ΚΑΜΠΤΙΚΗ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΑΓΚΥΡΙΩΝ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΤΥΠΟΥ ΘΥΣΑΝΟΥ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ ΚΑΜΠΤΙΚΗ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΑΓΚΥΡΙΩΝ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΤΥΠΟΥ ΘΥΣΑΝΟΥ ΙΑΤΡΙΒΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟΥ ΙΠΛΩΜΑΤΟΣ ΕΙ ΙΚΕΥΣΗΣ ΒΡΕΤΤΟΥ Π. ΙΩΑΝΝΗ Πολιτικού Μηχανικού ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΟΥ Χ. ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ ΠΑΤΡΑ 2009

2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα ιατριβή ιπλώµατος Ειδίκευσης αφορά την πειραµατική διερεύνηση της αποτελεσµατικότητας µιας νέας µεθόδου καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων οπλισµένου σκυροδέµατος µε χρήση συνθέτων υλικών και εκπονήθηκε στα πλαίσια του Προγράµµατος Μεταπτυχιακών Σπουδών του τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών, στην κατεύθυνση Αντισεισµικού Σχεδιασµού των κατασκευών. Επιβλέπων της διετέλεσε ο Καθηγητής κ. Αθανάσιος Χ. Τριανταφύλλου, τον οποίο θα ήθελα να ευχαριστήσω θερµά για το ενδιαφέρον του, την πολύτιµη καθοδήγησή του, τις εύστοχες συµβουλές και την έµπρακτη βοήθειά του, τόσο κατά τη διάρκεια της προετοιµασίας και εκτέλεσης των πειραµατικών δοκιµών, όσο και κατά την συγγραφή του κειµένου. Στην πραγµατοποίηση των πειραµατικών δοκιµών, ιδιαίτερα σηµαντική ήταν η συµβολή της Λέκτορος Αικατερίνης Γ. Παπανικολάου, την οποία θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαιτέρως για την απλόχερη βοήθεια που µου προσέφερε. Ένα µεγάλο ευχαριστώ οφείλω στη συνάδελφο Ευσταθία Κεφάλα, για την άψογη συνεργασία καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της παρούσης διατριβής. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον ιδάκτορα του τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών ιονύσιο Μπουρνά, τον Υποψήφιο ιδάκτορα του τµήµατος Ιωάννη Παπαντωνίου καθώς και τον τεχνικό υπεύθυνο του εργαστηρίου Κυριάκο Κάρλο, για την πολύτιµη βοήθεια που µου προσέφεραν καθ όλη τη διάρκεια διεξαγωγής των πειραµάτων. Ακόµα, ευχαριστώ τους προπτυχιακούς φοιτητές Παναγιώτα Αποστολοπούλου και Κυριάκο Γιαννακόπουλο για την ευχάριστη συνεργασία, όπως και όλους τους συναδέλφους Μεταπτυχιακούς φοιτητές που συνέβαλαν στην δηµιουργία ενός κλίµατος συνεργασίας και αλληλοκατανόησης στο εργαστήριο. Τέλος, αναφέρεται ότι η εργασία αυτή εκπονήθηκε στα πλαίσια του ερευνητικού προγράµµατος Μηχανική Συµπεριφορά Αγκυρίων για την Ενίσχυση Οπλισµένου Σκυροδέµατος, το οποίο χρηµατοδοτήθηκε από την εταιρία Fyfe Europe SA. Πρόσθετη υλική υποστήριξη προσφέρθηκε σε µορφή υλικών (υφάσµατα άνθρακα, αγκύρια και ρητίνες) από την ίδια εταιρία. Ιωάννης Βρεττός Πάτρα, Ιούνιος 2009 i

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα ιατριβή ιπλώµατος Ειδίκευσης πραγµατεύεται το ζήτηµα της καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων οπλισµένου σκυροδέµατος υφισταµένων κατασκευών. Συγκεκριµένα, διερευνάται η αποτελεσµατικότητα µίας νέας µεθόδου ενίσχυσης, η οποία συνίσταται στην επικόλληση υφάσµατος ινοπλισµένων πολυµερών στις παρειές του µέλους, η αγκύρωση του οποίου πέραν της κρίσιµης διατοµής εξασφαλίζεται µε χρήση αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών άνθρακα. Επιπλέον, και εξωτερικά των αγκυρίων, εφαρµόζεται τοπικός µανδύας συνθέτων υλικών. Για το σκοπό αυτό, διεξήχθησαν στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών συνολικά πέντε πειραµατικές δοκιµές επί υποστυλωµάτων πλήρους κλίµακας. Τα χρησιµοποιηθέντα δοκίµια ήταν υποστυλώµατα τετραγωνικής διατοµής τύπου προβόλου, µε ύψος ίσο µε το µισό ύψος τυπικού ορόφου, σχεδιασµένα µε ανεπαρκείς λεπτοµέρειες όπλισης, ώστε να αναπαριστούν σε µεγάλο βαθµό τα υποστυλώµατα των προ του 1985 κατασκευών. Ένα εξ αυτών ενισχύθηκε µε τοπικό µανδύα στον πόδα του και υπεβλήθη σε δοκιµή ανακυκλιζόµενης πλευρικής µετακίνησης της κορυφής του, µε ταυτόχρονη επιβολή σταθερού θλιπτικού αξονικού φορτίου. Στην ίδια ιστορία φόρτισης υπεβλήθησαν τρία ακόµα δοκίµια, ενισχυµένα σύµφωνα µε την υπό διερεύνηση µέθοδο, µελετώντας την επιρροή του αριθµού των εφαρµοσθέντων αγκυρίων και της συνολικής ποσότητας των ινών τους στην αποτελεσµατικότητα της µεθόδου. Τέλος, ένα δοκίµιο υπεβλήθη σε µονοτονική φόρτιση αυξανοµένης πλευρικής µετακίνησης µε ταυτόχρονη επιβολή σταθερού θλιπτικού αξονικού φορτίου, µε σκοπό τη µελέτη της επίδρασης της ανακύκλισης της φόρτισης στην αποτελεσµατικότητα της µεθόδου. Το σύνολο των χρησιµοποιηθέντων συνθέτων υλικών στο πειραµατικό πρόγραµµα, συνίστατο από ίνες άνθρακα σε µήτρα εποξειδικής ρητίνης. Η παρούσα εργασία χωρίζεται σε επτά Κεφάλαια. Στο πρώτο Κεφάλαιο, το οποίο αποτελεί την εισαγωγή της παρούσης διατριβής, παρουσιάζονται αρχικά οι λόγοι που καθιστούν αναγκαία την ενίσχυση σηµαντικού µέρους των υφισταµένων κατασκευών οπλισµένου σκυροδέµατος. Καθίσταται σαφές, πως µεγάλο µέρος των αναγκαίων αυτών ενισχύσεων, συνίσταται σε αναβάθµιση της καµπτικής αντοχής των υποστυλωµάτων των κατασκευών αυτών. Στη συνέχεια του κεφαλαίου, γίνεται σύντοµη αναφορά στη χρήση των συνθέτων υλικών στο πεδίο των ενισχύσεων. Αφού παρουσιαστούν οι µηχανικές ii

4 ιδιότητες των διαφόρων συνθέτων υλικών, ξεκινώντας από τα επιµέρους δοµικά τους συστατικά, γίνεται αναφορά στα διατιθέµενα συστήµατα ενίσχυσης και τις τεχνικές εφαρµογής τους. Το πρώτο Κεφάλαιο κλείνει µε αναφορά στο αντικείµενο της παρούσης διατριβής. Στο δεύτερο Κεφάλαιο, παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο της υπό διερεύνηση µεθόδου ενίσχυσης. Παρουσιάζεται αρχικά η επιρροή της περίσφιγξης µέσω µανδυών από σύνθετα υλικά στη συµπεριφορά υποστυλωµάτων οπλισµένου σκυροδέµατος. Εν συνεχεία, γίνεται αναφορά στις βάσεις του σχεδιασµού καµπτικών ενισχύσεων µέσω συνθέτων υλικών. Το Κεφάλαιο κλείνει µε παρουσίαση της µεθοδολογίας χρήσης των αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών άνθρακα, στα οποία βασίζεται η υπό διερεύνηση µέθοδος ενίσχυσης. Στο τρίτο Κεφάλαιο, συνοψίζονται στοιχεία από τη διεθνή βιβλιογραφία, σχετικά µε προγενέστερες έρευνες που έχουν λάβει χώρα και που έχουν άµεση σχέση µε το αντικείµενο της παρούσης διατριβής. Γίνεται αναφορά σε πειράµατα που έχουν διεξαχθεί σχετικά µε: τη χρήση αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών σε εποξειδική µήτρα, διάφορες µεθόδους καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων µε χρήση συνθέτων υλικών και επιβολή περίσφιγξης σε υποστυλώµατα οπλισµένου σκυροδέµατος µέσω µανδυών συνθέτων υλικών. Παράλληλα, εξάγονται χρήσιµα για την παρούσα διατριβή συµπεράσµατα. Στο τέταρτο Κεφάλαιο, παρουσιάζεται το πειραµατικό πρόγραµµα που έλαβε χώρα, προκειµένου να αξιολογηθεί η αποτελεσµατικότητα της υπό διερεύνηση µεθόδου και η επίδραση διαφόρων παραµέτρων σε αυτήν. Παρατίθενται όλες οι παράµετροι που υπεισέρχονται στη µελέτη, τα χρησιµοποιούµενα υλικά και οι ιδιότητές τους καθώς και ο τρόπος κατασκευής και ενίσχυσης των δοκιµίων. Το Κεφάλαιο κλείνει µε περιγραφή της χρησιµοποιούµενης πειραµατικής διάταξης Στο πέµπτο Κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα των διεξαχθέντων πειραµατικών δοκιµών. Αρχικά, γίνεται αναλυτική περιγραφή της µεθοδολογίας, µέσω της οποίας επεξεργάστηκαν οι καταγραφές των διαφόρων αισθητήρων. Εν συνεχεία, γίνεται παρουσίαση των πειραµατικών αποτελεσµάτων, σε διαγραµµατική κατά κανόνα µορφή, κατά σειρά για το δοκίµιο ελέγχου, για τα ενισχυµένα δοκίµια που υπεβλήθησαν σε δοκιµή ανακυκλιζόµενης φόρτισης και τέλος για το δοκίµιο που υπεβλήθη σε δοκιµή µονοτονικής φόρτισης. Ακολουθεί συγκριτική παρουσίαση της συµπεριφοράς των δοκιµίων σε κοινά διαγράµµατα µε ταυτόχρονο σχολιασµό. Πέραν της γενικότερης συµπεριφοράς των iii

5 δοκιµίων, γίνεται προσπάθεια, µέσω των πειραµατικών καταγραφών, εκτίµησης των µέσων παραµορφώσεων αστοχίας των χρησιµοποιηθέντων αγκυρίων. Στο έκτο Κεφάλαιο, παρουσιάζεται µια προσπάθεια εκτίµησης των µέσων παραµορφώσεων αστοχίας των χρησιµοποιηθέντων αγκυρίων, µέσω των καταγεγραµµένων κατά τις πειραµατικές δοκιµές ροπών αντίστασής των δοκιµίων, κάνοντας χρήση ενός υπολογιστικού εργαλείου, το οποίο αναπτύχθηκε από τον ίδιο το συγγράφοντα για το σκοπό αυτό και του οποίου ο τρόπος λειτουργίας επίσης παρουσιάζεται στο κεφάλαιο αυτό. Τα εξαγχθέντα συµπεράσµατα, εν συνεχεία, αξιολογούνται βάσει των πειραµατικών καταγραφών. Στο έβδοµο Κεφάλαιο, τέλος, το οποίο αποτελεί και τον επίλογο της παρούσης διατριβής, παρουσιάζονται συγκεντρωτικά τα εξαγχθέντα συµπεράσµατα και γίνονται προτάσεις για µελλοντική έρευνα. Μέσω των διεξαχθέντων πειραµατικών δοκιµών και της επεξεργασίας των αποτελεσµάτων αυτών, κατέστη σαφές πως η υπό διερεύνηση µέθοδος καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων που πραγµατεύεται η παρούσα διατριβή είναι επαρκώς αποτελεσµατική, ώστε να αποτελέσει βιώσιµη λύση στο πεδίο των ενισχύσεων, σε περιπτώσεις που απαιτείται αύξηση της καµπτικής αντοχής υποστυλωµάτων χωρίς παράλληλη απαίτηση αύξησης της ικανότητας παραµόρφωσης αυτών, κυρίως λόγω της ευκολίας εφαρµογής της. Πριν όµως από τη διατύπωση σαφών οδηγιών εφαρµογής της µεθόδου (design guidelines), πρέπει να διερευνηθεί πληθώρα παραµέτρων. iv

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Σελίδα i ii v ix xii xvii xx 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΓΕΝΙΚΑ ΧΡΗΣΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Ίνες Ίνες γυαλιού Ίνες αραµιδίου Ίνες άνθρακα Μήτρες συνθέτων υλικών Κόλλα ΜΗΧΑΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΝΘΕΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ Σύνθετα υλικά Συστήµατα ενίσχυσης Συστήµατα υγρής εφαρµογής Προκατασκευασµένα συστήµατα ενίσχυσης ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΙΑΤΡΙΒΗΣ ΣΥΝΟΨΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝ ΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Γενικά 24 v

7 2.2.2 Περίσφιγξη σκυροδέµατος µε µανδύες συνθέτων υλικών ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΜΕΛΩΝ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΕΝΑΝΤΙ ΚΑΜΨΗΣ Γενικά Αρχική κατάσταση Οριακή κατάσταση αντοχής ενισχυµένης διατοµής ΧΡΗΣΗ ΑΓΚΥΡΙΩΝ ΜΟΡΦΗΣ ΘΥΣΑΝΟΥ ΙΝΩΝ ΑΝΘΡΑΚΑ ΣΕ ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΜΗΤΡΑ (CFRP ANCHORS) ΣΥΝΟΨΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΠΡΟΓΕΝΕΣΤΕΡΗ ΕΡΕΥΝΑ ΓΕΝΙΚΑ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ ΓΙΑ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΑΓΚΥΡΙΩΝ ΜΟΡΦΗΣ ΘΥΣΑΝΟΥ ΙΝΩΝ ΣΕ ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΜΗΤΡΑ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΕΝΑΝΤΙ ΚΑΜΨΗΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΗΣ ΠΛΑΣΤΙΚΗΣ ΑΡΘΡΩΣΗΣ ΜΕ ΜΑΝ ΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΥΝΟΨΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΟΚΙΜΙΩΝ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΜΕΝΑ ΥΛΙΚΑ Σκυρόδεµα Χάλυβας Ύφασµα ινών άνθρακα Αγκύρια µορφής θυσάνου ινών άνθρακα Ρητίνη ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΤΩΝ ΟΚΙΜΙΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΤΩΝ ΟΚΙΜΙΩΝ Προετοιµασία επιφανειών εφαρµογής συνθέτων υλικών και δηµιουργία οπών εφαρµογής των αγκυρίων 65 vi

8 4.5.2 Εφαρµογή συνθέτων υλικών στα δοκίµια Εφαρµογή διαµήκους υφάσµατος CFRP στις παρειές των υποστυλωµάτων Εφαρµογή αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών άνθρακα Εφαρµογή τοπικού µανδύα CFRP στην περιοχή της πλαστικής άρθρωσης Παρατηρήσεις σχετικά µε τη διαδικασία της ενίσχυσης των δοκιµίων ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑΤΑΞΗ ΣΥΝΟΨΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΟΚΙΜΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΟΚΙΜΩΝ Γενική συµπεριφορά δοκιµίων οκίµιο Ελέγχου οκίµιο 2_ οκίµιο 3_ οκίµιο 2_ οκίµιο 2_1.5_m Συγκριτικά πειραµατικά αποτελέσµατα Απόκριση και Μορφές Αστοχίας υσκαµψία, παραµορφωσιµότητα και απορροφώµενη ενέργεια Στροφή λόγω ολίσθησης και εύρος ρωγµής Εκτίµηση παραµόρφωσης αστοχίας αγκυρίων µέσω ποτενσιοµέτρων και οπτικών ινών Εκτίµηση παραµόρφωσης αστοχίας αγκυρίων µέσω ποτενσιοµέτρων Καταγραφές οπτικών ινών µέτρησης παραµόρφωσης αγκυρίων ινών άνθρακα Βάθος εισαγωγής αγκυρίων στο θεµέλιο ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ - ΣΥΝΟΨΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ 169 vii

9 6. ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΕΚΤΙΜΗΣΗΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΑΣΤΟΧΙΑΣ ΑΓΚΥΡΙΩΝ ΙΝΩΝ ΑΝΘΡΑΚΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΕ Περισφιγµένο σκυρόδεµα Προσοµοίωµα περίσφιγξης Προσοµοίωµα συµπεριφοράς χάλυβα οπλισµού Προσοµοίωµα συµπεριφοράς προσθέτων διαµήκων οπλισµών συνθέτων υλικών Απαιτούµενοι υπολογισµοί ανάπτυξη υπολογιστικού εργαλείου Χρήση υπολογιστικού εργαλείου και επεξεργασία πειραµατικών αποτελεσµάτων ΣΥΝΟΨΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΣΥΝΟΨΗ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ 184 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 188 viii

10 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΩΝ Ελληνικοί χαρακτήρες α f ε λ δ pull,i δ push,i ε anch,c ε anch,t ε cc ε ccu ε ci,j ε co ε f ε fue ε i,j µέσον ε ti,j ε u ε y θ fl θ ij θ sl θ tot Κε ρ f,anch συντελεστής αποδοτικότητας µανδύα συνθέτων υλικών µεταβολή παραµόρφωσης αισθητήρα τύπου οπτικής ίνας µεταβολή µήκους κύµατος αισθητήρα οπτικής ίνας µετακίνηση όπου παρουσιάζεται η µέγιστη αντίσταση κατά τον κύκλο i για αρνητικές τιµές µετακίνησης εµβόλου µετακίνηση όπου παρουσιάζεται η µέγιστη αντίσταση κατά τον κύκλο i για θετικές τιµές µετακίνησης εµβόλου παραµόρφωση αγκυρίων παρειάς c στη διατοµή βάσης του υποστυλώµατος παραµόρφωση αγκυρίων παρειάς t στη διατοµή βάσης του υποστυλώµατος παραµόρφωση αντιστοιχούσα στην τάση αντοχής περισφιγµένου σκυροδέµατος σε θλίψη οριακή παραµόρφωση περισφιγµένου σκυροδέµατος σε θλίψη µέση παραµόρφωση πλέον θλιβόµενης παρειάς υποστυλώµατος ανάµεσα στις στάθµες i και j παραµόρφωση διαρροής περισφιγµένου σκυροδέµατος παραµόρφωση συνθέτου υλικού οριακή παραµόρφωση µανδύα συνθέτων υλικών σε εφελκυσµό µέση παραµόρφωση άξονα υποστυλώµατος ανάµεσα στις στάθµες i και j µέση παραµόρφωση πλέον εφελκυόµενης παρειάς υποστυλώµατος ανάµεσα στις στάθµες i και j παραµόρφωση αστοχίας διαµήκων ράβδων οπλισµού από χάλυβα παραµόρφωση διαρροής διαµήκων ράβδων οπλισµού από χάλυβα στροφή υποστυλώµατος λόγω κάµψης σε δεδοµένη στάθµη στροφή διατοµής i ως προς διατοµή j στροφή υποστυλώµατος λόγω ολίσθησης των διαµήκων ράβδων σε δεδοµένη στάθµη στροφή υποστυλώµατος σε δεδοµένη στάθµη σταθερά βαθµονόµησης αισθητήρα τύπου οπτικής ίνας γεωµετρικό ποσοστό ινών αγκυρίου ix

11 ρ f,l ρ s σ f σ lu σ lu,b σ lu,h Φ φ ji ω fb ω fh γεωµετρικό ποσοστό διαµήκους υφάσµατος συνθέτου υλικού γεωµετρικό ποσοστό διαµήκων ράβδων οπλισµού από χάλυβα εφελκυστική τάση συνθέτου υλικού τάση περίσφιγξης από µανδύα συνθέτων υλικών µέση τάση περίσφιγξης από µανδύα συνθέτων υλικών παράλληλα στην πλευρά b µέση τάση περίσφιγξης από µανδύα συνθέτων υλικών παράλληλα στην πλευρά h διάµετρος ράβδων οπλισµού (σε mm) καµπυλότητα δοκιµίου ανάµεσα στις στάθµες j και i µηχανικό ποσοστό συνθέτων υλικών κατά τη διεύθυνση της πλευράς b µηχανικό ποσοστό συνθέτων υλικών κατά τη διεύθυνση της πλευράς h Λατινικοί χαρακτήρες cw D d i d top Ε f E fib E m f cc f ccu f co f f f fde f fib f m f u f y h i πλάτος ανοιγόµενης ρωγµής στη βάση του υποστυλώµατος διάµετρος κυλινδρικού στοιχείου σκυροδέµατος απόσταση κέντρου βάρους διαµήκων ράβδων χάλυβα παρειάς i από την παρειά αυτή οριζόντια µετακίνηση κορυφής υποστυλώµατος µέτρο ελαστικότητας συνθέτου υλικού παράλληλα στις ίνες µέτρο ελαστικότητας ινών µέτρο ελαστικότητας µήτρας θλιπτική αντοχή περισφιγµένου σκυροδέµατος σε θλίψη θλιπτική τάση κατά την αστοχία περισφιγµένου σκυροδέµατος τάση διαρροής περισφιγµένου σκυροδέµατος εφελκυστική αντοχή συνθέτου υλικού παράλληλα στις ίνες εφελκυστική αντοχή µανδύα συνθέτων υλικών εφελκυστική αντοχή ινών εφελκυστική ανοχή µήτρας τάση αστοχίας διαµήκων ράβδων οπλισµού από χάλυβα τάση διαρροής διαµήκων ράβδων οπλισµού από χάλυβα απόσταση της στάθµης i από τη βάση του υποστυλώµατος x

12 h j k 1 k 2 K i l ci l ti m m ci m ci,παρ m ti m ti,παρ M tot n N P P pull,i P push,i t f T g V fib V m απόσταση της στάθµης j από τη βάση του υποστυλώµατος εµπειρική σταθερά εµπειρική σταθερά δυσκαµψία υποστυλώµατος έπειτα από κύκλο φόρτισης i απόσταση ποτενσιοµέτρου παρειάς c στάθµης i από την θλιβόµενη παρειά του δοκιµίου απόσταση ποτενσιοµέτρου παρειάς t στάθµης i από την πλέον εφελκυόµενη παρειά του δοκιµίου εµπειρική σταθερά ένδειξη ποτενσιοµέτρου παρειάς c στη στάθµη i µετακινήσεις πλέον θλιβόµενης παρειάς υποστυλώµατος στη στάθµη i ένδειξη ποτενσιοµέτρου παρειάς t στη στάθµη i µετακινήσεις πλέον εφελκυόµενης παρειάς υποστυλώµατος στη στάθµη i συνολική εφαρµοζόµενη ροπή στη βάση του υποστυλώµατος εµπειρική σταθερά αξονικό φορτίο υποστυλώµατος ασκούµενη από το οριζόντιο έµβολο δύναµη µέγιστη δύναµη που καταγράφεται στον κύκλο φόρτισης i για αρνητική τιµή µετατόπισης κορυφής µέγιστη δύναµη που καταγράφεται στον κύκλο φόρτισης i για θετική τιµή µετατόπισης κορυφής πάχος συνθέτου υλικού θερµοκρασία υαλώδους µετάπτωσης ογκοµετρικό ποσοστό ινών ογκοµετρικό ποσοστό µήτρας xi

13 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σελίδα 1.1 Τοµή ελάσµατος συνθέτου υλικού σε µεγέθυνση Τυπικές καµπύλες τάσης παραµόρφωσης για διάφορους τύπους ινών και χάλυβα σε εφελκυσµό Αξονική καταπόνηση δοκιµίου µε µανδύα συνθέτων υλικών (α) και ανάπτυξη εγκαρσίων τάσεων λόγω διόγκωσης (β) (Τριανταφύλλου, 2005) Καµπύλες τάσης παραµόρφωσης για απερίσφιγκτο και περισφιγµένο µε σύνθετα υλικά σκυρόδεµα (Τριανταφύλλου, 2005) Προσεγγιστική κατανοµή µέσων τάσεων περίσφιγξης σε κάθε πλευρά ορθογωνικής διατοµής [Τριανταφύλλου (2005)] Η περίσφιγξη σκυροδέµατος (µε σύνθετα υλικά) σε ορθογωνικές διατοµές επιτυγχάνεται µέσω καµπύλωσης των γωνιών [Τριανταφύλλου (2005)] Χρήση αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών για βελτίωση της αποτελεσµατικότητας τρίπλευρου µανδύα ως ενίσχυσης δοκού έναντι διάτµησης Χρήση αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών για στερέωση µανδύα ινοπλισµένων πολυµερών στην εισέχουσα γωνία υποστυλώµατος ιαστάσεις δοκιµίου σκυροδέµατος (α), όπλιση υποστυλώµατος (β) και τοπική ενίσχυση κορυφής αυτού (γ) ιαδικασία ενίσχυσης δοκιµίου Ελέγχου [µη ενισχυµένη διατοµή (α), εφαρµογή τοπικού µανδύα (β)] ιαδικασία ενίσχυσης δοκιµίων 2_1.5, 2_1.0 και 2_1.5_m [µη ενισχυµένη διατοµή (α), εφαρµογή διαµήκους υφάσµατος (β), τοποθέτηση αγκυρίων (γ), εφαρµογή τοπικού µανδύα (δ)] ιαδικασία ενίσχυσης δοκιµίου 3_1.5 [µη ενισχυµένη διατοµή (α), εφαρµογή διαµήκους υφάσµατος (β), τοποθέτηση αγκυρίων (γ), εφαρµογή τοπικού µανδύα (δ)] Σχηµατική παράσταση πειραµατικής διάταξης. ιακρίνονται οι οπλισµοί των δοκιµίων (β) καθώς και ο τρόπος ενίσχυσής τους (γ) Αρχή λειτουργίας FBGs ιαγραµµατική περιγραφή λειτουργίας της συνθήκης BRAGG Ονοµατολογία µετρούµενων από τα ποτενσιόµετρα µετακινήσεων. 86 xii

14 5.2 Μετρούµενες µετακινήσεις ποτενσιοµέτρων, αναγωγή µετρούµενων µετακινήσεων στις παρειές του δοκιµίου και στροφές διατοµών Επιρροή φαινοµένων δευτέρας τάξης στις πειραµατικές δοκιµές Ιστορία φόρτισης δοκιµίου Ελέγχου ιαγράµµατα φορτίου σχετικής µετακίνησης και ροπής βάσης σχετικής µετακίνησης (δοκίµιο Ελέγχου) ιαγράµµατα ροπής βάσης στροφών θ 10, θ 21, θ 32 και εξέλιξη των στροφών αυτών συναρτήσει του χρόνου (δοκίµιο Ελέγχου) ιαγράµµατα ροπής βάσης στροφών θ 20, θ 30 (δοκίµιο Ελέγχου) ιαγράµµατα ροπής βάσης καµπυλοτήτων φ 01, φ 12, φ 23 και εξέλιξη των καµπυλοτήτων αυτών συναρτήσει του χρόνου (δοκίµιο Ελέγχου) ιάγραµµα στροφής λόγω ολίσθησης σχετικής µετακίνησης κορυφής υποστυλώµατος (δοκίµιο Ελέγχου) ιαγράµµατα εύρους ρωγµής συναρτήσει της ανηγµένης µετακίνησης κορυφής του υποστυλώµατος για τις παρειές c και t (δοκίµιο Ελέγχου) ιαγράµµατα µέσης αξονικής παραµόρφωσης των παρειών c και t στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του δοκιµίου οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου (δοκίµιο Ελέγχου) ιαγράµµατα µέσης αξονικής παραµόρφωσης του άξονα του υποστυλώµατος στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του δοκιµίου οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου (δοκίµιο Ελέγχου) Ιστορία φόρτισης δοκιµίου 2_ ιαγράµµατα φορτίου σχετικής µετακίνησης και ροπής βάσης σχετικής µετακίνησης (δοκίµιο 2_1.5) ιαγράµµατα ροπής βάσης στροφών θ 10, θ 21, θ 32 και εξέλιξη των στροφών αυτών συναρτήσει του χρόνου (δοκίµιο 2_1.5) ιαγράµµατα ροπής βάσης στροφών θ 20, θ 30 (δοκίµιο 2_1.5) ιαγράµµατα ροπής βάσης καµπυλοτήτων φ 01, φ 12, φ 23 και εξέλιξη των καµπυλοτήτων αυτών συναρτήσει του χρόνου (δοκίµιο 2_1.5) ιάγραµµα στροφής λόγω ολίσθησης σχετικής µετακίνησης κορυφής υποστυλώµατος (δοκίµιο 2_1.5). 112 xiii

15 5.19 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής συναρτήσει της ανηγµένης µετακίνησης κορυφής του υποστυλώµατος για τις παρειές c και t (δοκίµιο 2_1.5) ιαγράµµατα µέσης αξονικής παραµόρφωσης των παρειών c και t στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του δοκιµίου οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου (δοκίµιο 2_1.5) ιαγράµµατα µέσης αξονικής παραµόρφωσης του άξονα του υποστυλώµατος στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του δοκιµίου οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου (δοκίµιο 2_1.5) Ιστορία φόρτισης δοκιµίου 3_ ιαγράµµατα φορτίου σχετικής µετακίνησης και ροπής βάσης σχετικής µετακίνησης (δοκίµιο 3_1.5) ιαγράµµατα ροπής βάσης στροφών θ 10, θ 21, θ 32 και εξέλιξη των στροφών αυτών συναρτήσει του χρόνου (δοκίµιο 3_1.5) ιαγράµµατα ροπής βάσης στροφών θ 20, θ 30 (δοκίµιο 3_1.5) ιαγράµµατα ροπής βάσης καµπυλοτήτων φ 01, φ 12, φ 23 και εξέλιξη των καµπυλοτήτων αυτών συναρτήσει του χρόνου (δοκίµιο 3_1.5) ιάγραµµα στροφής λόγω ολίσθησης σχετικής µετακίνησης κορυφής υποστυλώµατος (δοκίµιο 3_1.5) ιαγράµµατα εύρους ρωγµής συναρτήσει της ανηγµένης µετακίνησης κορυφής του υποστυλώµατος για τις παρειές c και t (δοκίµιο 3_1.5) ιαγράµµατα µέσης αξονικής παραµόρφωσης των παρειών c και t στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του δοκιµίου οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου (δοκίµιο 3_1.5) ιαγράµµατα µέσης αξονικής παραµόρφωσης του άξονα του υποστυλώµατος στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του δοκιµίου οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου (δοκίµιο 3_1.5) Ιστορία φόρτισης δοκιµίου 2_ ιαγράµµατα φορτίου σχετικής µετακίνησης και ροπής βάσης σχετικής µετακίνησης (δοκίµιο 2_1.0) ιαγράµµατα ροπής βάσης στροφών θ 10, θ 21, θ 32 και εξέλιξη των στροφών αυτών συναρτήσει του χρόνου (δοκίµιο 2_1.0) ιαγράµµατα ροπής βάσης στροφών θ 20, θ 30 (δοκίµιο 2_1.0). 134 xiv

16 5.35 ιαγράµµατα ροπής βάσης καµπυλοτήτων φ 01, φ 12, φ 23 και εξέλιξη των καµπυλοτήτων αυτών συναρτήσει του χρόνου (δοκίµιο 2_1.0) ιάγραµµα στροφής λόγω ολίσθησης σχετικής µετακίνησης κορυφής υποστυλώµατος (δοκίµιο 2_1.0) ιαγράµµατα εύρους ρωγµής συναρτήσει της ανηγµένης µετακίνησης κορυφής του υποστυλώµατος για τις παρειές c και t (δοκίµιο 2_1.0) ιαγράµµατα µέσης αξονικής παραµόρφωσης των παρειών c και t στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του δοκιµίου οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου (δοκίµιο 2_1.0) ιαγράµµατα µέσης αξονικής παραµόρφωσης του άξονα του υποστυλώµατος στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του δοκιµίου οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου (δοκίµιο 2_1.0) Ιστορία φόρτισης δοκιµίου 2_1.5_m ιαγράµµατα φορτίου σχετικής µετακίνησης (α) και ροπής βάσης σχετικής µετακίνησης (β) (δοκίµιο 2_1.5_m) ιαγράµµατα ροπής βάσης στροφών θ 10, θ 21, θ 32 και εξέλιξη των στροφών αυτών συναρτήσει του χρόνου (δοκίµιο 2_1.5_m) ιαγράµµατα ροπής βάσης στροφών θ 20, θ 30 (δοκίµιο 2_1.0) ιαγράµµατα ροπής βάσης καµπυλοτήτων φ 01, φ 12, φ 23 και εξέλιξη των καµπυλοτήτων αυτών συναρτήσει του χρόνου (δοκίµιο 2_1.5_m) ιάγραµµα στροφής λόγω ολίσθησης σχετικής µετακίνησης κορυφής υποστυλώµατος (δοκίµιο 2_1.5_m) ιάγραµµα εύρους ρωγµής συναρτήσει της ανηγµένης µετακίνησης κορυφής του υποστυλώµατος για την παρειά t (δοκίµιο 2_1.5_m) ιαγράµµατα µέσης αξονικής παραµόρφωσης των παρειών c και t στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του δοκιµίου οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου (δοκίµιο 2_1.5_m) ιαγράµµατα µέσης αξονικής παραµόρφωσης του άξονα του υποστυλώµατος στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του δοκιµίου οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου (δοκίµιο 2_1.5_m) Συγκεντρωτικά διαγράµµατα οριζόντιας δύναµης - σχετικής µετακίνησης (drift ratio) όλων των δοκιµίων. 151 xv

17 5.50 Περιβάλλουσες διαγραµµάτων Φορτίου Σχετικής µετακίνησης και Ροπής βάσης Σχετικής µετακίνησης όλων των δοκιµίων Επίδραση της συνολικής διατοµής αγκυρίων και του αριθµού τους στην αύξηση της καµπτικής αντοχής των δοκιµίων, συγκριτικά µε το δοκίµιο Ελέγχου ιαγράµµατα υσκαµψίας Σχετικής µετακίνησης και Αθροιστικά απορροφώµενης ενέργειας Κύκλου φόρτισης για τα δοκίµια που υπεβλήθησαν σε ανακυκλιζόµενη φόρτιση Ενδεικτικοί βρόχοι υστέρησης ενισχυµένου (β) και µη (α) µε τοπικό µανδύα δύο στρώσεων CFRP υποστυλώµατος, παροµοίων κατασκευαστικών λεπτοµερειών µε τα αναφερόµενα Συγκριτικά διαγράµµατα Στροφής λόγω ολίσθησης και Εύρους ρωγµής της εκάστοτε εφελκυόµενης παρειάς συναρτήσει της Σχετικής µετακίνησης κορυφής για το σύνολο των δοκιµίων Παραµόρφωση εφελκυόµενων αγκυρίων, όπως υπολογίστηκε µέσω των ποτενσιοµέτρων και όπως καταγράφηκε µέσω δύο αισθητήρων οπτικής ίνας, για το δοκίµιο 2_1.5_m, συναρτήσει της σχετικής µετακίνησης Παραµόρφωση αγκυρίου παρειάς c, όπως υπολογίστηκε µέσω των ποτενσιοµέτρων και όπως καταγράφηκε µέσω αισθητήρα οπτικής ίνας, για το δοκίµιο 2_1.5, συναρτήσει του χρόνου Παραµόρφωση αγκυρίων παρειάς t και c, όπως υπολογίστηκαν µέσω των ποτενσιοµέτρων και όπως καταγράφηκαν µέσω δύο αισθητήρων οπτικής ίνας, για το δοκίµιο 2_1.0, συναρτήσει του χρόνου ιγραµµικά προσοµοιώµατα τάσης - παραµόρφωσης περισφιγµένου µε µανδύες συνθέτων υλικών σκυροδέµατος (α) και χάλυβα (β). 175 xvi

18 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Σελίδα 1.1 Ύφασµα από ίνες άνθρακα Εσφαλµένη εφαρµογή καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων για µέγιστη ροπή στα άκρα Καµπτική ενίσχυση υποστυλωµάτων µε χρήση µανδυών εκτοξευόµενου σκυροδέµατος Αγκύρια ινών άνθρακα κατασκευασµένα από ύφασµα ανθρακονηµάτων µίας διεύθυνσης [(α) πριν την εφαρµογή, (β) µετά την εφαρµογή] Αγκύρια ινών άνθρακα κατασκευασµένα από θύσανο ανθρακονηµάτων [(α) πριν την εφαρµογή, (β) µετά την εφαρµογή] Χρήση µεγάλων αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών [για την εξασφάλιση συνεργασίας ανεξάρτητων µελών οπλισµένου σκυροδέµατος (α), ως οπλισµός ενίσχυσης δοκού έναντι διάτµησης (β)] οκιµή θλίψης κύβων σκυροδέµατος (α) - οκιµή έµµεσου εφελκυσµού από διάρρηξη (β) οκιµή εφελκυσµού ράβδων χάλυβα διαµήκους οπλισµού και τυπική καµπύλη τάσης - παραµόρφωσης αυτού Χρησιµοποιούµενο ύφασµα ινών άνθρακα (Tyfo SCH-41) Χρησιµοποιούµενα αγκύρια µορφής θυσάνου ινών άνθρακα (Tyfo SCH Carbon Composite Anchors) Κλωβός οπλισµού των δοκιµίων (α), τοποθέτηση πλαστικών αποστατών και µεταλλότυπος (β), τοποθέτηση χαλκοσωλήνων στα καλούπια για δηµιουργία οπών εφαρµογής εµβόλου Σκυροδέτηση δοκιµίων [µεταλλότυπος λίγο πριν τη σκυροδέτηση (α), σκυροδέτηση και δόνηση θεµελίων (β), σκυροδετηµένα θεµέλια κατόπιν επιπέδωσης της επιφάνειας αυτών (γ), σκυροδέτηση και δόνηση υποστυλωµάτων (δ)] Προετοιµασία επιφάνειας δοκιµίων και καµπύλωση γωνιών (α), τελική µορφή επιφάνειας δοκιµίου Ελέγχου (β), τελική µορφή επιφάνειας δοκιµίων 2_1.5, 2_1.5, 2_1.0 και 2_1.5_m (γ). 66 xvii

19 4.8 ηµιουργία οπών εφαρµογής αγκυρίων [διάνοιξη οπών (α), οπές εφαρµογής αγκυρίων µετά τη διάνοιξή τους (β), εργαλείο εξοµάλυνσης οπών (γ) και τρόπος χρήσης αυτού (δ)] Εφαρµογή διαµήκους υφάσµατος [κόψιµο υφάσµατος (α), ανάµειξη συστατικών ρητίνης (β), ανάµειξη ρητίνης (γ), εµποτισµός υφάσµατος µε ρητίνη (δ), εµποτισµός επιφάνειας εφαρµογής µε ρητίνη (ε), προετοιµασία µείγµατος ρητίνης Cabosil (στ), επάλειψη επιφάνειας εφαρµογής µε µείγµα ρητίνης Cabosil (ζ), επικόλληση υφάσµατος (η), τελική επάλειψη µε µείγµα ρητίνης Cabosil (θ)] Εφαρµογή αγκυρίων [αρχική µορφή αγκυρίου (α), κόψιµο αγκυρίου (β), εισαγωγή ρητίνης στις οπές (γ), εµποτισµός αγκυρίου µε ρητίνη (δ), προσαρµογή αγκυρίου στη ράβδο εισαγωγής του (ε), εισαγωγή αγκυρίου στην οπή (στ ), αφαίρεση ράβδου εισαγωγής και επικόλληση αγκυρίου στο υποστύλωµα (ζ), τελική µορφή αγκυρίου (η)] Αγκύριο και αισθητήρας παραµόρφωσης τύπου οπτικής ίνας προ της εφαρµογής τους (α) και κατόπιν αυτής (β) Εφαρµογή τοπικού µανδύα [τοποθέτηση υφάσµατος (α), επάλειψη µε µείγµα ρητίνης Cabosil και τελική εικόνα ενισχυµένων δοκιµίων (β)] Τοποθέτηση ντίζας ποτενσιοµέτρου σε οπή επί της παρειάς του δοκιµίου Πειραµατική διάταξη που χρησιµοποιήθηκε Σύστηµα επιβολής αξονικού φορτίου [υδραυλικός γρύλλος (α, β), ηλεκτροκίνητη αντλία λαδιού (γ)] Ποτενσιόµετρα µέτρησης µετακινήσεων [χρησιµοποιούµενο ποτενσιόµετρο (α), διάταξη ποτενσιοµέτρων στο δοκίµιο (β, γ)] Αισθητήρας µέτρησης παραµορφώσεων τύπου οπτικής ίνας (α), καταγραφικό όργανο αυτού (β), πειραµατική διάταξη µε τοποθετηµένα ποτενσιόµετρα και οπτικές ίνες (γ) Έλεγχος ανασήκωσης βάσης θεµελίου Μετατόπιση δοκιµίου Ελέγχου στη θετική διεύθυνση κατά +125 mm (α), µετατόπιση δοκιµίου Ελέγχου στην αρνητική διεύθυνση κατά -125 mm (β), άνοιγµα ρωγµής στη βάση του δοκιµίου για µετατόπιση κορυφής +125 mm (γ), άνοιγµα ρωγµής στη βάση του δοκιµίου για µετατόπιση κορυφής -125 mm (δ). 95 xviii

20 5.2 Μετατόπιση δοκιµίου 2_1.5 στη θετική διεύθυνση κατά +125 mm (α), µετατόπιση δοκιµίου 2_1.5 στην αρνητική διεύθυνση κατά -125 mm (β), άνοιγµα ρωγµής στη βάση του δοκιµίου 2_1.5 για µετατόπιση +125 mm (γ), άνοιγµα ρωγµής στη βάση του δοκιµίου 2_1.5 για µετατόπιση -125 mm (δ), τοπική αποκόλληση θλιβόµενου υφάσµατος παρειάς c (ε) Μετατόπιση δοκιµίου 3_1.5 στη θετική διεύθυνση κατά +125 mm (α), µετατόπιση δοκιµίου 3_1.5 στην αρνητική διεύθυνση κατά -125 mm (β), άνοιγµα ρωγµής στη βάση του δοκιµίου 3_1.5 για µετατόπιση +125 mm (γ), άνοιγµα ρωγµής στη βάση του δοκιµίου 3_1.5 για µετατόπιση -125 mm (δ), τοπική αποκόλληση θλιβόµενου υφάσµατος παρειάς c (ε) Μετατόπιση δοκιµίου 2_1.0 στη θετική διεύθυνση κατά +125 mm (α), µετατόπιση δοκιµίου 2_1.0 στην αρνητική διεύθυνση κατά -125 mm (β), άνοιγµα ρωγµής στη βάση του δοκιµίου 2_1.0 για µετατόπιση +125 mm (γ), άνοιγµα ρωγµής στη βάση του δοκιµίου 2_1.0 για µετατόπιση -125 mm (δ), εµφάνιση τοπικής αποκόλληση θλιβόµενου υφάσµατος παρειάς t (ε) και επέκταση της βλάβης (στ) Μετατόπιση δοκιµίου 2_1.5_m στη θετική διεύθυνση κατά +77 mm (α), αποκόλληση λυγισµός θλιβόµενου διαµήκους υφάσµατος CFRP (β), αποκόλληση εφελκυόµενου διαµήκους υφάσµατος CFRP (γ), εξέλιξη βλάβης και αποδιοργάνωση διατοµής σκυροδέµατος (δ-ε). 143 xix

21 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Σελίδα 1.1 Ποιοτική αξιολόγηση των χαρακτηριστικών συνθέτων υλικών Τυπικές ιδιότητες ινών Μηχανικές ιδιότητες ρητινών Σύγκριση τυπικών ιδιοτήτων εποξειδικών ρητινών σκυροδέµατος και χάλυβα (fib 2001) οκίµια και πειραµατικές παράµετροι Μηχανικά χαρακτηριστικά χάλυβα διαµήκων ράβδων οπλισµού Μηχανικά χαρακτηριστικά ινών άνθρακα χρησιµοποιούµενου υφάσµατος και µηχανικά χαρακτηριστικά προκύπτοντος συνθέτου υλικού Μηχανικά χαρακτηριστικά Tyfo SCH Carbon Composite Anchors Ιδιότητες χρησιµοποιούµενης εποξειδικής ρητίνης Tyfo Epoxy Συγκεντρωτικά αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών Εκτιµώµενες µέσω των ποτενσιοµέτρων παραµορφώσεις αστοχίας αγκυρίων Επικαλύψεις οπλισµών, όπως µετρήθηκαν µετά το πέρας των πειραµατικών δοκιµών Αναλυτικά εκτιµώµενες παραµορφώσεις αστοχίας αγκυρίων Αναλυτικά εκτιµώµενες παραµορφώσεις αστοχίας αγκυρίων. 182 xx

22 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 1 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ Οι σύγχρονοι αντισεισµικοί κανονισµοί, σε συνδυασµό µε τα υψηλού επιπέδου υπολογιστικά εργαλεία που παρέχονται πλέον στον µελετητή πολιτικό µηχανικό, έχουν καταστήσει τις νεόδµητες κατασκευές οπλισµένου σκυροδέµατος ικανές να εκπληρώσουν το στόχο σχεδιασµού τους, δηλαδή να µπορούν να ανταπεξέλθουν τόσο στα ίδια βάρη που θα τις καταπονήσουν, όσο και στον σεισµό σχεδιασµού τους, στο σεισµό δηλαδή που θα συµβεί στη διάρκεια ζωής του έργου, µε πιθανότητα που ο κανονισµός ορίζει. υστυχώς όµως κάτι τέτοιο δεν συµβαίνει µε τις παλαιότερες κατασκευές. Χαρακτηριστικό είναι το παράδειγµα της Ελλάδας. Ο πρώτος Ελληνικός Αντισεισµικός Κανονισµός (1959) µε τα πρόσθετα άρθρα του 1984, θεωρούσε τη σεισµική δράση ως οριζόντιο φορτίο που αντιστοιχούσε σε (ιδιαίτερα µικρό) ποσοστό των κατακόρυφων φορτίων της κατασκευής, υποεκτιµώντας σηµαντικά την ένταση των σεισµικών διεγέρσεων και αγνοώντας πλήρως τη δυναµική φύση του φαινοµένου. Έτσι, ο σχεδιασµός των κατασκευών, γινόταν θεωρώντας ως κυρίαρχη δράση τα κατακόρυφα φορτία. Ενδεικτικά αναφέρεται πως ο συντελεστής πλευρικών δυνάµεων, σύµφωνα µε το κανονιστικό αυτό πλαίσιο, έπαιρνε τιµές της τάξης του 10%, ανάλογα µε την θέση του έργου. Μάλιστα, οι ακόµα παλαιότερες κατασκευές, σχεδιάζονταν µόνον για τα κατακόρυφα φορτία. Οι καταστροφικοί σεισµοί που έπληξαν όµως τα τελευταία χρόνια τη χώρα µας, εκτός του ότι κατέδειξαν την ανάγκη ύπαρξης ενός πιο συντηρητικού κανονιστικού πλαισίου στο σχεδιασµό κατασκευών, πράγµα που σταδιακά οδήγησε τους κανονισµούς στη σηµερινή τους µορφή, έφεραν στην επιφάνεια άλλο ένα ζήτηµα, αυτό της ενίσχυσης των υπαρχουσών κατασκευών οπλισµένου σκυροδέµατος. Ο µηχανικός πλέον, δεν καλείται µόνον να σχεδιάσει νέες κατασκευές. Καλείται και να αποκαταστήσει τις βλαµµένες από σεισµό (κατασκευές), όπως επίσης και να ενισχύσει, τόσο αυτές όσο και τις µη βλαµµένες, που κρίνονται ανεπαρκείς από θέµα ασφαλείας, ώστε να τις καταστήσει εξίσου ασφαλείς µε εκείνες που σχεδιάζονται σύµφωνα µε τους σύγχρονους κανονισµούς. Έτσι, πλέον, η αναβάθµιση των φερόντων στοιχείων των υφισταµένων κατασκευών, αποτελεί σηµαντικό ζήτηµα για την επιστήµη του Πολιτικού Μηχανικού και αντικείµενο πληθώρας µελετών, τόσο πειραµατικών όσο και αναλυτικών. Η παρούσα

