Διονύσιος ΜΠΟΥΡΝΑΣ 1, Αθανάσιος ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΟΥ 2

Transcript

1 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 09, Πάφος, Κύπρος Ενίσχυση Υποστυλωμάτων Οπλισμένου Σκυροδέματος σε Ανακυκλιζόμενη Κάμψη µε Πρόσθετους Οπλισμούς σε Εγκοπές (ΠΟΕ) Strengthening of Reinforced Concrete Columns in Cyclic Flexure with Near Surface Mounted (NSM) Reinforcement Διονύσιος ΜΠΟΥΡΝΑΣ 1, Αθανάσιος ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΟΥ 2 Λέξεις κλειδιά: Υποστυλώματα, Ενίσχυση σε Κάμψη, Πρόσθετος Οπλισμός σε Εγκοπές (ΠΟΕ), Ινοπλισμένα Πολυμερή, Ανοξείδωτος Χάλυβας ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Στην εργασία αυτή αναπτύσσεται μια νέα τεχνική καμπτικής ενίσχυσης υποστυλωμάτων οπλισμένου σκυροδέματος με τη χρήση πρόσθετου οπλισμού συνθέτων υλικών ή ανοξείδωτου χάλυβα τοποθετημένου σε επιφανειακές εγκοπές. Για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας της νέας τεχνικής δοκιμάστηκαν 11 υποστυλώματα πλήρους κλίμακας σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση υπό σταθερό αξονικό φορτίο. Η σύγκριση διαφορετικών τύπων οπλισμών σε εγκοπές (ισοδύναμων σε όρους εφελκυστικής αντοχής) όπως ελασμάτων άνθρακα, ράβδων γυαλιού και ράβδων ανοξείδωτου χάλυβα, με το δοκίμιο ελέγχου, επιτρέπει την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας κάθε τύπου οπλισμού. Επίσης εξετάστηκαν το είδος του υλικού επικόλλησης των επιφανειακών οπλισμών (εποξειδική ρητίνη ή κονίαμα) και η επίδραση της εξωτερικής περίσφιγξης μέσω μανδυών ινοπλεγμάτων ανόργανης μήτρας (IAM) για τα ενισχυμένα με επιφανειακούς οπλισμούς δοκίμια. Καταδεικνύεται ότι η αποτελεσματικότητα της χρήσης πρόσθετου οπλισμού σε εγκοπές για την αύξηση της καμπτικής αντίστασης υποστυλωμάτων είναι υψηλή, ιδιαίτερα όταν αυτή συνδυάζεται με τοπικούς μανδύες συνθέτων υλικών στις κρίσιμες περιοχές των υποστυλωμάτων. ABSTRACT : The paper presents the results of a large-scale experimental program aiming to study the behavior of reinforced concrete (RC) columns under simulated seismic loading, strengthened in flexure (of crucial importance in capacity design) with different types and configurations of near-surface mounted (NSM) reinforcing materials. The role of different parameters is examined, by comparison of the lateral load versus displacement response characteristics (peak force, drift ratios, energy dissipation, stiffness). Those parameters were as follows: carbon or glass fiber-reinforced polymers (FRP) versus stainless steel; 1 Δρ. Πολιτικός Μηχανικός, EUCENTRE, dionysis.bournas@eucentre.it 2 Καθηγητής, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, ttriant@upatras.gr 1

2 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 09, Πάφος, Κύπρος configuration and amount of NSM reinforcement; confinement via local jacketing; and type of bonding agent (epoxy resin or mortar). The results demonstrate that NSM FRP and stainless steel reinforcement is a viable solution towards enhancing the flexural resistance of reinforced concrete columns subjected to seismic loads. This is especially so when the retrofitting scheme combines epoxy-bonded NSM bars with local confining jackets. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι βλάβες που προκαλούνται από ισχυρούς σεισμούς σε υποστυλώματα υφισταμένων κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος (Ο/Σ) έχουν αναδείξει την τρωτότητα των τελευταίων έναντι οριζόντιων σεισμικών φορτίων. Τα ανεπαρκώς οπλισμένα υποστυλώματα είναι τα κρισιμότερα δομικά στοιχεία, τα οποία μπορεί να αστοχήσουν λόγω: διάτμησης, θραύσης του σκυροδέματος, λυγισμού των διαμήκων ράβδων, απώλειας συνάφειας σε περιοχές ανεπαρκών ματίσεων και κάμψης. Η αντισεισμική ενίσχυση των υποστυλωμάτων με χρήση εξωτερικά επικολλούμενων ινοπλισμένων πολυμερών (ΙΟΠ) έχει πειραματικά αποδειχθεί εξαιρετικά αποτελεσματική για όλες τις προαναφερθείσες μορφές αστοχιών πλην της τελευταίας, δηλαδή αυτής λόγω κάμψης. Τα ΙΟΠ που εφαρμόζονται με τη μορφή συνεχών μανδυών στα υποστυλώματα είναι ιδιαιτέρως αποτελεσματικά για την ανάληψη τέμνουσας δύναμης και την εξασφάλιση επαρκούς περίσφιγξης στη θλιβόμενη ζώνη. Παρόλα αυτά η αποτελεσματική ενίσχυση των υποστυλωμάτων σε κάμψη (π.