ιονύσιος ΜΠΟΥΡΝΑΣ 1, Αθανάσιος ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΟΥ 2

Transcript

1 Περίσφιγξη Υφιστάµενων Υποστυλωµάτων Οπλισµένου Σκυροδέµατος µε Μειωµένη Ικανότητα Παραµόρφωσης µέσω Τοπικών Μανδυών ΙΑΜ και ΙΟΠ Confinement of Existing Reinforced Concrete Columns with Limited Deformation Capacity through Local TRM and FRP Jackets ιονύσιος ΜΠΟΥΡΝΑΣ 1, Αθανάσιος ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΟΥ 2 Λέξεις κλειδιά: Υποστυλώµατα Ο/Σ, Αντισεισµική Ενίσχυση, Ινοπλέγµατα Ανόργανης Μήτρ (ΙΑΜ), Ινοπλισµένα Πολυµερή (ΙΟΠ) ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Στην εργασία αναπτύσσεται µια νέα τεχνική ενίσχυσης υποστυλωµάτων οπλισµένου σκυροδέµατος µε βάση τη χρήση συνθέτων υλικών, τα οποία αποτελούνται από ινοπλέγµατα ινών σε ανόργανη µήτρα (π.χ. κονίαµα µε βάση το τσιµέντο), αποσκοπώντ στην επίλυση ορισµένων προβληµάτων που χαρακτηρίζουν τα ινοπλισµένα πολυµερή (ΙΟΠ) σχετικά µε τη χρήση εποξειδικών ρητινών. Τα ινοπλέγµατα ινών σε ανόργανη µήτρα (ΙΑΜ) δοκιµάζονται στη µορφή µανδύα µε στόχο την περίσφιγξη και την αύξηση της πλαστιµότητ υποστυλωµάτων παλαιού τύπου, σχεδιασµένων δηλαδή χωρίς τις νέες αντισεισµικές λεπτοµέρειες όπλισης. Για την αξιολόγηση της αποτελεσµατικότητ της νέ τεχνικής δοκιµάστηκαν 13 ανεπαρκώς οπλισµένα υποστυλώµατα πλήρους κλίµακ σε ανακυκλιζόµενη φόρτιση υπό σταθερό αξονικό φορτίο. Η σύγκριση διαφορετικών παραµέτρων όπως η χρήση οπλισµών από λείες ράβδους ή νευροχάλυβα και η ενδεχόµενη ένωση ράβδων µε υπερκάλυψη επιτρέπουν την αξιολόγηση της αποτελεσµατικότητ και τη σύγκριση των µανδυών ΙΑΜ µε µανδύες ΙΟΠ για ενισχύσεις στις κρίσιµες περιοχές υποστυλωµάτων. Καταδεικνύεται ότι η αποτελεσµατικότητα των µανδυών ΙΑΜ είναι υψηλή και γενικώς παρόµοια µε αυτή των µανδυών ΙΟΠ για όλες τις περιπτώσεις που εξετάστηκαν. ABSTRACT: The effectiveness of a new structural material, namely textilereinforced mortar (TRM), was investigated experimentally in this study as a means of confining oldtype reinforced concrete columns with limited capacity due to bar buckling or due to bond failure at lap splice regions. Comparisons with equal stiffness and strength fiberreinforced polymer (FRP) jackets allow for the 1 ρ. Πολιτικός Μηχανικός, EUCENTRE, dionysis.bournas@eucentre.it 2 Καθηγητής, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήµιο Πατρών, ttriant@upatras.gr 1

2 evaluation of the effectiveness of TRM versus FRP. Tests were carried out on full scale nonseismically detailed RC columns subjected to cyclic uniaxial flexure under constant axial load. 13 cantilevertype specimens with either continuous or lapspliced longitudinal reinforcement (smooth or deformed) were constructed and tested. Experimental results indicated that TRM jacketing is quite effective as a means of increasing the cyclic deformation capacity of oldtype RC columns. Compared with their FRP counterparts, TRM jackets used in this study were found to be equally effective in terms of increasing both the strength and deformation capacity of the retrofitted columns. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι βλάβες που προκαλούνται από σεισµούς σε κατασκευές οπλισµένου σκυροδέµατος, η προσεισµική ενίσχυση, η γήρανση και φθορά των κατασκευών, καθώς και η αλλαγή χρήσης, οδηγούν ολοένα και περισσότερο προς την αναζήτηση νέων υλικών και τεχνικών επεµβάσεων οι οποίες εξασφαλίζουν αποτελεσµατικότητα, ταχύτητα και ευκολία στην εφαρµογή, διατήρηση της γεωµετρί των δοµικών στοιχείων και µείωση του κόστους. Προς την κατεύθυνση αυτή αναπτύχθηκε τα τελευταία 20 έτη περίπου η τεχνική επεµβάσεων µε ινοπλισµένα πολυµερή (ΙΟΠ), η οποία αξιοποιεί ιδιότητες των υλικών αυτών όπως είναι η