την ενίσχυση υποστυλωµάτων οπλισµένου σκυροδέµατος µε διαβρωµένο οπλισµό. Τα

Transcript

1 Σεισµική ενίσχυση υποστυλωµάτων οπλισµένου σκυροδέµατος µε διαβρωµένο οπλισµό Ε. Ν. Μπούσιας Επικ. Καθηγητής, Εργαστήριο Κατασκευών, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήµιο Πατρών Λ-Α. Ν. Σπαθής MSc Πολιτικός Μηχανικός, Εργαστήριο Κατασκευών, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήµιο Πατρών Α. Χ. Τριανταφύλλου Aν. Καθηγητής, Εργαστήριο Μηχανικής των Υλικών, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήµιο Πατρών Μ. Ν. Φαρδής Καθηγητής, Εργαστήριο Κατασκευών, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήµιο Πατρών Λέξεις κλειδιά: διάβρωση, παραµορφωσιµότητα, σύνθετα υλικά, σεισµική ενίσχυση. ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Η λόγω διάβρωσης του οπλισµού τρωτότητα κατασκευών από οπλισµένο σκυρόδεµα αντιπροσωπεύει ένα σηµαντικό πρόβληµα επειδή µειώνει την αντοχή καθώς και την παραµορφωσιµότητα των δοµικών στοιχείων. Επιπλέον, κατασκευές οι οποίες είναι αρκετά παλιές ώστε να αναπτύξουν σηµαντική διάβρωση του οπλισµού τους ανήκουν ταυτόχρονα και στην κατηγορία των κατασκευών που δεν έχουν σχεδιαστεί αντισεισµικά µε αποτέλεσµα η αποκατάσταση της λόγω διάβρωσης βλάβης να αποτελεί το έναυσµα για σεισµική ενίσχυση. Στην εργασία αυτή διερευνάται πειραµατικά η χρήση σύνθετων υλικών (ινοπλισµένων πολυµερών) για την ενίσχυση υποστυλωµάτων οπλισµένου σκυροδέµατος µε διαβρωµένο οπλισµό. Τα αποτελέσµατα των δοκιµών έδειξαν ότι η παραµορφωσιµότητα και σε µικρότερη έκταση και η αντοχή - στοιχείων µε διαβρωµένος οπλισµούς µπορεί να αυξηθεί σηµαντικά µε κατάλληλη χρήση σύνθετων υλικών. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι κατασκευές σε σεισµογενείς περιοχές υποφέρουν τόσο από τη µειωµένη αντοχή και παραµορφωσιµότητα των µελών τους όσο και από τη διάβρωση των οπλισµών λόγω περιβαλλοντικών αιτίων. Η εµπειρία έχει δείξει ότι η διάβρωση των οπλισµών όχι µόνο µειώνει την αντοχή των µελών εξαιτίας της απώλειας διατοµής χάλυβα, αλλά επηρεάζει δυσµενώς τη συνάφεια και τις αγκυρώσεις, κάνει τις ράβδους πιο ευαίσθητες στο λυγισµό και µειώνει την πλαστιµότητα του χάλυβα. Επιπλέον, ο εγκάρσιος οπλισµός (για ανάληψη τέµνουσας και παροχή περίσφιγξης), όντας µικρότερης διαµέτρου και πιο κοντά στην εξωτερική επιφάνεια του σκυροδέµατος είναι περισσότερο ευάλωτος στη διάβρωση. Ετσι, η συνεισφορά του στην αποτελεσµατική περίσφιγξη και την ικανοποιητική παραµορφωσιµότητα των µελών µειώνεται. Για τους λόγους αυτούς η σεισµική συµπεριφορά µελών από οπλισµένο σκυρόδεµα, ειδικά των υποστυλωµάτων, επηρεάζεται από τη διάβρωση, ενώ υπάρχει και επιδείνωση του προβλήµατος εξαιτίας της χρήσης, του περισσότερο επιρρεπή στη διάβρωση, χάλυβα S5. Η αποδοτικότητα των µέτρων αποκατάστασης µε ηλεκτροχηµικές µεθόδους δεν είναι ανάλογη του κόστους τους. Καθώς δε οι κατασκευές που είναι αρκετά παλιές για να αναπτύξουν σηµαντική διάβρωση των οπλισµών συνήθως έχουν ανεπαρκή αντοχή για ανάληψη σεισµικής έντασης, η λήψη µέτρων κατά της συνεχιζόµενης διάβρωσης ακολουθείται από µέτρα για τη σεισµική ενίσχυση των κατασκευών. Όταν η ενίσχυση πραγµατοποιείται µέσω εξωτερικής (παθητικής) περίσφιγξης, η περιέλιξη µελών µε ινοπλισµένα πολυµερή προσφέρει µια ιδιαίτερα ελκυστική

