Κωνσταντίνος Π. ΑΝΤΩΝΟΠΟΥΛΟΣ 1, Μαρία Κ. ΛΙΑΚΟΥ 2, Αθανάσιος Χ. ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΟΥ 3

Transcript

1 Επεµβάσεις στο φέροντα οργανισµό υφισταµένων κατασκευών: Αποτίµηση µέσω µη καταστροφικών µεθόδων, µελέτη αποκατάστασης και ενίσχυσης µε έµφαση στη χρήση συνθέτων υλικών και ποιοτικός έλεγχος εφαρµογής αυτών Παράδειγµα στην Κύπρο Non-destructive Assessment, Re-design and Retrofitting of Existing Structures using Composite Materials Case Study in Cyprus Κωνσταντίνος Π. ΑΝΤΩΝΟΠΟΥΛΟΣ 1, Μαρία Κ. ΛΙΑΚΟΥ 2, Αθανάσιος Χ. ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΟΥ 3 Λέξεις κλειδιά: Αποτίµηση Φέρουσας Ικανότητας, Ενισχύσεις, Μη Γραµµικές Αναλύσεις, Ποιοτικός έλεγχος, Σύνθετα Υλικά ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Στην εργασία αυτή θα παρουσιαστεί η µεθοδολογία διερεύνησης και τεκµηρίωσης του φέροντος οργανισµού υφιστάµενου δοµήµατος από οπλισµένο σκυρόδεµα µε χρήση µη καταστροφικών ή/και ελάχιστα καταστροφικών δοκιµών. Στη συνέχεια θα παρουσιαστεί η αξιοποίηση των δεδοµένων της διερεύνησης στην ανάλυση του δοµήµατος κάνοντας χρήση µη γραµµικών αναλύσεων. Οι αναλύσεις που θα παρουσιαστούν είναι προϊόν εξειδικευµένου λογισµικού µε το οποίο η αποτίµηση της συµπεριφοράς του δοµήµατος γίνεται µε βάση τις µετακινήσεις και τις παραµορφώσεις του. Μετά την αποτίµηση της συµπεριφοράς θα παρουσιαστεί η στρατηγική του ανασχεδιασµού και της ενίσχυσης του δοµήµατος καθώς και η διαστασιολόγηση των ενισχύσεων. Έµφαση θα δοθεί στη χρήση συνθέτων υλικών από ίνες υάλου και άνθρακα. Στο τελευταίο τµήµα της εργασίας θα παρουσιαστεί η εφαρµογή όλων τα προαναφερθέντων σε υφιστάµενο κτήρια στην Κύπρο, θα παρουσιαστεί η εφαρµογή των ενισχύσεων που προέκυψαν καθώς και ο ποιοτικός έλεγχος εφαρµογής αυτών µε εργαστηριακές δοκιµές τόσο επιτόπου όσο και στο εργαστήριο. ABSTRACT : The paper presents the methodology of assessing the load bearing capacity of an existing reinforced concrete structure by means of non-destructive techniques. The assessment results are then used as input for the nonlinear 1 Επίκουρος Καθηγητής Τµήµατος Εκπαιδευτικών Πολιτικών οµικών Έργων, ΑΣΠΑΙΤΕ, kantonopoulos@aspete.gr 2 ιπλ. Πολιτικός Μηχανικός, Retech S.A, Αθήνα, retech@hol.gr 3 Καθηγητής, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήµιο Πατρών, ttriant@upatras.gr 1

2 analysis of the structure using advanced software, by which the assessment is performed based on displacements and deformations. Following the structural analysis we present the strategy for redesign and seismic retrofitting of the structure as well as the dimensioning of the interventions. Emphasis is given on the use of fiber-reinforced polymers with glass or carbon fibers. The methodology presented herein is then applied in a real building in Cyprus, for which we also present methods of quality control for the interventions via both in-situ and laboratory testing. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ουσιαστική αποτίµηση της σεισµικής συµπεριφοράς ενός υφιστάµενου δοµήµατος και η κατάλληλη ενίσχυσή του είναι προϊόν µια σειράς από εργασίες αλληλένδετα συνδεδεµένες µεταξύ τους. Οι εργασίες αυτές επιγραµµατικά είναι: α) η συλλογή στοιχείων για την τεκµηρίωση του ιστορικού του δοµήµατος, της γεωµετρικής του αποτύπωσης, της παθολογίας του και της εκτίµησης των ιδιοτήτων των υλικών που το αποτελούν, β) η ανάλυσή του µε ορθή προσοµοίωση τόσο του φέροντος οργανισµού όσο και των δράσεων σε αυτόν, ο έλεγχος των οριακών καταστάσεων και ο υπολογισµός των προτεινόµενων επεµβάσεων/ενισχύσεων, γ) η επίβλεψη των εργασιών και ο ποιοτικός έλεγχος των ενισχύσεων µε επιτόπου και εργαστηριακές δοκιµές. Στην παρούσα εργασία θα παρουσιασθούν όλα τα παραπάνω όπως αυτά εφαρµόσθηκαν σε πολυώροφο κτήριο µε χρήση κατοικίας κατασκευασµένο από οπλισµένο σκυρόδεµα κατά τη δεκαετία του 1970 στην περιοχή «Πρωταρά» της Κύπρου. Το ζητούµενο ήταν η προσεισµική αναβάθµιση της κατασκευής στη στάθµη του εν ισχύ Κυπριακού Αντισεισµικού Κανονισµού. Έµφαση στην ενίσχυση έχει δοθεί στη χρήση συνθέτων υλικών. ΙΕΡΕΥΝΗΤΙΚΕΣ ΕΡΓΑΣΙΕΣ ΦΕΡΟΝΤΟΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥ Οι διερευνητικές εργασίες αποτελούν το πρώτο βήµα για τη συλλογή όλων των απαραίτητων δεδοµένων για την αξιολόγηση της σεισµικής τρωτότητας του δοµήµατος και η στάθµη αξιοπιστίας τους είναι καθοριστική για την ποιότητα των συµπερασµάτων της αποτίµησης και της διαµόρφωσης των στρατηγικών επέµβασης. Έτσι πριν από οτιδήποτε άλλο θα πρέπει να συλλεχθούν όσες πληροφορίες είναι διαθέσιµες για την αρχική µελέτη του δοµήµατος, όπως υφιστάµενα ξυλοτυπικά σχέδια, στατικοί υπολογισµοί, γεωτεχνικές µελέτες και ότι µπορεί να φάνει χρήσιµο για την αποτίµηση της φέρουσας ικανότητας του φορέα: στατικές ή αρχιτεκτονικές τροποποιήσεις κατά τη διάρκεια της ζωής του καθώς και βλάβες που τυχόν έχουν προκύψει από περιβαλλοντικές επιδράσεις ή υπερβάσεις φέρουσας ικανότητας από σεισµικά ή στατικά φορτία. Η εκτίµηση των µηχανικών και ελαστικών χαρακτηριστικών των υλικών που απαρτίζουν το φέροντα οργανισµό του δοµήµατος (σκυρόδεµα, χαλύβδινοι οπλισµοί) γίνεται µε επιτόπου και εργαστηριακές δοκιµές. Για την εκτίµηση των χαρακτηριστικών του σκυροδέµατος χρησιµοποιούνται µη καταστροφικές 2