εξαιρετικά υψηλή εφελκυστική αντοχή, η ανθεκτικότητα στο χρόνο, το χαµηλό βάρος και η ικανοποιητική ικανότητα παραµόρφωσης. Έτσι, τόσο διεθνώς όσο και στη χώρα µ, ο αριθµός επεµβάσεων σε υφιστάµενα δοµήµατα όπου γίνεται χρήση ΙΟΠ αυξάνεται µε ταχείς ρυθµούς. Προς την κατεύθυνση αυτή έχει βοηθήσει σηµαντικά και η πλούσια διεθνής βιβλιογραφία, η οποία έχει φωτίσει πλείστες πτυχές του πεδίου των επεµβάσεων µε ΙΟΠ. Παρόλα τα πλεονεκτήµατά της, η τεχνική των ινοπλισµένων πολυµερών έχει ορισµένες εγγενείς αδυναµίες, οι οποίες ουσιαστικά οφείλονται στη χρήση ρητινών. Εν περιλήψει οι αδυναµίες αυτές αφορούν: (α) στην πτωχή συµπεριφορά (απώλεια αντοχής) των ρητινών σε θερµοκρασίες πάνω από τη θερµοκρασία υαλώδους µετάπτωσης (της τάξης των 7080 ο C), (β) στο σχετικά υψηλό κόστος των ρητινών, (γ) στην αδυναµία εφαρµογής σε υγρές επιφάνειες (εκτός αν γίνει χρήση ρητινών ειδικού τύπου), (δ) στον περιορισµό της ικανότητ αναπνοής των δοµικών στοιχείων που καλύπτονται από µανδύες ΙΟΠ, (ε) στην ασυµβατότητα ρητινών µε υλικά ιστορικών κατασκευών και (στ) στη δυσκολία διεξαγωγής µη καταστροφικής αποτίµησης πιθανών βλαβών πίσω από µανδύες ΙΟΠ µετά από σεισµούς. Μια εκ πρώτης όψεως λογικοφανής λύση στα παραπάνω προβλήµατα θα µπορούσε να είναι η αντικατάσταση της ρητίνης, η οποία αποτελεί το συνδετικό υλικό µεταξύ των συνεχών ινών, δηλαδή τη µήτρα, µε πολύ λεπτόκοκκο υλικό ανόργανης σύστασης, π.χ. τύπου κονιάµατος µε βάση το τσιµέντο. Τέτοιες λύσεις έχουν δοκιµασθεί τα τελευταία χρόνια χωρίς ιδιαίτερη επιτυχία, διότι η κοκκοµετρία των κονιαµάτων, ακόµα και των εξαιρετικά λεπτόκοκκων, δεν επιτρέπει τον πλήρη εµποτισµό των ινών, µε αποτέλεσµα την εµφάνιση πτωχών χαρακτηριστικών συνάφει µεταξύ των ινών και του κονιάµατος. Μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική πρόταση, η οποία αναπτύσσεται και µελετάται 2

3 συστηµατικά τα τελευταία επτά χρόνια περίπου στο Εργαστήριο Μηχανικής & Τεχνολογί Υλικών του Πανεπιστηµίου Πατρών, είναι αυτή της αντικατάστασης των συµβατικών υφασµάτων (συνήθως) συνεχών ινών µί διεύθυνσης µε υφάσµατα ινών σε µορφή πλέγµατος (textile) µε βροχίδες. Τα πλέγµατα αυτά µπορούν να κατασκευάζονται από δέσµες ινών ανά αποστάσεις σε δύο ή περισσότερες διευθύνσεις, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η καλή συνεργασία ινώνκονιάµατος κυρίως µέσω µηχανικής εµπλοκής του κονιάµατος στα κενά µεταξύ των δεσµών. Ο όρος που έχει προταθεί από τους Triantafillou et al. (2006) στη διεθνή βιβλιογραφία για τα νέα αυτά σύνθετα υλικά µανδυών ενίσχυσης είναι TextileReinforced Mortars (TRM), ενώ στην Ελληνική γλώσσα έχει αποδοθεί ως Ινοπλέγµατα σε Ανόργανη Μήτρα (ΙΑΜ) (Τριανταφύλλου κ.α. 2006). Τα πλέγµατα αυτά παρασκευάζονται από συνήθεις ίνες, π.χ. άνθρακα ή γυαλιού. Σηµειώνεται πάντως ότι στην περίπτωση πλεγµάτων από ίνες γυαλιού θα πρέπει να γίνεται είτε χρήση γυαλιού τύπου AR (alkaliresistant) είτε προεµποτισµός των δεσµών µε κάποιο πολυµερές χαµηλού κόστους, ώστε να αποφεύγεται η πρώιµη φθορά των ινών λόγω της υψηλής αλκαλικότητ των κονιαµάτων. Η χρήση των ινοπλεγµάτων σε ανόργανη µήτρα για την κατασκευή µανδυών µε στόχο την περίσφιγξη σκυροδέµατος και την ενίσχυση έναντι τέµνουσ παρουσιάστηκε για πρώτη φορά στις εργασίες των Triantafillou et al. (2006), Triantafillou & Papanicolaou (2006) και Bournas et al. (2007). Σε αυτές τις εργασίες εξετάστηκε η αποτελεσµατικότητα των µανδυών IAM σε σύγκριση µε µανδύες ΙΟΠ για την περίσφιγξη πρισµατικών και κυκλικών δοκιµίων άοπλου ή οπλισµένου σκυροδέµατος υπό κεντρική θλίψη, ενώ διεξήχθη και µια προκαταρτική µελέτη δοκιµίων υποστυλωµάτων σε ανακυκλιζόµενη φόρτιση, περισφιγµένων στη βάση τους µε µανδύες ΙΟΠ και ΙΑΜ. Το βασικό συµπέρασµα ήταν ότι η αποτελεσµατικότητα