειρά Δοκιμίων Τα αποτελέσματα των δοκιμών φαίνονται αναλυτικά στο Σχήμα 8. Στο δοκίμιο Δ1-1 παρατηρήθηκε κατά την φόρτιση έντονη αποφλοίωση και η θραύση του προέκυψε μετά την αστοχία του εγκάρσιου σπειροειδούς οπλισμού περίσφιξης Το Δοκίμιο Δ1-2, ως άοπλο, αστόχησε εκρηκτικώς. Το Δοκίμιο Δ1-3, το οποίο περιλάμβανε πυκνό σπειροειδή οπλισμό, παρουσίασε μία εξαιρετικά πλάστιμη συμπεριφορά με ταυτόχρονη αύξηση της αντοχής και η θραύση τελικώς προήλθε από αστοχία του εγκάρσιου σπειροειδούς οπλισμού περίσφιξης. Όσον αφορά το δοκίμιο Δ1-4 παρουσίασε βελτιωμένη μηχανική συμπεριφορά εν σχέσει με το άοπλο Δοκίμιο, ενώ η αστοχία του Δοκιμίου πραγματοποιήθηκε εκρηκτικά και επήλθε, μετά από έντονη εγκάρσια διόγκωση του σκυροδέματος, εξ αιτίας της αστοχίας των συγκολλήσεων σύνδεσης των ημιδακτυλίων. Η αστοχία της

12 12 συγκόλλησης οδηγεί στη διαπίστωση, ότι το Δοκίμιο θα ήταν σε θέση να παραλάβει μεγαλύτερη αξονική καταπόνηση και παραμόρφωση σε περίπτωση που οι συγκολλήσεις είχαν μεγαλύτερο μήκος και πάχος. Οι συγκολλήσεις έγιναν εμπειρικά και το μόνον το οποίον είναι δυνατόν να προκύψει εμμέσως είναι η αντοχή του, η οποία είναι δυνατόν να εξαχθεί δια συγκρίσεως της πειραματικής αντοχής με τη θεωρητική αντοχή η οποία προκύπτει από την εξίσωση (5) της εισαγωγής. Σε μελλοντική έρευνα θα επιχειρηθεί μία ικανοτική ιεράρχιση μεταξύ των αντοχών αφενός του δακτυλίου και αφετέρου της συγκόλλησης, ούτως ώστε να είναι δυνατόν να διατυπωθεί συγκεκριμένη πρόταση για την γεωμετρία και τη ποιότητα των συγκολλήσεων. σ [ΜΡa] Δ Δ Δ Δ ε 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 Σχήμα 8. Διαγράμματα τάσης παραμόρφωσης 1ης Σειράς Δοκιμίων 2 η Σειρά Δοκιμίων Το Δοκίμιο Δ2-1, το οποίο στο κεντρικό του τμήμα ήταν εγκαρσίως άοπλο αστόχησε απότομα και με εκρηκτικό τρόπο. Αξιοσημείωτο είναι ότι η οριακή βράχυνση του Δοκιμίου δεν ξεπέρασε το 2,5. Το Δοκίμιο Δ2-2, το οποίο περιλάμβανε μεταλλικούς δακτυλίους των 50 mm τοποθετημένους σε ίσες μεταξύ τους αποστάσεις, συμπεριφέρθηκε σχετικά πλάστιμα, όπως προκύπτει από τις μετρήσεις του βελομέτρου που αποτυπώνονται στο Σχήμα 9, ενώ αστόχησε με εκρηκτικό τρόπο, εξαιτίας της θραύσης της συγκόλλησης ενός εκ των δακτυλίων. Το δοκίμιο Δ2-3 παρουσίασε μία εξαιρετικά πλάστιμη μηχανική συμπεριφορά, δεδομένου ότι η οριακή βράχυνσή του έφτασε το 32. Αρχικά παρατηρήθηκε έντονη εγκάρσια διόγκωση του δοκιμίου και έντονη αποφλοίωση του κορμού, καθώς εμφανίστηκε ο εγκάρσιος σπειροειδής οπλισμός περίσφιξης, ο οποίος

13 13 περιέβαλλε τον μεταλλικό σωλήνα. Η αστοχία του Δοκιμίου προήλθε μετά από έντονη παραμόρφωση του εσωτερικά τοποθετημένου σωλήνα εξαιτίας της αστοχίας της εσωτερικής του συγκόλλησης στη γενέτειρα, ενώ η τοποθέτηση του εγκάρσιου σπειροειδή οπλισμού είχε ως αποτέλεσμα την αποφυγή αφενός της εκρηκτικής αστοχίας και αφετέρου της απότομης πτώσης της αντοχής του σ [MPa] Δ Δ2-1 Δ2-2 ε 0 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 Σχήμα 9. Διαγράμματα τάσης παραμόρφωσης 2ης σειράς Δοκιμίων P [kn] Δ2-1 Δ2-2 Δ2-3 σπειρ. οπλ.φ4,2/35+ φουρκέτες.φ4,2/35 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 Σχήμα 10. Σύγκριση διαγραμμάτων φορτίου παραμόρφωσης Δοκιμίων της παρούσας με Δοκίμια της βιβλιογραφίας (Τέγος,1996) ε