23 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 2 εργασία, η οποία έχει πειραµατικό χαρακτήρα, πραγµατεύεται έναν νέο τρόπο ενίσχυσης υποστυλωµάτων οπλισµένου σκυροδέµατος. Αποτελεί σύνηθες πρόβληµα στις υπάρχουσες κατασκευές οπλισµένου σκυροδέµατος που έχουν διαστασιολογηθεί σύµφωνα µε προγενέστερους κανονισµούς στον Ελλαδικό χώρο, η καµπτική κατά κύριο λόγο ανεπάρκεια των κατακόρυφων στοιχείων τους. Αυτό οφείλεται στο ότι αφενός οι παλαιότεροι κανονισµοί θεωρούσαν κατά πολύ µικρότερη σεισµική δράση (έως και µηδενική), σε σύγκριση µε τους σύγχρονους κανονισµούς, µε αποτέλεσµα τα κατακόρυφα µέλη να κρίνονται σήµερα ως ανεπαρκώς οπλισµένα. Ένα άλλο πρόβληµα που ενυπάρχει σε υπάρχουσες κατασκευές, είναι πολλές φορές η µη ικανοποίηση του ικανοτικού ελέγχου κόµβων, η µη ύπαρξη υπεραντοχής δηλαδή στα υποστυλώµατα, σε σύγκριση µε τις συνδεόµενες σε αυτά δοκούς. Ο ικανοτικός σχεδιασµός αποτελεί βασικό στοιχείο της αντισεισµικής θωράκισης των κτιρίων, καθώς οδηγεί στη δηµιουργία πιο πλάστιµων κατασκευών, οδηγώντας σε προδιαγεγραµµένους, καθολικούς µηχανισµούς κατάρρευσης, µε υψηλή ικανότητα απορρόφησης ενέργειας και ανακατανοµής της έντασης. Αυτό συµβαίνει επειδή η δηµιουργία πλαστικών αρθρώσεων γίνεται στις δοκούς και όχι στους στύλους του κτιρίου. Έτσι αποφεύγεται πιθανός µηχανισµός κατάρρευσης τύπου ορόφου (µαλακός όροφος). Η µη ικανοποίηση των ελέγχων του ικανοτικού σχεδιασµού στις υπάρχουσες κατασκευές, καθιστά συχνά αναγκαία την καµπτική ενίσχυση των υποστυλωµάτων τους. Άλλο πιθανό αίτιο απαίτησης καµπτικής ενίσχυσης των κατακόρυφων µελών ενός υπάρχοντος κτιρίου, είναι κάποια πιθανή αλλαγή χρήσης αυτού, λόγω της οποίας η κατασκευή θα κληθεί να αναλάβει µεγαλύτερα κατακόρυφα φορτία από αυτά για τα οποία σχεδιάστηκε, µε αποτέλεσµα την αύξηση της αδρανειακής µάζα αυτής, που για δεδοµένη επιτάχυνση εδάφους οδηγεί σε αυξηµένες απαιτήσεις καµπτικής αντοχής υποστυλωµάτων. Είναι πιθανή ακόµα η ανάγκη καµπτικής ενίσχυσης των υποστυλωµάτων, σε περιπτώσεις κατασκευών που έχουν υποστεί φθορές, είτε λόγω φυσιολογικής γήρανσης αυτών (π.χ. διάβρωση οπλισµών τους), είτε λόγω άλλων αιτιών (π.χ. καταπόνηση από έντονες σεισµικές διεγέρσεις, βλάβες λόγω πρόσκρουσης βαρέων οχηµάτων). Κατέστη σαφές πως το ζήτηµα της καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων υπαρχουσών κατασκευών, είναι κάτι που ο µηχανικός του σήµερα καλείται συχνά να αντιµετωπίσει. Μέχρι και σήµερα, ο πιο διαδεδοµένος τρόπος αναβάθµισης των υποστυλωµάτων υπάρχουσας κατασκευής είναι η ενίσχυση αυτών µε χρήση µανδυών από οπλισµένο σκυρόδεµα. Σε αυτή την περίπτωση, η ενίσχυση επιτυγχάνεται µε αύξηση της

24 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 3 διατοµής των στοιχείων µε νέες στρώσεις σκυροδέµατος και νέους οπλισµούς, κατασκευάζοντας έναν µανδύα γύρω από τα αρχικά στοιχεία. Στην παρούσα εργασία, εξετάζεται η αποτελεσµατικότητα µιας εναλλακτικής µεθόδου καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων, κατά την οποία γίνεται χρήση συνθέτων υλικών. 1.2 ΧΡΗΣΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Λέγοντας σύνθετα υλικά, εννοούµε τα υλικά εκείνα που προκύπτουν από το συνδυασµό ινών (π.χ. άνθρακα, γυαλιού, αραµιδίου) σε µήτρα πολυµερικής σύστασης (εποξειδική ρητίνη ή σπανιότερα πολυεστέρας ή βινυλεστέρας). Τα υλικά αυτά ονοµάζονται αλλιώς ινοπλισµένα πολυµερή (Fiber Reinforced Polymers) ή κοινώς FRP. Τα σύνθετα υλικά, λόγω των ιδιαίτερα ελκυστικών µηχανικών τους χαρακτηριστικών, τα οποία και θα αναλυθούν εκτενώς στη συνέχεια, έχουν τύχει ευρείας εφαρµογής κατά τις τελευταίες δεκαετίες στην κατασκευή πληθώρας προϊόντων, που έχουν να κάνουν κατά µεγάλο ποσοστό µε την αυτοκινητοβιοµηχανία, τη ναυσιπλοΐα, την αεροναυπηγική, τα είδη σπορ, τις ηλεκτρονικές συσκευές και πολλά ακόµα. Γι αυτό και παραδοσιακά, τα σύνθετα υλικά εντάσσονταν κατά κύριο λόγο στο γνωστικό πεδίο µηχανολόγων µηχανικών, αεροναυπηγών, χηµικών µηχανικών κλπ. Τα τελευταία χρόνια όµως η εικόνα αυτή τείνει να αλλάξει δραµατικά, καθώς ένα µεγάλο τµήµα της παγκόσµιας παραγωγής συνθέτων υλικών απορροφάται στο πεδίο των τεχνικών έργων. Με αρκετή δόση υπερβολής, διάφορα σενάρια προβλέπουν ότι στο µέλλον οι χρησιµοποιούµενες ποσότητες συνθέτων υλικών στα τεχνικά έργα, θα είναι συγκρίσιµες µε αυτές του χάλυβα και του σκυροδέµατος. Στο πεδίο των ενισχύσεων, η εφαρµογή τους ως πρόσθετου οπλισµού στοιχείων οπλισµένου σκυροδέµατος, συνίσταται στην επικόλλησή τους στις εξωτερικές επιφάνειες των δοµικών µελών, µε διεύθυνση ινών τέτοια ώστε να παραλαµβάνουν σηµαντικές εφελκυστικές δυνάµεις (Τριανταφύλλου, 2003). Πλέον, καθίσταται σαφές πως το γνωστικό αντικείµενο των συνθέτων υλικών έχει εισαχθεί και στην επιστήµη του πολιτικού µηχανικού. Αυτό που καθιστά τα σύνθετα υλικά χρήσιµα στον πολιτικό µηχανικό, είναι οι ιδιαίτερες µηχανικές τους ιδιότητες, µε πρώτες την υψηλή εφελκυστική αντοχή τους (η οποία είναι κατά πολύ υψηλότερη του χάλυβα οπλισµού που χρησιµοποιείται στα δοµικά έργα) και το χαµηλό τους βάρος (η πυκνότητα των συνθέτων υλικών είναι σχεδόν υποπενταπλάσια αυτής του δοµικού χάλυβα). Συχνά καθίσταται χρήσιµη και η

25 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 4 ανθεκτικότητα σε διάρκεια των υλικών αυτών (κυρίως αυτών µε ίνες άνθρακα). Αυτό όµως που έχει συντελέσει τα µέγιστα στο να στραφεί ο τεχνικός κόσµος προς αυτά, είναι η ευκολία εφαρµογής τους, ιδιαίτερα στο πεδίο των ενισχύσεων. Τα σύνθετα υλικά απαιτούν ελάχιστο ή και καθόλου βαρύ εξοπλισµό για την τοποθέτησή τους, διατίθενται σε πολύ µεγάλα µήκη, είναι ιδιαίτερα εύκαµπτα, µε αποτέλεσµα η τεχνική εφαρµογής να χαρακτηρίζεται από εξαιρετική ευκολία και ταχύτητα, ακόµα και σε τµήµατα κατασκευών µε δύσκολη πρόσβαση. Με την χρήση των συνθέτων υλικών, δεν αυξάνονται οι διαστάσεις των υπό ενίσχυση δοµικών στοιχείων και γενικότερα η ενίσχυση µέσω αυτών είναι µη παρεµβατική, γεγονός που την καθιστά ιδιαίτερα ελκυστική λύση για επεµβάσεις σε ιστορικά κτίρια, αφού είναι δυνατόν οι ενισχυµένες επιφάνειες να επιχριστούν και να χρωµατιστούν, διατηρώντας έτσι την αισθητική και την αρχιτεκτονική της υπάρχουσας κατασκευής. Η εφαρµογή τους κρίνεται σκόπιµη και στην περίπτωση που πρέπει να αποφευχθεί η επιρροή µαγνητικών πεδίων που δηµιουργούνται εξαιτίας του µεταλλικού οπλισµού (π.χ. σε νοσοκοµεία για την προστασία των τοµογράφων). Τελικά, φαίνεται η τεχνική των συνθέτων υλικών να δύναται να καταστεί ιδιαίτερα ανταγωνιστική, σε σχέση µε τις συµβατικές τεχνικές επεµβάσεων. Φυσικά, δεν πρέπει κανείς να παραβλέπει και τα µειονεκτήµατα που όπως πάντα συνοδεύουν κάθε σύστηµα ενίσχυσης. Τα κυριότερα εξ αυτών είναι η πτωχή συµπεριφορά των συνθέτων υλικών σε υψηλές θερµοκρασίες, το σχετικά υψηλό κόστος τους (το οποίο όµως µειώνεται χρόνο µε τον χρόνο και εν µέρει αντισταθµίζεται από το χαµηλό κόστος σε εργατικά, καθώς πρόκειται για εύκολες και γρήγορες εφαρµογές) και η χαµηλή τους πλαστιµότητα (όχι όµως και παραµορφωσιµότητα). Επιπλέον, τα σύνθετα υλικά είναι ευαίσθητα σε περιβαλλοντικές δράσεις όπως η υπεριώδης ακτινοβολία, η υγρασία και η δράση χηµικών. Σε γενικές γραµµές η παραπάνω ευαισθησία εξαρτάται από τον τύπο των ινών του υλικού. Για παράδειγµα η υπεριώδης ακτινοβολία επιδρά ιδιαίτερα στα υλικά µε ίνες αραµιδίου. Στα παραπάνω µειονεκτήµατα, θα πρέπει να προστεθούν και η έλλειψη εκπαίδευσης και εξοικείωσης του µεγαλύτερο µέρους των µηχανικών καθώς και του τεχνικού προσωπικού µε τα νέα αυτά υλικά, τα οποία µάλιστα είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στις κατασκευαστικές λεπτοµέρειες, ώστε να λειτουργήσουν αποτελεσµατικά και σύµφωνα µε το σχεδιασµό τους. Τέλος, η απουσία κανονιστικού πλαισίου, το οποίος να ρυθµίζει θέµατα σχεδιασµού των σχετικών επεµβάσεων, δηµιουργεί επιφυλάξεις ως προς την ορθότητα των επεµβάσεων µε σύνθετα υλικά σε ορισµένες περιπτώσεις.

26 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 5 Τα υλικά αυτά βρήκαν ιδιαίτερη εφαρµογή στη χώρα µας στο πεδίο των ενισχύσεων τα τελευταία χρόνια, και ιδιαίτερα µετά τον καταστροφικό σεισµό της Αθήνας, τον Σεπτέµβριο του Τότε, ο µεγάλος αριθµός των κατασκευών που υπέστησαν βλάβες, δηµιούργησε την ανάγκη άµεσων, ταχειών, αποτελεσµατικών και µε το δυνατόν λιγότερη όχληση στη λειτουργία των κτιρίων ενισχύσεων. Έτσι, µέρος του τεχνικού κόσµου της χώρας στράφηκε προς τα σύνθετα υλικά, παρά τον σκεπτικισµό που τα συνόδευε µέχρι τον καιρό εκείνο και που τα συνοδεύει ακόµα σε κάποιο βαθµό. υστυχώς, όπως αναφέρθηκε, ο τεχνικός κόσµος της χώρας δεν ήταν επαρκώς καταρτισµένος για µια τέτοια στροφή και γι αυτό δεν ήταν λίγες οι περιπτώσεις εσφαλµένης εφαρµογής ενισχύσεων µε σύνθετα υλικά. Κλασσικό σφάλµα εφαρµογής και σχετικό µε την παρούσα διατριβή, είναι η χρήση µανδύα, ή και διαµήκους υφάσµατος, µη αγκυρωµένου στον κόµβο, µε σκοπό την καµπτική ενίσχυση υποστυλωµάτων. Γενικότερα, η χρήση των συνθέτων υλικών, όπως άλλωστε η χρήση οποιουδήποτε άλλου υλικού δεν αποτελεί πανάκεια. Αποτελεί µία από τις διατιθέµενες τεχνικές, η εφαρµογή της οποίας µπορεί, πράγµατι, σε πληθώρα περιπτώσεων να αποτελεί µία πολύ καλή λύση, υπό την προϋπόθεση πάντα πως η µελέτη γίνεται από καταρτισµένο µηχανικό και η εφαρµογή από εξειδικευµένο προσωπικό και µάλιστα µε ιδιαίτερη επιµέλεια. 1.3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Τα βασικά στοιχεία από τα οποία συνίσταται ένα σύστηµα ενίσχυσης µε σύνθετα υλικά, είναι (προφανώς) τα ίδια τα σύνθετα υλικά, τα οποία αποτελούνται από ίνες σε πολυµερική (κατά κανόνα) µήτρα, και η κόλλα εφαρµογής τους στην επιφάνεια του υπό ενίσχυση δοµικού στοιχείου. Αν κανείς θέλει να µελετήσει µακροσκοπικά τις µηχανικές ιδιότητες ενός συστήµατος ενίσχυσης, θα πρέπει να ξεκινήσει από τις ιδιότητες των επιµέρους στοιχείων που το απαρτίζουν. Στη συνέχεια, γίνεται µια συνοπτική περιγραφή των επιµέρους στοιχείων ενός τέτοιου συστήµατος ενίσχυσης, δηλαδή των ινών, της µήτρας, και της κόλλας, ώστε έπειτα να µπορεί να γίνει αναφορά στο ίδιο το σύνθετο υλικό και στη λειτουργία του.

27 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 6 Σχήµα 1.1 Τοµή ελάσµατος συνθέτου υλικού σε µεγέθυνση Ίνες 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 5-25 µm, µεγάλου µήκους και διατεταγµένες σε συγκεκριµένες διευθύνσεις (κατά κανόνα µία ή δύο). Κύριο χαρακτηριστικό των χρησιµοποιούµενων ινών, είναι η εξαιρετικά υψηλή εφελκυστική αντοχή τους και η γραµµικά ελαστική συµπεριφορά ως την θραύση τους. Οι κυριότεροι τύποι ινών που χρησιµοποιούνται στο πεδίο των ενισχύσεων είναι οι ίνες άνθρακα (ανθρακονήµατα), οι ίνες γυαλιού (υαλονήµατα) και οι ίνες αραµιδίου (κέβλαρ), οι οποίες περιγράφονται πιο αναλυτικά στις επόµενες παραγράφους, δίνοντας µεγαλύτερη έµφαση στις ίνες άνθρακα, καθώς είναι και ο µόνος τύπος ινών που χρησιµοποιήθηκε κατά την πειραµατική διαδικασία που πραγµατεύεται η παρούσα διατριβή Ίνες γυαλιού Οι ίνες γυαλιού έχουν πυκνότητα kg/m³, παράγονται από λιωµένο γυαλί, σηµαντικό τους πλεονέκτηµα είναι το χαµηλό τους κόστος και διακρίνονται σε τρεις τύπους, E, Z (ή AR) και S. O τύπος Ε είναι ο κοινός και πλέον συνηθισµένος τύπος γυαλιού ο οποίος έχει το µειονέκτηµα της µείωσης της αντοχής του σε αλκαλικό περιβάλλον. Ο τύπος Z (ή AR ) έχει υψηλή αντοχή σε αλκαλικό περιβάλλον και είναι

28 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 7 κατάλληλος για περιµετρικές ενισχύσεις δοµικών στοιχείων οπλισµένου σκυροδέµατος µε στόχο την αύξηση της πλαστιµότητας τους. Ο τύπος S χαρακτηρίζεται από υψηλότερη εφελκυστική αντοχή και µέτρο Ελαστικότητας σε σχέση µε τον τύπο Ε, όµως λόγω του ιδιαίτερα υψηλού του κόστους δεν τυγχάνει ευρείας εφαρµογής στο πεδίο των ενισχύσεων Ίνες αραµιδίου Οι ίνες αραµιδίου είναι οι ελαφρότερες εκ των τριών, µε πυκνότητα 1450 kg/m³. Παράγονται είτε από αρωµατικό πολυαραµίδιο (Κέβλαρ, Twaron) είτε από αρωµατικό πολυαιθεραµίδιο (Technora) και πλεονεκτούν σε σχέση µε τις ίνες γυαλιού και άνθρακα όσον αφορά την αντοχή τους σε κρουστικά φορτία. Εξάλλου χαρακτηριστικό είναι το γεγονός πως από το υλικό αυτό κατασκευάζονται τα αλεξίσφαιρα γιλέκα. Τα τελευταία χρόνια οι ίνες αραµιδίου έχουν βρει εφαρµογή στην κατασκευή µανδυών σε υποστυλώµατα γεφυρών όπου υπάρχει κίνδυνος πρόσκρουσης βαρέων οχηµάτων. Αξιοσηµείωτη είναι η δυσµενής επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας στις ίνες αυτές Ίνες άνθρακα Οι ίνες άνθρακα διατίθενται στο εµπόριο από τα τέλη της δεκαετίας του 1950 και παρασκευάζονται είτε µέσω πυρόλυσης σε πολύ υψηλή θερµοκρασία (συχνά ως και 3000 ο C) από πολυακρυλονιτρίλιο (PAN), είτε µέσω απόσταξης κάρβουνου (pitch). Μέσω της πυρόλυσης αποµακρύνονται από το πολυµερές του άνθρακα διάφορες ενώσεις κυανίου και άτοµα υδρογόνου. Τα κρυσταλλικά φύλλα άνθρακα που σχηµατίζονται, εντείνονται έτσι ώστε να προσανατολιστούν παράλληλα προς τον άξονα της ίνας. Έτσι οι κρύσταλλοι σταθεροποιούνται στη βέλτιστη δυνατή διάταξη. Γενικότερα, µέσω της πυρόλυσης πολυακρυλονιτριλίου παρασκευάζονται ίνες µε µεγαλύτερη αντοχή και µέτρο Ελαστικότητας σε σύγκριση µε τις παραγόµενες από απόσταξη κάρβουνου. Η πυκνότητα των ανθρακονηµάτων κυµαίνεται από 1800 έως 1900 kg/m 3. Οι ίνες άνθρακα µπορούν να µορφοποιηθούν και να υφανθούν εύκολα, µε αποτέλεσµα να υπάρχουν ανθρακοϋφάσµατα και πλέγµατα µε διάφορες διατάξεις ινών. Τα ανθρακονήµατα, είναι χηµικά αδρανή στους περισσότερους όξινους ή βασικούς διαλύτες, ενώ παράλληλα έχουν µεγάλη αντοχή στις υψηλές θερµοκρασίες. Επιπλέον, παρουσιάζουν ιδιαίτερη ανθεκτικότητα σε κόπωση και ερπυσµό. Σε γενικές γραµµές

29 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 8 υπερτερούν ξεκάθαρα έναντι των άλλων τύπων ινών, όσων αφορά το θέµα της ανθεκτικότητας. Επιπρόσθετα, αξίζει να αναφερθεί η µικρή τιµή του συντελεστή θερµικής διαστολής των ανθρακονηµάτων (50 φορές περίπου µικρότερος από αυτόν του χάλυβα). Στη συνέχεια παρατίθενται σε µορφή πινάκων και σχηµατικά, οι κύριες µηχανικές ιδιότητες των τύπων ινών που προαναφέρθηκαν, καθώς και µια συγκριτική-ποιοτική αξιολόγηση των ινοπλισµένων πολυµερών που προκύπτουν απ τη χρήση τους. Εικόνα 1.1 Ύφασµα από ίνες άνθρακα. Πίνακας 1.1 Ποιοτική αξιολόγηση των χαρακτηριστικών συνθέτων υλικών. Χαρακτηριστικό Άνθρακας Αραµίδιο Γυαλί Εφελκυστική αντοχή Μέτρο Ελαστικότητας Παραµόρφωση αστοχίας Συµπεριφορά σε µακροχρόνιες δράσεις Συµπεριφορά σε κόπωση Ανθεκτικότητα σε διάρκεια Πυκνότητα Κόστος 6 6 9

30 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 9 Υλικό Άνθρακας Πίνακας 1.2 Τυπικές ιδιότητες ινών. Μέτρο ελαστικότητας (GPa) Εφελκυστική αντοχή (MPa) Οριακή εφελκυστική παραµόρφωση αστοχίας (%) Υψηλής αντοχής Υπερ-υψηλής αντοχής Υψηλού µέτρου ελαστικότητας Υπέρ-υψηλού µέτρου ελαστικότητας Γυαλί E Z S Aραµίδιο Χαµηλού µέτρου ελαστικότητας Υψηλού µέτρου ελαστικότητας Σχήµα 1.2 Τυπικές καµπύλες τάσης παραµόρφωσης για διάφορους τύπους ινών και χάλυβα σε εφελκυσµό.

31 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή Μήτρες συνθέτων υλικών Η µήτρα στα σύνθετα υλικά αποτελεί τη συγκολλητική ουσία µεταξύ των ινών. 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. Εναλλακτικά, οι ίνες διατίθενται ήδη εµποτισµένες στην σκληρυµένη µήτρα και το προκατασκευασµένο σύνθετο υλικό αποµένει να συγκολληθεί στην επιφάνεια του σκυροδέµατος. Η µήτρα συνήθως είναι ένα θερµοσκληρυνόµενο πολυµερές, το οποίο συνδέει τις ίνες µεταξύ τους, τις προστατεύει, εξασφαλίζει τη µεταφορά δυνάµεων σε αυτές µέσω της ανάπτυξης διατµητικών τάσεων στη διεπιφάνεια µεταξύ της ίνας και της µήτρας καθώς επίσης και καθορίζει και αρκετές µηχανικές ιδιότητες των συνθέτων υλικών, όπως είναι η αντοχή κάθετα στη διεύθυνση των ινών, η διατµητική και η θλιπτική αντοχή. Τα θερµοσκληρυνόµενα πολυµερή (π.χ. εποξειδικές, πολυεστερικές και φαινολικές ρητίνες) σχηµατίζονται σε δύο φάσεις. Αρχικά παράγεται µια ουσία (ρητίνη) αποτελούµενη από αλυσίδες µακροµορίων, παρόµοια µε τα θερµοπλαστικά, και ακολούθως οι αλυσίδες αυτές συνδέονται διασταυρούµενες µεταξύ τους µε τη βοήθεια καταλύτη, σε θερµοκρασία δωµατίου ή υψηλότερη. Στο πεδίο των ενισχύσεων των κατασκευών µε σύνθετα υλικά, χρησιµοποιούνται κυρίως οι εποξειδικές ρητίνες και σπανιότερα οι πολυεστερικές και βινυλεστερικές. Οι εποξειδικές ρητίνες, οι οποίες είναι ο πιο συνηθισµένος και ακριβότερος τύπος µήτρας, υπερέχουν έναντι των υπολοίπων λόγω των εξαιρετικών µηχανικών χαρακτηριστικών και της µεγάλης ανθεκτικότητας σε δυσµενείς περιβαλλοντικές επιδράσεις. Κύριο χαρακτηριστικό της συµπεριφοράς των εποξειδικών ρητινών, και των πολυµερών γενικότερα, είναι η λεγόµενη θερµοκρασία υαλώδους µετάπτωσης T g, πέραν της οποίας προκαλείται ρήξη των δευτερευόντων δεσµών, αυτών δηλαδή που συγκρατούν τις µακροµοριακές αλυσίδες µεταξύ τους, µε αποτέλεσµα τη δραµατική µείωση του µέτρου ελαστικότητας του υλικού. Αν για κάποιο λόγο (π.χ. πυρκαγιά) η µήτρα φτάσει σε θερµοκρασία υαλώδους µετάπτωσης, και λόγω της δραµατικής αποµείωσης του µέτρου ελαστικότητάς της, δεν δύναται να µεταφέρει δυνάµεις και το σύνθετο υλικό καθίσταται ανενεργό. Η θερµοκρασία υαλώδους µετάπτωσης κυµαίνεται ενδεικτικά µεταξύ των 50 C και 80 C.

32 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 11 Οι εποξειδικές ρητίνες προσβάλλονται επιφανειακά από την υπεριώδη ακτινοβολία, καθώς αλλοιώνει τη µοριακή τους δοµή µε αποτέλεσµα τη µείωση της εφελκυστικής παραµόρφωσης αστοχίας τους αλλά και τη χρωµατική τους αλλοίωση. Ιδιαίτερα κρίσιµο πρόβληµα όµως εντοπίζεται και στις ιδιαίτερα 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. Τα κυριότερα είδη ρητινών που χρησιµοποιούνται στην επισκευή και ενίσχυση των κατασκευών και τα κύρια µηχανικά τους χαρακτηριστικά παρουσιάζονται στον Πίνακα 1.3. Στον Πίνακα 1.4 γίνεται σύγκριση των τυπικών ιδιοτήτων των εποξειδικών ρητινών µε αυτές του σκυροδέµατος και του χάλυβα (Τριανταφύλλου, 2004). Πίνακας 1.3 Μηχανικές ιδιότητες ρητινών. Είδος ρητίνης Εφελκυστική αντοχή (MPa) Μέτρο Ελαστικότητας (GPa) Επιµήκυνση θραύσης (%) Πυκνότητα (gr/cm 3 ) Εποξειδική Πολυεστερική < Βινυλεστερική

33 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 12 Πίνακας 1.4 Σύγκριση τυπικών ιδιοτήτων εποξειδικών ρητινών σκυροδέµατος και χάλυβα (fib 2001). Ιδιότητα (σε 20 C) Εποξειδική 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) 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.) Θερµοκρασία υαλώδους µετάπτωσης ( C) , Κόλλα Η κόλλα, η οποία είναι κατά κανόνα εποξειδική ρητίνη δύο συστατικών, εφαρµόζεται µεταξύ του υποστρώµατος και του συνθέτου υλικού, εξασφαλίζοντας έτσι τη µεταξύ τους συνεργασία και µεταφορά τάσεων. Σηµαντικές ιδιότητες των εποξειδικών ρητινών, πέρα από τις προαναφερθείσες, και που έχουν να κάνουν άµεσα µε την εφαρµογή του συστήµατος ενίσχυσης, είναι ο χρόνος εργασιµότητας (pot life) και ο χρόνος εφαρµογής (open time).ο χρόνος εργασιµότητας, είναι ο διαθέσιµος χρόνος που έχει κανείς στην διάθεσή του για να χρησιµοποιήσει την κόλλα µε ευκολία, προτού αρχίσει να αυξάνεται το ιξώδες της και να σκληρύνεται στο δοχείο όπου έγινε η ανάµιξη. Εξαρτάται από τον τύπο κόλλας, από την θερµοκρασία περιβάλλοντος, αλλά και από την ποσότητα

34 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 13 κόλλας που προκύπτει µε την ανάµιξη των δύο συστατικών. Ενδεικτικοί χρόνοι για 5 κg εποξειδικής ρητίνης είναι 90 min σε 15 º C και 30 min σε 35 º C. Παρατηρούµε πως όσο αυξάνεται η θερµοκρασία, ο χρόνος εργασιµότητας µειώνεται. Ο χρόνος εφαρµογής αντίστοιχα, αντιπροσωπεύει το χρονικό διάστηµα µέσα στο οποίο η κόλλα είναι ενεργή, δηλαδή έχει ικανοποιητικές συγκολλητικές ιδιότητες. Μέσα σε αυτό το διάστηµα θα πρέπει να ολοκληρώνεται η επικόλληση του οπλισµού ενίσχυσης στην επιφάνεια του υποστρώµατος. 1.4 ΜΗΧΑΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΝΘΕΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ Σύνθετα υλικά Συστήµατα ενίσχυσης Όπως προαναφέρθηκε, τα σύνθετα υλικά που χρησιµοποιούνται στις ενισχύσεις έχουν ως συστατικά τους στοιχεία ίνες υψηλής αντοχής και µέτρου ελαστικότητας διατεταγµένες µε προδιαγεγραµµένο τρόπο µέσα σε µήτρα, πολυµερικής κατά κανόνα προέλευσης. Η µήτρα και οι ίνες, ενώ διατηρούν τα επιµέρους µηχανικά τους χαρακτηριστικά, συνδυαζόµενα παράγουν σύνθετα στοιχεία µε ενδιαφέρουσες και ιδιαίτερα αξιοποιήσιµες από το µηχανικό ιδιότητες. Οι βασικές µηχανικές ιδιότητες των συνθέτων υλικών µε ίνες σε µία κυρίως διεύθυνση, µπορούν να εκτιµηθούν µέσω της σχέσης που είναι γνωστή και ως κανόνας ανάµιξης (rule of mixtures): Ε f E fib V fib + E m V m E fib V fib (1.1) f f f fib V fib + f m V m f fib V fib (1.2) όπου: Ε f : µέτρο ελαστικότητας συνθέτου υλικού παράλληλα στις ίνες E fib : µέτρο ελαστικότητας ινών E m : µέτρο ελαστικότητας µήτρας V fib : ογκοµετρικό ποσοστό ινών V m : ογκοµετρικό ποσοστό µήτρας = 1 - V fib f f : εφελκυστική αντοχή συνθέτου υλικού παράλληλα στις ίνες

35 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 14 f fib : εφελκυστική αντοχή ινών f m : εφελκυστική ανοχή µήτρας Τελικά, το σύνθετο υλικό που προκύπτει από την προσανατολισµένη επικόλληση των ινών µέσα στο υλικό της µήτρας, έχει σαφώς πολύ καλύτερες µηχανικές ιδιότητες, εφελκυστική αντοχή και δυσκαµψία, σύµφωνα µε τη διεύθυνση των ινών από ότι η µήτρα µόνη της. Η µεταφορά δυνάµεων µεταξύ της µήτρας και των ινών, γίνεται κυρίως µε ανάπτυξη διατµητικής τάσης στη διεπιφάνειά τους. Η αστοχία του ιδίου του συνθέτου υλικού, το οποίο εφελκύεται σύµφωνα µε τη διεύθυνση των ινών του, µπορεί να συµβεί µε δύο διαφορετικούς τρόπους. Πρώτος πιθανός τρόπος αστοχίας είναι η ολίσθηση των ινών µέσα στη µήτρα, και συµβαίνει όταν η συνάφεια ίνας-µήτρας δεν είναι αρκετά ισχυρή ώστε να εξαντληθεί η εφελκυστική αντοχή των ινών. Έτσι η αποκόλληση των ινών προηγείται της θραύσης τους. Προφανώς, ο δεύτερος πιθανός τρόπος αστοχίας, προκύπτει όταν οι ίνες είναι καλά αγκυρωµένες στη µήτρα και υπάρχει επαρκής διατµητική αντοχή της µεταξύ τους διεπιφάνειας, ώστε να αποτραπεί η αποκόλληση της ίνας προτού αυτή φτάσει στη θραύση της. Τα συστήµατα ενίσχυσης στοιχείων οπλισµένου σκυροδέµατος µε σύνθετα υλικά είναι δύο τύπων: α) υγρής εφαρµογής ή επί τόπου σκλήρυνσης της µήτρας και β) προκατασκευασµένα, στα οποία (η σκλήρυνση της µήτρας έχει προηγηθεί της εφαρµογής Συστήµατα υγρής εφαρµογής Φύλλα (sheets) ή υφάσµατα (fabrics) αποτελούµενα από συνεχείς ίνες µίας (κυρίως) διεύθυνσης χωρίς µήτρα ( ξηρή κατάσταση ). Υφάσµατα (fabrics) αποτελούµενα από συνεχείς ίνες σε δύο τουλάχιστον διευθύνσεις χωρίς µήτρα ( ξηρή κατάσταση ). Φύλλα (sheets) ή υφάσµατα (fabrics) αποτελούµενα από συνεχείς ίνες µίας (κυρίως) διεύθυνσης, προεµποτισµένα µε ρητίνη (µήτρα) σε µη σκληρυµένη µορφή. Φύλλα (sheets) ή υφάσµατα (fabrics) αποτελούµενα από συνεχείς ίνες σε τουλάχιστον δύο διευθύνσεις, προεµποτισµένα µε ρητίνη (µήτρα) σε µη σκληρυµένη µορφή.

36 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 15 Συνεχείς ίνες χωρίς µήτρα ( ξηρή κατάσταση ) συγκεντρωµένες σε µορφή νήµατος (tow), το οποίο εµποτίζεται µε ρητίνη ενώ τυλίγεται (συχνά µε αυτοµατοποιηµένο τρόπο) στο υπό ενίσχυση δοµικό µέλος,. Προεµποτισµένες συνεχείς ίνες, συγκεντρωµένες σε µορφή νήµατος (tow). Αγκύρια µορφής θυσάνου ινών (composite anchors), τα οποία κατά κανόνα χρησιµοποιούνται σε συνδυασµό µε κάποιον άλλο τύπο συνθέτου υλικού, κατά κανόνα υφάσµατος, και σκοπεύουν στην καλύτερη συνεργασία αυτού µε το υπό ενίσχυση µέλος. Τα αγκύρια, αφού εµποτιστούν µε ρητίνη, εισάγονται εν µέρη σε οπές που έχουν ανοιχθεί στο υπό ενίσχυση µέλος, µε σκοπό την αγκύρωσή τους, και εν συνεχεία το προεξέχων τµήµα τους απλώνεται ακτινικά στο σύνθετο υλικό που λειτουργεί ως οπλισµός ενίσχυσης Προκατασκευασµένα συστήµατα ενίσχυσης Προκατασκευασµένα ευθύγραµµα δύσκαµπτα ελάσµατα (strips) τα οποία επικολλούνται µέσω ρητίνης. Τα ελάσµατα διατίθενται συνήθως σε µορφή ρολών ( κουλούρες ) και παράγονται µε την µέθοδο της εξέλασης (pultrusion) ή σπανιότερα, της στρωµάτωσης (lamination). Προκατασκευασµένες ράβδοι (bars) κυκλικής ή συνήθως ορθογωνικής διατοµής, οι οποίες τοποθετούνται σε επιφανειακές εγκοπές γεµισµένες µε ρητίνη ή πολυµερικό κονίαµα. Προκατασκευασµένα κελύφη (shells), µανδύες (jackets), ή γωνιές (angles), τα οποία επικολλούνται µέσω ρητίνης. Σε γενικές γραµµές τα προκατασκευασµένα ελάσµατα προτιµούνται έναντι των υφασµάτων όταν η εφαρµογή γίνεται σε επίπεδες επιφάνειες (π.χ. καµπτική ενίσχυση δοκών ή πλακών, χιαστί ή οριζόντια διάταξη για τοιχοποιίες σε εντός επιπέδου τέµνουσα) και απαιτούνται σηµαντικά πάχη, ενώ σε άλλες περιπτώσεις (π.χ. µανδύες υποστυλωµάτων, διατµητική ενίσχυση δοκών) η εφαρµογή υφασµάτων µέσω της υγρής µεθόδου είναι προτιµητέα. 1.5 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ Η βασική τεχνική, η οποία είναι και η πλέον συνηθισµένη (και εφαρµόζεται ουσιαστικά κατ αποκλειστικότητα στη χώρα µας), περιλαµβάνει την δια χειρός

37 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 16 επικόλληση είτε υφασµάτων (προεµποτισµένων µε ρητίνη ή µη προεµποτισµένων), είτε προκατασκευασµένων στοιχείων (π.χ. ελάσµατα) σε στοιχεία οπλισµένου σκυροδέµατος, µέσω εποξειδικών ρητινών. Πριν την εφαρµογή των συνθέτων υλικών, πρέπει να γίνεται κατάλληλη προεργασία της επιφάνειας σκυροδέµατος επί της οποίας θα γίνει η επικόλληση. Οι επιφάνειες αυτές πρέπει να είναι απαλλαγµένες από σαθρό υλικό, επίπεδες (πλήρωση µεγάλων ρωγµών µε ένεµα, επισκευή κοιλοτήτων µε κονίαµα, εξοµάλυνση προεξοχών), εκτραχυµένες (π.χ. µε συρµατόβουρτσα ή αµµοβολή ή υδροβολή), απόλυτα καθαρές και στεγνές (τυχόν υγρασία άνω του 4% επιβάλει τη χρήση ειδικών ρητινών). Αφού προετοιµαστεί η επιφάνεια επί της οποίας θα γίνει η επικόλληση, αυτή επαλείφεται µε τη συγκολλητική ουσία (κατά κανόνα εποξειδική ρητίνη). Το ύφασµα κόβεται µε ψαλίδι στις απαιτούµενες διαστάσεις και αφού εµποτιστεί µε ρητίνη, αν φυσικά δεν είναι προεµποτισµένο, τοποθετείται τεντωµένο στη νωπή επίστρωση και πατιέται µε ρολό, ώστε αφενός να εµποτιστεί πλήρως και αφετέρου να αποµακρυνθεί τυχόν εγκλωβισµένος αέρας. Εφόσον η µελέτη προβλέπει περισσότερες της µίας στρώσης, η παραπάνω διαδικασία επαναλαµβάνεται. Τελικά µπορεί να χρησιµοποιηθεί ένα πεταχτό τσιµεντοκονίαµα για προστασία των φύλλων του συνθέτου υλικού από υψηλές θερµοκρασίες (π.χ. πυρκαγιά) και άλλες περιβαλλοντικές προσβολές (Υ.Π.ΕΧ.Ω..Ε, 2001). Εκτός από την βασική τεχνική, έχουν αναπτυχθεί και κάποιες ειδικές τεχνικές εφαρµογής των συνθέτων υλικών οι οποίες δεν έχουν τύχει ευρείας εφαρµογής. Οι κυριότερες εξ αυτών είναι οι εξής: Η αυτοµατοποιηµένη περιτύλιξη Η εφαρµογή µε προένταση Η επιταχυµένη σκλήρυνση µε θέρµανση Η εφαρµογή ράβδων σε εγκοπές Τα προκατασκευασµένα στοιχεία Η µηχανική στερέωση ελασµάτων µε αγκύρια Πριν την έναρξη της διαδικασίας εφαρµογής των συνθέτων υλικών θα πρέπει να έχει κανείς υπόψη του τα εξής: Η εφαρµογή ελασµάτων σε σκυρόδεµα προϋποθέτει ελάχιστη εφελκυστική αντοχή του υποστρώµατος της τάξης του 1.5 MPa. Η αντοχή αυτή µπορεί να εκτιµηθεί επί τόπου µε δοκιµή τύπου pull-off.

38 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 17 Η επιλογή της ρητίνης θα πρέπει να γίνει λαµβάνοντας υπόψη, εκτός από τις συνθήκες υγρασίας, και τις συνθήκες θερµοκρασίας, οι οποίες είναι καθοριστικές για τη σκλήρυνση της ρητίνης αλλά και για την µετέπειτα συµπεριφορά της. Η εφαρµογή των ρητινών σε χαµηλές θερµοκρασίες περιβάλλοντος ενδέχεται να πρέπει να γίνεται σε συνδυασµό µε επιβολή τοπικής θέρµανσης. Τα ελάσµατα συνθέτων υλικών θα πρέπει να κόβονται µε τροχό ή πριόνι στο επιθυµητό µήκος, να καθαρίζονται σχολαστικά (π.χ. µε διάλυµα ακετόνης) ή να αφαιρείται από αυτά η προστατευτική µεµβράνη (όπου υπάρχει) λίγο πριν από την εφαρµογή τους, να υφίστανται προσεκτική µεταχείριση από το τεχνικό προσωπικό το οποίο θα πρέπει να φορά απαραιτήτως γάντια και να τοποθετούνται χωρίς να υφίστανται στρέβλωση. Κατά την εφαρµογή των υφασµάτων, θα πρέπει να αποφεύγονται οι πτυχώσεις ώστε οι ίνες να είναι όσο το δυνατόν πιο ευθύγραµµες. Το ρολό µε το οποίο θα εµποτίζεται το ύφασµα µε ρητίνη, θα πρέπει να δουλεύει προς την διεύθυνση των ινών και προς µία µόνο κατεύθυνση (όχι εµπρός-πίσω), ώστε να αποφευχθεί η χαλαρότητα του υφάσµατος και η δηµιουργία πτυχώσεων, έως ότου η ρητίνη διαποτίσει το ύφασµα. Σε περίπτωση λάθους (π.χ. δηµιουργία πτυχώσεων, λάθος κατεύθυνση ινών) και εφόσον δεν έχει παρέλθει ο ενεργός χρόνος εφαρµογής της ρητίνης, το ύφασµα θα πρέπει να αφαιρείται µε τα χέρια και η εφαρµογή να επαναλαµβάνεται. Αν ο ενεργός χρόνος έχει παρέλθει, ύφασµα και ρητίνη θα πρέπει να αποµακρυνθούν, να απορριφθούν και η εφαρµογή να γίνει εκ νέου. Για να διευκολύνεται η εφαρµογή επιχρίσµατος πάνω στα σύνθετα υλικά, θα πρέπει προτού σκληρυνθεί η εξωτερική στρώση ρητίνης να γίνει επίπαση επαρκούς ποσότητας χαλαζιακής άµµου, ώστε να δηµιουργηθεί τραχεία επιφάνεια. Για ενίσχυση έναντι κάµψης, θα πρέπει να αποφεύγονται οι µατίσεις ελασµάτων (ή υφασµάτων) µε υπερκάλυψη. Όπου αυτές είναι τελείως απαραίτητες, θα πρέπει να γίνονται (παράλληλα στην διεύθυνση των ινών) µε µήκος υπερκάλυψης τέτοιο ώστε να εξασφαλίζεται ότι η εφελκυστική αστοχία του οπλισµού θα προηγείται της αποκόλλησης στη µάτιση. Επίσης, πρέπει να αποφεύγεται η τοποθέτηση πάνω από τρεις στρώσεις ελασµάτων ή πέντε στρώσεις υφασµάτων. Επιπλέον, στις θέσεις απόληξης των ελασµάτων ή υφασµάτων, συνίσταται η επικόλληση υφασµάτων µορφής U ώστε να βελτιώνονται οι συνθήκες αγκύρωσης. Για ενίσχυση έναντι διάτµησης, συνίσταται, στην περίπτωση ενίσχυσης πλακοδοκών, να γίνεται αγκύρωση των οπλισµών διάτµησης στην θλιβόµενη ζώνη. Αν η

39 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 18 αγκύρωση δεν είναι εφικτή, συνίσταται η έµπηξη του υφάσµατος σε εσοχή µέσω ράβδου και ακολούθως η επέκταση του στο κάτω µέρος της πλάκας, σε απόσταση περίπου ίση µε 150 mm. Επιπλέον, όταν γίνεται καθολική περιτύλιξη υποστυλωµάτων µε υφάσµατα, η µάτιση κάθε τµήµατος θα πρέπει να γίνεται σε διαφορετική πλευρά. Όταν γίνεται εφαρµογή υφασµάτων για περίσφιγξη υποστυλωµάτων, θα πρέπει οι γωνίες των τελευταίων να στρογγυλεύονται προηγουµένως µε τη µέγιστη δυνατή ακτίνα καµπυλότητας (η οποία συνήθως καθορίζεται από το πάχος της επικάλυψης, ιδιαίτερα σε παλαιότερες κατασκευές). Ακόµα, θα πρέπει η υπερκάλυψη των δύο άκρων υφάσµατος σε επάλληλες στρώσεις επί υποστυλωµάτων ορθογωνικής διατοµής, να έχει µήκος τέτοιο, ώστε η θραύση του µανδύα να προηγείται της αποκόλλησης. Ενδεικτικό ελάχιστο µήκος υπερκάλυψης είναι τα 200 mm, για υφάσµατα ινών άνθρακα ονοµαστικού πάχους mm. Ο µέγιστος επιτρεπόµενος αριθµός στρώσεων για την κατασκευή µανδύα είναι της τάξης του 15 ή όπως συνιστάται από τον προµηθευτή του συστήµατος ενίσχυσης. Ακόµη, στη περίπτωση εφαρµογής µανδύα στις κρίσιµες περιοχές υποστυλωµάτων πρέπει να αφήνεται κενό της τάξης των 15 mm, ώστε αφενός να µην παρεµποδίζεται η στροφή της ακραίας διατοµής, αφετέρου να µην υφίσταται σύνθλιψη ο µανδύας λόγω της στροφής αυτής (Τριανταφύλλου, 2005). 1.6 ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΙΑΤΡΙΒΗΣ Όπως αναφέρθηκε και σε προηγούµενη παράγραφο, οι βλάβες που προκαλούνται από ισχυρούς σεισµούς σε υποστυλώµατα υφισταµένων κατασκευών οπλισµένου σκυροδέµατος, έχουν αναδείξει την τρωτότητα των τελευταίων έναντι των οριζόντιων σεισµικών φορτίων. Τα ανεπαρκώς οπλισµένα υποστυλώµατα είναι τα κρισιµότερα δοµικά στοιχεία, τα οποία µπορεί να αστοχήσουν λόγω: διάτµησης, σύνθλιψης του σκυροδέµατος, λυγισµού των διαµήκων ράβδων, απώλειας συνάφειας σε περιοχές ανεπαρκών µατίσεων, και κάµψης. Η αντισεισµική ενίσχυση των υποστυλωµάτων µε χρήση µανδυών από ινοπλισµένα πολυµερή (FRP), έχει αποδειχθεί εξαιρετικά αποτελεσµατική για όλες τις προαναφερθείσες µορφές αστοχιών πλην της τελευταίας, δηλαδή αυτής λόγω κάµψης. Τα ινοπλισµένα πολυµερή που εφαρµόζονται µε τη µορφή συνεχών µανδυών στα υποστυλώµατα είναι πολύ αποτελεσµατικά στην ανάληψη τέµνουσας δύναµης και την εξασφάλισης επαρκούς περίσφιγξης στη θλιβόµενη ζώνη. Παρ όλα αυτά η αποτελεσµατική ενίσχυση των υποστυλωµάτων έναντι κάµψης, η οποία µπορεί να

40 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 19 απαιτείται για πληθώρα λόγων, όπως αναφέρθηκε και σε προηγούµενη παράγραφο (π.χ. λόγω της διαστασιολόγησης της υπάρχουσας κατασκευής σύµφωνα µε παλαιότερους κανονισµούς, λόγω των απαιτήσεων του ικανοτικού σχεδιασµού, λόγω απαίτησης αναβάθµισης του δοµήµατος εν όψη επικείµενης αλλαγής χρήσης του, λόγω διάβρωσης των διαµήκων ράβδων οπλισµού κ.λ.π.), προϋποθέτει τη συνέχιση και την αγκύρωση του διαµήκους οπλισµού ενίσχυσης πέραν της κρίσιµης διατοµής µέγιστης ροπής, δηλαδή εντός του κόµβου, πράγµα κατασκευαστικά δύσκολο στην πλειοψηφία των περιπτώσεων και το οποίο σηµαίνει πως η µέθοδος των εξωτερικά επικολλούµενων υφασµάτων ή ελασµάτων ινοπλισµένων πολυµερών δεν είναι εφαρµόσιµη. υστυχώς, δεν είναι λίγες οι περιπτώσεις εσφαλµένης εφαρµογής συνθέτων υλικών µε σκοπό την καµπτική ενίσχυση υποστυλωµάτων, όπου το σύνθετο υλικό επικολλάται στο υποστύλωµα και σταµατά όταν συναντήσει τη δοκό (Εικ. 1.2). Προφανώς, το σύνθετο υλικό σε αυτές τις περιπτώσεις δεν έχει τίποτα να προσφέρει στην αναβάθµιση της αντοχής του υποστυλώµατος έναντι κάµψης και πρόκειται για καθαρή σπατάλη υλικού. Για τους λόγους αυτούς, η καµπτική ενίσχυση των υποστυλωµάτων γίνεται µέχρι σήµερα κατά κανόνα µε τη χρήση µανδυών εκτοξευόµενου σκυροδέµατος (gunite). Η τεχνική αυτή χαρακτηρίζεται από σηµαντικό εργατικό κόπο, δύσκολες κατασκευαστικές Εικόνα 1.2 Εσφαλµένη εφαρµογή καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων για µέγιστη ροπή στα άκρα.