2 λύση. Επειδή η διάβρωση, µέσω των παραγόµενων οξειδίων, οδηγεί στη διόγκωση της διατοµής του µέλους, οι µανδύες από ινοπλισµένα πολυµερή µπορούν να δράσουν ως παθητικός µηχανισµός περίσφιγξης ενεργοποιούµενος από την πλευρική διόγκωση της διατοµής. Η κατασκευή µανδυών µε ινοπλισµένα πολυµερή έχει εφαρµοστεί στο παρελθόν επιτυχώς σε µέλη χωρίς προγενέστερη βλάβη λόγω διάβρωσης (fib, 21, Matthys κ.α., 1999, Nanni κ.α., 1995, Seible κ.α., 1995). Η αποδοτικότητα αυτής της µεθόδου αποκατάστασης και ενίσχυσης υποστυλωµάτων µε διαβρωµένο οπλισµό ερευνάται στην παρούσα εργασία. 2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Η εφαρµογή µανδυών από ινοπλισµένα πολυµερή ως µέσου αύξησης του εγκιβωτισµού και, περαιτέρω, της ικανότητας παραµόρφωσης υποστυλωµάτων οπλισµένου σκυροδέµατος µε διαβρωµένο οπλισµό µελετήθηκε µέσω µιας σειράς πειραµατικών δοκιµών. Κατασκευάστηκαν δώδεκα δοκίµια οπλισµένου σκυροδέµατος, διατοµής 25 5mm (Σχ. 1), αναπαριστώντας σε πλήρη κλίµακα υποστυλώµατα µε ύψους ίσο µε το µισό του ύψους τυπικού ορόφου (1.6m). Για την προσοµοίωση µη-σεισµικά σχεδιασµένων και οπλισµένων στοιχείων, τα δοκίµια κατασκευάσθηκαν µε υλικά και λεπτοµέρειες όπλισης ίδια µε αυτά κατασκευών προ του 198. Ο διαµήκης οπλισµός αποτελούνταν από τέσσερις γωνιακές ράβδους Φ18 (S5) ενώ ο εγκάρσιος από (λείες) ράβδους Φ8 σε αποστάσεις 2mm, µε το ένα άγκιστρο κεκαµµένο κατά 135 ο και το άλλο κατά 9 ο. Χρησιµοποιήθηκε έτοιµο σκυρόδεµα C12/15 στο οποίο προστέθηκε κατά την ανάµιξη αλάτι 3% κατά βάρος νερού. Στον Πίνακα 1 περιέχονται τα στοιχεία των χρησιµοποιηθέντων υλικών. Σε όλα τα δοκίµια ο διαµήκης οπλισµός είχε τάση διαρροής 595.5MPa, εφελκυστική αντοχή 682MPa και παραµόρφωση θραύσης 13% (µέσος όρος από 3 δοκίµια). Οι αντίστοιχες τιµές τιµές για τον εγκάρσιο οπλισµό ήταν 286MPa, 35MPa και 13%. Το κατώτερο 1m ύψους τµήµα των δοκιµίων (εκτός αυτών που χρησιµοποιήθηκαν σαν δοκίµια αναφοράς) εκτέθηκε σε διαδικασία επιταχυµένης διάβρωσης (Bousias κ.α. 21) µέσω ηλεκτροχηµικού κυκλώµατος στο οποίο κάθε διαµήκης ράβδος ήταν η άνοδος, ενώ ένα εξωτερικό ανοξείδωτο πλέγµα η κάθοδος. Οι συνδετήρες διαρρέονταν από ρεύµα µέσω της επαφής τους µε τον διαµήκη οπλισµό. Μεταξύ ανόδου και καθόδου εφαρµόζονταν σταθερή τάση 6V και η εξέλιξη της διάβρωσης µετρούνταν µε καταγραφή της έντασης του ρεύµατος και εφαρµογή του νόµου του Faraday. Τα δοκίµια υποβάλλονταν σε εναλλασσόµενους κύκλους ύγρανσης (6 ώρες)-ξήρανσης (12 ώρες) στους οποίους χρησιµοποιήθηκε για την ύγρανση διάλυµα νερού µε 3% χλωριούχο σόδα. Η συγκεκριµένη διαδικασία πρόκλησης διάβρωσης έχει αποδειχθεί (Lee κ.α. 2) ότι παράγει προϊόντα διάβρωσης µε υψηλή διόγκωση. Οι συνθήκες επιταχυνόµενης διάβρωσης διατηρήθηκαν για 3,5 µήνες στο τέλος των οποίων περίπου 1kg µάζας χάλυβα σε κάθε δοκίµιο µετατράπηκε σε οξείδια. Οι παράµετροι που µελετήθηκαν για την ενίσχυση ήταν: ο αριθµός των στρώσεων και το είδος του υλικού (ανθρακονήµατα και υαλονήµατα), ως έκφραση της δυσκαµψίας των µανδυών, (γ) την επίδραση της ύπαρξης προγενέστερης µη επισκευασθείσας βλάβης λόγω οριζόντιας φόρτιση, (δ) το επίπεδο της περίσφιγξης που επιβάλλεται από τον µανδύα σε υποστυλώµατα µε λόγο πλευρών διατοµής διαφορετικό του 1., και (ε) η επίδραση του µανδύα από ινοπλισµένα υλικά σε υποστυλώµατα των οποίων η απόκριση καθορίζεται από κάµψη ή διάτµηση. Όπως φαίνεται στον Πίνακα 1, το πρώτο γράµµα του ονόµατος κάθε δοκιµίου δείχνει αν το δοκίµιο ήταν (C) ή όχι (U) διαβρωµένο, το δεύτερο και το τρίτο δηλώνουν το υλικό του µανδύα (C για άνθρακονήµατα, G για υαλονήµατα) και τον αριθµό των στρώσεων υλικού που χρησιµοποιήθηκαν, ενώ τα δύο τελευταία δείχνουν αν το δοκίµιο είχε αρχική βλάβη πριν την αποκατάσταση (δηλώνεται µε το in). Από τα δώδεκα δοκίµια που παρουσιάζονται εδώ, έξι δοκίµια χωρίς καθόλου βλάβη από προηγούµενη ανακυκλιζόµενη φόρτιση ενισχύθηκαν µε δύο ή µε πέντε στρώσεις υφάσµατος ινοπλισµένων πολυµερών και επι τόπου εµποτισµό τιυς µε εποξειδική ρητίνη. Ο αριθµός των στρώσεων ινοπλισµένων πολυµερών καθορίστηκε ως εξής: η αποτελεσµατικότητα των µανδυών από ινοπλισµένα πολυµερή όσο αφορά την περίσφιγξη εξαρτάται από την παραµορφωσιµότητα