των µανδυών ΙΑΜ ως προς την αύξηση της αντοχής και της ικανότητ παραµόρφωσης στοιχείων άοπλου ή οπλισµένου σκυροδέµατος είναι υψηλή και µόνον ελαφρώς (στην περίπτωση κεντρικής θλίψης) ή καθόλου (στην περίπτωση ανακυκλιζόµενης κάµψης) µειωµένη ως προς την αντίστοιχη των µανδυών ΙΟΠ. Σε συνέχεια των προηγουµένων εργασιών, στην παρούσα εργασία οι συγγραφείς διεξάγουν µια συστηµατική µελέτη σχετικά µε την αποτελεσµατικότητα των µανδυών ΙΑΜ σε σύγκριση µε µανδύες ΙΟΠ ίσης δυστένει, ως µέσου περίσφιγξης στις κρίσιµες περιοχές (πόδ και κορυφή) µη σεισµικά σχεδιασµένων υποστυλωµάτων υπό ανακυκλιζόµενη φόρτιση. Στη µελέτη αυτή εξετάζονται διάφορες παράµετροι, που περιλαµβάνουν τη χρήση ράβδων λείων ή µε νευρώσεις, την πιθανή ένωση των ράβδων µε υπερκάλυψη στον πόδα των υποστυλωµάτων και το µήκος υπερκάλυψης. Έτσι προσδιορίζεται η αποτελεσµατικότητα των µανδυών ΙΑΜ ως µέσου περίσφιγξης στις κρίσιµες περιοχές υφισταµένων υποστυλωµάτων για όλες τις περιπτώσεις καµπτικών αστοχιών στην περιοχή της πλαστικής άρθρωσης. Εκ των αποτελεσµάτων συνάγεται ότι η προτεινόµενη τεχνική είναι εξαιρετικής αποτελεσµατικότητ και τουλάχιστον συγκρίσιµη, αν όχι καλύτερη, αυτής των ΙΟΠ. 3

4 οκίµια και Παράµετροι Μελέτης ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Κατασκευάστηκαν και δοκιµάστηκαν συνολικά 13 δοκίµια υποστυλωµάτων πλήρους κλίµακ και ίδι γεωµετρί: τα 7 είχαν συνεχή διαµήκη οπλισµό λείο ή µε νευρώσεις και τα 6 είχαν ευθύγραµµες ενώσεις των διαµήκων ράβδων µε υπερκάλυψη στην περιοχή της πλαστικής άρθρωσης. Τα δοκίµια ήταν τύπου προβόλου µήκους 1.60 m (Σχήµα 1α), αντιπροσωπεύοντ υποστυλώµατα µε ύψος ίσο µε το µισό του ύψους τυπικού ορόφου, είχαν τετραγωνική διατοµή 250x250 mm, διαµήκη οπλισµό από τέσσερις γωνιακές ράβδους Φ14 (λείες ή µε νευρώσεις) και εγκάρσιο οπλισµό συνδετήρων από λείες ράβδους Φ8 σε αποστάσεις 200 mm, µε τα άγκιστρα κεκαµµένα κατά 90 ο. Τα υποστυλώµατα ήταν πακτωµένα θεµέλια διαστάσεων 1.2x0.5 m σε κάτοψη, µέσα στα οποία αγκυρώνονταν οι διαµήκεις ράβδοι µε άγκιστρα ακτίν 50 mm οι λείες, και µε άγκιστρα κεκαµµένα κατά 90 ο αυτές µε νευρώσεις. Ας σηµειωθεί ότι τα δοκίµια µε λείο οπλισµό αποτελούσαν τµήµα οµάδ δοκιµίων που έγινε στην πρώτη φάση της παρούσ έρευν, γι αυτό και είχαν διαφορετική επικάλυψη (25 mm) συγκριτικά µε αυτά µε νευροχάλυβα (10 mm). Φυσικά η διαφορά αυτή δεν επηρεάζει τη σύγκριση των αποτελεσµάτων, δεδοµένου ότι αυτή γίνεται ανεξάρτητα για τους δύο διαφορετικούς τύπους οπλισµών. Από τα 7 δοκίµια µε συνεχή διαµήκη οπλισµό, 3 ήταν οπλισµένα µε λείες ράβδους κατηγορί S220 (Οµάδα L0S_...) και 4 µε διαµήκεις ράβδους από νευροχάλυβα κατηγορί S500s (Οµάδ L0_...). ύο εκ των δοκιµίων αυτής της οµάδ δοκιµάστηκαν χωρίς ενίσχυση ως δοκίµια ελέγχου: ένα εξ αυτών είχε λείες ράβδους (L0S_C) και το άλλο είχε ράβδους µε νευρώσεις (L0_C). Κατ αντιστοιχία, δύο δοκίµια ενισχύθηκαν στη βάση τους µε δύο στρώσεις µανδύα ΙΟΠ άνθρακα (L0S_R2 και L0_R2), ενώ άλλα δύο (L0S_M4 και L0_M4) ενισχύθηκαν µε µανδύα 4 στρώσεων από ΙΑΜ, ίσης αντοχής και δυστένει µε το µανδύα ΙΟΠ. Το τελευταίο δοκίµιο αυτής της οµάδ µε ράβδους από νευροχάλυβα (L0_M4G) ενισχύθηκε µε µανδύα χαµηλοτέρου κόστους αλλά µικρότερης αντοχής και δυστένει, αποτελούµενο από 4 στρώσεις ΙΑΜ γυαλιού. Η αποτελεσµατικότητα των µανδυών ΙΑΜ σε σύγκριση µε µανδύες ΙΟΠ (στις κρίσιµες περιοχές υποστυλωµάτων) για τη σεισµική ενίσχυση υποστυλωµάτων µε ανεπαρκείς ενώσεις των ράβδων εξετάστηκε στην παρούσα εργασία για δύο διαφορετικά µήκη υπερκάλυψης. Το µικρότερο µήκος υπερκάλυψης των διαµήκων ράβδων, που είναι ίσο µε 20 φορές τη διάµετρο των τελευταίων (Οµάδα L20d_ ) και αντιπροσωπεύει υποστυλώµατα που έχουν κατασκευαστεί στις Ευρωπαϊκές χώρες µέχρι τα τέλη της δεκαετί του 70 περίπου, εξετάστηκε σε 3 δοκίµια: το πρώτο δοκιµάστηκε χωρίς ενίσχυση ως δοκίµιο ελέγχου (L20d_C), το δεύτερο ενισχύθηκε στη βάση του µε µανδύα ΙΟΠ άνθρακα δύο στρώσεων (L20d_R2), ενώ το τρίτο ενισχύθηκε στη βάση του µε µανδύα ΙΑΜ τεσσάρων στρώσεων (L20d_M4). Κατ αντιστοιχία, τα δοκίµια µε τις µεγαλύτερες ενώσεις µήκους 40 διαµέτρων (αντιπροσωπευτικά υποστυλωµάτων που κατασκευάζονταν µέχρι τα τέλη της δεκαετί του 90) είναι τα L40d_C, L40d_R2 και L40d_M4. 4

