ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΜΕΣΩ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗΣ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΜΗΤΡΑΣ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΜΕΣΩ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗΣ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΜΗΤΡΑΣ ΙΑΤΡΙΒΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟΥ ΙΠΛΩΜΑΤΟΣ ΕΙ ΙΚΕΥΣΗΣ της ΛΟΝΤΟΥ ΒΑΣ. ΠΑΝΑΓΙΩΤΑΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΟΥ ΧΡ. ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ ΠΑΤΡΑ ΙΟΥΛΙΟΣ 2006

2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα ιατριβή ιπλώµατος Ειδίκευσης αφορά την πειραµατική διερεύνηση της επίδρασης της περίσφιγξης µε σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας σε στοιχεία τύπου υποστυλώµατος 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. Για την εκπόνηση της παρούσας ιατριβής συνέβαλαν αρκετοί άνθρωποι τους οποίους αισθάνοµαι την ανάγκη να ευχαριστήσω. Καταρχήν, θα ήθελα να εκφράσω τις θερµότερες ευχαριστίες µου στον επιβλέποντά µου, Καθηγητή κ. Αθανάσιο Τριανταφύλλου για την εµπιστοσύνη που µου έδειξε µε την ανάθεση αυτής της πραγµατικά ενδιαφέρουσας έρευνας, καθώς για την πολύτιµη καθοδήγησή του, τις υποδείξεις και τις παρατηρήσεις του κατά τη συγγραφή του κειµένου. Ένα µεγάλο ευχαριστώ οφείλω στη Λέκτορα κα Αικατερίνη Παπανικολάου για την απλόχερη βοήθεια και συµπαράσταση που µου προσέφερε τόσο στην πραγµατοποίηση των δοκιµών και πειραµάτων όσο και στην συλλογή της επιστηµονικής βιβλιογραφίας. Το συνεχές ενδιαφέρον της και η έµπρακτη προσφορά της αποτελεί ένα σπάνιο χαρακτηριστικό του σύγχρονου καιρού. Ευχαριστώ ιδιαίτερα τον Επίκουρο Καθηγητή κο Ευστάθιο Μπούσια, ως µέλος της εξεταστικής µου επιτροπής για τις συµβουλές και τις εύστοχες παρατηρήσεις του. Ακόµα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους µεταπτυχιακούς φοιτητές Μπουρνά ιονύση, Κώστα Ζυγούρη καθώς και την προπτυχιακή φοιτήτρια Αναστασία Ρεΐση για την ευχάριστη συνεργασία σε όλη της διάρκεια της πειραµατικής διαδικασίας. Παναγιώτα Λόντου Πάτρα, Ιούλιος 2006 i

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Αντικείµενο της παρούσας ιατριβής ιπλώµατος Ειδίκευσης αποτελεί η πειραµατική διερεύνηση της ενίσχυσης στοιχείων οπλισµένου σκυροδέµατος µέσω περίσφιγξης µε µανδύες συνθέτων υλικών ανόργανης µήτρας. Για το σκοπό αυτό, διεξήχθη πειραµατικό πρόγραµµα το οποίο διενεργήθηκε στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του Τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών. Παρόλο που στο παρελθόν έχουν διεξαχθεί έρευνες σχετικές µε την περίσφιγξη των συνθέτων υλικών οργανικής µήτρας σε υποστυλώµατα, ωστόσο έρευνες σχετικές µε την περίσφιγξη των συνθέτων υλικών ανόργανης µήτρας δεν έχουν γίνει µέχρι σήµερα, γεγονός που καθιστά ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα την συστηµατική διερεύνηση αυτής της επίδρασης. Το πρόγραµµα απαρτίστηκε από τρεις οµάδες πέντε πρισµατικών υποστυλωµάτων τετραγωνικής διατοµής και διαστάσεων 200mm x 200mm. Η κατηγοριοποίηση κατά οµάδες έγινε µε βάση τη γεωµετρία του εσωτερικού εγκάρσιου οπλισµού. Έτσι, την πρώτη οµάδα αποτέλεσαν άοπλα δοκίµια, τη δεύτερη δοκίµια µε αραιή διάταξη συνδετήρων και την τρίτη δοκίµια µε πυκνή διάταξη συνδετήρων. Από τα δοκίµια της κάθε οµάδας ένα εξ αυτών δεν υπέστη επέµβαση ενίσχυσης προκειµένου να χρησιµοποιηθεί ως µάρτυρας για τη σύγκρισή του µε τα άλλα δοκίµια. ύο από τα πέντε δοκίµια της κάθε οµάδας ενισχύθηκαν µε 4 και 6 στρώσεις πλεγµάτων µε χρήση ανόργανης µήτρας ενώ τα υπόλοιπα δύο δοκίµια ήταν εκείνα που ενισχύθηκαν 2 και 3 στρώσεις υφασµάτων ινών άνθρακα µε χρήση εποξειδικής ρητίνης, για να συγκριθούν µε τα προαναφερόµενα «ισοδύναµά» τους µε ρητίνη. Στη συνέχεια τα 15 πρισµατικά υποστυλώµατα υποβλήθηκαν σε δοκιµές κεντρικής θλίψης µέχρι αστοχίας. Από την επεξεργασία των πειραµατικών αποτελεσµάτων προέκυψαν συγκριτικά διαγράµµατα που αφορούσαν την αντοχή, την παραµορφωσιµότητα και τους δείκτες αποτελεσµατικότητας των δοκιµίων που ενισχύθηκαν τόσο µε ανόργανη όσο και µε οργανική µήτρα. Τα διαγράµµατα αυτά επέτρεψαν την εξαγωγή κάποιων χρήσιµων συµπερασµάτων, ικανών για την εκτίµηση της µηχανικής συµπεριφοράς των περισφιγµένων υποστυλωµάτων. Η δοµή της παρούσας ιατριβής περιλαµβάνει 8 κεφάλαια και έχει ως εξής: Στο Κεφάλαιο 1 αναπτύσσεται το γνωστικό υπόβαθρο για τα σύνθετα υλικά. Στην αρχή του κεφαλαίου, γίνεται αναφορά στην αλµατώδη αύξηση των ενισχύσεων µε σύνθετα υλικά, λόγω των πλεονεκτηµάτων που παρουσιάζουν σε συντριπτική πλειοψηφία και της ανάγκης για αναβάθµιση των υφισταµένων δοµηµάτων προκειµένου να ικανοποιούν τις σύγχρονες απαιτήσεις των κανονισµών. Στη συνέχεια περιγράφονται τα συστατικά στοιχεία των ii

4 ινοπλισµένων πολυµερών, δηλαδή των ινών και των συγκολλητικών ουσιών από τα οποία αποτελούνται. Έπειτα γίνεται αναφορά στα βασικά συστήµατα ενίσχυσης και τις ιδιότητες των συνθέτων υλικών. Ακολουθεί η µικροµηχανική των συνθέτων υλικών και οι επιπτώσεις των περιβαλλοντικών συνθηκών στην ανθεκτικότητά τους. Στο τέλος γίνεται µια περιληπτική αναφορά των τεχνικών ενίσχυσης δοµικών στοιχείων µε σύνθετα υλικά. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται µια σύντοµη αναφορά στις βάσεις σχεδιασµού ενισχύσεων µε σύνθετα υλικά. ίνονται οι καταστατικοί νόµοι των υλικών για την οριακή κατάσταση αντοχής και λειτουργικότητας, τόσο για πλήρη συνεργασία όσο και για αποκόλληση του συνθέτου υλικού από την κατασκευή. Επίσης σχολιάζεται και το θέµα της συνάφειας των συνθετών υλικών µε το υπόστρωµα. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται αρχικά αναφορά στην έννοια της περίσφιγξης, προκειµένου να εισάγει οµαλά τον αναγνώστη στις πιο συνήθεις πρακτικές επιβολής εξωτερικής περίσφιγξης (που συναντώνται σε υποστυλώµατα) και έπειτα στις πιο βασικές τεχνικές ενίσχυσης υποστυλωµάτων µε σύνθετα υλικά. Στη συνέχεια το κεφάλαιο πραγµατεύεται τη µηχανική συµπεριφορά και τον καταστατικό νόµο του περισφιγµένου σκυροδέµατος µε σύνθετα υλικά, για να περάσει στην ανασκόπηση των κυριότερων προσοµοιωµάτων περίσφιγξης µε σύνθετα υλικά τα οποία όµως βασίζονται σε πειράµατα που διεξήχθησαν σε κυκλικής διατοµής άοπλα υποστυλώµατα. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται µε µία αναλυτική αναφορά στους παράγοντες εκείνους που βελτιστοποιούν την αποτελεσµατικότητα της περίσφιγξης µε σύνθετα υλικά όπως π.χ. η γεωµετρία της διατοµής, ο βαθµός περιτύλιξης (κάλυψης) του σκυροδέµατος και η διεύθυνση των ινών σε σχέση µε τον άξονα του περισφιγµένου µέλους. Στο Κεφάλαιο 4 αναλύεται διεξοδικά το πρωτοπόρο ερευνητικό σύστηµα ενίσχυσης FRM (Fiber Reinforced Mortars) που ανταγωνίζεται το σύστηµα των ινοπλισµένων πολυµερών (FRPs). Στην αρχή αναφέρονται οι απαιτήσεις που αυτό καλείται να καλύψει προκειµένου να είναι συµβατό, ενώ στη συνέχεια περιγράφεται διεξοδικά το σύστηµα ινών άνθρακα µε κονιάµατα που περιέχουν πολυµερή, µιας και το συγκεκριµένο σύστηµα παρέχει τις βέλτιστες συνθήκες για την εξασφάλιση ενός σύνθετου υλικού υψηλής ποιότητας. Εν συνεχεία επιχειρείται µια συγκριτική εξέταση των χαρακτηριστικών των ινοπλισµένων πολυµερών µε τα σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται µε την περιγραφή των πιο σηµαντικών πειραµάτων που έχουν διεξαχθεί για σύνθετα υλικά µε τσιµεντοειδή µήτρα (π.χ. αξονική θλίψη, την κάµψη, τη διάτµηση και την κόπωση) και τέλος µε την περιγραφή των κυριότερων µεθόδων σχεδιασµού τσιµεντοειδών κονιαµάτων που έχουν ερευνηθεί µε στόχο να αποτελέσουν τη συνδετική ύλη µε τα σύνθετα υλικά ινών άνθρακα. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η πειραµατική διαδικασία της παρούσας ιατριβής. Αρχικά περιγράφεται ο τρόπος µε τον οποίο έγινε ο iii

5 σχεδιασµός των δοκιµίων ενώ στη συνέχεια παρατίθενται αναλυτικά τα υλικά που χρησιµοποιήθηκαν, ο τρόπος παρασκευής και οι µηχανικές ιδιότητές τους. Ακολουθεί διεξοδική περιγραφή της πειραµατικής διαδικασίας από το στάδιο της προετοιµασίας των µεταλλικών κλωβών µέχρι την περάτωση της ενίσχυσης µε τις δύο τεχνικές ενίσχυσης. Στο τέλος του κεφαλαίου γίνεται µια σύντοµη περιγραφή της πειραµατικής διάταξης και του επιµέρους µηχανικού εξοπλισµού που χρησιµοποιήθηκε για την υλοποίηση των δοκιµών αξονικής θλίψης. Στο Κεφάλαιο 6, το οποίο καταλαµβάνει και το µεγαλύτερο όγκο της ιατριβής, περιλαµβάνονται αρχικά τα αποτελέσµατα των πειραµάτων όλων των δοκιµίων που συµµετείχαν στο πειραµατικό πρόγραµµα, µε βάση τις οµάδες στις οποίες κατατάχθηκαν τα δοκίµια ανάλογα µε τη γεωµετρία όπλισης. Συγκεκριµένα, περιγράφονται οι τρόποι αστοχίας των δοκιµίων µε φωτογραφικό υλικό, οι καµπύλες τάσεων-παραµορφώσεων καθώς επίσης η µέγιστη αντοχή και οι παραµορφώσεις µέγιστης τάσης και αστοχίας. Στη συνέχεια παρουσιάζονται συγκριτικά αποτελέσµατα των δοκιµίων (υπό µορφή πινάκων και διαγραµµάτων) ανάλογα µε α) τις οµάδες στις οποίες κατατάχθηκαν τα δοκίµια λόγω της γεωµετρίας όπλισης και β) µε το είδος της µήτρας και τον αριθµό των στρώσεων των συνθέτων υλικών. Επιπλέον παρουσιάζονται πίνακες συγκεντρωτικών αποτελεσµάτων, στους οποίους γίνονται συγκρίσεις των οµάδων δοκιµίων που εκτέθηκαν ανωτέρω, µε τα αντίστοιχα δοκίµια ελέγχου τους. Ιδιαίτερη προσοχή έχει δοθεί στη σύγκριση των δεικτών αποτελεσµατικότητας της περίσφιξης, σε όρους αντοχής και οριακής παραµόρφωσης. Το Κεφάλαιο 7, παρουσιάζει την επεξεργασία των πειραµατικών αποτελεσµάτων προκειµένου να καταστρωθεί ένα αναλυτικό προσοµοίωµα, που να προβλέπει την αντοχή και την οριακή παραµόρφωση άοπλων και οπλισµένων στοιχείων τύπου υποστυλώµατος που είναι περισφιγµένα µε σύνθετα υλικά ανόργανης και οργανικής µήτρας. Αρχικά, καταστρώνονται οι εξισώσεις εκείνες που απαιτούνται για την προσοµοίωση της περίσφιγξης µέσω µανδυών συνθέτων υλικών και έπειτα οι εξισώσεις εκείνες που απαιτούνται για την προσοµοίωση της περίσφιγξης µέσω εσωτερικού οπλισµού. Στη συνέχεια αναπτύσσεται µία µέθοδος πρόβλεψης της αντοχής και της οριακής παραµόρφωσης των δοκιµίων (γραµµική) που βασίζεται στο κλασσικό προσοµοίωµα των Richart et al. (1928). Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται µε την αναλυτική και συγκριτική παρουσίαση των αποτελεσµάτων και τέλος µε την εξαγωγή συµπερασµάτων. Στο Κεφάλαιο 8, συνοψίζονται τα συµπεράσµατα της παρούσας ιατριβής ιπλώµατος Ειδίκευσης. Η µέθοδος των συνθέτων υλικών ανόργανης µήτρας παρέχει ικανοποιητικά αποτελέσµατα αυξάνοντας αισθητά την οριακή παραµόρφωση, την θλιπτική αντοχή των υποστυλωµάτων και συνεπώς την ικανότητα απορρόφησης ενέργειας. Η αύξηση της αντοχής και iv

6 της παραµόρφωσης περιορίζεται τελικά από την τοπική αστοχία/διάρρηξη του µανδύα που συµβαίνει στις κρίσιµες περιοχές συγκέντρωσης τάσεων (στις γωνίες και σε όλο το µήκος της αγκύρωσης των µανδυών των στοιχείων). Η έναρξη της αστοχίας σηµατοδοτείται επίσης και από τον λυγισµό των διαµήκων θλιβόµενων ράβδων στο αστήρικτο µήκος µεταξύ των συνδετήρων. Όσον αφορά το προτεινόµενο αναλυτικό προσοµοίωµα, θα ήταν χρήσιµο να διεξαχθούν επιπρόσθετες πειραµατικές δοκιµές ώστε να εµπλουτιστεί η βάση δεδοµένων και να επιβεβαιωθεί η αξιοπιστία του προτεινόµενου µοντέλου. v

7 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ 1.1 (α) Σχηµατική αναπαράσταση του τρόπου αστοχίας των ινών σε ένα δοµικό στοιχείο ενισχυµένο µε σύνθετα υλικά (β) Επίδραση των ινών στη βελτίωση της πλαστιµότητας, έναντι κάµψης (γ) Επίδραση των ινών στη βελτίωση της πλαστιµότητας, έναντι εφελκυσµού Αλληλεπίδραση των ινών του σύνθετου υλικού µε τις ρωγµές σε ένα στοιχείο σκυροδέµατος (α) Ύφασµα σε ρολό και συνεχείς ίνες σε µορφή νήµατος, (β) Προκατασκευασµένα ελάσµατα σε µορφή ρόλων και (γ) Ύφασµα Σχέσεις τάσης-παραµόρφωσης για την οριακή κατάσταση αντοχής Σχέση δύναµης αποκόλλησης συνθέτων υλικών συναρτήσει του µήκους επικόλλησης (α) Αξονική καταπόνηση υποστυλώµατος περισφιγµένο µε µανδύα συνθέτων υλικών (β) Ανάπτυξη εγκαρσίων τάσεων λόγω διόγκωσης (Triantafillou, 2004) Καµπύλες θλιπτικής τάσης παραµόρφωσης για σκυρόδεµα περισφιγµένο µε σύνθετα υλικά (Triantafillou, 2004) Καµπύλες τάσης παραµόρφωσης για απερίσφιγκτο και περισφιγµένο µέσω συνθέτων υλικών, σκυρόδεµα βάσει του προσοµοιώµατος των Lam και Teng (2003) Η περίσφιγξη του σκυροδέµατος σε ορθογωνικές διατοµές που επιτυγχάνεται µέσω των γωνιών (Τριανταφύλλου, 2004) Περίσφιγξη (α) µε λωρίδες ανά αποστάσεις, (β) µε τις ίνες υπό γωνία (σύνθετα υλικά σε ελικοειδή διάταξη) (Τριανταφύλλου, 2004) ιαγράµµατα τάσης παραµόρφωσης των ινών και της συγκολλητικής ουσίας: (α) Ίνες µε µικρότερη παραµόρφωση αστοχίας (β) Συγκολλητική ουσία µε µικρότερη παραµόρφωση αστοχίας (α) Γεωµετρική διάταξη των ατόµων άνθρακα σε ένα στρώµα γραφίτησχηµατική αναπαράσταση της δοµής των ινών όπως προκύπτει από ηλεκτρονικό µικροσκόπιο (β) Γεωµετρική διάταξη των κρυστάλλων γραφίτη στο χώρο vi

8 4.3 Συγκριτική αναπαράσταση µηχανισµών µεταφοράς φορτίου (α) Ρηγµάτωση σε φύλλο ινών άνθρακα επικολληµένο σε µπλοκ σκυροδέµατος µε εποξειδική ρητίνη και (β) Ρηγµάτωση σε φύλλο ινών άνθρακα επικολληµένο σε µπλοκ σκυροδέµατος µε τσιµεντοειδές κονίαµα (α) Μ0- οκός υποδιαστασιολογηµένη σε κάµψη. Συνδετήρες: Φ10/75. ιαµήκεις ράβδοι 2Φ16 στην άνω και κάτω πλευρά της δοκού. (β) Μ1- οκός υποδιαστασιολογηµένη σε κάµψη. Συνδετήρες: Φ10/75. ιαµήκεις ράβδοι 2Φ16 στην άνω και 2Φ16 στην κάτω πλευρά της δοκού. (γ) Τ0- οκός υποδιαστασιολογηµένη σε διάτµηση. Συνδετήρες: 3Φ10/100 πάνω από τις στηρίξεις. ιαµήκεις ράβδοι 2Φ16 στην άνω πλευρά της δοκού και 12Φ16 στην κάτω πλευρά της δοκού. (δ) Τ1- οκός υποδιαστασιολογηµένη σε διάτµηση. Συνδετήρες: 6Φ10/200 πάνω από τις στηρίξεις. ιαµήκεις ράβδοι 2Φ16 στην άνω πλευρά της δοκού και 12Φ16 στην κάτω πλευρά της δοκού Λεπτοµέρειες όπλισης δοκών που εξετάστηκαν: (α) διαµήκης τοµή της δοκού - εµφάνιση εγκάρσιου οπλισµού (β) εγκάρσια τοµή της δοκού - εµφάνιση διαµήκους οπλισµού (Triantafillou and Papanicolaou, 2004) Άοπλη δοκός ενισχυµένη µε σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας, έναντι κάµψης Καµπύλες φορτίου-µετατόπισης για τις ενισχυµένες µε σύνθετα υλικά δοκούς: κάθε επίστρωση αποτελείται από 4 στρώσεις υφάσµατος Μηχανισµός συνάφειας των ινών µε τη µήτρα σε έναν κλώνο Τυπική γεωµετρία δοκιµίων (α) ιάταξη δοκιµίων αραιής διάταξης (β) ιάταξη δοκιµίων πυκνής διάταξης (γ) Αγκύρωση συνδετήρων όλες οι διατάξεις είναι σε mm ιάγραµµα τάσεων παραµορφώσεων για τη ράβδο Γεωµετρία πλέγµατος (α) οκιµή κάµψης τριών σηµείων του κονιάµατος της ανόργανης µήτρας (β) οκιµή θλίψης των επιµέρους θραυσµάτων Σκίτσο ρηγµάτωσης δοκιµίου C_U (α) σε τάση 11 MPa (β) σε τάση 14 MPa vii

9 6.2 Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο C_U Σκίτσο ρηγµάτωσης δοκιµίου R2_U (α) σε τάση 27.8 MPa (β) σε τάση 30.5 MPa Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο R2_U Σκίτσο ρηγµάτωσης δοκιµίου R3_U σε τάση 28 MPa Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο R3_U (α) Σκίτσο ρηγµάτωσης δοκιµίου Μ4_U σε τάση 25.5 MPa (β) Σκίτσο ρωγµών και διογκώσεων δοκιµίου Μ4_U και σε τάση 26.6 MPa Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο Μ4_U (α) Σκίτσο ρηγµάτωσης δοκιµίου Μ4_U σε τάση 28.3 MPa (β) Σκίτσο ρωγµών και διογκώσεων δοκιµίου και σε τάση 31.5 MPa Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο Μ6_U Σκίτσο ρηγµάτωσης δοκιµίου C_S20 α) σε τάση 18.8 MPa β) σε τάση 22.9 MPa Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο C_S Σκίτσο ρηγµάτωσης δοκιµίου R2_S20 σε τάση 27.8 MPa Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο R2_S ιογκώσεις και τοπική θραύση του µανδύα σε φορτίο 42 MPa Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο R3_S Ρηγµάτωση του δοκιµίου Μ4_S20 σε τάση 27.2 MPa Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο Μ4_S Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο Μ6_S Ρηγµάτωση του δοκιµίου C_S10 σε τάση 22 MPa Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο C_S Οι πρώτες ορατές διογκώσεις του µανδύα του δοκιµίου R2_S10 σε τάση 27.5 MPa Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο R2_S Οι πρώτες ορατές διογκώσεις του µανδύα του δοκιµίου R3_S10 σε τάση 32.5 MPa Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο R3_S Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο Μ4_S Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο Μ6_S Καµπύλες τάσεων παραµορφώσεων για τα δοκίµια της Οµάδας1 190 viii