3 των ινών και τη δυστένεια του µανδύα. Η τελευταία ισούται προσεγγιστικά µε n t lay E f (όπου n είναι ο αριθµός των στρώσεων του ινοπλισµένου πολυµερούς, t lay είναι το πάχος µιας στρώσης και E f το µέτρο ελαστικότητας). Στις δοκιµές επιτεύχθηκε η ίδια δυστένεια µε εφαρµογή µανδύα είτε δύο στρώσεων υφάσµατος ανθρακονηµάτων (Ε f =23GPa, t lay =,13mm), είτε πέντε στρώσεων υφάσµατος υαλονηµάτων (Ε f =7GPa, t lay =,17mm). Τα µισά από τα δοκίµια (6) δοκιµάστηκαν µε οριζόντια φόρτιση κατά την ασθενή διεύθυνση της διατοµής τους και τα άλλα µισά κατά την ισχυρή. ύο από τα δοκίµια (C_C2Sin και C_C2Win) αρχικά υποβλήθηκαν σε ένα αριθµό κύκλων µετατοπίσεων πέρα από τη διαρροή του µέλους. Μετά αποκαταστάθηκαν µε µανδύες από ινοπλισµένα πολυµερή χωρίς ιδιαίτερη µέριµνα για την αποκατάσταση της αρχικής βλάβης (π.χ. ρωγµών), εκτός από βλάβες στην επιφάνεια του σκυροδέµατος λόγω αποφλοίωσης, οι οποίες επισκευάστηκαν µε µη συρρικνούµενο κονίαµα. Τέλος, τα εναποµείναντα τέσσερα δοκίµια (δύο µε διαβρωµένο οπλισµό και δύο χωρίς) δοκιµάστηκαν χωρίς καµία επέµβαση και χρησιµοποιήθηκαν ως δοκίµια αναφοράς. Πίνακας 1. οκίµιο Γεωµετρικά χαρακτηριστικά δοκιµίων και ιδιότητες υλικών Αριθµός Αντοχή Ανηγµένο Υλικό στρώσεων σκυροδέµατος αξονικό φορτίο µανδύα σύνθετου (MPa) (kn) υλικού Μέγιστη δύναµη (kn) Ανηγµένη µετακίνηση στην αστοχία (%) U_S C_S C_C2Sin 18.1 Carbon C_C2S 18.1 Carbon C_C5S 2.4 Carbon C_G5S 18.7 Glass U_W C_W C_C2Win 18.7 Carbon C_C2W 18.3 Carbon C_C5W 18.6 Carbon C_G5W 2.4 Glass Φ18 5 Φ8/ Σχήµα 1: ιατοµή δοκιµίων, και διάταξη δοκιµών

4 Τα δοκίµια φορτίστηκαν µε οριζόντια δύναµη σε ύψος 1.m από τη βάση, µέσω σερβοϋδραυλικού εµβόλου αγκυρωµένου στη κεφαλή του στοιχείου. Η ιστορία φόρτισης αποτελούνταν από επαναλαµβανόµενους κύκλους µετατοπίσεων αυξανόµενου εύρους κατά τη διεύθυνση του ασθενούς ή του ισχυρού άξονα της διατοµής του στοιχείου. Η φόρτιση συνεχίζονταν µέχρι την αστοχία του δοκιµίου, η οποία καθορίζονταν είτε από θραύση των ράβδων διαµήκους οπλισµού ή του µανδύα σύνθετου υλικού, είτε όταν η αποµείωση της αντοχής λόγω ανακύκλισης ήταν τουλάχιστον 2% της µέγιστης δύναµης που είχε µεχρι τότε εφαρµοσθεί στο στοιχείο. Τα δοκίµια φορτίζονταν ταυτόχρονα κατά τη διεύθυνση του άξονά τους µε αξονικό φορτίο 85kN περίπου, το οποίο εφαρµόζονταν στην κεφαλή του υποστυλώµατος µέσω εµβόλου. Για να εξασφαλισθεί η συνεχής εφαρµογή του αξονικού φορτίου κατά την αξονική διεύθυνση του στοιχείου αναπτύχθηκε η διάταξη του Σχήµατος 1. Κατά τη διάρκεια των δοκιµών καταγράφονταν η στροφή και η κατακόρυφη (αξονική) µετατόπιση δύο διατοµών, 25mm και 5mm πάνω απο τη βάση των στοιχείων a Σχήµα 2: ιάγραµµα δύναµης-µετατόπισης δοκιµίων αναφοράς: U_S (µη διαβρωµένο), C_S (διαβρωµένο) b 2.1 οκιµές κατά τον ισχυρό άξονα των υποστυλωµάτων Τα δοκίµια τα οποία φορτίστηκαν σε κάµψη κατά την διεύθυνση του ισχυρού άξονα της διατοµής τους είχαν λόγο διάτµησης 1.6/.5=3.2. Μολονότι η διατµητική αντοχή του υποστυλώµατος (για µονοτονική φόρτιση) υπερβαίνει το λόγο της καµπτικής αντοχής προς το διατµητικό άνοιγµα, για τέτοιο λόγο διατµητικού ανοίγµατος και λόγω του µικρού ποσοστού εγκάρσιου οπλισµού, η συµπεριφορά σε ανακυκλιζόµενη φόρτιση πιθανόν καθορίζεται από τη διάτµηση. Το µη διαβρωµένο δοκίµιο