χ. λόγω των απαιτήσεων ικανοτικού σχεδιασμού, αναβάθμισης των δομημάτων λόγω αλλαγής χρήσης, διάβρωσης των ράβδων κλπ) προϋποθέτει τη συνέχιση και την αγκύρωση του διαμήκους οπλισμού πέραν της κρίσιμης διατομής μέγιστης ροπής, οπότε η τοποθέτηση εξωτερικά επικολλημένων ΙΟΠ δεν είναι εφαρμόσιμη. Γι αυτό το λόγο η καμπτική ενίσχυση των υποστυλωμάτων γίνεται μέχρι σήμερα κατά κανόνα με τη χρήση μανδυών εκτοξευόμενου σκυροδέματος. Η τεχνική αυτή χαρακτηρίζεται από σημαντικό εργατικό κόπο, δύσκολες κατασκευαστικές λεπτομέρειες, αύξηση των διαστάσεων και του βάρους των υποστυλωμάτων και επιπροσθέτως τη διακοπή της λειτουργίας του δομήματος κατά τη διάρκεια της επέμβασης. Επομένως, η ανάπτυξη μιας νέας μεθόδου για την καμπτική ενίσχυση των υποστυλωμάτων Ο/Σ που να συνδυάζει την ευκολία εφαρμογής με την ελάχιστη δυνατή παρεμπόδιση της χρήσης του προς ενίσχυση κτηρίου παραμένει ένα ελκυστικό εγχείρημα, το οποίο αντιμετωπίζεται στην παρούσα εργασία για πρώτη φορά με χρήση πρόσθετου οπλισμού σε εγκοπές (ΠΟΕ). Η τεχνική της χρήσης ΠΟΕ περιλαμβάνει τη διάνοιξη επιφανειακών εγκοπών επί της διαθέσιμης επικάλυψης σκυροδέματος και την επικόλληση ράβδων οπλισμού μέσω ενός κατάλληλου συγκολλητικού υλικού (εποξειδική ρητίνη ή τσιμεντοειδές κονίαμα). Οι ράβδοι αγκυρώνονται ενός οπών (η διάνοιξη των οποίων γίνεται με κοινό τρυπάνι) στα άκρα τους (πόδας και κορυφή υποστυλωμάτων) κάνοντας χρήση του ιδίου συγκολλητικού μέσου. Η μέχρι σήμερα ερευνητική δραστηριότητα γύρω από τη χρήση του ΠΟΕ επικεντρώνεται στην καμπτική ενίσχυση δοκών ή πλακών, στην ενίσχυση δοκών έναντι διάτμησης και στην καμπτική ενίσχυση δοκών με χρήση προεντεταμένων ΠΟΕ. 2

3 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 09, Πάφος, Κύπρος Τα πιο πρόσφατα ερευνητικά αποτελέσματα σ αυτές τις περιοχές αναφέρονται από τον Triantafillou (07). Στην παρούσα εργασία γίνεται η πρώτη συστηματική μελέτη καμπτικής ενίσχυσης υποστυλωμάτων υπό ανακυκλιζόμενη κάμψη (και σταθερό αξονικό φορτίο) με πρόσθετους οπλισμούς σε εγκοπές. Εξετάζονται υποστυλώματα που έχουν ενισχυθεί με ΠΟΕ ΙΟΠ (ελάσματα άνθρακα ή ράβδους γυαλιού) καθώς και ράβδους ανοξείδωτου χάλυβα τοποθετημένων σε εγκοπές. Άλλη μια καινοτομία της παρούσας εργασίας είναι ο συνδυασμός του ΠΟΕ με τοπικούς μανδύες ινοπλεγμάτων σε ανόργανη μήτρα (IAM), οι οποίοι αποτελούν ένα εξαιρετικά αποτελεσματικό και πολλά υποσχόμενο σύστημα περίσφιγξης, όπως περιγράφεται λεπτομερώς στις εργασίες των Triantafillou et al. (06), Bournas et al. (07) και Bournas et al. (09). ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Κατασκευάστηκαν 11 δοκίμια υποστυλωμάτων πλήρους κλίμακας και ίδιας γεωμετρίας, τα οποία υπεβλήθησαν σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση υπό σταθερό αξονικό φορτίο. Τα δοκίμια ήταν τύπου προβόλου μήκους 1.60 m (Σχήμα 1α), αντιπροσωπεύοντας υποστυλώματα με ύψος ίσο με το μισό του ύψους τυπικού ορόφου. Τα υποστυλώματα είχαν τετραγωνική διατομή 250x250 mm με διαμήκη οπλισμό από τέσσερις γωνιακές λείες ράβδους Φ14 και εγκάρσιο οπλισμό συνδετήρων Φ8 σε αποστάσεις 0 mm, με τα άγκιστρα κεκαμμένα κατά 90 ο. Η γεωμετρία της διατομής φαίνεται στο Σχήμα 1β. Σερβοϋδραυλικό έμβολο MTS Ανακυκλιζ. οριζόντια φόρτiση Αξονικό φορτίο 0. Ag fc (α) LVDTs Μόνο στο δοκίμιο C_Per_ρn2 Φ14 (or 12) ΠΟΕ Άρθρωση Συγγκολλητικό υλικό Αγκύρωση του ΠΟΕ (β) (γ) Σχήμα 1. (α) Πειραματική Διάταξη. (β) Διατομή δοκιμίων. (γ) Θέση των μηκυνσιομέτρων. Δοκίμια και Παράμετροι Μελέτης Τα δοκίμια είχαν σχεδιαστεί έτσι ώστε να μπορεί να εξετασθεί η επιρροή μιας σειράς παραμέτρων στην καμπτική τους αντίσταση, δηλαδή: ο τύπος του ΠΟΕ (ελάσματα άνθρακα, ράβδοι γυαλιού, ράβδοι ανοξείδωτου χάλυβα), η διαμόρφωση του ΠΟΕ (ελάσματα άνθρακα με τη μεγάλη τους διάσταση κάθετη η παράλληλη προς την ενισχυόμενη πλευρά του υποστυλώματος, αναλόγως της 3