41 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 20 λεπτοµέρειες, αύξηση των διαστάσεων και του βάρους των υποστυλωµάτων και επιπροσθέτως τη διακοπή της λειτουργίας του δοµήµατος κατά τη διάρκεια της επέµβασης. Πρόκειται για µια ιδιαίτερα παρεµβατική για το κτίριο τεχνική, καθώς οι εργασίες δεν περιλαµβάνουν µόνο τα υποστυλώµατα, αλλά και τους κόµβους, το οποίο συνεπάγεται ιδιαίτερα παρεµβατικές εργασίες ακόµα και στη θεµελίωση, αλλά και στις πλακοδοκούς, στις περιοχές που αυτές συναντούν τα υποστυλώµατα (Εικ 1.3), Παράλληλα, η προσθήκη νέων στρώσεων σκυροδέµατος στα υποστυλώµατα, αυξάνει τις διαστάσεις τους, µειώνοντας τον ωφέλιµο χώρο της κάτοψης του δοµήµατος αλλά και δηµιουργώντας αντιαισθητικές από αρχιτεκτονικής σκοπιάς προεξοχές. Εποµένως, η ανάπτυξη µιας νέας, λιγότερο παρεµβατικής µεθόδου για την καµπτική ενίσχυση των υποστυλωµάτων οπλισµένου σκυροδέµατος που να συνδυάζει την ευκολία εφαρµογής µε την ελάχιστη δυνατή παρεµπόδιση της χρήσης του προς ενίσχυση κτιρίου παραµένει ένα ελκυστικό εγχείρηµα, που η παρούσα εργασία καλείται να αντιµετωπίσει. Η παρούσα εργασία έχει ως σκοπό την πειραµατική διερεύνηση της αποτελεσµατικότητας µιας νέας µεθόδου καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων. Σύµφωνα Εικόνα 1.3. Καµπτική ενίσχυση υποστυλωµάτων µε χρήση µανδυών εκτοξευόµενου σκυροδέµατος.

42 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 21 µε τη µέθοδο αυτή, τα υποστυλώµατα ενισχύονται µε την επικόλληση υφάσµατος ινοπλισµένων πολυµερών (εδώ χρησιµοποιείται ύφασµα από ίνες άνθρακα µίας διεύθυνσης σε µήτρα εποξειδικής ρητίνης) στις παρειές τους. Το σύνθετο υλικό αυτό λειτουργεί ως πρόσθετος οπλισµός κάµψης. Όπως αναφέρθηκε όµως και ανωτέρω, ο πρόσθετος οπλισµός αυτός για να λειτουργήσει, πρέπει να αγκυρωθεί πέραν της κρίσιµης διατοµής που παρουσιάζεται η µέγιστη ροπή. Στα υποστυλώµατα που καταπονούνται από σεισµική φόρτιση, η µέγιστη καµπτική ροπή παρουσιάζεται στην κορυφή και στον πόδα τους. Πρέπει δηλαδή το σύνθετο υλικό που τοποθετείται στην παρειά του υποστυλώµατος να αγκυρωθεί και στους κόµβους αυτού, οι οποίοι στην πράξη είναι είτε το θεµέλιο, είτε ο κόµβος δοκού - υποστυλώµατος. Η αγκύρωση αυτή του υφάσµατος επιτυγχάνεται εδώ µε χρήση αγκυρίων µορφής θυσάνου από ίνες άνθρακα. Αυτή είναι και η ουσιαστικότερη καινοτοµία της παρούσας πειραµατικής διερεύνησης. Παράλληλα, και εξωτερικά της καµπτικής ενίσχυσης του µέλους, εφαρµόζεται τοπικός µανδύας πάλι από το ίδιο ύφασµα, ώστε αφενός να λειτουργήσει ως οπλισµός περίσφιγξης, καθυστερώντας την αστοχία του θλιβόµενου σκυροδέµατος και την εµφάνιση λυγισµού στις διαµήκεις ράβδους χάλυβα, αφετέρου να αποτρέψει το επικολληµένο ύφασµα της θλιβόµενης παρειάς από λυγισµό και αποκόλληση. Πρόκειται ουσιαστικά για µια νέα τεχνική, µη αναφερόµενη στη διεθνή βιβλιογραφία. Επιπλέον, λίγες έρευνες έχουν γίνει διεθνώς που να αφορούν το κρισιµότερο στοιχείο ενός τέτοιου τύπου ενίσχυσης, δηλαδή τα αγκύρια από ίνες άνθρακα. Στη διεθνή βιβλιογραφία διατίθενται ελάχιστες πληροφορίες, αναφορικά µε τη λειτουργία των αγκυρίων, όταν αυτά υποβάλλονται σε παρόµοιου τύπου εντατική κατάσταση µε αυτή της πειραµατικής διαδικασίας στην οποία αναφέρεται η παρούσα διατριβή. Η αξιολόγηση της αποτελεσµατικότητας της ανωτέρω αναφερόµενης µεθόδου ενίσχυσης, έγινε µέσω πειραµατικών δοκιµών σε στοιχεία οπλισµένου σκυροδέµατος τύπου υποστυλώµατος πραγµατικής κλίµακας και µορφής προβόλου, τα οποία ήταν σχεδιασµένα σύµφωνα µε τον προ του 1985 Αντισεισµικό Κανονισµό (χαµηλό ποσοστό διαµήκους οπλισµού, συνδετήρες από λείο χάλυβα χωρίς κλειστά άγκιστρα και ποιότητα σκυροδέµατος C16/20). Τα δοκίµια υπεβλήθησαν σε συνθήκες αυξανόµενης πλευρικά επιβεβληµένης µετακίνησης µε ταυτόχρονη παρουσία σταθερού αξονικού φορτίου, σε µια προσπάθεια προσοµοίωσης της καταπόνησης που δέχονται τα υποστυλώµατα σε συνθήκες πραγµατικής σεισµικής δράσης. Οι δοκιµές αυτές έλαβαν χώρα στο Εργαστήριο της Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών, στη χρονική περίοδο Ιούλιος 2008 Φεβρουάριος Οι

43 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 22 παράµετροι που µελετήθηκαν, έχουν να κάνουν µε τα αγκύρια που προαναφέρθηκαν. Για την ακρίβεια, διερευνήθηκε η επιρροή του µεγέθους τους (ποσότητα ινών τους) και του αριθµού τους στην αποτελεσµατικότητα της µεθόδου καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων που εξετάζεται. Επιπλέον, έγινε διερεύνηση της επίδρασης της ανακύκλισης της φόρτισης στην αποτελεσµατικότητα της µεθόδου αυτής. Προτού όµως γίνει πλήρης περιγραφή της πειραµατικής διαδικασίας και παρουσίαση των αποτελεσµάτων της, αξίζει να γίνει αναφορά στο θεωρητικό υπόβαθρο της µεθόδου αυτής, όσο και στην (δυστυχώς περιορισµένη) προγενέστερη σχετική έρευνα. 1.7 ΣΥΝΟΨΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ Στο κεφάλαιο αυτό, το οποίο αποτελεί την εισαγωγή της παρούσας διατριβής, αρχικά παρουσιάστηκαν οι λόγοι που καθιστούν αναγκαία την ενίσχυση σηµαντικού µέρους των υπαρχουσών κατασκευών οπλισµένου σκυροδέµατος. Μάλιστα, κατέστη σαφές, πως µεγάλο µέρος των αναγκαίων αυτών ενισχύσεων, συνίσταται σε αναβάθµιση της καµπτικής αντοχής των υποστυλωµάτων των κατασκευών αυτών. Στη συνέχεια του κεφαλαίου, έγινε σύντοµη αναφορά στη χρήση των συνθέτων υλικών στο πεδίο των ενισχύσεων. Έπειτα, αφού παρουσιάστηκαν οι µηχανικές ιδιότητες των διαφόρων συνθέτων υλικών, ξεκινώντας από τα επιµέρους συστατικά τους, έγινε αναφορά στα διατιθέµενα συστήµατα ενίσχυσης και τις τεχνικές εφαρµογής συνθέτων υλικών. Το κεφάλαιο έκλεισε, µε αναφορά στο αντικείµενο της παρούσας διατριβής. Όπως αναλύθηκε, σκοπός της διατριβής αυτής, είναι η αξιολόγηση της αποτελεσµατικότητας µιας νέας µεθόδου καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων µε χρήση συνθέτων υλικών. Η µέθοδος αυτή, συνίσταται στην επικόλληση υφάσµατος ινοπλισµένων πολυµερών στις παρειές του µέλους, η αγκύρωση του οποίου πέραν της κρίσιµης διατοµής εξασφαλίζεται µε χρήση αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών άνθρακα. Επιπλέον, και εξωτερικά των αγκυρίων, εφαρµόζεται τοπικός µανδύας συνθέτων υλικών. Το σύνολο των χρησιµοποιούµενων συνθέτων υλικών στη διατριβή αυτή, συνίσταται από ίνες άνθρακα σε µήτρα εποξειδικής ρητίνης. Πιθανή απόδειξη της αποτελεσµατικότητας µίας τέτοιας µεθόδου, θα την καθιστούσε ιδιαίτερα ανταγωνιστική, συγκριτικά µε τις µέχρι σήµερα χρησιµοποιούµενες τεχνικές καµπτικής αναβάθµισης υποστυλωµάτων (µανδύες οπλισµένου σκυροδέµατος).

44 Κεφάλαιο 2 ο - Θεωρητικό υπόβαθρο ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ 2.1 ΓΕΝΙΚΑ Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η παρούσα διατριβή πραγµατεύεται την πειραµατική διερεύνηση µιας νέας µεθόδου καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων. Σύµφωνα µε αυτή, στις παρειές του υπό ενίσχυση µέλους επικολλάται ύφασµα ινοπλισµένων πολυµερών από ίνες άνθρακα σε µήτρα εποξειδικής ρητίνης. Το ύφασµα αυτό, αγκυρώνεται στους κόµβους του υποστυλώµατος µε χρήση αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών άνθρακα, εµποτισµένων στην ίδια µήτρα, µε σκοπό να δύναται να λειτουργήσει ως πρόσθετος οπλισµός κάµψης. Παράλληλα, και εξωτερικά της καµπτικής ενίσχυσης του µέλους, εφαρµόζεται τοπικός µανδύας πάλι από το ίδιο ύφασµα. Ο ρόλος του µανδύα είναι τριπλός. Πρώτον, αποτρέπει το επικολληµένο ύφασµα της θλιβόµενης παρειάς από λυγισµό και αποκόλληση. εύτερον, βοηθά την καλύτερη λειτουργία του συστήµατος ύφασµα αγκύρια ως ένα σώµα, εµποδίζοντας την αποκόλληση των αγκυρίων από το ύφασµα. Τρίτον, λειτουργεί ως οπλισµός περίσφιγξης, επιτρέποντας στο σκυρόδεµα της θλιβόµενης ζώνης να παραλάβει µεγάλες τάσεις και κυρίως παραµορφώσεις, καθυστερώντας την αστοχία του, µε απώτερο σκοπό την προδιαγεγραµµένη αστοχία των υποστυλωµάτων όχι από σύνθλιψη του σκυροδέµατος της θλιβόµενης ζώνης, αλλά από εξάντληση της αντοχής του εφελκυόµενου οπλισµού αυτών. Παράλληλα, καθυστερεί την εµφάνιση λυγισµού στις διαµήκεις ράβδους χάλυβα. Έτσι λοιπόν, σε αυτό το σηµείο καθίσταται απαραίτητη µια συνοπτική παρουσίαση του θεωρητικού υποβάθρου που υπάρχει πίσω από την πειραµατική διαδικασία. Στη συνέχεια του κεφαλαίου, παρουσιάζεται ο τρόπος λειτουργίας των συνθέτων υλικών ως πρόσθετου οπλισµού κάµψης σε στοιχεία από οπλισµένο σκυρόδεµα, η αποτελεσµατικότητα των µανδυών από ινοπλισµένα πολυµερή στην περίσφιγξη του σκυροδέµατος αυτών και ο τρόπος λειτουργίας των χρησιµοποιούµενων στην πειραµατική διαδικασία αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών άνθρακα.

45 Κεφάλαιο 2 ο - Θεωρητικό υπόβαθρο ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝ ΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Γενικά Όπως είναι γνωστό η αντοχή, αλλά και η ικανότητα παραµόρφωσης του σκυροδέµατος αυξάνεται σηµαντικά όταν αυτό βρίσκεται υπό τριαξονική ένταση. Στην πράξη, συνθήκες τριαξονικής έντασης στο σκυρόδεµα δηµιουργούνται όταν οι εγκάρσιοι οπλισµοί παρεµποδίζουν την πλευρική διόγκωση ενός µονοαξονικά θλιβόµενου στοιχείου. Το σκυρόδεµα το οποίο υφίσταται την ευνοϊκή αυτή λειτουργία του εγκάρσιου οπλισµού ονοµάζεται περισφιγµένο. Αξίζει να αναφερθεί ότι όταν ο περιορισµός της πλευρικής διόγκωσης επιτυγχάνεται µέσω εγκάρσιων οπλισµών ή µανδυών από σύνθετα υλικά, µιλάµε για περίσφιγξη του σκυροδέµατος, ενώ όταν αυτός οφείλεται στον όγκο του περιβάλλοντος σκυροδέµατος είναι καταλληλότερος ο όρος εγκιβωτισµός (Φαρδής, 2005). Οι κυριότερες παράµετροι που υπεισέρχονται στο φαινόµενο της περίσφιγξης διατοµών οπλισµένου σκυροδέµατος από συνδετήρες χάλυβα είναι το ογκοµετρικό ποσοστό του εγκάρσιου οπλισµού, η θλιπτική αντοχή του σκυροδέµατος, η τάση διαρροής του εγκάρσιου οπλισµού, η απόσταση των συνδετήρων, η διάταξη των συνδετήρων στην διατοµή, ο διαµήκης οπλισµός και η ταχύτητα επιβολής της φόρτισης (Πενέλης και Κάππος, 1999) Περίσφιγξη σκυροδέµατος µε µανδύες συνθέτων υλικών Η δράση των µανδυών από σύνθετα υλικά στην περίσφιγξη του σκυροδέµατος είναι εξαιρετικά ευνοϊκή και γενικά ευνοϊκότερη σε σχέση µε αυτήν µεταλλικών µανδυών ίσης δυσκαµψίας. Κατά την αξονική καταπόνηση υποστυλωµάτων λόγω κάµψης και/ή αξονικού φορτίου, το σκυρόδεµα υφίσταται σηµαντική διόγκωση. Ο µανδύας, όπως και οι συνδετήρες, δρα ως κινηµατικός περιορισµός της διόγκωσης, αναπτύσσοντας εφελκυσµό λόγω τάνυσης µέχρις ότου αστοχήσει. Σε κυκλικές διατοµές η δράση αυτή ασκείται οµοιόµορφα κατά την περίµετρο της διατοµής, οπότε η περίσφιγξη έχει και τη µέγιστη δυνατή αποτελεσµατικότητα (συντελεστής αποδοτικότητας της περίσφιγξης ίσος µε 1). Σε ορθογωνικές διατοµές όµως ο περιορισµός της διόγκωσης του σκυροδέµατος εξασθενεί, καθώς αυτή λαµβάνει χώρα ανεµπόδιστα µε κάµψη του συνδετήρα ή του µανδύα προς τα έξω στο µέσο των πλευρών. Η περίσφιγξη σ αυτές τις περιπτώσεις δρα µειωµένη,

46 Κεφάλαιο 2 ο - Θεωρητικό υπόβαθρο 25 ξεκινώντας από τις (εξέχουσες) γωνίες της διατοµής και επεκτεινόµενη προς τον πυρήνα της. Σε µια τέτοια περίπτωση, ο συντελεστής αποδοτικότητας της περίσφιγξης κυµαίνεται από 0.5 έως 0.6 για τετράγωνη διατοµή και είναι περίπου 0 όταν η διατοµή είναι ιδιαίτερα επιµήκης (ορθογωνική διατοµή µε λόγο πλευρών µεγαλύτερο του 3). Οι τάσεις περίσφιγξης έχουν ως αποτέλεσµα την αύξηση της θλιπτικής αντοχής και της παραµορφωσιµότητας του σκυροδέµατος, την αύξηση της γωνίας στροφής χορδής ενός µέλους στην (καµπτική) αστοχία, που συνεπάγεται αύξηση της πλαστιµότητας του µέλους έναντι κάµψης, την βελτίωση των συνθηκών συνάφειας µεταξύ ράβδων οπλισµού και σκυροδέµατος σε περιοχές µε µατίσεις και άρα παρεµπόδιση της ολίσθησης των διαµήκων ράβδων στις περιοχές αυτές και τέλος την καθυστέρηση της εµφάνισης λυγισµού των διαµήκων ράβδων σε περιοχές µε αραιή διάταξη συνδετήρων. Προκειµένου να αναλυθεί η συµπεριφορά και να εξαχθεί ο καταστατικός νόµος του περισφιγµένου σκυροδέµατος µε σύνθετα υλικά, θεωρούµε ένα κυλινδρικό στοιχείο από σκυρόδεµα διαµέτρου D, το οποίο 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. Οι λόγω διόγκωσης εγκάρσιες τάσεις στον µανδύα δίνονται από την σχέση: 2t f l E fε f σ = (2.1) D όπου σ f και ε f είναι η εφελκυστική τάση και παραµόρφωση στον µανδύα αντίστοιχα. (α) (β) Σχήµα 2.1 Αξονική καταπόνηση δοκιµίου µε µανδύα συνθέτων υλικών (α) και ανάπτυξη εγκαρσίων τάσεων λόγω διόγκωσης (β) (Τριανταφύλλου, 2005)

47 Κεφάλαιο 2 ο - Θεωρητικό υπόβαθρο 26 Συν τοις άλλοις, οι τάσεις περίσφιγξης στο σκυρόδεµα έχουν σαν αποτέλεσµα τον περιορισµό των µικρορωγµών και της έναρξης και διάδοσης των ρηγµατώσεων. Η σχέση θλιπτικής τάσης-παραµόρφωσης για σκυρόδεµα περισφιγµένο µε µανδύα συνθέτων υλικών παρουσιάζεται στο Σχ Γενικότερα ισχύουν τα εξής: Η καµπύλη τάσης - παραµόρφωσης είναι περίπου διγραµµική, µε αλλαγή κλίσης στην παραµόρφωση (ε co = 0.002) που αντιστοιχεί στην αντοχή του απερίσφιγκτου σκυροδέµατος. Μέχρι εκείνο το σηµείο παρατηρείται σχεδόν πλήρης σύµπτωση των καµπύλων του περισφιγµένου και του απερίσφιγκτου σκυροδέµατος. Αν το πάχος του µανδύα είναι µικρό, η αντοχή του περισφιγµένου σκυροδέµατος f cc αντιστοιχεί σε παραµόρφωση ε cc µικρότερη από την οριακή ε ccu. Αν το πάχος του µανδύα είναι εξαιρετικά µικρό, αυξάνεται µόνον η οριακή παραµόρφωσή του ε ccu. Για δεδοµένο τύπο συνθέτων υλικών, η αντοχή f cc και η οριακή παραµόρφωση ε ccu του περισφιγµένου σκυροδέµατος αυξάνεται µε το πάχος του µανδύα. Για µανδύες ίσου πάχους αλλά διαφορετικού τύπου ινών, η αντοχή f cc αυξάνεται µε την αντοχή του µανδύα f fde (εδώ πλεονεκτούν οι ίνες άνθρακα), ενώ η οριακή παραµόρφωση αστοχίας του σκυροδέµατος ε ccu αυξάνεται, αυξανοµένης της αντοχής του µανδύα, αλλά κυρίως αυξανοµένης της οριακής παραµόρφωσης αυτού, ε fue (εδώ πλεονεκτούν οι ίνες γυαλιού). Για µανδύες ίσης δυστένειας, η αντοχή f cc αυξάνεται µε την οριακή παραµόρφωση του µανδύα ε fue. Σχήµα 2.2 Καµπύλες τάσης παραµόρφωσης για απερίσφιγκτο και περισφιγµένο µε σύνθετα υλικά σκυρόδεµα (Τριανταφύλλου, 2005).

48 Κεφάλαιο 2 ο - Θεωρητικό υπόβαθρο 27 Σηµειώνεται πως η εφελκυστική αντοχή του µανδύα κατά την έννοια της περιµέτρου του, είναι γενικά µικρότερη αυτής των χρησιµοποιούµενων συνθέτων υλικών, όπως προκύπτει από δοκιµή µονοαξονικού εφελκυσµού αυτών. Το γεγονός αυτό λαµβάνεται υπόψη µε χρήση ενός µειωτικού συντελεστή µε τιµές της τάξης Ένα από τα απλούστερα προσοµοιώµατα υπολογισµού της θλιπτικής ανοχής f ccu και της οριακής παραµόρφωσης ε ccu του περισφιγµένου µε µανδύες ινοπλισµένων πολυµερών σκυροδέµατος είναι το εξής: f f ccu co m σ lu = 1+ k1 co f (2.2) ε n σ lu ccu= ecu+ k 2 co f (2.3) όπου k 1, k 2, m και n είναι εµπειρικές σταθερές. Στις ευρέως αποδεκτές (στη διεθνή βιβλιογραφία) τιµές για τις εµπειρικές σταθερές των εξ. (9.22) και (9.23) περιλαµβάνονται οι εξής: k 1 = 2.15, m = 1, k 2 = 0.02 ή 0.04 για υλικά ινών άνθρακα ή γυαλιού, αντίστοιχα, και n = 1. Εναλλακτικά, k 1 = 2.6, m = 2/3, k 2 = (ανεξαρτήτως του τύπου ινών) και n = 0.5. Σηµειώνεται ότι η οριακή παραµόρφωση του απερίσφιγκτου σκυροδέµατος λαµβάνεται ίση µε ε cu = Η τάση περίσφιγξης σ lu (κατά τη θραύση του µανδύα) είναι γενικά ανοµοιόµορφη, ιδιαίτερα κοντά στις γωνίες των ορθογωνικών διατοµών. Σε µια ορθογωνική διατοµή µε διαστάσεις b και h η µέση τάση περίσφιγξης σ lu (ανηγµένη στην f co ) µπορεί να ληφθεί προσεγγιστικά ίση µε: σ σ + σ 1 2t f 2t f f f b f h f lu lu, b lu, h f fe f fe = = a f + a f = co 2 co 2 co co 1 f f 1 = a ρ + ρ = a ω + ω 2 2 ( ) fe fe f f, b f, h f fb fh fco fco (2.4) όπου σ lu,b και σ lu,h οι µέσες τάσεις περίσφιγξης παράλληλα στις πλευρές b και h αντίστοιχα, ω fb και ω fh είναι τα µηχανικά ποσοστά συνθέτων υλικών ανά διεύθυνση: ω fb =( 2t f / b )( f fe / f co ) και ω fh =( 2t f / h )( f fe / f co ) και α f = συντελεστής αποδοτικότητας του µανδύα, που εξαρτάται: (α) από τη γεωµετρία της διατοµής [λόγος πλευρών, ακτίνα

49 Κεφάλαιο 2 ο - Θεωρητικό υπόβαθρο 28 καµπυλότητας στις γωνίες, Σχ. (2.4)], (β) από το βαθµό περιτύλιξης (κάλυψης) του σκυροδέµατος και (γ) από τη διεύθυνση των ινών του µανδύα σε σχέση µε τον άξονα του περισφιγµένου µέλους. Συγκεκριµένα είναι α f = α n α s α a, ενώ για πλήρη κάλυψη του στοιχείου αs =1 και για οριζόντια διάταξη των ινών, ο συντελεστής αποδοτικότητας δίνεται από τη σχέση: α f A b + h ( b 2 r ) + ( h 2 r ) = an = = 1 1 Ag A 3bh s 3Ag 1 A g '2 '2 2 2 e c c (2.5) Σχήµα 2.3 Προσεγγιστική κατανοµή µέσων τάσεων περίσφιγξης σε κάθε πλευρά ορθογωνικής διατοµής [Τριανταφύλλου (2005)]. Σχήµα 2.4 Η περίσφιγξη σκυροδέµατος (µε σύνθετα υλικά) σε ορθογωνικές διατοµές επιτυγχάνεται µέσω καµπύλωσης των γωνιών [Τριανταφύλλου (2005)].

50 Κεφάλαιο 2 ο - Θεωρητικό υπόβαθρο ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΜΕΛΩΝ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΕΝΑΝΤΙ ΚΑΜΨΗΣ Γενικά Η εφαρµογή συνθέτων υλικών για ενισχύσεις έναντι κάµψης γίνεται κυρίως σε στοιχεία τύπου δοκού ή πλάκας, µέσω ελασµάτων, υφασµάτων, ή ράβδων σε εγκοπές, τα οποία επικολλούνται στο εφελκυόµενο πέλµα της διατοµής µε διεύθυνση ινών τέτοια ώστε να παραλάβουν τις λόγω κάµψης εφελκυστικές δυνάµεις. Τα σύνθετα υλικά δηλαδή, σ αυτή την περίπτωση, σχεδιάζονται ώστε να λειτουργήσουν κατ αναλογία του εφελκυόµενου διαµήκους οπλισµού µελών από οπλισµένο σκυρόδεµα. Στην περίπτωση υποστυλωµάτων που καλούνται να ενισχυθούν σε κάµψη, καθώς κατά κανόνα οι κρίσιµες διατοµές τους είναι οι ακραίες (κορυφή και πόδας υποστυλωµάτων), η ενίσχυση µέσω εφαρµογής συνθέτων υλικών σε µορφή ελασµάτων ή υφασµάτων καθίσταται γενικά δύσκολη, δεδοµένου ότι στις περιπτώσεις αυτές πρέπει να εξασφαλιστεί η αγκύρωση των οπλισµών αυτών εντός των κόµβων. Όπως ήδη έχει αναφερθεί, στην παρούσα διατριβή γίνεται µελέτη της αγκύρωσης του οπλισµού αυτού (ύφασµα άνθρακα σε µήτρα εποξειδικής ρητίνης) µέσω αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών άνθρακα (στην ίδια µήτρα). Σε κάθε περίπτωση, πρόκειται ουσιαστικά για ενίσχυση µελών οπλισµένου σκυροδέµατος έναντι κάµψης, µε ταυτόχρονη παρουσία θλιπτικού αξονικού φορτίου. Σε αυτό το σηµείο κρίνεται απαραίτητη µια συνοπτική παρουσίαση των υπολογισµών που απαιτούνται για τους ελέγχους αντοχής καµπτόµενων µελών οπλισµένου σκυροδέµατος, τα οποία έχουν ενισχυθεί έναντι κάµψης µε σύνθετα υλικά Αρχική κατάσταση Οι υπολογισµοί των απαιτούµενων ποσοτήτων συνθέτων υλικών που απαιτούνται προκειµένου να ικανοποιηθούν οι έλεγχοι για τις οριακές καταστάσεις αντοχής και λειτουργικότητας, προϋποθέτουν γνώση των παραµορφώσεων και τάσεων στα υπό ενίσχυση δοµικά στοιχεία κατά τη στιγµή που λαµβάνει χώρα η ενίσχυση. Είναι ιδιαίτερα σηµαντικό το να καταστεί σαφές πως τα δοµικά στοιχεία δρουν ως ενισχυµένα µόνο για τα πρόσθετα φορτία, καθώς από το σηµείο εκείνο και µετά ενεργοποιούνται τα σύνθετα υλικά (παραλαµβάνουν τάσεις). Αν υποθέσουµε ότι κατά τη φάση της ενίσχυσης η κρίσιµη

51 Κεφάλαιο 2 ο - Θεωρητικό υπόβαθρο 30 διατοµή, βάσει της οποίας γίνεται η µελέτη ενίσχυσης, καταπονείται από συνδυασµό ροπής και αξονικού φορτίου, εφαρµόζοντας της εξισώσεις ισορροπίας δυνάµεων και ροπών στη διατοµή, γνωρίζοντας φυσικά τη σχέση τάσεων παραµορφώσεων για κάθε υλικό που τη συνιστά (σκυρόδεµα χάλυβας), εύκολα µπορεί κανείς να εξάγει το προφίλ των παραµορφώσεων και τάσεων που καταπονούν τη διατοµή στην αρχική της κατάσταση Οριακή κατάσταση αντοχής ενισχυµένης διατοµής Η ροπή αντοχής του ενισχυµένου µε σύνθετα υλικά στοιχείου οπλισµένου σκυροδέµατος, καθορίζεται από τον µηχανισµό µε τον οποίο θα αστοχήσει. Ο µελετητής καλείται να προβλέψει ποιος µηχανισµός αστοχίας θα προηγηθεί των υπολοίπων και θα καθορίσει την καµπτική αντοχή του ενισχυµένου µέλους. Οι πιθανότεροι µηχανισµοί αστοχίας στοιχείων οπλισµένου σκυροδέµατος ενισχυµένων σε κάµψη µε σύνθετα υλικά είναι οι εξής (Triantafillou and Plevris 1992, Matthus 2000, fib 2001, Teng et al. 2001): ιαρροή εφελκυόµενου χάλυβα, σύνθλιψη σκυροδέµατος ιαρροή εφελκυόµενου χάλυβα, θραύση συνθέτων υλικών Σύνθλιψη σκυροδέµατος Αποκόλληση συνθέτου υλικού στην ακραία ρωγµή Αποκόλληση συνθέτου υλικού σε ενδιάµεση καµπτική ρωγµή Αποκόλληση συνθέτου υλικού σε ενδιάµεση λοξή ρωγµή ιατµητική αστοχία στο άκρο του οπλισµού, αποκόλληση της επικάλυψης Οι τρεις πρώτοι από τους παραπάνω µηχανισµούς δεν σχετίζονται µε πρόωρες αστοχίες (π.χ. αποκολλήσεις συνθέτων υλικών). Έτσι το ενισχυµένο στοιχείο µπορεί να µελετηθεί ως σύµµικτο, στο οποίο υπάρχει πλήρης συνεργασία µεταξύ του σκυροδέµατος και των εξωτερικών οπλισµών ενίσχυσης. Οι υπόλοιποι µηχανισµοί αντιστοιχούν σε απώλεια της πλήρους αυτής συνεργασίας. Η πλήρης παρουσίαση των σχέσεων που καλύπτουν κάθε πιθανό µηχανισµό αστοχίας ξεφεύγει από τον σκοπό του παρόντος συγγράµµατος. Σε κάθε περίπτωση, οι σχέσεις αυτές προκύπτουν σχετικά απλά, αν κανείς γνωρίζει τη σχέση τάσεων παραµορφώσεων του κάθε επί µέρους υλικού [χάλυβας, σύνθετο υλικό, σκυρόδεµα (περισφιγµένο ή µη)], τον τρόπο της µεταξύ τους συνεργασίας (κατανοµή τάσεων συνάφειας στη διεπιφάνεια συνθέτου υλικού σκυροδέµατος) και την αρχική εντατική κατάσταση του µέλους, εφαρµόζοντας τις εξισώσεις ισορροπίας

52 Κεφάλαιο 2 ο - Θεωρητικό υπόβαθρο 31 (δυνάµεων και ροπών) στην κρίσιµη διατοµή, φυσικά θεωρώντας πως ισχύει η αρχή της επιπεδότητας των διατοµών. Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται εκτενέστερα το αναλυτικό προσοµοίωµα που χρησιµοποιήθηκε, σε µια προσπάθεια πρόβλεψης των αποτελεσµάτων των πειραµατικών δοκιµών. 2.4 ΧΡΗΣΗ ΑΓΚΥΡΙΩΝ ΜΟΡΦΗΣ ΘΥΣΑΝΟΥ ΙΝΩΝ ΑΝΘΡΑΚΑ ΣΕ ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΜΗΤΡΑ (CFRP ANCHORS) Παρόλο που οι ενισχύσεις µε σύνθετα υλικά αποτελούν έναν ιδιαίτερα πρακτικό και κατά κανόνα υψηλής αποτελεσµατικότητας τρόπο αναβάθµισης κατασκευών οπλισµένου σκυροδέµατος, ένα πρόβληµα που παρουσιάζεται συχνά στα ενισχυµένα µέλη είναι η πρόωρη αποκόλληση των συνθέτων υλικών από την επιφάνεια σκυροδέµατος, προτού δηλαδή αυτά αναπτύξουν το σύνολο της εφελκυστικής τους αντοχής. Στα σύνθετα υλικά, η δύναµη που απαιτείται για την αποκόλληση (η οποία γίνεται λόγω ρηγµάτωσης του υποστρώµατος κοντά στη στρώση της κόλλας, καθώς η διατµητική αντοχή αυτής ξεπερνά κατά πολύ αυτήν του υποστρώµατος), δηλαδή η µέγιστη δύναµη αγκύρωσής τους, αυξάνεται µε το µήκος επικόλλησης µέχρις ότου αυτό λάβει µια οριακή τιµή. Πέρα από το µήκος αγκύρωσης αυτό, η δύναµη αποκόλλησης παραµένει πρακτικά αµετάβλητη. Έτσι, δεν είναι εφικτή πολλές φορές η πλήρης αξιοποίηση των συνθέτων υλικών χρησιµοποιώντας µεγάλα µήκη επικόλλησης. Άλλες πάλι φορές, απαιτείται η µεταφορά των εφελκυστικών δυνάµεων που καταπονούν το σύνθετο υλικό σε ένα άλλο τµήµα της κατασκευής, όπως συµβαίνει στην παρούσα πειραµατική διαδικασία, όπου καλούνται οι εφελκυστικές δυνάµεις που δηµιουργούνται στο σύνθετο υλικό, που έχει χρησιµοποιηθεί ως πρόσθετος εφελκυόµενος οπλισµός ενίσχυσης του υποστυλώµατος έναντι κάµψης, να µεταφερθούν στον κόµβο αυτού, δηλαδή στο θεµέλιο. Τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί µια τεχνική, µε την οποία επιχειρείται να ξεπεραστούν τα ανωτέρω προβλήµατα, τα οποία έχουν χαρακτήρα µεταφοράς δυνάµεων. Σύµφωνα µε την τεχνική αυτή, αγκύρια µορφής θυσάνου ινών από ινοπλισµένα πολυµερή (FRP anchors) αγκυρώνονται µε χρήση ρητίνης σε οπές στην υπό ενίσχυση διατοµή και το προεξέχων τµήµα τους επικολλάται ακτινικά στο σύνθετο υλικό που χρησιµοποιείται ως πρόσθετος οπλισµός ενίσχυσης. Σε µια αρχική τους µορφή, τα αγκύρια αυτά κατασκευάζονταν από λωρίδα υφάσµατος ινοπλισµένων πολυµερών. Γινόταν µερική

53 Κεφάλαιο 2 ο - Θεωρητικό υπόβαθρο 32 έµπηξη και επικόλληση µε ρητίνη της λωρίδας αυτής σε οπές στο υπό ενίσχυση δοµικό µέλος και το τµήµα του υφάσµατος που προεξείχε επικολλούταν απλωµένο στο σύνθετο υλικό ενίσχυσης της διατοµής (Εικ. 2.1). Στη σηµερινή τους µορφή, τα αγκύρια αυτά παρασκευάζονται σε µορφή θυσάνου ινών (Εικ. 2.2) και µάλιστα σε ιδιαίτερα µεγάλο εύρος µεγεθών. Οι χρησιµοποιούµενες ίνες, είναι κατά κανόνα άνθρακα ή γυαλιού. Είναι φορές πάλι, που τα χρησιµοποιούµενα αγκύρια συνίστανται από ίνες άνθρακα και γυαλιού σε συγκεκριµένες αναλογίες µεταξύ τους, ώστε να προσδίδονται οι επιθυµητές µηχανικές α β Εικόνα 2.1 Αγκύρια ινών άνθρακα κατασκευασµένα από ύφασµα ανθρακονηµάτων µίας διεύθυνσης [(α) πριν την εφαρµογή, (β) µετά την εφαρµογή]. α β Εικόνα 2.2 Αγκύρια ινών άνθρακα κατασκευασµένα από θύσανο ανθρακονηµάτων [(α) πριν την εφαρµογή, (β) µετά την εφαρµογή].

54 Κεφάλαιο 2 ο - Θεωρητικό υπόβαθρο 33 ιδιότητες στο προκύπτων σύνθετο υλικό (σύµµικτα αγκύρια). υστυχώς, η ακριβής συµπεριφορά των αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών δεν έχει διασαφηνιστεί επακριβώς, καθώς είναι λίγες οι πειραµατικές δοκιµές που έχουν γίνει πάνω στη χρήση, τη συµπεριφορά και την αποτελεσµατικότητα αυτών. Στο επόµενο κεφάλαιο, που αποτελεί σύνοψη της προγενέστερης έρευνας, της σχετικής µε την παρούσα διατριβή, που προέρχεται από τη διεθνή βιβλιογραφία, παρουσιάζονται εντός άλλων και τα αποτελέσµατα των πειραµατικών δοκιµών αυτών, των σχετικών µε τα αγκύρια. Στα κεφάλαια 5 και 6, τέλος, επιχειρείται µέσω ανάλυσης των αποτελεσµάτων των πειραµατικών δοκιµών που έλαβαν χώρα στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, µια αξιολόγηση της αποτελεσµατικότητας των χρησιµοποιηθέντων αγκυρίων, όσον αφορά το σκοπό που εκλήθησαν να εκπληρώσουν. 2.5 ΣΥΝΟΨΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ Στο κεφάλαιο αυτό, παρουσιάστηκε το θεωρητικό υπόβαθρο της υπό διερεύνηση µεθόδου ενίσχυσης. Αρχικά, παρουσιάστηκε η επιρροή της περίσφιγξης µέσω µανδυών από σύνθετα υλικά στη συµπεριφορά υποστυλωµάτων οπλισµένου σκυροδέµατος. Οι µανδύες αυτοί, ασκώντας τάσεις περίσφιγξης στο σκυρόδεµα, αυξάνουν την παραµορφωσιµότητά του και την τάση αστοχίας του, καθυστερώντας παράλληλα τον λυγισµό των διαµήκων ράβδων οπλισµού. Στην παρούσα πειραµατική διερεύνηση, η ύπαρξη του τοπικού µανδύα αποσκοπούσε, εκτός των άλλων, στη βελτίωση των συνθηκών συνάφειας των αγκυρίων µε το διάµηκες ύφασµα, καθώς και στην αποτροπή, κατά το δυνατόν, του εκάστοτε θλιβοµένου διαµήκους υφάσµατος, από πρόωρη αποκόλληση και λυγισµό. Επίσης, στο κεφάλαιο αυτό, έγινε αναφορά σε ένα προσοµοίωµα υπολογισµού της συµπεριφοράς περισφιγµένου µε µανδύες ινοπλισµένων πολυµερών σκυροδέµατος, το οποίο χρησιµοποιείται στο 6 ο Κεφάλαιο, που αποτελεί το αναλυτικό µέρος της παρούσας διατριβής. Εν συνεχεία, παρουσιάστηκαν οι βάσεις του σχεδιασµού καµπτικών ενισχύσεων µέσω συνθέτων υλικών. Εκτενέστερη αναφορά στη µεθοδολογία υπολογισµού της καµπτικής αντίστασης υποστυλωµάτων ενισχυµένων καµπτικά µε σύνθετα υλικά, γίνεται στο 6 ο Κεφάλαιο. Τέλος, το κεφάλαιο αυτό έκλεισε µε παρουσίαση της µεθοδολογίας χρήσης των αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών άνθρακα. Η συµπεριφορά των αγκυρίων αυτών, αφενός

55 Κεφάλαιο 2 ο - Θεωρητικό υπόβαθρο 34 δεν έχει διασαφηνιστεί πλήρως και αφετέρου αποτελεί την κρισιµότερη παράµετρο, η οποία καθορίζει την αποτελεσµατικότητα ή µη της νέας µεθόδου καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων που πραγµατεύεται η παρούσα διατριβή. Τα λίγα εκ της διεθνούς βιβλιογραφίας διατιθέµενα στοιχεία, αναφορικά µε τη χρήση και τη συµπεριφορά των αγκυρίων αυτών, παρατίθενται στο επόµενο κεφάλαιο, το οποίο αναφέρεται σε προγενέστερες έρευνες, σχετικές µε το ζήτηµα που πραγµατεύεται η διατριβή αυτή.

56 Κεφάλαιο 3 ο - Προγενέστερη έρευνα ΠΡΟΓΕΝΕΣΤΕΡΗ ΕΡΕΥΝΑ 3.1 ΓΕΝΙΚΑ Μέχρι τώρα λίγες είναι οι µελέτες που έχουν γίνει διεθνώς, αναφορικά µε την ενίσχυση υποστυλωµάτων έναντι κάµψης µε χρήση συνθέτων υλικών. Ο λόγος είναι πως για να ενισχυθεί καµπτικά ένα υποστύλωµα µε χρήση συνθέτων υλικών, πρέπει ο πρόσθετος διαµήκης οπλισµός που θα επικολληθεί στις παρειές του να αγκυρώνεται πέραν της κρίσιµης διατοµής µέγιστης καµπτικής ροπής, δηλαδή µέσα στους κόµβους. Αυτό είναι εφικτό όταν χρησιµοποιούνται ελάσµατα συνθέτων υλικών, µόνον όταν οι δοκοί έχουν µικρότερο πλάτος από τα υποστυλώµατα, ή όταν χρησιµοποιούνται οπλισµοί συνθέτων υλικών µικρού πλάτους (π.χ. µορφής ράβδου) σε εγκοπές. Στην παρούσα διατριβή, διερευνάται η καµπτική ενίσχυση υποστυλωµάτων µε χρήση υφάσµατος συνθέτου υλικού, επικολληµένου στις παρειές του υπό ενίσχυση µέλους. Το σύνθετο υλικό αυτό αγκυρώνεται στον κόµβο του υποστυλώµατος (θεµέλιο) µε χρήση αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών άνθρακα σε εποξειδική µήτρα. Παράλληλα, εφαρµόζεται τοπικός µανδύας από το ίδιο προαναφερθέν ύφασµα στην κρίσιµη διατοµή του υποστυλώµατος και εξωτερικά του πρόσθετου διαµήκους οπλισµού. υστυχώς, στη διεθνή βιβλιογραφία δεν αναφέρεται πουθενά διερεύνηση ανάλογης τεχνικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων έναντι κάµψης. Στη συνέχεια του κεφαλαίου, γίνεται µια σύντοµη ανασκόπηση σε σχετικές έρευνες, που θα µπορούσαν να δώσουν χρήσιµες πληροφορίες σχετικά µε την αποτελεσµατικότητα της µεθόδου ενίσχυσης που πραγµατεύεται η παρούσα διατριβή. Έτσι, παρουσιάζονται αποτελέσµατα που διατίθενται στη διεθνή βιβλιογραφία σχετικά µε: α) χρήση αγκυρίων, β)καµπτική ενίσχυση υποστυλωµάτων µε παρεµφερείς τεχνικές, γ) περίσφιγξη υποστυλωµάτων µε χρήση µανδυών συνθέτων υλικών. 3.2 ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ ΓΙΑ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΑΓΚΥΡΙΩΝ ΜΟΡΦΗΣ ΘΥΣΑΝΟΥ ΙΝΩΝ ΣΕ ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΜΗΤΡΑ Στη διεθνή βιβλιογραφία, δεν υπάρχει πουθενά αναφορά σχετικής µε την παρούσα διατριβή εφαρµογής αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών σε οργανική µήτρα σε πειραµατικό επίπεδο. Η γενικότερη συµπεριφορά τους όµως µπορεί να εκτιµηθεί, µελετώντας την περιορισµένη βιβλιογραφία που σχετίζεται µε τη χρήση τους. Η εφαρµογή των αγκυρίων

57 Κεφάλαιο 3 ο - Προγενέστερη έρευνα 36 αυτού του τύπου µπορεί να αποσκοπεί στη βελτίωση των συνθηκών αγκύρωσης συνθέτων υλικών µε το υπόστρωµά τους, οπότε χρησιµοποιούνται αγκύρια µικρού µεγέθους (της τάξης των 10 mm σε διάµετρο και 150 mm σε µήκος) (Σχ. 3.1 Σχ. 3.2). Μπορεί όµως και να αποσκοπεί στη µεταφορά δυνάµεων µεταξύ δοµικών µελών, οπότε χρησιµοποιούνται αγκύρια µεγαλύτερου µεγέθους (καµιά φορά της τάξης των 25 mm σε διάµετρο και 2 m σε µήκος) (Εικ. 3.1 α). Τέτοια µεγάλα αγκύρια έχουν χρησιµοποιηθεί ακόµα και ως οπλισµός ενίσχυσης δοκών έναντι διάτµησης (Εικ. 3.1 β). Μέχρι τώρα δεν υπάρχουν σαφείς οδηγίες για την διαστασιολόγηση επεµβάσεων σε κατασκευές µε χρήση αγκυρίων, παρόλο που η χρήση αυτών αναφέρεται σε διάφορα επίσηµα εγχειρίδια (fib bulletin 14, ACI 440.2R-02, Concrete Society Technical Report No.55). Σχήµα 3.1 Χρήση αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών για βελτίωση της αποτελεσµατικότητας τρίπλευρου µανδύα ως ενίσχυσης δοκού έναντι διάτµησης. Σχήµα 3.2 Χρήση αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών για στερέωση µανδύα ινοπλισµένων πολυµερών στην εισέχουσα γωνία υποστυλώµατος.