10 6.29 Επιρροή του είδους του συστήµατος ενίσχυσης και του αριθµού των στρώσεων στην αντοχή των περισφιγµένων άοπλων δοκιµίων Επιρροή του είδους του συστήµατος ενίσχυσης και του αριθµού των στρώσεων στην παραµόρφωση αστοχίας των περισφιγµένων δοκιµίων Καµπύλες τάσεων παραµορφώσεων για τα δοκίµια της Οµάδας Επιρροή του είδους του συστήµατος ενίσχυσης και του αριθµού των στρώσεων στην αντοχή των δοκιµίων της Οµάδας Επιρροή του είδους του συστήµατος ενίσχυσης και του αριθµού των στρώσεων στην παραµόρφωση αστοχίας των δοκιµίων της Οµάδας Καµπύλες τάσεων παραµορφώσεων για δοκίµια της Οµάδας Επιρροή του είδους του συστήµατος ενίσχυσης και του αριθµού των στρώσεων στην αντοχή των δοκιµίων της Οµάδας Επιρροή του είδους του συστήµατος ενίσχυσης και του αριθµού των στρώσεων στην παραµόρφωση αστοχίας των δοκιµίων της Οµάδας Καµπύλες τάσεων - παραµορφώσεων για δοκίµια της Οµάδας α Καµπύλες τάσεων - παραµορφώσεων για δοκίµια της Οµάδας β Επιρροή της γεωµετρικής διάταξης του εσωτερικού οπλισµού στην αντοχή των δοκιµίων της Οµάδας β Επιρροή της γεωµετρικής διάταξης του εσωτερικού οπλισµού στην παραµόρφωση αστοχίας των δοκιµίων της Οµάδας β Καµπύλες τάσεων - παραµορφώσεων για δοκίµια της Οµάδας γ Επιρροή της γεωµετρικής διάταξης του εσωτερικού οπλισµού στην αντοχή των δοκιµίων της Οµάδας γ Επιρροή της γεωµετρικής διάταξης του εσωτερικού οπλισµού στην παραµόρφωση αστοχίας των δοκιµίων των δοκιµίων της Οµάδας γ Καµπύλες τάσεων - παραµορφώσεων για δοκίµια της Οµάδας δ Επιρροή της γεωµετρικής διάταξης του εσωτερικού οπλισµού στην αντοχή των δοκιµίων της Οµάδας δ Επιρροή της γεωµετρικής διάταξης του εσωτερικού οπλισµού στην παραµόρφωση αστοχίας των δοκιµίων της Οµάδας δ Καµπύλες τάσεων - παραµορφώσεων για δοκίµια της Οµάδας δ Επιρροή της γεωµετρικής διάταξης του εσωτερικού οπλισµού στην αντοχή των δοκιµίων της Οµάδας ε 209 ix

11 6.49 Επιρροή της γεωµετρικής διάταξης του εσωτερικού οπλισµού στην παραµόρφωση αστοχίας των δοκιµίων της Οµάδας ε (α) Κατανοµή τάσεων περίσφιγξης κατά µήκος της µίας διάστασης της διατοµής του υποστυλώµατος (β) Ενεργά περισφιγµένη τετραγωνική διατοµή όπως ορίζεται από τις παραβολές β βαθµού ιάγραµµα ελευθέρου σώµατος περισφιγµένης διατοµής (α) Τετραγωνική διατοµή (β) Μέση τάση περίσφιγξης κατά την έννοια του x- άξονα (γ) Μέση τάση περίσφιγξης κατά την έννοια του y-άξονα 7.3 Περισφιγµένη και απερίσφιγκτη ζώνη σε εγκιβωτισµένη διατοµή από µεταλλικούς συνδετήρες (οριζόντιο επίπεδο) Περισφιγµένη και απερίσφιγκτη ζώνη σε εγκιβωτισµένη διατοµή από µεταλλικούς συνδετήρες (κατακόρυφο επίπεδο). 7.5 Ανηγµένη θλιπτική αντοχή δοκιµίων ελέγχου σε συνάρτηση µε την ανηγµένη τάση περίσφιγξης συνδετήρων. 7.6 Παραµόρφωση δοκιµίων ελέγχου σε συνάρτηση µε την ανηγµένη τάση περίσφιγξης συνδετήρων 7.7 Ανηγµένη θλιπτική αντοχή άοπλων δοκιµίων περισφιγµένων µε µανδύες συνθέτων υλικών ανόργανης και οργανικής µήτρας, σε συνάρτηση µε την ανηγµένη τάση περίσφιγξης µανδύα 7.8 Παραµόρφωση άοπλων δοκιµίων περισφιγµένων µε µανδύες συνθέτων υλικών ανόργανης και οργανικής µήτρας, σε συνάρτηση µε την ανηγµένη τάση περίσφιγξης µανδύα Ανηγµένη θλιπτική αντοχή δοκιµίων αραιής διάταξης συνδετήρων και περισφιγµένων µε µανδύες συνθέτων υλικών ανόργανης και οργανικής µήτρας, σε συνάρτηση µε την ανηγµένη τάση περίσφιγξης µανδύα Παραµόρφωση δοκιµίων αραιής διάταξης συνδετήρων και περισφιγµένων µε µανδύες συνθέτων υλικών ανόργανης και οργανικής µήτρας, σε συνάρτηση µε την ανηγµένη τάση περίσφιγξης Ανηγµένη θλιπτική αντοχή δοκιµίων πυκνής διάταξης συνδετήρων και περισφιγµένων µε µανδύες συνθέτων υλικών ανόργανης και οργανικής µήτρας, σε συνάρτηση µε την ανηγµένη τάση περίσφιγξης Παραµόρφωση δοκιµίων πυκνής διάταξης συνδετήρων και περισφιγµένων µε µανδύες συνθέτων υλικών ανόργανης και οργανικής µήτρας, σε συνάρτηση µε την ανηγµένη τάση περίσφιγξης x

12 7.13 Ανηγµένη θλιπτική αντοχή δοκιµίων περισφιγµένων µε µανδύες συνθέτων υλικών οργανικής (R) και ανόργανης µήτρας (Μ), σε συνάρτηση µε την ανηγµένη τάση περίσφιγξης Παραµόρφωση δοκιµίων περισφιγµένων µε µανδύες συνθέτων υλικών οργανικής (R) και ανόργανης µήτρας (Μ), σε συνάρτηση µε την ανηγµένη τάση περίσφιγξης xi

13 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ 5.1 Μηχανή πειραµατικού ελέγχου θλιπτικής αντοχής Κυβικά δοκίµια σκυροδέµατος κατά τη δοκιµή θλίψης (α) οκιµή εφελκυσµού ράβδου χάλυβα Φ12 και ποιότητας S500 (β) Σηµείο όπου δηµιουργήθηκε η στένωση Ύφασµα ινών άνθρακα µίας διεύθυνσης (Tyfo SCH-11UP) που συνδυάστηκε µε εποξειδική ρητίνη για την ενίσχυση των δοκιµίων. 5.5 Πλέγµα συνεχών ινών άνθρακα (Panex 35 Carbon Fiber Tow) που συνδυάστηκε ανόργανη µήτρα ενίσχυση των δοκιµίων 5.6 (α) οκιµή κάµψης τριών σηµείων του κονιάµατος της ανόργανης µήτρας πριν και µετά την αστοχία (β) οκιµή θλίψης των επιµέρους θραυσµάτων 5.7 (α) Συσκευή Matest Flow Table Motorized (β) Πλήρωση της πρώτης στρώσης του κόλουρου κώνου και συµπύκνωση κονιάµατος (α) Επιπέδωση της επιφάνειας του κόλουρου κώνου (β,γ) Το κονίαµα µετά την εξάπλωσή του-μέτρηση διαµέτρου του Τοποθέτηση των 8 συναρµολογηµένων µεταλλικών µητρών σε δύο σειρές Τοποθέτηση πλακών σκληρυµένης πολυστερίνης (β φάση) Τοποθέτηση τεταρτοκυκλίων πλαστικού σωλήνα ακτίνας r c =25mm µε χρήση ειδικής σιλικόνης για την καµπύλωση των γωνιών (β φάση) (α) Αραιή διάταξη κλωβών (β) Αγκύρωση συνδετήρων και διαµήκων ράβδων κατά 135 ο προς το εσωτερικό του κλωβού (α) Πυκνή διάταξη κλωβών (β) Αγκύρωση συνδετήρων και διαµήκων ράβδων κατά 135 ο προς το εσωτερικό του κλωβού Τοποθέτηση πλαστικών αποστατήρων στους µεταλλικούς κλωβούς αραιής διάταξης για την εξασφάλιση επικάλυψης στον οπλισµό (c=25mm) Τοποθέτηση πλαστικών αποστατήρων στους µεταλλικούς κλωβούς πυκνής διάταξης για την εξασφάλιση επικάλυψης στον οπλισµό (c=25mm) Τοποθέτηση των µεταλλικών κλωβών µέσα στα καλούπια Χύτευση του σκυροδέµατος (β φάση) ιαδικασία σκυροδέτησης (α φάση) xii

14 5.19 όνηση του σκυροδέµατος (α) εσωτερικά και (β) εξωτερικά (α φάση) όνηση του σκυροδέµατος δεύτερης σειράς δοκιµίων (α) εσωτερικά (β) εξωτερικά (γ) µε κοπάνισµα (β φάση) Τελείωµα των επιφανειών των δοκιµίων (β φάση) 5.22 Σκυροδέτηση συµβατικών κύβων πλευράς 200 mm Εκτράχυνση των πλευρικών επιφανειών σκυροδέµατος των δοκιµίων Εκτράχυνση και βελτίωση των καµπυλωµένων ακµών των δοκιµίων Κοπή δοκιµίων για εξασφάλιση επιπεδότητας και λείανσης Κοπή των υφασµάτων στις απαιτούµενες διαστάσεις µήκους και πλάτους Ανάµιξη της ρητίνης δύο συστατικών Tyfo S Epoxy Εφαρµογή µίας στρώσης ρητίνης στην επιφάνεια του εκτυλιγµένου υφάσµατος µε τη βοήθεια πλαστικού ρολού 5.29 Επίστρωση του δοκιµίου µε µία στρώση ρητίνης Στάδια περιτύλιξης του υφάσµατος (α) Έναρξη περιτύλιξης (β) Τέντωµα του υφάσµατος (γ) Εφαρµογή πίεσης µέσω πλαστικού ρολού για οµοιόµορφη διάστρωση και πλήρη εµποτισµό των ινών (δ) Υπερκάλυψη του υφάσµατος µε ρητίνη 5.31 Κοπή των πλεγµάτων στις απαιτούµενες διαστάσεις Επίστρωση τσιµεντοκονιάµατος σε όλες τις παράπλευρες επιφάνειες και ακµές του δοκιµίου µε τη βοήθεια σπάτουλας 5.33 (α) Αρχική τοποθέτηση του πλέγµατος πάνω στην επίστρωση του κονιάµατος (β) Άσκηση πίεσης για την ενσωµάτωση του πλέγµατος στο κονίαµα (α) Τέντωµα και ευθυγράµµιση του πλέγµατος στο δοκίµιο (β) ιάστρωση επιπρόσθετης ποσότητας κονιάµατος για την συγκόλληση της επόµενης στρώσης (α) Επιφάνεια µετά την ολοκλήρωση οµοιόµορφου εµποτισµού των ινών του πλέγµατος (β) Άσκηση πίεσης στις κρίσιµες περιοχές των ακµών (α) Κοπή του πλεονάζοντος πλέγµατος στην περιοχή υπερκάλυψης (β) Το δοκίµιο µετά την ολοκλήρωση της ενίσχυσης 5.37 Η πλατφόρµα εργασίας Proteus 5.38 Η µηχανή θλίψης Form+Test ALPHA (α) Βελόµετρο (β) Προεκτάσεις βελοµέτρου (γ) πούλιες xiii

15 5.40 Μέτρηση της κατακόρυφης µετατόπισης µεταξύ δύο σηµείων του δοκιµίου µε τη βοήθεια του βελοµέτρου οκίµιο ελέγχου C_U (α) σε θλιπτική δύναµη ίση µε 11 MPa (β) µετά την αστοχία ενδροειδής ρηγµάτωση της επιφάνειας της εποξειδικής ρητίνης σε περιοχή διόγκωσης του σκυροδέµατος. Με την αύξηση του φορτίου ο µανδύας αρχίζει να αλλάζει χρώµα στα σηµεία όπου υπερκαταπονείται (α) Αστοχία του δοκιµίου R2_U στην µεσαία περιοχή, λόγω διόγκωσης του πυρήνα του σκυροδέµατος (β) ανοµοιόµορφη κατανοµή των εγκαρσίων τάσεων του δοκιµίου Αστοχία του δοκιµίου R3_U στην µεσαία περιοχή, λόγω διόγκωσης του πυρήνα του σκυροδέµατος (α) Κατακόρυφη ρηγµάτωση της ανόργανης µήτρας στις πλευρικές επιφάνειες του δοκιµίου Μ4_U (β) Κατακόρυφη ρηγµάτωση της ανόργανης µήτρας στις ακµές του δοκιµίου Μ4_U Φαινόµενο τοπικού λυγισµού του µανδύα στην γωνία του δοκιµίου συνοδευόµενη από αποφλοίωση του µανδύα οκίµιο M4_U µετά την αστοχία (α) Αποκόλληση του µανδύα στην περιοχή υπερκάλυψης και θραύση ή ολίσθηση των ινών της ακµής (β) Αποφλοίωση του κονιάµατος στις ακµές ως αποτέλεσµα της εξάντλησης της εφελκυστικής τους αντοχής ιόγκωση του µανδύα και αποφλοίωση του κονιάµατος όταν αυτό ξεπερνούσε την εφελκυστική του αντοχή οκίµιο M6_U µετά την αστοχία (α) Ρηγµάτωση και διόγκωση του µανδύα κοντά στις ακµές (β) Θραύση ή ολίσθηση των ινών στην ακµή του δοκιµίου Ρηγµάτωση του δοκιµίου C_S20 κοντά στις γωνίες, σε φορτίο 18.8 MPa β) σε τάση 22.9 MPa Αστοχία του δοκιµίου R2_S20 µε διάρρηξη του µανδύα κοντά στις ντίζες Αστοχία του δοκιµίου R3_S20 λόγω διάρρηξης του µανδύα στην περιοχή της ακµής Λυγισµός διαµήκους ράβδου του δοκιµίου R3_S Αποκόλληση του µανδύα του δοκιµίου Μ4_S20 στην περιοχή της αγκύρωσης 162 xiv

16 6.15 (α)τοπική θλίψη του µανδύα στην ακµή του δοκιµίου Μ4_S20 (β) ιεύρυνση της ρηγµάτωσης στην περιοχή της αγκύρωσης και αποφλοίωση της ανόργανης µήτρας στο επίπεδο των συνδετήρων Ορατή διόγκωση του δοκιµίου στο µεσοδιάστηµα µεταξύ των συνδετήρων, αποφλοίωση του κονιάµατος στις κρίσιµες περιοχές των ακµών, της αγκύρωσης και του επιπέδου των συνδετήρων (α), (β), (γ), (δ) Κατακόρυφη ρηγµάτωση του δοκιµίου Μ6_S20 σε τάση 30.5 MPa Εµφάνιση ρωγµής σε τάση 30.5 MPa κατά µήκος της αγκύρωσης του δοκιµίου Μ6_S Εκδήλωση του φαινοµένου του τοπικού λυγισµού του µανδύα στις ακµές έδρασης του δοκιµίου Τοπική αποφλοίωση του κονιάµατος στην κορυφή του δοκιµίου λόγω κάµψης του µανδύα (α), (β), (γ) Αποκόλληση των κλώνων του πλέγµατος από την ανόργανη µήτρα λόγω θραύσης ή/και ολίσθησής τους Ορατή διόγκωση του δοκιµίου στο µεσοδιάστηµα µεταξύ των συνδετήρων, αποφλοίωση του κονιάµατος µε θραύση ή/και ολίσθηση των ινών στις κρίσιµες περιοχές των ακµών, της αγκύρωσης και του επιπέδου των συνδετήρων (α) οκίµιο-ελέγχου C_S10 (β) Οι πρώτες τριχοειδείς ρωγµές της επιφάνειας του δοκιµίου (γ) Αποκόλληση τµηµάτων σκυροδέµατος της επικάλυψης στις κρίσιµες περιοχές των ακµών σε τάση 24.3 MPa Αστοχία δοκιµίου C_S (α) οκίµιο R2_S10 (β) Κατακόρυφη θραύση του µανδύα κοντά στην ακµή (γ) Το δοκίµιο µετά την αποµάκρυνση του µανδύα και των σαθρών τεµαχίων της επικάλυψης (α) οκίµιο R3_S10 (β) Οι πρώτες ορατές διογκώσεις του δοκιµίου Κατακόρυφη διάρρηξη του µανδύα στο µέσον της πλευράς της - Αποκάλυψη του κονιορτοποιηµένου σκυροδέµατος της επικάλυψης Το δοκίµιο R3_S10 µετά την αποµάκρυνση του µανδύα και των σαθρών τεµαχίων της επικάλυψης Εµφάνιση τριχοειδών ρωγµών στις πλευρικές επιφάνειες του δοκιµίου Μ4_S10 ανά σταθερές αποστάσεις xv

17 6.30 οκίµιο Μ4_S10 (α) Τριχοειδείς κατακόρυφες ρωγµές σε τάση 28 MPa (β) ιογκώσεις στην στάθµη του µεσαίου συνδετήρα 6.31 (α) Εµφάνιση ρωγµής κατά µήκος της αγκύρωσης (β) Τοπικός λυγισµός του µανδύα κοντά στην ακµή έδρασης του δοκιµίου Ορατές διογκώσεις του δοκιµίου Μ4_S10 στις ακµές του και στη στάθµη του ενδιάµεσου συνδετήρα. Αποφλοίωση του κονιάµατος στην ακµή και αποκάλυψη της πλήρους ενεργοποίησης των ινών Αστοχία του δοκιµίου Μ4_S οκίµιο Μ6_S10 α, β, γ) Εµφάνιση τριχοειδών ρωγµών (σε τάση 29.2 MPa) στις πλευρικές επιφάνειες του δοκιµίου, ανά σταθερές αποστάσεις (α) Αποκόλληση αγκύρωσης σε τάση 29.2 MPa (β) ιογκώσειςρηγµατώσεις στην στάθµη του µεσαίου συνδετήρα Σταδιακή αποκόλληση µανδύα από την ανόργανη µήτρα στην περιοχή της αγκύρωσης Τοπικός λυγισµός του µανδύα κοντά στην ακµή έδρασης του δοκιµίου Αστοχία του δοκιµίου Μ6_S10 λόγω αποκόλλησης του σύνθετου µανδύα στην περιοχή της αγκύρωσης xvi

18 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ 1.1 Ενδεικτικές ιδιότητες ινών (Feldam 1989, Kim 1995) Ιδιότητες ρητινών Ενδεικτικές τιµές σύνθετων υλικών ινοπλισµένων πολυµερών Αξιολόγηση ινών µε βάση την ανθεκτικότητα (Τριανταφύλλου, 2004) Συντελεστής ασφάλειας για τα σύνθετα υλικά, γ f Οι 5 οµάδες δοκιµίων (κατακόρυφα) έχουν διαχωριστεί ανάλογα µε το είδος της µήτρας και τον αριθµό στρώσεων σύνθετου υλικού ενώ οι 3 οµάδες δοκιµίων (οριζόντια) έχουν διαχωριστεί ανάλογα µε τη γεωµετρική διάταξη του οπλισµού Θλιπτικές αντοχές σκυροδέµατος 28 ηµερών Τάσεις διαρροής χάλυβα S Μηχανικά χαρακτηριστικά υφασµάτων/πλεγµάτων που χρησιµοποιήθηκαν Μηχανικά χαρακτηριστικά της εποξειδικής ρητίνης (Tyfo S Epoxy) ιαστάσεις διατοµής δοκιµίων κονιάµατος Αποτελέσµατα δοκιµών κάµψης και θλίψης δοκιµίων ανόργανης µήτρας Αποτελέσµατα δοκιµής εξάπλωσης ανόργανης µήτρας Ύψη δοκιµίων που περισφίχθηκαν µε σύνθετα υλικά οργανικής µήτρας Ύψη δοκιµίων που περισφίχθηκαν µε σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας Αποτελέσµατα δοκιµίου C_U Αποτελέσµατα δοκιµίου R2_U Αποτελέσµατα δοκιµίου R3_U Αποτελέσµατα δοκιµίου Μ4_U Αποτελέσµατα δοκιµίου Μ6_U Αποτελέσµατα δοκιµίου C_S Αποτελέσµατα δοκιµίου R2_S Αποτελέσµατα δοκιµίου R3_S Αποτελέσµατα δοκιµίου Μ4_S Αποτελέσµατα δοκιµίου Μ6_S Αποτελέσµατα δοκιµίου C_S Αποτελέσµατα δοκιµίου R2_S xvii

19 6.13 Αποτελέσµατα δοκιµίου R3_S Αποτελέσµατα δοκιµίου M4_S Αποτελέσµατα δοκιµίου Μ6_S Πειραµατικές τιµές αντοχής, παραµορφώσεων στη µέγιστη τάση και αστοχία - είκτες αποτελεσµατικότητας για τα δοκίµια της Οµάδας Συγκεντρωτικά αποτελέσµατα για τα δοκίµια της Οµάδας Πειραµατικές τιµές αντοχής, παραµορφώσεων στη µέγιστη τάση και αστοχία - είκτες αποτελεσµατικότητας για τα δοκίµια της Οµάδας Συγκεντρωτικά αποτελέσµατα για τα δοκίµια της Οµάδας Πειραµατικές τιµές αντοχής, παραµορφώσεων στη µέγιστη τάση και αστοχία - είκτες αποτελεσµατικότητας για τα δοκίµια της Οµάδας Συγκεντρωτικά αποτελέσµατα για τα δοκίµια της Οµάδας Πειραµατικές τιµές αντοχής, παραµορφώσεων στη µέγιστη τάση και αστοχία - είκτες αποτελεσµατικότητας για τα δοκίµια της Οµάδας α Πειραµατικές τιµές αντοχής, παραµορφώσεων στη µέγιστη τάση και αστοχία - είκτες αποτελεσµατικότητας για τα δοκίµια της Οµάδας β Πειραµατικές τιµές αντοχής, παραµορφώσεων στη µέγιστη τάση και αστοχία - είκτες αποτελεσµατικότητας για τα δοκίµια της Οµάδας γ Πειραµατικές τιµές αντοχής, παραµορφώσεων στη µέγιστη τάση και αστοχία - είκτες αποτελεσµατικότητας για τα δοκίµια της Οµάδας δ Πειραµατικές τιµές αντοχής, παραµορφώσεων στη µέγιστη τάση και αστοχία - είκτες αποτελεσµατικότητας για τα δοκίµια της Οµάδας ε Εύρεση ονοµαστικού πάχους υφάσµατος και πλέγµατος Τιµές παχών υφάσµατος και πλέγµατος ανάλογα µε τον αριθµό των στρώσεων Εύρεση ενεργούς εφελκυστικής αντοχής υφάσµατος και πλέγµατος Συντελεστής αποδοτικότητας της περίσφιγξης λόγω των συνδετήρων, για τις δύο οµάδες δοκιµίων Συγκεντρωτικά αποτελέσµατα για την πρόβλεψη της αντοχής και της οριακής παραµόρφωσης των δοµικών στοιχείων εδοµένα για τη µελέτη της επίδρασης των συνδετήρων στην µηχανική συµπεριφορά των δοκιµίων xviii

20 7.7 (α), (β) Συγκεντρωτικά αποτελέσµατα για τους συντελεστές αποδοτικότητας της περίσφιγξης α 1, α 2 των δοκιµίων που είναι ενισχυµένα µε πλέγµατα σε ανόργανη µήτρα (M) σε σχέση µε αυτά που είναι ενισχυµένα µε υφάσµατα σε εποξειδική ρητίνη (R) Συγκεντρωτικός Πίνακας για τους συντελεστές k 1 και α 1 των δοµικών στοιχείων Συγκεντρωτικός Πίνακας για τους συντελεστές k 2 και α 2 των δοµικών στοιχείων Συγκεντρωτικά αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών. 245 xix