4 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 09, Πάφος, Κύπρος διαθέσιμης επικάλυψης σκυροδέματος), το γεωμετρικό ποσοστό του ΠΟΕ ή του εσωτερικού διαμήκους οπλισμού, ο τύπος του συγκολλητικού υλικού (εποξειδική ρητίνη, τσιμεντοκονίαμα) και η ύπαρξη ΠΟΕ με ή χωρίς τοπική περίσφιγξη στις κρίσιμες περιοχές των υποστυλωμάτων από μανδύες ΙΑΜ. Μια σύντομη περιγραφή των εξεταζομένων δοκιμίων δίνεται παρακάτω. Ένα υποστύλωμα δοκιμάστηκε χωρίς ενίσχυση ως δοκίμιο Ελέγχου. Το C_Per ενισχύθηκε με δύο συμμετρικά τοποθετημένα ελάσματα άνθρακα σε δύο αντίθετες παρειές του υποστυλώματος (αυτές με μέγιστο εφελκυσμό/θλίψη). Η διατομή των ελασμάτων ήταν 16x2 mm και αυτά ήταν τοποθετημένα μέσα σε ορθογωνικές εγκοπές 10x mm με τη μεγάλη τους διάσταση κάθετη στην ενισχυόμενη πλευρά του υποστυλώματος. Αυτή η διάταξη είναι εφικτή μόνο αν η διαθέσιμη επικάλυψη είναι της τάξης των mm. Το C_Per_ρ n2 ενισχύθηκε όπως και το C_Per, αλλά με μεγαλύτερο ποσοστό ΠΟΕ (ρ n2 =0.3%), τοποθετώντας τρία ελάσματα άνθρακα (αντί για δύο - ρ n =0.2%) σε κάθε ενισχυόμενη πλευρά. Το C_Per_ρ s2 ενισχύθηκε όπως το C_Per, αλλά ήταν αρχικά σχεδιασμένο με χαμηλότερο ποσοστό διαμήκους εσωτερικού οπλισμού. Αυτό το δοκίμιο ήταν οπλισμένο με ράβδους διαμέτρου 12 mm (ρ s2 =0.72%), ενώ όλα τα άλλα ήταν οπλισμένα με ράβδους 14 mm (ρ s =0.98%). Το C_Par ενισχύθηκε με δύο συμμετρικά τοποθετημένα ελάσματα άνθρακα (με τις ανωτέρω διαστάσεις) σε δύο αντίθετες πλευρές του υποστυλώματος, αλλά με τη μεγάλη τους διάσταση παράλληλη στην ενισχυόμενη πλευρά του υποστυλώματος. Τα ελάσματα ήταν τοποθετημένα σε ορθογωνικές εγκοπές x5 mm. Σ αυτή τη διάταξη η συνάφεια των ΠΟΕ αναμένεται μειωμένη σε σύγκριση με την C_Per. Βασικό πλεονέκτημα όμως αυτής της μεθόδου είναι η εφαρμοσιμότητα σε περιπτώσεις πολύ μικρών επικαλύψεων, της τάξης των λίγων χιλιοστών. Το C_Par_J έχει τον ίδιο ΠΟΕ με το C_Par και έναν πρόσθετο τοπικό μανδύα περίσφιγξης ΙΑΜ, ο οποίος εκτείνεται 600 mm από τη βάση του υποστυλώματος και αποσκοπεί στην προστασία του ΠΟΕ έναντι πρόωρου λυγισμού ή/και αποκόλλησης. Το G ενισχύθηκε με δύο ράβδους γυαλιού 8 mm συμμετρικά τοποθετημένες στις δύο αντίθετες πλευρές του υποστυλώματος, μέσα σε τετραγωνικές εγκοπές x mm. Το S_R ενισχύθηκε με δύο ράβδους ανοξείδωτου χάλυβα 12 mm συμμετρικά τοποθετημένες στις δύο αντίθετες πλευρές του υποστυλώματος, εντός τετραγωνικών εγκοπών x mm. Η επικόλληση του χάλυβα έγινε, όπως και σε όλες τις ανωτέρω περιπτώσεις, μέσω εποξειδικής ρητίνης. Το S_M έχει τον ίδιο ΠΟΕ με το S_R, αλλά το συγκολλητικό υλικό είναι κονίαμα. Το S_R_J έχει τον ίδιο ΠΟΕ με το S_R και έναν πρόσθετο τοπικό μανδύα περίσφιγξης ΙΑΜ ίδιο με αυτόν του δοκιμίου C_Par_J. Το S_M_J έχει τον ίδιο ΠΟΕ με το S_M και έναν πρόσθετο τοπικό μανδύα περίσφιγξης ΙΑΜ ίδιο με αυτόν του δοκιμίου S_R_J. Περιγραφή της Μεθόδου Ενίσχυσης Όταν ολοκληρώθηκε η προετοιμασία των δοκιμίων, οι εγκοπές και οι οπές επί του θεμελίου συμπληρώθηκαν μέσω έγχυσης συγκολλητικού υλικού χρησιμοποιώντας ένα απλό πιστόλι σιλικόνης (Σχήμα 2α). Στη συνέχεια προστέθηκε μια στρώση συγκολλητικού υλικού (ίση περίπου με το μισό του 4