14 14 Τα πειραματικά αποτελέσματα των Δοκιμίων της δεύτερης Σειράς ύψους 800 mm συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα Δοκιμίων ίδιων διαστάσεων, οπλισμένων εγκαρσίως με μεγάλη ποικιλία οπλισμών, παλαιότερης πειραματικής διερεύνησης (Τέγος, 1996), Σχήμα 10. Παρατηρείται ότι το δοκίμιο Δ2-3 παρουσίασε βελτιωμένη αντοχή και πλαστιμότητα εν σχέσει με τα δοκίμια της βιβλιογραφίας, τα οποία διέθεταν πυκνό εγκάρσιο σπειροειδή οπλισμό και επιπλέον οπλισμό φουρκετών προς βελτίωση της περίσφιξής τους. 3 η Σειρά Δοκιμίων Το δοκίμιο Δ3-1, το οποίο ενισχύθηκε καμπτικά τοπικώς με σωληνωτό περίβλημα πάχους 2,0 mm, και εξετάστηκε ως αμφιέρειστο υπό φόρτιση δύο συμμετρικών φορτίων, παρουσίασε μικρή αύξηση της φέρουσας ικανότητάς του σε σχέση με το αρχικά δοκιμασθέν Δοκίμιο, ενώ συμπεριφέρθηκε εξαιρετικά πλάστιμα φέροντας το φορτίο διαρροής για εκτεταμένες παραμορφώσεις της τάξης των 8 cm. Η περισφιγμένη θλιβόμενη ζώνη στην κεντρική περιοχή επέτρεψε το Δοκίμιο να παραλάβει μεγάλες βυθίσεις και να αστοχήσει εκτός της ενισχυθείσας με τον σωλήνα περιοχής, Σχήμα P [kn] δ [mm] Σχήμα 11. Διάγραμμα φορτίου βύθισης στο μέσο του ανοίγματος Δοκιμίου Δ3-1 και τελική εικόνα Δοκιμίου μετά την αστοχία του Το Δοκίμιο Δ3-2, το οποίο αστόχησε αρχικώς διατμητικά εξαιτίας της υπέρβασης της εφελκυστικής αντοχής του εγκάρσιου σπειροειδούς οπλισμού, παρουσίασε μετά την ενίσχυσή του σημαντική αύξηση της αντοχής του εν σχέσει με το αρχικό Δοκίμιο, Σχήμα 12. Η αστοχία, η οποία προήλθε και από θραύση του εγκάρσιου σπειροειδή οπλισμού, εμφανίστηκε στην περιοχή του συμβατικού μανδύα με τον πρόσθετο σπειροειδή οπλισμό εν συνδυασμώ με μη συρρικνούμενο κονίαμα, ενώ στην περιοχή όπου τοποθετήθηκε το σωληνωτό περίβλημα (περιοχή αρχικής αστοχίας) δεν παρουσιάστηκε καμία μεταβολή της γεωμετρίας της διατομής και καμία αστοχία στο σωληνωτό περίβλημα. Σημειωτέον, ότι στη θέση της αστοχίας συμμετείχαν, αφενός, οι υφιστάμενοι εγκάρσιοι οπλισμοί, οι οποίοι δεν αστόχησαν στην αρχική φόρτιση, και, αφετέρου, οι πρόσθετοι εγκάρσιοι οπλισμοί του συμβατικού μανδύα.

15 P [kn] u [mm] 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Σχήμα 12. Διάγραμμα φορτίου - βύθισης στο μέσο του Δοκιμίου Δ3-2 και τελική αστοχία P [kn] δ [mm] Σχήμα 13. Συγκριτικό Διάγραμμα φορτίου βύθισης στο μέσο του ανοίγματος αρχικού και ενισχυμένου Δοκιμίου Δ3-1 Από τα Σχήματα 13 και 14 στο Δ3-1 παρατηρείται ότι η επιλογή των εφαρμοθεισών ενισχύσεων αποκατέστησε την αντοχή τους, η οποία αυξήθηκε περισσότερο από 10 %, και έδωσε επιπλέον τη δυνατότητα στα Δοκίμια να παραλάβουν μεγάλες παραμορφώσεις. Το Δοκίμιο Δ3-2, το οποίο αστόχησε διατμητικά, παρουσίασε μία βελτιωμένη μηχανική συμπεριφορά εν σχέσει με το αρχικό Δοκίμιο, καθόσον αυξήθηκε αφενός η συνολική του διατμητική αντοχή κατά 38 % και αφετέρου η δυνατότητα του να παραλάβει μεγαλύτερες παραμορφώσεις.