αναφοράς U_S, διέρρευσε σε κάµψη, αλλά µετά επέδειξε καµπτοδιατµητική αστοχία µε λυγισµό ράβδων διαµήκους οπλισµού, περιορισµένη λοξή ρηγµάτωση και τελικά αποδιοργάνωση του πυρήνα του σκυροδέµατος πάνω από τη βάση. Το διαβρωµένο δοκίµιο αναφοράς (C_OS) είχε λίγο µικρότερη καµπτική αντοχή από ότι το µη διαβρωµένο εξαιτίας ίσως της απώλειας διατοµής χάλυβα λόγω της διάβρωσης αλλά υψηλότερη τελική µετατόπιση: 45mm έναντι 4mm (ανηγµένη µετακίνηση 2.8% έναντι 2,5%) του µη διαβρωµένου δοκιµίου, αµφότερα καθοριζόµενα µε τον κανόνα της κατά 2% πτώσης αντοχής ως σηµείου που σηµατοδοτεί την αστοχία (Σχ. 2). Αν και η διαφορά στην ικανότητα παραµόρφωσης (όπως καθορίζεται µε τον παραπάνω κανόνα) είναι µικρή, η συµπεριφορά των δύο δοκιµίων σε παραµόρφωση µεγαλύτερη εκείνης στην αστοχία είναι αρκετά διαφορετική: το µη διαβρωµένο δοκίµιο εµφάνισε απότοµη πτώση της αντοχής σε µετακίνηση 45mm, ενώ το διαβρωµένο δοκίµιο έδειξε βαθµιαία αποµείωση της αντοχής µε αυξανόµενο εύρος µετατόπισης (µέχρι 55mm) και περισσότερο καµπτική αστοχία

5 (Σχ. 2β). Μια πιθανή εξήγηση αυτού είναι ότι η αντοχή σε διάτµηση όπως καθορίζεται κυρίως από τη συνεισφορά του σκυροδέµατος και του αξονικού φορτίου και λιγότερο από τον εγκάρσιο οπλισµό µειώνεται λιγότερο λόγω της διάβρωσης από ότι η καµπτική αντοχή και ως εκ τούτου η τελική µορφή αστοχίας και η ικανότητα παραµόρφωσης των διαβρωµένων δοκιµίων καθορίζονται λιγότερο από τη διάτµηση από ότι συµβαίνει στο µη διαβρωµένο δοκίµιο. Μετά την ενίσχυση του υποστυλώµατος µε µανδύα δύο στρώσεων υφάσµατος ανθρακονηµάτων (C_C2S, Σχ. 3β), η απόκριση άλλαξε ριζικά: µετά τη διαρροή σε µετατόπιση περίπου 15mm, η αντοχή του δοκιµίου διατηρήθηκε σταθερή µε αυξανόµενο εύρος µετατόπισης (ενώ στο C_S είχε µειωθεί µετά τα 25mm). Η αντοχή καθορίσθηκε πάλι από καµπτική αστοχία στη διατοµή βάσης και ήταν περίπου ίδια µε αυτή του δοκιµίου αναφοράς C_S. Με αύξηση της παραµόρφωσης πάνω από 75mm, η συσσωρευµένη διόγκωση του θλιβόµενου σκυροδέµατος εσωτερικά του µανδύα προκάλεσε θραύση του µανδύα σε µετατόπιση 8mm (Σχ. 4β), επιτυγχάνοντας αύξηση της ικανότητας παραµόρφωσης 8% περίπου. 2 1 initial test retrofitted specimen a Σχήµα 3: ιάγραµµα δύναµης-µετατόπισης δοκιµίων ενισχυµένων µε 2 στρώσεις ανθρανοκηµάτων: C_C2Sin (µε αρχική βλάβη), C_C2S (χωρίς αρχική βλάβη) b

6 Σχήµα 4: Αστοχία µη ενισχυµένου δοκιµίου C_S, και ενισχυµένου δοκιµίου C_C2S Παρόµοια απόκριση παρουσίασε ανάλογο δοκίµιο µε µη διαβρωµένο οπλισµό (δεν περιλαµβάνεται στα 12 δοκίµια που παρουσιάζονται εδώ) το οποίο δοκιµάστηκε µε ίδια ιστορία φόρτισης, µε τη διαφορά ότι το µη διαβρωµένο δοκίµιο διατήρησε την φέρουσα ικανότητά του µέχρι υψηλότερη µετατόπιση (9mm). Σε κανένα από τα δύο δοκίµια δεν παρατηρήθηκε προοδευτικά φθίνων κλάδος. Αυτή η αλλαγή συµπεριφοράς σε σχέση µε τα δοκίµια ελέγχου (διαβρωµένα η µη) οφείλεται εν µέρει στην σηµαντική αύξηση της ικανότητας καµπτικής παραµόρφωσης εξαιτίας της περίσφιγξης του σκυροδέµατος και εν µέρει στην αύξηση της διατµητικής αντοχής λόγω συνεισφοράς του µανδύα σύνθετου υλικού (περίπου ανάλογη του ολικού πάχους του µανδύα και του µέτρου ελαστικότητας του σύνθετου υλικού). Το δοκίµιο C_C2Sin υποβλήθηκε σε κύκλους αυξανόµενου εύρους µέχρι 25mm, και αφού τα τµήµατα της διατοµής που παρουσίασαν βλάβη αφαιρέθηκαν και αποκαταστάθηκαν µε µησυρρικνούµενο κονίαµα, ενισχύθηκε µε µανδύα από δύο στρώσεις CFRP. Το αρχικά βλαµµένο υποστύλωµα παρουσιάζει µεγαλύτερη µείωση αντοχής µε την ανακύκλιση (Σχ. 3α) και µικρότερη τελική ικανότητα παραµόρφωσης από ότι το µη αρχικά βλαµµένο