5 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 09, Πάφος, Κύπρος βάθους της εγκοπής) και οι πρόσθετοι οπλισμοί τοποθετήθηκαν στη θέση τους ασκώντας ελαφρά πίεση επί του συγκολλητικού υλικού, με αποτέλεσμα το τελευταίο να εκτοπιστεί ρέοντας γύρω από τον πρόσθετο οπλισμό. Τέλος προστέθηκε η ποσότητα του συγκολλητικού υλικού που έλειπε στις εγκοπές και η τελική επιφάνεια επιπεδώθηκε. Η εφαρμογή του μανδύα ΙΑΜ έγινε κατά το συνήθη τρόπο επικόλλησης υφασμάτων ή ελασμάτων ΙΟΠ σε δομικά στοιχεία. Αρχικά λειάνθηκαν ελαφρά οι επιφάνειες των δοκιμίων με ηλεκτρικό τριβείο και καθαρίστηκαν. Ακολούθως κατασκευάστηκαν οι μανδύες με επάλληλες στρώσεις κονιάματος και πλέγματος (Σχήμα 2β). Μια φωτογραφία από την εφαρμογή του μανδύα ΙΑΜ δίνεται στο Σχήμα 2γ. (α) (γ) (β) Σχήμα 2. (α) Γέμισμα των οπών στην περιοχή αγκύρωσης των οπλισμών με ρητίνη ή κονίαμα. (β) Φωτογραφία του χρησιμοποιούμενου ινοπλέγματος. (γ) Εφαρμογή του μανδύα ΙΑΜ. Πειραματική Διάταξη και Υλικά Τα υποστυλώματα ήταν πακτωμένα σε θεμέλια διαστάσεων 1.2x0.5 m σε κάτοψη, μέσα στα οποία αγκυρώνονταν οι διαμήκεις λείες ράβδοι με άγκιστρα ακτίνας 50 mm. Οι διαμήκεις εσωτερικές ράβδοι διαμέτρου 14 mm είχαν τάση διαρροής 372 MPa, εφελκυστική αντοχή 433 MPa και παραμόρφωση θραύσης 17%, ενώ οι αντίστοιχες τιμές για τις ράβδους διαμέτρου 12 mm ήταν 330 MPa, 412 MPa και 23%. Ο εγκάρσιος οπλισμός ο οποίος αποτελείτο από λείες ράβδους διαμέτρου 8 mm σε αποστάσεις 0 mm είχε τάση διαρροής 351 MPa, εφελκυστική αντοχή 444 MPa και παραμόρφωση θραύσης 19.5%. Η θλιπτική αντοχή τη μέρα της δοκιμής μετρήθηκε για κάθε υποστύλωμα ίση με 25.8 MPa και 1.07 MPa, αντιστοίχως. Οι μηχανικές ιδιότητες των οπλισμών ενίσχυσης συνοψίζονται στον Πίνακα 1. Το πλέγμα ινών άνθρακα που χρησιμοποιήθηκε αποτελείτο από δέσµες ινών πλάτους 3 mm, ισόποσα διατεταγμένων σε δύο κάθετες µεταξύ τους διευθύνσεις (0 /90 ), µε καθαρό άνοιγμα βροχίδων ίσο µε 7 mm (Σχήμα 2β). Κάθε στρώση πλέγµατος ινών είχε βάρος ίσο µε 348 g/m 2 και ονοµαστικό πάχος ίσο µε mm. Η εγγυημένη εφελκυστική αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας των ινών ήταν 3800 MPa και 225 GPa, αντιστοίχως. Η ανόργανη µήτρα που χρησιμοποιήθηκε ήταν από λεπτόκοκκο ρητινούχο τσιμεντοκονίαμα µε λόγο τσιμέντου προς πολυµερή περίπου ίσο µε 8:1 κ.β. Η αναλογία ανάµιξης νερού 5

6 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 09, Πάφος, Κύπρος προς κονίαμα ήταν 0.23:1, ενώ το νωπό ανάµειγµα χαρακτηριζόταν από ικανή εργασιµότητα για εφαρμογή σε κατακόρυφες επιφάνειες (πλαστικό κονίαµα) και από µικρή απώλεια κάθισης στο χρόνο. Οι µέσες τιµές της θλιπτικής και της καμπτικής αντοχής του τσιµεντοκονιάµατος στις 28 ηµέρες ήταν 17.5 MPa και 6.31 MPa, αντιστοίχως. Τύπος ΠΟΕ Πίνακας 1. Μηχανικές Ιδιότητες του ΠΟΕ. Μέτρο Ελαστικότητας E, (GPa) Τάση Διαρροής f y, (MPa) Εφελκυστική Αντοχή f u, (MPa) Παραμόρφωση Θραύσης ε u, (%) Ελάσματα CFRP Ράβδοι GFRP Ράβδοι Ανοξ. Χάλυβα Τα δοκίμια φορτίστηκαν με οριζόντια δύναμη σε ύψος 1.60 m από τη βάση, μέσω σερβοϋδραυλικού εμβόλου MTS αγκυρωμένου στην κεφαλή του στοιχείου (Σχήμα 1α). Η ιστορία φόρτισης αποτελούνταν από επαναλαμβανόμενους κύκλους μετατοπίσεων αυξανομένου εύρους (κατά 5 mm) μέχρι την αστοχία του δοκιμίου. Τα δοκίμια φορτίζονταν ταυτόχρονα κατά τη διεύθυνση του άξονά τους με σταθερό αξονικό φορτίο, το οποίο αντιστοιχεί στο % περίπου της θλιπτικής αντοχής των υποστυλωμάτων υπό κεντρική θλίψη. Κατά τη διάρκεια των δοκιμών καταγράφονταν η δύναμη και η μετατόπιση του εμβόλου, η στροφή και η κατακόρυφη (αξονική) μετατόπιση τριών διατομών μέσω έξι μηκυνσιομέτρων (LVDTs) που είχαν τοποθετηθεί σε ύψη 130 mm, 260 mm και 450 mm πάνω από τη βάση των στοιχείων (Σχήμα 1γ). Η εγκατάσταση των οργάνων περιλάμβανε ακόμα 12 ηλεκτρομηκυνσιόμετρα, τα οποία είχαν επικολληθεί πάνω στους ΠΟΕ στη διατομή μέγιστης ροπής με στόχο τον προσδιορισμό των παραμορφώσεων των πρόσθετων οπλισμών ενίσχυσης κατά την αστοχία των υποστυλωμάτων. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚA AΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Γενική Συμπεριφορά Η απόκριση όλων των υποστυλωμάτων δίνεται στο Σχήμα 3 στη μορφή βρόχων υστέρησης οριζόντιας δύναμης-σχετικής μετακίνησης (drift ratio). Τα βασικότερα αποτελέσματα των δοκιμών περιγράφονται στον Πίνακα 2 και περιλαμβάνουν: (α) Tη μέγιστη οριζόντια δύναμη στις δύο διευθύνσεις φόρτισης. (β) Τη σχετική μετακίνηση που αντιστοιχεί στη μέγιστη οριζόντια δύναμη, στις δύο διευθύνσεις φόρτισης. (γ) Τη σχετική μετακίνηση που αντιστοιχεί στη συμβατική αστοχία, η οποία ορίζεται στο σημείο όπου σημειώνεται πτώση της δύναμης απόκρισης κατά % έναντι της μέγιστης καταγεγραμμένης τιμής της, στην αντίστοιχη διεύθυνση φόρτισης. (δ) Το βαθμό της ενίσχυσης, που είναι ίσος με το λόγο της μέγιστης δύναμης απόκρισης των ενισχυμένων δοκιμίων προς το μέγιστο φορτίο που ανέλαβε το δοκίμιο ελέγχου, στις δύο διευθύνσεις φόρτισης. 6

7 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 09, Πάφος, Κύπρος (ε) Τη σχετική οριζόντια μετακίνηση που ανέλαβαν τα ενισχυμένα δοκίμια κατά τη συμβατική αστοχία ανηγμένη προς την αντίστοιχη τιμή του δοκιμίου ελέγχου. Η συμπεριφορά και η μορφή αστοχίας όλων των δοκιμίων ήταν, όπως αναμενόταν, καμπτική, λόγω της υψηλής τιμής του λόγου διάτμησης (L s /h=6.4). Το δοκίμιο ελέγχου έφτασε σε οριζόντιο φορτίο 33 kn και σε σχετική οριζόντια μετακίνηση κατά την αστοχία ίση με 6.25%. Κύριο χαρακτηριστικό της απόκρισής του ήταν η καμπτική διαρροή, η οποία όμως ακολουθήθηκε από λυγισμό των διαμήκων ράβδων, λόγω του μεγάλου αστήρικτου μήκους από τους αραιά τοποθετημένους συνδετήρες, και αποδιοργάνωση του σκυροδέματος πάνω από τη βάση. Με μία μόνο εξαίρεση (δοκίμιο C_Par), η καμπτική αντίσταση όλων των ενισχυμένων δοκιμίων αυξήθηκε σημαντικά (μέχρι και 100%) σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου. Στους πρώτους κύκλους φόρτισης παρατηρήθηκαν καμπτικές ρωγμές κοντά στη βάση των ενισχυμένων υποστυλωμάτων οι οποίες αυξάνονταν και διευρύνονταν με την αύξηση της οριζόντια επιβαλλόμενης μετακίνησης, ενώ πριν από τη μέγιστη απόκριση άρχισαν να σχηματίζονται λοξές ρωγμές γύρω από τις εγκοπές και στις δύο διευθύνσεις φόρτισης ως αποτέλεσμα των υψηλών δυνάμεων εξόλκευσης που ασκούνταν από τον πρόσθετο οπλισμό ενίσχυσης. Πίνακας 2. Πίνακας Αποτελεσμάτων. Ονομασία Δοκιμίου Μέγιστο Φορτίο, (kn) Σχετική Μετακίνηση στο Μέγιστο Φορτίο (%) Σχετική Μετακίνηση στην Αστοχία (%) Βαθμός Ενίσχυσης P max, Δοκιμίου P max,control Ανηγμένη Σχετική Μετακίνηση Δοκίμιο Control Ώθησ η Έλξη Ώθηση Έλξη Ώθηση Έλξη Ώθηση Έλξη Ώθηση Έλξη Control C_Per C_Per_ρ n C_Per_ρ s C_Par C_Par_J G S_R S_R_J > > S_M S_M_J > >

8 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 09, Πάφος, Κύπρος Load (kn) Load (kn) Load (kn) (a) Control (b) C_Per (c) C_Per_ρ (d) C_Per_ρ n2 s2 (e) C_Par Drift ratio (%) (f) C_Par_J (h) S_R (i) S_R_J (j) S_M (k) S_M_J Drift ratio (%) (g) G Drift ratio (%) Drift ratio (%) Σχήμα 3. Βρόχοι υστέρησης οριζόντιας δύναμης-σχετικής μετακίνησης των εξεταζομένων δοκιμίων. mortar mortar 12 Υποστυλώματα Ενισχυμένα με Ινοπλισμένα Πολυμερή Η αστοχία των δοκιμίων C_Per, C_Per_ρ n2 και C_Per_ρ s2 (με τη μεγάλη διάσταση των ελασμάτων άνθρακα κάθετη στην ενισχυόμενη πλευρά του υποστυλώματος) οφείλεται στη θραύση των ελασμάτων στη διατομή μέγιστης ροπής (βάση υποστυλώματος), όπως φαίνεται στο Σχήμα 4α. Σε σύγκριση με το δοκίμιο ελέγχου η μέγιστη δύναμη αυξήθηκε κατά περίπου 40%, ενώ η σχετική μετακίνηση (στη μέγιστη δύναμη) ήταν περίπου ίδια, της τάξης του 3%. Η θραύση των πρόσθετων ελασμάτων άνθρακα οδήγησε σε απότομη πτώση του φορτίου, όταν οι μέσες καταγεγραμμένες τιμές των παραμορφώσεων των ελασμάτων στη βάση των υποστυλωμάτων ήταν ίσες με 0.95%, 0.93% και 0.85% για τα δοκίμια C_Per, C_Per_ρ n2 και C_Per_ρ s2, αντιστοίχως. Αυτές οι τιμές των παραμορφώσεων που μετρήθηκαν κατά την αστοχία είναι περίπου οι μισές των αντίστοιχων τιμών που μετρήθηκαν μέσω δοκιμών μονοαξονικού εφελκυσμού, καταδεικνύοντας έτσι τη δυσμενή επίδραση της ανακύκλισης στην εφελκυστική αντοχή των ελασμάτων άνθρακα. Η απόκριση του δοκιμίου C_Par (με τη μεγάλη του διάσταση παράλληλη προς την ενισχυόμενη πλευρά του υποστυλώματος) είχε πτωχά χαρακτηριστικά ενίσχυσης. Το δοκίμιο αστόχησε λόγω της πρόωρης αποκόλλησης των ελασμάτων άνθρακα, σε φορτίο οριακά μεγαλύτερο σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου και σε σχετική μετακίνηση ίση με 2%, ενώ η μέση παραμόρφωση που καταγράφηκε στο μέγιστο φορτίο ήταν πολύ μικρότερη από την οριακή, μόλις 8