21 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΠΕΡΙΛΗΨΗ. ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ. ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ. ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΩΝ.. i ii vi xii xvii xx xxv ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ ΕΙΣΟ ΟΣ ΤΩΝ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΟ ΠΕ ΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΙΝΕΣ Ίνες γυαλιού (υαλονήµατα) Ίνες άνθρακα (ανθρακονήµατα) Ίνες αραµιδίου ΜΗΤΡΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Εποξειδικές ρητίνες Πολυεστερικές ρητίνες Βινυλεστερικές ρητίνες Κόλλα ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ Συστήµατα υγρής εφαρµογής Προκατασκευασµένα υλικά ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΧΡΗΣΗΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΑΠΟ ΙΝΟΠΛΙΣΜΕΝΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ. 1.8 Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΙΚΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 1.10 ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΩΝ ΣΥΝΘΗΚΩΝ Επίδραση της θερµοκρασίας Επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας Υγρασία xx

22 Αλκαλικό και όξινο περιβάλλον Γαλβανική διάβρωση Ερπυσµός Θραύση και διάβρωση λόγω έντασης Κόπωση Κρούση ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΟΜΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Βασική τεχνική Ειδικές τεχνικές Επισηµάνσεις Τυπικές εφαρµογές σε κατασκευές. Κεφάλαιο 2 Βάσεις σχεδιασµού ενισχύσεων µε σύνθετα υλικά 2.1 ΓΕΝΙΚΑ 2.2 ΚΑΤΑΣΤΑΤΙΚΟΙ ΝΟΜΟΙ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Οριακή κατάσταση αντοχής-πλήρης συνεργασία υλικών Οριακή κατάσταση αντοχής αποκόλληση Οριακή κατάσταση λειτουργικότητας ΣΥΝΑΦΕΙΑ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ-ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΟΣ.. Κεφάλαιο 3 Περίσφιγξη σκυροδέµατος µε σύνθετα υλικά 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ. 3.2 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΠΙΒΟΛΗΣ ΤΗΣ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗΣ ΣΤΑ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΑ 3.3 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 3.4 ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΤΑΤΙΚΟΣ ΝΟΜΟΣ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 3.5 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΑ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΑ 3.6 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑΤΑ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ 3.7 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΥ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟ ΑΠΟ ΤΗΝ fib (2001) ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΤΗΣ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗΣ xxi

23 Κεφάλαιο 4 Σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας 4.1 ΓΕΝΙΚΑ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΜΗΤΡΑΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗ ΙΝΩΝ ΑΝΘΡΑΚΑ ΜΕ ΚΟΝΙΑΜΑΤΑ ΠΟΥ ΠΕΡΙΕΧΟΥΝ ΠΟΛΥΜΕΡΗ 4.4 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΙΝΟΠΛΙΣΜΕΝΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ (FRPs) ΚΑΙ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΜΗΤΡΑΣ (FRMs). 4.5 ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ ΓΙΑ ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΜΗΤΡΑΣ. 4.6 ΣΥΣΤΑΣΗ ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΜΗΤΡΑΣ.. Κεφάλαιο 5 Πειραµατική διαδικασία 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΟΚΙΜΙΩΝ. 5.3 ΥΛΙΚΑ Σκυρόδεµα Χάλυβας Ίνες Υφάσµατα (carbon fibre fabrics) Πλέγµατα (close-meshed carbon fibre textiles) Συγκολλητικές ουσίες Εποξειδική ρητίνη Κονίαµα ανόργανης µήτρας ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΟΚΙΜΙΩΝ Κατασκευή δοκιµίων ιαδικασία σκυροδέτησης Συντήρηση - Αφαίρεση ξυλοτύπων Προεργασία επιφάνειας δοκιµίων Ενίσχυση δοκιµίων 5.5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑΤΑΞΗ Εισαγωγή Το λογισµικό Proteus xxii

24 5.5.3 Περιγραφή της Form+Test ALPHA Περιγραφή του βελοµέτρου.. Κεφάλαιο 6 Αποτελέσµατα 6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ. 6.2 ΟΜΑ Α 1- ΑΟΠΛΑ ΟΚΙΜΙΑ ( C_U, R2_U, R3_U, M4_U, M6_U) Συµπεριφορά δοκιµίου C_U Συµπεριφορά δοκιµίου R2_U Συµπεριφορά δοκιµίου R3_U Συµπεριφορά δοκιµίου M4_U Συµπεριφορά δοκιµίου M6_U ΟΜΑ Α 2 ΟΚΙΜΙΑ ΜΕ ΑΡΑΙΗ ΙΑΤΑΞΗ ΕΓΚΑΡΣΙΟΥ ΟΠΛΙΣΜΟΥ (C_S20, R2_ S20, R3_ S20, M4_ S20, M6_ S20) Συµπεριφορά δοκιµίου C_S Συµπεριφορά δοκιµίου R2_S Συµπεριφορά δοκιµίου R3_S Συµπεριφορά δοκιµίου M4_S Συµπεριφορά δοκιµίου M6_S ΟΜΑ Α 3 ΟΚΙΜΙΑ ΜΕ ΠΥΚΝΗ ΙΑΤΑΞΗ ΕΓΚΑΡΣΙΟΥ ΟΠΛΙΣΜΟΥ (C_S10, R2_ S10, R3_ S10, M4_ S10, M6_ S10) Συµπεριφορά δοκιµίου C_S Συµπεριφορά δοκιµίου R2_S Συµπεριφορά δοκιµίου R3_S Συµπεριφορά δοκιµίου M4_S Συµπεριφορά δοκιµίου M6_S ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΑ ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΟΜΑ ΩΝ 1, 2, Οµάδα 1 - Άοπλα οκίµια (C_U, R2_U, R3_U, M4_U, M6_U) Οµάδα 2 - οκίµια µε αραιή διάταξη εγκαρσίου οπλισµού (C_S20, R2_ S20, R3_ S20, M4_ S20, M6_ S20) Οµάδα 3 - οκίµια µε πυκνή διάταξη εγκαρσίου οπλισµού (C_S10, R2_ S10, R3_ S10, M4_ S10, M6_ S10) ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΑ ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΟΜΑ ΩΝ α, β, γ, δ, ε οκίµια Ελέγχου Οµάδα α ( C_U, C_S20, C_S10) xxiii

25 6.6.2 οκίµια περισφιγµένα µε δύο στρώσεις υφάσµατος ινών άνθρακα εµποτισµένων µε εποξειδική ρητίνη - Οµάδα β ( R2_U, R2_S20, R2_S10) οκίµια περισφιγµένα µε τρεις στρώσεις υφάσµατος ινών άνθρακα εµποτισµένων µε εποξειδική ρητίνη Οµάδα γ (R3_U, R3_S20, R3_S10) οκίµια περισφιγµένα µε τέσσερεις στρώσεις πλέγµατος συνεχών ινών άνθρακα εµποτισµένων µε τσιµεντοειδές κονίαµα Οµάδα δ (Μ4_U, Μ4_S20, Μ4_S10) οκίµια περισφιγµένα µε έξι στρώσεις πλέγµατος συνεχών ινών άνθρακα εµποτισµένων µε τσιµεντοειδές κονίαµα Οµάδα ε (Μ6_U, Μ6_S20, Μ6_S10) Κεφάλαιο 7 Αναλυτικό προσοµοίωµα στοιχείων τύπου υποστυλώµατος περισφιγµένων µε µανδύες συνθέτων υλικών 7.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 7.2 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗΣ Κατάστρωση των εξισώσεων για την πρόβλεψη της αντοχής και της οριακής παραµόρφωσης Περίσφιγξη µέσω µανδυών συνθέτων υλικών Περίσφιγξη µέσω εσωτερικού οπλισµού Μέθοδος πρόβλεψης της αντοχής και της οριακής παραµόρφωσης των δοκιµίων Συνολικά διαγράµµατα για την πρόβλεψη της αντοχής και της οριακής παραµόρφωσης των δοκιµίων Συµπεράσµατα. Κεφάλαιο 8 Σύνοψη αποτελεσµάτων - Συµπεράσµατα. Βιβλιογραφία xxiv

26 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΩΝ Κεφάλαιο 1 Ελληνικά πεζά γράµµατα ρ f ρ m ρ c η πυκνότητα ινών η πυκνότητα µήτρας η συνολική πυκνότητα του σύνθετου υλικού Λατινικά κεφαλαία γράµµατα E E f E m V(i=f,m,u) i V c το µέτρο Ελαστικότητας σύνθετου υλικού το µέτρο Ελαστικότητας ινών το µέτρο Ελαστικότητας µήτρας ο όγκος των ινών, της µήτρας και των κενών ο συνολικός όγκος του σύνθετου υλικού W i (i = f,m,u) το βάρος του αντίστοιχου συστατικού στοιχείου W c το συνολικό βάρος σύνθετου υλικού Λατινικά πεζά γράµµατα f f f f m v f v m v u v=v/v i i c w f w m w i =W/W i c η εφελκυστική αντοχή του σύνθετου υλικού η εφελκυστική αντοχή της ίνας η εφελκυστική τάση της µήτρας κατά την αστοχία της ίνας ο λόγος όγκου των ινών ο λόγος του όγκου της µήτρας ο λόγος όγκου των κενών ο λόγος του όγκου συστατικού στοιχείου i προς το συνολικό όγκο του σύνθετου υλικού ο λόγος βάρους των ινών το λόγος βάρους της µήτρας ο λόγος του βάρους συστατικού στοιχείου i προς το συνολικό βάρος του σύνθετου υλικού xxv

27 Κεφάλαιο 2 Ελληνικά πεζά γράµµατα γ c ο συντελεστής ασφάλειας του σκυροδέµατος (γ c =1.5) γ s ο συντελεστής ασφάλειας του χάλυβα (γ s =1.15) γ f ο συντελεστής ασφάλειας υλικού για τα σύνθετα υλικά ο συντελεστής ασφάλειας υλικού γ b ε f η παραµόρφωση στα σύνθετα υλικά ε η ενεργή οριακή παραµόρφωση των συνθέτων υλικών fue ε η µέση οριακή παραµόρφωση των συνθέτων υλικών fum σ f η τάση στα σύνθετα υλικά Λατινικά κεφαλαία γράµµατα E f το µέτρο Ελαστικότητας συνθέτων υλικών (παράλληλα στις ίνες) N η µέγιστη δύναµη αγκύρωσης συνθέτων υλικών fa,max N fa η εφελκυστική δύναµη στα σύνθετα υλικά Λατινικά πεζά γράµµατα f cd f ck f yd f yk f fd f fk l bf η θλιπτική αντοχή σχεδιασµού του σκυροδέµατος η χαρακτηριστική θλιπτική αντοχή του σκυροδέµατος η τιµή σχεδιασµού της τάσης διαρροής του χάλυβα η χαρακτηριστική τιµή της τάσης διαρροής του χάλυβα η εφελκυστική αντοχή σχεδιασµού συνθέτων υλικών η χαρακτηριστική εφελκυστική αντοχή σχεδιασµού συνθέτων υλικών το µήκος επικόλλησης l το µέγιστο µήκος επικόλλησης bf,max η e ο αριθµός των στρώσεων xxvi

28 Κεφάλαιο 3 Ελληνικά πεζά γράµµατα α f η γωνία των ινών ενός σύνθετου υλικού ως προς την κάθετο στον άξονα του µέλους ε c η αξονική παραµόρφωση του σκυροδέµατος ε c0 η αξονική παραµόρφωση που αντιστοιχεί στην αντοχή του απερίσφιγκτου σκυροδέµατος ε cc η αξονική παραµόρφωση που αντιστοιχεί στην αντοχή του περισφιγµένου σκυροδέµατος ε ccu η αξονική παραµόρφωση αστοχίας του περισφιγµένου σκυροδέµατος ε f η παραµόρφωση στο µανδύα ε η παραµόρφωση αστοχίας του µανδύα fu ε η ενεργός παραµόρφωση αστοχίας του µανδύα fu,e ε η µέγιστη εφελκυστική αντοχή του ινοπλισµένου πολυµερούς στην f,rup εγκάρσια διεύθυνση ε h η παραµόρφωση του περισφιγµένου σκυροδέµατος κατά την περίµετρο κυλίνδρου ε η παραµόρφωση του χάλυβα στην αντοχή su η e ν c µειωτικός συντελεστής, που εισάγεται λόγω της πολυαξονικότητας της εντατικής κατάστασης που αναπτύσσεται στον µανδύα, αλλά και των µικροατελειών που οδηγούν σε συγκεντρώσεις τάσεων ο λόγος Poisson του σκυροδέµατος ρ ο λόγος του εµβαδού του διαµήκους χάλυβα προς το εµβαδό της sc συνολικής διατοµής του δοκιµίου ρ το ογκοµετρικό ποσοστό της εγκάρσιας ενίσχυσης (συνδετήρων) sh σ c σ l σ lu η θλιπτική τάση του σκυροδέµατος η εφελκυστική τάση στο µανδύα η µέγιστη τάση περίσφιγξης που ασκείται στο σκυρόδεµα Λατινικά κεφαλαία γράµµατα A c A e Α g A s E c E f το εµβαδόν της καθαρής επιφάνειας του σκυροδέµατος στη διατοµή το εµβαδόν της ενεργά περισφιγµένης επιφάνειας της διατοµής το συνολικό εµβαδό της διατοµής το εµβαδόν του διατοµής του διαµήκους οπλισµού στη διατοµή το µέτρο Ελαστικότητας του σκυροδέµατος το µέτρο Ελαστικότητας συνθέτων υλικών (παράλληλα στις ίνες) xxvii

29 U η µέγιστη ενέργεια παραµόρφωσης ανά µονάδα όγκου της ενίσχυσης sh που χρησιµοποιείται για περίσφιγξη U η µέγιστη ενέργεια παραµόρφωσης ανά µονάδα όγκου του cc περισφιγµένου σκυροδέµατος U η µέγιστη ενέργεια παραµόρφωσης ανά µονάδα όγκου των διαµήκων sc ράβδων ενίσχυσης U η µέγιστη ενέργεια παραµόρφωσης ανά µονάδα όγκου του so απερίσφιγκτου σκυροδέµατος Λατινικά πεζά γράµµατα b το µήκος της µεγαλύτερης πλευράς ορθογωνικής διατοµής b η µεγαλύτερη διάσταση της χορδής µιας πλευράς του απερίσφιγκτου τµήµατος ορθογωνικής διατοµής το πλάτος των λωρίδων ενός σύνθετου υλικού b f d το µήκος της µικρότερης πλευράς ορθογωνικής διατοµής ή η διάµετρος στην περίπτωση κυκλικής διατοµής d η µικρότερη διάσταση της χορδής της άλλης πλευράς του απερίσφιγκτου τµήµατος ορθογωνικής διατοµής f c f cc f yh η θλιπτική αντοχή του απερίσφιγκτου σκυροδέµατος η θλιπτική αντοχή του περισφιγµένου σκυροδέµατος το όριο διαρροής της εγκάρσιας ενίσχυσης (συνδετήρων) f η ενεργός αντοχή του µανδύα fde f fe k 1 k 2 η ενεργός τάση στο σύνθετο υλικό ο συντελεστής αποτελεσµατικότητας της περίσφιγξης ο συντελεστής έντασης της παραµόρφωσης k ο συντελεστής διατοµής e1 k ο συντελεστής κάλυψης e2 k ο συντελεστής διεύθυνσης e3 k g m n r c s f ' s f t f ο συντελεστής του βαθµού περιτύλιξης που ορίζεται ως εξής εµπειρική σταθερά που προσδιορίζονται πειραµατικά εµπειρική σταθερά που προσδιορίζονται πειραµατικά η ακτίνα καµπυλότητας της γωνίας της διατοµής, µε την οποία στρογγυλεύονται οι ακµές των δοκιµίων η καθαρή κατακόρυφη απόσταση µεταξύ των λωρίδων περιτύλιξης των ινοπλισµένων πολυµερών η καθαρή, κατακόρυφη απόσταση µεταξύ των λωρίδων των ινοπλισµένων πολυµερών, σε περίπτωση µερικής περιτύλιξης το πάχος µανδύα των συνθέτων υλικών xxviii

30 Κεφάλαιο 5 Ελληνικά πεζά γράµµατα ρ s ρ w φ h φ L το ποσοστό του διαµήκους οπλισµού της διατοµής το ογκοµετρικό ποσοστό του εγκαρσίου οπλισµού η διάµετρος του συνδετήρα η διάµετρος του διαµήκους οπλισµού Λατινικά κεφαλαία γράµµατα A s το συνολικό εµβαδό του διαµήκους οπλισµού της διατοµής A το εµβαδό της διατοµής συνδετήρα sw T g η θερµοκρασία υαλώδους µετάπτωσης Λατινικά πεζά γράµµατα b b o c d n s το µήκος της πλευράς του τετραγωνικού στοιχείου το µήκος της πλευράς του περισφιγµένου σκυροδέµατος η περιµετρική επικάλυψη του στοιχείου το στατικό ύψος της διατοµής του στοιχείου ο αριθµός των σκελών συνδετήρα κάθετα στην πλευρά του στοιχείου η απόσταση των διαδοχικών κέντρων των συνδετήρων Κεφάλαιο 7 Ελληνικά πεζά γράµµατα α ο συνολικός συντελεστής της αποδοτικότητας της περίσφιγξης, λόγω του οπλισµού α n ο συντελεστής αποδοτικότητας της περίσφιγξης στο οριζόντιο επίπεδο α s ο συντελεστής αποδοτικότητας της περίσφιγξης, στο κατακόρυφο επίπεδο α 1 o συντελεστής αποδοτικότητας της µεθόδου TRMs σε σχέση µε των FRPs, ως προς την αντοχή α 2 o συντελεστής αποδοτικότητας της µεθόδου TRMs σε σχέση µε xxix

31 ε α ε j ε t ρ f των FRPs, ως προς την παραµορφωσιµότητα η αξονική παραµόρφωση των συνδετήρων η παραµόρφωση του µανδύα κατά την περιφέρεια η εγκάρσια παραµόρφωση των συνδετήρων η πυκνότητα του υφάσµατος ή του πλέγµατος σ η συνολική µέγιστη τάση περίσφιγξης του µανδύα συνθέτων lu υλικών και του εγκάρσιου οπλισµού σ η µέγιστη τάση περίσφιγξης του µανδύα συνθέτων υλικών lu,j σ η µέγιστη τάση περίσφιγξης του εγκάρσιου οπλισµού lu,s σ l η µέση τάση περίσφιγξης που ασκείται στο σκυρόδεµα από το µανδύα συνθέτων υλικών Λατινικά κεφαλαία γράµµατα A το συνολικό εµβαδό της διατοµής των συνδετήρων κατά τη swx διεύθυνση του άξονα-x A το συνολικό εµβαδό της διατοµής των συνδετήρων κατά τη swy διεύθυνση του άξονα-y Ε j το µέτρο Ελαστικότητας του σύνθετου υλικού το µέτρο Ελαστικότητας του χάλυβα των συνδετήρων Ε s Λατινικά πεζά γράµµατα b x το µήκος της πλευράς του υποστυλώµατος που είναι παράλληλη µε τον άξονα x-x b x0 το µήκος της πλευράς του περισφιγµένου πυρήνα του σκυροδέµατος που είναι παράλληλη µε τον άξονα x-x b x0 το µήκος της καθαρής απόστασης µεταξύ των στρογγυλευµένων γωνιών της διατοµής του υποστυλώµατος, που είναι παράλληλη µε τον άξονα x-x b y το µήκος της πλευράς του υποστυλώµατος που είναι παράλληλη µε τον άξονα y-y b y0 το µήκος της πλευράς του περισφιγµένου πυρήνα του σκυροδέµατος που είναι παράλληλη µε τον άξονα y-y b y0 το µήκος της καθαρής απόστασης µεταξύ των στρογγυλευµένων γωνιών της διατοµής του υποστυλώµατος, που είναι παράλληλη µε τον άξονα y-y το µήκος της χορδής του παραβολικού τόξου b i f j f je η εφελκυστική αντοχή του µανδύα η ενεργός εφελκυστική αντοχή του µανδύα xxx

32 f η τάση διαρροής του χάλυβα των συνδετήρων sy k e k 1 k 2 r c t j ' w i w f ο συντελεστής αποτελεσµατικότητας της περίσφιγξης η εµπειρική σταθερά αντοχής του προσοµοιώµατος Richart et al. (1928), που προσδιορίζεται πειραµατικά η εµπειρική σταθερά παραµόρφωσης του προσοµοιώµατος Richart et al. (1928), που προσδιορίζεται πειραµατικά η ακτίνα καµπυλότητας της γωνίας της διατοµής, µε την οποία στρογγυλεύονται οι ακµές των δοκιµίων το πάχος του µανδύα η καθαρή απόσταση µεταξύ των στρογγυλευµένων γωνιών της διατοµής για διάσταση i=x,y το βάρος του υφάσµατος ή του πλέγµατος xxxi

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ Η ανάγκη για µερική ή καθολική αναβάθµιση και ενίσχυση των φερόντων ή µη φερόντων στοιχείων πολλών κατασκευών οπλισµένου σκυροδέµατος ή φέρουσας τοιχοποιίας είχε σαν αποτέλεσµα την ανάπτυξη ενός πεδίου εφαρµογών του Πολιτικού Μηχανικού που αφορά τις ενισχύσεις µε σύνθετα υλικά. Στο κεφάλαιο που ακολουθεί αναπτύσσεται το γνωστικό υπόβαθρο για τα σύνθετα υλικά. 1.2 ΕΙΣΟ ΟΣ ΤΩΝ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΟ ΠΕ ΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ Οι υφιστάµενες κατασκευές στον σύγχρονο ελλαδικό χώρο αντικατοπτρίζουν τον βαθµό των γνώσεων κατά το χρονικό διάστηµα που µελετήθηκαν και κατασκευάστηκαν και πιθανότατα περιέχουν εκτεταµένα αφανή ή εµφανή σφάλµατα από άγνωστες σεισµικές καταπονήσεις και περιβαλλοντικές (φυσικοχηµικές) επιδράσεις. Η διαπιστούµενη ανεπάρκεια κατασκευών: µε µελέτη χωρίς εφαρµογή αντισεισµικού κανονισµού µε µελέτη στην οποία έγινε εφαρµογή προγενέστερου αντισεισµικού κανονισµού µε µελέτη που διαπιστώθηκε µεταγενέστερα ότι περιείχε πολλά κατασκευαστικά ή σχεδιαστικά λάθη µε µελέτη στην οποία έγινε εφαρµογή αντισεισµικού κανονισµού σε περιοχή που ορίσθηκε, στο µεταξύ, σε υψηλότερη σεισµικότητα ή που µεταβλήθηκε η δράση φορτίων του περιβάλλοντα χώρου (π.χ. σιδηροδροµικός συρµός, µηχανές κ.τ.λ.) µε ύπαρξη τρωτοτήτων (π.χ. πυλωτή, κοντά υποστυλώµατα) που προορίζονται για αλλαγή χρήσης που πρόκειται να υποστούν αλλαγές όπως π.χ. προσθήκη ασανσέρ, στέγης καθώς και οι αλλοιώσεις των οπλισµών από φυσικοχηµικές δράσεις στο έντονα διαβρωτικό περιβάλλον του ελλαδικού χώρου, καθιστούν αναγκαία την αναβάθµιση του τρέχοντος επιπέδου ασφαλείας των δοµηµάτων µέσω ενίσχυσης των δοµικών τους στοιχείων προκειµένου να ικανοποιούν τις 1