5 Τονίζεται ότι ανά ζεύγη (ΙΟΠ και ΙΑΜ) τα δοκίµια ήταν ενισχυµένα µε µανδύες ίσης δυστένει, ώστε να είναι εύκολη η άµεση σύγκριση της αποτελεσµατικότητ των µανδυών ΙΑΜ (ανόργανης µήτρ) ως προς αυτήν των αντιστοίχων ΙΟΠ (πολυµερικής µήτρ). Αυτό κατέστη εφικτό χρησιµοποιώντ διπλάσιο αριθµό στρώσεων για τους µανδύες ΙΑΜ έναντι των ΙΟΠ (τεσσάρων έναντι δύο), ώστε να είναι (περίπου) ίσο το γινόµενο του αριθµού των στρώσεων επί το ονοµαστικό πάχος κάθε στρώσης (οι ίνες ήταν του ιδίου τύπου άνθρακα και στις δύο περιπτώσεις). Αξονικό φορτίο 0.28 Agfc Σερβοϋδραυλικό έµβολο MTS Ανακυκλιζ. οριζόντια φόρτιση (α) LVDT's Άρθρωση Σχήµα 1. (α) Πειραµατική ιάταξη. (β) Χρησιµοποιούµενο Πλέγµα δύο ιευθύνσεων. (γ) Εφαρµογή Ινοπλεγµάτων σε Κονίαµα στον Πόδα Υποστυλώµατος. Η σήµανση των δοκιµίων δίνεται ως LX_YN, όπου: X δηλώνει το µήκος υπερκάλυψης πάνω από τη βάση του υποστυλώµατος (0 για συνεχή οπλισµό χωρίς ένωση, 20d για υπερκάλυψη µήκους 20 διαµέτρων, 40d για υπερκάλυψη µήκους 40 διαµέτρων), Υ δηλώνει τον τύπο του µανδύα (C για δοκίµια αναφοράς, δηλαδή χωρίς µανδύα, R για δοκίµια µε µανδύα όπου η µήτρα των συνθέτων υλικών είναι η ρητίνη, Μ για δοκίµια µε µανδύα σε µήτρα κονιάµατος) και Ν δηλώνει τον αριθµό των στρώσεων του µανδύα. Επισηµαίνεται ότι για τα δοκίµια µε λείο χάλυβα (Οµάδα L0S_), το γράµµα S έχει προστεθεί µετά το Χ για τη δήλωση των λείων ράβδων οπλισµού, ενώ το γράµµα G έχει προστεθεί µετά το Ν υποδηλώνοντ υλικό ινών το γυαλί για το µανδύα ΙΑΜ. Οι µανδύες κάλυπταν τον πόδα των υποστυλωµάτων (εκτός µικρού κενού 10 mm) σε ύψος 430 mm, εκτός αυτών που εφαρµόστηκαν στα δύο ενισχυµένα δοκίµια µε τις µεγαλύτερες ενώσεις (L40d _R2 και L40d _Μ4), όπου το ύψος τους ήταν 600 mm, ξεπερνώντ έτσι τα 560 mm του µήκους υπερκάλυψης. Πριν την ενίσχυση οι γωνίες των διατοµών στρογγυλεύτηκαν σε ακτίνα καµπυλότητ περίπου ίση µε 25 mm, ώστε να αποφευχθεί η πρώιµη αστοχία του µανδύα συνθέτων υλικών λόγω συγκέντρωσης τάσεων. Όλες οι πληροφορίες για το σχεδιασµό των δοκιµίων συνοψίζονται στον Πίνακα 1. (β) (γ) 5

6 Πίνακ 1. οκίµια και Πειραµατικές Παράµετροι. Ονοµασί α οκιµίου Μήκος Υπερκάλυψη ς Τύπος ιαµήκους Οπλισµού Αντοχή Σκυρ/το f ς c (MPa) Περίσφιγξη µε Σύνθετα Υλικά Μέθοδος Ενίσχυση ς Υλικό Αρ. Στρώσεων/ Ύψος Μανδύα L0S_C Λείος 29.8 L0S_R2 Λείος 30.3 ΙΟΠ 2 / 430 mm L0S_M4 Λείος 30.5 ΙΑΜ 4 / 430 mm L0_C Νευρώσεις 28.9 L0_R2 Νευρώσεις 28.6 ΙΟΠ 2 / 430 mm L0_M4 Νευρώσεις 28.4 ΙΑΜ 4 / 430 mm L0_M4G Νευρώσεις 28.3 ΙΑΜ Γυαλί 4 / 430 mm L20d_C 20d=280 mm Νευρώσεις 27.8 L20d_R2 20d=280 mm Νευρώσεις 26.5 ΙΟΠ 2 / 430 mm L20d_M 20d=280 mm Νευρώσεις 26.3 ΙΑΜ 4 4 / 430 mm L40d_C 40d=560 mm Νευρώσεις 25.8 L40d_R2 40d=560 mm Νευρώσεις 25.5 ΙΟΠ 2 / 600 mm L40d_M 40d=560 mm Νευρώσεις 25.3 ΙΑΜ 4 4 / 600 mm Υλικά και Τεχνική Ενίσχυσης Οι διαµήκεις λείες ράβδοι είχαν τάση διαρροής 372 MPa, εφελκυστική αντοχή 433 MPa και οριακή παραµόρφωση 17%, ενώ οι αντίστοιχες τιµές για τις ράβδους µε νευρώσεις ήταν 523 MPa, 624 MPa και 12%. Ο εγκάρσιος οπλισµός είχε τάση διαρροής 351 MPa, εφελκυστική αντοχή 444 MPa και οριακή παραµόρφωση 19.5%. Η µέση θλιπτική αντοχή κάθε δοκιµίου τη µέρα της δοκιµής του δίνεται στον Πίνακα 1. Για τα δοκίµια που ενισχύθηκαν µε µανδύες ΙΑΜ (L0S_M4, L0_M4, L0_M4G, L20d_M4 και L40d_M4) χρησιµοποιήθηκαν δύο διαφορετικά πλέγµατα ινών άνθρακα και γυαλιού ίδι γεωµετρί, αποτελούµενα από δέσµες ινών πλάτους 3 mm, ισόποσα διατεταγµένων σε δύο κάθετες µεταξύ τους διευθύνσεις (0 /90 ), µε καθαρό άνοιγµα βροχίδων ίσο µε 7 mm, όπως φαίνεται στο Σχήµα 1β. Κάθε στρώση πλέγµατος ινών άνθρακα και γυαλιού είχε βάρος ίσο µε 348 g/m 2 και 480 g/m 2, αντιστοίχως και ονοµαστικό πάχος ίσο µε mm και mm, αντιστοίχως (υπολογισµένο βάσει ισοδύναµης κατανοµής των ινών σε 6