δοκίµιο (65mm δηλ 4,1% σε σύγκριση µε 8mm, δηλ 5%). Η αστοχία προήλθε πάλι από θραύση του µανδύα CFRP ακολουθούµενη από λυγισµό και θραύση των διαµήκων ράβδων οπλισµού. Η διαφορά στη τελική µετατόπιση, η οποία εκτιµήθηκε από τέσσερα ζεύγη αρχικά βλαµµένων ή µη δοκιµίων, µπορεί να εξηγηθεί από το γεγονός ότι στο αρχικά βλαµµένο δοκίµιο η ενεργοποίηση του µανδύα CFRP αρχίζει αφότου το σκυρόδεµα έχει υποστεί κάποια βλάβη και παρουσιάζει πλευρική διόγκωση, φτάνοντας έτσι νωρίτερα την τάση θραύσης περισφιγµένου σκυροδέµατος και προκαλώντας ανεξέλεγκτη διόγωση και θραύση του CFRP. Η αύξηση του αριθµού των στρώσεων σε 5 (δοκίµιο C_C5S) προκαλεί µικρή αύξηση της αντοχής (Σχ. 5α), αν και αύξησε την περίσφιγξη του σκυροδέµατος. Παρά την µεγαλύτερη δυσκαµψία του µανδύα σε σχέση µε το δοκίµιο C_C2S, η ικανότητα παραµόρφωσής του δεν αυξήθηκε: το δοκίµιο έφθασε σε µετατόπιση 55mm, αλλά στον επόµενο κύκλο µετατόπισης 6mm (ανηγµένη παραµόρφωση 3.75%) παρατηρήθηκε θραύση µιας διαµήκους ράβδου και µείωση της αντοχής κατά 25% ως προς την προηγούµενη µέγιστη τιµή. Η δοκιµή συνεχίστηκε για ακόµα δύο κύκλους, στους οποίους η (µειωµένη) στη θετική διεύθυνση αντοχή δεν άλλαξε µέχρις ότου αστόχησε µια ακόµα ράβδος. Αµετάβλητη επίσης παρέµεινε η αντοχή στην αρνητική διεύθυνση. Η θραύση των διαβρωµένων ράβδων προηγήθηκε της θραύσης του CFRP και απετέλεσε την αιτία αστοχίας a Σχήµα 5: ιάγραµµα δύναµης-µετατόπισης: C_C5S (5 στρώσεις ανθρακονηµάττων), C_G5S (5 στρώσεις υαλονηµάτων) -1 b

7 Με τη χρήση υφάσµατος υαλονηµάτων στον µανδύα ενίσχυσης (δοκίµιο C_G5S) η δυσκαµψία µανδύα πέντε στρώσεων υαλονηµάτων αντιστοιχεί σε αυτή δύο στρώσεων ανθρακονηµάτων. Το δοκίµιο παρουσίασε βελτίωση της ικανότητας απορρόφησης ενέργειας (Σχ. 5β) αντίστοιχη αυτής που είχε παρατηρηθεί στο ενισχυµένο µε ανθρακονήµατα δοκίµιο. Επίσης, η συµπεριφορά του ήταν καθαρά καµπτική λόγω της συνεισφοράς του µανδύα GFRP στη διατµητική αντοχή του στοιχείου. Η αστοχία επήλθε σε µετατόπιση 65mm (ανηγµένη µετακίνηση 4.1%) µε θραύση µιας εκ των ράβδων διαµήκους οπλισµού. Το αντίστοιχο µη διαβρωµένο δοκίµιο (δεν περιλαµβάνεται εδώ) αστόχησε σε µετακίνηση 1mm (ανηγµένη µετακίνηση 6.25%). Συγκρινόµενο µε το δοκίµιο C_C2S, το οποίο είχε την ίδια δυσκαµψία µανδύα, το δοκίµιο αυτό είχε ελαφρώς υποδεέστερη απόκριση. Αυτό που είναι περισσότερο ενδιαφέρον είναι ότι το δοκίµιο C_C5S µε 5 στρώσεις CFRP, δεν είχε καλύτερη απόκριση από κανένα από τα δύο αυτά δοκίµια, γεγονός που οδηγεί στο συµπερασµα ότι δεν υπάρχει όφελος στην αύξηση του αριθµού στρώσεων πέρα από ένα συγκεκριµένο όριο, το οποίο για το συγκεκριµένο δοκίµιο είναι αρκετά χαµηλό. 2.2 οκιµές τον ασθενή άξονα των υποστυλωµάτων Τα δοκίµια που δοκιµάστηκαν σε µονοαξονική κάµψη κατά τον ασθενή άξονα της διατοµής τους είχαν λόγο διάτµησης 1,6/,25=6, και αναµένεται να έχουν καθαρά καµπτική συµπεριφορά. Το µη διαβρωµένο δοκίµιο αναφοράς U_W παρουσιάζει περιορισµένη ικανότητα παραµόρφωσης (65mm ή ανηγµένη µετακίνηση 4.1% έναντι 7mm ή ανηγµένη µετακίνηση 4.4%) και απότοµη µείωση αντοχής µε την ανακύκλιση (Σχ. 6α) σε σχέση µε το αντίστοιχο διαβρωµένο, C_W (Σχ. 6β). Η απόκριση και η παρατηρηθείσα µορφή αστοχίας (εκτεταµένες λοξές ρωγµές) του δοκιµίου U_W παραπέµπει σε διατµητικά ελεγχόµενη συµπεριφορά παρά τον υψηλό λόγο διάτµησης (Σχ. 6β) a Σχήµα 6: ιαγράµµατα δύναµης-µετατόπισης δοκιµίων U_W (µη-διαβρωµένο), C_W (διαβρωµένο) b Η εφαρµογή µανδύα δύο στρώσεων CFRP αυξάνει την ικανότητα παραµόρφωσης δραστικά (Σχ. 7β σε σύγκριση µε το Σχήµα 6β), ενώ η αντοχή δεν επηρεάζεται ιδιαίτερα (όπως