58 Κεφάλαιο 3 ο - Προγενέστερη έρευνα 37 α β Εικόνα 3.1 Χρήση µεγάλων αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών [για την εξασφάλιση συνεργασίας ανεξάρτητων µελών οπλισµένου σκυροδέµατος (α), ως οπλισµός ενίσχυσης δοκού έναντι διάτµησης (β)]. Ξεκινώντας µια σύντοµη αναφορά στις έρευνες τις σχετικές µε χρήση των αγκυρίων, ο Wang (1999) χρησιµοποίησε αγκύρια για να βελτιώσει την αποτελεσµατικότητα τρίπλευρων µανδυών από σύνθετα υλικά ως οπλισµού ενίσχυσης δοκού έναντι διάτµησης. Για την ενίσχυση των δοκών χρησιµοποιήθηκαν λωρίδες CFRP µε πλάτος 120 mm που τοποθετήθηκαν ως τρίπλευρος µη συνεχής µανδύας. Αγκύρια ινών γυαλιού ονοµαστικής διαµέτρου 10 mm και αγκυρωµένα στο σκυρόδεµα σε βάθος 80 mm χρησιµοποιήθηκαν ώστε να καθυστερήσουν την αποκόλληση του µανδύα κατά τη διατµητική καταπόνηση των δοκιµίων. Τα αποτελέσµατα των πειραµατικών δοκιµών έδειξαν πως τα αγκύρια βελτίωσαν σηµαντικά την αντοχή των δοκιµίων, εµποδίζοντας την αποκόλληση του τρίπλευρου µανδύα από το σκυρόδεµα. Οι Eshwar et al. (2006), διεξάγοντας πειράµατα σε σύνολο 19 δοκιµίων, αξιολόγησαν την αποτελεσµατικότητα της χρήσης αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών άνθρακα στην εξασφάλιση της συνεργασίας συνθέτου υλικού από ίνες άνθρακα µε το υπόστρωµά του. Το κάθε δοκίµιο αποτελούταν από δύο blocks σκυροδέµατος, διαστάσεων 300 mm x 200 mm x 200 mm, συνδεδεµένα µεταξύ τους εξωτερικά µε δύο στρώσεις ελάσµατος CFRP, διαστάσεων 800 mm x 100 mm. Η δοκιµή που είχε διατµητικό για την ενίσχυση χαρακτήρα, συνίστατο στην αποµάκρυνση του ενός block σκυροδέµατος απ το άλλο. Η επαρκής αγκύρωση του υφάσµατος επί των blocks σκυροδέµατος έγινε µε χρήση αγκυρίων. Τα αποτελέσµατα των δοκιµών έδειξαν πως:

59 Κεφάλαιο 3 ο - Προγενέστερη έρευνα 38 Η αποτελεσµατικότητα εξωτερικά επικολλούµενων συνθέτων υλικών µπορεί να αυξηθεί δραµατικά (στις πειραµατικές δοκιµές από 25% έως 200%) όταν χρησιµοποιούνται αγκύρια ινών άνθρακα για την αποτελεσµατικότερη αγκύρωσή τους. Συνίστανται σαν προτιµότερα τα αγκύρια µε ονοµαστική διάµετρο τουλάχιστον 10 mm και βάθος έµπηξης στον πυρήνα σκυροδέµατος τουλάχιστον 50 mm. Η επιρροή του βάθους έµπηξης στην αποτελεσµατικότητα των αγκυρίων είναι αµελητέα. Οι ερευνητές, στην ίδια εργασία, δίνουν κάποιες κατευθυντήριες γραµµές για τη χρήση αγκυρίων σε ενισχύσεις έναντι κάµψης και διάτµησης δοκών. Στη βιβλιογραφία συναντώνται πειραµατικές δοκιµές όπου τα αγκύρια µορφής θυσάνου ινών σε οργανική µήτρα έχουν δοκιµαστεί για την επιβολή περίσφιγξης σε υποστυλώµατα, σε συνδυασµό µε µανδύες συνθέτων υλικών. Οι El-Ghandour et al. (2005) διεξήγαγαν πειραµατικές δοκιµές µονοαξονικής θλίψης σε υποστυλώµατα οπλισµένου σκυροδέµατος διαστάσεων 125 mm x 300 mm. Ορισµένα από τα δοκίµια αυτά ήταν περισφιγµένα µε συνεχή µανδύα ινοπλισµένων πολυµερών, ενώ σε άλλα ο µανδύας αυτός ήταν τρίπλευρος και αγκυρωµένος στα άκρα του µε χρήση αγκυρίων ινών άνθρακα, σε αποστάσεις 150 mm µεταξύ τους. Τα ενισχυµένα µε συνεχή µανδύα υποστυλώµατα είχαν αυξηµένη κατά 34% αντοχή σε σχέση µε τα απερίσφιγτα, ενώ στα δοκίµια µε τον τρίπλευρο µανδύα µε χρήση αγκυρίων, η αύξηση αυτή έφτανε το 25%. Οι Karantzikis et al. (2005), δοκίµασαν την αποτελεσµατικότητα των αγκυρίων σε συνδυασµό µε µανδύα ινοπλισµένων πολυµερών στην περίσφιγξη υποστυλωµάτων οπλισµένου σκυροδέµατος διατοµής Γ. Σε πειραµατικές δοκιµές που διεξήγαγαν, απέδειξαν πως τα αγκύρια αυτής της µορφής είναι ένας αποτελεσµατικός τρόπος στερέωσης µανδυών συνθέτων υλικών στην εισέχουσα γωνία υποστυλωµάτων. Οι Ozdemir και Akyuz (2006), µελέτησαν την συµπεριφορά αγκυρίων από ίνες άνθρακα σε µήτρα εποξειδικής ρητίνης, αγκυρωµένων σε σκυρόδεµα, µε σκοπό τα αγκύρια αυτά να βρουν εφαρµογή στην αγκύρωση υφασµάτων CFRP, επικολληµένων διαγώνια στις τοιχοπληρώσεις κτιρίων, στα µέλη οπλισµένου σκυροδέµατος που περιβάλλουν τις τοιχοπληρώσεις αυτές, µε σκοπό το όλο σύστηµα (υποστυλώµατα, δοκάρια, τοιχοπληρώσεις, σύνθετο υλικό) να λειτουργεί σαν ένα σώµα. Για το σκοπό αυτό, παρασκεύασαν δύο σειρές δοκιµίων. Στην πρώτη σειρά, τα αγκύρια παρασκευάστηκαν από λωρίδα υφάσµατος CFRP ονοµαστικού πάχους mm, περιτυλίσσοντάς την γύρω από τον εαυτό της και

60 Κεφάλαιο 3 ο - Προγενέστερη έρευνα 39 φέρνοντάς της σε κυλινδρική µορφή. Τα αγκύρια αυτά, εµβαπτίστηκαν τοπικά, σε µήκος 1 cm από το κάτω µέρος τους, σε εποξειδική ρητίνη, η οποία µετά τη σκλήρυνσή της βοήθησε στην εύκολη εισαγωγή των αγκυρίων στις γεµάτες µε ρητίνη οπές που έγιναν στα δοκίµια σκυροδέµατος που περιελάµβανε η δοκιµή. Στη σειρά αυτή πειραµάτων, οι παράµετροι µελέτης ήταν η ποσότητα των ινών των αγκυρίων (αγκύρια προερχόµενα από ύφασµα πλάτους 80 mm, 120 mm και 160 mm), η διάµετρος της οπής εφαρµογής τους (12 mm,14 mm και 16 mm), το βάθος αγκύρωσης (70 mm, 100 mm και 150 mm) και η θλιπτική αντοχή του σκυροδέµατος (10 MPa, 16 MPa και 20 MPa). Στη δεύτερη σειρά δοκιµίων, µε σκοπό τη δηµιουργία πιο ευθύγραµµων αγκυρίων, η προετοιµασία αυτών έγινε εξ ολοκλήρου πριν την εισαγωγή τους στην οπή. Αφού κόπηκε το ύφασµα CFRP (ιδίου ονοµαστικού πάχους µε την πρώτη σειρά δοκιµίων) και εµποτίστηκε µε ρητίνη, περιτυλίχτηκε γύρω από ράβδο σιλικόνης και ύστερα εισήχθη στην γεµάτη µε ρητίνη οπή του δοκιµίου σκυροδέµατος. Στη σειρά αυτή πειραµάτων, οι παράµετροι µελέτης ήταν το βάθος αγκύρωσης (50 mm, 70 mm, 100 mm και 150 mm) και η θλιπτική αντοχή του σκυροδέµατος (10 MPa και 16 MPa), ενώ η ποσότητα των ινών των αγκυρίων παρέµενε σταθερή (τα αγκύρια προέρχονταν από λωρίδα υφάσµατος πλάτους 120 mm). Όλα τα δοκίµια υπεβλήθησαν σε δοκιµές απευθείας εξόλκευσης των αγκυρίων από το σκυρόδεµα (direct pullout tests). Παρατηρήθηκαν δύο τύποι αστοχίας. Ο πρώτος έχει να κάνει µε θραύση του αγκυρίου, πράγµα που σηµαίνει πως ο δεσµός σκυροδέµατος αγκυρίου κατέστη επαρκής, ώστε να εξαντλήσει το αγκύριο την εφελκυστική του αντοχή. Τέτοιου τύπου αστοχία παρατηρήθηκε σε όλα τα δοκίµια της πρώτης σειράς πειραµατικών δοκιµών και σε κάποια από τη δεύτερη. Κατά τον δεύτερο τρόπο αστοχίας έλαβε χώρα εξόλκευση του αγκυρίου (ολίσθηση από την οπή εφαρµογής του) πριν αυτό εξαντλήσει την αντοχή του. Από το σύνολο των πειραµάτων που διεξήχθησαν διαπιστώθηκαν τα εξής: Τα αγκύρια ανέπτυξαν τη µέγιστη αντοχή τους για βάθος αγκύρωσης 100 mm. Πέραν αυτού του βάθους, δεν αυξάνεται η αποτελεσµατικότητα του αγκυρίου. Για µικρά βάθη έµπηξης των αγκυρίων (της τάξης των 50 mm), η θλιπτική αντοχή του σκυροδέµατος δεν επηρεάζει σηµαντικά την λειτουργία τους. Όσο όµως το βάθος αυτό αυξάνει, αυξάνει και η επίδραση της θλιπτικής αντοχής του σκυροδέµατος στην αντοχή του αγκυρίου. Ειδικά για τα αγκύρια που αστόχησαν λόγω θραύσης των ινών τους, η θλιπτική αντοχή του σκυροδέµατος και η διάµετρος της οπής δεν φάνηκε να επηρεάζουν την µέση τάση αστοχίας των αγκυρίων, τα οποία έφτασαν σε αντοχές της τάξης του 30% µε 33%

61 Κεφάλαιο 3 ο - Προγενέστερη έρευνα 40 της θεωρητικής τιµής της αντοχής τους σε µονοαξονικό εφελκυσµό. Όµως η ποσότητα των ινών των αγκυρίων φάνηκε να επηρεάζει την µέση τάση αστοχίας τους. Τα πειράµατα έδειξαν πως µικρά αγκύρια αστοχούν σε µέσες τάσεις µεγαλύτερες από εκείνες που αστοχούν τα µεγαλύτερα αγκύρια. Για την ακρίβεια, τα προερχόµενα από ύφασµα πλάτους 80 mm αγκύρια έφθασαν στο 52% της θεωρητικής εφελκυστικής τους αντοχής, ενώ τα προερχόµενα από ύφασµα πλάτους 160 mm αστόχησαν στο 37% της θεωρητικής τους αντοχής. Η πρόωρη αυτή αστοχία των αγκυρίων λόγω θραύσης, προτού εξαντλήσουν την θεωρητική αντοχή τους σε µονοαξονικό εφελκυσµό, οφείλεται στην ανοµοιόµορφη κατανοµή των τάσεων στη διατοµή του αγκυρίου (άλλες ίνες είναι ευθύγραµµες και τεντωµένες ενώ άλλες όχι) όπως επίσης και στην πολυαξονική εντατική κατάσταση στην οποία υπόκεινται οι ίνες στην περιοχή που το αγκύριο εξέρχεται της οπής εφαρµογής του. Είναι αξιοσηµείωτο το γεγονός πως επήλθε σηµαντική αποµοίωση της αντοχής του υλικού, παρά το γεγονός πως τα αγκύρια είχαν πάρει µορφή ρολού και οι ίνες τους βρίσκονταν στη µέγιστη δυνατή ευθυγραµµία, τόσο µεταξύ τους όσο και µε τη διεύθυνση της φόρτισης. Στην πράξη όµως, οι ίνες των αγκυρίων απλώνονται στο υπό ενίσχυση µέλος ακτινικά (Εικ. 2.1, Εικ. 2.2), µε αποτέλεσµα να αναµένεται ακόµα µεγαλύτερη υποβάθµιση της αντοχής του υλικού σε εφαρµογές πεδίου. Οι Ozbakkaloglu και Saatcioglu (2007), πραγµατοποίησαν πειράµατα εξόλκευσης (direct pullout tests) αγκυρίων ινών άνθρακα σε µήτρα εποξειδικής ρητίνης αγκυρωµένων σε δοκίµια σκυροδέµατος. Παρασκευάστηκαν συνολικά 81 αγκύρια διαφόρων µεγεθών, τυλίγοντας σε µορφή ρολού λωρίδες υφάσµατος ανθρακονηµάτων µίας διεύθυνσης. Οι παράµετροι που µελετήθηκαν, όσον αφορά την επίδραση που έχουν στη µηχανική συµπεριφορά των αγκυρίων, ήταν το βάθος της οπής εφαρµογής τους, η διάµετρός τους, η γωνία τοποθέτησής τους σε σχέση µε τη διεύθυνση φόρτισης και η θλιπτική αντοχή του σκυροδέµατος. Παρασκευάστηκαν αγκύρια µε ονοµαστική διάµετρο 12.7 mm, 15.9 mm και 19.1 mm. Τα δοκίµια σκυροδέµατος διέφεραν ως προς τη θλιπτική αντοχή τους, η οποία κυµαινόταν από 27 MPa έως 60 MPa την ηµέρα της δοκιµής και είχαν κυλινδρική µορφή επαρκών διαστάσεων ώστε να µην επηρεάζεται η λειτουργία των αγκυρίων. Τα εµποτισµένα µε ρητίνη αγκύρια, τοποθετούνταν σε οπές επί των δοκιµίων σκυροδέµατος, µε βάθος κυµαινόµενο από 25 mm έως 100 mm. Μετά τη σκλήρυνση της ρητίνης, τα αγκύρια υπεβλήθησαν σε δοκιµές απευθείας εξόλκευσής τους από τα δοκίµια σκυροδέµατος. Και εδώ παρατηρήθηκαν και οι δύο ανωτέρω αναφερόµενοι πιθανοί τύποι

62 Κεφάλαιο 3 ο - Προγενέστερη έρευνα 41 αστοχίας. Ο πρώτος έχει να κάνει µε θραύση του αγκυρίου, πράγµα που σηµαίνει πως ο δεσµός σκυροδέµατος αγκυρίου κατέστη επαρκής, ώστε να εξαντλήσει το αγκύριο την εφελκυστική του αντοχή. Κατά τον δεύτερο τρόπο αστοχίας, έλαβε χώρα εξόλκευση του αγκυρίου, πριν αυτό εξαντλήσει την αντοχή του. Από το σύνολο των πειραµάτων που διεξήχθησαν διαπιστώθηκαν τα εξής: Τα αγκύρια από ινοπλισµένα πολυµερή δύνανται να αναλάβουν µέσες τάσεις συνάφειας µε το σκυρόδεµα αγκύρωσής τους της τάξης των 10 MPa µε 15 MPa, ανάλογα µε τη διάµετρο και το βάθος έµπηξής τους. Η µέση αυτή τάση συνάφειας µειώνεται, καθώς αυξάνεται η διάµετρος του αγκυρίου και όσο αυξάνεται το βάθος έµπηξης. Η θλιπτική αντοχή του σκυροδέµατος δεν έδειξε να επηρεάζει σηµαντικά τη λειτουργία των αγκυρίων. Η κεκλιµένη τοποθέτηση των αγκυρίων, για τιµές κλίσης µέχρι 15 ο, δεν έδειξε να επηρεάζει την αντοχή τους. Η συµπεριφορά των αγκυρίων φάνηκε να επηρεάζεται ιδιαίτερα από τη διαδικασία εφαρµογής τους. Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι κακή εφαρµογή είχε σαν επακόλουθο πτώση της αντοχής των αγκυρίων µέχρι και 50%. Έγινε σαφές πως απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή και επιµέλεια κατά την εφαρµογή ενός τέτοιου συστήµατος ενίσχυσης ώστε αυτό να αποδώσει το µέγιστο της αποτελεσµατικότητάς του. Ειδικά για τα αγκύρια εκείνα που αστόχησαν λόγω θραύσης των ινών τους, αξίζει να παρατηρήσουµε πως η αστοχία τους και σε αυτή την πειραµατική έρευνα επήλθε σε πολύ χαµηλότερες τιµές µέσων τάσεων και παραµορφώσεων από τις πειραµατικές του ιδίου υλικού σε καθαρό εφελκυσµό. Φυσικά, το γεγονός αυτό είναι αναµενόµενο και δικαιολογήθηκε προηγουµένως. Ενδεικτικά αναφέρεται πως τα πειραµατικά αποτελέσµατα έδωσαν µέσες τάσεις αστοχίας που κυµαίνονταν από 30% έως 50% της θεωρητικής αντοχής του υλικού. Και εδώ, όπως και πριν, πρέπει να τονιστεί πως επήλθε µια τέτοια αποµοίωση της αντοχής του υλικού, παρά το γεγονός πως τα αγκύρια είχαν πάρει µορφή ρολού και καταπονούνταν κατά το δυνατόν σε καθαρό εφελκυσµό. Επειδή στην πράξη όµως, οι ίνες των αγκυρίων απλώνονται ακτινικά στο υπό ενίσχυση µέλος, αναµένεται ακόµα µεγαλύτερη υποβάθµιση της αντοχής του υλικού σε εφαρµογές πεδίου. Οι Orton et al. (2008) µέσω πειραµατικών δοκιµών, συνέκριναν την αποτελεσµατικότητα των αγκυρίων (CFRP anchors) µε αυτή της χρήσης εγκάρσιων οπλισµών διάτµησης από σύνθετα υλικά (U-wraps), στην εξασφάλιση υφάσµατος CFRP

63 Κεφάλαιο 3 ο - Προγενέστερη έρευνα 42 επικολληµένου στην κάτω παρειά δοκού ως πρόσθετου οπλισµού κάµψης έναντι πρόωρης αποκόλλησής του. Μάλιστα, η σύγκριση των δύο µεθόδων έγινε και βάσει της χρησιµοποιούµενης σε κάθε περίπτωση ποσότητας υλικού. Τα πειράµατα κατέδειξαν τη χρήση αγκυρίων σαν ένα αποτελεσµατικό τρόπο εξασφάλισης της διαµήκους ενίσχυσης της δοκού έναντι αποκόλλησης. Για την ακρίβεια: ύο σειρές αγκυρίων, από δύο αγκύρια η κάθε µία, µε ποσότητα ινών το καθένα ίση µε το 66.5% της ποσότητας ινών του υφάσµατος (συνολική ποσότητα ινών 266% των ινών του υφάσµατος), εξάντλησαν πλήρως την αντοχή του υφάσµατος, το οποίο αστόχησε λόγω θραύσης. ύο σειρές αγκυρίων από τρία αγκύρια η κάθε µία, µε ποσότητα ινών το καθένα ίση µε το 33% της ποσότητας ινών του υφάσµατος (συνολική ποσότητα ινών 200% των ινών του υφάσµατος), εξάντλησαν πλήρως την αντοχή του υφάσµατος, το οποίο αστόχησε λόγω θραύσης. ύο σειρές αγκυρίων από δύο αγκύρια η κάθε µία, µε ποσότητα ινών το καθένα ίση µε το 50% της ποσότητας ινών του υφάσµατος (συνολική ποσότητα ινών 200% των ινών του υφάσµατος), δεν εξάντλησαν πλήρως την αντοχή του υφάσµατος, το οποίο αστόχησε λόγω αποκόλλησης σε τάση που αντιστοιχεί στο 84% της αντοχής του. ύο ακόµη µεγαλύτερα αγκύρια, µε ποσότητα ινών το καθένα ίση µε το 100% της ποσότητας ινών του υφάσµατος (συνολική ποσότητα ινών 200% των ινών του υφάσµατος), δεν εξάντλησαν πλήρως την αντοχή του υφάσµατος, το οποίο αστόχησε λόγω αποκόλλησης σε τάση που αντιστοιχεί στο 71% της αντοχής του. Ως γενικό συµπέρασµα προκύπτει, πως µικρότερα και σε µικρότερες µεταξύ τους αποστάσεις αγκύρια είναι πιο αποδοτικά. Ακόµα, παρατηρείται για άλλη µια φορά, πως τα αγκύρια, λόγω του τρόπου εφαρµογής και καταπόνησής τους, αστοχούν σε µέσες τάσεις κατά πολύ χαµηλότερες από την θεωρητική αντοχή τους σε µονοαξονικό εφελκυσµό. Τέλος, οι Colomb, Ferrier και Hamelin (2008), µέσω πειραµατικών δοκιµών που διεξήγαγαν, αξιολόγησαν την αποτελεσµατικότητα των αγκυρίων ινών άνθρακα ως µέσου µεταφοράς δυνάµεων και συνεργασίας ανεξαρτήτων µελών σκυροδέµατος. Σε κάθε πειραµατική δοκιµή, συνέδεσαν δύο ανεξάρτητα blocks σκυροδέµατος, το ένα τύπου υποστυλώµατος και το άλλο τύπου θεµελίου, µέσω αγκυρίων CFRP. Με χρήση εµβόλου, επέβαλαν εφελκυστικές δυνάµεις στο τύπου υποστυλώµατος block σκυροδέµατος, ενώ το θεµέλιό του ήταν πακτωµένο. Οι εφελκυστικές αυτές δυνάµεις, µεταφέρονταν από το υποστύλωµα στο θεµέλιο µέσω των αγκυρίων. Εµφανίστηκαν διάφορες µορφές αστοχίας

64 Κεφάλαιο 3 ο - Προγενέστερη έρευνα 43 στα δοκίµια, οι οποίες έχουν να κάνουν µε θραύση των αγκυρίων, µε αποκόλληση αυτών από το υποστύλωµα και µε εξόλκευση των αγκυρίων απ το θεµέλιο. Από τις πειραµατικές δοκιµές εκείνες που η αστοχία επήλθε µε θραύση των αγκυρίων, εκτιµάται πως η αντοχή αυτών σε εφελκυσµό κυµαίνεται στο 32% µε 46% της θεωρητικής τους αντοχής, γεγονός που συνάδει µε τα συµπεράσµατα των ανωτέρω αναφερθέντων ερευνητών, σχετικά µε τη λειτουργία των αγκυρίων ινών άνθρακα σε εφελκυσµό. 3.3 ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΕΝΑΝΤΙ ΚΑΜΨΗΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Μια αποτελεσµατική µέθοδος καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων µε χρήση συνθέτων υλικών, προϋποθέτει αφενός την επικόλληση του συνθέτου υλικού στις παρειές του υποστυλώµατος, ώστε αυτό να παραλάβει τις εφελκυστικές τάσεις που δηµιουργούνται κατά την κάµψη του µέλους, και αφετέρου την επαρκή αγκύρωση του συνθέτου υλικού αυτού στον κόµβο. Κάτωθι αναφέρονται σχετικές πειραµατικές έρευνες που έχουν γίνει µέχρι σήµερα: Οι Barros et al. (2006), υπέβαλαν σε ανακυκλιζόµενη φόρτιση υπό σταθερό αξονικό φορτίο υποστυλώµατα µέσης κλίµακας (δοκίµια τύπου προβόλου ύψους 1 m). Τα δοκίµια είχαν ενισχυθεί µε χρήση πρόσθετων ελασµάτων άνθρακα σε εγκοπές (NSM), τα οποία αγκυρώθηκαν σε οπές στο θεµέλιο των υποστυλωµάτων. Στη συγκεκριµένη εργασία αναφέρεται σηµαντική αύξηση της καµπτικής αντίστασης των ενισχυµένων δοκιµίων. Οι Bournas et al. (2008) µελέτησαν την αποτελεσµατικότητα της καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων µε χρήση πρόσθετου οπλισµού σε εγκοπές (NSM). Υπέβαλαν 11 συνολικά δοκίµια τύπου υποστυλώµατος πλήρους κλίµακας (διατοµής 25 cm x 25 cm και ύψους 160 cm), µε ανεπαρκείς λεπτοµέρειες όπλισης, εδραζόµενα επί θεµελίων οπλισµένου σκυροδέµατος, σε ανακυκλιζόµενη φόρτιση αυξανόµενου εύρους υπό την επίδραση σταθερού αξονικού φορτίου. Τα δοκίµια ενισχύθηκαν µε τη µέθοδο των NSM. Ως πρόσθετος οπλισµός χρησιµοποιήθηκαν ελάσµατα άνθρακα, ράβδοι γυαλιού και ράβδοι ανοξείδωτου χάλυβα. Σε ορισµένα δοκίµια, παράλληλα µε τον πρόσθετο οπλισµό σε εγκοπές, εφαρµόστηκε στη βάση του υποστυλώµατος τοπικός µανδύας ινοπλεγµάτων σε ανόργανη µήτρα. Χρήσιµα για την παρούσα διατριβή συµπεράσµατα της εν λόγω εργασίας είναι τα εξής:

65 Κεφάλαιο 3 ο - Προγενέστερη έρευνα 44 Καταδεικνύεται η αποτελεσµατικότητα της µεθόδου των NSM, καθώς επετεύχθη (στις ευνοϊκότερες των περιπτώσεων), για χρήση ανοξείδωτου χάλυβα βαθµός ενίσχυσης µε τιµή 2.01 και για χρήση ελασµάτων άνθρακα βαθµός ενίσχυσης µε τιµή Ο συνδυασµός πρόσθετων οπλισµών σε εγκοπές µε παράλληλη εφαρµογή τοπικού µανδύα απεδείχθη ιδιαίτερα αποτελεσµατικός, επιτρέποντας την αύξηση της καµπτικής αντίστασης του µέλους χωρίς µείωση της διαθέσιµης ικανότητας παραµόρφωσης. Ο τοπικός µανδύας, εκτός του ρόλου που παίζει στην περίσφιγξη του σκυροδέµατος, εµποδίζει τα σύνθετα υλικά από πρόωρη αποκόλληση, όταν αυτά βρεθούν σε συνθήκες θλίψης. Η αστοχία των συνθέτων υλικών λόγω θραύσης συνέβη σε αρκετά µικρότερες τιµές τάσεων και παραµορφώσεων από τις αντίστοιχες του ιδίου υλικού σε µονοαξονικό εφελκυσµό. Η µείωση αυτή που παρατηρήθηκε ήταν της τάξης του 50%. Κύριο αίτιο αυτής ήταν η ανακυκλιζόµενη φόρτιση στην οποία υπεβλήθησαν τα δοκίµια και κατ επέκταση και οι πρόσθετοι οπλισµοί σε εγκοπές. Οι Manos et al. (2008) υπέβαλαν σε πειραµατικές δοκιµές υποστυλώµατα που είχαν ενισχυθεί µε ύφασµα CFRP, το οποίο είχε επικολληθεί στις παρειές τους στο ρόλο πρόσθετου οπλισµού κάµψης. Τα υποστυλώµατα ήταν τύπου προβόλου (διατοµής 200 mm x 500 mm και ύψους 1815 mm) εδραζόµενα επί ισχυρού θεµελίου. Τα δοκίµια υπεβλήθησαν σε ανακυκλιζόµενη φόρτιση αυξανόµενου εύρους υπό την επίδραση σταθερού αξονικού φορτίου. Η αγκύρωση του λειτουργούντος ως πρόσθετου οπλισµού κάµψης υφάσµατος στο θεµέλιο, επιτεύχθη µε διάφορες µεθόδους (µε αναδίπλωση του υφάσµατος στο θεµέλιο, µε χρήση µεταλλικών δοκών καθώς και µε τη χρήση ενός νέου συστήµατος αγκύρωσης) και περαιτέρω ανάλυση ξεφεύγει από το σκοπό του παρόντος συγγράµµατος. Οι πειραµατικές δοκιµές που έλαβαν χώρα κατέδειξαν την επικόλληση υφάσµατος συνθέτου υλικού στις παρειές υποστυλωµάτων, ως έναν αποτελεσµατικό τρόπο αναβάθµισης της καµπτικής αντίστασης αυτών, υπό την προϋπόθεση ότι εξασφαλίζεται επαρκής αγκύρωση του υφάσµατος αυτού πέραν της κρίσιµης διατοµής, που θα του επιτρέψει να παραλάβει σηµαντικές εφελκυστικές τάσεις, αξιοποιώντας και εξαντλώντας κατά το δυνατόν την αντοχή του. Μάλιστα, το σύστηµα αγκύρωσης που χρησιµοποιείται κάθε φορά, φαίνεται να είναι και το κρισιµότερο κοµµάτι µιας τέτοιου τύπου ενίσχυσης. Οι Prota et al. (2003) διερεύνησαν πειραµατικά µια υβριδική µέθοδο καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων µε χρήση αγκυρίων από ίνες χάλυβα (steel spikes) και τοπικού

66 Κεφάλαιο 3 ο - Προγενέστερη έρευνα 45 µανδύα GFRP. H πειραµατική έρευνα περιελάµβανε ένα σύνολο 8 δοκιµίων υποστυλωµάτων τύπου προβόλου, διατοµής 300 mm x 300 mm και ύψους 2.0 m, τα οποία σχεδιάστηκαν µε ανεπαρκείς λεπτοµέρειες όπλισης και εδράζονταν επί ισχυρού θεµελίου. Η υπό µελέτη µέθοδος ενίσχυσης, περιελάµβανε αγκύρια ινών χάλυβα επικολληµένα µε ρητίνη στις πλέον παραµορφούµενες παρειές του µέλους, στο ρόλο του πρόσθετου εφελκυόµενου και θλιβόµενου οπλισµού, τα οποία αγκυρώνονταν σε οπές επί του θεµελίου. Περιµετρικά αυτών, εφαρµόστηκε τοπικός µανδύας ινοπλισµένων πολυµερών από γυαλί, µε σκοπό την αύξηση της πλαστιµότητας του µέλους, µέσω δυνάµεων περίσφιγξης, αλλά και την εξασφάλιση των αγκυρίων έναντι αποκόλλησης από την επιφάνεια εφαρµογής τους. Το πειραµατικό πρόγραµµα περιελάµβανε δοκιµές µονοτονικού αλλά και ανακυκλιζόµενου χαρακτήρα. Το εξαγχθέν εκ των πειραµατικών δοκιµών συµπέρασµα, ήταν το ότι η µέθοδος αυτή κρίνεται ως ιδιαίτερα αποτελεσµατική, καθώς επετεύχθη βαθµός ενίσχυσης της τάξης του 1.22 µε 1.54, µε ταυτόχρονη αύξηση της µετακίνησης όπου παρουσιάζεται η µέγιστη καµπτική αντίσταση. Η µέθοδος της καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων οπλισµένου σκυροδέµατος µέσω επικόλλησης ελασµάτων συνθέτων υλικών στις παρειές τους έχει διερευνηθεί πειραµατικά και σε επίπεδο κατασκευής από τους Mazzolani et al. Οι Mazzolani et al. (2004) διεξήγαγαν πειραµατικές δοκιµές σε πραγµατικές κατασκευές οπλισµένου σκυροδέµατος. Στα πλαίσια ευρύτερου ερευνητικού προγράµµατος, έγιναν και τα κάτωθι, µε σκοπό τη διερεύνηση της αποτελεσµατικότητας συγκεκριµένης µεθόδου καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων µε σύνθετα υλικά: Το σύνολο των πειραµατικών δοκιµών διεξήχθη επί ενός δοκιµίου πραγµατικής κλίµακας. Επρόκειτο για (πραγµατική) διώροφη πλαισιακή κατασκευή οπλισµένου σκυροδέµατος, κατασκευασµένη τη δεκαετία του 60 στην Ιταλία, µε ανεπαρκείς λεπτοµέρειες όπλισης. Η κατασκευή, κάτοψης 530 cm x 640 cm, µε δοκιδωτές πλάκες µίας διεύθυνσης στους ορόφους αποτελείτο από τέσσερα υποστυλώµατα ανά όροφο, διατοµής 300 mm x 300 mm και όπλισης 4Φ12 και Φ8/20cm (διαµήκεις ράβδοι και συνδετήρες αντίστοιχα). Οι συνδεόµενες στα υποστυλώµατα δοκοί ήταν σαφώς ισχυρότερες, διατοµής 300 mm x 500 mm και όπλισης 2Φ8 στο άνω και 2Φ8+1Φ12 στο κάτω πέλµα, χωρίς να συµπεριληφθούν οι οπλισµοί του συνεργαζόµενου πλάτους των πλακών. Αρχικά το δοκίµιο επεβλήθη σε δοκιµή αυξανόµενης µονοτονικά πλευρικής µετακίνησης της κορυφής του (push over) µέχρι επίτευξης του µέγιστου φορτίου. Η συγκέντρωση της βλάβης, όπως ήταν αναµενόµενο, έγινε στις κρίσιµες περιοχές των

67 Κεφάλαιο 3 ο - Προγενέστερη έρευνα 46 υποστυλωµάτων, κάνοντας προφανή τη µορφή του µηχανισµού αστοχίας του κτιρίου ως µηχανισµού υποστυλωµάτων (µηχανισµός ορόφου). Στη συνέχεια, αφού επισκευάσθηκαν οι όποιες βλάβες, τα υποστυλώµατα ενισχύθηκαν καµπτικά µέσω επικόλλησης ελασµάτων CFRP στις µη συνδεόµενες µε δοκούς παρειές τους. Τα ελάσµατα διατηρούσαν τη συνέχειά τους από τον ένα όροφο στον άλλον. Για το σκοπό αυτό είχαν ανοιχτεί οπές στις πλάκες σκυροδέµατος. Έτσι, στις πλέον παραµορφούµενες παρειές των υποστυλωµάτων, επικολλήθηκαν από τέσσερα ελάσµατα CFRP, διαστάσεων 50 mm x 1.4 mm. Περιµετρικά των υποστυλωµάτων εφαρµόστηκε µανδύας CFRP µορφής λωρίδων. Το ενισχυµένο δοκίµιο υπεβλήθη και αυτό στην ίδια ιστορία φόρτισης. Η συµπεριφορά του κατέδειξε την αποτελεσµατικότητα της χρησιµοποιούµενης µεθόδου ενίσχυσης. Η ενισχυµένη κατασκευή παρουσίασε σχεδόν διπλάσια τέµνουσα βάσης, συγκριτικά µε την µη ενισχυµένη, κατά την αστοχία της, µε ταυτόχρονο (σχεδόν) διπλασιασµό της µετακίνησης κορυφής κατά την αστοχία. Συνολικά, παρατηρήθηκε δραµατική αύξηση της αντοχής, της δυσκαµψίας και της ικανότητας παραµόρφωσης του κτιρίου, µε ταυτόχρονη αύξηση της συνολικής απορροφώµενης ενέργειας. Ίσως όµως, το σηµαντικότερο όλων είναι, πως επετεύχθη η αλλαγή του µηχανισµού κατάρρευσης της κατασκευής. Το σύνολο των βλαβών παρατηρήθηκε στις δοκούς, σε αντίθεση µε τον προηγούµενα παρατηρούµενο µηχανισµό κατάρρευσης τύπου ορόφου. Έτσι, καταδείχθηκε πως είναι δυνατή η ικανοποίηση των απαιτήσεων του ικανοτικού σχεδιασµού, σε κατασκευές διαστασιολογηµένες βάσει παλαιότερων κανονισµών, µέσω καµπτικής ενίσχυσης των υποστυλωµάτων µε χρήση συνθέτων υλικών. 3.4 ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΗΣ ΠΛΑΣΤΙΚΗΣ ΑΡΘΡΩΣΗΣ ΜΕ ΜΑΝ ΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Γύρω από το θέµα της εφαρµογής µανδυών συνθέτων υλικών σε οργανική µήτρα στην περιοχή της πλαστικής άρθρωσης ανεπαρκώς οπλισµένων υποστυλωµάτων, µε σκοπό την περίσφιγξη του σκυροδέµατος αυτών, την αποτροπή της αστοχίας τους λόγω σύνθλιψης του σκυροδέµατος της θλιβόµενης ζώνης, την καθυστέρηση του λυγισµού των διαµήκων ράβδων οπλισµού και γενικότερα την αύξηση της πλαστιµότητας των υποστυλωµάτων, στη διεθνής βιβλιογραφία διατίθενται αρκετά στοιχεία. Ενδεικτικά αναφέρονται τα κάτωθι:

68 Κεφάλαιο 3 ο - Προγενέστερη έρευνα 47 O Sheikh (2006), πραγµατοποίησε πειράµατα σε τετραγωνικά και κυκλικά υποστυλώµατα περισφιγµένα µε σύνθετα υλικά από υφάσµατα άνθρακα και γυαλιού στην περιοχή της πλαστικής άρθρωσης. Τα τετραγωνικά υποστυλώµατα είχαν διαστάσεις διατοµής 305 mm x 305 mm και τα κυκλικά είχαν διάµετρο 356 mm. Το ύψος των δοκιµίων ήταν 1.47 m και θεµελιώνονταν σε ισχυρό πέδιλο. Από το σύνολο των πειραµάτων διαπιστώθηκαν τα εξής: Σε σύγκριση µε τα δοκίµια ελέγχου, τα ενισχυµένα δοκίµια είχαν µικρότερη αποµείωση της αντοχής και της πλαστιµότητας. Η ενέργεια που καταναλώθηκε στα ενισχυµένα δοκίµια ήταν περισσότερη από 100 φορές αυξηµένη. Ο δείκτης πλαστιµότητας αυξήθηκε µέχρι και 6 φορές. Η επιρροή της περίσφιγξης ήταν µεγαλύτερη στα κυκλικά υποστυλώµατα. Η αύξηση του αξονικού φορτίου οδήγησε σε σηµαντική µείωση της πλαστιµότητας. Συγκεκριµένα, η αύξηση του ανηγµένου αξονικού από 0.33 σε 0.56 οδήγησε σε µείωση της πλαστιµότητας και της καταναλωµένης ενέργειας κατά 60% και 75% αντίστοιχα. ιαπιστώθηκε ότι η απαιτούµενη ποσότητα συνθέτων υλικών µε ίνες γυαλιού είναι διπλάσια έναντι αυτής του άνθρακα, για την εξασφάλιση περίσφιγξης ιδίας αποτελεσµατικότητας. Οι Memon και Sheikh (2005), εξέτασαν την αποτελεσµατικότητα των συνθέτων υλικών µε ίνες γυαλιού, στην περίσφιγξη υποστυλωµάτων στην πλαστική άρθρωση. Οι δοκιµές πραγµατοποιήθηκαν σε οκτώ δοκίµια µε ανεπαρκείς λεπτοµέρειες όπλισης. Ορισµένα από τα δοκίµια είχαν υποστεί βλάβη προ της ενίσχυσής τους. Μετά το πέρας των πειραµατικών δοκιµών, οι ερευνητές προέβησαν στα ακόλουθα συµπεράσµατα: Η περίσφιγξη βελτίωσε την συµπεριφορά των υποστυλωµάτων όσον αφορά την αντοχή και την παραµορφωσιµότητα και οδήγησε στην καθυστέρηση του λυγισµού των διαµήκων ράβδων. Η συµπεριφορά των δοκιµίων που είχαν υποστεί πρότερη βλάβη ήταν υποδεέστερη αυτών που φορτίστηκαν µετά την ενίσχυσή τους. Ωστόσο, σε σχέση µε τα δοκίµια ελέγχου τα οποία δεν ήταν ενισχυµένα, η συµπεριφορά των πρότερα βλαβέντων και έπειτα ενισχυµένων δοκιµίων ήταν σαφώς καλύτερη. Η αύξηση του αξονικού φορτίου οδηγεί σε σηµαντική µείωση της πλαστιµότητας. Η σεισµική συµπεριφορά υποστυλωµάτων µε ανεπαρκείς λεπτοµέρειες όπλισης περισφιγµένων µε σύνθετα υλικά µπορεί ακόµη και να ξεπεράσει αυτή των

69 Κεφάλαιο 3 ο - Προγενέστερη έρευνα 48 υποστυλωµάτων τα οποία είναι σχεδιασµένα µε τους σύγχρονους κανονισµούς και έχουν επαρκές ποσοστό εγκάρσιου οπλισµού. Οι Iacobucci et al. (2003), διεξήγαγαν πειράµατα σε οκτώ υποστυλώµατα πραγµατικής κλίµακας. Κάποια από τα δοκίµια ενισχύθηκαν µε στρώσεις υφάσµατος άνθρακα, κάποια είχαν υποστεί πρότερη βλάβη πριν να ενισχυθούν, ενώ κάποια άλλα χρησίµευσαν ως δοκίµια αναφοράς (Control). Οι δοκιµές έγιναν υπό την επίδραση σταθερού αξονικού φορτίου και πλευρικά εφαρµοζόµενων µετακινήσεων αυξανόµενου εύρους. Τα γενικότερα συµπεράσµατα που είναι τα ακόλουθα: Η ενίσχυση µε ανθρακονήµατα οδήγησε σε σηµαντική αύξηση της πλαστιµότητας, της ενέργειας παραµόρφωσης και στην καθυστέρηση του λυγισµού των διαµήκων ράβδων. Η σεισµική συµπεριφορά δοκιµίων τα οποία είχαν υποστεί βλάβη πριν την ενίσχυσή τους ήταν αρκετά βελτιωµένη. Η αύξηση του αξονικού φορτίου, η οποία προκαλεί µείωση της πλαστιµότητας, οδηγεί σε σηµαντική αύξηση του απαιτούµενου αριθµού των στρώσεων υφάσµατος άνθρακα έτσι ώστε το δοκίµιο να έχει την ίδια συµπεριφορά µε πριν. Οι Bousias et al. (2004), δοκίµασαν την µέθοδο ενίσχυσης µε µανδύες συνθέτων υλικών σε υποστυλώµατα διατοµής 25 cm x 50 cm. Τα δοκίµια ενισχύθηκαν στη βάση τους και σε ύψος 60 cm. Οι µανδύες αποτελούνταν από υφάσµατα ανθρακονηµάτων και υαλονηµάτων διαφόρων στρώσεων. Σε ορισµένα από τα δοκίµια είχε προηγηθεί διαδικασία επιταχυµένης διάβρωσης. Άλλα δοκίµια ενισχύθηκαν ως είχαν, ενώ άλλα είχαν υποστεί πρότερη βλάβη προ της ενίσχυσής τους. Τα δοκίµια, τα οποία εξετάσθηκαν στην ισχυρή τους διεύθυνση, εµφάνισαν υπερδιπλασιασµό της µέγιστης µετακίνησης κορυφής τους και µικρή αύξηση της καµπτικής τους αντοχής. Σηµαντικές ήταν οι διαπιστώσεις, όσον αφορά του τύπο του χρησιµοποιούµενου συνθέτου υλικού. Συγκεκριµένα, για τον ίδιο αριθµό στρώσεων, οι µανδύες που αποτελούνταν από ανθρακονήµατα είχαν σαφέστατα πιο ευεργετική συµπεριφορά από τους µανδύες από υαλονήµατα. Ακόµη, από τα πειράµατα συµπεραίνεται ότι η αύξηση του αριθµού των στρώσεων δεν είναι ανάλογη του βαθµού της ενίσχυσης που προσφέρει ο µανδύας. Υπάρχει ένα πάνω όριο στο βαθµό ενίσχυσης που µπορεί να επιτευχθεί. Τέλος, όσον αφορά τα δοκίµια τα οποία ενισχύθηκαν µετά την ρηγµάτωσή τους, παρατηρήθηκε ότι ο µανδύας είναι ικανός όχι µόνο να επαναφέρει το δοκίµιο στα αρχικά επίπεδα φέρουσας ικανότητάς του, αλλά και να επιφέρει αύξηση της πλαστιµότητάς του.

70 Κεφάλαιο 3 ο - Προγενέστερη έρευνα 49 Οι Faella et al. (2006), υπέβαλαν σε δοκιµές ανακυκλιζόµενης πλευρικής µετακίνησης µε ταυτόχρονη παρουσία θλιπτικού αξονικού φορτίου, τέσσερα υποστυλώµατα διαστάσεων διατοµής 300 mm x 300 mm, ύψους 2200 mm, τα οποία θεµελιώνονταν σε ισχυρό πέδιλο. Τα υποστυλώµατα είχαν διαµήκη οπλισµό αποτελούµενο από λείες ράβδους. Τα δύο πρώτα δοκίµια χρησιµοποιήθηκαν ως ελέγχου ενώ τα υπόλοιπα δύο ενισχύθηκαν µε τέσσερις και δύο στρώσεις υφάσµατος γυαλιού µίας διεύθυνσης σε ύψος ίσο µε 500 mm από την βάση, ενώ στο υπόλοιπο ύψος του υποστυλώµατος τοποθετήθηκαν µανδύες σε λωρίδες συνθέτων υλικών πλάτους 150 mm, ανά 200 mm. Όλα τα ενισχυµένα δοκίµια, παρουσίασαν αύξηση της πλαστιµότητας και µικρή αύξηση της αντοχής τους. Σε όλα τα δοκίµια εµφανίστηκε σηµαντική ρωγµή στη βάση τους, εύρους της τάξης των 15 mm για µεγάλες µετακινήσεις κορυφής, η οποία οφείλετο σε µεγάλο βαθµό στη χρήση λείου χάλυβα. Οι Yalcin και Kaya (2004), εξέτασαν την συµπεριφορά δύο υποστυλωµάτων µε ανεπαρκείς λεπτοµέρειες όπλισης, διαστάσεων διατοµής 200 mm x 400 mm και ύψους 1900 mm σε ανακυκλιζόµενη πλευρική φόρτιση υπό σταθερό αξονικό φορτίο. Το ένα υποστύλωµα εξετάσθηκε χωρίς ενίσχυση, ενώ το άλλο ενισχύθηκε µε τρεις στρώσεις υφάσµατος άνθρακα στην πλαστική άρθρωση σε ύψος 500 mm. Η πειραµατική διαδικασία κατέδειξε τα εξής: Μέχρι ποσοστού ανηγµένης µετακίνησης 1% η συµπεριφορά των δύο δοκιµίων σε όρους πλευρικού φορτίου-µετακίνησης ήταν παρόµοια. Το ενισχυµένο δοκίµιο εµφάνισε µεγαλύτερη πλαστιµότητα και υψηλότερη απορρόφηση ενέργειας. Το φορτίο αστοχίας παρέµεινε περίπου το ίδιο (75 kn). Οι Elnabelsy and Saatcioglu (2004), εξέτασαν την συµπεριφορά ενός κυκλικού και ενός τετραγωνικού υποστυλώµατος µε συνεχή διαµήκη οπλισµό τα οποία προσοµοίωναν υποστυλώµατα γεφυρών µε λεπτοµέρειες όπλισης πριν του Η κυρίαρχη συµπεριφορά των υποστυλωµάτων αυτών ήταν καµπτική. Τα υποστυλώµατα ενισχύθηκαν στην περιοχή της πλαστικής άρθρωσης. Συγκεκριµένα, το τετραγωνικό υποστύλωµα ενισχύθηκε µε τρεις στρώσεις υφάσµατος άνθρακα ενώ το κυκλικό µε δύο στρώσεις. Τα υποστυλώµατα υπεβλήθησαν σε σταθερά αυξανόµενη πλευρική µετακίνηση της κορυφής τους µε ταυτόχρονη παρουσία σταθερού θλιπτικού αξονικού φορτίου. Η παραµόρφωση του µανδύα άρχισε να γίνεται ορατή µόνο στις υψηλές ανελαστικές παραµορφώσεις. Η βλάβη ήταν συγκεντρωµένη στην περιοχή της πλαστικής άρθρωσης. Ο µανδύας άρχισε να

71 Κεφάλαιο 3 ο - Προγενέστερη έρευνα 50 διογκώνεται σταδιακά λόγω του λυγισµού των διαµήκων ράβδων και τελικά επήλθε η θραύση του. Στο κυκλικό υποστύλωµα, λόγω της οµοιοµορφίας των τάσεων περίσφιγξης από τον µανδύα, η διόγκωση αυτή ήταν εµφανώς µικρότερη σε σχέση µε το τετραγωνικό, στο οποίο η διόγκωση ήταν πιο έντονη στις ακµές. Η αύξηση της ανηγµένης παραµόρφωσης αστοχίας ήταν τέσσερις έως έξι φορές µεγαλύτερη σε σχέση µε αντίστοιχα υποστυλώµατα χωρίς ενίσχυση. 3.5 ΣΥΝΟΨΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ Στο κεφάλαιο αυτό, συνοψίζονται στοιχεία από τη διεθνή βιβλιογραφία, σχετικά µε προγενέστερες έρευνες που έχουν λάβει χώρα και που έχουν άµεση σχέση µε το αντικείµενο της παρούσας διατριβής. Γίνεται αναφορά σε πειράµατα που έχουν διεξαχθεί σχετικά µε: Τη χρήση αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών σε εποξειδική µήτρα: Τα αγκύρια αυτά έχουν χρησιµοποιηθεί σε διαφόρους τύπους ενισχύσεων. Κατά κανόνα, σκοπός εφαρµογής τους είναι η βελτίωση των συνθηκών αγκύρωσης συνθέτων υλικών. Από το σύνολο των αναφερθέντων πειραµάτων, σηµαντικά συµπεράσµατα για την παρούσα διατριβή αποτελούν τα εξής: Υπό την προϋπόθεση πως θα εξασφαλισθούν έναντι ολίσθησης από την οπή εφαρµογής τους (µέσω επαρκούς βάθους αγκύρωσης), τα αγκύρια αυτά αποτελούν αποτελεσµατικό µέσον αγκύρωσης συνθέτων υλικών και µεταφοράς δυνάµεων. οκιµές αγκυρίων σε συνθήκες φόρτισης παρόµοιες µε αυτές που πραγµατεύεται η παρούσα διατριβή δεν διατίθενται στη διεθνή βιβλιογραφία. Όµως, από δοκιµές απευθείας εξόλκευσης αγκυρίων ινών άνθρακα, και εφόσον η αστοχία τους επήλθε λόγω θραύσης, προέκυψε πως η µέση τάση αστοχίας τους κυµαίνεται µεταξύ 30% και 50% της θεωρητικής αντοχής του υλικού τους. Μάλιστα, παρατηρήθηκε πως πιθανή κακή εφαρµογή των αγκυρίων, επέφερε σηµαντική υποβάθµιση της αντοχής τους. Αξίζει να τονιστεί πως κατά τις ανωτέρω αναφερόµενες πειραµατικές δοκιµές, η φόρτιση ήταν µονοτονικού τύπου και παράλληλα οι ίνες των αγκυρίων ήταν στη µέγιστη δυνατή ευθυγραµµία. Συνεπώς, πιθανή ανακυκλιζόµενη φόρτιση σε αγκύρια µε τις ίνες απλωµένες ακτινικά (όπως συµβαίνει στα πειράµατα που πραγµατεύεται η παρούσα διατριβή), είναι αναµενόµενο να προκαλέσει περαιτέρω υποβάθµιση της αντοχής του υλικού. Καµπτική ενίσχυση υποστυλωµάτων µε σύνθετα υλικά: Στη διεθνή βιβλιογραφία ελάχιστες είναι οι διαθέσιµες πληροφορίες σχετικά µε το ζήτηµα αυτό. Η πλησιέστερη µε

72 Κεφάλαιο 3 ο - Προγενέστερη έρευνα 51 τη µέθοδο ενίσχυσης που πραγµατεύεται η παρούσα διατριβή, είναι η µέθοδος των πρόσθετων οπλισµών σε εγκοπές. Το γενικότερο - προφανές συµπέρασµα είναι, λαµβάνοντας υπόψη και αναφερόµενα πειράµατα σε επίπεδο κατασκευής, πως για να λειτουργήσει αποδοτικά µια µέθοδος καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων, είναι απαραίτητη η επαρκής αγκύρωση του πρόσθετου οπλισµού πέραν της κρίσιµης διατοµής. Η αγκύρωση αυτή είναι ίσως και το κρισιµότερο στοιχείο µιας τέτοιου τύπου ενίσχυσης και στην παρούσα διατριβή επιχειρείται να επιτευχθεί µέσω των αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών άνθρακα. Περίσφιγξη υποστυλωµάτων µε τοπικούς µανδύες συνθέτων υλικών: Πληθώρα διεξαχθέντων πειραµάτων, έχει καταδείξει τη µέθοδο αυτή ως ιδιαίτερα αποδοτική, όσον αφορά την αύξηση της πλαστιµότητας των υποστυλωµάτων µε πιθανή ταυτόχρονη αύξηση της αντοχής τους. Μέσω των µανδυών αυτών, αυξάνεται η αντοχή και παραµορφωσιµότητα του σκυροδέµατος και καθυστερείται η αστοχία του µέλους λόγω σύνθλιψης σκυροδέµατος. Παράλληλα, καθυστερείται πιθανός λυγισµός των διαµήκων ράβδων. Αποδοτική αποδείχθηκε η ύπαρξη τοπικού µανδύα και σε ενισχύσεις µε τη µέθοδο των πρόσθετων οπλισµών σε εγκοπές, καθώς εκτός των άλλων προστάτευσε τους πρόσθετους οπλισµούς ενίσχυσης από αποκόλληση και λυγισµό.