16 P [kn] u [mm] 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Σχήμα 14. Διάγραμμα φορτίου - βύθισης στο μέσο αρχικού και ενισχυμένου Δοκιμίου Δ3-2 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία αξιολογήθηκαν οι μηχανικές αποδόσεις συμβατικών δοκίμων μεθόδων ενίσχυσης στύλων κυκλικής διατομής. Ειδικότερα, εξετάστηκαν μανδύες μη συρρικνούμενου κονιάματος, καθώς και διάφορες λύσεις που περιλαμβάνουν ως στοιχεία εξωτερικής όπλισής τον μεταλλικό σωλήνα ή τμήματα σωλήνα (δακτυλίδια) τοποθετημένα κατά το ύψος των υπό ενίσχυση στοιχείων. Τα πειραματικά αποτελέσματα της παρούσας επί ενισχύσεων φορέων κυκλικής διατομής που αστόχησαν από κάμψη ή τέμνουσα, καθώς και τα αντίστοιχα αποτελέσματα προενίσχυσης νέων φορέων, μέσω της ένταξης εις την όπλιση αυτών σωλήνων ως καμπτικού και περισφιγκτικού οπλισμού, συνοψίζονται ως εξής: α) Η ενίσχυση φορέων κυκλικής διατομής, οι οποίοι αστόχησαν από κάμψη ή τέμνουσα με τμήματα σωλήνων στην περιοχή της αστοχίας, φαίνεται να υπερισχύει συγκριτικώς έναντι της συμβατικής λύσης μέσω συμβατικύ μανδύα σπειροειδούς οπλισμού εν συνδυασμώ με μη συρρικνούμενο κονίαμα. Ο σωλήνας που ενσωματώθηκε ως βασικός οπλισμός περίσφιξης και τέμνουσας δεν αποκολλήθηκε στις ακραίες φορτίσεις που του επιβλήθηκαν και όταν μάλιστα χρησιμοποιήθηκε σε συνδυασμό και με την κλασική σπειροειδή όπλιση τα αποτελέσματα ήταν εντυπωσιακά ως προς την βελτίωση της εν γένει μηχανικής απόκρισης του ενισχυμένου στοιχείου. β) Αναβάθμιση και μάλιστα σημαντική της μηχανικής συμπεριφοράς αξονικώς θλιβόμενων στοιχείων κυκλικής διατομής έναντι περίσφιξης εκδηλώθηκε όταν εφαρμόστηκαν δακτύλιοι σωλήνα στα εν λόγω στοιχεία σε πυκνές αποστάσεις κατά το ύψος τους. Ειδικότερα καταγράφηκε αύξηση αξονικής

17 17 φέρουσας ικανότητας της τάξης του 50 %. Μάλιστα το ποσοστό είναι δυνατόν να προκύψει πολύ μεγαλύτερο επειδή οι δακτύλιοι αστόχησαν στα σημεία συγκόλλησής τους, καθόσον ο κάθε δακτύλιος αποτελούνταν από δύο ημιδακτύλιους συγκολλημένους αντιδιαμετρικώς. Επομένως στην περίπτωση των πλήρων χωρίς τις συγκολλήσεις δακτυλίων ή της βελτιωμένης συγκόλλησης των άκρων των ημιδακτυλίων, είναι δυνατόν να επιτευχθούν μεγαλύτερες αποδόσεις στην επιδιωκόμενη εγκατάσταση περισφιγκτικής και κατ επέκταση διατμητικής ικανότητας στα σημεία ενίσχυσης. γ) Όπως προαναφέρθηκε, εξετάστηκε στην παρούσα αδρομερώς η δυνατότητα αξιοποίησης κοιλοδοκών σωλήνων εν συνδυασμώ με περιβάλλοντες αυτές σπειροειδείς οπλισμούς είτε σε νέα δομικά στοιχεία, είτε σε μεικτής σύνθεσης μανδύες προς μεγιστοποίηση της ικανότητας παραμόρφωσης αυτών, καθώς και την αύξηση της αξονικής φέρουσας ικανότητας αυτών. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν κρίνονται ως θεαματικά, καθώς παρατηρήθηκαν αυξήσεις φέρουσας ικανότητας της τάξης του 130 % με δυνατότητα να επιτευχθεί και το 200 % στην περίπτωση μη συγκολλημένων ή επιμελώς συγκολλημένων ημισωληνών. Τα πειραματικά αποτελέσματα αξιοποιήθηκαν στη δημιουργία μίας αναλυτικής πρότασης διαστασιολόγησης ενισχύσεων μέσω δακτυλίων σωλήνων, τμημάτων σωλήνων σε κρίσιμες θέσεις αλλά και πλήρων σωλήνων σε ολόκληρο το μήκος του κατακόρυφου δομικού στοιχείου, βάθρου ή υποστυλώματος, σε συμβατικές περιπτώσεις ενίσχυσης. ΑΝΑΦΟΡΕΣ Άρθρα σε επιστημονικά περιοδικά Dritsos S., Pilakoutas K., Repair/Strengthening Techniques for Structurally Damaged R.C. Columns, Proc. of 5 th U.S. National Conference on Earthquake Engineering, Chicago, Illinois (1994) Merta, I., Shear strength of reinforced concrete circular cross section members, Proceedings of the fourth international conference on concrete under severe conditions, CONSEC 04, (2004) Monti G., Spoelstra M.R., FRP-confined concrete model, Journal of Composite Constructions ASCE, (1999) Βιβλία Beton Kalender 2009, Ernst und Sohn, Auflage: 1, (2008)