34 σύγχρονες απαιτήσεις των κανονισµών και να µπορούν να φέρουν µε ασφάλεια τα επιβαλλόµενα φορτία, χωρίς να ξεπερνούν τα ανεκτά όρια (thresholds). Αυτή η αναβάθµιση εντοπίζεται κυρίως στην ενίσχυση της καµπτοδιατµητικής αντοχής των στοιχείων σε ανακυκλιζόµενη φόρτιση και την αποφυγή του πρώιµου λυγισµού των διαµήκων ράβδων υποστυλωµάτων λόγω της υφιστάµενης ανεπαρκούς περίσφιγξης. Όσον αφορά τις τεχνικές ενίσχυσης υποστυλωµάτων υφισταµένων κατασκευών που έχουν χρησιµοποιηθεί στο παρελθόν, αυτές µπορούν να διακριθούν σε δύο κατηγορίες ανάλογα µε την αύξηση ή όχι της διατοµής τους. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν οι τεχνικές στις οποίες δεν αυξάνεται η διατοµή του υποστυλώµατος και η ενίσχυση επιτυγχάνεται µε ενεργή περίσφιγξη του στοιχείου ενώ στην δεύτερη κατηγορία η ενίσχυση επιτυγχάνεται µε αύξηση της διατοµής του στοιχείου µε νέες στρώσεις σκυροδέµατος και νέους οπλισµούς κατασκευάζοντας έναν µανδύα γύρω από το αρχικό στοιχείο ( ρίτσος, 2002). Στην πρώτη κατηγορία ανήκει η τεχνική ενίσχυσης που βασίζεται στην χρήση ινοπλισµένων πολυµερών ή FRP (Fiber Reinforced Polymers) ή απλά σύνθετων υλικών καθώς και αυτή που βασίζεται στη χρήση προκατασκευασµένων ελασµάτων από σύνθετα υλικά σε εγκοπές. Η µέθοδος ενίσχυσης µε σύνθετα υλικά στηρίζεται στην χρήση ινών κυρίως άνθρακα και γυαλιού και σπανιότερα αραµιδίου, σε συνδυασµό µε εποξειδική ρητίνη. Η εφαρµογή τους ως οπλισµός ενίσχυσης στοιχείων οπλισµένου σκυροδέµατος συνίσταται στην επικόλλησή τους στις εξωτερικές επιφάνειες δοµικών στοιχείων, µε τέτοια διεύθυνση ινών ώστε να παραλαµβάνουν σηµαντικές εφελκυστικές δυνάµεις (Τριανταφύλλου, 2003). Η τελευταία τεχνική ενίσχυσης που περιλαµβάνει κατασκευή µανδυών δεν αναλύεται περαιτέρω διότι µια τέτοια προσπάθεια ξεφεύγει από του σκοπούς της παρούσας έρευνας. Τα σύνθετα υλικά έχουν τύχει ευρείας εφαρµογής διεθνώς τα τελευταία δεκαπέντε χρόνια, στο πεδίο των τεχνικών έργων και ειδικότερα στο πεδίο των ενισχύσεων/επισκευών ενώ στην Ελλάδα εφαρµόστηκαν τα τελευταία δέκα. Ο µεγάλος αριθµός εφαρµογών σε συνδυασµό µε τον όγκο της έρευνας που διεξάγεται παγκοσµίως σε αυτό το αντικείµενο υποδηλώνουν την ελκυστικότητα αυτής της νέας τεχνικής ενίσχυσης µε προηγµένα υλικά και αποτελούν προάγγελο για την ανάπτυξη και τη συνεχή βελτίωσή τους. Παρά το γεγονός ότι αρχικά τα σύνθετα υλικά χρησιµοποιήθηκαν ευρέως και αποκλειστικά σε άλλους τοµείς όπως στην αυτοκινητοβιοµηχανία, την ναυσιπλοΐα, την αεροναυπηγική, την αεροδιαστηµική, τα είδη ηλεκτρονικών συσκευών, τα είδη σπορ κ.τ.λ., η εικόνα αυτή έχει αλλάξει τα τελευταία χρόνια καθώς ένα µεγάλο ποσοστό (της τάξεως του 25% κατά το 2002) απορροφάται στο πεδίο των τεχνικών έργων. Τα κυριότερα πλεονεκτήµατα των συνθέτων υλικών είναι η ανθεκτικότητα σε διάβρωση και η εξαιρετικά υψηλή εφελκυστική αντοχή τους 2

35 (πολλαπλάσια του κοινού χάλυβα) που συνδυάζεται µε το χαµηλό τους βάρος. Έτσι διασφαλίζεται η ευκολία και η ταχύτητα στην εφαρµογή της ενίσχυσης, παράγοντες που ενισχύονται και από την διαθεσιµότητα των συνθέτων υλικών σε πολύ µεγάλα µήκη και σε εύκαµπτη µορφή. 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). Παράλληλα είναι δυνατή η εφαρµογή τους σε δυσπρόσιτα τµήµατα των κατασκευών στα οποία οι παραδοσιακές τεχνικές (µε τους µεταλλικούς ολόσωµους µανδύες) αδυνατούσαν να εφαρµοστούν µε ευκολία. Η ενίσχυση των δοµικών στοιχείων που επιτυγχάνεται µε την περιτύλιξη τους µε ταινίες συνθέτων υλικών ή µε τη χρήση κατάλληλων µανδυών των ίδιων υλικών παρουσιάζουν το πλεονέκτηµα της ταχύτατης εφαρµογής τους, της ανάπτυξης πλήρους αντοχής σε σύντοµο χρονικό διάστηµα και του µικρού πάχους µε αποτέλεσµα να µη µειώνεται ο διαθέσιµος χώρος του εκάστοτε κτιρίου και να µην δηµιουργούνται αντιαισθητικές προσθήκες όπως συµβαίνει στην περίπτωση συµβατικού µανδύα οπλισµένου σκυροδέµατος. Τα µειονεκτήµατα που παρουσιάζει η χρήση των συνθέτων υλικών συνίστανται στην πτωχή συµπεριφορά τους σε υψηλές θερµοκρασίες και την έλλειψη πλαστιµότητας σε αντίθεση µε το χάλυβα παρότι παρέχουν υψηλή παραµορφωσιµότητα που ενδέχεται να οδηγήσει σε αύξηση της πλαστιµότητας όπως π.χ. σε περισφιγµένα υποστυλώµατα στις κρίσιµες περιοχές. Ένα από τα µειονεκτήµατα των συνθέτων υλικών θεωρείται το υψηλό τους κόστος το οποίο όµως µετριάζεται λόγω της ταχύτητας και της ευκολίας της εφαρµογής τους. Μια εναλλακτική πρακτική µικρότερου κόστους από αυτή της χρήσης σύνθετων υλικών µε µήτρα εποξειδικής ρητίνης (οργανική µήτρα) είναι αυτή της χρήσης σύνθετων υλικών µε ανόργανη µήτρα που έχει τσιµεντοειδή βάση. Η πρωτοποριακή αυτή τεχνική εµφανίστηκε στο τέλος της δεκαετίας του 1990 ακολουθώντας την αυξανόµενη παραγωγή δοµικών κονιαµάτων υψηλών επιδόσεων. Στην παρούσα διατριβή ένα από τα ζητήµατα τα οποία διερευνώνται αποτελεί η σύγκριση της αποτελεσµατικότητας της περίσφιγξης του σκυροδέµατος µε µανδύες συνθέτων υλικών ανόργανης µήτρας σε παλαιού τύπου θλιβόµενα στοιχεία σε σχέση µε µανδύες συνθέτων υλικών οργανικής µήτρας. 3

36 1.3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Τα σύνθετα υλικά που χρησιµοποιούνται στις ενισχύσεις έχουν ως συστατικά τους στοιχεία ίνες υψηλής αντοχής και υψηλού µέτρου Ελαστικότητας (π.χ. άνθρακα, γυαλιού, πολυπροπυλενίου, αραµιδίου) σε παχύρρευστη µήτρα. Η µήτρα µπορεί να είναι οποιοδήποτε υλικό από µια µεγάλη ποικιλία φυσικών και τεχνητών υλικών, συνήθως όµως είναι µία εποξειδική ρητίνη. Σε αυτή την µορφή, τόσο οι ίνες όσο και η µήτρα, διατηρούν τις φυσικές και χηµικές τους ιδιότητες, ενώ παράλληλα παράγουν ένα συνδυασµό ιδιοτήτων, που δεν είναι δυνατό να επιτευχθεί µε κανένα από τα συστατικά στοιχεία, όταν δρα µόνο του. Η συγκόλληση των ινών πάνω στο υλικό της µήτρας, που συνήθως είναι προσανατολισµένες (directional) έχει ως αποτέλεσµα ένα σύνθετο υλικό µε σαφώς καλύτερες ιδιότητες στη διεύθυνση των ινών όσον αφορά την εφελκυστική αντοχή και την δυσκαµψία. Η µεταφορά φορτίου µεταξύ της µήτρας και των ινών των συνθέτων υλικών γίνεται κυρίως µε ανάπτυξη διατµητικής τάσης στη διεπιφάνειά τους. Η αστοχία τους µπορεί να επέλθει µε κάποιον από τους ακόλουθους τρόπους. Ένας από τους τρόπους αστοχίας είναι η αποκόλληση των ινών από τη µήτρα. Κυρίαρχη αιτία αυτή της αστοχίας είναι η εξασθένιση των δεσµών της διεπιφάνειας µεταξύ ινών και µήτρας εξαιτίας της έντασης που επιβάλλεται στο σύστηµα. Αυτός ο τρόπος αστοχίας παρουσιάζεται στην ίνα (1) του Σχήµατος 1.1α που βρίσκεται στην άκρη της ρωγµής. Εάν δεν συµβεί αποκόλληση των ινών από τη µήτρα, τότε ένα µεγάλο µέρος της τάσης µεταφέρεται στις ίνες έως ότου προκληθεί η αστοχία τους. Αυτός είναι ο δεύτερος τρόπος αστοχίας που στη φάση της εφελκυστικής καταπόνησης απεικονίζεται από την ίνα (2) ενώ στη φάση της θραύσης της από την ίνα (4). Όταν συµβαίνει αποκόλληση από τη µήτρα, η ενέργεια παραµόρφωσης του αποκολληµένου µήκους της ίνας καταναλώνεται ως θερµότητα. Μια πλήρως αποκολληµένη ίνα µπορεί να ολισθήσει από την µήτρα, κυρίως όταν δεν καλύπτει µεγάλο µέρος του µήκους της µέσα σε αυτή στη θέση της ρωγµής, καταναλώνοντας µεγάλη ποσότητα αποθηκευµένης ενέργειας σε ενέργεια λόγω τριβής. Αυτός ο τύπος αστοχίας απεικονίζεται από την ίνα (3) και παρατηρείται κυρίως στην περιοχή των αγκυρώσεων. Καθώς οι ρωγµές διαδίδονται στην επιφάνεια των δοµικών στοιχείων, όλο και περισσότερες ίνες από το σύνθετο υλικό ενεργοποιούνται, γεφυρώνοντας το χάσµα µεταξύ των µικρορωγµών και αποθηκεύοντας στο εσωτερικό τους ελαστική ενέργεια. Η ενεργοποίηση των ινών βελτιώνει την πλαστιµότητα και εποµένως την παραµορφωσιµότητα των δοµικών στοιχείων, την ικανότητα απορρόφησης ενέργειας και την καµπτική τους αντοχή [Σχήµα 1.1 (β),(γ)]. Είναι προφανές πως όσο αυξάνεται το ποσοστό των ινών, τόσο πιο οµοιόµορφη γίνεται η κατανοµή τους στο ενισχυµένο στοιχείο και τόσο πιο ευεργετική είναι η συνεισφορά τους στην καθυστέρηση του ανοίγµατος των 4

37 ρωγµών και τελικά στην αύξηση της αντοχής και της δυσθραυστότητας του σύνθετου υλικού (ACI Committee 549.2R-04, 1990). (α) (β) (γ) Σχήµα 1.1 (α) Σχηµατική αναπαράσταση του τρόπου αστοχίας των ινών σε ένα δοµικό στοιχείο ενισχυµένο µε σύνθετα υλικά (β) Επίδραση των ινών στη βελτίωση της πλαστιµότητας, έναντι κάµψης (γ) Επίδραση των ινών στη βελτίωση της πλαστιµότητας, έναντι εφελκυσµού. 1.4 ΙΝΕΣ Οι ίνες στα σύνθετα υλικά αποτελούν το φορέα ανάληψης εφελκυστικών δυνάµεων κατά τη διεύθυνσή τους. Παράλληλα, µε την ύπαρξή τους περιορίζουν το άνοιγµα των ρωγµών, γεφυρώνοντας αποτελεσµατικά το χάσµα µεταξύ των µικρορωγµών του µετώπου ενός στοιχείου σκυροδέµατος (Σχήµα 1.2). Κύρια χαρακτηριστικά τους είναι η εξαιρετικά υψηλή εφελκυστική τους αντοχή και η γραµµικά ελαστική συµπεριφορά µέχρι τη θραύση τους. Τα χαρακτηριστικά τους αυτά οφείλονται στην τελειότητα της δοµής της ίνας. Συγκεκριµένα οι κρύσταλλοι του υλικού της ίνας είναι ευθυγραµµισµένοι κατά τον διαµήκη άξονά της µε αποτέλεσµα να υπάρχουν ελάχιστες εσωτερικές ατέλειες στη διεύθυνση αυτή. Οι ίνες που χρησιµοποιούνται στο πεδίο των ενισχύσεων είναι ίνες διαµέτρου 5-20µm µε πολύ µεγάλο λόγο µήκος/διάµετρο. Αυτός ο υψηλός λόγος επιτρέπει την αποτελεσµατική µεταφορά φορτίων µέσω του συνδετικού 5

38 συστατικού του συστήµατος δηλαδή της µήτρας ώστε πλέον οι ίνες να λειτουργούν ως οπλισµός. Στην βιοµηχανία των συνθέτων υλικών οι τύποι εκείνοι που προορίζονται για το πεδίο των ενισχύσεων είναι φύλλα (sheets) ή υφάσµατα (fabrics) συνεχών ινών ή κλώνοι ινών (rovings or tows). Η παραγωγή ενός κλώνου συνίσταται στην οµαδοποίηση πολλών ινών (monofilaments) µαζί για τη δηµιουργία ενός νήµατος (strand) και έπειτα στην οµαδοποίηση αρκετών νηµάτων (strands) µαζί για την δηµιουργία του κλώνου (roving or tow). Στην περίπτωση ινών γυαλιού (τύπου ΑR) η παραγωγή ενός κλώνου περιλαµβάνει την παρακάτω διαδικασία (ACI Committee 549.2R-04, 1990): Αρκετές συνεχείς ίνες γυαλιού τοποθετούνται µαζί για να σχηµατίσουν ένα συνεχές νήµα. Η τυπική διάµετρος καθεµιάς ίνας (monofilament) κυµαίνεται από 10 έως 20 µικρά. Τυπικά, ο αριθµός των ινών που απαιτούνται για τη δηµιουργία ενός νήµατος είναι Αρκετά συνεχή νήµατα συνδυάζονται µαζί για να σχηµατίσουν έναν συνεχή κλώνο. Τυπικά, ο αριθµός των νηµάτων που απαιτούνται για τη δηµιουργία ενός κλώνου είναι Οι πιο διαδεδοµένες χρησιµοποιούµενες ίνες, στο πεδίο των ενισχύσεων, είναι οι ίνες άνθρακα (ανθρακονήµατα), οι ίνες γυαλιού (υαλονήµατα) και οι ίνες αραµιδίου οι οποίες περιγράφονται αναλυτικά στις ακόλουθες ενότητες. σύνθετο υλικό Σχήµα 1.2 Αλληλεπίδραση των ινών του σύνθετου υλικού µε τις ρωγµές σε ένα στοιχείο σκυροδέµατος Ίνες γυαλιού (υαλονήµατα) Τα υαλονήµατα εµφανίστηκαν για πρώτη φορά στο εµπόριο το Παράγονται µε µηχανικό τρόπο από γυαλί (πυκνότητα kg/m 3 ) που τήκεται. Το γυαλί είναι ένα υλικό που δεν παρουσιάζει πλήρως κρυσταλλική δοµή, αλλά ούτε και ιδιότητες ρευστού. Κυρίαρχη ιδιότητά του είναι η ευθραυστότητά, η οποία θεωρείται µειονέκτηµα γιατί η επικείµενη αστοχία του δεν γίνεται νωρίτερα φανερή µέσω παραµορφώσεων, αλλά συµβαίνει αρκετά βίαια. 6

39 Ανάλογα µε το είδος της εφαρµογής, για το οποίο αναπτύχθηκαν, υπάρχουν έξι διαφορετικοί τύποι υαλονηµάτων. Από αυτούς, οι τρεις πιο διαδεδοµένοι τύποι περιέχουν γυαλί τύπου Ε, τύπου Ζ ή AR και τύπου S. Ο τύπος ινών γυαλιού Ε είναι ο κοινός και ο πλέον συνηθισµένος τύπος γυαλιού που χρησιµοποιήθηκε στο παρελθόν σε συνδυασµό µε την εποξειδική ρητίνη. Βασικό του µειονέκτηµα είναι η µείωση της αντοχής σε αλκαλικό περιβάλλον όπως είναι αυτό του σκυροδέµατος. Συγκεκριµένα, όταν ίνες γυαλιού τύπου Ε εκτεθούν σε µίγµατα που περιέχουν τσιµέντο Portland όπως στο κοινό σκυρόδεµα ή σε κονιάµατα, τότε η αλκαλική τους φύση καταστρέφει τις ίνες. Προκειµένου να λυθεί το πρόβληµα, υιοθετήθηκαν οι εξής τρεις τεχνικές: Η πρώτη τεχνική περιελάµβανε την επικάλυψη των ινών γυαλιού µε ειδικές πολυµερικές ουσίες που παρεµπόδιζαν την απευθείας επαφή των ινών µε τα τσιµεντοειδή παρασκευάσµατα. Η δεύτερη περιελάµβανε την τροποποίηση της χηµικής σύνθεσης των ινών ούτως ώστε να είναι χηµικά ανθεκτικές στην αλκαλική φύση του περιβάλλοντος σκυροδέµατος (ACI Committee 549.2R-04, 1990) και η τρίτη πρότεινε την µείωση του αλκαλικού επιπέδου του σκυροδέµατος. Η πρώτη τεχνική εισήγαγε το πρόβληµα του χαµηλού ποιοτικού ελέγχου των ινών λόγω της δυσκολίας οµοιόµορφης επικάλυψής τους και δεν γνώρισε µεγάλη εφαρµογή. Η δεύτερη τεχνική εφαρµόστηκε επιτυχώς στην βιοµηχανία των συνθέτων υλικών ενώ η τρίτη εγκαταλείφθηκε γιατί φανερώθηκε ότι η µείωση του φυσικού αλκαλικού επιπέδου του τσιµέντου επηρέαζε δυσµενώς τα χαρακτηριστικά του σκυροδέµατος (όπως την αντοχή και την δυσκαµψία του). Επιπροσθέτως, έθετε σε κίνδυνο τον εσωτερικό, µεταλλικό οπλισµό του σκυροδέµατος γιατί ως γνωστόν η εγγενής αλκαλικότητα του τσιµέντου προστατεύει τα δοµικά στοιχεία έναντι διάβρωσης (Curbach M., Jesse F., 1999). Από την άλλη πλευρά, οι ίνες γυαλιού τύπου Ζ ή AR έχουν µεγάλη αντοχή σε αλκαλικό περιβάλλον. Όπως φαίνεται στον Πίνακα 1.1., το γυαλί τύπου S έχει υψηλότερη εφελκυστική αντοχή και µέτρο Ελαστικότητας από το γυαλί τύπου Ε και λόγω του υψηλού του κόστους έχει περιορισµένη εφαρµογή. Οι ίνες γυαλιού, αν και αντιδρούν µε ορισµένες αλκαλικές ενώσεις και ισχυρά οξέα, ωστόσο είναι ανθεκτικές στους περισσότερους διαλύτες. Το γυαλί παρέχει εξαιρετική θερµική και ηλεκτρική µόνωση. Τα φύλλα γυαλιού έχουν µικρότερη αντοχή σε κόπωση από τα περισσότερα µέταλλα. Επίσης, παρουσιάζουν ερπυστικές παραµορφώσεις και ευπάθεια σε διάβρωση. 7

40 1.4.2 Ίνες άνθρακα (ανθρακονήµατα) Οι ίνες άνθρακα (πυκνότητα kg/m 3 ) διατίθενται στο εµπόριο από τα τέλη της δεκαετίας του Αυτές παράγονται είτε µέσω απόσταξης κάρβουνου (pitch) είτε µέσω πυρόλυσης σε πολύ υψηλή θερµοκρασία (συχνά έως και 3000 C) από πολυακρυλονιτρίλιο (PAN). 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. Με αυτό τον τρόπο οι κρύσταλλοι σταθεροποιούνται σε µία βέλτιστη διάταξη. Θεωρητικά, οι ίνες άνθρακα είναι δυνατό να αποκτήσουν µηχανικές ιδιότητες που προσεγγίζουν τα 100 GPa GPa για το µέτρο Ελαστικότητας. Οι τιµές αυτές πάντως, κατά κανόνα, δεν αναπτύσσονται πλήρως, λόγω ατελειών που παρουσιάζουν στην κρυσταλλική δοµή. Οι ιδιότητες τους παρουσιάζονται στον Πίνακα 1.1. Οι ίνες άνθρακα είναι χηµικά αδρανείς στους περισσότερους όξινους ή βασικούς διαλύτες, ενώ παράλληλα έχουν µεγάλη αντοχή στις υψηλές θερµοκρασίες. Τα φύλλα από ανθρακονήµατα είναι ανθεκτικά σε κόπωση, ερπυσµό και διάβρωση. Αξίζει να σηµειωθεί ότι το κόστος των ανθρακονηµάτων, αν και είναι αρκετά υψηλό σε σχέση µε τα άλλα είδη ινών, έχει µειωθεί σηµαντικά τα τελευταία χρόνια. Επεµβάσεις στην επιφάνεια των ινών άνθρακα µε σκοπό τη βελτίωση των συνθηκών συνάφειας µε τη µήτρα έχουν γίνει σε περιορισµένο βαθµό µέχρι σήµερα. Οι επεµβάσεις αυτές στις περιπτώσεις που εφαρµόζονταν γίνονταν είτε µε οξείδωση των επιφανειών µε αέρα ή όζον είτε µε χάραξή τους µε πλάσµα (plasma-etching) και σκόπευαν στην αύξηση των παραµορφώσεων στην εξωτερική επιφάνεια των ινών. Όπως αποδείχθηκε από πειράµατα εφελκυσµού, οι επεµβάσεις αυτές έπαιζαν αρνητικό ρόλο στις ίνες αφού µείωναν δραστικά την αντοχή τους (ACI Committee 549.2R-04, 1990) Ίνες αραµιδίου Οι ίνες αραµιδίου είναι οι ελαφρύτερες µε πυκνότητα 1450 kg/m 3. Η εµπορική ονοµασία των πρώτων ινών αραµιδίου που κυκλοφόρησαν στην αγορά στις αρχές της δεκαετίας του 1970, είναι Kevlar. Παράγονται είτε από αρωµατικό πολυαραµίδιο (Κέβλαρ, Twaron) είτε από αρωµατικό πολυαιθεραµίδιο (Technora) και πλεονεκτούν αναφορικά µε την αντοχή τους σε κρουστικά φορτία. Η χρήση τους, σε σχέση µε τα υαλονήµατα και τα ανθρακονήµατα είναι περιορισµένη. Κύρια εφαρµογή τους αποτελεί η θωράκιση κατασκευών από κρουστικά φορτία όπως για παράδειγµα η 8