73 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ 4.1 ΓΕΝΙΚΑ Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η καµπτική ενίσχυση υποστυλωµάτων υπαρχουσών κατασκευών από οπλισµένο σκυρόδεµα πολλές φορές προβάλει σαν επιτακτική ανάγκη. Παρά το γεγονός πως τα σύνθετα υλικά κατέχουν πλέον σηµαντική θέση στο πεδίο των ενισχύσεων, δεν έχουν τύχει ευρείας εφαρµογής στην ενίσχυση υποστυλωµάτων έναντι κάµψης, πλην ορισµένων εξαιρέσεων, για λόγους που έχουν ήδη αναφερθεί. Στην παρούσα διατριβή µελετάται µια νέα µέθοδος καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων µε χρήση συνθέτων υλικών. Σύµφωνα µε τη µέθοδο αυτή, ύφασµα ινών άνθρακα σε µήτρα εποξειδικής ρητίνης εφαρµόζεται στις παρειές του υπό ενίσχυση υποστυλώµατος και αγκυρώνεται στους κόµβους αυτού µε χρήση αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών άνθρακα. Παράλληλα, και εξωτερικά της καµπτικής ενίσχυσης, εφαρµόζεται στις κρίσιµες περιοχές του υποστυλώµατος τοπικός µανδύας από το ίδιο ύφασµα. Η αποτελεσµατικότητα της νέας αυτής µεθόδου αξιολογείται στην παρούσα διατριβή. Για το σκοπό αυτό, διεξήχθησαν στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών συνολικά πέντε πειραµατικές δοκιµές επί υποστυλωµάτων πλήρους κλίµακας. Η όλη πειραµατική διαδικασία έλαβε χώρα κατά την περίοδο Ιούλιος 2008 Φεβρουάριος Τα χαρακτηριστικά των υποστυλωµάτων που χρησιµοποιήθηκαν ως δοκίµια ήταν τέτοια, ώστε να αναπαριστούν σε µεγάλο βαθµό τα υποστυλώµατα των προ του 1985 κατασκευών, τα οποία ήταν σχεδιασµένα µε χαµηλά ποσοστά διαµήκους χάλυβα, αραιούς συνδετήρες (χωρίς αυξηµένες απαιτήσεις πλαστιµότητας) και χαµηλή ποιότητα σκυροδέµατος. Στη συνέχεια του κεφαλαίου, περιγράφεται αναλυτικά το σύνολο της πειραµατικής διαδικασίας. Αφού περιγραφούν τα δοκίµια και παρουσιαστεί ο τρόπος κατασκευής καθώς και ενίσχυσής τους, µε ταυτόχρονη περιγραφή των υλικών που χρησιµοποιήθηκαν, το κεφάλαιο κλείνει µε την παρουσίαση της πειραµατικής διάταξης που χρησιµοποιήθηκε για τη διεξαγωγή των δοκιµών. 4.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΟΚΙΜΙΩΝ Η µορφή όλων των δοκιµίων προ της διαδικασίας ενίσχυσής τους ήταν όµοια. Τα δοκίµια ήταν στοιχεία τύπου προβόλου, αναπαριστώντας σε πλήρη κλίµακα

74 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 53 υποστυλώµατα µε ύψος ίσο µε το µισό του ύψους τυπικού ορόφου (1.60 m). Η διατοµή των υποστυλωµάτων ήταν τετραγωνική µε διαστάσεις 0.25 m x 0.25 m. Τα υποστυλώµατα ήταν πακτωµένα σε υπεροπλισµένο πέδιλο διαστάσεων 1.20 m x 0.50 m σε κάτοψη, µέσα στο οποίο οι διαµήκεις ράβδοι αγκυρώνονταν σε βάθος 0.70 m. Το ανώτερο τµήµα του υποστυλώµατος, µε ύψος 0.40 m, χρησίµευσε για την σύνδεση του δοκιµίου µε το έµβολο επιβολής οριζόντιας µετακίνησης. Στο Σχήµα 4.1 παρουσιάζεται το σχήµα και οι διαστάσεις των δοκιµίων, µαζί µε τις λεπτοµέρειες όπλισής τους. Ο διαµήκης οπλισµός των υποστυλωµάτων αποτελούταν από τέσσερις γωνιακές ράβδους Φ14 από νευροχάλυβα ποιότητας S500s. O εγκάρσιος οπλισµός, αντίστοιχα, αποτελούταν από συνδετήρες Φ8 διατεταγµένους ανά 200 mm, µε τα άγκιστρα κεκαµµένα κατά 90 º (ανοικτά άγκιστρα). Για τους συνδετήρες χρησιµοποιήθηκε λείος χάλυβας, ποιότητας S220. Οι επικαλύψεις των συνδετήρων, σύµφωνα µε τις παλαιότερες (β) (α) (γ) Σχήµα 4.1 ιαστάσεις δοκιµίου σκυροδέµατος (α), όπλιση υποστυλώµατος (β) και τοπική ενίσχυση κορυφής αυτού (γ).

75 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 54 κατασκευαστικές διατάξεις, ήταν 1 cm. Για την αποφυγή σύνθλιψης του σκυροδέµατος στο ανώτερο τµήµα του υποστυλώµατος (κεφαλή), στο σηµείο εφαρµογής του οριζοντίου εµβόλου, κρίθηκε αναγκαία η τοπική πύκνωση των συνδετήρων (ανά αποστάσεις των 100 mm). Στην ίδια περιοχή και για τον ίδιο σκοπό τοποθετήθηκαν οκτώ επιπλέον διαµήκεις ράβδοι Φ16, ποιότητας χάλυβα S500s, οι τέσσερις στις γωνίες και οι τέσσερις στα µέσα των πλευρών της διατοµής. Το θεµέλιο ήταν ιδιαίτερα υπεροπλισµένο, µε κλειστούς συνδετήρες Φ16 ποιότητας χάλυβα S500s, σε αποστάσεις των 12 cm και στις τρεις διευθύνσεις. Στην κεφαλή του υποστυλώµατος, κατά τη διαδικασία του καλουπώµατος, προβλέφθηκε η ανάγκη ύπαρξης οπών, για τη σύνδεση του εµβόλου εφαρµογής οριζόντιας δύναµης στο υποστύλωµα. Οι ενισχύσεις των δοκιµίων σχεδιάστηκαν µε τρόπο τέτοιο ώστε να µπορεί να εξετασθεί η επιρροή δύο παραµέτρων στην καµπτική τους αντίσταση. Οι παράµετροι αυτές είναι η συνολική ποσότητα ινών των αγκυρίων και ο αριθµός των αγκυρίων. Όλα τα δοκίµια υπεβλήθησαν σε ανακυκλιζόµενη κάµψη υπό την επιρροή σταθερού θλιπτικού αξονικού φορτίου, πλην ενός, που φορτίστηκε µονοτονικά, σε µια προσπάθεια ποσοτικοποίησης της επίδρασης που έχει η ανακύκλιση της φόρτισης σε ένα τέτοιου τύπου σύστηµα ενίσχυσης. Περιγραφή των εξεταζόµενων δοκιµίων δίνεται ακολούθως καθώς και συγκεντρωτικά στα Σχήµατα και στον Πίνακα 4.1. Ένα υποστύλωµα δοκιµάστηκε ως ελέγχου και ονοµάστηκε Ελέγχου. Το δοκίµιο αυτό ενισχύθηκε στη βάση του (περιοχή πλαστικής άρθρωσης σε ύψος 60 cm) µε δύο στρώσεις µανδύα από ύφασµα άνθρακα σε οργανική µήτρα (εποξειδική ρητίνη δύο συστατικών). Περισσότερα στοιχεία για τα χρησιµοποιούµενα υλικά παρατίθενται στη συνέχεια. Η ενίσχυση αυτή του δοκιµίου Ελέγχου, έγινε µε σκοπό να µπορεί αυτό να αποτελεί µέτρο σύγκρισης για τα υπόλοιπα ενισχυµένα δοκίµια, τα οποία εκτός της καµπτικής τους ενίσχυσης έφεραν και όµοιο µε το δοκίµιο Ελέγχου µανδύα. Σκοπός δηλαδή ήταν να αποκλειστεί οποιαδήποτε επίδραση των µανδυών που εφαρµόστηκαν, στην παραµετρική µελέτη, αφήνοντας ως µόνη µεταβαλλόµενη παράµετρο την καµπτική ενίσχυση, δηλαδή το σύστηµα αγκύρια διάµηκες ύφασµα. Το δοκίµιο 2_1.5 ενισχύθηκε µε εφαρµογή µίας στρώσης συνθέτου υλικού από ύφασµα άνθρακα σε οργανική µήτρα (εποξειδική ρητίνη δύο συστατικών) σε δύο απέναντι παρειές του υποστυλώµατος (αυτές µε το µέγιστο εφελκυσµό / θλίψη). Το ύφασµα που χρησιµοποιήθηκε είχε πλάτος 20 cm και διεύθυνση ινών παράλληλη στον άξονα του µέλους. Το ύφασµα αυτό αγκυρώθηκε στο θεµέλιο µε χρήση δύο αγκυρίων ινών άνθρακα

76 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 55 ανά παρειά, συµµετρικά τοποθετηµένα και σε απόσταση 5 cm το καθένα από τον άξονα του υποστυλώµατος. Η διάταξη των αγκυρίων κάθε φορά είναι τέτοια, ώστε καθένα από αυτά να αναλαµβάνει να αγκυρώσει την ίδια διατοµή υφάσµατος. Η συνολική ποσότητα των ινών των αγκυρίων ανά παρειά αντιστοιχούσε στο 150% της ποσότητας ινών του υφάσµατος. Εξωτερικά του διαµήκους υφάσµατος και των αγκυρίων, εφαρµόστηκε µανδύας όµοιος µε αυτόν του δοκιµίου Ελέγχου. Αξίζει εδώ να διασαφηνιστεί η ονοµατολογία των δοκιµίων. Ο πρώτος αριθµός (εδώ 2) αναφέρεται στον αριθµό των τοποθετηµένων ανά παρειά αγκυρίων. Ο δεύτερος (εδώ 1.5) αναφέρεται στο πηλίκο της διαίρεσης (συνολική ισοδύναµη διατοµή αγκυρίων ανά παρειά) / (ισοδύναµη διατοµή υφάσµατος ανά παρειά) και αποτελεί µέτρο σύγκρισης της χρησιµοποιούµενης στα αγκύρια συνολικής ποσότητας ινών. Το δοκίµιο 3_1.5 ενισχύθηκε όµοια µε το 2_1.5, µε µόνη διαφορά πως τοποθετήθηκαν τρία αγκύρια ανά παρειά, κρατώντας όµως σταθερή την συνολική ποσότητα των ινών αυτών, όπως υποδηλώνει η ονοµατολογία του στοιχείου, στο 150% της ποσότητας ινών του υφάσµατος ανά παρειά. Τα αγκύρια τοποθετήθηκαν συµµετρικά, το ένα στο µέσον κάθε παρειάς και τα άλλα σε απόσταση 6.7 cm εκατέρωθεν αυτού. Το δοκίµιο 2_1.0 ενισχύθηκε όµοια µε το 2_1.5, µε τη µόνη διαφορά πως χρησιµοποιήθηκαν µικρότερα αγκύρια, συνολικής ποσότητας ινών ανά παρειά ίσης (100%) µε την ποσότητα ινών του υφάσµατος που καλούνταν να αγκυρώσουν. Το δοκίµιο 2_1.5_m ενισχύθηκε πανοµοιότυπα µε το 2_1.5. Η µόνη διαφορά τους είναι πως το δοκίµιο 2_1.5_m καταπονήθηκε µονοτονικά [εξ ου και η ονοµατολογία m (monotonic)] µε ταυτόχρονη παρουσία σταθερού θλιπτικού αξονικού φορτίου ενώ όλα τα υπόλοιπα δοκίµια υπεβλήθησαν σε ανακυκλιζόµενη κάµψη µε ταυτόχρονη παρουσία σταθερού θλιπτικού αξονικού φορτίου. Περισσότερες λεπτοµέρειες για τις ιστορίες φόρτισης των δοκιµίων παρατίθενται σε επόµενη παράγραφο.

77 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 56 Πίνακας 4.1 οκίµια και πειραµατικές παράµετροι. Ονοµασία οκιµίου Γεωµετρικό ποσοστό διαµήκους οπλισµού ρ s, % Γεωµετρικό ποσοστό διαµήκους υφάσµατος ρ f,l, % Γεωµετρικό ποσοστό ινών αγκυρίων ρ f,anch, % Αριθµός αγκυρίων ανά παρειά Ύπαρξη τοπικού µανδύα Είδος Φόρτισης Control Ναι Cyclic 2_ Ναι Cyclic 3_ Ναι Cyclic 2_ Ναι Cyclic 2_1.5_m Ναι Monotonic (α) (β) Σχήµα 4.2 ιαδικασία ενίσχυσης δοκιµίου Ελέγχου [µη ενισχυµένη διατοµή (α), εφαρµογή τοπικού µανδύα (β)].

78 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 57 (α) (β) (γ) (δ) Σχήµα 4.3 ιαδικασία ενίσχυσης δοκιµίων 2_1.5, 2_1.0 και 2_1.5_m [µη ενισχυµένη διατοµή (α), εφαρµογή διαµήκους υφάσµατος (β), τοποθέτηση αγκυρίων (γ), εφαρµογή τοπικού µανδύα (δ)].

79 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 58 (α) (β) (γ) (δ) Σχήµα 4.4 ιαδικασία ενίσχυσης δοκιµίου 3_1.5 [µη ενισχυµένη διατοµή (α), εφαρµογή διαµήκους υφάσµατος (β), τοποθέτηση αγκυρίων (γ), εφαρµογή τοπικού µανδύα (δ)]. 4.3 ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΜΕΝΑ ΥΛΙΚΑ Σκυρόδεµα Τα θεµέλια και τα υποστυλώµατα σκυροδετήθηκαν ανεξάρτητα, από διαφορετικές παρτίδες ετοίµου σκυροδέµατος. Η µέση θλιπτική αντοχή αυτού προσδιορίστηκε από κυβικά δοκίµια ακµής 150 mm που λήφθηκαν κατά τη διάρκεια των σκυροδετήσεων και συντηρήθηκαν όπως ορίζει ο Κανονισµός Τεχνολογίας Σκυροδέµατος. Τα δοκίµια (5 για τα θεµέλια και 5 για τα υποστυλώµατα) υπεβλήθησαν σε δοκιµή µονοαξονικής θλίψης [Εικ 4.1 (α)]. Η µέση θλιπτική αντοχή των δοκιµίων των προερχοµένων από την παρτίδα

80 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 59 σκυροδέτησης των θεµελίων, προέκυψε ίση µε 21.1 MPa. Η αντίστοιχη µέση θλιπτική αντοχή των δοκιµίων των προερχοµένων από την παρτίδα σκυροδέτησης των υποστυλωµάτων, προέκυψε ίση µε 17.1 MPa. Για τον προσδιορισµό της εφελκυστικής αντοχής του σκυροδέµατος των υποστυλωµάτων, κατά τη σκυροδέτησή τους λήφθηκαν πέντε µήτρες κυλινδρικής διατοµής διαµέτρου 150 mm και ύψους 300 mm. Τα δοκίµια αυτά υπεβλήθησαν σε δοκιµή έµµεσου εφελκυσµού από διάρρηξη (κοινώς Βραζιλιάνικη οκιµή ) [Εικ 4.1 (β)]. Η µέση εφελκυστική αντοχή, η προσδιοριζόµενη από τη µέθοδο αυτή, του σκυροδέµατος των υποστυλωµάτων προέκυψε ίση µε 2.2 MPa. Αξίζει να τονιστεί πως, συγκριτικά µε δοκιµές άµεσου εφελκυσµού, η δοκιµή διάρρηξης υπερεκτιµά την εφελκυστική αντοχή του σκυροδέµατος κατά 10 15% Χάλυβας Ο χάλυβας που χρησιµοποιήθηκε ως διαµήκης οπλισµός, ήταν νευροχάλυβας διαµέτρου 14 mm και ποιότητας S500s. Για την πιστοποίηση των µηχανικών χαρακτηριστικών του πραγµατοποιήθηκαν δοκιµές µονοαξονικού εφελκυσµού σε πέντε δοκίµια ράβδους αυτού. Η φόρτιση τους έγινε µονοτονικά, µέσω επιβολής ελεγχόµενων εφελκυστικών µετατοπίσεων (Εικ 4.2). Ο ρυθµός επιβολής της µετακίνησης ήταν σταθερός και ίσος µε 0.1 mm/sec. Η αστοχία των δοκιµίων εµφανίστηκε µε ταυτόχρονη δηµιουργία στένωσης (λαιµού) στο µέσον περίπου του ελευθέρου µήκους τους. Η µέση τιµή της παραµόρφωσης διαρροής των δοκιµίων προέκυψε ίση µε 0.3%, σε α β Εικόνα 4.1 οκιµή θλίψης κύβων σκυροδέµατος (α) - οκιµή έµµεσου εφελκυσµού από διάρρηξη (β).

81 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 60 αντιστοιχούσα µέση τάση διαρροής ίση µε MPa. Η αστοχία των ράβδων προέκυψε σε µέση παραµόρφωση (παραµόρφωση θραύσης) ίση µε 13.7%, αντιστοιχούσα σε µέση τάση αστοχίας ίση µε MPa. Πίνακας 4.2 Μηχανικά χαρακτηριστικά χάλυβα διαµήκων ράβδων οπλισµού. Ποιότητα χάλυβα Παραµόρφωση διαρροής ε y (%) Τάση διαρροής f y (MPa) Παραµόρφωση αστοχίας ε u (%) Τάση αστοχίας f u (MPa) S500s Εικόνα 4.2 οκιµή εφελκυσµού ράβδων χάλυβα διαµήκους οπλισµού και τυπική καµπύλη τάσης - παραµόρφωσης αυτού Ύφασµα ινών άνθρακα Σε όλες τις ενισχύσεις χρησιµοποιήθηκε ύφασµα ινών άνθρακα µίας διεύθυνσης (unidirectional), µάζας 644 g/m 2 και ονοµαστικού πάχους 0.37 mm. Το µέτρο ελαστικότητας των ινών του, σύµφωνα µε τον κατασκευαστή, ήταν ίσο µε 230 GPa και η παραµόρφωση αστοχίας των ινών του ίση µε 1.7%, η οποία συµβαίνει σε τάση ίση µε

82 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία GPa. Η εµπορική ονοµασία του υφάσµατος είναι Tyfo SCH-41 και η προµήθειά του έγινε από την εταιρία FYFE, µαζί µε την ρητίνη Tyfo S Epoxy, η οποία παρέχεται σε συνδυασµό µε το ύφασµα, από την ίδια εταιρία, ως σύστηµα ενίσχυσης. Η εµπορική ονοµασία του προκύπτοντος συστήµατος ενίσχυσης (σύνθετο υλικό) είναι Tyfo SCH-41 Composite. Τα µηχανικά χαρακτηριστικά των ινών άνθρακα, όπως και του συνθέτου προκύπτοντος υλικού, παρουσιάζονται στον Πίνακα Αγκύρια µορφής θυσάνου ινών άνθρακα Τα αγκύρια µορφής θυσάνου ινών άνθρακα που χρησιµοποιήθηκαν για την αγκύρωση του διαµήκους υφάσµατος στο θεµέλιο είχαν τη µορφή που απεικονίζεται στην Εικόνα 4.4. Αποτελούνταν από ίνες άνθρακα µίας διεύθυνσης. H εµπορική ονοµασία των αγκυρίων που χρησιµοποιήθηκαν είναι Tyfo SCH Carbon Composite Anchors και η Εικόνα 4.3 Χρησιµοποιούµενο ύφασµα ινών άνθρακα (Tyfo SCH-41). Πίνακας 4.3 Μηχανικά χαρακτηριστικά ινών άνθρακα χρησιµοποιούµενου υφάσµατος και µηχανικά χαρακτηριστικά προκύπτοντος συνθέτου υλικού. Ίνες άνθρακα υφάσµατος Εφελκυστική αντοχή (Gpa) Μέτρο ελαστικότητας (GPa) Παραµόρφωση αστοχίας (%) Πάχος (mm) Σύνθετο υλικό Ονοµαστικό πάχος υφάσµατος. 2 Σε µήτρα εποξειδικής ρητίνης Tyfo S Epoxy, τελικού πάχους συνθέτου υλικού 1.0 mm (Composite Gross Laminate Properties).

83 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 62 διάθεσή τους έγινε από την εταιρία FYFE. Ο προµηθευτής συστήνει την χρήση τους σε συνδυασµό µε τη ρητίνη Tyfo S Epoxy, που αναφέρεται στη συνέχεια, ως µήτρα. Για το προκύπτων σύνθετο υλικό, ο προµηθευτής δίνει τις εξής µηχανικές ιδιότητες (Test Values): εφελκυστική αντοχή παράλληλα µε τη διεύθυνση των ινών 876 MPa, παραµόρφωση αστοχίας σε εφελκυσµό 1.2%, µέτρο ελαστικότητας 72.4 GPa. Η παραγγελία των αγκυρίων γίνεται µε βάση το βάρος τους ανά τρέχων µέτρο, το οποίο διαιρούµενο µε την πυκνότητα των ινών άνθρακα αντιστοιχεί στην ισοδύναµη διατοµή των αγκυρίων. Τα αγκύρια µπορούν εύκολα να κοπούν στο επιθυµητό µήκος µε ψαλίδι. Ο τρόπος εφαρµογής τους παρουσιάζεται µαζί µε τη διαδικασία ενίσχυσης των δοκιµίων. Οι µηχανικές ιδιότητες των χρησιµοποιούµενων αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών άνθρακα σε µήτρα εποξειδικής ρητίνης παρουσιάζονται συγκεντρωτικά στον Πίνακα 4.4. Εικόνα 4.4 Χρησιµοποιούµενα αγκύρια µορφής θυσάνου ινών άνθρακα (Tyfo SCH Carbon Composite Anchors) Πίνακας 4.4 Μηχανικά χαρακτηριστικά Tyfo SCH Carbon Composite Anchors 1. Εφελκυστική αντοχή (Mpa) Μέτρο ελαστικότητας (GPa) Παραµόρφωση αστοχίας (%) Σε µήτρα εποξειδικής ρητίνης Tyfo S Epoxy (Composite Gross Laminate Properties Test Values) Ρητίνη Η ρητίνη που χρησιµοποιήθηκε ως µήτρα και ταυτόχρονα κόλλα για την ενίσχυση των δοκιµίων είναι εποξειδική ρητίνη δύο συστατικών, Α και Β, µε εµπορική ονοµασία Tyfo S Epoxy. Η διάθεση της ρητίνης έγινε από την εταιρία FYFE. Η αναλογία ανάµιξής της είναι 100 µέρη συστατικού Α µε 42 µέρη συστατικού Β κατ όγκο (ή 100 µέρη συστατικού Α µε 34.5 µέρη συστατικού Β κατά βάρος). Οι ιδιότητες του υλικού, όπως

84 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 63 προσδιορίστηκαν από τον κατασκευαστή, είναι: θερµοκρασία υαλώδους µετάπτωσης 82 ο C, εφελκυστική αντοχή 72.4 MPa, µέτρο ελαστικότητας 3.18 GPa και παραµόρφωση αστοχίας σε εφελκυσµό 5.0 %, οι οποίες συνοψίζονται στον Πίνακα 4.5. Πίνακας 4.5 Ιδιότητες χρησιµοποιούµενης εποξειδικής ρητίνης Tyfo Epoxy. Θερµοκρασία υαλώδους µετάπτωσης T g Εφελκυστική αντοχή (MPa) Μέτρο ελαστικότητας (GPa) Παραµόρφωση αστοχίας (%) 82 ο C Σε µήτρα εποξειδικής ρητίνης Tyfo S Epoxy (Composite Gross Laminate Properties Test Values). 4.4 ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΤΩΝ ΟΚΙΜΙΩΝ Το δέσιµο των µεταλλικών κλωβών των δοκιµίων έγινε από εξειδικευµένο τεχνικό προσωπικό. Για την µετέπειτα ανύψωση του κάθε δοκιµίου, τοποθετήθηκαν επί του θεµελίου από τέσσερις χαλύβδινοι συνδετήρες, περιµετρικά του υποστυλώµατος, οι οποίοι µετά τη σκυροδέτηση χρησίµευαν ως λαβές για το ανυψωτικό µηχάνηµα του εργαστηρίου. Επιπλέον, τοποθετήθηκαν πλαστικοί αποστάτες, τόσο στους συνδετήρες των στύλων όσο και των θεµελίων, µε σκοπό να εξασφαλιστούν οι απαιτούµενες επικαλύψεις σκυροδέµατος (1 cm για το υποστύλωµα και 2 cm για το θεµέλιο). Για την κατασκευή των δοκιµίων, χρησιµοποιήθηκαν πέντε συναρµολογούµενα µεταλλικά καλούπια (µεταλλότυποι). Στα καλούπια αυτά είχαν προβλεφθεί οι τέσσερις απαιτούµενες οπές της κεφαλής του υποστυλώµατος για την εφαρµογή του πιστονιού οριζόντιων µετακινήσεων. Οι οπές αυτές δηµιουργήθηκαν µε τοποθέτηση χαλκοσωλήνων σε οπές επί των καλουπιών, οι οποίες και αφαιρέθηκαν µετά το ξεκαλούπωµα. Στις δύο από τις τέσσερις γωνίες των µεταλλικών καλουπιών τοποθετήθηκαν φαλτσογωνίες από διογκωµένη πολυστερίνη µε ακτίνα καµπυλότητας 25 mm. Η επικόλληση τους έγινε µε την χρήση σιλικόνης. Σκοπός ήταν η καµπύλωση των δύο γωνιών της τετραγωνικής διατοµής των στοιχείων, διαδικασία απαιτούµενη όταν πρόκειται να εφαρµοστεί µανδύας συνθέτων υλικών. Η καµπύλωση στις άλλες δύο γωνίες έγινε µετά το ξεκαλούπωµα, µε την χρήση ηλεκτρικού τριβείου. Τέλος, έγινε επάλειψη των καλουπιών µε λάδι ώστε να καταστεί ευκολότερη η φάση του ξεκαλουπώµατος.

85 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 64 Η σκυροδέτηση των δοκιµίων έγινε σε δύο φάσεις. Κατά την πρώτη, σκυροδετήθηκαν τα θεµέλια, ενώ κατά τη δεύτερη οι στύλοι. Κατά τη διάρκεια των σκυροδετήσεων, χρησιµοποιήθηκε δονητής για τη δόνηση του σκυροδέµατος, µε ταυτόχρονο κτύπηµα των καλουπιών µε σφυρί. Επιπλέον, κρατήθηκαν πέντε κύβοι σκυροδέµατος ακµής 150 mm από κάθε σκυροδέτηση, για τον πειραµατικό προσδιορισµό της θλιπτικής αντοχής του σκυροδέµατος. Κρατήθηκαν επίσης, πέντε µήτρες κυλινδρικής διατοµής, διαµέτρου 150 mm και ύψους 300 mm, από την παρτίδα σκυροδέτησης των υποστυλωµάτων, µε σκοπό τον προσδιορισµό της εφελκυστικής αντοχής του σκυροδέµατος αυτών. Η λήψη των κύβων και των κυλίνδρων και η δόνηση αυτών έγινε σύµφωνα µε τις διατάξεις του Κανονισµού Τεχνολογίας Σκυροδέµατος. Η αφαίρεση των ξυλοτύπων έγινε τρεις ηµέρες µετά την σκυροδέτηση. Ακολούθησε διαβροχή µέχρι κορεσµού των δοκιµίων δύο φορές τη µέρα, για χρονικό διάστηµα 14 ηµερών, ώστε να µην διακοπεί η διαδικασία ενυδάτωσης του σκυροδέµατος. Η όλη διαδικασία προετοιµασίας των δοκιµίων απεικονίζεται στις Εικόνες α β γ β δ Εικόνα 4.5 Κλωβός οπλισµού των δοκιµίων (α), τοποθέτηση πλαστικών αποστατών και µεταλλότυπος (β), τοποθέτηση χαλκοσωλήνων στα καλούπια για δηµιουργία οπών εφαρµογής εµβόλου.

86 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 65 β α γ δ Εικόνα 4.6 Σκυροδέτηση δοκιµίων [µεταλλότυπος λίγο πριν τη σκυροδέτηση (α), σκυροδέτηση και δόνηση θεµελίων (β), σκυροδετηµένα θεµέλια κατόπιν επιπέδωσης της επιφάνειας αυτών (γ), σκυροδέτηση και δόνηση υποστυλωµάτων (δ)]. 4.5 ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΤΩΝ ΟΚΙΜΙΩΝ Προετοιµασία επιφανειών εφαρµογής συνθέτων υλικών και δηµιουργία οπών εφαρµογής των αγκυρίων Προτού ξεκινήσει η διαδικασία εφαρµογής συνθέτων υλικών στα δοκίµια, προετοιµάστηκε κατάλληλα η επιφάνεια αυτών. Αρχικά, µε χρήση ηλεκτρικού τριβείου,

87 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 66 αποµακρύνθηκε η επιφανειακή στρώση τσιµεντοπολτού που κάλυπτε τα δοκίµια, στις επιφάνειες όπου θα γινόταν εφαρµογή συνθέτων υλικών, µέχρι αποκαλύψεως των αδρανών. Με τον τρόπο αυτό βελτιώνεται η συνάφεια συνθέτου υλικού υποστρώµατος. Η επιφάνεια εφαρµογής που δηµιουργήθηκε ήταν λεία, επίπεδη, εκτραχυµένη και απαλλαγµένη από σαθρό υλικό. Επιπλέον, στο κάτω µέρος των υποστυλωµάτων, και σε ύψος 60 cm, όπου και θα γινόταν η εφαρµογή συνεχούς µανδύα, µε χρήση του ιδίου τριβείου, καµπυλώθηκαν οι γωνίες των υποστυλωµάτων, µέχρι ακτίνας καµπυλότητας 25 mm. Η διαδικασία αυτή είχε προβλεφθεί από τη φάση καλουπώµατος, όπως αναφέρθηκε προηγουµένως, και οι δύο γωνίες κάθε υποστυλώµατος ήταν ήδη καµπυλωµένες. Η καµπύλωση των γωνιών των δοκιµίων στις περιοχές εφαρµογής µανδύα, αποσκοπεί στην αποτελεσµατικότερη εφαρµογή τάσεων περίσφιγξης, αλλά και στην αποφυγή πρόωρης αστοχίας του µανδύα λόγω συγκεντρώσεως τάσεων στις γωνίες αυτού. Η διαδικασία προετοιµασίας των επιφανειών εφαρµογής των συνθέτων υλικών φαίνεται στην Εικόνα 4.7. Τέλος, στα δοκίµια όπου είχε προβλεφθεί χρήση αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών άνθρακα (όλα τα δοκίµια πλην του δοκιµίου Ελέγχου), έγιναν οπές στο θεµέλιο για την εφαρµογή αυτών. Ο αριθµός των οπών ανά δοκίµιο καθορίστηκε από το πλήθος των χρησιµοποιούµενων αγκυρίων (2 ή 3 οπές ανά παρειά, όπως απεικονίζεται σχηµατικά στα α β γ Εικόνα 4.7 Προετοιµασία επιφάνειας δοκιµίων και καµπύλωση γωνιών (α), τελική µορφή επιφάνειας δοκιµίου Ελέγχου (β), τελική µορφή επιφάνειας δοκιµίων 2_1.5, 2_1.5, 2_1.0 και 2_1.5_m (γ).

88 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 67 Σχ ) και η διάµετρος αυτών από την ονοµαστική διατοµή των χρησιµοποιούµενων αγκυρίων. Έτσι, για τα δοκίµια 2_1.5, 2_1.5_m, 2_1.0 έγιναν δύο οπές ανά παρειά εφαρµογής διαµήκους συνθέτου υλικού, ενώ στο δοκίµιο 3_1.5 έγιναν αντίστοιχα τρεις οπές ανά παρειά. Για τα δοκίµια 2_1.5 και 2_1.5_m οι οπές είχαν διάµετρο 16 mm ενώ για τα δοκίµια 3_1.5 και 2_1.0, όπου και χρησιµοποιήθηκαν µικρότερα σε διατοµή αγκύρια, οι οπές εφαρµογής αυτών είχαν διάµετρο 14 mm. Η διάµετρος των οπών επελέγη µε κριτήριο την εύκολη εισαγωγή του εµποτισµένου µε ρητίνη αγκυρίου στην οπή. Εξάλλου, προγενέστερες έρευνες έχουν δείξει, πως η διάµετρος της οπής εφαρµογής των αγκυρίων δεν επηρεάζει την αντοχή αυτών. Με σκοπό την εξασφάλιση των αγκυρίων έναντι εξόλκευσης προ της ανάπτυξη της πλήρους εφελκυστικής τους αντοχής, το βάθος αγκύρωσης τους (βάθος των οπών) επελέγη ίσο µε 25 cm. Οι οπές εφαρµογής των αγκυρίων έγιναν επί των θεµελίων, µε χρήση απλού ηλεκτρικού δραπάνου µε προσαρτηµένο τρυπάνι. Η γωνία εισαγωγής του τρυπανιού στο θεµέλιο σε σχέση µε την κατακόρυφη διεύθυνση ήταν η µικρότερη δυνατή (περίπου ίση µε 10 ο ), κατά το βαθµό που το επέτρεπε το χρησιµοποιούµενο εργαλείο, και η θέση των οπών κατά το δυνατόν πλησιέστερα στην παρειά του υποστυλώµατος. Σκοπός αυτών ήταν τα αγκύρια, µετά την εφαρµογή τους, να παραµένουν κατά το δυνατόν ευθύγραµµα. Ιδιαίτερα κεκλιµένες οπές επί των θεµελίων, θα οδηγούσαν σε τσάκισµα των ινών των αγκυρίων και σε συγκεντρώσεις τάσεων, µε αποτέλεσµα την αστοχία των αγκυρίων σε χαµηλότερες τιµές µέσων τάσεων και παραµορφώσεων. Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα προγενέστερων ερευνών από τη διεθνή βιβλιογραφία, τέτοιες κλίσεις µικρότερες των 15 ο δεν επηρεάζουν αισθητά την αντοχή των αγκυρίων. Για τους ίδιους ακριβώς λόγους (αποφυγή συγκέντρωσης τάσεων στο χείλος των οπών), το χείλος των οπών εξοµαλύνθηκε και καµπυλώθηκε µε χρήση ειδικού εργαλείου. Η διαδικασία διάνοιξης και εξοµάλυνσης των οπών φαίνεται στην Εικόνα Εφαρµογή συνθέτων υλικών στα δοκίµια Εφαρµογή διαµήκους υφάσµατος CFRP στις παρειές των υποστυλωµάτων Αφού προετοιµάστηκε η επιφάνεια των δοκιµίων σύµφωνα µε τα ανωτέρω και αφού η επιφάνεια αυτή απαλλάχθηκε από σκόνη µε χρήση πεπιεσµένου αέρα, ξεκίνησε η διαδικασία εφαρµογής των συνθέτων υλικών. Για όλα τα δοκίµια, πλην του δοκιµίου

89 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 68 β α γ δ Εικόνα 4.8 ηµιουργία οπών εφαρµογής αγκυρίων [διάνοιξη οπών (α), οπές εφαρµογής αγκυρίων µετά τη διάνοιξή τους (β), εργαλείο εξοµάλυνσης οπών (γ) και τρόπος χρήσης αυτού (δ)]. Ελέγχου, όπου εφαρµόστηκε µόνον τοπικός µανδύας στον πόδα του σύµφωνα µε τη διαδικασία της Παρ , η διαδικασία ενίσχυσης ξεκίνησε µε επικόλληση διαµήκους υφάσµατος CFRP στις πλέον θλιβόµενες και εφελκυόµενες παρειές τους. Εφαρµόστηκε µία στρώση διαµήκους υφάσµατος ανά παρειά, πλάτους λωρίδας 20 cm, µε τις ίνες διατεταγµένες παράλληλα στον άξονα του µέλους. Τα χαρακτηριστικά του χρησιµοποιούµενου υφάσµατος παρατέθηκαν σε προηγούµενη παράγραφο. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η διαδικασία εφαρµογής του διαµήκους συνθέτου υλικού. Αρχικά κόπηκε µε ψαλίδι το ύφασµα στις επιθυµητές διαστάσεις (δύο λωρίδες 20 cm x 140 cm µε τις ίνες σύµφωνα µε τη διαµήκη διεύθυνση και µία 60 cm x 210 cm που θα χρησιµοποιηθεί στη συνέχεια ως µανδύας) και απλώθηκε σε καθαρή επιφάνεια. Έπειτα προετοιµάστηκε η ρητίνη. Όπως προαναφέρθηκε πρόκειται για εποξειδική ρητίνη

90 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 69 δύο συστατικών. Αφού ζυγίστηκαν οι απαιτούµενες ποσότητες των δύο συστατικών αναµίχθηκαν σε κοινό δοχείο µε χρήση ηλεκτρικού δραπάνου µε προσαρτηµένο αναδευτήρα. Στη συνέχεια εµποτίστηκε πλήρως µε ρητίνη το απλωµένο ύφασµα, µε χρήση ρολού βαψίµατος, και έπειτα τυλίχτηκε σε ρολό. Πάντα το ρολό εµποτισµού δούλευε στη µία διεύθυνση (όχι µπρος- πίσω). Με το ίδιο ρολό έγινε επάλειψη µε ρητίνη και των επιφανειών του δοκιµίου όπου θα γινόταν η εφαρµογή του συνθέτου υλικού. Για την καλύτερη εφαρµογή του συνθέτου υλικού, στη συνέχεια, επαλείφθηκαν οι επιφάνειες εφαρµογής µε µείγµα ρητίνης και Cabosil. To Cabosil (η εµπορική ονοµασία του χρησιµοποιούµενου προϊόντος είναι Cabosil M5) πρόκειται για την ίδια εποξειδική ρητίνη σε µορφή σκόνης. Το προϊόν αυτό, η διάθεση του οποίου έγινε από την εταιρία FYFE, αναµιγνύεται µε ρητίνη σε αναλογίες που να δηµιουργούν ένα οµογενές µείγµα µε το επιθυµητό ιξώδες (epoxy thickener), και χρησιµοποιείται ως υπόστρωµα πριν την εφαρµογή των συνθέτων υλικών, ώστε να κλείσουν τυχόν αποµένουσες µικροκοιλότητες και να εξοµαλυνθεί πλήρως η επιφάνεια εφαρµογής. Το προϊόν αυτό, καθώς έχει την ίδια σύσταση µε την εποξειδική ρητίνη που χρησιµοποιήθηκε, αφού αναµιχθεί µε ρητίνη προκύπτει ένα µείγµα που µετά τη σκλήρυνσή του διατηρεί τα µηχανικά χαρακτηριστικά της ρητίνης. Τέλος, έγινε η εφαρµογή του εµποτισµένου µε ρητίνη υφάσµατος στα δοκίµια. Η εφαρµογή έγινε µε τέτοιο τρόπο ώστε οι ίνες να παραµείνουν σε ευθυγραµµία και επιπλέον να µην εγκλωβίζεται αέρας ανάµεσα στο ύφασµα και στην επιφάνεια εφαρµογής. Η εφαρµογή του υφάσµατος ξεκινούσε πάντα από τον πόδα του δοκιµίου και προχωρούσε προς τα άνω. Αφού έγινε η εφαρµογή του υφάσµατος και για να εξασφαλισθεί ο πλήρης εµποτισµός του, έγινε ακόµα µία εφαρµογή ρητίνης, µε το ρολό να δουλεύει πάντα προς µία φορά και για τελείωµα µια επιπλέον επάλειψη µε το µείγµα ρητίνης-cabosil. Η όλη διαδικασία που αναφέρεται στην παράγραφο αυτή απεικονίζεται στην Εικόνα 4.9. α β

91 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 70 γ δ ε στ ζ η θ Εικόνα 4.9 Εφαρµογή διαµήκους υφάσµατος [κόψιµο υφάσµατος (α), ανάµειξη συστατικών ρητίνης (β), ανάµειξη ρητίνης (γ), εµποτισµός υφάσµατος µε ρητίνη (δ), εµποτισµός επιφάνειας εφαρµογής µε ρητίνη (ε), προετοιµασία µείγµατος ρητίνης Cabosil (στ), επάλειψη επιφάνειας εφαρµογής µε µείγµα ρητίνης Cabosil (ζ), επικόλληση υφάσµατος (η), τελική επάλειψη µε µείγµα ρητίνης Cabosil (θ)].

92 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία Εφαρµογή αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών άνθρακα Αφού επικολλήθηκε το διάµηκες ύφασµα στην παρειά των υπό ενίσχυση δοκιµίων, ακολούθησε η εφαρµογή των αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών άνθρακα, ρόλος των οποίων ήταν η αγκύρωση του διαµήκους υφάσµατος στο θεµέλιο. Αρχικά τα αγκύρια κόπηκαν στο επιθυµητό µήκος (50 cm από τα οποία τα 25 cm αποτέλεσαν το βάθος αγκύρωσης των αγκυρίων και τα υπόλοιπα το µήκος επικάλυψής τους µε το διάµηκες ύφασµα). Η εφαρµογή των αγκυρίων έγινε ως εξής: Τα αγκύρια δέθηκαν µε σύρµα στο ένα τους άκρο, ώστε να είναι ευκολότερη η εισαγωγή αυτών στις οπές εφαρµογής τους, µε χρήση µιας λεπτής µεταλλικής βέργας, η οποία είχε µια εγκοπή χαραγµένη στο άκρο της. Έπειτα, µε χρήση σύριγγας, γέµισαν οι οπές εφαρµογής των αγκυρίων µε ρητίνη µέχρι το µέσον τους. Στη συνέχεια, και αφού τα αγκύρια εµποτίστηκαν πλήρως µε ρητίνη, εισήχθησαν µε τη βοήθεια της ράβδου που αναφέρθηκε ανωτέρω στις οπές εφαρµογής τους επί του θεµελίου, µέχρι το επιθυµητό βάθος (25 cm). Για να διευκολυνθεί η εισαγωγή τους στις οπές χρησιµοποιήθηκε σαν κόντρα για τη ράβδο κοµµάτι ξύλου. Αφού εξακριβωµένα (µε µέτρηση του υπολείποντος µήκους αγκυρίου) τα αγκύρια έφθασαν στο επιθυµητό βάθος αγκύρωσής τους, η µεταλλική ράβδος που χρησιµοποιήθηκε για την εισαγωγή τους αφαιρέθηκε και το προεξέχων τµήµα των αγκυρίων (25 cm) απλώθηκε στο ήδη τοποθετηµένο διάµηκες ύφασµα. Έγινε προσπάθεια οι ίνες των αγκυρίων να παραµείνουν κατά το δυνατόν ευθύγραµµες και σε µικρή γωνία µε τον άξονα των αγκυρίων. Η όλη διαδικασία που αναφέρεται στην παράγραφο αυτή απεικονίζεται στην Εικόνα Καθώς η κυριότερη παράµετρος διερεύνησης της πειραµατικής διαδικασίας που πραγµατεύεται η παρούσα διατριβή είναι η παραµόρφωση αστοχίας των αγκυρίων, όταν αυτά χρησιµοποιούνται και καταπονούνται µε τον τρόπο που παρουσιάζεται εδώ, έγινε προσπάθεια παρακολούθησης της εξέλιξης των παραµορφώσεων των αγκυρίων κατά τη διάρκεια των πειραµατικών δοκιµών. Για το σκοπό αυτό τοποθετήθηκαν σε ορισµένα αγκύρια αισθητήρες µέτρησης παραµόρφωσης τύπου οπτικής ίνας [Fibre Bragg Gratings (FBGs)]. Η αρχή λειτουργίας αυτών βασίζεται στη µεταβολή του µήκους κύµατος του ανακλώµενου από τον αισθητήρα της οπτικής ίνας φωτός, όταν αυτός παραµορφώνεται. Μάλιστα, η µεταβολή αυτή του µήκους κύµατος είναι άµεση συνάρτηση της παραµόρφωσης του αισθητήρα. Στο σύνολο του πειραµατικού προγράµµατος έγινε προσπάθεια τοποθέτησης ενός συνόλου έξι οπτικών ινών, εκ των οποίων όµως οι δύο

93 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 72 α β γ δ ε στ ζ η Εικόνα 4.10 Εφαρµογή αγκυρίων [αρχική µορφή αγκυρίου (α), κόψιµο αγκυρίου (β), εισαγωγή ρητίνης στις οπές (γ), εµποτισµός αγκυρίου µε ρητίνη (δ), προσαρµογή αγκυρίου στη ράβδο εισαγωγής του (ε), εισαγωγή αγκυρίου στην οπή (στ ), αφαίρεση ράβδου εισαγωγής και επικόλληση αγκυρίου στο υποστύλωµα (ζ), τελική µορφή αγκυρίου (η)]. κόπηκαν κατά τη διαδικασία εφαρµογής τους. Κάθε οπτική ίνα τοποθετήθηκε σε ένα αγκύριο κατά τη διαδικασία εφαρµογής αυτού και σε θέση τέτοια ώστε να µετρά τη

94 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 73 µήκυνση του αγκυρίου στη θέση που αυτό εξέρχεται της οπής εφαρµογής του. Οι µετρήσεις που λήφθηκαν από τις οπτικές ίνες παρουσιάζονται και αξιολογούνται σε επόµενο κεφάλαιο. α β Εικόνα 4.11 Αγκύριο και αισθητήρας παραµόρφωσης τύπου οπτικής ίνας προ της εφαρµογής τους (α) και κατόπιν αυτής (β) Εφαρµογή τοπικού µανδύα CFRP στην περιοχή της πλαστικής άρθρωσης Αφού έλαβε χώρα η εφαρµογή των αγκυρίων, το τελευταίο στάδιο της ενίσχυσης των δοκιµίων ήταν η εφαρµογή δύο στρώσεων τοπικού µανδύα ύψους 60 cm στον πόδα των υποστυλωµάτων, από το ίδιο ύφασµα που είχε χρησιµοποιηθεί ως διαµήκης οπλισµός ενίσχυσης. Σηµειώνεται πως για το δοκίµιο Ελέγχου, η εφαρµογή αυτή τοπικού µανδύα αποτελεί και τη µόνη παρέµβαση στο δοκίµιο. Η διαδικασία εφαρµογής του µανδύα δεν διαφέρει ουσιαστικά από τον τρόπο µε τον οποίο είχε εφαρµοστεί το διάµηκες ύφασµα. Επιγραµµατικά η διαδικασία συνίσταται στα εξής: Στην παρούσα φάση της ενίσχυσης, το ύφασµα που προορίζεται για το µανδύα έχει ήδη κοπεί (λαµβάνοντας υπόψη µήκος υπερκάλυψης περί τα 15 cm) και εµποτιστεί µε ρητίνη. Με ρητίνη έχει επαλειφθεί και η προς εφαρµογή του µανδύα επιφάνεια, όπως επίσης έχει επαλειφθεί και µε µια στρώση από το µείγµα ρητίνης Cabosil που προαναφέρθηκε. Στη συνέχεια το ύφασµα, το οποίο έχει τυλιχθεί σε ρολό για ευκολότερη εφαρµογή του, τοποθετείται στο δοκίµιο µε τρόπο τέτοιον ώστε να διατηρείται η ευθυγραµµία των ινών του και να µην εγκλωβίζεται αέρας ανάµεσα στο ύφασµα και στην επιφάνεια εφαρµογής. Η περιτύλιξη των δύο στρώσεων µανδύα γίνεται µε ένα συνεχές

95 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 74 κοµµάτι υφάσµατος. Κατά τη διάρκεια εφαρµογής του µανδύα, το ύφασµα στρώνεται µε το χέρι πάντα σύµφωνα µε τη φορά περιτύλιξης, ώστε οι ίνες του να παραµένουν ευθύγραµµες, τεντωµένες και µε διεύθυνση εγκάρσια στον άξονα του υπό ενίσχυση µέλους. Η διαδικασία ενίσχυσης κλείνει µε µια τελευταία εφαρµογή του µείγµατος ρητίνης Cabosil, η οποία σκοπό είχε τον πλήρη εµποτισµό των ινών αλλά και τη δηµιουργία ενός προστατευτικού για αυτές στρώµατος. Η όλη διαδικασία που αναφέρεται στην παράγραφο αυτή απεικονίζεται στην Εικόνα Παρατηρήσεις σχετικά µε τη διαδικασία της ενίσχυσης των δοκιµίων Άξια αναφοράς από το σύνολο της διαδικασίας ενίσχυσης των δοκιµίων είναι τα κάτωθι: Ο µανδύας του δοκιµίου 3_1.5, κατά τη διαδικασία σκλήρυνσης της ρητίνης, κρέµασε ελαφρά στην παρειά που στη συνέχεια θα ονοµαστεί c (compression, καθώς η παρειά αυτή θλίβεται για θετικές τιµές µετακίνησης του οριζοντίου εµβόλου), µε αποτέλεσµα να τσακίσουν οι ίνες του µανδύα και ίσως και οι ίνες των αγκυρίων στην περιοχή εκείνη. Στη δηµιουργία αυτής της κατασκευαστικής κακοτεχνίας συντέλεσαν δυσµενώς τόσο η µεγάλη ποσότητα (µεγάλο βάρος) συνθέτων υλικών που επικολλήθηκαν στο δοκίµιο, όσο και οι χαµηλές θερµοκρασίες περιβάλλοντος που επικρατούσαν κατά τη διάρκεια της ενίσχυσης, που είχαν ως αποτέλεσµα µεγάλους χρόνους σκλήρυνσης της α β Εικόνα 4.12 Εφαρµογή τοπικού µανδύα [τοποθέτηση υφάσµατος (α), επάλειψη µε µείγµα ρητίνης Cabosil και τελική εικόνα ενισχυµένων δοκιµίων (β)].