9 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 09, Πάφος, Κύπρος 0.5%. Η αποκόλληση των πρόσθετων ελασμάτων άνθρακα σε αρκετά χαμηλή εφελκυστική παραμόρφωση αποδίδεται στην προς τα έξω εκτίναξη των τελευταίων λόγω λυγισμού, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 4β. Η άποψη αυτή επιβεβαιώνεται εξετάζοντας την απόκριση του δοκιμίου C_Par_J, το οποίο ήταν ισοδύναμο με το C_Par αλλά είχε περισφιχτεί στη βάση του με εξωτερικό μανδύα ΙΑΜ. Σε αυτό το δοκίμιο ο μανδύας προσέδωσε πλευρική στήριξη στα θλιβόμενα ελάσματα έναντι λυγισμού, με αποτέλεσμα το φορτίο να αυξηθεί κατά 45% και 25% στις διευθύνσεις ώθησης και έλξης του εμβόλου, αντιστοίχως, ενώ οι αντίστοιχες τιμές για τη σχετική μετακίνηση ήταν 4% και 2.5%. Η μειωμένη ενεργοποίηση των ελασμάτων κατά τη διεύθυνση έλξης του εμβόλου σε σύγκριση με αυτή της ώθησης οφείλεται στην αποκόλλησή τους, γεγονός που επιβεβαιώνεται και από τις μέσες καταγεγραμμένες παραμορφώσεις κατά το μέγιστο φορτίο, οι οποίες ήταν ίσες με 1.6% και 0.85% στις διευθύνσεις ώθησης και έλξης, αντιστοίχως. Αυτές οι τιμές είναι σε συμφωνία με την παρατήρηση της θραύσης του ελάσματος άνθρακα μόνο στη διεύθυνση ώθησης του εμβόλου. Θραύση ελάσματος (α) (β) (γ) (δ) (ε) Θραύση ράβδου Σχήμα 4. Τυπικές φωτογραφίες διαφόρων μορφών αστοχίας: (α) Εφελκυστική θραύση των ΠΟΕ ελασμάτων άνθρακα στα δοκίμια C_Per, C_Per_ρn2 και C_Per_ρs2. (β) Αποκόλληση και λυγισμός των ελασμάτων στο δοκίμιο C_Par. (γ) Διατμητική αστοχία των νευρώσεων ράβδων γυαλιού στο δοκίμιο G. (δ) Λυγισμός των ΠΟΕ ανοξείδωτου χάλυβα στο δοκίμιο S_R. (ε) Εφελκυστική θραύση των ΠΟΕ ανοξείδωτου χάλυβα στο δοκίμιο S_R_J. Η απόκριση του δοκιμίου G που είχε ενισχυθεί με πρόσθετες ράβδους γυαλιού διαμέτρου 8 mm φανέρωσε ορισμένα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά. Σε σχετική μετακίνηση του δοκιμίου ίση περίπου με 2% άρχισαν να αποτέμνονται οι νευρώσεις των ράβδων (Σχήμα 4γ), με αποτέλεσμα την ανάπτυξη σημαντικής ολίσθησης μεταξύ ράβδων και ρητίνης μέσα στην εγκοπή. Κατά την έναρξη της αποκόλλησης των νευρώσεων από τις ράβδους οι μέσες καταγεγραμμένες παραμορφώσεις των ράβδων ήταν 0.45%, δηλαδή πολύ μικρότερες από την οριακή εφελκυστική παραμόρφωσή τους. Η τελική αστοχία αυτού του δοκιμίου προήλθε και στις δύο διευθύνσεις φόρτισης εξαιτίας του λυγισμού των πρόσθετων ράβδων γυαλιού σε σχετική μετακίνηση της τάξης του 5%, ενώ η μέση τιμή των παραμορφώσεων των ράβδων ήταν περίπου 1.1%. Τελικά ο βαθμός καμπτικής ενίσχυσης ήταν περίπου ίσος με

10 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 09, Πάφος, Κύπρος Υποστυλώματα Ενισχυμένα με Ράβδους Ανοξείδωτου Χάλυβα Το δοκίμιο S_R (με δύο ράβδους 12 mm σε κάθε ενισχυόμενη πλευρά) αστόχησε απότομα λόγω λυγισμού των πρόσθετων ράβδων ανοξείδωτου χάλυβα όπως φαίνεται στο Σχήμα 4δ, με ένα μήκος λυγισμού περίπου 500 mm. Ο βαθμός καμπτικής ενίσχυσης του δοκιμίου ήταν 1.6 και η σχετική μετακίνησή του κατά την αστοχία ίση με 5.3% και στις δύο διευθύνσεις φόρτισης. Η απόκριση του δοκιμίου S_R_J (όμοιο με το δοκίμιο S_R αλλά με τοπικό μανδύα ΙΑΜ στη βάση του), ήταν σημαντικά βελτιωμένη, περιλαμβάνοντας σταθερούς βρόχους υστέρησης μέχρι υψηλές τιμές της σχετικής μετακίνησης, της τάξης του 8%. Αυτό το δοκίμιο σημείωσε τη μεγαλύτερη καμπτική ενίσχυση, διπλασιάζοντας περίπου το αναλαμβανόμενο οριζόντιο φορτίο σε σύγκριση με το δοκίμιο ελέγχου. Η περίσφιγξη που προσδόθηκε