41 κατασκευή µανδυών σε υποστυλώµατα γεφυρών στα οποία υπάρχει ο κίνδυνος µεγάλων κρουστικών φορτίων. Οι ιδιότητες τους παρουσιάζονται στον Πίνακα 1.1. Υλικό Μέτρο Ελαστικότητας (GPa) Εφελκυστική αντοχή (MPa) Οριακή παραµόρφωση εφελκυστικής αστοχίας (%) Άνθρακας Υψηλής αντοχής Υπέρ-υψηλής αντοχής Υψηλού µέτρου Ελαστικότητας Υπέρ-υψηλού µέτρου Ελαστικότητας Γυαλί Ε Ζ ήar S Αραµίδιο Χαµηλού µέτρου Ελαστικότητας (Κέβλαρ 29) Υψηλού µέτρου Ελαστικότητας (Κέβλαρ 49, Twaron) Πίνακας 1.1 Ενδεικτικές ιδιότητες ινών (Feldam 1989, Kim 1995). 1.5 ΜΗΤΡΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Η µήτρα στα σύνθετα υλικά αποτελεί την συγκολλητική ουσία µεταξύ των ινών. Συνήθως είναι ένα θερµοσκληρυνόµενο πολυµερές το οποίο συνεισφέρει στα εξής: Συνδέει τις ίνες µεταξύ τους χηµικά και µηχανικά. 9

42 Εξασφαλίζει τη µεταφορά δυνάµεων στις ίνες µέσω της ανάπτυξης διατµητικής τάσης στη διεπιφάνεια µεταξύ της ίνας και της µήτρας. Καθορίζει αρκετές µηχανικές ιδιότητες συνθέτων υλικών όπως είναι η αντοχή κάθετα στη διεύθυνση των ινών, η διατµητική και θλιπτική αντοχή. Προστατεύει τις ίνες από δυσµενείς περιβαλλοντικές επιδράσεις. Προσφέρει ανθεκτικότητα και ηλεκτρική µόνωση στις ίνες του τελικού σύνθετου υλικού. Πρωτεύοντα ρόλο για την ανάπτυξη εξαιρετικών µηχανικών ιδιοτήτων και ανθεκτικότητας στα σύνθετα υλικά αποτελεί η ύπαρξη χηµικής συµβατότητας µεταξύ ινών και µήτρας έτσι ώστε να µη λάβουν χώρα ανεπιθύµητες αντιδράσεις κατά τη σύνδεση τους. Η µεγάλη διάρκεια ζωής, που χαρακτηρίζει τις πολυµερικές µήτρες, σχετίζεται µε την προοδευτική αλλαγή των φυσικών τους ιδιοτήτων, που λαµβάνει χώρα µε την πάροδο του χρόνου και την φόρτιση. Η προένταση των συνθέτων υλικών µπορεί να έχει σηµαντική επίδραση στη διάρκεια ζωής της µήτρας πολυµερούς. Η διάρρηξη λόγω ερπυσµού, που αποτελεί τυπική µορφή αστοχίας των ινοπλισµένων πολυµερών, οφείλεται στην ιξωδοπλαστική συµπεριφορά της µήτρας από πολυµερές και όχι στις ίνες. Οι ρητίνες, από τη φύση τους, είναι τουλάχιστον µία τάξη µεγέθους ασθενέστερες από τις ίνες τις οποίες εµποτίζουν. Είναι περισσότερο ευπαθείς, σε σχέση µε τις ίνες, στη θερµότητα και γενικά εµφανίζουν µεγαλύτερη ευαισθησία στους χηµικούς διαλύτες, τα οξέα, τις βάσεις και το νερό. Όλα τα είδη των ρητινών παρουσιάζουν σηµαντικές ερπυστικές παραµορφώσεις, σε σχέση µε τα παραδοσιακά δοµικά υλικά. Ωστόσο, τα σύνθετα υλικά ινοπλισµένων πολυµερών δε θα µπορούσαν να υπάρξουν χωρίς τις ρητίνες, καθώς αυτές µεταφέρουν τα φορτία και κατανέµουν τις τάσεις στις ίνες, κάθε στρώσης, του πολυµερούς. Με τον τρόπο αυτό επιτρέπουν στο ινοπλισµένο πολυµερές να συµπεριφέρεται σαν οµογενές υλικό. Για την παραγωγή των συνθέτων υλικών χρησιµοποιούνται συνήθως εποξειδικές ρητίνες και σπανιότερα πολυεστερικές και βινυλεστερικές. Οι εποξειδικές µήτρες οι οποίες είναι και ακριβότερες υπερέχουν από τους άλλους τύπους µήτρας λόγω των εξαιρετικών µηχανικών χαρακτηριστικών και της µεγάλης ανθεκτικότητας σε δυσµενείς περιβαλλοντικές επιδράσεις. Οι σηµαντικότερες µηχανικές ιδιότητες τους παρουσιάζονται στον Πίνακα

43 Είδος ρητίνης Εφελκυστική αντοχή (MPa) Μέτρο Ελαστικότητας (GPa) Επιµήκυνση θραύσης (%) Πυκνότητα (gr/cm 3 ) Εποξειδική Πολυεστερική Βινυλεστερική < Πίνακας 1.2 Ιδιότητες ρητινών Εποξειδικές ρητίνες Οι εποξειδικές ρητίνες θεωρούνται γενικά οι καλύτερες µήτρες για χρήση σε ινοπλισµένα πολυµερή, εξαιτίας της µεγάλης αντοχής, της συγκολλητικής ικανότητας, της ανθεκτικότητας σε κόπωση και χηµική διάβρωση, καθώς και της χαµηλής συστολής ξήρανσης που παρουσιάζουν. Όπως συµβαίνει και µε τα άλλα είδη ρητινών, οι εποξειδικές ιδιότητες ποικίλουν σηµαντικά ανάλογα µε τη ρητίνη βάσης και τις χηµικές ενώσεις, που χρησιµοποιούνται για την παραγωγή τους. Ο συντελεστής ιξώδους των εποξειδικών ρητινών είναι γενικά µεγαλύτερος από τον αντίστοιχο συντελεστή, των πολυεστερικών και των βινυλεστερικών ρητινών. Χρειάζονται επίσης περισσότερο χρόνο για να αναπτύξουν πλήρως τις µηχανικές τους ιδιότητες και έχουν υψηλό κόστος, σε σχέση µε τις άλλες δύο κατηγορίες ρητινών Πολυεστερικές ρητίνες Οι πολυεστερικές ρητίνες αποτελούν τον κύριο όγκο των πολυµερών, που χρησιµοποιούνται στη βιοµηχανία παραγωγής συνθέτων υλικών. Πρόκειται για ακόρεστους πολυεστέρες, που παράγονται από την αντίδραση γλυκόζης, είτε µε διβασικά οξέα είτε µε ανυδρίτες. Λόγω της µεγάλης ποικιλίας των συστατικών τους στοιχείων, οι ιδιότητες των πολυεστερικών ρητινών µπορούν να διαφέρουν σηµαντικά µεταξύ τους. Η χηµική αντίδραση, µε την οποία παράγονται οι πολυεστέρες είναι σηµαντικά εξώθερµη. Για τον λόγο αυτό απαιτείται µεγάλη προσοχή στη χρήση της ποσότητας της µάζας των αντιδρώντων. Εάν η µάζα είναι µεγάλη, το φύλλο πολυεστέρα µπορεί να αναφλεγεί ή να ρηγµατωθεί. Αντίθετα εάν η µάζα είναι µικρή, η θερµότητα που εκλύεται δεν επαρκεί για την ολοκλήρωση της αντίδρασης. 11

44 Οι πολυεστέρες παρουσιάζουν µέτρια ανθεκτικότητα στους διαλύτες και τα οξέα, ενώ είναι ευπαθείς στις βάσεις και στο νερό υψηλής θερµοκρασίας. Είναι γενικά λιγότερο ανθεκτικοί σε κόπωση, συγκριτικά µε τις εποξειδικές και τις βινυλεστερικές ρητίνες. Η παραµόρφωση θραύσης είναι κατά κανόνα της τάξης του 1%. Ωστόσο το κυριότερο µειονέκτηµα των πολυεστερικών ρητινών, για χρήση τους σε κατασκευές που κατοικούνται, είναι η δυσάρεστη οσµή, λόγω της χηµικής τους σύστασης Βινυλεστερικές ρητίνες Οι βινυλεστερικές ρητίνες είναι υβριδικές ρητίνες, που παράγονται µε αλυσιδωτές αντιδράσεις ενός εποξειδικού πολυµερούς, µε ακρυλικές ή µεθακρυλικές ενώσεις. Εξαιτίας της παρουσίας του εποξειδικού πολυµερούς, οι βινυλεστερικές ρητίνες, σε σχέση µε τις πολυεστερικές, είναι περισσότερο εύκαµπτες, σκληρότερες, πιο ανθεκτικές σε κόπωση και λιγότερο χηµικά ενεργές. Οι υδροξυλικές ενώσεις, που περιέχονται στο εποξειδικό πολυµερές, σχηµατίζουν δεσµούς υδρογόνου µε αντίστοιχες ενώσεις στην επιφάνεια των ινών γυαλιού. Με τον τρόπο αυτό βελτιώνεται σηµαντικά η σύνδεση της ρητίνης µε τις ίνες, αν και δε φτάνει στο επίπεδο της συγκολλησιµότητας των εποξειδικών ρητινών. Αυτό οφείλεται κυρίως στη µεγάλη απώλεια όγκου των βινυλεστερικών ρητινών, λόγω συστολής ξηράνσεως. Από την άλλη πλευρά όµως, οι βινυλεστερικές ρητίνες δεν έχουν τόσο υψηλή αντοχή και ανθεκτικότητα σε κόπωση, όσο οι εποξειδικές. Λόγω της χηµικής τους σύστασης, αντιµετωπίζουν επίσης το ίδιο πρόβληµα δυσοσµίας µε τις πολυεστερικές ρητίνες. Η συστολή ξήρανσης είναι γενικά της τάξεως του 5 µε 10%. Το κόστος τους είναι συνήθως µεταξύ του κόστους των εποξειδικών και των πολυεστερικών ρητινών Κόλλα Η κόλλα που είναι κατά κανόνα εποξειδική ρητίνη δύο συστατικών, εφαρµόζεται µεταξύ του υποστρώµατος και του συνθέτου υλικού, εξασφαλίζοντας έτσι τη συνεργασία και τη µεταφορά των τάσεων από το πρώτο στο δεύτερο. Η χρήση των εποξειδικών ρητινών προϋποθέτει την κατανόηση τριών βασικών εννοιών. Αυτές είναι: Ο χρόνος εργασιµότητας (pot life) Είναι αυτός που έχει κάποιος στη διάθεση του για να χρησιµοποιήσει την κόλλα, πριν αρχίσει να µειώνεται το ιξώδες της και να σκληρύνεται. Εξαρτάται από τον τύπο της κόλλας, την θερµοκρασία του περιβάλλοντος, την 12

45 ποσότητα κόλλας και µειώνεται µε την αύξηση της θερµοκρασίας του περιβάλλοντος. Ενδεικτικοί χρόνοι για ποσότητα τυπικής κόλλας 5 kgr είναι 90 min σε 15 C και 30 min σε 35 C. Ο χρόνος εφαρµογής (open time) Είναι το χρονικό διάστηµα στο οποίο η κόλλα είναι ενεργή, δηλαδή έχει ικανοποιητικές συγκολλητικές ιδιότητες. Μέσα σε αυτό το χρονικό διάστηµα πρέπει να ολοκληρώνεται η επικόλληση του οπλισµού στην επιφάνεια του υποστρώµατος. Η θερµοκρασία υαλώδους µετάπτωσης, T g (glass transition temperature) Είναι η θερµοκρασία στην οποία οι κόλλες υφίστανται ραγδαία αποµείωση του µέτρου Ελαστικότητας, οπότε έχουν περιορισµένη πλέον ικανότητα µεταφοράς δυνάµεων. 1.6 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ 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), αποτελούνται από συνεχείς ίνες µίας κυρίως διεύθυνσης, χωρίς µήτρα («ξηρή» κατάσταση). Υφάσµατα (fabrics) αποτελούµενα από συνεχείς ίνες σε δύο τουλάχιστον διευθύνσεις (π.χ. 0 και 90 ή ±45 σε σχέση µε τον άξονα του υπό ενίσχυση µέλους, χωρίς µήτρα («ξηρή» κατάσταση). Φύλλα (sheets) ή υφάσµατα (fabrics), αποτελούµενα από συνεχείς ίνες µίας κυρίως διεύθυνσης, προεµποτισµένα µε ρητίνη (µήτρα) σε µη σκληρυµένη µορφή. Η εφαρµογή τους γίνεται µε ή χωρίς επί πλέον ρητίνη. Φύλλα (sheets) ή υφάσµατα (fabrics), αποτελούµενα από συνεχείς ίνες σε τουλάχιστον δύο διευθύνσεις, προεµποτισµένα µε ρητίνη (µήτρα) σε µη σκληρυµένη µορφή. Η εφαρµογή τους γίνεται µε ή χωρίς επί πλέον ρητίνη. Συνεχείς ίνες χωρίς µήτρα («ξηρή» κατάσταση), συγκεντρωµένες σε µορφή νήµατος (tow), που εµποτίζεται µε ρητίνη, ενώ τυλίγεται (π.χ. µε αυτοµατοποιηµένο τρόπο) στο υπό ενίσχυση δοµικό µέλος. Προεµποτισµενες συνεχείς ίνες, συγκεντρωµένες σε µορφή νήµατος (tow), που ενώ τυλίγεται (π.χ. µε αυτοµατοποιηµένο τρόπο) στο υπό ενίσχυση 13

46 δοµικό µέλος, υφίσταται ενδεχοµένως και πρόσθετο εµποτισµό [Σχήµα 1.3(α)]. (α) (β) (γ) Σχήµα 1.3 (α) Ύφασµα σε ρολό και συνεχείς ίνες σε µορφή νήµατος, (β) Προκατασκευασµένα ελάσµατα σε µορφή ρόλων και (γ) Ύφασµα Προκατασκευασµένα υλικά Προκατασκευασµένα ευθύγραµµα και σχετικά δύσκαµπτα ελάσµατα (strips), που επικολλούνται µέσω ρητίνης. Έχουν πάχος της τάξης του 1mm και πλάτους π.χ. 50 mm, 100mm. Τα ελάσµατα διατίθενται συνήθως σε µορφή ρόλων, «κουλούρες» [Σχήµα 1.3(β)] και παράγονται µε τη µέθοδο της εξέλασης (pultrusion) ή της στρωµάτωσης (lamination), σπανιότερα. Στη µέθοδο της εξέλασης, οι ίνες είναι συνεχείς και παράλληλες στη διεύθυνση των ελασµάτων, ενώ στη µέθοδο της στρωµάτωσης επιτρέπεται η χρήση ινών σε διαφορετικές διευθύνσεις (π.χ. παράλληλες και κάθετες στη διεύθυνση των ελασµάτων ή και υπό γωνίες ±45 ). Τα ελάσµατα που παράγονται προορίζονται συνήθως για την τοποθέτησή τους σε εγκοπές µε σκοπό την αύξηση της καµπτικής αντοχής υφισταµένων µελών σκυροδέµατος. Προκατασκευασµένοι µανδύες (jackets) - κελύφη (shells). Τα στοιχεία αυτά τοποθετούνται περιµετρικά υποστυλωµάτων µε στόχο την αύξηση της περίσφιγξης ή της διατµητικής αντοχής. Προκατασκευασµένες γωνιές (angles) οι οποίες επικολλούνται µέσω ρητίνης και εφαρµόζονται στην ενίσχυση πλακοδοκών έναντι τέµνουσας. Γενικά µπορεί να διαπιστωθεί πως όταν η εφαρµογή αφορά επίπεδες επιφάνειες (π.χ. καµπτική ενίσχυση δοκών ή πλακών) προτιµούνται τα προκατασκευασµένα ελάσµατα έναντι υφασµάτων ή φύλλων, ενώ όταν η εφαρµογή αφορά ενίσχυση υποστυλωµάτων µε µανδύες ή διατµητική ενίσχυση δοκών προτιµάται η εφαρµογή υφασµάτων µέσω της υγρής µεθόδου. 14

47 1.7 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΧΡΗΣΗΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΑΠΟ ΙΝΟΠΛΙΣΜΕΝΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ Τα κυριότερα πλεονεκτήµατα της χρήσης συνθέτων υλικών, για την επισκευή και ενίσχυση κατασκευών, σε σχέση µε τις παραδοσιακές µεθόδους, που περιλαµβάνουν τη χρήση συµβατικών υλικών, είναι: Η απαίτηση µικρής προετοιµασίας στο εργοτάξιο και µη αναγκαιότητας εκκένωσης του χώρου. Η απλότητα της εφαρµογής των συνθέτων υλικών. Οι αµετάβλητες διαστάσεις του ενισχυόµενου δοµικού στοιχείου, λόγω του µικρού πάχους του σύνθετου υλικού. Η δυνατή τοποθέτηση των σύνθετων υλικών ακόµα και σε περιπτώσεις που υπάρχει περιορισµός του χώρου εργασίας (π.χ. υποστυλώµατα σε µεσοτοιχία). Το µικρό βάρος των συνθέτων υλικών, καθώς και η µη ύπαρξη αναγκαιότητας βαρέως ή ειδικού εξοπλισµού. Η δυνατότητα των συνθέτων υλικών να επιχριστούν και να χρωµατιστούν, σύµφωνα µε τις αισθητικές απαιτήσεις του έργου. Η αµεταβλητότητα των αρχιτεκτονικών χαρακτηριστικών των κατασκευών. Ωστόσο πρέπει να επισηµάνουµε και ορισµένα µειονεκτήµατα των ινοπλισµένων πολυµερών, που είναι: το υψηλό τους κόστος (αυξάνεται µε τον αριθµό των στρώσεων) Η παρουσίαση σχεδόν γραµµικής καµπύλης έντασης-παραµόρφωσης, έως την αστοχία τους. Παρόλο που οι µήτρες στα σύνθετα υλικά επιδέχονται πλαστική παραµόρφωση, οι ίνες γενικά συµπεριφέρονται µόνο ελαστικά. Η απαίτηση της προστασίας τους από πυρκαγιά, υπεριώδη ακτινοβολία, καθώς και από αλκαλικό περιβάλλον. Η αποδοτικότητα των πολλαπλών στρώσεων δεν είναι ανάλογη του αριθµού των στρώσεων. Η δυσκολία εµποτισµού στρώσεων µεγάλου πάχους. Η ύπαρξη, στις µέρες µας, σχετικής άγνοιας γύρω από το θέµα των ινοπλισµένων πολυµερών, γιατί η τεχνική της ενίσχυσης µε αυτά τα υλικά αποτελεί µια νέα τεχνική και προφανώς κρίνεται ως άγνωστο αντικείµενο για πολλούς µηχανικούς, εργολάβους και τεχνίτες. Έτσι, απαιτείται κατάλληλα εξειδικευµένο προσωπικό για τη σωστή και αποδοτική εφαρµογή της συγκεκριµένης τεχνικής. Η απουσία ενιαίων κανονισµών σχεδιασµού, που δηµιουργεί κάποιες επιφυλάξεις και προβλήµατα. 15

48 1.8 Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Οι ιδιότητες των συνθέτων υλικών προκύπτουν ως συνδυασµός των ιδιοτήτων των διακριτών συστατικών των υλικών από τα οποία αποτελούνται, δηλαδή των ινών και της µήτρας. Στον Πίνακα 1.3 παρουσιάζονται η εφελκυστική αντοχή, το µέτρο Ελαστικότητας και το πάχος µίας στρώσης των δύο συνηθέστερων τύπων ινοπλισµένων πολυµερών υγρής εφαρµογής που χρησιµοποιούνται για ενίσχυση δοµικών στοιχείων. Οι τύποι αυτοί, προκύπτουν µε συνδυασµό είτε υαλονηµάτων και εποξειδικής ρητίνης, είτε ανθρακονηµάτων και εποξειδικής ρητίνης. Τύπος σύνθετου υλικού Εφελκυστική αντοχή (MPa) Μέτρο Ελαστικότητας (GPa) Πάχος στρώσης (mm) Υαλονήµατα και εποξειδική ρητίνη Ανθρακονήµατα υψηλής αντοχής και εποξειδική ρητίνη Πίνακας 1.3 Ενδεικτικές τιµές σύνθετων υλικών ινοπλισµένων πολυµερών. 1.9 ΜΙΚΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες ενός σύνθετου υλικού καθορίζονται από τα αντίστοιχα των διακριτών συστατικών του. Από την πλευρά της µικροµηχανικής, προκειµένου να καθοριστούν οι ιδιότητες του σύνθετου υλικού θα πρέπει να είναι γνωστό το ποσοστό, µε το οποίο συµµετέχει κάθε υλικό στο τελικό προϊόν. Ο "κανόνας ανάµειξης" (rule of mixtures) χρησιµοποιεί τα ποσοστά συµµετοχής ινών και ρητίνης στο τελικό προϊόν για την πρόβλεψη των µηχανικών ιδιοτήτων του σύνθετου υλικού. Ο «κανόνας ανάµειξης» περιγράφεται από τις παρακάτω σχέσεις: v f +v m +v u =1 w +w =1 f m (1.1) (1.2) ρ c = ρ f v f +ρ m v m (1.3) 16

49 όπου: v: f ο λόγος του όγκου των ινών v m : ο λόγος του όγκου της µήτρας v u : ο λόγος του όγκου των κενών µε v=v/v i i c όπου: V c ο συνολικός όγκος του σύνθετου υλικού V(i=f,m,u):ο i όγκος των ινών, της µήτρας και των κενών w: f ο λόγος του βάρους των ινών w m : ο λόγος του βάρους της µήτρας µε w i =W/W i c όπου: W c το συνολικό βάρος του σύνθετου υλικού W i (i = f,m,u) :το βάρος του αντίστοιχου συστατικού στοιχείου ρ f : η πυκνότητα των ινών ρ m : η πυκνότητα της µήτρας ρ c : η συνολική πυκνότητα του σύνθετου υλικού Το µέτρο Ελαστικότητας και η εφελκυστική αντοχή των συνθέτων υλικών µπορούν να εκτιµηθούν από το άθροισµα των γινοµένων της αντίστοιχης ιδιότητας για τις ίνες επί το αντίστοιχο ποσοστό αυτών και της αντίστοιχης ιδιότητας για τη µήτρα επί το αντίστοιχο ποσοστό αυτής. Αν Ε είναι το µέτρο Ελαστικότητας του σύνθετου υλικού, Ε f το µέτρο Ελαστικότητας των ινών και Ε m το µέτρο Ελαστικότητας της µήτρας τότε η ακόλουθη σχέση παρέχει το µέτρο Ελαστικότητας του σύνθετου υλικού συναρτήσει των Ε f και Ε m. E=E f v f +E m v m (1.4) Η εφελκυστική αντοχή του σύνθετου υλικού εξαρτάται από την εφελκυστική αντοχή των ινών δεδοµένου ότι η αντοχή τους είναι µία τάξη µεγέθους µεγαλύτερη από αυτή του συνδετικού υλικού. Εάν f: η εφελκυστική αντοχή του σύνθετου υλικού τότε: f: f η εφελκυστική αντοχή της ίνας f m : η εφελκυστική τάση της µήτρας κατά την αστοχία της ίνας f =f v +f v f f f m m (1.5) 17