96 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 75 ρητίνης. Παρόλα αυτά, η ανωµαλία που δηµιουργήθηκε δεν περιείχε εγκλωβισµένο αέρα και ήταν πλήρης ρητίνης, µε αποτέλεσµα να µπορεί να θεωρηθεί επιτυχηµένη η ενίσχυση του δοκιµίου, τουλάχιστον για φορά φόρτισης που θλίβει την παρειά όπου έλαβε χώρα η κακοτεχνία. Όσον αφορά τις οπτικές ίνες που χρησιµοποιήθηκαν, κατόπιν της διαδικασίας εφαρµογής τους, θα µπορούσε να ειπωθεί πως δεν πρόκειται για ιδιαίτερα εύχρηστο µέσον παρακολούθησης των παραµορφώσεων σε τέτοιου τύπου ενισχύσεις. Λόγω της ιδιαίτερα µικρής διαµέτρου τους, κάποιες από τις οπτικές ίνες κόπηκαν κατά τη διαδικασία εφαρµογής τους, αλλά ακόµα και αυτές που εφαρµόστηκαν σωστά, όπως θα φανεί στη συνέχεια, δεν έδωσαν ιδιαίτερα αξιοποιήσιµα αποτελέσµατα. Παρουσίαση και σχολιασµός των µετρήσεων των οπτικών ινών γίνεται σε επόµενη ενότητα. Τέλος, αξίζει να σηµειωθεί πως κατά τη διαδικασία ενίσχυσης των δοκιµίων, και σε προδιαγεγραµµένες στάθµες (130 mm, 260 mm και 450 mm από τη βάση του υποστυλώµατος), τοποθετήθηκαν µε χρήση ρητίνης ντίζες σε οπές που ήδη είχαν ανοιχθεί στα δοκίµια. Οι ντίζες αυτές χρησιµοποιήθηκαν για την µετέπειτα προσάρτηση αισθητήρων µεταβλητής αντίστασης (ποτενσιοµέτρων) στις παρειές των δοκιµίων, ώστε να είναι δυνατή η καταγραφή των κατακόρυφων µετακινήσεων των παρειών στις στάθµες εκείνες. Εικόνα 4.13 Τοποθέτηση ντίζας ποτενσιοµέτρου σε οπή επί της παρειάς του δοκιµίου.

97 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑΤΑΞΗ Στην παράγραφο αυτή, γίνεται παρουσίαση της πειραµατικής διάταξης, µέσω της οποίας εκτελέστηκε το πειραµατικό κοµµάτι της παρούσας διατριβής. Η πειραµατική διάταξη σχεδιάστηκε έτσι ώστε να µπορεί να επιβάλλεται πλευρική µετακίνηση, ανακυκλιζόµενη ή µονοτονική, στην κεφαλή του δοκιµίου µε ταυτόχρονη επιβολή σταθερού αξονικού φορτίου. Για την υλοποίηση της πειραµατικής διάταξης χρησιµοποιήθηκε το ισχυρό πλαίσιο του Εργαστηρίου Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του Πανεπιστηµίου Πατρών. Το πλαίσιο προσέφερε τη δυνατότητα χρήσης ενός συστήµατος µε ισχυρό δάπεδο και ακλόνητους τοίχους αντίδρασης. Στο σηµείο αυτό κρίνεται σκόπιµη η περιγραφή της πειραµατικής διάταξης, καθώς και των οργάνων που χρησιµοποιήθηκαν για την καταγραφή των µετρήσεων κάθε πειράµατος, που παρουσιάζονται σε επόµενη ενότητα. Στην Εικόνα 4.14 φαίνεται η χρησιµοποιούµενη πειραµατική διάταξη. Το δάπεδο του πλαισίου διαθέτει οπές σε συγκεκριµένα σηµεία, οι οποίες επιτρέπουν την διέλευση ράβδων προέντασης που χρησιµοποιούνται για την πάκτωση των θεµελίων των δοκιµίων αλλά και για την ακλόνητη στήριξη των αρθρώσεων του Εικόνα 4.14 Πειραµατική διάταξη που χρησιµοποιήθηκε.

98 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 77 συστήµατος επιβολής αξονικού φορτίου. Προκειµένου να εξασφαλισθεί πλήρης πάκτωση του θεµελίου του υποστυλώµατος στο δάπεδο του πλαισίου, τοποθετήθηκαν δύο ισχυρές κοιλοδοκοί σε κάθε πλευρά του θεµελίου, οι οποίες συνδέθηκαν µε ισχυρές ράβδους προέντασης (διαµέτρου 36 mm) µε το δάπεδο. Η υπόλοιπη πειραµατική διάταξη αποτελείται ουσιαστικά από δύο επιµέρους συστήµατα, το σύστηµα επιβολής αξονικού φορτίου και το σύστηµα επιβολής πλευρικής µετακίνησης. Η επιβολή του αξονικού φορτίου γίνεται µέσω εσωτερικού για την πειραµατική διάταξη συστήµατος, γεγονός µε θετική συµβολή στην ασφάλεια της διάταξης. Το σύστηµα επιβολής αξονικού φορτίου συνδέεται ακλόνητα µε χρήση ράβδων προέντασης στο ισχυρό δάπεδο. Στο πάνω µέρος της πειραµατικής διάταξης τοποθετείται δύσκαµπτη µεταλλική δοκός, η οποία διέρχεται πάνω από την κεφαλή του υποστυλώµατος. Πάνω στην κεφαλή του υποστυλώµατος εφαρµόζεται µεταλλική πλάκα πάχους 3 cm, ανάµεσα στην οποία και στην δύσκαµπτη µεταλλική δοκό τοποθετούνται τέσσερις υδραυλικοί γρύλλοι που χρησιµεύουν στην επιβολή του αξονικού φορτίου στο υποστύλωµα. Η προαναφερθείσα δύσκαµπτη δοκός, συνδέεται αµφιαρθρωτά µέσω συστήµατος ισχυρών ράβδων προέντασης (διαµέτρου 36 mm) και αρθρώσεων µε το ισχυρό δάπεδο του πλαισίου. Για την επιβολή του αξονικού φορτίου, αρκεί η ενεργοποίηση των γρύλλων, η οποία έχει ως αποτέλεσµα τη δηµιουργία εφελκυστικών δυνάµεων στις ράβδους προέντασης και αντίστοιχα ίσης µε το άθροισµα των εφελκυστικών αυτών δυνάµεων θλιπτικής δύναµης στο υποστύλωµα. Το ασκούµενο στο υποστύλωµα αξονικό φορτίο, παρακολουθείται κατά τη διάρκεια των πειραµατικών δοκιµών µε δύο διαφορετικούς τρόπους και διορθώνεται ανάλογα µέσω της πίεσης του λαδιού στους γρύλλους όταν α β γ Εικόνα 4.15 Σύστηµα επιβολής αξονικού φορτίου [υδραυλικός γρύλλος (α, β), ηλεκτροκίνητη αντλία λαδιού (γ)].

99 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 78 χρειάζεται. Ο πρώτος τρόπος παρακολούθησης του αξονικού φορτίου, που είναι άµεσος, συνίσταται στην παρακολούθηση της πίεσης του λαδιού στους γρύλους µέσω µανοµέτρου. Η πίεση του λαδιού, πολλαπλασιασµένη µε τη διατοµή των εµβόλων των γρύλλων, ισοδυναµεί µε την ασκούµενη από αυτούς δύναµη. Παράλληλα, το αξονικό φορτίο παρακολουθείται και έµµεσα, µέσω της παραµόρφωσης των ράβδων προέντασης που χρησιµοποιούνται στην επιβολή του αξονικού φορτίου. Η δύναµη που µεταφέρει κάθε ράβδος, ισούται µε το γινόµενο του µέτρου ελαστικότητάς της µε την παραµόρφωσή της και τη διατοµή της. Η παραµόρφωση των ράβδων προέντασης, παρακολουθείται κατά τη διάρκεια των πειραµατικών δοκιµών µε χρήση ηλεκτρικών µυκηνσιοµέτρων αντίστασης (strain gages), τα οποία είναι επικολληµένα στις ράβδους. Η επιβολή της πλευρικής οριζόντιας µετακίνησης γίνεται µέσω σερβοϋδραυλικού εµβόλου διπλής δράσης M.T.S, αγκυρωµένου αρθρωτά στην κεφαλή του υποστυλώµατος µέσω των οπών που δηµιουργήθηκαν εκεί κατά τη διάρκεια των σκυροδετήσεων. Η φόρτιση γίνεται σε ύψος 1.60 m από την βάση του υποστυλώµατος, ενώ το πίσω τµήµα του εµβόλου είναι επίσης αρθρωτά αγκυρωµένο στο ακλόνητο πλαίσιο. Το χρησιµοποιούµενο έµβολο οριζόντιων µετακινήσεων παρέχει τη δυνατότητα καταγραφής της εφαρµοζόµενης µετατόπισης και του ασκούµενου φορτίου. Το κινούµενο στέλεχός του διαθέτει µετρητή µετακινήσεων, ενώ στο µπροστινό τµήµα του εµβόλου υπάρχει ενσωµατωµένη δυναµοκυψέλη. Οι ενδείξεις της δυναµοκυψέλης και του µηκυνσιοµέτρου καταγράφονται σε µορφή ηλεκτρικού σήµατος στο συνδεδεµένο µε το έµβολο υπολογιστικό σύστηµα και µέσω κατάλληλων συντελεστών βαθµονόµησης µετασχηµατίζονται σε τιµές δύναµης και µετακίνησης εµβόλου. Η όλη χρησιµοποιούµενη πειραµατική διάταξη παρουσιάζεται γραφικά στο Σχήµα 4.5. Εκτός των µετρήσεων που παρέχει το οριζόντιο έµβολο (δύναµη και µετακίνηση εµβόλου), υπήρχε ανάγκη µέτρησης και καταγραφής και άλλων στοιχείων αναφορικά µε τη δοκιµή. Για τη καταγραφή των κατακόρυφων µετακινήσεων των παρειών των υποστυλωµάτων σε συγκεκριµένες στάθµες (130 mm, 260 mm και 450 mm από τη βάση τους), τοποθετήθηκαν αισθητήρες µεταβλητής αντίστασης (ποτενσιόµετρα). Τα ποτενσιόµετρα είναι αισθητήρες που µετατρέπουν τη µεταβολή του µήκους τους σε ηλεκτρικό σήµα, µέσω της µεταβολής της αντίστασής τους. Οι χρησιµοποιούµενη αισθητήρες ήταν της εταιρίας GEFRAN και τα άκρα τους είναι διαµορφωµένα σε σφαιρικές αρθρωτές στηρίξεις. Η απόκρισή τους είναι γραµµική µε απόκλιση ±0.05%. Η

100 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 79 (α) (β) (γ) Σχήµα 4.5 Σχηµατική παράσταση πειραµατικής διάταξης. ιακρίνονται οι οπλισµοί των δοκιµίων (β) καθώς και ο τρόπος ενίσχυσής τους (γ). α β γ Εικόνα 4.16 Ποτενσιόµετρα µέτρησης µετακινήσεων [χρησιµοποιούµενο ποτενσιόµετρο (α), διάταξη ποτενσιοµέτρων στο δοκίµιο (β, γ)].

101 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 80 τοποθέτησή τους έγινε σε ντίζες επί των δοκιµίων, που είχαν τοποθετηθεί ήδη κατά τη φάση ενίσχυσης αυτών. Επιπλέον, όπως έχει ήδη αναφερθεί, τοποθετήθηκαν σε ορισµένα εκ των αγκυρίων µετρητές παραµορφώσεων τύπου οπτικής ίνας. Αυτό έγινε σε µια προσπάθεια καταγραφής των δηµιουργούµενων στα αγκύρια παραµορφώσεων, κάτι που δεν ήταν δυνατόν να γίνει µε τους συνήθεις αισθητήρες (strain gages) λόγω της φύσης των αγκυρίων. Εδώ αξίζει να αναφερθεί ο τρόπος λειτουργίας των αισθητήρων αυτού του τύπου. Ο αισθητήρας [Fibre Bragg Gratings (FBGs)] κατασκευάζεται µέσα στον πυρήνα µιας οπτικής ίνας µε ειδική κατεργασία (πλευρική έκθεση του πυρήνα της σε υψηλής έντασης συγκεκριµένου τύπου παλµών υπεριώδους φωτός). Ο αισθητήρας αυτός, έχει την ιδιότητα να ανακλά ένα συγκεκριµένο εύρος µηκών κύµατος, όταν εκτεθεί σε δέσµη φωτός ευρέου φάσµατος ( nm). Ουσιαστικά λειτουργεί σαν οπτικό φίλτρο, αντανακλώντας µια ελάχιστη ποσότητα του ευρυζωνικού σήµατος επιτρέποντας παράλληλα στο υπόλοιπο φως να συνεχίσει την πορεία του µέσα στην οπτική ίνα. Μάλιστα, τα ανακλώµενα από τον αισθητήρα µήκη κύµατος µεταβάλλονται όταν µεταβληθεί η θερµοκρασία του αισθητήρα ή η παραµορφωσιακή κατάσταση αυτού. Με δεδοµένη τη διατήρηση σταθερών θερµοκρασιών, ο αισθητήρας µπορεί να βαθµονοµηθεί, ούτως ώστε το ανακλώµενο από αυτόν µήκος κύµατος να αντιστοιχεί σε συγκεκριµένη τιµή παραµόρφωσης. Οι αισθητήρες αυτού του τύπου έχουν ήδη βρει αρκετές εφαρµογές σε διάφορους τοµείς (π.χ. αεροναυπηγική), αλλά και στο πεδίο των κατασκευών που ενδιαφέρει τον πολιτικό µηχανικό. Τα βασικότερα πλεονεκτήµατα των Οπτικών Αισθητήρων FBGs αναφέρονται επιγραµµατικά ακολούθως: Υψηλή ακρίβεια (µερικών µε δηλαδή microstrain). Μικρό µέγεθος της τάξεως του 1cm και αµελητέο βάρος. Εξαιρετική αντοχή σε µηχανικές καταπονήσεις Παραµορφωσιµότητα. Μεγάλο θερµοκρασιακό εύρος λειτουργίας >50 ο C. Φιλικοί προς το περιβάλλον. υνατότητα πραγµατοποίησης µετρήσεων, σε σηµεία και διατάξεις αδύνατα να µετρηθούν µε τους συµβατικούς αισθητήρες. Μεγάλη ταχύτητα µετρήσεων και επαναληψιµότητα. εν χρειάζονται ρύθµιση µετά την τοποθέτηση.

102 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 81 Πλεονεκτούν σε σχέση µε τους συµβατικούς ηλεκτρικούς αισθητήρες όσον αφορά την υγρασία, σπινθηρισµούς, γειώσεις, ραδιοκύµατα και γενικότερα Η/Μ ακτινοβολίες. υνατότητα πολυπλεξίας είτε σε ένα ή/και σε πολλά κανάλια (οπτικές ίνες). υνατότητα αποµακρυσµένης επιτήρησης & µετάδοσης χιλιόµετρα µακριά µε απλά τηλεπικοινωνιακά καλώδια οπτικής ίνας, ή µέσω ασύρµατων δικτύων. ουλεύουν µε ακτινοβολία χαµηλής ισχύος και δεν υπάρχει κίνδυνος σε εύφλεκτα περιβάλλοντα. Όσον αφορά τους χρησιµοποιούµενους κατά την πειραµατική διαδικασία αισθητήρες, µέσω ειδικού οργάνου αποστέλλεται διαµέσου της οπτικής ίνας δέσµη φωτός Σχήµα 4.6 Αρχή λειτουργίας FBGs Σχήµα 4.7 ιαγραµµατική περιγραφή λειτουργίας της συνθήκης BRAGG.

103 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 82 α γ β Εικόνα 4.17 Αισθητήρας µέτρησης παραµορφώσεων τύπου οπτικής ίνας (α), καταγραφικό όργανο αυτού (β), πειραµατική διάταξη µε τοποθετηµένα ποτενσιόµετρα και οπτικές ίνες (γ). στον αισθητήρα, που βρίσκεται εντός του αγκυρίου και στη στάθµη του χείλους της οπής εφαρµογής του. Ο αισθητήρας, για δεδοµένη παραµόρφωση αυτού, ανακλά συγκεκριµένου µήκους κύµατος φως, το οποίο µετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήµα και καταγράφεται από ειδικό καταγραφικό όργανο. Στη συνέχεια, µε δεδοµένη τη σταθερά βαθµονόµησης του αισθητήρα, η µεταβολή του µήκους κύµατος του ανακλώµενου από τον αισθητήρα φωτός αναγάγεται σε µεταβολή παραµόρφωσης αυτού. Για την ακρίβεια, η µεταβολή του ανακλώµενου µήκους κύµατος είναι ευθέως ανάλογη της µεταβολής της παραµόρφωσης του αισθητήρα, βάση της σχέσης ε= λ / Κε, όπου ε η µεταβολή της παραµόρφωσης του αισθητήρα, λ η µεταβολή του µήκους κύµατος του ανακλώµενου φωτός και Κε µια σταθερά, η οποία δηλώνει τη σχέση τροπής-µήκους κύµατος του αισθητήρα, που κυµαίνεται στην περιοχή των 1.2 pm/µstrain. Κλείνοντας την παρουσίαση των διαφόρων χρησιµοποιούµενων κατά τις πειραµατικές δοκιµές αισθητήρων, αξίζει να αναφερθεί πως προκειµένου να πιστοποιηθεί η επαρκής πάκτωση των δοκιµίων στο ισχυρό δάπεδο του πλαισίου, τοποθετήθηκε συσκευή µέτρησης µετακινήσεων στην µία πλευρά του πέδιλου θεµελίωσης. Κατά τη διάρκεια των πειραµατικών δοκιµών, διαπιστώθηκε µε τον τρόπο αυτό η σχεδόν πλήρης πάκτωση των δοκιµίων στο δάπεδο του πλαισίου.

104 Κεφάλαιο 4 ο - Πειραµατική διαδικασία 83 Εικόνα 4.18 Έλεγχος ανασήκωσης βάσης θεµελίου. 4.7 ΣΥΝΟΨΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ Στο κεφάλαιο αυτό, παρουσιάστηκε το πειραµατικό πρόγραµµα που έλαβε χώρα, προκειµένου να διερευνηθεί η αποτελεσµατικότητα µιας νέας µεθόδου καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων, την οποία πραγµατεύεται η παρούσα διατριβή. Η νέα µέθοδος αυτή, συνίσταται στην επικόλληση υφάσµατος ινοπλισµένων πολυµερών στις παρειές του µέλους, η αγκύρωση του οποίου πέραν των κρίσιµης διατοµής εξασφαλίζεται µε χρήση αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών άνθρακα. Επιπλέον, και εξωτερικά των αγκυρίων, εφαρµόζεται τοπικός µανδύας συνθέτων υλικών. Για την αξιολόγηση της αποτελεσµατικότητας της µεθόδου αυτής, δοκιµάστηκε σύνολο πέντε υποστυλωµάτων πλήρους κλίµακας µε ανεπαρκείς λεπτοµέρειες όπλισης. Το ένα εξ αυτών (Ελέγχου) ενισχύθηκε µε τοπικό µανδύα στον πόδα του, ώστε να µην υπεισέρχεται πιθανή αύξηση της καµπτικής αντοχής των δοκιµίων λόγω του µανδύα, ως παράµετρος στην όλη διερεύνηση. Τα υπόλοιπα δοκίµια ενισχύθηκαν καµπτικά, σύµφωνα µε την ανωτέρω µέθοδο, µε σκοπό τη διερεύνηση της επιρροής του αριθµού των χρησιµοποιούµενων αγκυρίων και της συνολικής ποσότητας των ινών τους στην αποτελεσµατικότητα της εν λόγω µεθόδου. Τα δοκίµια υπεβλήθησαν σε δοκιµές ανακυκλιζόµενης φόρτισης υπό σταθερό αξονικό θλιπτικό φορτίο, πλην ενός, το οποίο δοκιµάστηκε µονοτονικά, µε σκοπό τη διερεύνηση της επίδρασης της ανακύκλισης της φόρτισης στη συµπεριφορά του δοκιµίου. Στο κεφάλαιο αυτό, παρατέθηκαν όλες οι παράµετροι που υπεισέρχονται στη µελέτη, τα χρησιµοποιούµενα υλικά και οι ιδιότητές τους καθώς και ο τρόπος κατασκευής και ενίσχυσης των δοκιµίων. Τέλος, το κεφάλαιο έκλεισε µε περιγραφή της χρησιµοποιούµενης πειραµατικής διάταξης. Το σύνολο των αποτελεσµάτων του πειραµατικού αυτού προγράµµατος παρατίθεται στο 5 ο Κεφάλαιο.

105 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΟΚΙΜΩΝ 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφεται η µηχανική συµπεριφορά των δοκιµίων, όπως προέκυψε από τη διενέργεια των πειραµατικών δοκιµών που έλαβαν χώρα στα πλαίσια της παρούσας διατριβής. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, σκοπός των πειραµατικών δοκιµών ήταν η αξιολόγηση της αποτελεσµατικότητας της µεθόδου ενίσχυσης υποστυλωµάτων οπλισµένου σκυροδέµατος που πραγµατεύεται η εργασία αυτή. Η µέθοδος αυτή συνίσταται στην εφαρµογή διαµήκους υφάσµατος CFRP ως πρόσθετου οπλισµού κάµψης των υποστυλωµάτων, στην αγκύρωση αυτού στους κόµβους µε χρήση αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών άνθρακα και στην εφαρµογή τοπικού µανδύα από ύφασµα CFRP στην κρίσιµη περιοχή των υποστυλωµάτων. Στις επόµενες παραγράφους, γίνεται περιγραφή της συµπεριφοράς των δοκιµίων κατά τη διάρκεια των πειραµατικών δοκιµών, µε ταυτόχρονη παράθεση όλων των µετρούµενων και υπολογιζόµενων µεγεθών. Προ της παρουσίασης των αποτελεσµάτων, γίνεται αναλυτική περιγραφή της µεθοδολογίας, µέσω της οποίας επεξεργάστηκαν οι καταγραφές των διαφόρων αισθητήρων. Στη συνέχεια, η παρουσίαση των αποτελεσµάτων γίνεται κατά σειρά για το δοκίµιο Ελέγχου, για τα ενισχυµένα δοκίµια που υπεβλήθησαν σε δοκιµή ανακυκλιζόµενης φόρτισης και τέλος για το δοκίµιο που υπεβλήθη σε δοκιµή µονοτονικής φόρτισης. Έτσι, παρουσιάζονται κατά σειρά τα αποτελέσµατα των δοκιµίων: Ελέγχου, 2_1.5, 3_1.5, 2_1.0 και τέλος 2_1.5_m. Κατόπιν αυτών, παρατίθενται ορισµένα συγκριτικά για τα δοκίµια αποτελέσµατα. Υπενθυµίζεται πως οι εξεταζόµενες παράµετροι των πειραµατικών δοκιµών είναι η ποσότητα των ινών των αγκυρίων, ο αριθµός των αγκυρίων αυτών και η επιρροή της ανακύκλισης της φόρτισης. Παράλληλα µε την παρουσίαση των αποτελεσµάτων των πειραµατικών δοκιµών, γίνεται σχολιασµός της συµπεριφοράς των δοκιµίων. Τα αποτελέσµατα που παρατίθενται στην ενότητα αυτή, αξιοποιούνται περαιτέρω στην επόµενη ενότητα, όπου γίνεται εκτίµηση µε αναλυτικές µεθόδους, της συµπεριφοράς των αγκυρίων σε τέτοιου τύπου ενισχύσεις. Εξάλλου, όπως καταδεικνύεται και στη συνέχεια, η συµπεριφορά των χρησιµοποιούµενων αγκυρίων είναι ο καθοριστικότερος αλλά και δυσκολότερα προσδιορίσιµος παράγοντας, όσον αφορά την αποτελεσµατικότητα µιας τέτοιου τύπου ενίσχυσης.

106 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Στην παράγραφο αυτή παρουσιάζονται τα µετρούµενα και καταγραφόµενα κατά τη διάρκεια των πειραµατικών δοκιµών µεγέθη. Επιπλέον, παρουσιάζεται η µεθοδολογία επεξεργασίας αυτών, η οποία σαν σκοπό έχει τον υπολογισµό των τιµών όλων των υπολοίπων µεγεθών που παρατίθενται στις επόµενος παραγράφους. Εδώ αξίζει να ειπωθεί πως η εξέλιξη των τιµών όλων των µετρούµενων µεγεθών καταγραφόταν συγχρονισµένα µέσω κεντρικού υπολογιστικού συστήµατος µε χρονικό βήµα 0.1 sec. Όπως ήδη έχει αναφερθεί, τα κυριότερα µεγέθη που χαρακτηρίζουν τις πειραµατικές δοκιµές που έλαβαν χώρα, που δεν είναι άλλα από τη µετακίνηση και την ασκούµενη δύναµη του εµβόλου επιβολής οριζοντίων µετακινήσεων, ήταν άµεσα µετρούµενα και καταγραφόµενα, µέσω µετρητή µετακινήσεων και δυναµοκυψέλης που ήταν προσαρτηµένα στο έµβολο. Η αναφερόµενη στη συνέχεια σχετική µετακίνηση εµβόλου, αντιστοιχεί στο πηλίκο της διαίρεσης της µετακίνησης του εµβόλου µε το ελεύθερο ύψος των υποστυλωµάτων (1600 mm). Επιπλέον, όπως επίσης έχει αναφερθεί προηγουµένως, σε ύψη 130 mm, 260 mm και 450 mm από τη βάση των υποστυλωµάτων, είχαν προσαρτηθεί ζεύγη ποτενσιοµέτρων (µετρητών µετακινήσεων), ένα στην πλέον θλιβόµενη και ένα στην πλέον εφελκυόµενη παρειά. Θεωρώντας συµβατικά τις προς τα δεξιά µετατοπίσεις του εµβόλου (ώθηση εµβόλου) ως θετικές, µπορούν να ονοµαστούν οι δύο πλέον παραµορφούµενες παρειές των δοκιµίων ως t (tension) και c (compression), αναλόγως µε το αν θλίβονται ή εφελκύονται για θετικές µετακινήσεις του εµβόλου. Ουσιαστικά η δεξιά παρειά ονοµάζεται c και η αριστερή t. Όσον αφορά τις στάθµες τοποθέτησης των ποτενσιοµέτρων, αν ονοµαστεί σαν 0 η στάθµη βάσης του υποστυλώµατος, οι στάθµες σε ύψη 130 mm, 260 mm και 450 mm από τη βάση µπορούν να αριθµηθούν σαν 1, 2 και 3 αντίστοιχα. Επιπλέον, αν χαρακτηριστούν µε το γράµµα m οι µετρήσεις των ποτενσιοµέτρων και χρησιµοποιηθούν σαν υποδείκτες τα προαναφερόµενα c, t και 1,2,3, έχουν ονοµατιστεί πλήρως οι µετρούµενες από τα ποτενσιόµετρα µετακινήσεις σαν m c1, m c2, m c3, m t1, m t2 και m t3. Οι ανωτέρω ονοµασίες φαίνονται παραστατικά στο Σχήµα 5.1. Στη συνέχεια, µε δεδοµένες τις καταγραφές των ποτενσιοµέτρων, τις διαστάσεις των υποστυλωµάτων, τις αποστάσεις των ποτενσιοµέτρων από στις παρειές εφαρµογής τους και την απόσταση κάθε στάθµης εφαρµογής ποτενσιοµέτρων από τη βάση των υποστυλωµάτων, µπορούν να υπολογιστούν ορισµένα χρήσιµα µεγέθη που αφορούν κάθε

107 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 86 θετική φορά εµβόλου mm παρειά t m t3 παρειά c µετρήσεις ποτενσιοµέτρων mm mm ± 0.00 mm m t2 m t1 m c3 m c2 m c1 Σχήµα 5.1 Ονοµατολογία µετρούµενων από τα ποτενσιόµετρα µετακινήσεων. δοκιµή. Σε κάθε χρονική στιγµή, η στροφή της διατοµής σε στάθµη i σε σχέση µε την αρχική της θέση µπορεί να υπολογιστεί από την σχέση: ( mci mti ) θi0 = l + l ci ti, i= 1, 2,3 (5.1) όπου m ci, m ti οι µετρήσεις των ποτενσιοµέτρων της στάθµης i σε mm και l ci, l ti οι αποστάσεις των ποτενσιοµέτρων από τη θλιβόµενη και την εφελκυόµενη παρειά τοποθέτησής τους αντίστοιχα (σε mm). Οι σχετικές στροφές των διατοµών θ ij (σχετική στροφή διατοµής i σε σχέση µε διατοµή j) υπολογίζονται µε αφαίρεση της στροφής της διατοµής j από τη στροφή της διατοµής i. Με χρήση των σχετικών στροφών κάθε στάθµης σε σχέση µε την υποκείµενή

108 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 87 της στάθµη, δύναται να υπολογιστούν οι µέσες καµπυλότητες των δοκιµίων ανάµεσα σε δύο συνεχόµενες στάθµες i, j. Οι καµπυλότητες αυτές προκύπτουν από τη σχέση: θij ϕ ji = h h i j, i= 1, 2,3, j= 0,1,2 (5.2) όπου φ ji η µέση καµπυλότητα του υποστυλώµατος ανάµεσα στη στάθµη j και τη στάθµη i και h i, h j οι αποστάσεις των σταθµών i και j αντίστοιχα από τη βάση του υποστυλώµατος. Για τον υπολογισµό των µέσων παραµορφώσεων των παρειών ανάµεσα σε δύο στάθµες, πρέπει πρώτα να αναχθούν οι µετρήσεις των ποτενσιοµέτρων στις παρειές των υποστυλωµάτων. Με χρήση οµοίων τριγώνων, προκύπτει πως: l m = ( m m ) + m ti ci, παρ ci ti ti lti+ lci+ 250, i= 1, 2,3 (5.3) l m = ( m m ) + m ci ti, παρ ti ci ci lci+ lti+ 250, i= 1, 2,3 (5.4) όπου m ci,παρ και m ti,παρ οι µετακινήσεις των παρειών του υποστυλώµατος στη στάθµη i. Τα αναφερόµενα µεγέθη φαίνονται παραστατικά στο Σχήµα 5.2. m ti m ti,παρ θ i0 στάθµη i m ci,παρ m ci Σχήµα 5.2 Μετρούµενες µετακινήσεις ποτενσιοµέτρων, αναγωγή µετρούµενων µετακινήσεων στις παρειές του δοκιµίου και στροφές διατοµών.

109 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 88 Οι µέσες παραµορφώσεις κάθε παρειάς ανάµεσα σε δύο στάθµες υπολογίζονται έπειτα από τη σχέση: ε ε ci, j ti, j m = m = ci, παρ cj, παρ h i m h ti, παρ tj, παρ h i j j m h, i= 1, 2,3, j= 0,1,2 (5.5.1), i= 1, 2,3, j= 0,1,2 (5.5.2) όπου ε ci,j και ε ti,j οι µέσες παραµορφώσεις των παρειών των υποστυλωµάτων ανάµεσα στις στάθµες i και j. Με βάση τις µέσες παραµορφώσεις των παρειών ανάµεσα σε δεδοµένες στάθµες i και j, υπολογίζεται η µέση παραµόρφωση του άξονα του µέλους ανάµεσα στις στάθµες εκείνες ε i,j µέσον σαν ο µέσος όρος των παραµορφώσεων των παρειών του: ε ε + ε ci, j ti, j i, jµ έσον =, 1, 2,3 2 i=, j= 0,1,2 (5.6) Αν θεωρηθούν σαν δεδοµένα τα εξής: Το µεγαλύτερο µέρος της προκύπτουσας από τις µετρήσεις στροφής της διατοµής της στάθµης 1 ως προς τη διατοµή βάσης του υποστυλώµατος, οφείλεται σε στροφή της βάσης του υποστυλώµατος λόγω ολίσθησης των ράβδων οπλισµού του. Η προκύπτουσα (από τις µετρήσεις) στροφή του µέλους σε δεδοµένη στάθµη, οφείλεται στο άθροισµα της στροφής του λόγω κάµψης και της στροφής της προερχόµενης από ολίσθηση των ράβδων οπλισµού. (θ tot = θ fl + θ sl ) Η (πραγµατική) καµπυλότητα ανάµεσα στις ζώνες 0-1 και 1-2 (περιοχή πλαστικής άρθρωσης) παραµένει σταθερή. και µε δεδοµένο ότι η στάθµη 2 απέχει από τη στάθµη 1 όσο η στάθµη 1 από τη στάθµη 0, είναι δυνατός ένας προσεγγιστικός υπολογισµός της στροφής της βάσης λόγω ολίσθησης (θ slip ) και του εύρους της ανοιγόµενης στη βάση του υποστυλώµατος ρωγµής ως εξής: ( θ θ ) θsl = θ ϕ h = θ h = θ θ + θ = 2θ θ h2 h1 (5.7)

110 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 89 cw= m ε h = m ε ( h h ) = t1, παρ t 2,1 1 t1, παρ t 2,1 2 1 m m = m ( h h ) = 2m m t 2, παρ t1, παρ t1, παρ 2 1 t1, παρ t 2, παρ h2 h1 (5.8) όπου θ sl η στροφή της βάσης λόγω ολίσθησης και cw (crack width) το πλάτος της ανοιγόµενης ρωγµής στη βάση του υποστυλώµατος. Εκτός των µεγεθών που αναφέρθηκαν παραπάνω, ιδιαίτερης σηµασίας υπολογιζόµενο µέγεθος είναι η απορροφώµενη ενέργεια κάθε δοκιµίου (δύναται να συγκριθεί µόνον για τα πειράµατα ανακυκλιζόµενης φόρτισης). Η απορροφώµενη ενέργεια υπολογίζεται, προσθετικά για κάθε κύκλο φόρτισης, από το εµβαδόν που περικλείεται από την καµπύλη της οριζόντιας δύναµης ως προς τη µετατόπιση. Επίσης, από τις καταγραφόµενες µετρήσεις, µπορεί να υπολογιστεί και η αποµένουσα δυσκαµψία του µέλους έπειτα από κάθε κύκλο φόρτισης. Αν θεωρηθεί ως P push,ι η µέγιστη δύναµη που καταγράφεται στον κύκλο φόρτισης i για θετική τιµή µετατόπισης ίσης µε δ push,i και ως P pull,i και δ pull,i τα αντίστοιχα µεγέθη κατά την αντίθετη κίνηση του εµβόλου στον ίδιο κύκλο φόρτισης, τότε η δυσκαµψία του µέλους µετά τον κύκλο φόρτισης i ισούται µε: K = ( P P ) / ( δ δ ) (5.9) i push, i pull, i push, i pull, i Τέλος, από τις µετρήσεις που προκύπτουν από την πειραµατική διαδικασία, υπολογίζεται η ροπή στη βάση του υποστυλώµατος. Λόγω εκκεντρότητας του συστήµατος επιβολής αξονικού φορτίου, η ροπή στη βάση του υποστυλώµατος ισούται µε το γινόµενο της οριζόντιας εφαρµοζόµενης δύναµης µε την κατακόρυφη απόσταση µέχρι τη διατοµή βάσης του υποστυλώµατος (1.60 m) (ως πρόβολος), επαυξηµένο κατά την δηµιουργούµενη λόγω της εκκεντρότητας του αξονικού φορτίου ροπή. Η πρόσθετη αυτή δευτερογενής ροπή στη βάση του υποστυλώµατος λόγω των οριζοντίων µετακινήσεων και του αξονικού φορτίου (P- ), ισούται µε το εφαρµοζόµενο αξονικό φορτίο επί την απόσταση της ευθείας εφαρµογής του από τη βάση του υποστυλώµατος. εδοµένου ότι το σηµείο περιστροφής των κατακόρυφων ράβδων προέντασης που επιβάλλουν το αξονικό φορτίο βρίσκεται 25 cm χαµηλότερα από τη βάση του υποστυλώµατος, η συνολική ροπή ισούται µε:

111 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών M = 1.60 P+ N( d ) = M Nd tot top 0 top (5.10) όπου Μ tot η συνολική εφαρµοζόµενη ροπή στη βάση του υποστυλώµατος σε knm, P η ασκούµενη από το οριζόντιο έµβολο δύναµη σε kn, N το εφαρµοζόµενο αξονικό φορτίο σε kn και d top η καταγραφόµενη οριζόντια µετακίνηση του εµβόλου επιβολής οριζόντιων µετακινήσεων σε m. Η επιρροή αυτών των φαινοµένων δευτέρας τάξης στα πειραµατικά αποτελέσµατα φαίνεται παραστατικά στο Σχήµα 5.3. Σχήµα 5.3 Επιρροή φαινοµένων δευτέρας τάξης στις πειραµατικές δοκιµές.

112 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΟΚΙΜΩΝ Γενική συµπεριφορά δοκιµίων Όπως έχει ήδη αναφερθεί, τα υποστυλώµατα που ενισχύθηκαν και δοκιµάστηκαν ήταν τετραγωνικής διατοµής, 250 mm x 250 mm, µε λόγο διάτµησης 1.60/0.25 = 6.4. Η όπλιση αυτών έγινε σύµφωνα µε παλαιότερες (προ του 1985) κατασκευαστικές διατάξεις. Ο διαµήκης οπλισµός τους αποτελείτο από τέσσερις γωνιακές ράβδους από νευροχάλυβα ποιότητας S500s, διατοµής Φ14, ενώ ο εγκάρσιος οπλισµός τους από λείους, ανοικτούς (κάµψη αγκίστρων κατά 90 ο ) συνδετήρες ποιότητας S220 και διατοµής Φ8 ανά 20 cm. Η πλευρική φόρτιση των υποστυλωµάτων έγινε µέσω υδραυλικού εµβόλου σε ύψος 1.60 m, µε ταυτόχρονη παρουσία σταθερού θλιπτικού αξονικού φορτίου. Η συµπεριφορά και η µορφή αστοχίας όλων των δοκιµίων ήταν, όπως αναµενόταν, καµπτική, λόγω των χαρακτηριστικών του σχεδιασµού τους (υψηλή τιµή του λόγου διάτµησης Ly/h = 6.4, σχετικά µικρό ποσοστό διαµήκους οπλισµού). Άλλωστε, αυτό ήταν µια σηµαντική απαίτηση, προκειµένου να είναι εφικτή η αξιολόγηση της αποτελεσµατικότητας της χρησιµοποιούµενης µεθόδου ενίσχυσης για την αναβάθµιση της καµπτικής αντοχής των υποστυλωµάτων. Το δοκίµιο Ελέγχου, όπως έχει ήδη ειπωθεί, είχε ενισχυθεί µε τοπικό µανδύα CFRP στον πόδα του, όπως και όλα τα υπόλοιπα δοκίµια, µε σκοπό να µην εισάγεται η ύπαρξη του µανδύα αυτού ως πρόσθετη µεταβλητή στην παραµετρική µελέτη που γίνεται. Πιθανή θετική επιρροή του τοπικού αυτού µανδύα στην καµπτική αντοχή των δοκιµίων, θα οδηγούσε σε εσφαλµένα συµπεράσµατα. Το δοκίµιο Ελέγχου υπεβλήθη σε δοκιµή ανακυκλιζόµενης µετακίνησης της κορυφής του υπό σταθερό αξονικό φορτίο και παρουσίασε την αναµενόµενη πλάστιµη συµπεριφορά. Η καµπτική του αντίσταση του δεν έπεσε, ακόµα και σε µεγάλες µετακινήσεις κορυφής του, πολύ µετά τη διαρροή του διαµήκους εφελκυόµενου οπλισµού του. Όσον αφορά τα δοκίµια 2_1.5, 3_1.5 και 2_1.0, τα οποία υπεβλήθησαν επίσης σε ανακυκλιζόµενη φόρτιση, η συµπεριφορά τους φάνηκε βελτιωµένη σε σχέση µε το δοκίµιο Ελέγχου, σε όρους δύναµης και δυσκαµψίας, µέχρι ορισµένης µετατόπισης κορυφής, όπου έλαβε χώρα θραύση των αγκυρίων. Στο σηµείο εκείνο συνέβη πτώση της αντίστασης και δυσκαµψίας των δοκιµίων. Από το σηµείο εκείνο και έπειτα, τα δοκίµια συµπεριφέρθηκαν ως µη ενισχυµένα καµπτικά, καθώς ο πρόσθετος διαµήκης οπλισµός τους έπαψε να είναι αγκυρωµένος πέραν της κρίσιµης διατοµής. Παρά την πτώση της καµπτικής τους

113 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 92 αντίστασης, η µετέπειτα συµπεριφορά των δοκιµίων αυτών ήταν πλάστιµη, λόγω της ύπαρξης του τοπικού µανδύα. Μάλιστα, παρατηρήθηκε το φαινόµενο η αποµένουσα αντοχή των ενισχυµένων καµπτικά υποστυλωµάτων, µετά την αστοχία των αγκυρίων, να είναι συστηµατικά υψηλότερη της αντοχής του δοκιµίου Ελέγχου, για ίδιες τιµές οριζόντιας µετακίνησης. Ερµηνεία του φαινοµένου αυτού και ποσοτικοποίησή του δίνεται στο επόµενο κεφάλαιο, που έχει να κάνει µε το αναλυτικό µέρος της παρούσας διατριβής. Αξίζει εδώ να σηµειωθεί, πως στην πλειοψηφία των πειραµάτων, δεν συνέβη αστοχία των δοκιµίων µε τη συµβατική της έννοια (πτώση της µέγιστης αντίστασης κατά 20%), γεγονός µικρής σηµασίας, καθώς αυτό που έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον στις παρούσες δοκιµές είναι το σηµείο αστοχίας των αγκυρίων. Παρά ταύτα, όπου συµβαίνει συµβατική αστοχία των δοκιµίων, αυτή απλά αναφέρεται. Τέλος, αναφορικά µε τη συµπεριφορά του δοκιµίου 2_1.5_m, το οποίο υπεβλήθη σε µονοτονική φόρτιση επιβαλλόµενης πλευρικής µετακίνησης της κορυφής του µε ταυτόχρονη παρουσία σταθερού αξονικού φορτίου, η µορφή αστοχίας που παρατηρήθηκε ήταν διαφορετικού τύπου από την αντίστοιχη των υπολοίπων δοκιµίων. Προ της εξάντλησης της αντοχής των εφελκυόµενων αγκυρίων, έλαβε χώρα τοπικός λυγισµός του θλιβόµενου διαµήκους υφάσµατος στην περιοχή πάνω από τον τοπικό µανδύα. Ταυτόχρονα, συνέβη αποκόλληση µέρους της επικάλυψης του θλιβόµενου σκυροδέµατος στην περιοχή εκείνη. Αποτέλεσµα αυτών ήταν η σηµαντική µείωση της αντίστασης και δυσκαµψίας του δοκιµίου. Κατά την περαιτέρω επιβολή µετακινήσεων, συνέβη αποκόλληση του εφελκυόµενου υφάσµατος από την παρειά του δοκιµίου, µε ταυτόχρονη αποκόλληση σηµαντικού µέρους επικάλυψης σκυροδέµατος. Το γεγονός αυτό σηµατοδότησε και την αστοχία του δοκιµίου. Στη συνέχεια περιγράφεται αναλυτικά η συµπεριφορά κάθε δοκιµίου, µε ταυτόχρονη παρουσίαση όλων των µετρούµενων και υπολογισθέντων µεγεθών οκίµιο Ελέγχου Η παρουσίαση των αποτελεσµάτων των πειραµατικών δοκιµών ξεκινά µε το δοκίµιο Ελέγχου. Υπενθυµίζεται πως στο δοκίµιο αυτό είχε εφαρµοστεί τοπικός µανδύας δύο στρώσεων υφάσµατος CFRP στον πόδα του και σε ύψος 60cm. Η ιστορία φόρτισής του ήταν αυτή που απεικονίζεται στο κάτωθι διάγραµµα, ως µετακίνηση κορυφής υποστυλώµατος συναρτήσει του χρόνου, µε ταυτόχρονη παρουσία σταθερού αξονικού

114 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 93 φορτίου ίσου µε kn. Σηµειώνεται πως το ασκούµενο στο δοκίµιο αξονικό φορτίο αντιστοιχεί σε τιµή του ανηγµένου αξονικού φορτίου ίση µε v = Σχήµα 5.4 Ιστορία φόρτισης δοκιµίου Ελέγχου. Όπως φαίνεται και στο Σχ. 5.4, η ιστορία φόρτισης του δοκιµίου Ελέγχου ήταν ανακυκλιζόµενου τύπου. Το οριζόντιο έµβολο επέβαλε µετακινήσεις αυξανόµενες από κύκλο σε κύκλο κατά 5 mm, φτάνοντας τελικά σε µετακινήσεις κορυφής ίσες µε ±125 mm (ανηγµένη στο ύψος του δοκιµίου µέγιστη µετακίνηση ίση µε 125/1600 = 7.813%). Ο ρυθµός επιβολής µετακινήσεων αύξανε καθώς εξελισσόταν το πείραµα. Η συµπεριφορά που παρουσίασε το δοκίµιο αυτό κατά τη διάρκεια του πειράµατος ήταν η αναµενόµενη σύµφωνα µε τα όσα παρουσιάζονται στη διεθνή βιβλιογραφία για υποστυλώµατα ενισχυµένα µε µανδύες συνθέτων υλικών. Κύριο χαρακτηριστικό της συµπεριφοράς του δοκιµίου ήταν το ότι δεν συνέβη πτώση της καµπτικής του αντίστασης, ακόµα και σε µετακινήσεις πολύ πέραν της προφανούς διαρροής του διαµήκους χάλυβα. Το δοκίµιο, µετά την επίτευξη του µέγιστου φορτίου, διατήρησε την αντοχή του, χωρίς ουσιαστική πτώση αυτής, µέχρι το πέρας της δοκιµής, δηλαδή µέχρι µετακίνησης ±125 mm. Το µέγιστο φορτίο παρουσιάστηκε σε µετακινήσεις mm και mm και ήταν ίσο µε kn και kn αντίστοιχα (που αντιστοιχούν σε ροπή στη βάση του υποστυλώµατος ίση µε knm και knm αντίστοιχα). Υπενθυµίζεται πως η µετακίνηση του εµβόλου προς τα δεξιά, συµβατικά ορίστηκε ως θετική, όπως και οι προκύπτουσες δυνάµεις και ροπές. Οι θετικές µετακινήσεις κορυφής, δυνάµεις εµβόλου,

115 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 94 ροπές υποστυλώµατος, προκαλούν θλίψη της παρειάς c του δοκιµίου (δεξιά παρειά) και εφελκυσµό της παρειάς t (αριστερή παρειά). Οι µόνες βλάβες που παρατηρήθηκαν στο δοκίµιο ήταν µια οριζόντια καµπτική ρωγµή στη βάση του υποστυλώµατος, ακριβώς κάτω από τη βάση του µανδύα, η οποία έγινε αισθητή πέραν της µετακίνησης κορυφής ίσης µε 50 mm και η οποία κατά κύριο λόγο οφείλετο σε ολίσθηση των διαµήκων ράβδων οπλισµού από το θεµέλιο, καθώς και µικρότερες, καµπτοδιατµητικές ρωγµές στις πλέον παραµορφούµενες παρειές του δοκιµίου, στην περιοχή πάνω από το µανδύα, οι οποίες σχηµατίστηκαν σε µετακινήσεις κορυφής µεγαλύτερες των 90 mm. Σηµειώνεται πως η οριζόντια ρωγµή στη βάση του υποστυλώµατος έφθασε σε άνοιγµα της τάξης των 10 mm ενώ οι µικρότερες ρωγµές που παρουσιάστηκαν πάνω από το µανδύα ήταν µικρότερες, της τάξης του 1 mm σε πλάτος. Ακόµα, αξίζει να αναφερθεί πως κατά τη διάρκεια της δοκιµής, µέσω µετρητή µετακινήσεων που είχε τοποθετηθεί στο θεµέλιο, πιστοποιήθηκε η επαρκής πάκτωση του δοκιµίου στο πλαίσιο διεξαγωγής της δοκιµής. Σε όλη τη διάρκεια του πειράµατος, δεν καταγράφηκε ανασήκωση του θεµελίου (στην πλευρά της εφελκυόµενης παρειάς του υποστυλώµατος) µεγαλύτερη των 1.1 mm. Τα διαγράµµατα οριζόντιας δύναµης σχετικής µετακίνησης (µετατόπιση κορυφής ανηγµένη στο ύψος του υποστυλώµατος) και ροπής βάσης σχετικής µετακίνησης, παρατίθενται ακολούθως. Σχήµα 5.5 ιαγράµµατα φορτίου σχετικής µετακίνησης και ροπής βάσης σχετικής µετακίνησης (δοκίµιο Ελέγχου).