από το μανδύα στη βάση του δοκιμίου παρεμπόδισε το λυγισμό των πρόσθετων ράβδων ανοξείδωτου χάλυβα, με αποτέλεσμα οι τελευταίες να φτάσουν τη θραύση τους στη διεύθυνση έλξης του εμβόλου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4ε. Στα δοκίμια S_M και S_M_J, όπου οι πρόσθετοι οπλισμοί ανοξείδωτου χάλυβα είχαν επικολληθεί και αγκυρωθεί με κονίαμα αντί ρητίνης, παρατηρήθηκε ένας διαφορετικός μηχανισμός αστοχίας, ο οποίος χαρακτηρίσθηκε από την ολίσθηση των ΠΟΕ στην περιοχή της αγκύρωσής τους. Λόγω της χαμηλής διατμητικής αντοχής του κονιάματος, το τελευταίο απετμήθη μεταξύ των διαδοχικών νευρώσεων των ράβδων ανοξείδωτου χάλυβα, με αποτέλεσμα την ολίσθηση μεταξύ ράβδων και κονιάματος στην περιοχή της αγκύρωσης και τον περιορισμό της μεταφοράς της δύναμης προς την αγκύρωση. Η βλάβη του κονιάματος μέσα στο θεμέλιο αυξανόταν σταθερά με την αύξηση της οριζόντιας μετακίνησης μέχρι το μέγιστο φορτίο. Αυτό σημειώθηκε σε σχετική μετακίνηση 2% και στις δύο διευθύνσεις φόρτισης, τη στιγμή που ο βαθμός ενίσχυσης ήταν Εκτός από μια μικρή πτώση του φορτίου, η απόκριση μετά το μέγιστο φορτίο ήταν αρκετά σταθερή σημειώνοντας ελάχιστη πτώση της αντοχής, μέχρι μια στάθμη οριζόντιου φορτίου που οφειλόταν στην εναπομένουσα τριβή μεταξύ ράβδων και κονιάματος. Αυτή η αντίσταση εξόλκευσης των ράβδων λόγω τριβής έχει ως αποτέλεσμα την ολίσθηση των ράβδων ανοξείδωτου χάλυβα μέσα στην περιοχή της αγκύρωσης σαν άκαμπτο σώμα, εξασφαλίζοντας έτσι στα δοκίμια S_M και S_M_J μια ψευδο-πλάστιμη συμπεριφορά. ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Όλα τα υποστυλώματα αποκρίθηκαν όπως είχαν αρχικά σχεδιαστεί, με κύριο χαρακτηριστικό τη διαρροή των εσωτερικών ράβδων, η οποία ακολουθήθηκε από την αστοχία των ΠΟΕ. Με βάση τις διάφορες παραμέτρους που μελετήθηκαν στο παρόν πειραματικό πρόγραμμα, μια προσεκτική εξέταση των αποτελεσμάτων (Πίνακας 2) σε όρους αντοχής (μέση αύξηση στις δύο διευθύνσεις φόρτισης) αλλά και σε όρους που χαρακτηρίζουν τη συνολική απόκριση, δίνει τις παρακάτω πληροφορίες: 10

11 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 09, Πάφος, Κύπρος Τύπος ΠΟΕ (C_Per/G/S_R). Παρόλο που η εφελκυστικές αντοχές των οπλισμών CFRP, GFRP και ανοξείδωτου χάλυβα ήταν περίπου ίσες, ο τελευταίος ήταν αρκετά αποτελεσματικότερος, αυξάνοντας την αντοχή κατά 64%. Οι αντίστοιχες τιμές για τους οπλισμούς ΙΟΠ ήταν χαμηλότερες (26% για τα ελάσματα άνθρακα και 22% για τις ράβδους γυαλιού), λόγω της αστοχίας των ΙΟΠ σε παραμορφώσεις μικρότερες από αυτές που αντιστοιχούν στη μέγιστη τάση τους, εξαιτίας της επίδρασης της ανακύκλισης της φόρτισης. Σε όρους ικανότητας παραμόρφωσης, οι ράβδοι ανοξείδωτου χάλυβα και γυαλιού υπερτερούν των ελασμάτων άνθρακα κατά 25% περίπου, λόγω της μικρότερης παραμορφωσιμότητας των ινών άνθρακα σε σύγκριση με τα άλλα δύο υλικά. Γεωμετρικό Ποσοστό ΠΟΕ (C_Per/C_Per_ρ n2 ). Αύξηση του ποσοστού του ΠΟΕ κατά 50% (τρία έναντι δύο ελασμάτων σε κάθε ενισχυόμενη πλευρά) είχε ως αποτέλεσμα γραμμική σχεδόν αύξηση της αντοχής, που είναι από 26% στο δοκίμιο C_Per σε 35% στο δοκίμιο C_Per_ρn2. Βέβαια αυτή η γραμμικότητα μπορεί να μην ισχύει και για υψηλά γεωμετρικά ποσοστά πρόσθετου οπλισμού. Διαμόρφωση των Πρόσθετων Ελασμάτων Άνθρακα (C_Per/C_Par). Απουσία τοπικού μανδύα, η επικόλληση των ελασμάτων άνθρακα με τη μεγάλη τους πλευρά κάθετη προς την ενισχυόμενη παρειά του υποστυλώματος βρέθηκε πολύ αποτελεσματικότερη από την παράλληλη τοποθέτησή της, λόγω των ευνοϊκότερων συνθηκών συνάφειας. Η αύξηση της αντοχής ήταν 26% για το δοκίμιο C_Per, ενώ μόλις 4%, πρακτικά αμελητέα, για το δοκίμιο C_Par. ΠΟΕ με ή χωρίς Τοπικό Μανδύα (C_Par/C_Par_J, S_R/S_R_J, S_M/S_M_J). Με εξαίρεση την περίπτωση χρήσης κονιάματος στις εγκοπές που οδήγησε σε αστοχίες λόγω αποκόλλησης στην περιοχή της αγκύρωσης, η ύπαρξη τοπικού μανδύα ήταν εξαιρετικά ευνοϊκή σε όλες