50 1.10 ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΩΝ ΣΥΝΘΗΚΩΝ Τα σύνθετα υλικά, που σχεδιάζονται και παρασκευάζονται έτσι ώστε να είναι ανθεκτικά υπό φυσιολογικές συνθήκες περιβάλλοντος, για µακρές χρονικές περιόδους, παρουσιάζουν ένα λογικό εύρος περιβαλλοντικών συνθηκών, οι οποίες περιλαµβάνουν: Θερµοκρασία Υγρασία Αλκαλικό και όξινο περιβάλλον Υδρογονάνθρακες Υπεριώδη ακτινοβολία Γαλβανική διάβρωση Ερπυσµό, θραύση υπό τάση, διάβρωση υπό τάση Κόπωση Κρούση Επίδραση της θερµοκρασίας Για το φυσιολογικό εύρος των θερµοκρασιών, στις οποίες χρησιµοποιούνται τα περισσότερα συστήµατα ινοπλισµένων πολυµερών, δεν αναµένονται σηµαντικές αλλαγές στη συµπεριφορά τους, µε την προϋπόθεση ότι τόσο η επιλογή όσο και η εφαρµογή του συστήµατος έχει γίνει µε τον ενδεδειγµένο τρόπο. Η θερµοκρασία υαλώδους µετάπτωσης, T g όπως αναφέρθηκε ανωτέρω, είναι το σηµείο πέρα από το οποίο το ινοπλισµένο πολυµερές υφίσταται δυσµενείς αλλοιώσεις (µη αναστρέψιµες, στις περισσότερες περιπτώσεις) στη δοµή του, παρουσιάζοντας σηµαντική µείωση των µηχανικών χαρακτηριστικών του. Ως εκ τούτου, σε θερµοκρασίες της τάξης των C µειώνεται σηµαντικά η ικανότητα ανάληψης δυνάµεων στις ρητίνες (µήτρα συνθέτων υλικών και κόλλα στην διεπιφάνεια συνθέτων υλικών - σκυροδέµατος). Σε ακόµα υψηλότερες θερµοκρασίες της τάξης των C προκαλείται πλήρης αποσύνθεση των ρητινών (πολλές από τις οποίες κατά την καύση τους εκλύουν τοξικά αέρια) και εποµένως τα σύνθετα υλικά δεν µπορούν να φέρουν τάσεις. Οι θερµοκρασίες «αποσύνθεσης» των ινών είναι 1000 C για το γυαλί, 650 C για τον άνθρακα και 200 C για το αραµίδιο. Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών αποδεικνύουν ότι µανδύες συνθέτων υλικών µε ίνες άνθρακα και εποξειδική µήτρα υφίστανται απώλεια αντοχής για θερµοκρασίες πάνω από 260 C. 18

51 Κατά τον σχεδιασµό συστηµάτων ινοπλισµένων πολυµερών πρέπει να λαµβάνεται υπόψη η πιθανή επιβλαβής επίδραση θερµοκρασιών µεγαλύτερων από 80 C. Προκειµένου να εµποδιστεί η δυσµενής επίδραση της υψηλής θερµοκρασίας το σύστηµα επικαλύπτεται µε ειδικά επιχρίσµατα πρόσµικτων ουσιών επιβραδυντικών της καύσης ή κοινά επιχρίσµατα µεγάλου πάχους της τάξης των 40-50mm. Τα σύνθετα υλικά, που δε διαθέτουν πυροπροστασία θεωρούνται ανενεργά σε περίπτωση πυρκαγιάς. Σύνθετα υλικά έχουν επίσης δοκιµαστεί σε ακραίες αρνητικές θερµοκρασίες της τάξης των -40 C και δεν έχουν διαπιστωθεί δυσµενείς επιπτώσεις στην εν γένει συµπεριφορά τους. Αξίζει να σηµειωθεί ότι σε θερµοκρασίες µεταξύ -10 C και -30 C αυξάνεται σηµαντικά η δυσκαµψία του υλικού, µε συνέπεια µία εξαιρετικά ψαθυρή µορφή αστοχίας, αλλά και µείωση της αντοχής σε κρούση. Πειράµατα, που έχουν γίνει σε µεµονωµένες στρώσεις ινοπλισµένου πολυµερούς, δεν έχουν δείξει αποµείωση της αντοχής των ινών λόγω επαναλαµβανόµενης ψύξης-απόψυξης. Επίσης ανακλυκλιζόµενες ψύξεις και αποψύξεις είχαν µικρή ή καθόλου επίδραση σε σύνθετα υλικά ινοπλισµένων πολυµερών, όταν για την παρασκευή τους είχαν χρησιµοποιηθεί υλικά υψηλής ποιότητας και αντοχής σε υγρασία Επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας Η υπεριώδης ακτινοβολία του ηλίου (UV) επιφέρει αλλοίωση της ισχύος των δεσµών (ευτυχώς µόνο επιφανειακά) και γενικά µείωση της αντοχής στα πολυµερή (µήτρα συνθέτων υλικών) που εκτίθενται σε αυτή. Φαινοµενικά, η υπεριώδης ακτινοβολία επιφέρει µία χρωµατική αλλοίωση (υποκίτρινος ή καφέ χρωµατισµός) και µικρορηγµάτωση των εκτιθεµένων επιφανειών. Ουσιαστικά όµως η µοριακή αλλοίωση που προαναφέρθηκε εµφανίζεται µε αύξηση της ψαθυρότητας του υλικού και µείωση της εφελκυστικής παραµόρφωσης κατά την αστοχία. Ως µέθοδος προστασίας στην περίπτωση της απευθείας έκθεσης στον ήλιο συνίσταται η εφαρµογή επιχρισµάτων ή ειδικών αντι-uv εξωτερικών βαφών ανοικτού χρώµατος. Αναφέρεται ότι σκούρες επιφάνειες, που εκτίθενται άµεσα στο ηλιακό φως, έχουν καταγράψει θερµοκρασίες της τάξης των 70 C Υγρασία Το νερό αποτελεί γενικά δυσµενές περιβάλλον για όλα τα δοµικά υλικά. Γενικά όµως, τα σύνθετα υλικά έχουν πολύ καλή συµπεριφορά σε συνθήκες υγρασίας και χρειάζεται εξαιρετικά µακρά χρονική περίοδος για να 19

52 εκδηλωθούν προβλήµατα. Μετά το πέρας του χρόνου αυτού, οι χηµικές αλυσίδες του πολυµερούς καθίστανται πλήρως υδατοδιαλυτές, µεταλλικά ιόντα διηθούνται από τις ίνες του και το σύνθετο υλικό γίνεται εύθραυστο. Οι άµεσες συνέπειες της απορρόφησης νερού από την µήτρα είναι συνήθως η µείωση της θερµοκρασίας υαλώδους µετάπτωσης, T g και η απώλεια της αντοχής της. Αυτά τα δυο φαινόµενα όµως είναι µερικώς ανατρέψιµα σε συστήµατα µε εποξειδικές ρητίνες οι οποίες έχουν γενικά εξαιρετική ανθεκτικότητα στην υγρασία. Αντίθετα στις πολυεστερικές και βινυλεστερικές ρητίνες, οι µεταβολές µπορεί να είναι ανατρέψιµες ή όχι, ανάλογα µε τον χρόνο και την θερµοκρασία της έκθεσης. Έτσι, όσο υψηλότερη είναι η θερµοκρασία, τόσο ταχύτερες και δυσµενέστερες είναι οι µόνιµες επιπτώσεις της διείσδυσης υγρασίας. Τα υαλονήµατα, λόγω της υψηλής πολικότητας των µορίων τους, απορροφούν υγρασία κατά τη διάρκεια της παρασκευής, αποθήκευσης, µεταφοράς και εφαρµογής τους στο δοµικό στοιχείο που πολλές φορές έχει ως αποτέλεσµα µικρή µείωση αντοχής. Οι ίνες αραµιδίου απορροφούν υγρασία έως και 13% του βάρους τους, που µπορεί να έχει επιβλαβή επίδραση στην εφελκυστική τους αντοχή, καθώς και στη διεπιφάνεια ρητίνης και ινών. Αντίθετα, τα ανθρακονήµατα είναι αδρανή στο νερό. Γενικά, η επίδραση της υγρασίας σε αυτού του είδους τα υλικά περιορίζεται στην επίδραση που έχει στη ρητίνη της µήτρας. Εδώ αξίζει να επισηµανθεί ότι η πλήρης κάλυψη δοµικών στοιχείων µε µανδύες συνθέτων υλικών δηµιουργεί απρόσβλητες σε νερό και αέρα επιφάνειες µε αποτέλεσµα την προστασία του µέλους από δυσµενείς περιβαλλοντικούς παράγοντες (π.χ. δράση χλωριόντων, χηµικών). Αυτό είναι βέβαια ευεργετικό σε στοιχεία που παρουσιάζουν έντονη διάβρωση ή εκτίθενται σε έντονα διαβρωτικό περιβάλλον γιατί ο ρυθµός διάβρωσης µειώνεται σηµαντικά. Έχει όµως δραµατικές συνέπειες σε στοιχεία που έχουν εγκλωβίσει υγρασία γιατί τότε ο καθολικός µανδύας δεν τα αφήνει να «αναπνέουν» Αλκαλικό και όξινο περιβάλλον Τόσο το αλκαλικό όσο και το όξινο περιβάλλον δεν έχει δυσµενείς επιπτώσεις στα σύνθετα υλικά µε ανθρακονήµατα. Στο περιβάλλον αυτό τα υαλονήµατα είναι αρκετά ευπαθή (υφίστανται µείωση αντοχής) ενώ οι ίνες αραµιδίου παρουσιάζουν ενδιάµεση συµπεριφορά. Πρόσθετη προστασία των ευπαθών ινών από το αλκαλικό ή όξινο περιβάλλον δηµιουργεί η µήτρα. 20

53 Γαλβανική διάβρωση Η επαφή ινών άνθρακα µε χάλυβα καλό είναι να αποφεύγεται, γιατί προκαλείται γαλβανική διάβρωση. Ωστόσο, το πρόβληµα δεν υφίσταται όταν χρησιµοποιούνται υλικά µε ίνες γυαλιού ή αραµιδίου Ερπυσµός Μεταξύ όλων των συστατικών των ινοπλισµένων πολυµερών, µόνο τα ανθρακονήµατα και τα υαλονήµατα δεν υπόκεινται σε ερπυσµό. Τόσο οι ίνες αραµιδίου όσο και οι µήτρες των ρητινών, άλλες λιγότερο και άλλες περισσότερο, παρουσιάζουν ερπυσµό. Ο βαθµός ερπυσµού είναι συνάρτηση του υλικού της ίνας και του προσανατολισµού των ινών, σε σχέση µε την εφαρµοζόµενη ένταση. Εάν πρόκειται για ίνες γυαλιού ή άνθρακα, οι οποίες δε στρεβλώνονται, αλλά παραµένουν αµετακίνητες στα άκρα τους, δεν παρατηρείται ερπυσµός και το σύνθετο υλικό συµπεριφέρεται σχεδόν πλήρως ελαστικά. Οι ίνες µπορεί να γίνονται ευθείες όταν υπόκεινται σε φόρτιση, το ινοπλισµένο πολυµερές ενδέχεται να ολισθαίνει στις θέσεις που αγκυρώνεται, ενώ υπάρχει πιθανότητα επιπλέον έντασης των ινών, λόγω χαλάρωσης της µήτρας του πολυµερούς, ακόµα και µετά την αποµάκρυνση της εξωτερικής φόρτισης. Τα παραπάνω φαινόµενα δεν αποτελούν πραγµατικό ερπυσµό και έχουν ασήµαντες επιδράσεις στις διαστάσεις του ινοπλισµένου πολυµερούς. Στην περίπτωση που ο άξονας των ινών βρίσκεται εκτός του επιπέδου της φόρτισης ή οι ίνες είναι από αραµιδίο, η παραµόρφωση, λόγω ερπυσµού, του σύνθετου υλικού ενδέχεται να είναι σηµαντική Θραύση και διάβρωση λόγω έντασης Στα περισσότερα ινοπλισµένα πολυµερή παρατηρείται το φαινόµενο της διάβρωσης και θραύσης υπό µόνιµη τάση. Η διάβρωση λόγω έντασης (stress corrosion) συµβαίνει λόγω της συνδυασµένης δράσης διαβρωτικού (όξινου ή αλκαλικού περιβάλλοντος) µε την ταυτόχρονη δράση διατηρούµενης φόρτισης. Η θραύση υπό τάση (stress rupture) που εµφανίζεται κυρίως στα υαλονήµατα µπορεί να συµβεί σε εξαιρετικά χαµηλή τάση (π.χ. 20% της εφελκυστικής αντοχής). Τα δύο φαινόµενα σχετίζονται µε τον χρόνο έκθεσης, το επίπεδο της έντασης, τον περιβάλλοντα χώρο, τη µήτρα και τις ίνες του σύνθετου υλικού. Η αστοχία, που οφείλεται στα φαινόµενα αυτά, κρίνεται πρώιµη, καθώς το ινοπλισµένο πολυµερές αστοχεί για επίπεδο έντασης σαφώς µικρότερο από την αντοχή του. 21

54 Η ποιότητα της µήτρας που χρησιµοποιείται έχει πολύ σηµαντική επίδραση στο χρόνο που θα εκδηλωθεί η αστοχία και στο επίπεδο της έντασης, που µπορεί να φέρει το υλικό. Συνήθως συστήµατα µε εποξειδικές ρητίνες είναι δύο έως τέσσερις τάξεις µεγέθους πιο ανθεκτικά από αντίστοιχα συστήµατα, που περιέχουν άλλη κατηγορία ρητίνης. Επίσης, οι βινυλεστερικές ρητίνες εµφανίζουν κατά κανόνα µεγαλύτερη τρωτότητα σε θραύση και διάβρωση, λόγω διατηρούµενης έντασης, από τις πολυεστερικές. Όσον αφορά στις ίνες, τα σύνθετα υλικά µε ίνες άνθρακα παρουσιάζουν καλύτερη συµπεριφορά όταν χρησιµοποιούνται για την ανάληψη µονίµων φορτίων. Ενδιάµεση συµπεριφορά παρουσιάζουν οι ίνες αραµιδίου ενώ οι ίνες γυαλιού ανήκουν στην πιο ευπαθή κατηγορία Κόπωση Τα ινοπλισµένα πολυµερή γενικά συµπεριφέρονται καλύτερα από το σκυρόδεµα ή τον χάλυβα υπό ανακυκλιζόµενη φόρτιση. Τα ανθρακονήµατα είναι καλύτερα από τις ίνες αραµιδίου, που µε τη σειρά τους είναι καλύτερες από τα υαλονήµατα. Ειδικά για τα σύνθετα υλικά µε ίνες από άνθρακα, η αντοχή σε κόπωση είναι µεγαλύτερη από αυτή του χάλυβα οπλισµού. Στο σηµείο αυτό αξίζει να σηµειωθεί ότι σε περιπτώσεις καµπτικής ενίσχυσης δοκών µε ανθρακονήµατα υπό ανακυκλιζόµενη φόρτιση, πρώτα παρατηρήθηκαν αστοχίες λόγω κόπωσης στον εφελκυόµενο χάλυβα και σε καµία περίπτωση στους εξωτερικούς οπλισµούς ενίσχυσης. Η αντίστοιχη κατάταξη ρητινών, µε µειούµενη τιµή της αντοχής τους σε κόπωση, είναι εποξειδικές, πολυεστερικές και βινυλεστερικές. Πρέπει να τονιστεί ότι η αντοχή σε κόπωση ενός συστήµατος ινοπλισµένου πολυµερούς, εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από το είδος της ρητίνης, στο οποίο εµποτίζονται οι ίνες. Τα ινοπλισµένα πολυµερή, εξαιτίας της οργανικής φύσης του υλικού της µήτρας, είναι ευαίσθητα στη συχνότητα εφαρµογής της ανακυκλιζόµενης φόρτισης. Ως γενικός κανόνας, η συχνότητα αυτή, πρέπει να διατηρείται µικρότερη από 10Hz, ώστε να προλαµβάνεται η έκλυση θερµότητας στο πολυµερές, που µπορεί να οδηγήσει σε πρώιµη αστοχία της µήτρας και στη συνέχεια ολόκληρου του συστήµατος του πολυµερούς. 22

55 Κρούση Την καλύτερη συµπεριφορά σε κρούση παρουσιάζουν κατά σειρά τα σύνθετα υλικά µε ίνες αραµιδίου (είναι χαρακτηριστικό ότι χρησιµοποιούνται για την παρασκευή αλεξίσφαιρων γιλέκων), ακολουθούν αυτά µε ίνες γυαλιού και τέλος, αυτά µε ίνες άνθρακα. Στον Πίνακα 1.4 παρουσιάζεται η αξιολόγηση των ινών µε βάση την ανθεκτικότητα τους σε µια σειρά παραγόντων. Κριτήριο Ίνες Άνθρακα Ίνες Γυαλιού Ίνες Αραµιδίου Υψηλές θερµοκρασίες Υπεριώδης ακτινοβολία Υγρασία Αλκαλικό και όξινο περιβάλλον Γαλβανική διάβρωση Ερπυσµός Θραύση υπό τάση, διάβρωση υπό τάση Κόπωση Κρούση Πίνακας 1.4 Αξιολόγηση ινών µε βάση την ανθεκτικότητα (Τριανταφύλλου, 2003) ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΟΜΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Βασική τεχνική Η βασική τεχνική, που είναι και η πλέον συνηθισµένη, περιλαµβάνει την δια χειρός επικόλληση υφασµάτων (προεµποτισµένων ή µη µε ρητίνη), είτε προκατασκευασµένων στοιχείων (π.χ. ελάσµατα) σε στοιχεία οπλισµένου σκυροδέµατος, µέσω εποξειδικών ρητινών. Κατά την εφαρµογή των συνθέτων υλικών πρέπει το υπόστρωµα να καθαρίζεται επιµελώς από χαλαρά τµήµατα, σοβάδες, χρώµατα, λίπη κ.τ.λ. 23

56 και να τρίβεται καλά µε ηλεκτρικό τριβείο µέχρι να γίνει αποκάλυψη των αδρανών. Στη συνέχεια η επιφάνεια επαλείφεται µε την συγκολλητική ουσία που όπως αναφέρθηκε µπορεί να είναι ρητίνη ή κονίαµα. Το ύφασµα κόβεται µε ψαλίδι, στις απαιτούµενες διαστάσεις, τοποθετείται τεντωµένο στη νωπή επίστρωση και πατιέται σχολαστικά µε ρολό, για καλύτερη επαφή µε το υπόστρωµα. Με την διαδικασία αυτή πρέπει να επιτυγχάνεται πλήρης εµποτισµός του υφάσµατος και αποµάκρυνση των φυσαλίδων αέρα. Εφόσον η µελέτη προβλέπει περισσότερες στρώσεις, η παραπάνω διαδικασία εφαρµογής επαναλαµβάνεται. Σε αυτή την περίπτωση θα πρέπει η προηγούµενη επίστρωση να µην έχει στεγνώσει εντελώς, αλλιώς απαιτείται καλό τρίψιµο της επιφάνειας πριν την εφαρµογή Ειδικές τεχνικές Παρακάτω αναφέρονται, εν συντοµία, οι βασικές τεχνικές, που δεν έχουν όµως ακόµα τύχει ευρείας εφαρµογής στη χώρα µας. Αυτοµατοποιηµένη περιτύλιξη Η τεχνική της αυτοµατοποιηµένης περιτύλιξης «νηµάτων» αναπτύχθηκε στην Ιαπωνία, στις αρχές της δεκαετίας του '90 και λίγο αργότερα στις ΗΠΑ. Περιλαµβάνει την, χωρίς διακοπή, περιτύλιξη, προεµποτισµένων µε ρητίνη, νηµάτων υπό µικρή γωνία, γύρω από υποστυλώµατα γεφυρών ή από άλλα στοιχεία (π.χ. καπνοδόχοι), µέσω ειδικής συσκευής-ροµπότ. Βασικό πλεονέκτηµα της τεχνικής αυτής είναι η µεγάλη ταχύτητα εφαρµογής. Εφαρµογή µε προένταση Η µέθοδος προέντασης, που αναπτύχθηκε στις αρχές της δεκαετίας του '90 (Triantafillou and Deskovic 1991, Deuring 1991), περιλαµβάνει την επικόλληση ελασµάτων, ενώ αυτά βρίσκονται υπό τάνυση. Με αυτό τον τρόπο εκµεταλλευόµαστε τα πλεονεκτήµατα της προέντασης, µε τίµηµα όµως το υψηλό κόστος, αλλά και την πολυπλοκότητα της µεθόδου, καθώς απαιτείται η χρήση ειδικών αγκυρώσεων. Προκατασκευασµένα στοιχεία Τα προκατασκευασµένα στοιχεία από σύνθετα υλικά έχουν συνήθως τις ακόλουθες µορφές: α) ελάσµατος, πάχους της τάξης του 1 mm και πλάτους π.χ. 50 mm, 100mm β) γωνιών, που χρησιµοποιούνται σε εφαρµογές ενίσχυσης, π.χ. πλακοδοκών, έναντι τέµνουσας γ) µανδύα - κελύφους, που τοποθετείται περιµετρικά υποστυλωµάτων, µε στόχο την αύξηση της περίσφιγξης ή της διατµητικής αντοχής. Εφαρµογή σε εγκοπές 24

57 Η τοποθέτηση και επικόλληση, µέσω εποξειδικής ρητίνης, ράβδων ή ελασµάτων σε εγκοπές, αποσκοπεί στην αύξηση της καµπτικής αντοχής υφισταµένων µελών σκυροδέµατος. Βασικό πλεονέκτηµα της τεχνικής αυτής είναι η εξαιρετικά βελτιωµένη συνάφεια των συνθέτων υλικών µε το σκυρόδεµα και γενικά η καλύτερη προστασία τους Επισηµάνσεις Σε κάθε περίπτωση, η βέλτιστη δυνατή συγκόλληση του µανδύα (άριστη προετοιµασία υποστρώµατος), καθώς και η επαρκής αγκύρωση στα άκρα του, είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την µεγιστοποίηση της αποτελεσµατικότητας της ενίσχυσης. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δίνεται κατά την κοπή του υφάσµατος, ώστε να µη δηµιουργηθούν διπλώσεις και τσακίσεις, ενώ η επιφάνεια του υφάσµατος πρέπει να είναι καθαρή κατά την τοποθέτηση του. Κατά την εφαρµογή, είναι απαραίτητη η χρήση προστατευτικού εξοπλισµού (γάντια, γυαλιά κ.λ.π.) Τυπικές εφαρµογές σε κατασκευές Τα σύνθετα υλικά µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε πολλές κατασκευές από σκυρόδεµα, τοιχοποιία και ξύλο, για την ενίσχυση διαφόρων τύπων δοµικών στοιχείων, ως µια εναλλακτική λύση σε σχέση µε τα παραδοσιακά υλικά. Μερικοί τυπικοί λόγοι για ενίσχυση είναι: Φορτία σεισµού και ανέµου: Απέναντι στη δράση ενός µεγάλου σεισµού ή ισχυρών ανέµων, µια κατασκευή πρέπει να είναι εύκαµπτη, ώστε να απορροφήσει την επιβαλλόµενη µετατόπιση. Προσθέτοντας βάρος επιτυγχάνουµε µόνο την αύξηση της µάζας και εποµένως την πιθανότητα να αστοχήσει η κατασκευή. Έτσι τα σύνθετα υλικά αποτελούν την ιδανική επιλογή. Αλλαγή χρήσης: Μερικές φορές µια κατασκευή χρειάζεται να ενισχυθεί, εξαιτίας αλλαγής χρήσης, ώστε να µπορεί να φέρει µε ασφάλεια τα επιπρόσθετα φορτία. Κατασκευαστικά ή σχεδιαστικά λάθη: Μερικές φορές, µετά το πέρας των εργασιών, ο ιδιοκτήτης διαπιστώνει ότι δε χρησιµοποιήθηκε η απαιτούµενη ποσότητα χάλυβα, ότι το σκυρόδεµα δεν είναι αυτό που είχε προσδιοριστεί ή ότι ο µηχανικός έχει κάνει κάποια σχεδιαστικά λάθη. Σε αυτές τις περιπτώσεις τα σύνθετα υλικά έρχονται για να «αντικαταστήσουν» την ελλιπή ποσότητα χάλυβα ή το σκυρόδεµα χαµηλότερης αντοχής. 25