3 δοκιµές (κρουσιµετρήσεις, εξολκεύσεις ήλων, υπέρηχοι) σε συνδυασµό µε τη λήψη συγκεκριµένου αριθµού πυρήνων τόσο για τον άµεσο υπολογισµό της θλιπτικής αντοχής του σκυροδέµατος όσο και της βαθµονόµησης των µη καταστροφικών δοκιµών. Το πλήθος των πιο πάνω δοκιµών καθορίζεται, σύµφωνα και από τα προβλεπόµενα στον υπό σύνταξη Ελληνικό ΚΑνονισµό ΕΠΕµβάσεων (ΚΑΝΕΠΕ), µε βάση τη στάθµη αξιοπιστίας των δεδοµένων αλλά και τα διαθέσιµα στοιχεία από την αρχική άδεια. Ειδικά για τις οπλισµικές λεπτοµέρειες των επιµέρους στοιχείων του φέροντος οργανισµού θα πρέπει να διενεργείται κατάλληλος αριθµός µαγνητοσκοπήσεων και τοµών ώστε αν µεν διατίθενται τα υφιστάµενα ξυλοτυπικά σχέδια αυτά να επιβεβαιώνονται πλήρως, αν όµως δεν διατίθενται, οι πληροφορίες από τις δοκιµές να είναι τέτοιες ώστε να µπορούν να χρησιµοποιηθούν στην πλήρη ανασύσταση των σχεδίων ξυλοτύπων του φορέα. Η προβληµατική στάθµη είναι αυτή της θεµελίωσης, στην οποία τόσο ο γεωµετρικός έλεγχος των διαστάσεων των στοιχείων όσο και οι δοκιµές σκυροδέµατος και χαλύβδινων οπλισµών είναι δύσκολα επιτεύξιµες. Ωστόσο η εµπειρία έχει αποδείξει ότι όταν διατίθενται τα ξυλοτυπικά σχέδια των ορόφων και από τον επιτόπου έλεγχο φαίνεται ότι αυτά έχουν εφαρµοστεί, είναι σχεδόν βέβαιο ότι και η θεµελίωση θα έχει υλοποιηθεί ως φαίνεται σε αυτά. Όταν δεν διατίθενται ξυλοτυπικά σχέδια τότε η θεµελίωση θα πρέπει, λαµβάνοντας υπόψη την κατασκευαστική πρακτική της εποχής ανέγερσης του φορέα, να εκτιµηθεί συντηρητικά και ασφαλώς να ερευνηθεί διεξοδικά κατά τη φάση των ενισχύσεων/επεµβάσεων του φορέα. Αν τα ευρήµατα είναι διαφορετικά από τις υποθέσεις, θα πρέπει να επανεκτιµώνται οι ήδη υπολογισµένες επεµβάσεις. Παρά τις µαγνητοσκοπήσεις και τις τοµές πάντα θα υπάρχουν σηµεία στα οποία οι οπλισµοί θα είναι πολύ δύσκολο να αναβρεθούν. Μια καλή εκτίµηση γι αυτά τα σηµεία αλλά και µία επιβεβαίωση για το εν γένει ποσοστό του υφιστάµενου οπλισµού µπορεί κανένας να αποκτήσει εκτελώντας µια «προκαταρκτική ανάλυση» για τα µόνιµα και κινητά φορτία της κατασκευής, όπως αυτά προδιαγράφονται στην αρχική µελέτη. Κατά τις επιτόπου δοκιµές θα πρέπει, όπου αυτό είναι εφικτό, να αποκόπτονται τεµάχια χαλύβδινου οπλισµού και να διενεργείται σε αυτά δοκιµή εφελκυσµού αλλά και έλεγχος συγκολλησιµότητας, ειδικά όταν ο οπλισµός είναι λείος. Στόχος των διερευνητικών εργασιών είναι η απόκτηση γνώσεων για τις ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά των υλικών του φέροντος οργανισµού του κτηρίου αλλά και της συµπεριφοράς του κατά τη διάρκεια της ζωής του, σε τέτοιο βάθος και έκταση ώστε µαζί µε τα αποτελέσµατα των αναλύσεων να είναι εφικτό να καταστρωθεί η βέλτιστη τεχνικοοικονοµική µέθοδος επισκευής/ενίσχυσης του φέροντος οργανισµού. Έτσι εκτός από τις δοκιµές που έχουν να κάνουν µε τις µηχανικές και ελαστικές ιδιότητες των υλικών, θα πρέπει να γίνονται και δοκιµές που έχουν να κάνουν µε την επίδραση του περιβάλλοντος στα υλικά: δοκιµές συγκέντρωσης ιόντων χλωρίου στο τσιµέντο του σκυροδέµατος, έλεγχος διάβρωσης του χαλύβδινου οπλισµού κατά βελονισµό, έλεγχος ενανθράκωσης σκυροδέµατος κ.α. Τέλος µεγάλη σπουδαιότητα έχει η καταγραφή επί των σχεδίων αποτύπωσης και των τυχουσών βλαβών που παρουσιάζει ο φορέας, όπως ρωγµές σε στοιχεία 3