7 οµοιόµορφη διάταξη ανά διεύθυνση, δηλαδή χωρίς τα κενά των βροχίδων). Η εγγυηµένη εφελκυστική αντοχή των ινών άνθρακα και γυαλιού (όπως και ολόκληρου του πλέγµατος, όταν χρησιµοποιείται το ονοµαστικό πάχος) ήταν 3800 MPa και 1700 MPa, αντιστοίχως, ενώ το µέτρο ελαστικότητ των ινών άνθρακα και γυαλιού ήταν 225 GPa και 70 GPa, αντιστοίχως. Για τα δοκίµια που ενισχύθηκαν µε µανδύες ΙΟΠ (L0S_R2, L0_R2, L20d_R2 και L40d_R2) χρησιµοποιήθηκε συνεχές ύφασµα άνθρακα βάρους 300 g/m 2, ονοµαστικού πάχους 0.17 mm, αποτελούµενο από ίνες ιδίου τύπου µε αυτές στο πλέγµα άνθρακα. Η ανόργανη µήτρα που χρησιµοποιήθηκε ήταν από λεπτόκοκκο ρητινούχο τσιµεντοκονίαµα µε λόγο τσιµέντου προς πολυµερή περίπου ίσο µε 8:1 κ.β. Η αναλογία ανάµιξης νερού προς κονίαµα ήταν 0.23:1, ενώ το νωπό ανάµιγµα χαρακτηριζόταν από ικανή εργασιµότητα για εφαρµογή σε κατακόρυφες επιφάνειες (πλαστικό κονίαµα) και από µικρή απώλεια κάθισης στο χρόνο (µισή ώρα σε θερµοκρασία περιβάλλοντος 20 C). Οι µέσες τιµές της θλιπτικής και της καµπτικής εφελκυστικής αντοχής του τσιµεντοκονιάµατος στις 28 ηµέρες ήταν 17.5 MPa και 6.31 MPa, αντιστοίχως. Η εφαρµογή του µανδύα ινοπλεγµάτων σε ανόργανη µήτρα έγινε κατά το συνήθη τρόπο επικόλλησης υφασµάτων ή ελασµάτων ΙΟΠ σε δοµικά στοιχεία. Μια τυπική φωτογραφία από την εφαρµογή του µανδύα ΙΑΜ δίνεται στο Σχήµα 1γ. Πειραµατική ιάταξη και ιαδικασία Τα δοκίµια φορτίστηκαν µε οριζόντια δύναµη σε ύψος 1.60 m από τη βάση τους, µέσω σερβοϋδραυλικού εµβόλου MTS αγκυρωµένου στην κεφαλή του στοιχείου (Σχήµα 1α). Προκειµένου να προσοµοιωθούν τα σεισµικά φορτία, τα υποστυλώµατα υπεβλήθησαν σε µια ιστορία φόρτισης που αποτελούνταν από επαναλαµβανόµενους κύκλους µετατοπίσεων αυξανοµένου εύρους (κατά 5 mm) µέχρι την αστοχία του δοκιµίου. Τα δοκίµια φορτίζονταν ταυτόχρονα κατά τη διεύθυνση του άξονά τους µε σταθερό αξονικό φορτίο, το οποίο αντιστοιχεί στο 28% περίπου της θλιπτικής αντοχής των υποστυλωµάτων υπό κεντρική θλίψη. Γενική Συµπεριφορά ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚA AΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Η απόκριση όλων των υποστυλωµάτων δίνεται στο Σχήµα 2 στη µορφή βρόχων υστέρησης οριζόντι δύναµηςσχετικής µετακίνησης (drift ratio). Η συµπεριφορά και η µορφή αστοχί όλων των δοκιµίων ήταν, όπως αναµενόταν, καµπτική, λόγω της υψηλής τιµής του λόγου διάτµησης (L s /h=6.4). Τα βασικότερα αποτελέσµατα των δοκιµών περιγράφονται στον Πίνακα 2 και περιλαµβάνουν: (α) Τη µέγιστη οριζόντια δύναµη στις δύο διευθύνσεις φόρτισης. (β) Τη σχετική µετακίνηση που αντιστοιχεί στη µέγιστη οριζόντια δύναµη, στις δύο διευθύνσεις φόρτισης. (γ) Τη σχετική µετακίνηση που αντιστοιχεί στη συµβατική αστοχία, η οποία ορίζεται στο σηµείο όπου σηµειώνεται πτώση της δύναµης απόκρισης κατά 20% έναντι της µέγιστης καταγεγραµµένης τιµής της, στην αντίστοιχη διεύθυνση φόρτισης. 7