αναµενόταν, εξαιτίας της οριακής συνεισφοράς της αύξησης της περίσφιγξης του σκυροδέµατος στην αντοχή του µέλους). Η µείωση αντοχής του ενισχυµένου δοκιµίου εξελίχθηκε βραδύτερα από ότι στο δοκίµιο αναφοράς (Σχ. 7β) επιτρέποντας στο υποστύλωµα να διατηρήσει µεγάλο µέρος της αντοχής του για πολλούς κύκλους µετά το µέγιστο φορτίο. Η συµβατικά καθοριζόµενη (µέσω του κανόνα της κατά 2% πτώσης του µέγιστου φορτίου) ικανότητα µετατόπισης αυξάνεται από 7mm περίπου (ανηγµένη παραµόρφωση 4.4%) σε 115mm περίπου (ανηγµένη παραµόρφωση 7.2%). Η αστοχία προήλθε από θραύση του µανδύα CFRP (Σχ. 8β). Το δοκίµιο που είχε υποστεί

8 αρχική βλάβη (Σχ. 7α) παρουσιάζει παρόµοια συµπεριφορά και ικανότητα παραµόρφωσης µε αυτό χωρίς αρχική βλάβη (Σχ. 7β). Σηµειώνεται εδώ ότι για αυτό το µικρό αριθµό στρώσεων CFRP (π.χ. µικρό ογκοµετρικό ποσοστό σύνθετου υλικού), παρατηρήθηκε και στα δύο δοκίµια C_C2W και C_C2Win θραύση του µανδύα λόγω εφελκυστικής αστοχίας των ινών, όπως αναµενόταν. 8 initial test retrofitted specimen a Σχήµα 7 ιαγράµµατα δύναµης-µετατόπισης δοκιµίων ενισχυµένων µε 2 στρώσεις ανθρακονηµάτων: C_C2Win, C_C2W b Σχήµα 8: Αστοχία µη ενισχυµένου δοκιµίου C_W, και ενισχυµένου C_C2W Η ενίσχυση του συγκεκριµένου δοκιµίου µε µανδύα πέντε στρώσεων ανθρακονηµάτων σε σύγκριση µε το αντίστοιχο δοκίµιο ενισχυµένο µε δύο στρώσεις ιδίου υλικού, δεν επηρεάζει σηµαντικά την αντοχή (όπως αναµενόταν) ή τη συµβατικά καθοριζόµενη ικανότητα παραµόρφωσης. Το δοκίµιο µε µανδύα δύο στρώσεων CFRP έχει συµβατικά καθοριζόµενη ανηγµένη µετακίνηση 7.2% συγκρινόµενη µε 7.5% των δοκιµίων µε 5 στρώσεις CFRP ή GFRP (Σχ. 7β, 9α και 9β). Φαίνεται λοιπόν ότι οι τρεις επιπλέον στρώσεις δεν αποδεικνύονται (συγκριτικά) και τόσο αποδοτικές. Σε ανηγµένη µετακίνηση 8.45% το δοκίµιο C_C2W υπέστη θραύση του µανδύα CFRP, ενώ οι δοκιµές των δοκιµίων C_C5W και C_G5W περατώθηκαν χωρίς

9 θραύση του µανδύα ή του οπλισµού σε τιµές ανηγµένης µετακίνησης 8.75% και 8.1% αντίστοιχα και µετά τη συµβατικά καθοριζόµενη αστοχία a b Σχήµα 9: ιαγράµµατα δύναµης-µετατόπισης δοκιµίων: C_C5W (5 στρώσεις CFRP), C_G5W (5 στρώσεις GFRP) Η εξέλιξη της µέσης αξονικής παρµόρφωσης στον άξονα της διατοµής και στο κατώτερο τµήµα 25mm από τη βάση των δοκιµίων είναι ενδεικτική διεργασιών που συµβαίνουν στη περιοχή βλάβης και επηρεάζουν την ικανότητα του υποστυλώµατος στην ανάληψη του αξονικού φορτίου. Η εξέλιξη αυτή φαίνεται στο διάγραµµα του Σχήµατος 1 για όλα τα δοκίµια µε διαβρωµένο οπλισµό, ως συνάρτηση της µετακίνησης κορυφής. Η σχεδόν αναλογική µε την εγκάρσια µετακίνηση µεταβολή του µήκους των υποστυλωµάτων είναι άµεση συνέπεια της καµπτικής συµπεριφοράς µε βάση την υπόθεση επιπεδότητας των διατοµών. Εαν λιγότερο του µισού της διατοµής βρίσκεται σε θλίψη, τότε, µικρότερο βάθος θλιβόµενης ζώνης οδηγεί σε µεγαλύτερη µήκυνση του υποστυλώµατος σε κάθε κύκλο οριζόντιας µετακίνησης. Το γεγονός αυτό επιβεβαιώνεται από τα αποτελέσµατα των δοκιµών που παρουσιάζονται εδώ, τα οποία δείχνουν ότι τα ενισχυµένα δοκίµια παρουσιάζουν ως προς την ουδέτερη θέση (µηδενική µετακίνηση) µεγαλύτερη µέση αξονική παραµόρφωση σε κάθε ηµίκυκλο από ότι τα αντίστοιχα µη ενισχυµένα. Οσο δε µεγαλύτερη είναι η περίσφιγξη που παρέχεται από τα σύνθετα υλικά τόσο η διαφορά µέσων αξονικών παραµορφώσεων µεγαλώνει επειδή µειώνεται το βάθος της θλιβόµενης ζώνης. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η βαθµιαία αυξανόµενη αξονική παραµόρφωση ως συνάρτηση της εγκάρσιας στο υποστύλωµα µετακίνησης. Υποστυλώµατα µε µικρό αξονικό φορτίο (ανηγµένο αξονικό φορτίο ν=n/a c f c µικρότερο του.15) αναπτύσσουν αρχικά αξονική µήκυνση κατά την ανακύκλιση της εγκάρσιας µετατόπισης λόγω συσσώρευσης (θετικών) πλαστικών παραµορφώσεων στις ράβδους οπλισµού και των δύο πλευρών της διατοµής, η οποία µετατρέπεται σε αξονική βράχυνση κοντά στην αστοχία και αφού έχει επέλθει λυγισµός των ράβδων και θραύση του σκυροδέµατος σε θλίψη (Bousias κ.α., 1995). Εαν, όπως συµβαίνει στις δοκιµές που παρουσιάζονται εδώ, το αξονικό φορτίο είναι υψηλότερο τότε, µετά τη διαρροή του οπλισµού, το υποστύλωµα βραχύνεται σταδιακά, δείγµα συσσώρευσης θλιπτικών παραµορφώσεων στο σκυρόδεµα. Όπως φαίνεται και στο Σχήµα 1, στα δοκίµια αναφοράς (CS- και CW-), η σταδιακή αστοχία των οποίων οφείλονταν στο λυγισµό των ράβδων και τη θραύση του σκυροδέµατος, η µέση αξονική παραµόρφωση στο κατώτερο τµήµα 25mm είναι πάνω από.5 ή και 1%. Η ενίσχυση µε υφάσµατα ινοπλισµένων πολυµερών περιορίζει το µέγεθος της αξονικής βράχυνσης, ιδιαίτερα σε εκείνα τα υποστυλώµατα τα οποία αστοχούν λόγω θραύσης των ράβδων (Σχ. 1β έως ε), ώστε η θλιπτική παραµόρφωση του σκυροδέµατος στη κατακόρυφη διεύθυνση να µην υπερβαίνει την τιµή

10 αστοχίας. Το µέγεθος της µέσης αξονικής παραµόρφωσης των ενισχυµένων δοκιµίων µε διαβρωµένο οπλισµό (Σχ. 1ζ έως ι) δείχνει ότι το σκυρόδεµα στο εσωτερικό του µανδύα υπέστη σηµαντική θλιπτική παραµόρφωση, ακόµη και εαν συνυπολογισθεί το γεγονός ότι τµήµα της κατακόρυφης παραµόρφωσης φέρεται και από τον µανδύα λόγω της µεταξύ τους συνάφειας (οδηγώντας συχνά σε τοπικό λυγισµό του µανδύα). Μέση αξονική παραµ/ση CS- (στ) CW- Μέση αξονική παραµ/ση CS-C2 (ζ) CW-C2 Μέση αξονική παραµ/ση Μέση αξονική παραµ/ση (γ) CS-C2in (δ) CS-C5 (η) CW-C2in (θ) CW-C5 Μέση αξονική παραµ/ση (ε) CS-G5 (ι) CW-G Μετατόπιση (mm) Μετατόπιση (mm) Σχήµα 1: ιαγράµµατα µεταβολής µέσης αξονικής παραµόρφωσης οριζόντιας µετατόπισης

11 3 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Τα πειραµατικά αποτελέσµατα που παρουσιάσθηκαν παραπάνω δείχνουν ότι: Η χρήση µανδυών από ινοπλισµένα πολυµερή σε υποστυλώµατα µε ανεπαρκή αντισεισµική αντοχή και διαβρωµένο οπλισµό, δεν αυξάνει την αντοχή η οποία καθορίζεται από την καµπτική αντοχή στη βάση και επηρεάζεται από την απώλεια διατοµής χάλυβα αλλά αυξάνει σηµαντικά την ικανότητα παραµόρφωσης σε τιµές οι οποίες δεν επιτυγχάνονται εύκολα µέσω περίσφιγξης µε τη χρήση συµβατικών µανδυών. Η βελτίωση αυτή οφείλεται στην αύξηση της παραµορφωσιµότητας του θλιβόµενου σκυροδέµατος και της παρεµπόδισης του λυγισµού των διαµήκων ράβδων οπλισµού από τον µανδύα σύνθετου υλικού όπως επίσης και στον περιορισµό της επίδρασης της διάτµησης στην ικανότητα παραµόρφωσης. Στην ισχυρή διεύθυνση των υποστυλωµάτων, όπου η µικρότερη ικανότητα παραµόρφωσης οφείλεται στο µεγαλύτερο στατικό ύψους της διατοµής και το µικρό λόγο διάτµησης, η αστοχία των ενισχυµένων στοιχείων συνδέονταν µε θραύση διαµήκους/ων ράβδων οπλισµού. Αυτό δεν είχε παρατηρηθεί στα αντίστοιχα δοκίµια µε µη διαβρωµένο οπλισµό, τα οποία και έδειξαν µεγαλύτερη ικανότητα παραµόρφωσης. Φαίνεται ότι η διάβρωση µειώνει την πλαστιµότητα των ράβδων, θέτοντας έτσι ένα όριο στην αύξηση της παραµορφωσιµότητας που µπορεί να επιτευχθεί µέσω µανδυών σύνθετων υλικών. Εφαρµογή µανδυών σύνθετων υλικών σε υποστυλώµατα στα οποία ο διαµήκης οπλισµός έχει διαρρεύσει και τα οποία έχουν υποστεί περιορισµένη βλάβη από προηγούµενες ανακυκλίσεις, οδηγεί σε µικρότερη παραµορφωσιµότητα σε σύγκριση µε µη βλαβέντα υποστυλώµατα. Η διαφορά αποδίδεται στο γεγονός ότι το σκυρόδεµα έχει υποστεί µερική πλευρική διόγκωση πριν την εφαρµογή