4 οπλισµένου σκυροδέµατος αλλά και τοιχοποιίες πλήρωσης, εµφανείς διαβρώσεις χαλύβδινων οπλισµών, αποφλοιώσεις σκυροδέµατος, εµφανείς υγρασίες κ.α. Ο εντοπισµός, καταγραφή και κατηγοριοποίηση όλων των βλαβών του φορέα καθώς και η συλλογή κάθε στοιχείου που έχει να κάνει µε την ιστορία του δοµήµατος είναι άµεσα συνδεδεµένα µε την αξιολόγηση των αποτελεσµάτων των αναλύσεων. ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΕΙ ΙΚΟΥ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ Σήµερα είναι πλέον αποδεκτό ότι ο σεισµός επιβάλλει µετατοπίσεις και παραµορφώσεις στις κατασκευές, και όχι δυνάµεις. Έτσι οι µετατοπίσεις και οι παραµορφώσεις θα πρέπει να υιοθετούνται ως βάση για την αποτίµηση της σεισµικής τρωτότητας και της ενίσχυσης των κατασκευών. Όταν βασίζεται στις µετατοπίσεις του κτηρίου, η αποτίµηση είναι πιο ορθολογική. Επιπλέον, οι ενισχύσεις που προκύπτουν είναι σηµαντικά πιο οικονοµικές και ορθές. Ένα από τα πιο εξειδικευµένα και αξιόπιστα λογισµικά αποτίµησης κατασκευών οπλισµένου σκυροδέµατος µε βάση τις µετακινήσεις και τις παραµορφώσεις, την ενίσχυση και εν γένει ανασχεδιασµό κτηρίων χρησιµοποιώντας του κανόνες και τις σχέσεις του Ευρωκώδικα 8 Μέρος 3 και του Ελληνικού ΚΑνονισµού ΕΠεµβάσεων (ΚΑΝΕΠΕ Σχέδιο 3) είναι το ANSRuop. Το ANSRuop είναι ένα πρόγραµµα στατικής και δυναµικής, γραµµικής και µη-γραµµικής ανάλυσης κατασκευών, που αποτελεί µετεξέλιξη του προγράµµατος µη-γραµµικής ανάλυσης κατασκευών ANSR-I (Mondkar et al., 1975), όπως τροποποιήθηκε από τους Panagiotakos et al. (2001). Η αποτίµηση της κατασκευής µε το πρόγραµµα ANSRuop πραγµατοποιείται σε 3 στάδια: της προ-επεξεργασίας-εισαγωγής δεδοµένων (pre-processing), της ανάλυσης και της επεξεργασίας αποτελεσµάτων (post-processing). Κατά το στάδιο της προ-επεξεργασίας, που είναι και το πιο χρονοβόρο και επίπονο στάδιο, καθορίζεται ο τρισδιάστατος κάνναβος εργασίας, και ορίζεται γραφικά η συνδεσµολογία των δοµικών στοιχείων. Στη συνέχεια καθορίζονται οι ακριβείς διατοµές των µελών της κατασκευής και εισάγονται για κάθε µέλος ξεχωριστά οι υφιστάµενοι διαµήκεις και εγκάρσιοι οπλισµοί. Στη συνέχεια ορίζονται τα φορτία, σηµειακά ή κατανεµηµένα, καθώς και οι πλάκες, το φορτίο των οποίων αποδίδεται αυτόµατα στις περιµετρικές δοκούς στις οποίες αναλογεί. Αποτέλεσµα της διαδικασίας αποτίµησης είναι το εάν, και κατά πόσο, για τα επιλεγµένα εντατικά ή παραµορφωσιακά µεγέθη, η σεισµική απαίτηση S, υπερβαίνει τη διαθέσιµη µέγιστη ικανότητα για τα δοµικά στοιχεία της κατασκευής. Αυτό εκφράζεται µέσω του λόγου λ=s/rm για κάθε στοιχείο αντίστοιχα. Η υπέρβαση του παραµορφωσιακού µεγέθους «στροφή χορδής» οδηγεί σε πλάστιµη µορφή αστοχίας και για το λόγο αυτό ο Ευρωκώδικας 8 - Part 3 προδιαγράφει τρεις στάθµες επιτελεστικότητας µέσω κατάλληλων ορίων: 4