116 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 95 α β γ δ Εικόνα 5.1 Μετατόπιση δοκιµίου Ελέγχου στη θετική διεύθυνση κατά +125 mm (α), µετατόπιση δοκιµίου Ελέγχου στην αρνητική διεύθυνση κατά -125 mm (β), άνοιγµα ρωγµής στη βάση του δοκιµίου για µετατόπιση κορυφής +125 mm (γ), άνοιγµα ρωγµής στη βάση του δοκιµίου για µετατόπιση κορυφής -125 mm (δ). Σηµειώνεται πως η µικρή αύξηση της αντίστασης του δοκιµίου που παρατηρείται στις µεγάλες µετακινήσεις είναι πλασµατική και οφείλεται σε προς τα άνω µεταβολές της τιµής του ασκούµενου στο υποστύλωµα αξονικού φορτίου, για µεγάλες τιµές µετακίνησης

117 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 96 κορυφής. Κύριο αίτιο της αύξησης αυτής του αξονικού φορτίου, ήταν το γεγονός πως σε µεγάλες µετακινήσεις κορυφής (πέραν των 60 mm) ερχόταν σε επαφή το δύσκαµπτο περίβληµα των υδραυλικών γρύλλων µε την κορυφή του δοκιµίου και µετέφερε θλιπτικές δυνάµεις στο υποστύλωµα. Το αποτέλεσµα που επέφερε όµως η αύξηση αυτή του αξονικού φορτίου για µεγάλες τιµές µετακινήσεων στα πειραµατικά αποτελέσµατα είναι µικρής σηµασίας, καθώς η συµπεριφορά του δοκιµίου είχε ήδη προσδιοριστεί, όπως και το µέγιστο φορτίο που καθορίζει την καµπτική αντοχή του υποστυλώµατος. Στα παρακάτω διαγράµµατα, παρουσιάζεται η µεταβολή των στροφών των διατοµών 1, 2 και 3 (σε ύψη 130 mm, 260 mm και 450 mm από τη βάση του υποστυλώµατος) ως προς την ακριβώς υποκείµενη ονοµατισµένη διατοµή [0,1 και 2 αντίστοιχα (εννοώντας κατά σειρά τις διατοµές σε ύψη 0 mm, 130 mm και 260 mm από τη βάση του υποστυλώµατος)], συσχετισµένη µε τη ροπή βάσης του δοκιµίου. Υπενθυµίζεται πως η ονοµατολογία των διατοµών, παρατέθηκε στην παρ. 5.2, ταυτόχρονα µε την παρουσίαση της µεθόδου υπολογισµού όλων των µεγεθών που παρατίθενται σε µορφή διαγραµµάτων στο κεφάλαιο αυτό. Για λόγους πληρότητας, παρατίθεται επίσης η εξέλιξη του µεγέθους των στροφών αυτών, όπως και άλλων µεγεθών στη συνέχεια, συναρτήσει και του χρόνου. Ενώ η παρουσίαση των µεγεθών αυτών συναρτήσει του χρόνου δεν προσφέρει επιπλέον σε πληροφορία, αποδεικνύεται χρήσιµη κατά την παρουσίαση των αποτελεσµάτων των ενισχυµένων δοκιµίων, όπου ορισµένα µεγέθη στην αρχή αυξάνουν και στη συνέχεια, αυξανοµένων των µετακινήσεων κορυφής, µειώνονται. Έτσι, η παρουσίαση της εξέλιξης των µεγεθών αυτών συναρτήσει του χρόνου, είναι ο µόνος τρόπος σαφούς παρουσίασης των αποτελεσµάτων των πειραµατικών δοκιµών.

118 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 97 Σχήµα 5.6 ιαγράµµατα ροπής βάσης στροφών θ 10, θ 21, θ 32 και εξέλιξη των στροφών αυτών συναρτήσει του χρόνου (δοκίµιο Ελέγχου). Για λόγους πληρότητας επίσης, παρατίθενται και τα διαγράµµατα των στροφών θ 20 και θ 30, συσχετισµένων µε τη ροπή βάσης του υποστυλώµατος. Υπενθυµίζεται πως θ 20 = θ 10 + θ 21 και πως θ 30 = θ 20 + θ 32. Αυτό που παρατηρείται, είναι το γεγονός πως οι προκαλούµενες από την οριζόντια µετακίνηση του εµβόλου στροφές στο υποστύλωµα, συγκεντρώνονται κατά κύριο λόγο στη διατοµή βάσης του (διατοµή 0), στο σηµείο που δηµιουργείται η κύρια καµπτική ρωγµή, και πρόκειται ουσιαστικά για στροφές λόγω ολίσθησης των διαµηκών ράβδων οπλισµού. Χαρακτηριστικό είναι το γεγονός πως οι τιµές των στροφών θ 21 και θ 32 είναι µία τάξη µεγέθους κάτω σε σχέση µε τις τιµές της στροφής θ 10. Αξίζει ακόµα να σχολιαστεί το γεγονός, πως µετά τη διαρροή του χάλυβα, η στροφή θ 10 συνεχίζει να αυξάνει αυξανοµένων των µετακινήσεων. Αυτό όµως δεν συµβαίνει και µε τις στροφές θ 21 και θ 32. Αυτό υποδεικνύει πως όλη η βλάβη του υποστυλώµατος είναι συγκεντρωµένη στον πόδα του, στην θέση της κυρίαρχης καµπτικής ρωγµής.

119 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 98 Σχήµα 5.7 ιαγράµµατα ροπής βάσης στροφών θ 20, θ 30 (δοκίµιο Ελέγχου). Οι παρατηρήσεις που αναφέρθηκαν για τις στροφές, ισχύουν και για τις προκύπτουσες καµπυλότητες, οι οποίες παρουσιάζονται σε µορφή διαγραµµάτων στη συνέχεια.

120 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 99 Σχήµα 5.8 ιαγράµµατα ροπής βάσης καµπυλοτήτων φ 01, φ 12, φ 23 και εξέλιξη των καµπυλοτήτων αυτών συναρτήσει του χρόνου (δοκίµιο Ελέγχου). Στο επόµενο διάγραµµα, παρουσιάζεται η µεταβολή της στροφής λόγω ολίσθησης στη βάση του υποστυλώµατος συναρτήσει της ροπής στη θέση εκείνη. Εύκολα διαπιστώνεται η καθοριστική συνεισφορά της στροφής λόγω ολίσθησης στη συνολική στροφή της βάσης του δοκιµίου και κατ επέκταση στο σύνολο των καταγραφοµένων στις ανώτερες διατοµές στροφών. Σχήµα 5.9 ιάγραµµα στροφής λόγω ολίσθησης σχετικής µετακίνησης κορυφής υποστυλώµατος (δοκίµιο Ελέγχου). Στη συνέχεια, παρατίθενται σε διαγραµµατική µορφή οι υπολογισµένες τιµές του εύρους της ανοιγόµενης στη βάση του δοκιµίου καµπτικής ρωγµής συναρτήσει της σχετικής µετακίνησης κορυφής του υποστυλώµατος, για τις παρειές c και t του δοκιµίου.

121 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 100 Αξίζει να αναφερθεί πως οι τιµές αυτές δεν απέχουν σηµαντικά από τις παρατηρούµενες κατά τη διάρκεια των δοκιµών, γεγονός που επιβεβαιώνει την ορθότητα του τρόπου ανάλυσης των αποτελεσµάτων των πειραµατικών δοκιµών. Σχήµα 5.10 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής συναρτήσει της ανηγµένης µετακίνησης κορυφής του υποστυλώµατος για τις παρειές c και t (δοκίµιο Ελέγχου). Στα επόµενα διαγράµµατα, παρουσιάζεται η εξέλιξη των υπολογισθέντων µέσων αξονικών παραµορφώσεων των παρειών c και t στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της σχετικής µετακίνησης κορυφής και του χρόνου.

122 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 101

123 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 102 Σχήµα 5.11 ιαγράµµατα µέσης αξονικής παραµόρφωσης των παρειών c και t στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του δοκιµίου οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου (δοκίµιο Ελέγχου). Κλείνοντας την παράθεση των αποτελεσµάτων της πειραµατικής δοκιµής του δοκιµίου Ελέγχου, και για λόγους πληρότητας, παρατίθενται σε διαγραµµατική µορφή οι µέσες αξονικές παραµορφώσεις του άξονα του υποστυλώµατος στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του υποστυλώµατος οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου.

124 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 103 Σχήµα 5.12 ιαγράµµατα µέσης αξονικής παραµόρφωσης του άξονα του υποστυλώµατος στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του δοκιµίου οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου (δοκίµιο Ελέγχου) οκίµιο 2_1.5 Το δοκίµιο 2_1.5 ήταν ενισχυµένο µε µια στρώση υφάσµατος CFRP στις δύο πλέον παραµορφούµενες παρειές του, στο ρόλο του πρόσθετου οπλισµού κάµψης. Ο πρόσθετος αυτός οπλισµός, αγκυρωνόταν πέραν της κρίσιµης διατοµής (διατοµή βάσης), µέσω δύο αγκυρίων µορφής θυσάνου ινών άνθρακα ανά ενισχυµένη παρειά. Κάθε ζεύγος αγκυρίων, συνίστατο από ίνες άνθρακα συνολικής διατοµής 150% της διατοµής του υφάσµατος που καλούνταν να αγκυρώσουν. Τα αγκύρια αυτά καλούνταν να µεταφέρουν τις δηµιουργούµενες εφελκυστικές δυνάµεις του υφάσµατος της εφελκυόµενης παρειάς στο θεµέλιο. Πέραν των ανωτέρω και εξωτερικά των αγκυρίων και του διαµήκους υφάσµατος, που συνιστούν ουσιαστικά την καµπτική ενίσχυση του δοκιµίου, εφαρµόστηκε τοπικός µανδύας, όµοιος µε του δοκιµίου Ελέγχου. Ρόλος του µανδύα ήταν αφενός µεν να λειτουργήσει ως περίσφιγξη για τη διατοµή (αύξηση παραµορφωσιµότητας και αντοχής σκυροδέµατος, αποτροπή λυγισµού θλιβόµενου χάλυβα), αφετέρου να εµποδίσει τον πρόσθετο θλιβόµενο οπλισµό (θλιβόµενο ύφασµα) από αποκόλληση και λυγισµό. Επίσης, η ύπαρξη του τοπικού αυτού µανδύα εξασφαλίζει τα αγκύρια από πιθανή αποκόλλησή τους από το διάµηκες ύφασµα. Η ιστορία φόρτισης του δοκιµίου 2_1.5 ήταν αυτή που απεικονίζεται στο κάτωθι διάγραµµα, ως µετακίνηση κορυφής υποστυλώµατος συναρτήσει του χρόνου, µε ταυτόχρονη παρουσία σταθερού αξονικού φορτίου ίσου µε kn (v = 0.254).

125 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 104 Σχήµα 5.13 Ιστορία φόρτισης δοκιµίου 2_1.5. Όπως φαίνεται και στο Σχ. 5.13, η ιστορία φόρτισης του δοκιµίου 2_1.5 ήταν ανακυκλιζόµενου τύπου, παρόµοια µε του δοκιµίου Ελέγχου. Το οριζόντιο έµβολο επέβαλε µετακινήσεις αυξανόµενες από κύκλο σε κύκλο κατά 5 mm, φθάνοντας τελικά σε µετακινήσεις κορυφής ίσες µε ±125 mm (ανηγµένη στο ύψος του δοκιµίου µετακίνηση ίση µε 125/1600 = 7.813%). Η µόνη αλλαγή στην ιστορία φόρτισης σε σχέση µε το δοκίµιο Ελέγχου, η οποία διατηρήθηκε και στις επόµενες πειραµατικές δοκιµές, ήταν µια µικρή αύξηση του ρυθµού επιβολής των µετακινήσεων. Η αύξηση αυτή έγινε για καθαρά πρακτικούς για την πειραµατική διαδικασία λόγους και σε καµία περίπτωση δεν επηρεάζει τα αποτελέσµατα των δοκιµών, καθώς ούτως ή άλλως η επιβολή των µετακινήσεων γινόταν µε πολύ αργούς ρυθµούς. Το δοκίµιο αυτό, που όπως καταδεικνύεται και στη συνέχεια έδειξε την καλύτερη συµπεριφορά από το σύνολο των δοκιµίων, έφτασε στη µέγιστη αντοχή του σε µετακινήσεις κορυφής mm και mm, όπου καταγράφηκε οριζόντιο φορτίο kn και kn αντίστοιχα (που αντιστοιχούν σε ροπή στη βάση του υποστυλώµατος ίση µε knm και knm αντίστοιχα). Η αύξηση της καµπτικής αντίστασης του δοκιµίου συγκριτικά µε το δοκίµιο Ελέγχου ήταν ίση µε 34.6% και 34.3%, για τις διευθύνσεις ώθησης (θετική µετακίνηση κορυφής) και έλξης (αρνητική µετακίνηση κορυφής) του εµβόλου αντίστοιχα. Πέραν της αυξηµένης σε σχέση µε το δοκίµιο Ελέγχου αντοχής του δοκιµίου, αυξηµένη ήταν και η δυσκαµψία του. Τη βελτιωµένη αυτή συµπεριφορά σε σχέση µε το δοκίµιο Ελέγχου, την είχε το δοκίµιο 2_1.5 µέχρι τις αναφερθείσες τιµές µετακίνησης. Στο σηµείο εκείνο συνέβη πτώση της αντοχής του

126 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 105 δοκιµίου, οφειλόµενη σε προφανή (λόγω του δηµιουργούµενου χαρακτηριστικού ήχου) θραύση των αγκυρίων. Η θραύση των αγκυρίων επιβεβαιώθηκε κατά τη συνέχεια της πειραµατικής δοκιµής, καθώς αυξήθηκε η δηµιουργούµενη στη βάση του υποστυλώµατος καµπτική ρωγµή (όµοια µε του δοκιµίου Ελέγχου), που αποκάλυψε ως στάθµη αστοχίας των αγκυρίων τη βάση του υποστυλώµατος. Φυσικά, το γεγονός αυτό ήταν αναµενόµενο, λόγω της πολυαξονικής καταπόνησης των αγκυρίων στη στάθµη εκείνη και των µικρολυγισµών στους οποίους υπόκεινται λόγω της ανακύκλισης των µετακινήσεων. Όπως θα αποδειχθεί, η αστοχία των αγκυρίων συνέβη σε παραµορφώσεις πολύ χαµηλότερες της αντοχής του υλικού όταν αυτό υπόκειται σε µονοαξονικό εφελκυσµό, καταδεικνύοντας τη δυσµενή επίδραση της εντατικής κατάστασης που δηµιουργείται στη διατοµή εξόδου του αγκυρίου από την οπή εφαρµογής του, όπως επίσης τη δυσµενή επίδραση της ανακύκλισης της φόρτισης στην εφελκυστική αντοχή των ινοπλισµένων πολυµερών. Η δυσµενής αυτή επιρροή της ανακύκλισης της φόρτισης έχει περιγραφεί και από άλλους ερευνητές [π.χ. Gamstedt and Sjorgen (1999), Helmi et al. (2008)]. Έπειτα από την αστοχία των αγκυρίων, το υποστύλωµα λειτούργησε ως µη ενισχυµένο καµπτικά, καθώς το διάµηκες ύφασµα CFRP έχασε την αγκύρωσή του στο θεµέλιο. Έτσι, η µετέπειτα συµπεριφορά του δοκιµίου ακολούθησε σε µεγάλο βαθµό τη συµπεριφορά του δοκιµίου Ελέγχου. Εδώ αξίζει να σηµειωθεί πως η καµπτική αντίσταση του δοκιµίου έπειτα από τη θραύση των αγκυρίων εξακολούθησε να είναι αυξηµένη ελαφρά σε σχέση µε το δοκίµιο Ελέγχου. Μια αρχική ερµηνεία του φαινοµένου, το οποίο επαναλαµβάνεται συστηµατικά και στις επόµενες δοκιµές, ήταν πιθανές µικρές διαφοροποιήσεις στις επικαλύψεις των οπλισµών των δοκιµίων. Κατόπιν όµως αποκάλυψης των οπλισµών, µέτρησης των ακριβών επικαλύψεων και υπολογισµού της επίδρασης αυτών στην καµπτική αντοχή των δοκιµίων, απεδείχθη πως οι διαφορές αυτές αντοχής δεν οφείλονται στις µικροδιαφορές των επικαλύψεων. Η µόνη ερµηνεία που δόθηκε ήταν πως τα αγκύρια λειτουργούν σε θλίψη σε κάποιο βαθµό ακόµα, και µετά την εφελκυστική τους αστοχία, όταν βρεθούν σε µεγάλες τιµές µετακινήσεων. ηλαδή τα κοµµένα αγκύρια της θλιβόµενης παρειάς µπορούν να µεταφέρουν θλιπτικές δυνάµεις στο θεµέλιο και να λειτουργήσουν σαν πρόσθετος θλιβόµενος οπλισµός. Προσπάθεια ποσοτικοποίησης του φαινοµένου αυτού γίνεται στο επόµενο κεφάλαιο. Πέραν της γενικότερης συµπεριφοράς του δοκιµίου, αξιοσηµείωτα είναι τα κάτωθι: Η µόνη ορατή οπτικά αξιοσηµείωτη βλάβη που παρατηρήθηκε στο δοκίµιο είναι µια

127 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 106 οριζόντια καµπτική ρωγµή στη βάση του υποστυλώµατος, που δηµιουργήθηκε ακριβώς κάτω από το µανδύα στην παρειά t και ελαφρά πιο πάνω, 2 cm ψηλότερα από το κάτω µέρος του µανδύα στην παρειά c, η οποία έγινε αισθητή αφού το οριζόντιο έµβολο επέβαλε τιµές µετακίνησης µεγαλύτερες των ±50 mm. Η ρωγµή αυτή οφείλεται κατά κύριο λόγο σε ολίσθηση των διαµήκων ράβδων οπλισµού και ήταν ελαφρά µεγαλύτερη από την αντίστοιχη του δοκιµίου Ελέγχου. Το πιθανό αίτιο εξηγείται στη συνέχεια. Επίσης, δηµιουργήθηκαν και µικρότερες, καµπτοδιατµητικές ρωγµές στις πλέον παραµορφούµενες παρειές του δοκιµίου, στην περιοχή πάνω από το µανδύα, οι οποίες σχηµατίστηκαν σε µετακινήσεις κορυφής µεγαλύτερες των 70 mm. Σηµειώνεται πως η οριζόντια ρωγµή στη βάση του υποστυλώµατος έφτασε σε άνοιγµα της τάξης των 15 mm ενώ οι µικρότερες ρωγµές που παρουσιάστηκαν πάνω από το µανδύα ήταν της τάξης του 1 mm σε πλάτος. Άξιο αναφοράς είναι το γεγονός πως κατά τον τελευταίο κύκλο φόρτισης (+125 mm) εµφανίστηκε τοπική αποκόλληση του διαµήκους θλιβόµενου υφάσµατος στην περιοχή ακριβώς πάνω από τον τοπικό µανδύα. Η αποκόλληση αυτή είχε τοπικό χαρακτήρα και δεν επεκτάθηκε, µέχρι το πέρας της πειραµατικής δοκιµής. Σηµαντική αποκόλληση ιδίου τύπου, που συντέλεσε αρνητικά στην αντοχή του δοκιµίου, συνέβη κατά τη δοκιµή του δοκιµίου 2_1.5_m. Επιπλέον, κατά τη διάρκεια της πειραµατικής δοκιµής αυτής, και σε µετακίνηση οριζόντιου εµβόλου -70 mm, καταστράφηκε ο ένας εκ των τεσσάρων υδραυλικών γρύλλων που χρησιµοποιούνταν για την επιβολή του αξονικού φορτίου. Η δοκιµή συνεχίστηκε χωρίς να επηρεαστεί ουσιαστικά, αυξάνοντας την πίεση του λαδιού στους εναποµείναντες τρεις γρύλλους ώστε να συνεχίσουν να ασκούν στο υποστύλωµα το ίδιο συνολικό αξονικό φορτίο. Οι επόµενες τρεις πειραµατικές δοκιµές, που κλείνουν το ζήτηµα της πειραµατικής διερεύνησης του θέµατος που πραγµατεύεται η παρούσα διατριβή, έγιναν χρησιµοποιώντας τρεις υδραυλικούς γρύλλους ως µέσον επιβολής του αξονικού φορτίου στα υποστυλώµατα. Ακόµα, αξίζει να αναφερθεί πως κατά τη διάρκεια της δοκιµής, µέσω µετρητή µετακινήσεων που είχε τοποθετηθεί στο θεµέλιο, πιστοποιήθηκε η επαρκής πάκτωση του δοκιµίου στο πλαίσιο διεξαγωγής της δοκιµής. Σε όλη τη διάρκεια του πειράµατος, δεν καταγράφηκε ανασήκωση του θεµελίου (στην πλευρά της εφελκυόµενης παρειάς του υποστυλώµατος) µεγαλύτερη των 0.05 mm.

128 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 107 Εφόσον σκιαγραφήθηκε η γενικότερη συµπεριφορά του δοκιµίου 2_1.5 και παρουσιάστηκαν τα άξια αναφοράς συµβάντα της πειραµατικής δοκιµής, σειρά έχει η παρουσίαση όλων των καταγεγραµµένων και υπολογισµένων αναφορικά µε το δοκίµιο αυτό µεγεθών. Στη συνέχεια, παρατίθενται τα διαγράµµατα οριζόντιας δύναµης σχετικής µετακίνησης (µετατόπιση κορυφής ανηγµένη στο ύψος του υποστυλώµατος) και ροπής βάσης σχετικής µετακίνησης του δοκιµίου 2_1.5. Σχήµα 5.14 ιαγράµµατα φορτίου σχετικής µετακίνησης και ροπής βάσης σχετικής µετακίνησης (δοκίµιο 2_1.5). α β

129 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 108 γ δ ε Εικόνα 5.2 Μετατόπιση δοκιµίου 2_1.5 στη θετική διεύθυνση κατά +125 mm (α), µετατόπιση δοκιµίου 2_1.5 στην αρνητική διεύθυνση κατά -125 mm (β), άνοιγµα ρωγµής στη βάση του δοκιµίου 2_1.5 για µετατόπιση +125 mm (γ), άνοιγµα ρωγµής στη βάση του δοκιµίου 2_1.5 για µετατόπιση -125 mm (δ), τοπική αποκόλληση θλιβόµενου υφάσµατος παρειάς c (ε). Στα επόµενα διαγράµµατα, παρουσιάζεται η µεταβολή των στροφών των διατοµών 1,2 και 3 (σε ύψη 130 mm, 260 mm και 450 mm από τη βάση του υποστυλώµατος) ως προς την ακριβώς υποκείµενη ονοµατισµένη διατοµή [0,1 και 2 αντίστοιχα (εννοώντας κατά σειρά τις διατοµές σε ύψη 0, 130 και 260 mm από τη βάση του υποστυλώµατος)], συσχετισµένη µε τη ροπή βάσης του δοκιµίου. Για λόγους πληρότητας, παρατίθεται επίσης η εξέλιξη του µεγέθους των στροφών αυτών, όπως και άλλων µεγεθών στη συνέχεια, συναρτήσει και του χρόνου.

130 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 109 Σχήµα 5.15 ιαγράµµατα ροπής βάσης στροφών θ 10, θ 21, θ 32 και εξέλιξη των στροφών αυτών συναρτήσει του χρόνου (δοκίµιο 2_1.5). Αυτό που αξίζει να αναφερθεί στα ανωτέρω διαγράµµατα, είναι η ξαφνική αύξηση της τιµής και του ρυθµού αύξησης της στροφής στη στάθµη 1 (στροφή θ 10 ), η οποία οφείλεται σε µείωση της δυσκαµψίας του τµήµατος εκείνου µετά τη θραύση των αγκυρίων. Μετά τη θραύση των αγκυρίων, αυξάνεται µε ταχείς ρυθµούς η στροφής της βάσης, που οφείλεται κυρίως σε ολίσθηση των διαµήκων ράβδων. Προ της αστοχίας τους, τα αγκύρια παραλάµβαναν σηµαντικές εφελκυστικές δυνάµεις, εµποδίζοντας τη διάνοιξη της ρωγµής της βάσης. Μέχρι εκείνο το σηµείο το διάγραµµα στροφής ροπής βάσης είναι σχεδόν γραµµικό, υποδηλώνοντας σχεδόν ελαστική συµπεριφορά. Αυτό αλλάζει µετά τη θραύση των αγκυρίων. Αυτό που παρατηρείται ακόµα, είναι πτώση των τιµών των στροφών θ 21 και θ 32 µετά τη θραύση των αγκυρίων. Η εξήγηση αυτού είναι, πως όταν συµβεί θραύση των αγκυρίων, καθίσταται το κατώτερο τµήµα του υποστυλώµατος πιο εύκαµπτο, ενώ το ανώτερο τµήµα εξακολουθεί να έχει την ίδια δυσκαµψία. Έτσι, και για δεδοµένη τιµή επιβαλλόµενης µετατόπιση κορυφής, το µεγαλύτερο µέρος της µετακίνησης αυτής απορροφάται σαν στροφή του κατώτερου εύκαµπτου τµήµατος αποφορτίζοντας το

131 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 110 ανώτερο πιο δύσκαµπτο τµήµα. Η εξήγηση του ιδίου φαινοµένου σε όρους δυνάµεων είναι η εξής: Μετά τη θραύση των αγκυρίων, η αντίσταση του δοκιµίου πέφτει. Έτσι, το υποστύλωµα καλείται να αναλάβει µικρότερες τιµές ροπής και συνεπώς καµπυλότητας και κατ επέκταση στροφών (εφόσον δεν έχει υποστεί βλάβη και µείωση της δυσκαµψίας του πέραν της βάσης του). Για λόγους πληρότητας επίσης, παρατίθενται και τα διαγράµµατα των στροφών θ 20 και θ 30, συσχετισµένων µε τη ροπή βάσης του υποστυλώµατος. Υπενθυµίζεται πως θ 20 = θ 10 + θ 21 και πως θ 30 = θ 20 + θ 32. Αυτό που παρατηρείται, είναι το γεγονός πως οι προκαλούµενες από την οριζόντια µετακίνηση του εµβόλου στροφές στο υποστύλωµα, ιδίως µετά την θραύση των αγκυρίων, συγκεντρώνονται κατά κύριο λόγο στη διατοµή βάσης του (διατοµή 0), στο σηµείο που δηµιουργείται η κύρια καµπτική ρωγµή, και πρόκειται ουσιαστικά για στροφές λόγω ολίσθησης των διαµηκών ράβδων οπλισµού. Χαρακτηριστικό είναι και στο δοκίµιο αυτό το γεγονός πως οι τιµές των στροφών θ 21 και θ 32 είναι µία τάξη µεγέθους κάτω σε σχέση µε τις τιµές της στροφής θ 10. Σχήµα 5.16 ιαγράµµατα ροπής βάσης στροφών θ 20, θ 30 (δοκίµιο 2_1.5). Οι παρατηρήσεις που αναφέρθηκαν για τις στροφές, ισχύουν και για τις προκύπτουσες καµπυλότητες, οι οποίες παρουσιάζονται σε µορφή διαγραµµάτων στη συνέχεια.

132 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 111 Σχήµα 5.17 ιαγράµµατα ροπής βάσης καµπυλοτήτων φ 01, φ 12, φ 23 και εξέλιξη των καµπυλοτήτων αυτών συναρτήσει του χρόνου (δοκίµιο 2_1.5). Στο επόµενο διάγραµµα, παρουσιάζεται η µεταβολή της στροφής λόγω ολίσθησης συναρτήσει της ροπής βάσης του δοκιµίου. Παρατηρείται η απότοµη αύξηση της στροφής λόγω ολίσθησης µετά την αστοχία των αγκυρίων. Ακόµα, εύκολα διαπιστώνεται η καθοριστική συνεισφορά της στροφής λόγω ολίσθησης στη συνολική στροφή της βάσης του δοκιµίου και κατ επέκταση στο σύνολο των καταγραφοµένων στις ανώτερες διατοµές στροφών.

133 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 112 Σχήµα 5.18 ιάγραµµα στροφής λόγω ολίσθησης σχετικής µετακίνησης κορυφής υποστυλώµατος (δοκίµιο 2_1.5). Στη συνέχεια, παρατίθενται σε διαγραµµατική µορφή οι υπολογισµένες τιµές του εύρους της ανοιγόµενης στη βάση του δοκιµίου καµπτικής ρωγµής συναρτήσει της σχετικής µετακίνησης κορυφής του υποστυλώµατος, για τις παρειές c και t του δοκιµίου. Αξίζει να αναφερθεί πως οι τιµές αυτές δεν απέχουν σηµαντικά από τις παρατηρούµενες κατά τη διάρκεια των δοκιµών, γεγονός που επιβεβαιώνει την ορθότητα του τρόπου ανάλυσης των αποτελεσµάτων των πειραµατικών δοκιµών. Επιπλέον, αξίζει να επισηµανθεί η αναµενόµενη απότοµη αύξηση της τιµής της καµπτικής ρωγµής στη βάση του δοκιµίου αµέσως µετά τη θραύση των αγκυρίων. Ουσιαστικά, πριν την αστοχία τους, τα αγκύρια εµπόδιζαν το άνοιγµα σηµαντικής ρωγµής στη βάση. Παρατηρείται ακόµα, πως µετά την αστοχία των αγκυρίων, το πλάτος της ανοιγόµενης ρωγµής στη βάση του δοκιµίου φάνηκε αυξηµένο συγκριτικά µε το δοκίµιο Ελέγχου. Αυτό συνέβη καθώς αυξήθηκε λόγω της ενίσχυσης η δυσκαµψία του ελεύθερου ύψους του υποστυλώµατος προβόλου, οδηγώντας τη βάση του σε µεγαλύτερες στροφές για δεδοµένη µετακίνηση κορυφής του.

134 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 113 Σχήµα 5.19 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής συναρτήσει της ανηγµένης µετακίνησης κορυφής του υποστυλώµατος για τις παρειές c και t (δοκίµιο 2_1.5). Στα επόµενα διαγράµµατα, παρουσιάζεται η εξέλιξη των υπολογισθέντων µέσων αξονικών παραµορφώσεων των παρειών c και t στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της σχετικής µετακίνησης κορυφής και του χρόνου.

135 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 114 Σχήµα 5.20 ιαγράµµατα µέσης αξονικής παραµόρφωσης των παρειών c και t στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του δοκιµίου οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου (δοκίµιο 2_1.5).

136 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 115 Κλείνοντας την παράθεση των αποτελεσµάτων της πειραµατικής δοκιµής του δοκιµίου 2_1.5, και για λόγους πληρότητας, παρατίθενται σε διαγραµµατική µορφή οι µέσες αξονικές παραµορφώσεις του άξονα του υποστυλώµατος στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του υποστυλώµατος οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου. Σχήµα 5.21 ιαγράµµατα µέσης αξονικής παραµόρφωσης του άξονα του υποστυλώµατος στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του δοκιµίου οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου (δοκίµιο 2_1.5).

137 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών οκίµιο 3_1.5 Θέτοντας ως παράµετρο µελέτης τον αριθµό των χρησιµοποιούµενων αγκυρίων για σταθερή συνολική ποσότητα ινών τους (αν δηλαδή είναι πιο αποδοτικά λίγα και µεγάλα αγκύρια ή περισσότερα και µικρότερα), κατασκευάσθηκε και δοκιµάστηκε το δοκίµιο 3_1.5. Το δοκίµιο 3_1.5 ήταν καθ όλα όµοιο µε το 2_1.5, µε µόνη διαφορά πως η ίδια συνολική ποσότητα ινών των χρησιµοποιούµενων αγκυρίων εφαρµόστηκε κάνοντας χρήση τριών (µικρότερων) αγκυρίων ανά παρειά εφαρµογής διαµήκους υφάσµατος (σε αντίθεση µε το δοκίµιο 2_1.5, που είχαν εφαρµοστεί δύο αγκύρια ανά παρειά). Η ιστορία φόρτισης του δοκιµίου 3_1.5 ήταν αυτή που απεικονίζεται στο κάτωθι διάγραµµα, ως µετακίνηση κορυφής υποστυλώµατος συναρτήσει του χρόνου, µε ταυτόχρονη παρουσία σταθερού αξονικού φορτίου ίσου µε kn (v = 0.254). Σχήµα 5.22 Ιστορία φόρτισης δοκιµίου 3_1.5. Όπως φαίνεται και στο Σχ. 5.22, η ιστορία φόρτισης του δοκιµίου 3_1.5 ήταν ανακυκλιζόµενου τύπου, παρόµοια µε των δύο προηγούµενων δοκιµίων. Το οριζόντιο έµβολο επέβαλε µετακινήσεις αυξανόµενες από κύκλο σε κύκλο κατά 5 mm, φτάνοντας τελικά σε µετακινήσεις κορυφής ίσες µε ±125 mm (ανηγµένη στο ύψος του δοκιµίου µετακίνηση ίση µε 125 / 1600 = 7.813%. Οι παρατηρήσεις του δοκιµίου 2_1.5 σχετικά µε τον ρυθµό φόρτισης ισχύουν και εδώ. Το δοκίµιο αυτό, έδειξε παρόµοια συµπεριφορά µε το δοκίµιο 2_1.5. Η σηµαντική πτώση της καµπτικής του αντίστασης επήλθε λόγω θραύσης των αγκυρίων του. Η συµπεριφορά του, όπως φαίνεται και στα διαγράµµατα που ακολουθούν, δεν ήταν

138 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 117 συµµετρική στις δύο διευθύνσεις φόρτισης. Αυτό οφείλετο σε κατασκευαστική κακοτεχνία κατά τη φάση ενίσχυσης του δοκιµίου. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, κατά τη φάση σκλήρυνσης της ρητίνης κρέµασε ελαφρά ο µανδύας στην παρειά c του δοκιµίου. Η κοιλότητα που δηµιουργήθηκε εξακολούθησε να είναι πλήρης ρητίνης, µη επηρεάζοντας τη συµπεριφορά του δοκιµίου κατά τη φόρτισή του για θετικές τιµές µετακίνησης κορυφής (κατεύθυνση ώθησης εµβόλου). Όµως, επηρεάστηκε σηµαντικά η συµπεριφορά του δοκιµίου για αρνητικές τιµές µετακίνησης κορυφής, που έθεταν σε εφελκυσµό την παρειά c του δοκιµίου όπου δηµιουργήθηκε η κακοτεχνία. Για το λόγο αυτό τα αποτελέσµατα της πειραµατικής δοκιµής για αρνητικές τιµές οριζόντιας µετακίνησης κορυφής θα πρέπει να αγνοηθούν. Παρόλα αυτά, αποδείχθηκε η ευαισθησία αυτού του τύπου της ενίσχυσης, όπως άλλωστε και των περισσοτέρων τύπων ενίσχυσης µε χρήση συνθέτων υλικών, στις κατασκευαστικές λεπτοµέρειες. Μια µικρή κακοτεχνία µπορεί να καταστήσει τη διατοµή ως µη ενισχυµένη. Αναφορικά µε τη συµπεριφορά του δοκιµίου, έφτασε στη µέγιστη αντοχή του σε µετακινήσεις κορυφής mm και mm, όπου καταγράφηκε οριζόντιο φορτίο kn και kn αντίστοιχα (που αντιστοιχούν σε ροπή στη βάση του υποστυλώµατος ίση µε 77.4 knm και knm αντίστοιχα). Η αύξηση της καµπτικής αντίστασης του δοκιµίου συγκριτικά µε το δοκίµιο Ελέγχου ήταν ίση µε 25.3% και 11.6%, για τις διευθύνσεις ώθησης (θετική µετακίνηση κορυφής) και έλξης (αρνητική µετακίνηση κορυφής) του εµβόλου αντίστοιχα. Πέραν της αυξηµένης σε σχέση µε το δοκίµιο Ελέγχου αντοχής του δοκιµίου, αυξηµένη ήταν και η δυσκαµψία του. Τη βελτιωµένη αυτή συµπεριφορά σε σχέση µε το δοκίµιο Ελέγχου, την είχε το δοκίµιο 3_1.5 µέχρι τις αναφερθείσες τιµές µετακίνησης. Στο σηµείο εκείνο συνέβη πτώση της αντοχής του δοκιµίου, οφειλόµενη σε προφανή (λόγω του δηµιουργούµενου χαρακτηριστικού ήχου) θραύση των αγκυρίων. Μικρή πτώση αντοχής συνέβη και κατά τη διάρκεια του ενάτου κύκλου φόρτισης για αρνητικές τιµές µετακίνησης κορυφής (-45 mm) µε ταυτόχρονη παρουσία ήχου που καταδεικνύει πιθανή θραύση ινών των αγκυρίων της παρειάς c που δεν είχαν εξαντλήσει την εφελκυστική τους αντοχή κατά τον προηγούµενο κύκλο φόρτισης. Η καθολική θραύση των αγκυρίων επιβεβαιώθηκε κατά τη συνέχεια της πειραµατικής δοκιµής, καθώς αυξήθηκε η δηµιουργούµενη στη βάση του υποστυλώµατος καµπτική ρωγµή (όµοια µε των προηγούµενων δοκιµίων), που αποκάλυψε ως στάθµη αστοχίας των αγκυρίων τη βάση του υποστυλώµατος. Έπειτα από την αστοχία των αγκυρίων, το υποστύλωµα λειτούργησε ως µη ενισχυµένο καµπτικά, καθώς το διάµηκες

139 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 118 ύφασµα CFRP έχασε την αγκύρωσή του στο θεµέλιο. Έτσι, η µετέπειτα συµπεριφορά του δοκιµίου ακολούθησε σε µεγάλο βαθµό τη συµπεριφορά του δοκιµίου Ελέγχου. Και πάλι αξίζει να σηµειωθεί, πως η καµπτική αντίσταση του δοκιµίου, έπειτα από τη θραύση των αγκυρίων, εξακολούθησε να είναι αυξηµένη ελαφρά σε σχέση µε το δοκίµιο Ελέγχου. Ερµηνεία του φαινοµένου δόθηκε στην προηγούµενη παράγραφο και εκτενέστερη αναφορά σε αυτό θα γίνει στο κεφάλαιο 6. Πέραν της γενικότερης συµπεριφοράς του δοκιµίου, αξιοσηµείωτα είναι τα κάτωθι: Η µόνη ορατή οπτικά αξιοσηµείωτη βλάβη που παρατηρήθηκε στο δοκίµιο είναι µια οριζόντια καµπτική ρωγµή στη βάση του υποστυλώµατος, που δηµιουργήθηκε ακριβώς κάτω από το µανδύα. Η ρωγµή αυτή έκανε αισθητή την παρουσία της στην παρειά c του δοκιµίου σε µετακινήσεις πέραν των -30 mm. Στην παρειά t η ρωγµή αυτή έγινε αισθητή σε µεγαλύτερες µετακινήσεις οριζοντίου εµβόλου, περί τα +40 mm. Η ρωγµή αυτή οφείλετο κατά κύριο λόγο σε ολίσθηση των διαµήκων ράβδων οπλισµού και ήταν και πάλι ελαφρά µεγαλύτερη από την αντίστοιχη του δοκιµίου Ελέγχου. Το πιθανό αίτιο εξηγήθηκε στην παρουσίαση των αποτελεσµάτων του δοκιµίου 2_1.5. Επίσης, δηµιουργήθηκαν και µικρότερες, καµπτοδιατµητικές ρωγµές στις πλέον παραµορφούµενες παρειές του δοκιµίου, στην περιοχή πάνω από το µανδύα, οι οποίες σχηµατίστηκαν σε µετακινήσεις κορυφής µεγαλύτερες των ±55 mm. Σηµειώνεται πως η οριζόντια ρωγµή στη βάση του υποστυλώµατος έφτασε σε άνοιγµα της τάξης των 15 mm ενώ οι µικρότερες ρωγµές που παρουσιάστηκαν πάνω από το µανδύα ήταν της τάξης του 1 mm σε πλάτος. Άξιο αναφοράς είναι το γεγονός πως κατά τον τελευταίο κύκλο φόρτισης και για αρνητικές τοµές µετακινήσεων (-125 mm) εµφανίστηκε τοπική αποκόλληση του διαµήκους θλιβόµενου υφάσµατος στην περιοχή ακριβώς πάνω από τον τοπικό µανδύα, όπως ακριβώς είχε συµβεί και µε το δοκίµιο 2_1.5. Η αποκόλληση αυτή είχε τοπικό χαρακτήρα και δεν επεκτάθηκε, µέχρι το πέρας της πειραµατικής δοκιµής. Σηµαντική αποκόλληση ιδίου τύπου, που συντέλεσε αρνητικά στην αντοχή του δοκιµίου, συνέβη κατά τη δοκιµή του δοκιµίου 2_1.5_m. Επιπλέον, όπως έχει ήδη ειπωθεί, η επιβολή του αξονικού φορτίου στο δοκίµιο αυτό, όπως και στα δοκίµια που παρουσιάζονται στη συνέχεια, έγινε µέσω τριών υδραυλικών γρύλλων. Ακόµα, αξίζει να αναφερθεί πως κατά τη διάρκεια της δοκιµής, µέσω µετρητή µετακινήσεων που είχε τοποθετηθεί στο θεµέλιο, πιστοποιήθηκε η επαρκής πάκτωση του δοκιµίου στο πλαίσιο διεξαγωγής της δοκιµής. Σε όλη τη διάρκεια του πειράµατος, δεν

140 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 119 καταγράφηκε ανασήκωση του θεµελίου (στην πλευρά της εφελκυόµενης παρειάς του υποστυλώµατος) µεγαλύτερη των 0.25 mm. Εφόσον σκιαγραφήθηκε η γενικότερη συµπεριφορά του δοκιµίου 3_1.5 και παρουσιάστηκαν τα άξια αναφοράς συµβάντα της πειραµατικής δοκιµής, σειρά έχει η παρουσίαση όλων των καταγεγραµµένων και υπολογισµένων αναφορικά µε το δοκίµιο αυτό µεγεθών. Στη συνέχεια, παρατίθενται τα διαγράµµατα οριζόντιας δύναµης σχετικής µετακίνησης (µετατόπιση κορυφής ανηγµένη στο ύψος του υποστυλώµατος) και ροπής βάσης σχετικής µετακίνησης του δοκιµίου 3_1.5. Σχήµα 5.23 ιαγράµµατα φορτίου σχετικής µετακίνησης και ροπής βάσης σχετικής µετακίνησης (δοκίµιο 3_1.5). α β

141 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 120 γ δ ε Εικόνα 5.3 Μετατόπιση δοκιµίου 3_1.5 στη θετική διεύθυνση κατά +125 mm (α), µετατόπιση δοκιµίου 3_1.5 στην αρνητική διεύθυνση κατά -125 mm (β), άνοιγµα ρωγµής στη βάση του δοκιµίου 3_1.5 για µετατόπιση +125 mm (γ), άνοιγµα ρωγµής στη βάση του δοκιµίου 3_1.5 για µετατόπιση -125 mm (δ), τοπική αποκόλληση θλιβόµενου υφάσµατος παρειάς c (ε). Στα παρακάτω διαγράµµατα, παρουσιάζεται η µεταβολή των στροφών των διατοµών 1, 2 και 3 (σε ύψη 130 mm, 260 mm και 450 mm από τη βάση του υποστυλώµατος) ως προς την ακριβώς υποκείµενη ονοµατισµένη διατοµή [0,1 και 2 αντίστοιχα (εννοώντας κατά σειρά τις διατοµές σε ύψη 0 mm, 130 mm και 260 mm από τη βάση του υποστυλώµατος)], συσχετισµένη µε τη ροπή βάσης του δοκιµίου. Για λόγους πληρότητας, παρατίθεται επίσης η εξέλιξη του µεγέθους των στροφών αυτών, όπως και άλλων µεγεθών στη συνέχεια, συναρτήσει και του χρόνου.

142 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 121 Σχήµα 5.24 ιαγράµµατα ροπής βάσης στροφών θ 10, θ 21, θ 32 και εξέλιξη των στροφών αυτών συναρτήσει του χρόνου (δοκίµιο 3_1.5). Αυτό που αξίζει να αναφερθεί στα ανωτέρω διαγράµµατα, είναι η ξαφνική αύξηση της τιµής και του ρυθµού αύξησης της στροφής στη στάθµη 1 (στροφή θ 10 ), η οποία οφείλεται σε µείωση της δυσκαµψίας του τµήµατος εκείνου µετά τη θραύση των αγκυρίων. Μετά τη θραύση των αγκυρίων, αυξάνεται µε ταχείς ρυθµούς η στροφής της βάσης, που προέρχεται κυρίως λόγω ολίσθησης των διαµήκων ράβδων. Προ της αστοχίας τους, τα αγκύρια παραλάµβαναν σηµαντικές εφελκυστικές δυνάµεις, εµποδίζοντας τη διάνοιξη της ρωγµής της βάσης. Μέχρι εκείνο το σηµείο το διάγραµµα στροφής ροπής βάσης είναι σχεδόν γραµµικό, υποδηλώνοντας σχεδόν ελαστική συµπεριφορά. Αυτό αλλάζει µετά τη θραύση των αγκυρίων. Αυτό που παρατηρείται ακόµα, είναι πτώση των τιµών των στροφών θ 21 και θ 32 µετά τη θραύση των αγκυρίων. Το φαινόµενο αυτό ερµηνεύτηκε στην παράγραφο 5.3.3, όπου παρουσιάστηκαν τα πειραµατικά αποτελέσµατα του δοκιµίου 2_1.5. Για λόγους πληρότητας επίσης, παρατίθενται και τα διαγράµµατα των στροφών θ 20 και θ 30, συσχετισµένων µε τη ροπή βάσης του υποστυλώµατος. Υπενθυµίζεται πως

143 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 122 θ 20 = θ 10 + θ 21 και πως θ 30 = θ 20 + θ 32. Αυτό που παρατηρείται, είναι το γεγονός πως οι προκαλούµενες από την οριζόντια µετακίνηση του εµβόλου στροφές στο υποστύλωµα, ιδίως µετά την θραύση των αγκυρίων, συγκεντρώνονται κατά κύριο λόγο στη διατοµή βάσης του (διατοµή 0), στο σηµείο που δηµιουργείται η κύρια καµπτική ρωγµή, και πρόκειται ουσιαστικά για στροφές λόγω ολίσθησης των διαµηκών ράβδων οπλισµού. Χαρακτηριστικό είναι και στο δοκίµιο αυτό, το γεγονός πως οι τιµές των στροφών θ 21 και θ 32 είναι µία τάξη µεγέθους κάτω σε σχέση µε τις τιµές της στροφής θ 10. Σχήµα 5.25 ιαγράµµατα ροπής βάσης στροφών θ 20, θ 30 (δοκίµιο 3_1.5). Οι παρατηρήσεις που αναφέρθηκαν για τις στροφές, ισχύουν και για τις προκύπτουσες καµπυλότητες, οι οποίες παρουσιάζονται σε µορφή διαγραµµάτων στη συνέχεια.

144 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 123 Σχήµα 5.26 ιαγράµµατα ροπής βάσης καµπυλοτήτων φ 01, φ 12, φ 23 και εξέλιξη των καµπυλοτήτων αυτών συναρτήσει του χρόνου (δοκίµιο 3_1.5). Στα ανωτέρω διαγράµµατα, όπως και σε ορισµένα από τα ακολουθούντα, παρατηρούνται παράλογες διακυµάνσεις των καταγραφόµενων µεγεθών κατά τον 4 ο κύκλο φόρτισης. Οι διακυµάνσεις αυτές οφείλονται σε κακές καταγραφές των οργάνων µέτρησης. Στο επόµενο διάγραµµα, παρουσιάζεται η µεταβολή της στροφής λόγω ολίσθησης συναρτήσει της ροπής βάσης του δοκιµίου. Παρατηρείται η απότοµη αύξηση της στροφής λόγω ολίσθησης µετά την αστοχία των αγκυρίων. Ακόµα, εύκολα διαπιστώνεται η καθοριστική συνεισφορά της στροφής λόγω ολίσθησης στη συνολική στροφή της βάσης του δοκιµίου και κατ επέκταση στο σύνολο των καταγραφοµένων στις ανώτερες διατοµές στροφών.

145 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 124 Σχήµα 5.27 ιάγραµµα στροφής λόγω ολίσθησης σχετικής µετακίνησης κορυφής υποστυλώµατος (δοκίµιο 3_1.5). Στη συνέχεια, παρατίθενται σε διαγραµµατική µορφή οι υπολογισµένες τιµές του εύρους της ανοιγόµενης στη βάση του δοκιµίου καµπτικής ρωγµής, συναρτήσει της σχετικής µετακίνησης κορυφής του υποστυλώµατος, για τις παρειές c και t του δοκιµίου. Αξίζει να επισηµανθεί η αναµενόµενη απότοµη αύξηση της τιµής της καµπτικής ρωγµής στη βάση του δοκιµίου αµέσως µετά τη θραύση των αγκυρίων. Παρατηρείται ακόµα πως µετά την αστοχία των αγκυρίων, το πλάτος της ανοιγόµενης στη βάση του δοκιµίου ρωγµής, φάνηκε αυξηµένο συγκριτικά µε το δοκίµιο Ελέγχου. Το φαινόµενο αυτό ερµηνεύτηκε στην παράγραφο 5.3.3, καθώς παρατηρήθηκε και στο δοκίµιο 2_1.5. Σχήµα 5.28 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής συναρτήσει της ανηγµένης µετακίνησης κορυφής του υποστυλώµατος για τις παρειές c και t (δοκίµιο 3_1.5).