58 Επισκευές: Μερικές κατασκευές υποβαθµίζονται µε το πέρασµα του χρόνου ή µε την επίδραση των περιβαλλοντικών συνθηκών. Ωστόσο, µε προσεκτική προετοιµασία µπορούν να επανέλθουν στην αρχική τους ή σε ακόµα καλύτερη κατάσταση µε τη χρήση των συνθέτων υλικών. ιάβρωση: Τα σύνθετα υλικά είναι ιδιαίτερα ανθεκτικά στην επίδραση χηµικών συστατικών, µε αποτέλεσµα να µπορούν να χρησιµοποιηθούν για να επισκευάσουν και για να προστατέψουν κατασκευές από χηµικές ή περιβαλλοντικές επιδράσεις. 26

59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΒΑΣΕΙΣ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΥ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 2.1 ΓΕΝΙΚΑ Ο σχεδιασµός ενισχύσεων µε σύνθετα υλικά ακολουθεί τη φιλοσοφία των σύγχρονων κανονισµών (ΕΚΩΣ 2000, ΕΑΚ 2000, ΕC6 κ.τ.λ) περιλαµβάνοντας όλους τους γνωστούς ελέγχους των οριακών καταστάσεων λειτουργικότητας, µε κατάλληλες τροποποιήσεις, ώστε να ληφθεί υπόψη η συνεισφορά των συνθέτων υλικών. 2.2 ΚΑΤΑΣΤΑΤΙΚΟΙ ΝΟΜΟΙ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Παρακάτω παρουσιάζονται οι καταστατικοί νόµοι των υλικών σε µονοαξονική φόρτιση Οριακή κατάσταση αντοχής-πλήρης συνεργασία υλικών Για το σκυρόδεµα και το χάλυβα ισχύουν οι υποθέσεις που υιοθετούνται στο σχεδιασµό κατασκευών οπλισµένου σκυροδέµατος (π.χ. ΕΚΩΣ 2000) Η θλιπτική αντοχή του σκυροδέµατος είναι: 0.85f cd = 0.85 f ck /γ c (2.1) όπου : f cd :η θλιπτική αντοχή σχεδιασµού του σκυροδέµατος f ck :η χαρακτηριστική θλιπτική αντοχή του σκυροδέµατος γ c :ο συντελεστής ασφάλειας του σκυροδέµατος (γ c =1.5) Η τιµή σχεδιασµού της τάσης διαρροής του χάλυβα είναι: f yd = f yk /γ s (2.2) όπου : f yd :η τιµή σχεδιασµού της τάσης διαρροής του χάλυβα f yk :η χαρακτηριστική τιµή της τάσης διαρροής του χάλυβα γ s :ο συντελεστής ασφάλειας του χάλυβα (γ s =1.15) 27

60 Η συµπεριφορά των συνθέτων υλικών σε εφελκυσµό θεωρείται γραµµικά ελαστική µέχρι την θραύση, που επέρχεται σε τάση σχεδιασµού (Σχήµα 2.1): σ f =Efεf f fd (2.3) όπου: f fd =f fk /γ f, µε: f fd : η εφελκυστική αντοχή σχεδιασµού συνθέτων υλικών f fk : η χαρακτηριστική εφελκυστική αντοχή σχεδιασµού συνθέτων υλικών γ f : ο συντελεστής ασφάλειας υλικού για τα σύνθετα υλικά (Πίνακας 2.1.) σ f : η τάση στα σύνθετα υλικά E: f το µέτρο Ελαστικότητας συνθέτων υλικών (παράλληλα στις ίνες) ε f : η παραµόρφωση στα σύνθετα υλικά Σχήµα 2.1 Σχέσεις τάσης-παραµόρφωσης για την οριακή κατάσταση αντοχής. Η ενεργός αντοχή σχεδιασµού, f fde στα σύνθετα υλικά, σε εφελκυσµό, είναι: εfue ffk f fde = =ηe ffd (2.4) ε γ οπού : fum f ε fue : η ενεργός οριακή παραµόρφωση των συνθέτων υλικών ε fum : η µέση οριακή παραµόρφωση των συνθέτων υλικών η e : ο αριθµός των στρώσεων 28

61 Συντελεστής ασφάλειας για τα σύνθετα υλικά, γ f. Τύπος ινών Εφαρµογή τύπου Α (1) Εφαρµογή τύπου Β (2) Άνθρακας Αραµίδιο Γυαλί (1) Χρήση ελασµάτων (προκατασκευασµένων) σε συνήθεις συνθήκες. Χρήση υφασµάτων σε συνθήκες υψηλής στάθµης ποιοτικού ελέγχου της εφαρµογής. (2) Χρήση υφασµάτων σε συνθήκες συνήθους στάθµης ποιοτικού ελέγχου. Χρήση οποιουδήποτε υλικού σε δύσκολες συνθήκες επιτόπου εφαρµογής Πίνακας 2.1 Συντελεστής ασφάλειας για τα σύνθετα υλικά, γ f Οριακή κατάσταση αντοχής αποκόλληση Η αποκόλληση των συνθέτων υλικών οφείλεται στην ανάπτυξη σηµαντικών διατµητικών τάσεων στη διεπιφάνεια σκυροδέµατος (υπόστρωµα) - συνθέτων υλικών και γίνεται συνήθως µέσω του σκυροδέµατος, αφού αυτό έχει µικρότερη διατµητική αντοχή από τις συνήθεις εποξειδικές ρητίνες. Σε αυτές τις περιπτώσεις ο συντελεστής ασφάλειας υλικού αναφέρεται στο υπόστρωµα και λαµβάνεται ίσος µε γ b = Οριακή κατάσταση λειτουργικότητας Στην οριακή κατάσταση λειτουργικότητας το µέτρο Ελαστικότητας των συνθέτων υλικών λαµβάνεται κατά προσέγγιση ίσο µε αυτό που υπολογίζεται για την οριακή κατάσταση αστοχίας, ενώ όλοι οι συντελεστές ασφάλειας των υλικών είναι ίσοι µε

62 2.3 ΣΥΝΑΦΕΙΑ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ-ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΟΣ Η πλήρης συνεργασία των συνθέτων υλικών µε το σκυρόδεµα προϋποθέτει την ύπαρξη ισχυρού δεσµού, µεταξύ των δύο υλικών, ο οποίος εξασφαλίζεται µέσω των εποξειδικών ρητινών. Κύριο χαρακτηριστικό αυτού του δεσµού είναι ότι η θραύση των συνθέτων υλικών σπανίως προηγείται της αποκόλλησης. Η δύναµη που απαιτείται για την αποκόλληση (η οποία γίνεται λόγω ρηγµάτωσης του υποστρώµατος κοντά στη στρώση της κόλλας), δηλαδή η µέγιστη δύναµη αγκύρωσης, Nfa αυξάνεται µε το µήκος επικόλλησης l b, µέχρι να λάβει µία οριακή τιµή l b,max, πέρα από την οποία η δύναµη αποκόλλησης παραµένει πρακτικά αµετάβλητη και ίση µε N fa,max. N fa,max N fα Μήκος επικόλλησης l bf l bf,max Σχήµα 2.2 Σχέση δύναµης αποκόλλησης συνθέτων υλικών συναρτήσει του µήκους επικόλλησης. όπου στο παραπάνω διάγραµµα : N fa,max : η µέγιστη δύναµη αγκύρωσης συνθέτων υλικών N fa l bf : η εφελκυστική δύναµη στα σύνθετα υλικά : το µήκος επικόλλησης l bf,max : το µέγιστο µήκος επικόλλησης 30

63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η συµπεριφορά του σκυροδέµατος σε τριαξονική θλίψη (όπου οι τρεις κύριες τάσεις ενεργούν σε κάθετες µεταξύ τους διευθύνσεις) - όταν η µία από τις κύριες τάσεις είναι σηµαντικά µεγαλύτερη από τις άλλες δύο, οι οποίες είναι περίπου ίσες µεταξύ τους - είναι αρκετά πολύπλοκη. Ο περιορισµός της εγκάρσιας διαστολής του δοκιµίου έχει σαν αποτέλεσµα αφενός την αύξηση της αντοχής του και αφετέρου την αύξηση της αξονικής παραµόρφωσης στη θραύση (Τριανταφύλλου, 2001). Η αύξηση της θλιπτικής αντοχής λόγω της ταυτόχρονης δράσης θλιπτικής ορθής τάσης στην εγκάρσια διεύθυνση οφείλεται στον περιορισµό των µικρορωγµών και στην επιβράδυνση του σχηµατισµού και της επέκτασής τους. Αυτή η αύξηση των τιµών της αντοχής στο διάγραµµα τάσεων παραµορφώσεων συνοδεύεται και από την αύξηση των τιµών της παραµόρφωσης τόσο στην µέγιστη τάση όσο και στην αστοχία. Στην πράξη, τέτοια εντατική κατάσταση αναπτύσσεται συχνά σε υποστυλώµατα υπό την προϋπόθεση ότι περιορίζεται η πλευρική διόγκωση του σκυροδέµατος. Ο περιορισµός της πλευρικής διόγκωσης επιτυγχάνεται, καταρχήν από την ύπαρξη του κλωβού που σχηµατίζει ο εγκάρσιος και ο διαµήκης οπλισµός του στοιχείου, µε τη µορφή των µεταλλικών, κλειστών συνδετήρων και κατ επέκταση από την δράση άλλων εγκάρσιων οπλισµών, κατά τη διαµήκη έννοια του στοιχείου. Σε µια επέµβαση ενίσχυσης οι θλιπτικές τάσεις περίσφιγξης είναι δυνατό να αυξηθούν µε την προσθήκη επιπλέον οπλισµού όπως π.χ. µε την κατασκευή µανδύα οπλισµένου σκυροδέµατος που προϋποθέτει την αύξηση του συνολικού διαµήκους και εγκάρσιου οπλισµού. Παρόµοια δράση θλιπτικών τάσεων περίσφιγξης αναλαµβάνουν και οι µανδύες από σύνθετα υλικά (ινοπλισµένα πολυµερή - FRPs) λόγω της ικανότητάς τους για ανάληψη ισχυρών εφελκυστικών δυνάµεων. Οι τρόποι µε τους οποίους επιβάλλεται εξωτερική περίσφιγξη σε υποστυλώµατα περιγράφεται διεξοδικά στην επόµενη ενότητα εστιάζοντας το ενδιαφέρον του αναγνώστη ειδικά στην περίπτωση περίσφιγξης µε σύνθετα υλικά. Ο µηχανισµός ενεργοποίησης της περίσφιγξης, µε οποιαδήποτε τεχνική κι αν αυτή γίνεται, είναι ο εξής: Η αξονική, θλιπτική δύναµη που επιβάλλεται στο υποστύλωµα αναγκάζει το σκυρόδεµα να παραµορφωθεί εγκάρσια ενεργοποιώντας έτσι τους συνδετήρες. Καθώς το σκυρόδεµα πλησιάζει στην αστοχία, οι εσωτερικές µικρορωγµές, κατά τη διεύθυνση της κύριας θλιπτικής τάσης γίνονται εντονότερες µε συνέπεια ο λόγος Poisson να 31

64 αυξάνεται από 0.15 σε τιµές άνω του 0.5. Με την προοδευτική αύξηση της εγκάρσιας παραµόρφωσης συµβαίνει προοδευτική αύξηση των εφελκυστικών τάσεων στο σύστηµα ενίσχυσης δηλαδή στους συνδετήρες ή τα σύνθετα υλικά. Κατόπιν, το σύστηµα ενίσχυσης, µε τη σειρά του, ασκεί εγκάρσιες θλιπτικές τάσεις στο σκυρόδεµα, παρεµποδίζοντας την διόγκωσή του και περιορίζοντας την εξάπλωση των ρηγµατώσεων. 3.2 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΠΙΒΟΛΗΣ ΤΗΣ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗΣ ΣΤΑ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΑ Οι πιο συνήθεις τεχνικές επιβολής εξωτερικής περίσφιγξης που συναντώνται σε υποστυλώµατα είναι οι ακόλουθες ( ρίτσος, 2002) : Η χρήση επικολλητών κολλάρων. Αυτά µπορεί να είναι είτε µεταλλικά ελάσµατα πάχους 1-2mm είτε λωρίδες από ινοπλισµένα πολυµερή (NSM). Η χρήση προεντεταµένων κολλάρων. Αυτά µπορεί να είναι είτε από χάλυβα είτε από ινοπλισµένα πολυµερή που στο εµπόριο κυκλοφορούν σε µορφή ταινιών «πακεταρίσµατος» (Frangou et al., 1993). Η χρήση σπειροειδούς οπλισµού που µπορεί να είναι είτε από µεταλλικό έλασµα είτε από ινοπλισµένα πολυµερή. Η χρήση ολόσωµου µανδύα από φύλλα χάλυβα επικολλητών επί των πλευρών του υποστυλώµατος. Η επικόλληση, στην περίπτωση χαλύβδινων φύλλων, γίνεται συχνά µε χρήση κάποιου µη-συρρικνούµενου κονιάµατος. Η τεχνική αυτή είναι ιδιαίτερα αποτελεσµατική όταν ο µεταλλικός µανδύας έχει ελλειπτική ή κυκλική µορφή. Η χρήση του µεταλλικού κλωβού, που δηµιουργείται είτε από κατακόρυφα γωνιακά ελάσµατα είτε από οριζόντια µεταλλικά κολλάρα, είτε πλήρη χαλύβδινα φύλλα. (Dritsos and Pilakoutas, 1992, 1994, Dritsos et al., 1993). Η χρήση µανδυών από οπλισµένο σκυρόδεµα. Η τεχνική αυτή περιλαµβάνει αύξηση της διατοµής του υποστυλώµατος καθώς εγκαθίστανται νέοι διαµήκεις και εγκάρσιοι οπλισµοί περιµετρικά του αρχικού στοιχείου που µπορεί να εκτείνονται είτε σε όλο το µήκος του µανδύα (ολικός µανδύας), είτε σε ένα µόνο τµήµα του (τοπικός µανδύας). Στην πράξη, η κατασκευή µανδυών γίνεται από έγχυτο σκυρόδεµα, από εκτοξευόµενο σκυρόδεµα, από σκυροτσιµεντόπηγµα, από ειδικά σκυροδέµατα ή τέλος από τσιµεντοκονιάµατα. Μέχρι τις αρχές του 1990 η ενίσχυση των υποστυλωµάτων έναντι περίσφιγξης γινόταν ως επί το πλείστον µε την χρήση µανδυών από οπλισµένο σκυρόδεµα και τη χρήση ολόσωµου µανδύα από φύλλα χάλυβα επικολλητών επί των πλευρών του υποστυλώµατος (Ballinger et al., 1993). Η τελευταία πλεονεκτεί της πρώτης καθώς δεν επιφέρει σηµαντική αύξηση της διατοµής του υποστυλώµατος και κατά συνέπεια του ιδίου βάρους της 32

65 κατασκευής. Παρόλα αυτά και οι δύο µέθοδοι µειονεκτούν όσον αφορά την δυσκολία εφαρµογής λόγω του ιδίου βάρους των χαλύβδινων ράβδων και φύλλων και την φτωχή αντίστασή τους έναντι των περιβαλλοντικών συνθηκών (Ballinger et al., 1993, Demers and Neale, 1999). Η επέµβαση σε κάποιο υποστύλωµα για περίσφιγξη µε σύνθετα υλικά είναι εξαιρετικά εύνοϊκή και αυτός είναι, στην πραγµατικότητα, ο κύριος λόγος για τον οποίο η εφαρµογή αυτής της τεχνικής εξαπλώνεται ραγδαία στην πράξη. Η εφαρµογή φύλλων ή µανδυών από σύνθετα υλικά γίνεται µε τις ίνες τους σε οριζόντια διεύθυνση, συµβάλλοντας έτσι στην περίσφιγξη του στοιχείου και την αύξηση της διατµητικής του αντοχής. Εάν συγχρόνως επιδιώκεται και η καµπτική αντοχή του στοιχείου, πρέπει να χρησιµοποιηθούν φύλλα ή NSM µε κατακόρυφη διεύθυνση ινών. Στις ακραίες περιοχές των υποστυλωµάτων όµως, η τεχνική θα πρέπει να συνδυαστεί µε ανάλογη ενίσχυση του κόµβου µε σύνθετα υλικά σε δύο διευθύνσεις (δοκούυποστυλώµατος) και αγκύρωση των υλικών εντός της περιοχής των κόµβων (Antonopoulos and Triantafillou, 2002, 2003). Η ενίσχυση υποστυλωµάτων µε σύνθετα υλικά είναι αρκετά ευνοϊκή και γενικά ευνοϊκότερη από αυτή των µεταλλικών µανδυών ίσης δυσκαµψίας. Συγκεκριµένα, προσφέρεται στις παρακάτω περιπτώσεις (Τριανταφύλλου, 2003): Όταν απαιτείται αύξηση της θλιπτικής αντοχής του σκυροδέµατος και αύξηση της παραµορφωσιµότητας δηλαδή της µέγιστης παραµόρφωσης που καταγράφεται στο σκυρόδεµα µέχρι την θλιπτική αστοχία. Όταν απαιτείται αύξηση της πλαστιµότητας του υποστυλώµατος. Αυτή επιτυγχάνεται λόγω αύξησης της παραµορφωσιµότητας. Όταν υπάρχει κίνδυνος αστοχίας της συνάφειας των κατακόρυφων οπλισµών του υποστυλώµατος στην περιοχή των µατίσεων. Με την ενεργοποίηση του µανδύα παρεµποδίζεται η ολίσθηση των διαµήκων ράβδων στις περιοχές αυτές. Όταν απαιτείται η παρεµπόδιση του τοπικού λυγισµού των διαµήκων ράβδων σε περιοχές µε ανεπαρκή αριθµό συνδετήρων. 3.3 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Όπως αναφέρθηκε στην προηγούµενη ενότητα, η τεχνική της ενίσχυσης µε σύνθετα υλικά έχει χρησιµοποιηθεί εκτεταµένα και για την περίσφιγξη, αντικαθιστώντας τους µεταλλικούς µανδύες και εξασφαλίζοντας ένα επαρκές αποτέλεσµα µε µεγαλύτερη ευκολία εφαρµογής και πολύ µικρότερο βάρος. Για την ενίσχυση υποστυλωµάτων µε σύνθετα υλικά έχει αναπτυχθεί ένας αριθµός τεχνικών οι οποίες ενδείκνυνται τόσο για στατικές όσο και για 33

66 ανακυκλιζόµενες, δυναµικές φορτίσεις. Αυτές οι τεχνικές µπορούν να ταξινοµηθούν σε δύο κατηγορίες ανάλογα µε τη µέθοδο που υιοθετείται για την κατασκευή του σύνθετου υλικού και είναι τα συστήµατα υγρής εφαρµογής και τα προκατασκευασµένα υλικά. Η συνηθέστερη µέθοδος υγρής εφαρµογής είναι η επιτόπου περιτύλιξη υφασµάτων ή λωρίδων - µε ίνες µιας διεύθυνσης ή µε ίνες πλεγµένες µεταξύ τους σε περισσότερες διευθύνσεις - εµποτισµένων µε ρητίνη και τυλιγµένων γύρω από τα υποστυλώµατα µε την διεύθυνση των κύριων ινών κάθετα στον άξονα του υποστυλώµατος. Η περιτύλιξη των υφασµάτων µπορεί να είναι: α) πλήρης, κάνοντας χρήση υφασµάτων σε όλο το ύψος της, προς ενίσχυση, ζώνης β) µερική, κάνοντας χρήση συνεχών λωρίδων σπειροειδούς µορφής, ανά αποστάσεις, σε όλο το ύψος της, προς ενίσχυση, ζώνης, µε τις ίνες να σχηµατίζουν µικρή γωνία µε το οριζόντιο επίπεδο και γ) µερική, κάνοντας χρήση ξεχωριστών λωρίδων διακτυλιωδούς µορφής (rings), ανά αποστάσεις, µε τις ίνες τους σε παράλληλη διεύθυνση µε το οριζόντιο επίπεδο. Μια άλλη µέθοδος υγρής εφαρµογής είναι η αυτοµατοποιηµένη περιτύλιξη µέσω ειδικής µηχανής, µε την οποία περιτυλίγονται χωρίς διακοπή, γύρω από το υποστύλωµα προεµποτισµένες ίνες, εξασφαλίζοντας ελεγχόµενο πάχος, προσανατολισµό ινών και ογκοµετρικό ποσοστό ινών εντός της µήτρας. Η ιδέα για περιτύλιξη συνεχών ινών, έναντι περίσφιγξης υποστυλώµατος αναπτύχθηκε στην Ιαπωνία στα τέλη της δεκαετίας του Για την ενίσχυση των υποστυλωµάτων µε προκατασκευασµένα σύνθετα υλικά κατασκευάζονται πριν την εφαρµογή τους, κελύφη ή µανδύες, µε τον εµποτισµό φύλλων ή κλώνων σε ρητίνη κάτω από ελεγχόµενες συνθήκες. Αυτά τα προκατασκευασµένα στοιχεία µπορεί να είναι είτε σε µορφή κύκλων και ηµικυκλίων είτε σε µορφή ορθογωνίων έτσι ώστε να µπορούν να προσαρµοστούν σε όλες τις διατοµές των υποστυλωµάτων. Κατά την τοποθέτησή τους και προκειµένου να επιτευχθεί η απαραίτητη πλήρης επαφή τους µε το υποστύλωµα χρησιµοποιούνται είτε εποξειδικές κόλλες, είτε διογκούµενο σκυρόδεµα ή τσιµεντοκονίαµα (Nanni and Norris, 1995). 3.4 ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΤΑΤΙΚΟΣ ΝΟΜΟΣ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ 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 που 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. Το στοιχείο καταπονείται αξονικά και εποµένως αναπτύσσονται εγκάρσιες τάσεις στο µανδύα λόγω διόγκωσης. Λόγω δράσης- 34