τις περιπτώσεις, συντελώντας στη θεαματική αύξηση τόσο της αντοχής όσο και της ικανότητας παραμόρφωσης των ενισχυμένων δοκιμίων. Πιο συγκεκριμένα, μέσω της περίσφιγξης απετράπη ο λυγισμός των ΠΟΕ, με αποτέλεσμα την αύξηση της αντοχής από 4% σε 36% για την περίπτωση των πρόσθετων ελασμάτων άνθρακα και από 64% σε 90% για την περίπτωση του πρόσθετου ανοξείδωτου χάλυβα. Στα υποστυλώματα όπου οι ράβδοι ανοξείδωτου χάλυβα επικολλήθηκαν με κονίαμα, η προσφορά του μανδύα σε όρους αντοχής ήταν αμελητέα, ενώ σε όρους παραμορφωσιμότητας ήταν μέση. Από όλα τα δοκίμια που δοκιμάστηκαν, το δοκίμιο S_R_J (Σχήμα 3i) που ενισχύθηκε με ανοξείδωτο χάλυβα και τοπικό μανδύα ΙΑΜ σημείωσε την απόκριση με τα καλύτερα χαρακτηριστικά, συνδυάζοντας σταθερή συμπεριφορά μετά το μέγιστο και ελάχιστη πτώση του φορτίου ακόμα και σε μεγάλες σχετικές μετακινήσεις. Με βάση τα αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν εδώ, φαίνεται ότι ο συνδυασμός ενίσχυσης με ΠΟΕ και τοπικό μανδύα περίσφιγξης μπορεί να είναι μια εφαρμόσιμη λύση για επεμβάσεις αύξησης της καμπτικής αντίστασης υποστυλωμάτων χωρίς να μειώνεται η ικανότητα παραμόρφωσης στην αστοχία. 11

12 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 09, Πάφος, Κύπρος Διαμόρφωση των Πρόσθετων Ελασμάτων Άνθρακα (C_Per/C_Par). Απουσία τοπικού μανδύα, η επικόλληση των ελασμάτων άνθρακα με τη μεγάλη τους πλευρά κάθετη προς την ενισχυόμενη παρειά του υποστυλώματος βρέθηκε πολύ αποτελεσματικότερη από την παράλληλη τοποθέτησή της, λόγω των ευνοϊκοτέρων συνθηκών συνάφειας. Η αύξηση της αντοχής ήταν 26% για το δοκίμιο C_Per, ενώ μόλις 4%, πρακτικά αμελητέα, για το δοκίμιο C_Par. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία παρουσιάστηκε μια συστηματική μελέτη της καμπτικής ενίσχυσης υποστυλωμάτων με πρόσθετους οπλισμούς τοποθετημένους σε εγκοπές. Μελετήθηκε η καμπτική ενίσχυση υποστυλωμάτων μέσω πρόσθετων οπλισμών ελασμάτων άνθρακα, ράβδων γυαλιού και ράβδων ανοξείδωτου χάλυβα. Μια ακόμα καινοτομία που εισήγαγε η παρούσα εργασία είναι ο συνδυασμός πρόσθετου οπλισμού καμπτικής ενίσχυσης και τοπικών μανδυών περίσφιγξης, με χρήση ενός πρόσφατα ανεπτυγμένου συστήματος περίσφιγξης μέσω μανδυών ινοπλεγμάτων σε ανόργανη μήτρα κονιάματος. Ο σχεδιασμός των δοκιμίων επέτρεψε τη διερεύνηση αρκετών παραμέτρων, λεπτομέρειες των οποίων περιγράφτηκαν πιο πάνω. Ο πρόσθετος οπλισμός συνθέτων υλικών ή ανοξείδωτου χάλυβα αποτελεί μια βιώσιμη λύση για την καμπτική ενίσχυση υποστυλωμάτων Ο/Σ που υποβάλλονται σε σεισμική φόρτιση. Μέσω ενός κατάλληλου σχεδιασμού, μέσω του οποίου ο πρόσθετα τοποθετημένος οπλισμός συνδυάζεται με τοπικό μανδύα στα άκρα του υποστυλώματος (κορυφή και πόδα), είναι εφικτό η αύξηση της καμπτικής αντίστασης των υποστυλωμάτων να μην συνοδεύεται από μείωση της διαθέσιμης ικανότητας παραμόρφωσης. ΑΝΑΦΟΡΕΣ Asplund, S. O., Strengthening Bridge Slabs with Grouted Reinforcement. ACI Structural Journal, V., No 4 (1949) Βournas, D. A., Lontou, P. V., Papanicolaou, C. G. and Triantafillou, T. C., Textile-Reinforced Mortar (TRM) versus FRP Confinement in Reinforced Concrete Columns. ACI Structural Journal, V. 104, No 6 (07) Bournas, D. A., Triantafillou, T. C., Zygouris, K., and Stavropoulos, F., (09), Textile-Reinforced Mortar (TRM) Versus FRP Jacketing in Seismic Retrofitting of RC Columns with Continuous or Lap-Spliced Deformed Bars". ASCE Journal of Composites for Construction, in press. Triantafillou, T. C., Papanicolaou, C. G., Zissimopoulos, P., and Laourdekis, T., Concrete Confinement with Textile-Reinforced Mortar Jackets. ACI Structural Journal, V. 103, No 1 (06) Triantafillou, T. C., editor, Fiber-Reinforced Polymer Reinforcement for Concrete Structures - Proceedings of the 8th International Symposium on Fiber Reinforced Polymer Reinforcement for Concrete Structures, University of Patras, Greece, 07 ( 12