5 «Άµεση λειτουργικότητα µετά το σεισµό», που αντιστοιχεί σε µικρές, εύκολα επισκευάσιµες βλάβες, για την αποκατάσταση των οποίων δεν απαιτείται διακοπή της λειτουργίας του κτηρίου, Προστασία ζωής και περιουσίας των ενοίκων», που αντιστοιχεί σε σηµαντικότερες βλάβες (οι οποίες όµως είναι κατά κανόνα επισκευάσιµες) και «Αποφυγή οιονεί κατάρρευσης», που αντιστοιχεί σε σηµαντικές βλάβες, πιθανόν µη-επισκευάσιµες, διασφαλίζει όµως την µη-κατάρρευση του κτηρίου. Αντίθετα, όπου ελέγχεται εντατικό µέγεθος «τέµνουσα δύναµη», επειδή τυχόν υπέρβαση της διαθέσιµης «ικανότητας» οδηγεί σε ψαθυρή αστοχία, δεν επιτρέπεται τέτοια υπέρβαση για καµία στάθµη επιτελεστικότητας. ΕΠΙΒΛΕΨΗ - ΠΟΙΟΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Ο σκοπός του ποιοτικού ελέγχου εφαρµογής των συνθέτων υλικών είναι να παρακολουθεί και να επιβεβαιώνει ότι όλα τα στάδια της ενίσχυσης της κατασκευής µε σύνθετα υλικά εκτελούνται µε ορθό τρόπο, όπως περιγράφεται στις προδιαγραφές του έργου, στις συστάσεις του προµηθευτή των υλικών και τους ισχύοντες εθνικούς και διεθνείς τεχνικούς κανονισµούς. Ο ποιοτικός έλεγχος εφαρµογής των συνθέτων υλικών ξεκινάει από την παράδοση των υλικών στο έργο και ολοκληρώνεται µε την εξωτερική προστασία των επικολληµένων υλικών στα επιµέρους στοιχεία του φέροντος οργανισµού. Κατά την παράδοση των υλικών στο έργο θα πρέπει να ελέγχεται και να καταγράφεται µια σειρά από στοιχεία όπως: ή ταυτότητα των συνθέτων υλικών (ονοµασία, τύπος προϊόντος, παραγωγός, κωδικοί παρτίδας, ηµεροµηνία λήξης ρητινών κ.τ.λ.), τα στοιχεία που αφορούν στις µηχανικές ιδιότητες των υλικών (µέτρο ελαστικότητας, εφελκυστική αντοχή ινών, θερµοκρασία υαλώδους µεταπτώσεως κ.τ.λ.), πληροφορίες που αφορούν στη µεταφορά και στην αποθήκευση των υλικών (χρόνος εργασιµότητας και εφαρµογής, αναλογίες ανάµειξης για τις ρητίνες, συνθήκες αποθήκευσης κ.τ.λ), και πληροφορίες υγιεινής και ασφάλειας (τοξικότητα υλικών, αναφλεξιµότητα κ.τ.λ.). Μετά την παράδοση των υλικών στο έργο θα πρέπει να βεβαιώνεται ότι τα υλικά θα αποθηκευτούν σύµφωνα µε τις συστάσεις του κατασκευαστή σε ορθή συσκευασία και σε µη επιζήµιο περιβάλλον, να βεβαιώνεται ότι ο εργολάβος εφαρµογής είναι πιστοποιηµένος από τον προµηθευτή των υλικών και οπωσδήποτε ότι η επίβλεψη και η εφαρµογή του ποιοτικού ελέγχου θα πραγµατοποιείται από ιπλ. Πολιτικό Μηχ. µε γνώσεις περί συνθέτων υλικών. Πριν την εφαρµογή των συνθέτων υλικών θα πρέπει να ελέγχεται η καταλληλότητα του υποστρώµατος (σκυρόδεµα ή επισκευαστικό κονίαµα) µε την εκτίµηση της επιφανειακής εφελκυστικής του αντοχής µέσω δοκιµών pull-off (σύµφωνα µε τα πρότυπα EN 1542 ή ASTM D4541). Ένα υπόστρωµα για να είναι 5

6 κατάλληλο να δεχθεί εφαρµογή συνθέτων υλικών θα πρέπει εν γένει να έχει εφελκυστική αντοχή > 1.5 MPa. Επίσης πριν την εφαρµογή θα πρέπει να βεβαιώνεται ότι οι «ανωµαλίες» στην επιφάνεια του υποστρώµατος καθώς και η σχετική υγρασία και θερµοκρασία ατµόσφαιρας και υποστρώµατος είναι εντός των κανονιστικών ορίων. Η θερµοκρασία και η σχετική υγρασία θα καταγράφονται κάθε ηµέρα εφαρµογής και µε βάσει αυτές θα αποφασίζεται αν θα πραγµατοποιείται ή όχι η εφαρµογή των υλικών. Κατά την εφαρµογή των συνθέτων υλικών θα πρέπει να ελέγχεται ότι η ανάµειξη της ρητίνης, η αναλογία ινών/ρητίνης, η επάλειψη της επιφάνειας µε εποξειδική ρητίνη και η ευθυγραµµία των ινών είναι οι προβλεπόµενες, επίσης θα πρέπει να ελέγχεται και να επιβεβαιώνεται η οµαλή τελική επιφάνεια, η συνέχεια των συνθέτων υλικών, η εφαρµογή τους καθώς και τα µηχανικά χαρακτηριστικά του τελικού εφαρµοσµένου υλικού (ίνες και ρητίνη) σύµφωνα µε το πρότυπο ASTM D3039 δοκιµή εφελκυσµού στο εργαστήριο. Τέλος θα πρέπει να διερευνάται η εφελκυστική αντοχή της διεπιφάνειας σύνθετου υλικού υποστρώµατος µε την διενέργεια κατάλληλων δοκιµών pull-off. Για τον πληρέστερο έλεγχο της ενίσχυσης µε σύνθετα υλικά για κάθε ηµέρα εφαρµογής πρέπει επίσης να συµπληρώνεται ένα φύλλο ελέγχου το οποίο θα περιλαµβάνει: ηµεροµηνία και ώρα της εφαρµογής, ατµοσφαιρική θερµοκρασία, σχετική υγρασία και γενικές παρατηρήσεις για την ατµόσφαιρα, θερµοκρασία και σχετική υγρασία του υποστρώµατος, παρατηρήσεις για την προετοιµασία της επιφάνειας επικόλλησης, την καθαρότητα της επιφάνειας, την καταγραφή του κωδικού της παρτίδας και τη θέση εφαρµογής της στο έργο, καταγραφή των αναλογιών και των χρόνων ανάµειξης, επιβεβαίωση των διαδικασιών εφαρµογής, ιδιότητες των σύνθετων υλικών, όπως προέκυψαν από τις δοκιµές στο εργαστήριο, αποτελέσµατα από τις δοκιµές pull-off επί τόπου του έργου, τη θέση και το µέγεθος των αποκολλήσεων και των κενών αέρα που µπορεί να έχουν προκύψει κατά την επικόλληση των υλικών καθώς και τη γενική εξέλιξη του έργου. ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ Όλα όσα προαναφέρθηκαν στις προηγούµενες ενότητες έχουν ήδη εφαρµοσθεί σε αρκετά κτήρια τόσο στην Ελλάδα όσο και στην Κύπρο. Ενδεικτικά παρουσιάζονται εδώ τα αποτελέσµατα από εφαρµογή σε τετραώροφο κτήριο µε υπόγειο στον Πρωταρά Κύπρου. Το κτήριο αποτελεί τµήµα ενός συµπλέγµατος κτηρίων συνολικού εµβαδού 7000 m 2. Αποτελείται από ισόγειο και τρεις ορόφους ενώ στο µισό περίπου της κάτοψής του υπάρχει υπόγειο. Το συνολικό εµβαδόν του είναι m 2 µε εξωτερικές διαστάσεις 35 m x 15 m. Στο Σχήµα 1 παρουσιάζονται µια γενική άποψη του κτηρίου και µία του όψη από την αρχιτεκτονική του αποτύπωση. Το κτήριο κατασκευάστηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1970 χωρίς ουσιαστικά να ληφθούν υπόψη κατά τη µελέτη του σαφείς αντισεισµικές διατάξεις, αφού ο πρώτος τεκµηριωµένος αντισεισµικός κανονισµός στην Κύπρο τέθηκε σε ισχύ 6