146 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 125 Στα επόµενα διαγράµµατα, παρουσιάζεται η εξέλιξη των υπολογισθέντων µέσων αξονικών παραµορφώσεων των παρειών c και t στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της σχετικής µετακίνησης κορυφής και του χρόνου.

147 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 126 Σχήµα 5.29 ιαγράµµατα µέσης αξονικής παραµόρφωσης των παρειών c και t στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του δοκιµίου οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου (δοκίµιο 3_1.5). Κλείνοντας την παράθεση των αποτελεσµάτων της πειραµατικής δοκιµής του δοκιµίου 3_1.5, και για λόγους πληρότητας, παρατίθενται σε διαγραµµατική µορφή οι µέσες αξονικές παραµορφώσεις του άξονα του υποστυλώµατος στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του υποστυλώµατος οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου.

148 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 127 Σχήµα 5.30 ιαγράµµατα µέσης αξονικής παραµόρφωσης του άξονα του υποστυλώµατος στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του δοκιµίου οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου (δοκίµιο 3_1.5) οκίµιο 2_1.0 Με το δοκίµιο 2_1.0, γίνεται διερεύνηση της επίδρασης της συνολικής εφαρµοζόµενης ποσότητας ινών των αγκυρίων στην αποτελεσµατικότητα της µεθόδου ενίσχυσης που πραγµατεύεται η παρούσα διατριβή. Ο αριθµός των αγκυρίων ανά παρειά

149 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 128 επελέγη ίσος µε δύο, καθώς το δοκίµιο 2_1.5 έδειξε ελαφρά καλύτερη συµπεριφορά από το δοκίµιο 3_1.5, παρόλο που και στα δύο η συνολική διατοµή των χρησιµοποιούµενων αγκυρίων ήταν σταθερή. Η µόνη παράµετρος που διαφοροποιήθηκε, συγκριτικά µε το δοκίµιο 2_1.5, ήταν η συνολική ποσότητα ινών των αγκυρίων. Ενώ στο δοκίµιο 2_1.5 τα δύο αγκύρια κάθε παρειάς είχαν συνολική διατοµή 150% της διατοµής του υφάσµατος που καλούνταν να αγκυρώσουν, στο δοκίµιο 2_1.0 εφαρµόστηκαν και πάλι δύο αγκύρια ανά παρειά, συνολικής διατοµής ίσης (100%) µε τη διατοµή του υφάσµατος που καλούνταν να αγκυρώσουν. ηλαδή το δοκίµιο 2_1.0 ήταν όµοιο µε το 2_1.5, µε µόνη διαφορά το ότι χρησιµοποιήθηκαν µικρότερα αγκύρια (µειώθηκε η διατοµή τους κατά 33.33%). Φυσικά, το αναµενόµενο θα ήταν να χρησιµοποιηθούν αγκύρια πολύ µεγαλύτερης διατοµής από αυτά που χρησιµοποιήθηκαν στο δοκίµιο 2_1.5, ώστε η επερχόµενη αύξηση αντοχής να είναι σηµαντική. Όµως, όπως κατέστη σαφές κατά τη φάση ενίσχυσης του δοκιµίου 2_1.5, η εφαρµογή αγκυρίων ίσης ή και ακόµα µεγαλύτερης διατοµής είναι ιδιαίτερα δυσχερής. Αύξηση της διατοµής των αγκυρίων πολύ πιθανόν να επέφερε κακοτεχνίες κατά τη φάση ενίσχυσης. Αγκύρια µεγάλης διατοµής, όταν εµποτιστούν µε ρητίνη, δύσκολα συγκρατούνται στη θέση εφαρµογής τους, καθώς το µεγάλο τους βάρος τα παρασύρει προς τα κάτω. Έτσι, τελικά επελέγη να µελετηθεί η επίδραση της συνολικής διατοµής των αγκυρίων, µειώνοντας αυτήν, συγκριτικά µε το δοκίµιο 2_1.5. Η ιστορία φόρτισης του δοκιµίου 3_1.5 ήταν αυτή που απεικονίζεται στο κάτωθι διάγραµµα, ως µετακίνηση κορυφής υποστυλώµατος συναρτήσει του χρόνου, µε ταυτόχρονη παρουσία σταθερού αξονικού φορτίου ίσου µε kn (v = 0.254). Σχήµα 5.31 Ιστορία φόρτισης δοκιµίου 2_1.0.

150 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 129 Όπως φαίνεται και στο Σχ. 5.31, η ιστορία φόρτισης του δοκιµίου 2_1.0 ήταν ανακυκλιζόµενου τύπου, παρόµοια µε των τριών προηγουµένων δοκιµίων. Το οριζόντιο έµβολο επέβαλε µετακινήσεις αυξανόµενες από κύκλο σε κύκλο κατά 5 mm, φτάνοντας τελικά σε µετακινήσεις κορυφής ίσες µε ±125 mm (ανηγµένη στο ύψος του δοκιµίου µετακίνηση ίση µε 125/1600 = 7.813%). Το δοκίµιο αυτό, έδειξε παρόµοια συµπεριφορά µε τα προηγούµενα δύο δοκίµια. Η αύξηση της αντοχής του όµως συγκριτικά µε τα αυτά ήταν αισθητά µικρότερη. Και πάλι, η σηµαντική πτώση της καµπτικής του αντίστασης, επήλθε λόγω θραύσης των αγκυρίων του. Το δοκίµιο 2_1.0 έφτασε στη µέγιστη αντοχή του σε µετακινήσεις κορυφής mm και mm, όπου καταγράφηκε οριζόντιο φορτίο kn και kn αντίστοιχα (που αντιστοιχούν σε ροπή στη βάση του υποστυλώµατος ίση µε knm και knm αντίστοιχα). Η αύξηση της καµπτικής αντίστασης του δοκιµίου συγκριτικά µε το δοκίµιο Ελέγχου ήταν ίση µε 18.8% και 14.8%, για τις διευθύνσεις ώθησης (θετική µετακίνηση κορυφής) και έλξης (αρνητική µετακίνηση κορυφής) του εµβόλου αντίστοιχα. Πέραν της αυξηµένης σε σχέση µε το δοκίµιο Ελέγχου αντοχής του δοκιµίου, αυξηµένη ήταν και η δυσκαµψία του. Τη βελτιωµένη αυτή συµπεριφορά, σε σχέση µε το δοκίµιο Ελέγχου, την παρουσίασε το δοκίµιο 2_1.0 µέχρι τις αναφερθείσες τιµές µετακίνησης. Στο σηµείο εκείνο συνέβη πτώση της αντοχής του δοκιµίου, οφειλόµενη σε προφανή (λόγω του δηµιουργούµενου θορύβου) θραύση των εφελκυόµενων αγκυρίων. Μικρή πτώση αντοχής συνέβη επίσης κατά τη διάρκεια του ενάτου κύκλου φόρτισης για θετικές τιµές µετακίνησης κορυφής (+45 mm), µε ταυτόχρονη παρουσία ήχου που καταδεικνύει θραύση ινών και πιθανώς σηµαίνει αστοχία µέρους των ινών των αγκυρίων της παρειάς t που δεν είχαν εξαντλήσει την εφελκυστική τους αντοχή κατά τον προηγούµενο κύκλο φόρτισης. Η καθολική θραύση των αγκυρίων, επιβεβαιώθηκε κατά τη συνέχεια της πειραµατικής δοκιµής, καθώς αυξήθηκε η δηµιουργούµενη στη βάση του υποστυλώµατος καµπτική ρωγµή (όµοια µε των προηγουµένων δοκιµίων), που αποκάλυψε ως στάθµη αστοχίας των αγκυρίων τη διατοµή βάσης του υποστυλώµατος. Έπειτα από την αστοχία των αγκυρίων, το υποστύλωµα λειτούργησε ως µη ενισχυµένο καµπτικά, καθώς το διάµηκες ύφασµα CFRP έχασε την αγκύρωσή του στο θεµέλιο. Έτσι, η µετέπειτα συµπεριφορά του δοκιµίου ακολούθησε σε µεγάλο βαθµό τη συµπεριφορά του δοκιµίου Ελέγχου. Και πάλι αξίζει να σηµειωθεί πως η καµπτική αντίσταση του δοκιµίου έπειτα από τη θραύση των αγκυρίων εξακολούθησε να είναι αυξηµένη ελαφρά σε σχέση µε το δοκίµιο

151 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 130 Ελέγχου. Ερµηνεία του φαινοµένου δόθηκε στην παράγραφο και εκτενέστερη αναφορά σε αυτό θα γίνει στο κεφάλαιο 6. Πέραν της γενικότερης συµπεριφοράς του δοκιµίου, αξιοσηµείωτα είναι τα κάτωθι: Η κυρίαρχη ορατή οπτικά βλάβη που παρατηρήθηκε στο δοκίµιο είναι µια οριζόντια καµπτική ρωγµή στη βάση του υποστυλώµατος, που δηµιουργήθηκε ακριβώς κάτω από τη βάση του µανδύα. Η ρωγµή αυτή έκανε αισθητή την παρουσία της σε µετακινήσεις κορυφής πέραν των ±30 mm. Η ρωγµή αυτή οφείλεται κατά κύριο λόγο σε ολίσθηση των διαµήκων ράβδων οπλισµού και ήταν και πάλι ελαφρά µεγαλύτερη από την αντίστοιχη του δοκιµίου Ελέγχου. Το πιθανό αίτιο εξηγήθηκε στην παρουσίαση των αποτελεσµάτων του δοκιµίου 2_1.5. Επίσης, δηµιουργήθηκαν και µικρότερες, καµπτοδιατµητικές ρωγµές στις πλέον παραµορφούµενες παρειές του δοκιµίου, στην περιοχή πάνω από το µανδύα, οι οποίες σχηµατίστηκαν σε µετακινήσεις κορυφής µεγαλύτερες των ±60 mm. Σηµειώνεται πως η οριζόντια ρωγµή στη βάση του υποστυλώµατος έφτασε σε άνοιγµα της τάξης των 15 mm, ενώ οι µικρότερες ρωγµές που παρουσιάστηκαν πάνω από το µανδύα ήταν της τάξης του 1 mm σε πλάτος. Επιπλέον, ιδιαίτερα άξιο αναφοράς είναι το γεγονός πως κατά τον 15 ο κύκλο φόρτισης, σε µετακίνηση κορυφής περί τα -75 mm, εµφανίστηκε τοπική αποκόλληση µε µορφή λυγισµού του διαµήκους θλιβόµενου υφάσµατος στην περιοχή ακριβώς πάνω από τον τοπικό µανδύα, όπως ακριβώς είχε συµβεί και µε τα προηγούµενα δύο δοκίµια. Η αποκόλληση αυτή έλαβε µεγαλύτερη έκταση συγκριτικά µε τις προηγούµενες δύο πειραµατικές δοκιµές και καθώς εξελισσόταν το πείραµα επεκτάθηκε περαιτέρω. Παράλληλα, παρατηρήθηκε αποκόλληση µέρους της επικάλυψης σκυροδέµατος στην περιοχή εκείνη. Παρόλα αυτά δεν σηµειώθηκε πτώση της αντοχής του δοκιµίου, καθώς δεν επεκτάθηκε η αποκόλληση σε όλο το µήκος του υφάσµατος. Έτσι, όταν η µετακίνηση κορυφής έπαιρνε θετικές τιµές, το αποκολληµένο ύφασµα λειτουργούσε και πάλι σε εφελκυσµό. Σηµαντική αποκόλληση ιδίου τύπου, που συντέλεσε αρνητικά στην αντοχή του δοκιµίου, συνέβη κατά τη δοκιµή του δοκιµίου 2_1.5_m, που παρουσιάζεται στη συνέχεια. Επιπλέον, όπως έχει ήδη ειπωθεί, η επιβολή του αξονικού φορτίου στο δοκίµιο αυτό έγινε µέσω τριών υδραυλικών γρύλλων. Ακόµα, αξίζει να αναφερθεί πως κατά τη διάρκεια της δοκιµής, µέσω µετρητή µετακινήσεων που είχε τοποθετηθεί στο θεµέλιο, πιστοποιήθηκε η επαρκής πάκτωση του δοκιµίου στο πλαίσιο διεξαγωγής της δοκιµής. Σε όλη τη διάρκεια του πειράµατος, δεν

152 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 131 καταγράφηκε ανασήκωση του θεµελίου (στην πλευρά της εφελκυόµενης παρειάς του υποστυλώµατος) µεγαλύτερη των 0.09 mm. Εφόσον σκιαγραφήθηκε η γενικότερη συµπεριφορά του δοκιµίου 2_1.0 και παρουσιάστηκαν τα άξια αναφοράς συµβάντα της πειραµατικής δοκιµής, σειρά έχει η παρουσίαση όλων των καταγεγραµµένων και υπολογισµένων αναφορικά µε το δοκίµιο αυτό µεγεθών. Στη συνέχεια, παρατίθενται τα διαγράµµατα οριζόντιας δύναµης σχετικής µετακίνησης (µετατόπιση κορυφής ανηγµένη στο ύψος του υποστυλώµατος) και ροπής βάσης σχετικής µετακίνησης του δοκιµίου 2_1.0. Σχήµα 5.32 ιαγράµµατα φορτίου σχετικής µετακίνησης και ροπής βάσης σχετικής µετακίνησης (δοκίµιο 2_1.0). α β

153 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 132 γ δ ε στ Εικόνα 5.4 Μετατόπιση δοκιµίου 2_1.0 στη θετική διεύθυνση κατά +125 mm (α), µετατόπιση δοκιµίου 2_1.0 στην αρνητική διεύθυνση κατά -125 mm (β), άνοιγµα ρωγµής στη βάση του δοκιµίου 2_1.0 για µετατόπιση +125 mm (γ), άνοιγµα ρωγµής στη βάση του δοκιµίου 2_1.0 για µετατόπιση -125 mm (δ), εµφάνιση τοπικής αποκόλληση θλιβόµενου υφάσµατος παρειάς t (ε) και επέκταση της βλάβης (στ). Στα παρακάτω διαγράµµατα, παρουσιάζεται η µεταβολή των στροφών των διατοµών 1,2 και 3 (σε ύψη 130 mm, 260 mm και 450 mm από τη βάση του υποστυλώµατος) ως προς την ακριβώς υποκείµενη ονοµατισµένη διατοµή [0,1 και 2 αντίστοιχα (εννοώντας κατά σειρά τις διατοµές σε ύψη 0 mm, 130 mm και 260 mm από τη βάση του υποστυλώµατος)], συσχετισµένη µε τη ροπή βάσης του δοκιµίου. Για λόγους πληρότητας, παρατίθεται επίσης η εξέλιξη του µεγέθους των στροφών αυτών, όπως και άλλων µεγεθών στη συνέχεια, συναρτήσει και του χρόνου.

154 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 133 Σχήµα 5.33 ιαγράµµατα ροπής βάσης στροφών θ 10, θ 21, θ 32 και εξέλιξη των στροφών αυτών συναρτήσει του χρόνου (δοκίµιο 2_1.0). Αυτό που αξίζει να αναφερθεί στα ανωτέρω διαγράµµατα, είναι η απότοµη αύξηση της τιµής και του ρυθµού αύξησης της στροφής στη στάθµη 1 (στροφή θ 10 ), η οποία οφείλεται σε µείωση της δυσκαµψίας του τµήµατος εκείνου µετά τη θραύση των αγκυρίων. Μετά τη θραύση των αγκυρίων, αυξάνεται µε ταχείς ρυθµούς η στροφής της βάσης, που προέρχεται κυρίως λόγω ολίσθησης των διαµήκων ράβδων. Προ της αστοχίας τους, τα αγκύρια παραλάµβαναν σηµαντικές εφελκυστικές δυνάµεις, εµποδίζοντας τη

155 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 134 διάνοιξη της ρωγµής αυτής. Επιπλέον, µέχρι εκείνο το σηµείο το διάγραµµα στροφής ροπής βάσης είναι σχεδόν γραµµικό, υποδηλώνοντας σχεδόν ελαστική συµπεριφορά. Αυτό που παρατηρείται ακόµα, είναι πτώση των τιµών των στροφών θ 21 και θ 32 µετά τη θραύση των αγκυρίων. Το φαινόµενο αυτό ερµηνεύτηκε στην παράγραφο 5.3.3, όπου παρουσιάστηκαν τα πειραµατικά αποτελέσµατα του δοκιµίου 2_1.5. Για λόγους πληρότητας επίσης, παρατίθενται και τα διαγράµµατα των στροφών θ 20 και θ 30, συσχετισµένων µε τη ροπή βάσης του υποστυλώµατος. Υπενθυµίζεται πως θ 20 = θ 10 + θ 21 και πως θ 30 = θ 20 + θ 32. Αυτό που παρατηρείται, είναι το γεγονός πως οι προκαλούµενες από την οριζόντια µετακίνηση του εµβόλου στροφές στο υποστύλωµα, ιδίως µετά την θραύση των αγκυρίων, συγκεντρώνονται κατά κύριο λόγο στη διατοµή βάσης του (διατοµή 0), στο σηµείο που δηµιουργείται η κύρια καµπτική ρωγµή, και πρόκειται ουσιαστικά για στροφές λόγω ολίσθησης των διαµηκών ράβδων οπλισµού. Χαρακτηριστικό είναι και στο δοκίµιο αυτό, το γεγονός πως οι τιµές των στροφών θ 21 και θ 32 είναι µία τάξη µεγέθους κάτω σε σχέση µε τις τιµές της στροφής θ 10. Σχήµα 5.34 ιαγράµµατα ροπής βάσης στροφών θ 20, θ 30 (δοκίµιο 2_1.0). Οι παρατηρήσεις που αναφέρθηκαν για τις στροφές, ισχύουν και για τις προκύπτουσες καµπυλότητες, οι οποίες παρουσιάζονται σε µορφή διαγραµµάτων στη συνέχεια.

156 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 135 Σχήµα 5.35 ιαγράµµατα ροπής βάσης καµπυλοτήτων φ 01, φ 12, φ 23 και εξέλιξη των καµπυλοτήτων αυτών συναρτήσει του χρόνου (δοκίµιο 2_1.0). Στο επόµενο διάγραµµα, παρουσιάζεται η µεταβολή της στροφής λόγω ολίσθησης συναρτήσει της ροπής βάσης του δοκιµίου. Παρατηρείται η απότοµη αύξηση της στροφής λόγω ολίσθησης µετά την αστοχία των αγκυρίων. Ακόµα, εύκολα διαπιστώνεται η καθοριστική συνεισφορά της στροφής λόγω ολίσθησης στη συνολική στροφή της βάσης του δοκιµίου και κατ επέκταση στο σύνολο των καταγραφοµένων στις ανώτερες διατοµές στροφών.

157 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 136 Σχήµα 5.36 ιάγραµµα στροφής λόγω ολίσθησης σχετικής µετακίνησης κορυφής υποστυλώµατος (δοκίµιο 2_1.0). Στη συνέχεια, παρατίθενται σε διαγραµµατική µορφή οι υπολογισµένες τιµές του εύρους της ανοιγόµενης στη βάση του δοκιµίου καµπτικής ρωγµής συναρτήσει της σχετικής µετακίνησης κορυφής του υποστυλώµατος, για τις παρειές c και t του δοκιµίου. Σχήµα 5.37 ιαγράµµατα εύρους ρωγµής συναρτήσει της ανηγµένης µετακίνησης κορυφής του υποστυλώµατος για τις παρειές c και t (δοκίµιο 2_1.0). Στα επόµενα διαγράµµατα, παρουσιάζεται η εξέλιξη των υπολογισθέντων µέσων αξονικών παραµορφώσεων των παρειών c και t στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της σχετικής µετακίνησης κορυφής και του χρόνου.

158 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 137

159 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 138 Σχήµα 5.38 ιαγράµµατα µέσης αξονικής παραµόρφωσης των παρειών c και t στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του δοκιµίου οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου (δοκίµιο 2_1.0). Κλείνοντας την παράθεση των αποτελεσµάτων της πειραµατικής δοκιµής του δοκιµίου 2_1.0, και για λόγους πληρότητας, παρατίθενται σε διαγραµµατική µορφή οι µέσες αξονικές παραµορφώσεις του άξονα του υποστυλώµατος στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του υποστυλώµατος οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου.

160 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 139 Σχήµα 5.39 ιαγράµµατα µέσης αξονικής παραµόρφωσης του άξονα του υποστυλώµατος στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του δοκιµίου οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου (δοκίµιο 2_1.0) οκίµιο 2_1.5_m Η παρουσίαση των επιµέρους πειραµατικών αποτελεσµάτων των δοκιµίων κλείνει µε το δοκίµιο 2_1.5_m. Μέσω του δοκιµίου αυτού, έγινε προσπάθεια διερεύνησης της επίδρασης της ανακύκλισης της φόρτισης στην αποτελεσµατικότητα της µεθόδου καµπτικής ενίσχυσης υποστυλωµάτων που πραγµατεύεται η παρούσα διατριβή. Για το λόγο αυτό, το δοκίµιο 2_1.5_m κατασκευάστηκε καθ όλα όµοιο µε το δοκίµιο 2_1.5, το οποίο παρουσίασε και τον µεγαλύτερο βαθµό ενίσχυσης από το σύνολο των δοκιµίων 2_1.5, 3_1.5 και 2_1.0 και δοκιµάστηκε σε φόρτιση µονοτονικού τύπου µε ταυτόχρονη παρουσία σταθερού αξονικού φορτίου. Η ιστορία φόρτισης του δοκιµίου 2_1.5_m ήταν αυτή που απεικονίζεται στο κάτωθι διάγραµµα, ως µετακίνηση κορυφής υποστυλώµατος συναρτήσει του χρόνου, µε ταυτόχρονη παρουσία σταθερού αξονικού φορτίου ίσου µε kn (v = 0.254).

161 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 140 Σχήµα 5.40 Ιστορία φόρτισης δοκιµίου 2_1.5_m. Όπως φαίνεται και στο Σχ. 5.40, η ιστορία φόρτισης του δοκιµίου 2_1.5_m ήταν µονοτονικού τύπου, σε αντίθεση µε τις προηγηθείσες πειραµατικές δοκιµές. Το οριζόντιο έµβολο επέβαλε µετακινήσεις µε σταθερό ρυθµό 0.1 mm/sec, µέχρι επίτευξης οριζόντιας µετακίνησης ίσης µε +77 mm (ανηγµένη στο ύψος του δοκιµίου µετακίνηση ίση µε 77/1600 = 4.813%), στην οποία το πείραµα διεκόπη λόγω της εκτεταµένης δηµιουργηθείσας βλάβης στο δοκίµιο, η οποία καθιστούσε τη συνέχεια της πειραµατικής δοκιµής µη ασφαλή. Η αναµενόµενη συµπεριφορά του δοκιµίου θα ήταν παρόµοιου τύπου µε αυτή των ανωτέρω αναφερθέντων ενισχυµένων δοκιµίων, µε τη θραύση των εφελκυόµενων αγκυρίων να σηµατοδοτεί την πτώση της αντίστασης του δοκιµίου. Μάλιστα, αναµενόµενο θα ήταν, το δοκίµιο αυτό να παρουσιάσει µεγαλύτερη καµπτική αντίσταση και να φτάσει σε µεγαλύτερες µετακινήσεις κορυφής πριν την πτώση της αντοχής του, συγκριτικά µε το όµοιο δοκίµιό του 2_1.5, λόγω της µη ανακύκλισης της φόρτισης των αγκυρίων. Η δυσµενής επιρροή της ανακύκλισης της φόρτισης στην εφελκυστική αντοχή των συνθέτων υλικών έχει περιγραφεί από πολλούς ερευνητές [π.χ. Gamstedt and Sjorgen (1999), Helmi et al. (2008)]. Όµως, κατά τη διάρκεια της πειραµατικής δοκιµής, σε µετακίνηση κορυφής ίση µε 39.9 mm και σε οριζόντια δύναµη ίση µε kn (που αντιστοιχεί σε ροπή βάσης ίση µε knm), παρουσιάστηκε αποκόλληση και τοπικός λυγισµός του θλιβόµενου διαµήκους υφάσµατος στην περιοχή πάνω από το µανδύα. Η αποκόλληση αυτή ήταν πιο εκτεταµένη από τις αντίστοιχες που είχαν παρατηρηθεί στα προηγούµενα πειράµατα,

162 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 141 παρασύροντας σηµαντικό µέρος της επικάλυψης σκυροδέµατος της θλιβόµενης ζώνης. Ταυτόχρονα µε την αποκόλληση αυτή, έλαβε χώρα πτώση της αντίστασης του δοκιµίου κατά 1.79 kn. Στη συνέχεια, αυξανοµένης της οριζόντιας µετακίνησης κορυφής, το φορτίο αυξανόταν και πάλι, µέχρι µετακίνησης ίσης µε mm, που αντιστοιχούσε σε δύναµη οριζόντιου εµβόλου ίση µε kn (που αντιστοιχεί σε ροπή βάσης ίση µε knm), όπου σηµειώθηκε δεύτερη µεγάλη πτώση της αντίστασης του δοκιµίου, οφειλόµενη σε αποκόλληση του διαµήκους εφελκυόµενου υφάσµατος. Η αποκόλληση αυτή που ξεκίνησε από την κορυφή του υφάσµατος και επεκτάθηκε µέχρι το µανδύα, συνέβη ακαριαία και παρέσυρε και την επικάλυψη σκυροδέµατος, αποκαλύπτοντας τις διαµήκεις ράβδους οπλισµού. Η αποκόλληση αυτή επεκτάθηκε, ως διαγώνια καµπτοδιατµητική ρωγµή, που έφθασε µέχρι τη θλιβόµενη παρειά. Για µεγαλύτερες τιµές µετακίνησης κορυφής, η αντίσταση του δοκιµίου έπεφτε µε ταχείς ρυθµούς, συνοδευόµενη από πλήρη αποδιοργάνωση του σκυροδέµατος της διατοµής. Σε οριζόντια µετακίνηση εµβόλου ίση µε +77 mm το πείραµα διεκόπη. Πέραν της γενικότερης συµπεριφοράς του δοκιµίου, αξιοσηµείωτα είναι τα κάτωθι: Το δοκίµιο 2_1.5_m παρουσίασε, συγκρινόµενο µε το δοκίµιο Ελέγχου, αύξηση της καµπτικής του αντοχής κατά 12.1% µε παράλληλη αύξηση της δυσκαµψίας του. Έτσι, τα εφαρµοσµένα στη βάση του υποστυλώµατος αγκύρια φάνηκε να λειτουργούν, αποτρέποντας παράλληλα τη δηµιουργία σηµαντικών στροφών και µετακινήσεων στον πόδα του υποστυλώµατος, µεταφέροντας το σύνολο των µετακινήσεων και της δηµιουργούµενης βλάβης πάνω από τον τοπικό µανδύα. Στη συγκέντρωση της βλάβης στην περιοχή εκείνη συντέλεσε η σηµαντική αποδυνάµωση της διατοµής, λόγω της αποκόλλησης των συνθέτων υλικών, η οποία παρέσυρε και σηµαντική ποσότητα σκυροδέµατος. Το γενικότερο συµπέρασµα ήταν πως η πρόωρη αποκόλληση των διαµήκων πρόσθετων οπλισµών, η οποία κρίθηκε σαν τυχηµατικό γεγονός και ίσως οφείλετο σε ελαφρά χαµηλότερη (συγκριτικά µε τα προηγούµενα δοκίµια) εφελκυστική αντοχή σκυροδέµατος, συντέλεσε στην πτώση της αντοχής του δοκιµίου, προ της εξάντλησης της εφελκυστικής αντοχής του οπλισµού ενίσχυσής του. Υπενθυµίζεται πως αποκολλήσεις των διαµηκών πρόσθετων οπλισµών είχαν λάβει χώρα και στις προηγούµενες δοκιµές ενισχυµένων υποστυλωµάτων, κατόπιν όµως της αστοχίας των εφελκυοµένων αγκυρίων. Σε επίπεδο υποθέσεως µπορεί να ειπωθεί, πως εάν δεν είχε συµβεί η (ίσως τυχαία) αποκόλληση των διαµήκων υφασµάτων CFRP, το δοκίµιο ίσως παρουσίαζε τελικά σηµαντικά βελτιωµένη συµπεριφορά συγκριτικά µε το δοκίµιο

163 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 142 Ελέγχου, ή ίσως ακόµα και συγκριτικά µε το όµοιό του δοκίµιο 2_1.5, το οποίο είχε υποβληθεί σε ανακυκλιζόµενη φόρτιση. Επιπλέον, όπως έχει ήδη ειπωθεί, η επιβολή του αξονικού φορτίου στο δοκίµιο αυτό, όπως και στα δοκίµια 3_1.5 και 2_1.0, έγινε µέσω τριών υδραυλικών γρύλλων τοποθετηµένων στην κορυφή του δοκιµίου. Ακόµα, αξίζει να αναφερθεί πως κατά τη διάρκεια της δοκιµής, µέσω µετρητή µετακινήσεων που είχε τοποθετηθεί στο θεµέλιο, πιστοποιήθηκε η επαρκής πάκτωση του δοκιµίου στο πλαίσιο διεξαγωγής της δοκιµής. Σε όλη τη διάρκεια του πειράµατος, δεν καταγράφηκε ανασήκωση του θεµελίου (στην πλευρά της εφελκυόµενης παρειάς του υποστυλώµατος) µεγαλύτερη των 0.1 mm. Εφόσον σκιαγραφήθηκε η γενικότερη συµπεριφορά του δοκιµίου 2_1.5_m και παρουσιάστηκαν τα άξια αναφοράς συµβάντα της πειραµατικής δοκιµής, σειρά έχει η παρουσίαση όλων των καταγεγραµµένων και υπολογισµένων αναφορικά µε το δοκίµιο αυτό µεγεθών. Στη συνέχεια, παρατίθενται τα διαγράµµατα οριζόντιας δύναµης σχετικής µετακίνησης (µετατόπιση κορυφής ανηγµένη στο ύψος του υποστυλώµατος) και ροπής βάσης σχετικής µετακίνησης του δοκιµίου 2_1.5_m. Σχήµα 5.41 ιαγράµµατα φορτίου σχετικής µετακίνησης (α) και ροπής βάσης σχετικής µετακίνησης (β) (δοκίµιο 2_1.5_m).

164 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 143 β γ α δ ε Εικόνα 5.5 Μετατόπιση δοκιµίου 2_1.5_m στη θετική διεύθυνση κατά +77 mm (α), αποκόλληση λυγισµός θλιβόµενου διαµήκους υφάσµατος CFRP (β), αποκόλληση εφελκυόµενου διαµήκους υφάσµατος CFRP (γ), εξέλιξη βλάβης και αποδιοργάνωση διατοµής σκυροδέµατος (δ-ε). Στα κατωτέρω διαγράµµατα, παρουσιάζεται η µεταβολή των στροφών των διατοµών 1, 2 και 3 (σε ύψη 130 mm, 260 mm και 450 mm από τη βάση του υποστυλώµατος) ως προς την ακριβώς υποκείµενη ονοµατισµένη διατοµή [0, 1 και 2 αντίστοιχα (εννοώντας κατά σειρά τις διατοµές σε ύψη 0 mm, 130 mm και 260 mm από τη βάση του υποστυλώµατος)], συσχετισµένη µε τη ροπή βάσης του δοκιµίου αλλά και συναρτήσει του χρόνου.

165 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 144 Σχήµα 5.42 ιαγράµµατα ροπής βάσης στροφών θ 10, θ 21, θ 32 και εξέλιξη των στροφών αυτών συναρτήσει του χρόνου (δοκίµιο 2_1.5_m). Αυτό που αξίζει να αναφερθεί στα ανωτέρω διαγράµµατα, είναι οι αυξηµένες τιµές των στροφών θ 21 και θ 32, συγκριτικά µε τις στροφές θ 32, λαµβάνοντας υπόψη τη συµπεριφορά των προαναφερθέντων ενισχυµένων καµπτικά δοκιµίων. Το γεγονός αυτό υποδηλώνει τη συγκέντρωση µετακινήσεων, παραµορφώσεων και βλάβης σε ανώτερες στάθµες και όχι στη διατοµή βάσης του υποστυλώµατος. Για λόγους πληρότητας επίσης, παρατίθενται και τα διαγράµµατα των στροφών θ 20 και θ 30, συσχετισµένα µε τη ροπή

166 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 145 βάσης του υποστυλώµατος. Αυτό που παρατηρείται, είναι το γεγονός πως η στροφή θ 32 συµβάλει σηµαντικά στο σύνολο της στροφής θ 30. Σχήµα 5.43 ιαγράµµατα ροπής βάσης στροφών θ 20, θ 30 (δοκίµιο 2_1.0). Οι παρατηρήσεις που αναφέρθηκαν για τις στροφές, ισχύουν και για τις προκύπτουσες καµπυλότητες, οι οποίες παρουσιάζονται σε µορφή διαγραµµάτων ακολούθως.

167 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 146 Σχήµα 5.44 ιαγράµµατα ροπής βάσης καµπυλοτήτων φ 01, φ 12, φ 23 και εξέλιξη των καµπυλοτήτων αυτών συναρτήσει του χρόνου (δοκίµιο 2_1.5_m). Στο επόµενο διάγραµµα, παρουσιάζεται η µεταβολή της στροφής λόγω ολίσθησης συναρτήσει της ροπής βάσης του δοκιµίου. Παρατηρείται η µικρότερη, σε σχέση µε τις προηγούµενες πειραµατικές δοκιµές καταγραφόµενη στροφή λόγω ολίσθησης στη βάση του υποστυλώµατος, λόγω της αυξηµένης συγκέντρωσης βλάβης σε ανώτερες στάθµες. Σχήµα 5.45 ιάγραµµα στροφής λόγω ολίσθησης σχετικής µετακίνησης κορυφής υποστυλώµατος (δοκίµιο 2_1.5_m). Στη συνέχεια, παρατίθενται σε διαγραµµατική µορφή οι υπολογισµένες τιµές του εύρους της ανοιγόµενης στη βάση του δοκιµίου καµπτικής ρωγµής συναρτήσει της σχετικής µετακίνησης κορυφής του υποστυλώµατος, στην παρειά t του δοκιµίου. Παρατηρείται το µικρότερο, σε σχέση µε τις προηγούµενες δοκιµές εύρος της ρωγµής

168 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 147 αυτής, ιδιαίτερα για µεγάλες τιµές µετακίνησης κορυφής. Το γεγονός αυτό αποδίδεται στη µη αστοχία των αγκυρίων. Σχήµα 5.46 ιάγραµµα εύρους ρωγµής συναρτήσει της ανηγµένης µετακίνησης κορυφής του υποστυλώµατος για την παρειά t (δοκίµιο 2_1.5_m). Στα επόµενα διαγράµµατα, παρουσιάζεται η εξέλιξη των υπολογισθέντων µέσων αξονικών παραµορφώσεων των παρειών c και t στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της σχετικής µετακίνησης κορυφής και του χρόνου.

169 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 148

170 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 149 Σχήµα 5.47 ιαγράµµατα µέσης αξονικής παραµόρφωσης των παρειών c και t στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του δοκιµίου οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου (δοκίµιο 2_1.5_m). Κλείνοντας µε την παράθεση των αποτελεσµάτων της πειραµατικής δοκιµής του δοκιµίου 2_1.5_m, και για λόγους πληρότητας, παρατίθενται σε διαγραµµατική µορφή οι µέσες αξονικές παραµορφώσεις του άξονα του υποστυλώµατος στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του υποστυλώµατος οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου.

171 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 150 Σχήµα 5.48 ιαγράµµατα µέσης αξονικής παραµόρφωσης του άξονα του υποστυλώµατος στις ζώνες 0-1, 1-2 και 2-3, συναρτήσει της ανηγµένης στο ύψος του δοκιµίου οριζόντιας µετακίνησης κορυφής και του χρόνου (δοκίµιο 2_1.5_m) Συγκριτικά πειραµατικά αποτελέσµατα Απόκριση και Μορφές Αστοχίας Η απόκριση όλων των υποστυλωµάτων συνοψίζεται στο Σχήµα 5.49 στη µορφή διαγραµµάτων οριζόντιας δύναµης - σχετικής µετακίνησης (drift ratio), ενώ στο Σχήµα 5.50 παρουσιάζεται σε κοινά διαγράµµατα η περιβάλλουσα της απόκρισής τους.

172 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 151 Σχήµα 5.49 Συγκεντρωτικά διαγράµµατα οριζόντιας δύναµης - σχετικής µετακίνησης (drift ratio) όλων των δοκιµίων.

173 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 152 Σχήµα 5.50 Περιβάλλουσες διαγραµµάτων Φορτίου Σχετικής µετακίνησης και Ροπής βάσης Σχετικής µετακίνησης όλων των δοκιµίων. Τα βασικότερα αποτελέσµατα των δοκιµών παρατίθενται συγκεντρωτικά στον Πίνακα 5.1 και περιλαµβάνουν: (α) Τη µέγιστη οριζόντια δύναµη στις δύο διευθύνσεις φόρτισης. (β) Τη ροπή βάσης του υποστυλώµατος που αντιστοιχεί στη µέγιστη οριζόντια δύναµη.

174 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 153 (γ) Τη σχετική µετακίνηση που αντιστοιχεί στη µέγιστη οριζόντια δύναµη, στις δύο διευθύνσεις φόρτισης, η οποία στην παρούσα πειραµατική διερεύνηση παίρνει χαρακτήρα µετακίνησης αστοχίας, καθώς σηµατοδοτεί την θραύση των αγκυρίων. Στις περισσότερες των περιπτώσεων δεν συνέβη συµβατική αστοχία (πτώση της µέγιστης αντίστασης του µέλους κατά 20%). Για λόγους όµως πληρότητας, όπου συµβαίνει, αναφέρεται. (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. (ε) Τη µορφή αστοχίας που παρατηρήθηκε για κάθε δοκίµιο. Όπως φαίνεται και συγκεντρωτικά στον Πίνακα 5.1 και στα διαγράµµατα του Σχ. 5.50, το σύνολο των ενισχυθέντων καµπτικά δοκιµίων παρουσίασε σαφώς αναβαθµισµένη συµπεριφορά συγκριτικά µε το δοκίµιο Ελέγχου σε όρους δύναµης. Η µεγαλύτερη αύξηση αντοχής (συγκριτικά µε το δοκίµιο Ελέγχου) παρατηρήθηκε στο Πίνακας 5.1 Συγκεντρωτικά αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών. Ονοµασία δοκιµίου Μέγιστο φορτίο, (kn) Ροπή Αντοχής, (knm) Σχετική µετακίνηση στο µέγιστο φορτίο (%) Βαθµός ενίσχυσης P max, οκιµ ίου P max, Control Μορφή αστοχίας Ώθηση Έλξη Ώθηση Έλξη Ώθηση Έλξη Ώθηση Έλξη Ελέγχου Χ. 2_ Θ.Α. 3_ Θ.Α. 2 2_ Θ.Α. 2_1.5_m Λ.Θ.Υ. Α.Ε.Υ..Χ. : δηλώνει διαρροή διαµήκους χάλυβα. Θ.Α. : δηλώνει θραύση αγκυρίων. Λ.Θ.Υ. : δηλώνει λυγισµό θλιβόµενου υφάσµατος. Α.Ε.Υ. : δηλώνει αποκόλληση εφελκυόµενου υφάσµατος. 1 Οφείλεται σε κατασκευαστική κακοτεχνία και δεν χρησιµοποιείται ως αξιόπιστο αποτέλεσµα περαιτέρω. 2 Παρουσιάστηκε συµβατική αστοχία, κατά τη διεύθυνση ώθησης του εµβόλου. 3 Μονοτονική φόρτιση.

175 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 154 δοκίµιο 2_1.5 και ήταν της τάξης του 35% και 34% για τις δύο διευθύνσεις φόρτισης (µέση αύξηση 34.5%). Συγκρινόµενο µε το δοκίµιο 2_1.0, ήταν αναµενόµενο το δοκίµιο 2_1.5 να παρουσιάσει µεγαλύτερες τιµές καµπτικής αντοχής, λόγω της µεγαλύτερης συνολικής διατοµής αγκυρίων που χρησιµοποιήθηκαν. Παρά ταύτα, η µέση αύξηση της αντοχής του δοκιµίου 2_1.0 στις δύο διευθύνσεις φόρτισης [(19% +15%)/2 = 17%], είναι λιγότερο από υποδιπλάσια της αντίστοιχης αύξησης της αντοχής που παρουσίασε το δοκίµιο 2_1.5 (34.5%). Συγκρινόµενο λοιπόν το δοκίµιο 2_1.5 µε το 2_1.0, προκύπτει πως αύξηση των ινών των αγκυρίων κατά 50%, επέφερε αύξηση του βαθµού ενίσχυσης των δοκιµίων κατά 103%. Προκύπτει δηλαδή πως η αποτελεσµατικότητα του συστήµατος ενίσχυσης αυξάνεται, αυξανοµένης της εφαρµοζόµενης ποσότητας ινών, και µάλιστα µε ταχύτερους ρυθµούς από την αύξηση αυτή (της ποσότητας των ινών) (Σχ. 5.51). Συγκρινόµενο µε το δοκίµιο 3_1.5, το δοκίµιο 2_1.5, για την ίδια συνολικά εφαρµοζόµενη διατοµή αγκυρίων, έφθασε σε υψηλότερες τιµές αντοχής. Παρά το µικρό αριθµό των διαθέσιµων αποτελεσµάτων, µπορεί να εκτιµηθεί πως για δεδοµένη συνολική διατοµή αγκυρίων, λίγα και µεγαλύτερα αγκύρια λειτουργούν αποδοτικότερα από περισσότερα και πιο µικρά (Σχ 5.51). Όσον αφορά το δοκίµιο 2_1.5_m, το οποίο αστόχησε λόγω πρόωρων αποκολλήσεων των συνθέτων υλικών και προτού τα αγκύρια αναπτύξουν την εφελκυστική τους αντοχή, και αυτό παρουσίασε µεγαλύτερη καµπτική αντίσταση από το δοκίµιο Ελέγχου κατά 12%. Η τιµή αυτή θα ήταν σαφώς µεγαλύτερη, αν είχε αποτραπεί η πρόωρη αποκόλληση των Σχήµα 5.51 Επίδραση της συνολικής διατοµής αγκυρίων και του αριθµού τους στην αύξηση της καµπτικής αντοχής των δοκιµίων, συγκριτικά µε το δοκίµιο Ελέγχου.

176 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 155 διαµήκων συνθέτων υλικών (π.χ. µε τοπικό µανδύα στην κορυφή του δοκιµίου). Αξίζει ακόµα να τονιστεί, ειδικά για το δοκίµιο 3_1.5, πως η κακή εφαρµογή του συστήµατος ενίσχυσης στη µία παρειά του, επέδρασε σηµαντικά στην αποδοτικότητα του συστήµατος ενίσχυσης κατά τη διεύθυνση φόρτισης που έθετε την παρειά εκείνη σε εφελκυσµό. Για τη διεύθυνση φόρτισης αυτή, το δοκίµιο παρουσίασε κατά 52% µικρότερη αύξηση της καµπτικής του αντοχής, από ότι για την άλλη (διεύθυνση φόρτισης που έθετε την παρειά όπου έλαβε χώρα η κακοτεχνία σε θλίψη). ιαπιστώθηκε έτσι η ευαισθησία του συστήµατος ενίσχυσης στις κατασκευαστικές λεπτοµέρειες. Τέλος, αξίζει να τονιστεί, πως και στο δοκίµιο Ελέγχου είχε εφαρµοστεί τοπικός µανδύας στον πόδα του, ο οποίος βάσει προγενέστερων ερευνών που διατίθενται στη διεθνή βιβλιογραφία, µπορεί να θεωρηθεί πως αύξησε την καµπτική αντίσταση του δοκιµίου (σε κάποιο µικρό βαθµό), αλλά κυρίως αύξησε την ικανότητα παραµόρφωσής του. Σύγκριση των ενισχυµένων καµπτικά δοκιµίων µε το Ελέγχου σε επίπεδο µετακινήσεων, θα οδηγούσε σε ιδιαίτερα εσφαλµένα συµπεράσµατα. Εκτενέστερη αναφορά στην αξιολόγηση της ικανότητας παραµόρφωσης των δοκιµίων γίνεται στην Παρ , που έχει να κάνει µε σύγκριση των πειραµατικών αποτελεσµάτων από πλευράς απορροφώµενης ενέργειας υσκαµψία, παραµορφωσιµότητα και απορροφώµενη ενέργεια Για την καλύτερη αξιολόγηση της αποτελεσµατικότητας των διαφόρων διατάξεων ενίσχυσης που µελετήθηκαν στα πλαίσια της διατριβής αυτής, παρατίθενται στη συνέχεια σε διαγραµµατική µορφή η δυσκαµψία των δοκιµίων συναρτήσει της σχετικής τους µετακίνησης, καθώς και η αθροιστικά απορροφώµενη ενέργεια (υπολογιζόµενη αθροίζοντας το εµβαδόν που περικλείεται από τους βρόχους υστέρησης δύναµης - µετατόπισης) συναρτήσει του αύξοντα αριθµού του κύκλου φόρτισης. Φυσικά στα διαγράµµατα αυτά δεν συµπεριλαµβάνεται το δοκίµιο 2_1.5_m, λόγω της διαφορετικής ιστορίας φόρτισής του. Παρατηρείται το γεγονός πως η ενίσχυση των υποστυλωµάτων µε τη µέθοδο που πραγµατεύεται η παρούσα διατριβή, οδήγησε σε αξιοσηµείωτη αύξηση της δυσκαµψίας και της απορροφώµενης ενέργειας, για τιµές µετακίνησης κορυφής που δεν εξαντλούσαν την εφελκυστική αντοχή των αγκυρίων. Έπειτα από τη θραύση των αγκυρίων, η

177 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 156 Σχήµα 5.52 ιαγράµµατα υσκαµψίας Σχετικής µετακίνησης και Αθροιστικά απορροφώµενης ενέργειας Κύκλου φόρτισης για τα δοκίµια που υπεβλήθησαν σε ανακυκλιζόµενη φόρτιση. συµπεριφορά των δοκιµίων σχεδόν ταυτιζόταν µε τη συµπεριφορά του δοκιµίου Ελέγχου. εν πρέπει να αγνοείται όµως το γεγονός πως το δοκίµιο Ελέγχου ήταν και αυτό ενισχυµένο, όπως έχει ήδη αναφερθεί, καθώς είχε εφαρµοστεί στην κρίσιµη περιοχή αυτού τοπικός µανδύας CFRP. Το δοκίµιο Ελέγχου, αν λάβει κανείς υπόψη τα αποτελέσµατα

178 Κεφάλαιο 5 ο - Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 157 πειραµατικών ερευνών που παρέχει η διεθνής βιβλιογραφία, λόγω της ύπαρξης του τοπικού µανδύα, παρουσιάζει αποδεδειγµένα ιδιαίτερα βελτιωµένη συµπεριφορά σε σχέση µε το ίδιο, µη ενισχυµένο, (υποθετικό) δοκίµιο. Σύµφωνα µε τα συµπεράσµατα πειραµατικών ερευνών που έχουν διεξαχθεί, µερικά εκ των οποίων παρατέθηκαν στο 3 ο Κεφάλαιο, τα ενισχυµένα στον πόδα τους µε τοπικό µανδύα υποστυλώµατα παρουσιάζουν αύξηση της πλαστιµότητάς τους, αύξηση της απορροφώµενης ενέργειας, µικρή αύξηση της αντοχής τους και καθυστέρηση του λυγισµού των διαµήκων ράβδων τους. Ενδεικτικά διαγράµµατα ενισχυµένου και µη µε τοπικό µανδύα υποστυλώµατος, παροµοίων διαστάσεων και κατασκευαστικών λεπτοµερειών µε αυτά που πραγµατεύεται η παρούσα διατριβή, προερχόµενα από τη διεθνή βιβλιογραφία (Bournas 2008), παρατίθενται στη συνέχεια, προς πιστοποίηση των ανωτέρω αναφεροµένων. Στο σχήµα 5.53 καθίσταται σαφής η ευεργετική επίδραση που έχει ο τοπικός µανδύας συνθέτων υλικών στην κρίσιµη περιοχή του υποστυλώµατος. Το καθιστά πιο πλάστιµο, πολλές φορές αυξάνοντας ελαφρά και την αντοχή του, λόγω της µικρής αύξησης διατοµής που συµβαίνει, αλλά και καθυστερώντας το λυγισµό των διαµήκων ράβδων, όπως και την πιθανή αστοχία της διατοµής λόγω σύνθλιψης του σκυροδέµατος της θλιβόµενης ζώνης. Έτσι, η απευθείας σύγκριση των ενισχυµένων καµπτικά δοκιµίων µε το δοκίµιο Ελέγχου της παρούσας διατριβής, δεν είναι αντιπροσωπευτική της πραγµατικής αναβάθµισης αυτών που έχει επέλθει λόγω της ενίσχυσής τους και υποτιµά σηµαντικά τη συµπεριφορά των ενισχυµένων δοκιµίων, ιδίως σε όρους ενέργειας και ικανότητας παραµόρφωσης. Σχήµα 5.53 Ενδεικτικοί βρόχοι υστέρησης ενισχυµένου (β) και µη (α) µε τοπικό µανδύα δύο στρώσεων CFRP υποστυλώµατος, παροµοίων κατασκευαστικών λεπτοµερειών µε τα αναφερόµενα.