και ενεργοποίηση του µανδύα σύνθετων υλικών. Στην ισχυρή διεύθυνση των δοκιµίων, στην οποία καθοριστικός της παραµορφωσιµότητας παράγοντας είναι η θραύση των ράβδων, αύξηση των στρώσεων σύνθετου υλικού του µανδύα από δύο σε πέντε δεν προσφέρει ιδιαίτερα πλεονεκτήµατα. Ιδια αύξηση των στρώσεων σύνθετου υλικού του µανδύα έχει ευεργετικά αποτελέσµατα στη δοκιµή κατά την ασθενή διεύθυνση, στην οποία η περισφιγξη του σκυροδέµατος και η δράση του σύνθετου υλικού είναι καθοριστικοί για την παραµορφωσιµότητα παράγοντες. Το πλεονέκτηµα αυτό είναι εντούτοις δυσανάλογα µικρό σε σύγκριση µε το πρόσθετο κόστος υλικού που απαιτείται. Η επίδραση των µανδυών σύνθετων υλικών αναµένεται ότι είναι πιο σηµαντική στην ισχυρή διεύθυνση των υποστυλωµάτων επειδή η (µικρότερου πλάτους) θλιβόµενη ζώνη περισφίγγεται αποτελεσµατικότερα από τον µανδύα σύνθετων υλικών, αυξάνοντας έτσι την ικανότητα παραµόρφωσης της θλιβόµενης ζώνης, ενώ η αποδοτικότητα περίσφιγξης του σύνθετου υλικού σε πλατύτερη θλιβόµενη ζώνη είναι σίγουρα µικρότερη. Παρόλα αυτά στις συγκεκριµένες δοκιµές, η πρώιµη αστοχία του διαβρωµένου οπλισµού εµποδίζει την πλήρη αξιοποίηση της αποδοτικότερης περίσφιγξης από το σύνθετο υλικό στην ισχυρή διεύθυνση του υποστυλώµατος. Αντίθετα από τα δοκίµια αναφοράς, τα οποία µετά την αστοχία τους, διατηρούν την ικανότητα αξονικής φόρτισης αλλά χάνουν την ικανότητα ανάληψης φορτίου στην εγκάρσια διεύθυνση, τα υποστυλώµατα τα οποία ενισχύθηκαν µε µανδύες σύνθετου υλικού χάνουν πρακτικά όλη την ικανότητα αξονικής φόρτισης όταν αστοχήσουν ψαθυρά µε θραύση του µανδύα σύνθετων υλικών. Η αστοχία από τη θραύση ράβδων δεν έχει σοβαρή επίπτωση στην ικανότητα ανάληψης φορτίου στην αξονική διεύθυνση. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η Γενική Γραµµατεία Έρευνας και Τεχνολογίας (ΓΓΕΤ) παρείχε οικονοµική υποστήριξη για την διεξαγωγή της παρούσας έρευνας στα πλαίσια του προγράµµατος ΠΕΝΕ (1999). Τα σύνθετα υλικά ήταν προσφορά της εταιρείας SIKA. Σηµαντική βοήθεια στη διεξαγωγή του πειραµατικού προγράµµατος προσέφερε ο κ. Β. O Regan, στα πλαίσια του προγράµµατος TMR ConFibreCrete.

12 ΑΝΑΦΟΡΕΣ Bousias, S. N., Verzeletti, G., Fardis, M. N. and Gutierrez, E Load-path effects in column biaxial bending with axial force, Journal of Engineering Mechanics, ASCE, Vol. 121, No. 5, pp Federation International du Beton. 21. Externally bonded FRP reinforcement for RC structures, fib Bulletin 14, Lausanne. Matthys, S., Taerwe, L. and Audenaert, K Tests on axially loaded concrete columns confined by FRP sheet wrapping. In Proceedings of the 4th International Symposium on FRP for Reinforced Concrete Structures, Baltimore, USA, Nanni, A. and Bradford, N. M FRP jacketed concrete under uniaxial compression. Construction and Building Materials, 9(2), Seible, F., Priestley, M. J. N. and Innamorato, D Earthquake retrofit of bridge columns with continuous fiber jackets. In Design guidelines, Advanced composite technology transfer consortium, 2, Report No. ACTT-95/8, Univ. of California, San Diego. Bousias, S., Triantafillou, T., Fardis, M., Spathis, L., and Oregan, B. 21. Use of fibre reinforced polymers in repair/retrofit of reinforced concrete elements. Research Report to the General Secretariat for Research and Technology, Greece. Lee, C., Bonacci, J. F., Thomas, M. D. A., Maalej, M., Khajehpour, S. Hearn, N., Pantazopoulou, S. and Sheikh, S. 2. Accelerated corrosion and repair of reinforced concrete columns using carbon fibre reinforced polymer sheets, Canadian Journal of Civil Engineering, 27,