7 µόλις το Ο στόχος της επέµβασης για το εν λόγω κτήριο ήταν, µετατρέποντάς το από ξενοδοχειακή µονάδα σε κτήριο κατοικιών, να αναβαθµιστεί η σεισµική του ικανότητα στη στάθµη του εν ισχύ Κυπριακού Αντισεισµικού Κανονισµού. ΠΡΟΣΟΨΗ (ΝΟΤΙΑ) BLOCK B (α) (β) Σχήµα 1. (α) Γενική άποψη του κτηρίου κατά τη φάση των καθαιρέσεων. (β) Νότια όψη του κτηρίου (σχέδια αρχιτεκτονικής αποτύπωσης). Το κτήριο αποτελείται από πλαίσια οπλισµένου σκυροδέµατος σε µία µόνο διεύθυνση. Στο µέσον περίπου της κάτοψης του κτηρίου υπάρχει ένας διπλός πυρήνας ανελκυστήρα ορθογωνικού σχήµατος χωρίς ιδιαίτερη διαµόρφωση κρυφών υποστυλωµάτων και διπλή εσχάρα οπλισµών Φ10/20, ενώ το κύριο χαρακτηριστικό στοιχείο της διαµόρφωσης του κτηρίου είναι η ύπαρξη ενός επιµήκους διαδρόµου που διαχωρίζει ουσιαστικά την κάτοψή του σε δύο τµήµατα, Σχήµα 2. Για το κτήριο διετίθετο πλήρης σειρά ξυλοτυπικών σχεδίων και για το λόγο αυτό οι επιτόπου διερευνητικές εργασίες περιορίστηκαν στην επιβεβαίωση των στοιχείων αυτών. Στις εργασίες που διενεργήθηκαν επιτόπου συγκαταλέγεται η πλήρης γεωµετρική επαλήθευση όλων των στοιχείων του φέροντος οργανισµού (υπήρξε ευχέρεια στην καταγραφή των επιµέρους διαστάσεων των στοιχείων, αφού το κτήριο ήταν από καιρό εγκαταλελειµµένο και µπορούσαν να γίνουν στο εσωτερικό του αρκετές διερευνητικές τοµές) και η εκτίµηση κυρίως της θλιπτικής αντοχής του σκυροδέµατος, η οποία επιτεύχθηκε από πλήθος µη καταστροφικών δοκιµών. Η διερεύνηση του ποσοστού των χαλύβδινων οπλισµών έγινε µε πλήθος µαγνητοσκοπήσεων αλλά και τοµών. Η διερεύνηση της ενανθράκωσης του σκυροδέµατος έγινε µε διάλυµα φαινολοφθαλεϊνης. Ως γενικές οπλισµικές διατάξεις µπορούν να θεωρηθούν στα υποστυλώµατα 4Φ16-18 µε συνδετήρες Φ8/20 και στις δοκούς 4Φ12-14 µε συνδετήρες Φ8/25. Η θλιπτική αντοχή του σκυροδέµατος εκτιµήθηκε σε f cm = 20 MPa, ενώ οι οπλισµοί ήταν κατηγορίας StIII. Από τα αποτελέσµατα των διερευνητικών εργασιών επιβεβαιώθηκαν πλήρως οι ξυλότυποι της αρχικής αδείας. 7