8 Υποστυλώµατα µε Συνεχή ιαµήκη Οπλισµό Κύριο χαρακτηριστικό της απόκρισης των δύο δοκιµίων ελέγχου µε συνεχή διαµήκη οπλισµό ήταν η διαρροή τους σε κάµψη, η οποία όµως ακολουθήθηκε από λυγισµό των διαµήκων ράβδων, λόγω του µεγάλου αστήρικτου µήκους από τους αραιά τοποθετηµένους συνδετήρες, και αποδιοργάνωση του σκυροδέµατος πάνω από τη βάση (Σχήµα 3α). Ανεξαρτήτως του τύπου διαµήκους οπλισµού (λείος ή µε νευρώσεις), και τα δύο δοκίµια ελέγχου L0S_C και L0_C εµφάνισαν σηµαντική πτώση της αντοχής τους (που αντιστοιχούσε στη συµβατική αστοχία) σε παραπλήσιες µέσες τιµές (στις δύο διευθύνσεις φόρτισης) σχετικής µετακίνησης, ίσες µε 3.75% και 3.43% αντιστοίχως. οκίµιο Ώθησ η L0S_C L0S_R L0S_M L0_C L0_R L0_M L0_M4G L20d_C L20d_R L20d_M L40d_C L40d_R L40d_M Μέγιστο Φορτίο (kn) Έλξη Πίνακ 2. Πίνακ Αποτελεσµάτων. Σχετική Μετακίνηση στο Μέγιστο Φορτίο (%) Ώθησ η Έλξη Σχετική Μετακίνηση στην Αστοχία (%) Ώθησ η Έλξη Μορφή Αστοχί Λυγισµός των διαµήκων ράβδων εν επετεύχθη η συµβατική αστοχία εν επετεύχθη η συµβατική αστοχία Λυγισµός των διαµήκων ράβδων Λυγισµός των διαµήκων ράβδων έξω από το µανδύα ΙΟΠ εν επετεύχθη η συµβατική αστοχία Θραύση του µανδύα ΙΑΜ λόγω λυγισµού και διόγκωση του σκυροδέµατος ιάρρηξη σκυροδέµατος και στη συνέχεια αποτίναξη της επικάλυψης ιαµήκεις ρωγµές διάρρηξης και εξόλκευση των ράβδων µε ενώσεις ιαµήκεις ρωγµές διάρρηξης και εξόλκευση των ράβδων µε ενώσεις ιάρρηξη σκυροδέµατος και στη συνέχεια αποτίναξη της επικάλυψης εν επετεύχθη η συµβατική αστοχία εν επετεύχθη η συµβατική αστοχία Η συµπεριφορά όλων των ενισχυµένων δοκιµίων βελτιώθηκε σηµαντικά καθώς ο τρόπος αστοχί τους δεν καθορίστηκε από το λυγισµό των διαµήκων ράβδων 8

9 στην περιοχή της πλαστικής άρθρωσης. Με βάση τις µετρήσεις των ηλεκτροµηκυνσιοµέτρων που είχαν επικολληθεί στους οπλισµούς συνάγεται ότι ο λυγισµός των διαµήκων ράβδων µέσα από τους µανδύες ΙΑΜ και ΙΟΠ δεν απετράπη αλλά καθυστέρησε σηµαντικά να εµφανιστεί, κατά περίπου 4 έως 8 κύκλους σε σύγκριση µε τα δοκίµια ελέγχου. Ακόµα όµως και όταν συνέβη, ο λυγισµός ήταν περιορισµένος και ελεγχόµενος, µε αποτέλεσµα να οδηγεί γενικά σε µικρή πτώση της αντοχής των δοκιµίων. Φαίνεται λοιπόν ότι λόγω της περίσφιγξης µέσω των µανδυών ΙΑΜ και ΙΟΠ, οι ελαφρώς λυγισµένες µέσα από τους µανδύες ράβδοι µπορούσαν να παραλάβουν σηµαντικό ποσοστό της θλιπτικής τους αντοχής, καθώς η αποτίναξη της επικάλυψης παρεµποδίζονταν από τους µανδύες. 9

10 Φορτίο (kn) Φορτίο (kn) Φορτίο (kn) Φορτίο (kn) Φορτίο (kn) (α) L0S_C (β) L0S_R2 (γ) L0S_M (δ) L0_C (ε) L0_R2 (στ) L0_M (ζ) L0_M4G (η) L20d_C (θ) L20d_R2 (ι) L20d_M (ια) L40d_C (ιβ) L40d_R2 (ιγ) L40d_M Σχετική Μετακίνηση (%) Σχετική Μετακίνηση (%) Σχετική Μετακίνηση (%) Σχήµα 2. Βρόχοι υστέρησης οριζόντι δύναµηςσχετικής µετακίνησης των εξεταζοµένων δοκιµίων. Η απόκριση των ενισχυµένων δοκιµίων µε λείες ράβδους (L0S_R2 σε σύγκριση µε L0S_M4) ήταν αρκετά παρόµοια µεταξύ τους αλλά διαφορετική και πολύ καλύτερη σε σχέση µε το αντίστοιχο δοκίµιο ελέγχου L0S_C. Η ικανότητα παραµόρφωσης των ενισχυµένων δοκιµίων υπερδιπλασιάστηκε. Ενώ ο µανδύ ΙΟΠ του δοκιµίου L0S_R2 εµφάνισε τοπική θραύση µήκους 50 mm πάνω από τη βάση του υποστυλώµατος (σε σχετική µετακίνηση 7.2%), ο µανδύ ΙΑΜ παρέµεινε άθικτος µέχρι το τέλος της δοκιµής σε σχετική µετακίνηση 7.8%. 10

11 Σχήµα 3. (α) Αποδιοργάνωση του Σκυροδέµατος και Λυγισµός των ιαµήκων Ράβδων. (β) Λυγισµός των ιαµήκων Ράβδων πάνω από το Μανδύα ΙΟΠ. (γ) Άθικτος Μανδύ ΙΑΜ α στο Τέλος της οκιµής. (δ) Θραύση Μανδύα ΙΑΜ Γυαλιού λόγω Λυγισµού των Ράβδων. (ε) Κατακόρυφες ρωγµές λόγω διάρρηξης. (στ) Αποτίναξη σκυροδέµατος µετά τη ρηγµάτωση λόγω διάρρηξης. Για τα ενισχυµένα δοκίµια µε ράβδους νευροχάλυβα, η αποτελεσµατικότητα των µανδυών ΙΑΜ (L0_M4 και L0_M4G) ήταν εµφανώς µεγαλύτερη αυτής του µανδύα ΙΟΠ (L0_R2). Η µειωµένη αποτελεσµατικότητα της περίσφιγξης του µανδύα ΙΟΠ οφείλεται στον τρόπο αστοχί του δοκιµίου L0_R2. Σε σχετική µετακίνηση περίπου 5% ο λυγισµός των διαµήκων ράβδων εκδηλώθηκε πάνω από το µανδύα ΙΟΠ, µεταξύ του σηµείου που αυτός τερµάτιζε (430 mm από τη βάση) και του επόµενου συνδετήρα (600 mm από τη βάση), δηλαδή σε ύψος περίπου 530 mm από τη βάση του υποστυλώµατος, όπως φαίνεται στο Σχήµα 3β. Η µεταφορά του λυγισµού των διαµήκων ράβδων πάνω από το µανδύα µπορεί να αποδοθεί στη δυσκαµψία του µανδύα ΙΟΠ στην περιοχή της πλαστικής άρθρωσης, η οποία δεν επέτρεψε στις θλιβόµενες ράβδους να καµφθούν ελαφρώς προς τα έξω στις γωνίες, µε συνέπεια τη συγκέντρωση θλιπτικών τάσεων οι οποίες µεταφέρθηκαν και εκτονώθηκαν εκεί όπου υπήρχε η δυνατότητα της προς τα έξω κάµψης, δηλαδή έξω από το µανδύα. Αντιθέτως, στην περίπτωση των ενισχυµένων δοκιµίων µε µανδύες ΙΑΜ, ο λυγισµός των διαµήκων ράβδων ήταν ελεγχόµενος, καθώς αυτό το σύστηµα ενίσχυσης επιτρέπει µεγαλύτερη εγκάρσια διόγκωση, µε αποτέλεσµα να µειώνονται οι συγκεντρώσεις τάσεων στις γωνίες των ορθογωνικών διατοµών. Πιο συγκεκριµένα, για το δοκίµιο L0_M4 o µανδύ παρέµεινε άθικτος µέχρι το τέλος της δοκιµής σε σχετική µετακίνηση 7.8% (Σχήµα 3γ), ενώ για το δοκίµιο L0_M4G η θραύση του µανδύα (Σχήµα 3δ) λόγω διόγκωσης του σκυροδέµατος και λυγισµού των διαµήκων ράβδων οδήγησε στην αστοχία σε µέση σχετική µετακίνηση ίση µε 7.2%. Συνοψίζοντ, η συµπεριφορά των δοκιµίων L0_M4 και L0_M4G ήταν πολύ παρόµοια, αλλά αρκετά διαφορετική και πολύ καλύτερη από τη συµπεριφορά τόσο του δοκιµίου L0_R2, όσο και του δοκιµίου έλεγχου L0_C. Η ικανότητα παραµόρφωσης σε σύγκριση µε το δοκίµιο ελέγχου αυξήθηκε κατά 50%, 130% και 110% για τα δοκίµια L0_R2, L0_M4 και L0_M4G, αντιστοίχως, υποδεικνύοντ µια αύξηση της αποτελεσµατικότητ (σε όρους ικανότητ (δ) 11

12 παραµόρφωσης των υποστυλωµάτων) των µανδυών ΙΑΜ της τάξης του 50% σε σύγκριση µε τους µανδύες ΙΟΠ. Υποστυλώµατα µε Υπερκάλυψη του ιαµήκους Οπλισµού Η συµπεριφορά και ο τρόπος αστοχί των δοκιµίων µε υπερκαλύψεις ράβδων καθορίστηκε και πάλι από την κάµψη. Στα δύο δοκίµια ελέγχου L20d_C και L40d_C σχηµατίσθηκαν σηµαντικές κατακόρυφες ρωγµές λόγω διάρρηξης του σκυροδέµατος κατά µήκος των µηκών υπερκάλυψης σε σχετικές µετακινήσεις 1.56% και 2.5%, αντιστοίχως (π.χ. Σχήµα 3ε για το δοκίµιο L20d_C). Σε µεγαλύτερες σχετικές µετακινήσεις το µήκος και το πλάτος των ρωγµών αυτών κατά µήκος της ένωσης ράβδων αυξανόταν, καθώς η συνάφεια µεταξύ ράβδωνσκυροδέµατος αποµειωνόταν. Περισσότερες πληροφορίες σχετικά µε τον τρόπο υπολογισµού των τάσεων συνάφει µπορούν να αναζητηθούν αλλού (Μπουρνάς 2008). Τη διεύρυνση και επέκταση των κατακόρυφων ρωγµών λόγω διάρρηξης ακολούθησε η αποτίναξη του θλιβοµένου σκυροδέµατος σε µια περιοχή 100 mm και 175 mm από τη βάση των υποστυλωµάτων L20d_C (Σχήµα 3στ) και L40d_C, αντιστοίχως, µε αποτέλεσµα την άµεση πτώση της αντοχής. Η σχετική µετακίνηση κατά την αστοχία (µέσες τιµές στις δύο διευθύνσεις φόρτισης) για τα δοκίµια L20d_C και L40d_C ήταν 3.6% και 3.3%, αντιστοίχως. Η απόκριση των ενισχυµένων δοκιµίων µε µανδύες ΙΑΜ και ΙΟΠ ήταν καλύτερη τόσο σε όρους αντοχής όσο και σε όρους ικανότητ παραµόρφωσης κατά την αστοχία. Μέσω της περίσφιγξης και της ενεργοποίησης των οριζόντιων ινών των µανδυών έναντι διάρρηξης του σκυροδέµατος περιορίστηκε η ανάπτυξη των κατακόρυφων ρωγµών, µε αποτέλεσµα την αύξηση της αντοχής των ενισχυµένων δοκιµίων. Ακόµα, η απόκριση των ενισχυµένων δοκιµίων χαρακτηρίστηκε από την ανάπτυξη µεγάλων οριζόντιων σχετικών µετακινήσεων, οι οποίες συνοδεύτηκαν από µικρή (δοκίµια L20d_R2 και L20d_M4) έως οριακή (δοκίµια L40d_R2 και L24d_M4) πτώση του οριζόντιου φορτίου. Για τα υποστυλώµατα µε µικρά µήκη υπερκάλυψης ράβδων (L20d_R2 και L20d_M4), η µέση αύξηση της αντοχής (µέσες τιµές στις δύο διευθύνσεις φόρτισης) για τα δύο συστήµατα περίσφιγξης µε µανδύες ΙΟΠ και ΙΑΜ ήταν ίση µε 20.3% και 25.6%, αντιστοίχως, σε σύγκριση µε το δοκίµιο