8 K1 (30x40) 1 (25/60) 1 (25/60) 2 (20/50) 3 (20/50) 2 (20/50) 3 (20/50) 2 (20/50) 3 (20/50) 2 (20/50) K2 (30x50) K3 (30x40) K5 (30x40) K7 (30x40) K9 (30x40) K4 (30x40) K6 (30x40) K8 (30x40) K10 (30x40) K59 (25x25) K60 (25x25) 4 (20/55) 5 (20/55) 5 (20/55) 5 (20/55) 4 (20/55) K15 (30x40) K17 (30x40) K18 (30x40) K13 K11 (30x40) K12 (30x40) K14 (30x50) K16 (30x40) 1 (25/60) 1 (25/60) 2 (20/50) 3 (20/50) 2 (20/50) 3 (20/50) 2 (20/50) 3 (20/50) 2 (20/50) K19 (30x40) K20 (30x60) K22 (30x40) K23 (30x40) K24 (30x40) K25 (40x30) K21 (30x40) K26 (30x40) 2 (20/50) 2 (20/50) 3 (20/50) 3 (20/50) 2 (20/50) 3 (20/50) 2 (20/50) 3 (20/50) 2 (20/50) 3 (20/50) K28 (30x40) K29 (40x30) K30 (30x40) K31 (30x40) K39 (30x40) K40 (30x50) 7 (25/60) 7 (25/60) 4 (20/55) 5 (20/55) 7 (25/60) 5 (20/55) 4 (20/55) 4 (20/55) 5 (20/55) 6 (20/50) 5 (20/55) 4 (20/55) 6 (20/50) 6 (20/50) 5 (20/55) 4 (20/55) 6 (20/50) 6 (20/50) K35 (30x40) K37 (30x40) K33 (30x40) K34 (30x40) K36 (30x40) K32 (30x50) 6 (20/50) 6 (20/50) 4 (20/55) 5 (20/55) 6 (20/50) 6 (20/50) K41 (30x50) K43 (30x40) K45 (30x40) K55 (30x40) K44 (30x40) K42 (30x50) 4 (20/55) 5 (20/55) 6 (20/50) 6 (20/50) 6 (20/55) 6 (20/55) 5 (20/55) 6 (20/50) 6 (20/50) 8 (25/60) K27 (30x40) K38 (30x40) K56 (30x40) K46 (30x40) 2 (20/50) 3 (20/50) 2 (20/50) 3 (20/50) 2 (20/50) 3 (20/50) 2 (20/50) 3 (20/50) 2 (20/50) 3 (20/50) K53 (30x40) K47 (30x50) K49 (30x50) K51 (30x40) K57 (30x40) K52 (30x40) K54 (30x40) K48 (30x40) K50 (30x40) K58 (30x40) Σχήµα 2. Κάτοψη του ισογείου του κτηρίου όπως γεωµετρικά επιβεβαιώθηκε κατά τις επιτόπου αυτοψίες. Σχήµα 3. Ο φέρων οργανισµός του κτηρίου όπως αυτός προσοµοιώθηκε για τις αναλύσεις στο λογισµικό ANSuop. Για τις ανάγκες των αναλύσεων κατασκευάστηκε υπολογιστικό προσοµοίωµα στο εξειδικευµένο λογισµικό ANSRuop, αποτελούµενο από ραβδωτά στοιχεία (Σχήµα 3), οι ιδιότητες των οποίων λήφθηκαν όπως προδιαγράφεται από τον Ευρωκώδικα 8 - Part 3 (ενεργές δυσκαµψίες ίσες µε την τέµνουσα δυσκαµψία στη διαρροή). Για τον υπολογισµό των τελευταίων λήφθηκε υπόψη, όπως απαιτείται, ο πραγµατικός οπλισµός υποστυλωµάτων, τοιχείων και δοκών, καθώς και οι οπλισµοί πλακών παράλληλοι προς τον άξονα των δοκών που βρίσκονται 8

9 εντός του συνεργαζόµενου πλάτους τους, το οποίο λαµβάνεται κατά τον Ευρωκώδικα 8 ίσο µε το ένα τέταρτο του µήκους τους. Στη φάση αυτή, που είναι και η πιο χρονοβόρα, για κάθε στοιχείο και µε βάση τους υφιστάµενους ξυλοτύπους του κτηρίου, που επιβεβαιώθηκαν πλήρως από τις επιτόπου διερευνητικές εργασίες (µαγνητοσκοπήσεις και τοµές), εισήχθησαν στο προσοµοίωµα όλοι οι οπλισµοί (διαµήκεις και εγκάρσιοι) και υπολογίστηκαν όλα τα διαγράµµατα ροπών/στροφών Σχήµα 4. Πλακοδοκός End I End I Myy(kNm) yy' phi(1/m) zz' Σχήµα 4. Υπολογισµός ροπών/στροφών στο άκρο για µια από τις πλακοδοκούς του κτηρίου, σχήµατος «Γ». Για τον υπολογισµό λαµβάνονται υπόψη όλοι οι οπλισµοί του συνεργαζόµενου πλάτους της πλάκας. Ο υπολογισµός των ροπών/στροφών έχει γίνει για όλες τις δοκούς και τα υποστυλώµατα, θεωρώντας όλους τους οπλισµούς που µπορούν να συµµετάσχουν στον υπολογισµό. Η µεθοδολογία ανάλυσης που ακολουθήθηκε είναι δυναµική φασµατική ανάλυση ιδιοµορφών (θεωρώντας τη µία φορά τις πλήρεις διατοµές και την άλλη τις ρηγµατωµένες), γραµµική ελαστική όσο και µη γραµµική στατική ανάλυση (push over). Τα µεγέθη που ελέγχθηκαν κατά την αποτίµηση της συµπεριφοράς του κτηρίου είναι: α) Η στροφή χορδής (παραµορφωσιακό µέγεθος, η υπέρβαση του µεγίστου επιτρεπόµενου του οποίου οδηγεί κατά κανόνα σε πλάστιµους τρόπους αστοχίας) και β) Η τέµνουσα δύναµη (εντατικό µέγεθος, η υπέρβαση του µεγίστου επιτρεπόµενου του οποίου οδηγεί σε ψαθυρούς τρόπους αστοχίας). Για τις αναλύσεις ως µέγιστη οριζόντια σεισµική επιτάχυνση λήφθηκε η τιµή 0.15g, σύµφωνα µε τον εν ισχύ Κυπριακό Αντισεισµικό Κανονισµό για τη συγκεκριµένη περιοχή του έργου, συντελεστής συµπεριφοράς q=1, συντελεστής σπουδαιότητας κτηρίου γ 1 =1, συντελεστής επιρροής της θεµελίωσης θ=1 και κατηγορία εδάφους Β. Ως φορτία θεωρήθηκαν σε όλες γενικά τις πλάκες µόνιµα g=3kn/m 2, για να συµπεριληφθούν τυχόν εσωτερικές διαχωριστικές τοιχοποιίες, και κινητά φορτία q=2kn/m 2, ενώ στους προβόλους και στα κλιµακοστάσια ελήφθησαν g=2kn/m 2 και q=5kn/m 2 αντιστοίχως. Στις εξωτερικές δοκούς που υποστηρίζουν µπατική τοιχοποιία θεωρήθηκε για τις αναλύσεις οµοιόµορφα κατανεµηµένο γραµµικό φορτίο, το οποίο προκύπτει από το βάρος της υπερκείµενης µπατικής τοιχοποιίας (3.6KN/m 2 ) επί το αντίστοιχο ύψος της. 9

10 Τα αποτελέσµατα των αναλύσεων έδειξαν ότι αρκετές δοκοί του υφιστάµενου κτηρίου, όπως και η πλειονότητα των κατακόρυφων στοιχείων, είχαν ανεπάρκειες σε κάµψη και διάτµηση. Σε κάποια από τα κατακόρυφα στοιχεία στη στάθµη του υπογείου παρουσιάστηκαν επίσης και αδυναµίες ανάληψης αξονικής δύναµης λόγω σεισµικής φόρτισης. Σηµαντικές ανεπάρκειες παρουσιάστηκαν στον πυρήνα του ανελκυστήρα, που λόγω της σηµαντικής δυσκαµψίας του προσελκύει και την µεγαλύτερη σεισµική ένταση. Για την άρση των ανεπαρκειών προτιµήθηκε ένα µεικτό σύστηµα ενίσχυσης, που περιελάµβανε την κατασκευή µανδυών εκτοξευόµενου σκυροδέµατος στο πυρήνα του κλιµακοστασίου και σε υποστυλώµατα που εµφάνιζαν σηµαντικές καµπτικές και αξονικές ανεπάρκειες, καθώς και την εφαρµογή συνθέτων υλικών από ίνες άνθρακα ή υάλου στις κρίσιµες περιοχές δοκών και υποστυλωµάτων. Σε µερικές περιπτώσεις για την ενίσχυση των υποστυλωµάτων σε διάτµηση και µέσω περίσφιγξης η εφαρµογή και συνθέτων υλικών πραγµατοποιήθηκε σε όλο το ύψος τους. Κύρια σηµεία της στρατηγικής της επέµβασης ήταν η παραλαβή του σηµαντικότερου τµήµατος της σεισµικής τέµνουσας από τον ενισχυµένο πυρήνα, ή άρση όλων των διατµητικών ανεπαρκειών τόσο στα υποστυλώµατα όσο και στις δοκούς µέσω συνθέτων υλικών καθώς και η αύξηση της πλαστιµότητας των υποστυλωµάτων µέσω περίσφιγξης των κρίσιµων περιοχών τους (µε σύνθετα υλικά). Οι λεπτοµέρειες ενίσχυσης των στοιχείων παρουσιάζονται στο Σχήµα 5 και τυπικά παραδείγµατα εφαρµογών στο Σχήµα 6. Για την αγκύρωση των συνθέτων υλικών που χρησιµοποιήθηκαν στην ενίσχυση των δοκών σε διάτµηση χρησιµοποιήθηκαν ειδικά αγκύρια ινών τύπου θυσάνου. Οι κατακόρυφοι οπλισµοί των µανδυών οπλισµένου σκυροδέµατος θεµελιώθηκαν στη στάθµη των υφιστάµενων θεµελίων, τα οποία και αυτά µε τη σειρά τους ενισχύθηκαν. Τα αποτελέσµατα των αναλύσεων του ενισχυµένου φορέα έδειξαν ότι από την αποτίµηση των λόγων λ=s/rm έχει γίνει πλήρης άρση των ανεπαρκειών σε κάµψη και διάτµηση τόσο των οριζοντίων όσο και των κατακόρυφων στοιχείων της κατασκευής, σε βαθµό που να καθιστά τη συµπεριφορά του κτηρίου ικανοποιητική για το επίπεδο επιτελεστικότητας στο οποίο στόχευε αρχικά η µελέτη ενίσχυσης («Αποφυγή οιονεί κατάρρευσης» - Near Collapse). Στο Σχήµα 7 παρουσιάζονται οι καµπύλες αντίστασης του φορέα πριν και µετά την ενίσχυση τόσο κατά τη διαµήκη όσο και κατά την εγκάρσια διεύθυνση του κτηρίου. Τα αποτελέσµατα των αναλύσεων του ενισχυµένου φορέα έδειξαν ότι από την αποτίµηση των λόγων λ=s/rm έχει γίνει πλήρης άρση των ανεπαρκειών σε κάµψη και διάτµηση τόσο των οριζοντίων όσο και των κατακόρυφων στοιχείων της κατασκευής, σε βαθµό που να καθιστά τη συµπεριφορά του κτηρίου ικανοποιητική για το επίπεδο επιτελεστικότητας στο οποίο στόχευε αρχικά η µελέτη ενίσχυσης («Αποφυγή οιονεί κατάρρευσης» - Near Collapse). Στο Σχήµα 7 παρουσιάζονται οι καµπύλες αντίστασης του φορέα πριν και µετά την ενίσχυση τόσο κατά τη διαµήκη όσο και κατά την εγκάρσια διεύθυνση του κτηρίου. 10