ελέγχου, ενώ οι αντίστοιχες αυξήσεις της ικανότητ παραµόρφωσης κατά την αστοχία ήταν 64.7% και 39%. Τα δοκίµια L40d_R2 και L40d_M4 µε τα µεγαλύτερα µήκη υπερκάλυψης είχαν εξαιρετική απόκριση µέχρι το τέλος της δοκιµής σε σχετική οριζόντια µετακίνηση 7.8%. Σε σχέση µε το δοκίµιο ελέγχου L40d_C, η ικανότητα παραµόρφωσης αυξήθηκε κατά 150%, ενώ η αντοχή ήταν πρακτικά η ίδια. Συµπερασµατικά, οι µανδύες ΙΑΜ είναι εξαιρετικά αποτελεσµατικοί όταν εφαρµόζονται σε υποστυλώµατα µε µικρά µήκη υπερκάλυψης ράβδων για την αύξηση της αντοχής και της ικανότητ παραµόρφωσής τους κατά την αστοχία. Συγκρινόµενοι µε µανδύες ΙΟΠ ίσης δυστένει χαρακτηρίζονται από ελαφρώς µειωµένη αποτελεσµατικότητα για υποστυλώµατα µε µικρά µήκη υπερκάλυψης ράβδων (20d) και από ίδια αποτελεσµατικότητα όταν εφαρµόζονται σε υποστυλώµατα µε µεγαλύτερες υπερκαλύψεις ράβδων (40d). 12

13 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην εργασία αναπτύσσεται µια νέα τεχνική ενίσχυσης υποστυλωµάτων Ο/Σ µέσω περίσφιγξης. Η τεχνική βασίζεται στη χρήση συνθέτων υλικών, τα οποία αποτελούνται από ινοπλέγµατα σε ανόργανη µήτρα (ΙΑΜ), αποσκοπώντ στην επίλυση προβληµάτων που χαρακτηρίζουν τα ΙΟΠ σχετικά µε την χρήση εποξειδικών ρητινών. Τα ΙΑΜ δοκιµάζονται στη µορφή τοπικών µανδυών στις κρίσιµες περιοχές παλαιού τύπου υποστυλωµάτων µε στόχο την αύξηση της πλαστιµότητάς τους µέσω καθυστέρησης του λυγισµού των διαµήκων ράβδων και µέσω αποτροπής αστοχιών λόγω διάρρηξης του σκυροδέµατος σε περιοχές µε ανεπαρκή µήκη ενώσεων των διαµήκων ράβδων. Βάσει των πειραµατικών αποτελεσµάτων καταδεικνύεται ότι η αποτελεσµατικότητα των µανδυών ΙΑΜ είναι υψηλή και γενικώς παρόµοια µε αυτή των µανδυών ΙΟΠ ίσης δυστένει. Πιο συγκεκριµένα, για τα δοκίµια µε συνεχή οπλισµό και λείες ράβδους, η αποτελεσµατικότητα των µανδυών ΙΑΜ βρέθηκε ίση µε αυτή των µανδυών ΙΟΠ, ενώ στα δοκίµια µε διαµήκεις ράβδους νευροχάλυβα, η αποτελεσµατικότητα των µανδυών ΙΑΜ ήταν κατά 50% περίπου µεγαλύτερη από τους µανδύες ΙΟΠ. Τέλος οι µανδύες ΙΟΠ βρέθηκαν ελαφρώς αποτελεσµατικότεροι για την ενίσχυση υποστυλωµάτων µε µικρά µήκη ένωσης των ράβδων σε σύγκριση µε τους µανδύες ΙΑΜ. Αναµένεται ότι, όπως η τεχνική των ΙΟΠ, έτσι και η τεχνική των ΙΑΜ, στο εγγύς µέλλον θα αποτελεί µια εξαιρετικά ενδιαφέρουσα πρόταση για την αναβάθµιση των ανεπαρκώς σχεδιασµένων υποστυλωµάτων. ΑΝΑΦΟΡΕΣ Μπουρνάς., Ενίσχυση Υποστυλωµάτων Οπλισµένου Σκυροδέµατος µε Νέα Υλικά: Ινοπλέγµατα Ανόργανης Μήτρ, Οπλισµοί Συνθέτων Υλικών ή Ανοξείδωτου Χάλυβα σε Εγκοπές, ιδακτορική ιατριβή, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήµιο Πατρών, Πάτρα (2008). Τριανταφύλλου, Αθ. Χ., Παπανικολάου, Κ. Γ., Μπουρνάς,. και Λόντου, Π. Νέα Γενιά Συνθέτων Υλικών Ανόργανης Μήτρ (TRM) για την Ενίσχυση Κατασκευών Οπλισµένου Σκυροδέµατος, 15ο Eλληνικό Συνέδριο Σκυροδέµατος, Αλεξανδρούπολη, 1820 Oκτωβρίου Βournas, D. A., Lontou, P. V., Papanicolaou, C. G. & Triantafillou, T. C., TextileReinforced Mortar (TRM) versus FRP Confinement in Reinforced Concrete Columns. ACI Structural Journal, V. 104, No 6 (2007) Bournas, D.A., Triantafillou, T.C., Zygouris, K., & Stavropoulos, F., (2009), TextileReinforced Mortar (TRM) Versus FRP Jacketing in Seismic Retrofitting of RC Columns with Continuous or LapSpliced Deformed Bars". ASCE Journal of Composites for Construction, in press. Triantafillou, T. C. & Papanicolaou, C. G., Shear Strengthening of Reinforced Concrete Members with Textile Reinforced Mortar (TRM) Jackets. RILEM Materials and Structures, V. 39, No 1 (2006) Triantafillou, T. C., Papanicolaou, C. G., Zissimopoulos, P., & Laourdekis, T., Concrete Confinement with TextileReinforced Mortar Jackets. ACI Structural Journal, V. 103, No 1 (2006)