11 (α) Σχήµα 5. (α), (β) Λεπτοµέρειες ενίσχυσης δοκών και υποστυλωµάτων µε σύνθετα υλικά από ίνες υάλου και άνθρακα για την παραλαβή τέµνουσας και περίσφιγξη υποστυλώµατος για την αύξηση της πλαστιµότητάς του. (β) (α) Σχήµα 6. (α) Ενίσχυση υποστυλώµατος σε όλο του το ύψος µε σύνθετα υλικά από ίνες άνθρακα. (β) Ενίσχυση των δοκών στις κρίσιµες περιοχές µε σύνθετα υλικά από ίνες υάλου. (β) 11

12 Σχήµα 7. Καµπύλες αντίστασης πριν και µετά την ενίσχυση του κτηρίου. Η κάτω (µαύρη) καµπύλη αντιστοιχεί στον υφιστάµενο φορέα και η πάνω (κόκκινη) στο νέο. Και στις δύο περιπτώσεις η απαίτηση για τη στάθµη επιτελεστικότητας «Αποφυγή οιονεί κατάρρευσης» επιτυγχάνεται µετά τις ενισχύσεις και στις δύο διευθύνσεις του φορέα. (α) Σχήµα 8. (α) ιαµόρφωση δοκιµίων συνθέτων υλικών από ίνες υάλου και άνθρακα επί τόπου του έργου για τον ποιοτικό έλεγχο της εφαρµογής τους. (β) οκιµή εφελκυσµού συνθέτου υλικού από ίνες υάλου για τον υπολογισµό της τάσης θραύσης, της οριακής παραµόρφωσης και του µέτρου ελαστικότητας. Κατά τη φάση της εφαρµογής των συνθέτων υλικών διενεργήθηκε ο ποιοτικός έλεγχος όπως παρουσιάστηκε στις προηγούµενες παραγράφους. Έτσι για κάθε ηµέρα εφαρµογής κατασκευάστηκαν επιτόπου δύο δείγµατα (διαστάσεων 30 cm x 30 cm), αποτελούµενα από δύο στρώσεις σύνθετων υλικών µε την κύρια διεύθυνση των ινών ίδια και για τις δύο στρώσεις, Σχήµα 8. Σε κάθε δείγµα ανεγράφη ο κωδικός του, η ηµεροµηνία κατασκευής του καθώς και οι περιβαλλοντικές συνθήκες του εργοταξίου την ηµέρα της κατασκευής του, όπως η θερµοκρασία και η σχετική υγρασία. Από το ένα δείγµα αποκόπηκαν 5 δοκίµια (β) 12

13 (διαστάσεων 19 mm x 228 mm) και εκτελέστηκε σε αυτά δοκιµή εφελκυσµού (Σχήµα 8) µε βάσει το πρότυπο ASTM D3039. Από τις δοκιµές προσδιορίστηκαν η εφελκυστική αντοχή, το µέτρο ελαστικότητας και η παραµόρφωση θραύσης, και συγκρίθηκαν µε αυτές που είχαν θεωρηθεί κατά τη διαστασιολόγηση των ενισχύσεων. Η σύγκριση ήταν επιτυχής για όλα τα δοκίµια σε όλα τα δείγµατα. Παράλληλα, όπου επικολλήθηκαν σύνθετα υλικά έγινε σηµαντικός αριθµός δοκιµών pull off, ο οποίος κατέδειξε ότι τόσο η διεπιφάνεια µεταξύ στρώσεων σύνθετου υλικού όσο και η διεπιφάνεια σύνθετου υλικού υποστρώµατος ήταν εντός των προδιαγραφών των κανονισµών (Σχήµα 9). Αξίζει να σηµειωθεί ότι για την ενίσχυση και των τριών σχεδόν πανοµοιότυπων κτηρίων του ξενοδοχειακού συµπελέγµατος χρησιµοποιήθηκαν πάνω από m 2 σύνθετων υλικών από ίνες άνθρακα και υάλου. (α) Σχήµα 9. (α) οκιµή pull-off για τον έλεγχο της διεπιφάνειας των στρώσεων του σύνθετου υλικού και της διεπιφάνειας του σύνθετου υλικού και του υποστρώµατος, (β) έλεγχος της σχετικής υγρασίας. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Οι συγγραφείς ευχαριστούν τους κυρίους του έργου Napaland Estates LTD και Χριστάκης Τζιοβάνης και ΣΙΑ ΛΤ, καθώς και τις εµπλεκόµενες εταιρείες που πραγµατοποίησαν την ενίσχυση: κοινοπραξία Quakeguard Cyprus LTD & Εξελιγµένες Κατασκευές Α.Τ.Ε. και Fyfe Eyrope S.A., για την βοήθεια τους τόσο κατά τη φάση της εκπόνησης της µελέτης όσο και κατά τη φάση της επίβλεψης των εργασιών ενίσχυσης των κτιρίων. ΑΝΑΦΟΡΕΣ Κανονισµός επεµβάσεων (ΚΑΝΕΠΕ) τελικό σχέδιο κειµένου 3, ΟΑΣΠ, Φεβρουάριος Σεισµικός Kώδικας για Kατασκευές από Oπλισµένο Σκυρόδεµα στην Κύπρο, Λευκωσία ASTM D Standard Test Method for Pull-Off Strength of Coatings Using Portable Adhesion Testers (2009). (β) 13

14 ASTM D3039 / D3039M - 08 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials (2008). BS EN 1542:1999 Products and Systems for the Protection and Repair of Concrete Structures. Test Methods. Measurement of Bond Strength by Pull-off (1999). Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance, Part 3: Assessment and Retrofitting of Buildings, EN :2005. D. P. Mondkar, G. H. Powell, ANSR-I: General Purpose Program for Analysis of Nonlinear Structural Response, Report, UCB/EERC-75/37, Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley, , (555.6/M642/1975). National Annex CYS EN :2005 Eurocode 8: Design of Structures for Earthquake Resistance. Τ. B.Panagiotakos, Α. J. Kosmopoulos, M. N.Fardis «ANSRuop: Assessment of Non-linear Seismic Response». User s Manual, University of Patras, Structures Laboratory,