67 αντίδρασης ίσες και αντίθετες τάσεις ασκούνται από το µανδύα προς τον πυρήνα του σκυροδέµατος, σ l που δίνονται από τη σχέση: 2tf 2tf σ l = σ f = Efεf (3.1) d d όπου: σ l : η εφελκυστική τάση στο µανδύα ε f : η παραµόρφωση στο µανδύα Αποτέλεσµα των τάσεων περίσφιγξης σ l είναι ο περιορισµός της ρηγµάτωσης και εποµένως η αύξηση της αντοχής και της παραµορφωσιµότητας του σκυροδέµατος. Το στοιχείο αστοχεί όταν η εφελκυστική τάση στο µανδύα σ f, γίνει ίση µε την ενεργό αντοχή του f fde ή όταν η εφελκυστική παραµόρφωση στο µανδύα ε f, γίνει ίση µε την ενεργό παραµόρφωση αστοχίας του ε fu,e. Κατά την θραύση των συνθέτων υλικών η τάση περίσφιγξης σlu που ασκείται στο σκυρόδεµα είναι µέγιστη και δίνεται από τη σχέση: 2tf 2tf σ lu = f fde = Efεfud,e (3.2) d d (α) (β) Σχήµα 3.1 α) Αξονική καταπόνηση υποστυλώµατος περισφιγµένο µε µανδύα συνθέτων υλικών β) Ανάπτυξη εγκαρσίων τάσεων λόγω διόγκωσης (Triantafillou, 2003). Η θραύση των συνθέτων υλικών είναι ο τρόπος αστοχίας που απαντάται στην συντριπτική πλειοψηφία των πειραµατικών δοκιµών που αφορούν στοιχεία κυκλικής διατοµής περισφιγµένα µε σύνθετα υλικά (Lam 35

68 and Teng, 2001a). Παρόλα αυτά, από τους Demers και Neale (1994) καθώς και τους Nanni και Bradford (1995) έχει αναφερθεί πρόωρη αστοχία λόγω αποκόλλησης του µανδύα στην περιοχή της αγκύρωσης για δοκίµια που είχαν ανεπαρκές µήκος αγκύρωσης. Πειραµατικά αποτελέσµατα δείχνουν ότι η αστοχία συνθέτων υλικών που έχουν τοποθετηθεί περιµετρικά στοιχείου κυκλικής διατοµής συµβαίνει σε τάσεις µικρότερες από την εφελκυστική αντοχή των συνθέτων υλικών όπως αυτή µετράται µέσω δοκιµών εφελκυσµού. Αυτό οφείλεται στην τριαξονικότητα της εντατικής κατάστασης του µανδύα αφού βρίσκεται υπό θλίψη και ταυτόχρονα αναλαµβάνει φορτία κατά την έννοια της περιµέτρου. Παράλληλα, συµβάλλει και η ποιότητα και το µήκος της περιτύλιξης του µανδύα περί του υποστυλώµατος όπως και η ενδεχόµενη βλάβη των ινών από εξογκώµατα της επιφάνειας ή ακατάλληλα καµπυλωµένες γωνιές. Προκειµένου να ληφθεί υπόψη η ύπαρξη τέτοιων παραµέτρων εισάγεται ένας µειωτικός συντελεστής, ηe που µπορεί να θεωρηθεί προσεγγιστικά περίπου ίσος µε , οπότε προκύπτουν οι µειωµένες τιµές της εφελκυστικής αντοχής και της παραµόρφωσης αστοχίας, αντίστοιχα. f =η f (3.3) fe e f ε fu,e = ηε e fu (3.4) Η σχέση θλιπτικής τάσης-παραµόρφωσης για σκυρόδεµα περισφιγµένο µε µανδύα συνθέτων υλικών παρουσιάζεται στο Σχήµα 3.2. Σχήµα 3.2 Καµπύλες θλιπτικής τάσης παραµόρφωσης για σκυρόδεµα περισφιγµένο µε σύνθετα υλικά (Triantafillou, 2003). Όπως φαίνεται στο Σχήµα 3.2, η µορφή της καµπύλης είναι περίπου διγραµµική. Το αρχικό γραµµικό τµήµα του περισφιγµένου (έως ε c0 =0.002), µε µανδύα συνθέτων υλικών, σκυροδέµατος δεν διαφοροποιείται από αυτό του απερίσφιγκτου, γεγονός που υποδηλώνει ότι η συµπεριφορά του δεν επηρεάζεται από την ύπαρξη του µανδύα και εποµένως η συνεισφορά του 36

69 µέχρι παραµόρφωση ε c0 =0.002 είναι ακόµη ανενεργή. Στο δεύτερο τµήµα της καµπύλης εκδηλώνεται αλλαγή της κλίσης µετά την παραµόρφωση των ε c0 =0.002 που αντιστοιχεί στην αντοχή του απερίσφιγκτου σκυροδέµατος f, c οπότε σε αυτή τη φάση η αύξηση των εγκαρσίων παραµορφώσεων ενεργοποιεί τα σύνθετα υλικά (Toutanji, 1999). Αν το πάχος του µανδύα είναι µεγάλο, η παραµόρφωση θα αυξάνεται σχεδόν γραµµικά µε την αύξηση της τάσης του περισφιγµένου σκυροδέµατος. Στην περίπτωση αυτή η µέγιστη τάση του σκυροδέµατος και η µέγιστη παραµόρφωση των συνθέτων υλικών φθάνουν ταυτόχρονα τις µέγιστες τιµές τους (Mirmiran et al., 1998a). Η αστοχία επέρχεται µε θραύση των συνθέτων υλικών σε παραµόρφωση ε ccu. Αν το πάχος του µανδύα είναι µικρό, η αντοχή του περισφιγµένου σκυροδέµατος αντιστοιχεί σε παραµόρφωση, ε cc µικρότερη από την µέγιστη ε ccu. Αν το πάχος του µανδύα είναι εξαιρετικά µικρό, η αντοχή του περισφιγµένου σκυροδέµατος αντιστοιχεί σε παραµόρφωση ε c0 = 0.002, ενώ επιτυγχάνεται αύξηση µόνο της µέγιστης παραµόρφωσης ε ccu. Αξίζει να αναφερθεί ότι όταν επιζητείται αύξηση της αντοχής του περισφιγµένου σκυροδέµατος f cc προτιµάται η χρήση µανδυών µε ίνες άνθρακα, ενώ οι ίνες γυαλιού υπερτερούν στην αύξηση της παραµορφωσιµότητας ε ccu, συνεπώς και της πλαστιµότητας. Για δεδοµένο τύπο σύνθετων υλικών, πάντως, η αντοχή, fcc και η µέγιστη παραµόρφωση του περισφιγµένου σκυροδέµατος, ε ccu αυξάνονται µε το πάχος του µανδύα. 3.5 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΑ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΑ Για την εφαρµογή των συνθέτων υλικών σε ορθογωνικά υποστυλώµατα είναι απαραίτητη η καµπύλωση των γωνιών τους προκειµένου να µειωθεί οποιαδήποτε ανεπιθύµητη επίδρασή τους στην εφελκυστική αντοχή του µανδύα και να αυξηθεί η αποτελεσµατικότητα της περίσφιγξης. Οι τάσεις περίσφιγξης που ενεργούν σε αυτά τα στοιχεία είναι ανοµοιόµορφα κατανεµηµένες και µόνο ένα µέρος του περισφιγµένου πυρήνα είναι επαρκώς περισφιγµένο. Όπως θα αναφερθεί στη συνέχεια, µόνο το σκυρόδεµα που βρίσκεται στο εσωτερικό παραβολικών τόξων θεωρείται ότι δέχεται την ευεργετική επιρροή της περίσφιγξης. Πειραµατικά αποτελέσµατα δείχνουν ότι η αστοχία των συνθέτων υλικών σε ορθογωνικά υποστυλώµατα συµβαίνει, όπως είναι αναµενόµενο, 37

70 στις γωνίες όπου υπάρχει υψηλή συγκέντρωση τάσεων. Η µορφή των καµπυλών διαφέρει από αυτή των κυκλικών υποστυλωµάτων στο ότι η αντοχή του περισφιγµένου σκυροδέµατος αντιστοιχεί σε παραµόρφωση µικρότερη από την µέγιστη παραµόρφωση του µανδύα και ότι τελικά η περίσφιγξη που επιτυγχάνεται συντελεί σε µικρή αύξηση της αντοχής. 3.6 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑΤΑ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ Για την προσοµοίωση της συµπεριφοράς του περισφιγµένου, µε συνδετήρες, σκυροδέµατος έχει αναπτυχθεί από παλιά ένας µεγάλος αριθµός προσοµοιωµάτων π.χ. Richart et al., 1928, 1929, Mander et al., 1988, Cusson and Paultre, Πρόσφατες µελέτες έχουν αποκαλύψει ότι τα προσοµοιώµατα αυτά κρίνονται συντηρητικά αν εφαρµοστούν σε υφιστάµενα υποστυλώµατα οπλισµένου σκυροδέµατος που έχουν ενισχυθεί µε σύνθετα υλικά (Mirmiran and Shahawy, 1997, Samaan et al., 1988, Saafi et al., 1999). Έτσι, παράλληλα µε την ολοένα αυξανόµενη χρήση των συνθέτων υλικών παρουσιάστηκε και η ανάγκη για καλύτερη εκτίµηση της αύξησης της αντοχής και της παραµορφωσιµότητας του σκυροδέµατος, λόγω περίσφιγξης µε σύνθετα υλικά, µέσω αναλυτικών σχέσεων. Στη συνέχεια επιχειρείται µια προσπάθεια ανασκόπησης των κυριότερων προσοµοιωµάτων περίσφιγξης µε σύνθετα υλικά τα οποία όµως βασίζονται σε πειράµατα που διεξήχθησαν σε κυκλικής διατοµής άοπλα υποστυλώµατα. Η βασική µορφή του προσοµοιώµατος από το οποίο µετεξελίχθηκαν αρκετά από τα πρόσφατα προσοµοιώµατα αντοχής και αντίστοιχης παραµόρφωσης προτάθηκε για πρώτη φορά από τους Richart et al., 1929 και αφορούσε την περίπτωση της ενεργούς περίσφιγξης του σκυροδέµατος από τη δράση συνδετήρων. fcc σlu = 1+ k1 (3.5) f f co co σ lu ε cc = εco 1+ k2 fco όπου: f co : η θλιπτική αντοχή του απερίσφικτου σκυροδέµατος f cc : η θλιπτική αντοχή του περισφιγµένου σκυροδέµατος (3.6) σ lu : οι µέγιστες πλευρικές τάσεις περίσφιγξης σύµφωνα µε την εξίσωση (3.2) k 1 : συντελεστής αποτελεσµατικότητας της περίσφιγξης ίσος µε 4.1 σύµφωνα µε τους Richart et al.,

71 ε cc : η αξονική παραµόρφωση του περισφιγµένου σκυροδέµατος που αντιστοιχεί στην µέγιστη θλιπτική τάση ε co : η αξονική παραµόρφωση που αντιστοιχεί στην αντοχή του απερίσφικτου σκυροδέµατος και ίση µε k 2 : συντελεστής έντασης της παραµόρφωσης µε τιµή: k2 = 5 k1 Οι Fardis και Khalili (1982) θεώρησαν ότι το προσοµοίωµα συµπεριφοράς περισφιγµένου σκυροδέµατος των Richart et al. (1929) µπορεί να εφαρµοστεί και σε ινοπλισµένα πολυµερή. Η σχέση που συνδέει την θλιπτική τάση σ c µε την αξονική παραµόρφωση ε c είναι η εξής: Ec εc σ c = (3.7) 1 +ε (E /f 1/ ε ) c c cc cc 2E t f f ε cc = (3.8) df co όπου: Ε c : το µέτρο Ελαστικότητας του απερίσφιγκτου σκυροδέµατος Ε f : το µέτρο Ελαστικότητας του σύνθετου υλικού Οι Karbhari και Gao (1997), βασισµένοι σε αποτελέσµατα πειραµάτων πρότειναν σαν προσοµοίωµα περίσφιγξης (Karbhari and Gao s model I) το εξής: 0.87 cc σ lu = co fco f f (3.9) 2fftf ε cc = ε co df (3.10) co Εκτός από το παραπάνω προσοµοίωµα που έχει τη µορφή της εξίσωσης (3.5) οι Karbhari και Gao (1997) πρότειναν ένα εναλλακτικό προσοµοίωµα περίσφιγξης (Karbhari and Gao s model II) που δίνεται από την εξίσωση: 2tf Ef 2fftf f = cc f + co 3.1f ν co c d E + c d (3.11) όπου: ν c : ο λόγος Poisson του σκυροδέµατος E: c το µέτρο Ελαστικότητας του σκυροδέµατος E: f το µέτρο Ελαστικότητας του σύνθετου υλικού Οι Samaan et al. (1998), βάσει εργαστηριακών δοκιµών σε κυλίνδρους ινοπλισµένων πολυµερών πληρωµένων µε σκυρόδεµα εξήγαγαν τις 39

72 παρακάτω σχέσεις για την θλιπτική αντοχή και την αντίστοιχη παραµόρφωση του περισφιγµένου σκυροδέµατος. f f cc co 0.7 σlu = 1+ 6 (3.12) f f co f cc o ε cc = ε ccu = (3.13) E2 όπου: 0.2 Et f f E2 = fco (3.14) d Η σχέση που δείχνει την µηχανική συµπεριφορά του σκυροδέµατος σε όρους σ-ε είναι η εξής: ( E E ) ( ) ε σ = + E ε c 2 c c 1/ n 2 c όπου : c n { 1+ Ec E 2 εc /fo } c (3.15) E = 3950 f (3.16) fo = fco σ lu (3.17) n= 1.5 Οι Saafi et al. (1999) στηριγµένοι στα αποτελέσµατα πειραµάτων σε προκατασκευασµένους κυλίνδρους από σύνθετα υλικά, πληρωµένων µε σκυρόδεµα εκτίµησαν την αντοχή και την αντίστοιχη παραµόρφωση του περισφιγµένου σκυροδέµατος, ως εξής: 0.84 cc σ lu = co fco f f ε =ε σ c 1+ ( 537ε + 2.6) 1,0.002 ε ε c co h h f,rup fco (3.18) (3.19) Στη σχέση τάσεων παραµορφώσεων εισέρχεται η παραµόρφωση του περισφιγµένου σκυροδέµατος κατά την περίµετρο ε h που παίρνει τιµές στο διάστηµα: 0 εh ε fu Ecεc σ c = E 2 E E ε 1 E E 1 + ( + ) ε + ( ) ε f f f c ua c ua ua c 2 c 2 2 ua εua ua εua ua 2 c,0 ε h (3.20) 40

73 0.84 2E t ε σ = f ,0.002 ε ε f f h c co h fu dfco όπου: Et f f df f f ua = co + co Et f f ε ua = ε co df co f Eua = ε co co (3.21) (3.22) (3.23) (3.24) Οι Miyauchi et al. (1999), βάσει των πειραµατικών τους δοκιµών σε περισφιγµένα µε µανδύες ινών άνθρακα, κυκλικά υποστυλώµατα και για ένα εύρος τιµών θλιπτικής αντοχής 20(MPa) fco 100(MPa) πρότειναν δύο ξεχωριστά προσοµοιώµατα για την σχέση τάσεων παραµορφώσεων. Ένα προσοµοίωµα αύξουσας µορφής που ορίζεται στο διάστηµα 0 ε ε cc και ένα προσοµοίωµα φθίνουσας µορφής που κυµαίνεται από εcc ε ε cu. fcc σlu = (3.25) fco fco Στην αύξουσα µορφή, η µέγιστη αξονική παραµόρφωση κατά την αστοχία είναι: σlu f co ε cu = ε cc = ε co 1+ ( f co )( ) (3.26) fco Η σχέση τάσεων παραµορφώσεων σε αυτή τη µορφή είναι: σ = ε ε 2 ε c ε c c f co 2,0 c t εco εco (3.27) σ c = f cu λ ( εcu εc), εt εc ε cu (3.28) όπου: 2 ε ε =ε λ (3.29) t λ= co co 2f co { 2f co( εcu ε co ) + 4f co(fco 2f cu co co cu f cu co ) ε ε ε + ε } ε 2 co (3.30) 41

74 Στην φθίνουσα µορφή, η σχέση τάσεων παραµορφώσεων είναι: 2 ε ε σ = f 2,0 ε ε c c c co c co εco εco ( ε ε ) (f f ) σ = f +, ε ε ε ' c co cu co c co co c cu ( εcu εc ) f f 3.1 f 2t E 2f t (3.31) (3.32) = + ν f f f f cc co co c d E + c d (3.33) Ο Toutanji (1999) στηριγµένος στο προσοµοίωµα των Saafi et al. και στις πειραµατικές του δοκιµές, οι οποίες πραγµατοποιήθηκαν σε δοκίµια περισφιγµένα µε µανδύες από ινοπλισµένα πολυµερή, πρότεινε ένα προσοµοίωµα συµπεριφοράς περισφιγµένου σκυροδέµατος που συνίσταται από τις ακόλουθες εξισώσεις: 0.85 cc σ lu = co fco f f ε =ε σ c 1+ ( ε + 1.9) 1,0.002 ε ε c co h h f,rup fco (3.34) (3.35) Ο καταστατικός νόµος σ-ε που πρότεινε µπορεί να εκτιµηθεί από τις εξής εξισώσεις: Ecεc σ c = E 2 E E ε 1 E E 1 + ( + ) ε + ( ) ε f f f c ua c ua ua c 2 c 2 2 ua εua ua εua ua 2 c,0 ε h (3.36) E t ε σ = f ,0.002 ε ε f f h c co h fu dfco όπου: Et f f df f f ua = co + co 0.85 (3.37) (3.38) 42

75 Et f f ε ua = ε co df co f Eua = ε co co 0.85 (3.39) (3.40) Σύµφωνα µε τους Xiao και Wu (2000) προτείνεται ένα προσοµοίωµα συµπεριφοράς περισφιγµένου σκυροδέµατος που απαρτίζεται από τις εξισώσεις: σ c = Ecε c + 2ν cfr (3.41) Cj νc 2νc Ec ε c =, πριν φθάσει το f co (3.42) ν c co r c σ =α f + kf (3.43) ε ε = c C ε ' ro ' νc 2t d h αφού φθάσει το f co (3.44) f j = Ef (3.45) fr = C j εh( ε h < 0) (3.46) α= 1.1 (3.47) 2 fco k = C (3.48) j ' ε ro = (3.49) f ' co ν c = 7 C j 0.8 (3.50) Το προσοµοίωµα αυτό προβλέπει φθίνοντα κλάδο στο διάγραµµα σ-ε, Cj αφού οι τιµές της τάσης ξεπεράσουν το f co, για < fco Οι Lam και Teng (2001) προκειµένου να εξάγουν ένα αξιόπιστο αναλυτικό προσοµοίωµα έκαναν χρήση µίας τεράστιας βάσης δεδοµένων προηγούµενων ερευνητών την οποία διαχώρισαν σε τρεις κατηγορίες. Στην πρώτη κατηγορία κατατάχθηκαν εκείνα τα αποτελέσµατα στα οποία οι ιδιότητες των ινοπλισµένων πολυµερών είχαν προέλθει από δοκιµές εφελκυσµού τύπου «flat coupon», στη δεύτερη κατηγορία κατατάχθηκαν εκείνα τα αποτελέσµατα στα οποία οι ιδιότητες των ινοπλισµένων πολυµερών είχαν προέλθει από δοκιµές τύπου «splitting» σε κυλινδρικά δοκίµια, ενώ στην 43

76 τρίτη κατηγορία κατατάχθηκαν όλα τα υπόλοιπα αποτελέσµατα για τα οποία οι ιδιότητες των ινοπλισµένων πολυµερών δεν ήταν καθαρά δηλωµένες. Κάθε µία από αυτές τις κατηγορίες πειραµατικών αποτελεσµάτων υποβλήθηκε σε σύγκριση µε τα µέχρι τότε εννέα προσοµοιώµατα αντοχής περισφιγµένου σκυροδέµατος (Richart et al., 1928, Mander et al., 1988, Karbhari and Gao s model I, 1997, Karbhari and Gao s model II, Mirmiran et al., 1998a, Samaan et al., 1998, Miyauchi et al., 1999, Saafi et al., 1999, Toutanji, 1999). Από τα εννέα προσοµοιώµατα, αυτά των Karbhari and Gao (Ι) και των Saafi et al. (1999) παρείχαν πολύ καλές προβλέψεις της αντοχής του περισφιγµένου σκυροδέµατος σε σχέση µε τα πειραµατικά αποτελέσµατα. Αντίθετα, τα προσοµοιώµατα πρόβλεψης των Richart et al. (1928) και Mander et al. (1988) τα οποία χρησιµοποιήθηκαν για να προσοµοιώσουν τη συµπεριφορά περισφιγµένου, µε µεταλλικούς συνδετήρες, σκυροδέµατος δεν παρέχουν καλές προβλέψεις καθώς το πρώτο υποτιµά την αντοχή του σε όλο το εύρος των βαθµών περίσφιγξης ενώ το τελευταίο, υποτιµά την αντοχή του στην περίπτωση χαµηλού βαθµού περίσφιγξης και την υπερεκτιµά στην περίπτωση υψηλού βαθµού περίσφιγξης. Έπειτα, το προσοµοίωµα του Toutanji κρίνεται αρκετά συντηρητικό, όπως και το προσοµοίωµα των Karbhari and Gao II. Τέλος, το προσοµοίωµα των Miyauchi et al. είναι το µοναδικό που υποστηρίζει ότι η σχέση µεταξύ του λόγου αντοχής του fcc περισφιγµένου, µε σύνθετα υλικά, σκυροδέµατος και του λόγου f περίσφιγξης σ lu f co είναι γραµµική, αλλά σε σύγκριση µε τα πειραµατικά αποτελέσµατα φανερώνεται µη-συντηρητικό. Οι Lam και Teng (2001), θέλοντας να αποφύγουν την πολυπλοκότητα των περισσοτέρων πρόσφατων προσοµοιωµάτων (Karbhari and Gao, 1997, Mirmiran et al., 1998a, Samaan et al., 1998, Saafi et al., 1999, Toutanji, 1999) και στηριγµένοι στην παρατήρηση ότι η αντοχή του περισφιγµένου σκυροδέµατος f cc σχετίζεται γραµµικά µε την τάση περίσφιγξης σ lu, πρότειναν το ακόλουθο προσοµοίωµα σαν περισσότερο αξιόπιστο, καθώς αυτό έδινε τις πιο κοντινές προβλέψεις συνολικά, σε σχέση µε τα πειραµατικά αποτελέσµατα της πρώτης κατηγορίας, η οποία σηµειωτέον, ήταν και η µεγαλύτερη. fcc σlu = (3.51) f f co co co Το προσοµοίωµα αυτό δεν κρίνεται συντηρητικό για την περιοχή τιµών υψηλού βαθµού περίσφιγξης (π.χ. ασφάλειας, οι Lam και Teng πρότειναν (Teng et al., 2001): σ f lu co > 1 ). Έτσι, για το σχεδιασµό, υπέρ της 44

77 f f cc co σ f lu = 1+ 2 (3.52) co Στηριγµένοι στις υποθέσεις ότι: α) το πρώτο τµήµα της καµπύλης σ-ε είναι παραβολικό β) το δεύτερο τµήµα της καµπύλης σ-ε είναι γραµµικό γ) η ένωση του πρώτου µε το δεύτερο τµήµα γίνεται οµαλά ούτως ώστε να µην υπάρχει αλλαγή στην κλίση του ενδιαµέσου τµήµατός τους δ) η τοµή της προέκτασης του γραµµικού τµήµατος µε τον κατακόρυφο άξονα των τάσεων είναι το σηµείο που αντιστοιχεί στην θλιπτική αντοχή του σκυροδέµατος ε) το δεύτερο, γραµµικό τµήµα καταλήγει σε ένα σηµείο που αντιστοιχεί τόσο στη θλιπτική αντοχή όσο και στη µέγιστη αξονική παραµόρφωση, που προέκυψαν από προσεκτικές παρατηρήσεις των πειραµατικών αποτελεσµάτων, οι Lam και Teng καθιέρωσαν σαν καταστατικό νόµο του περισφιγµένου σκυροδέµατος, µε ινοπλισµένα πολυµερή, τον ακόλουθο: ( E E ) 2 σ = E ε ε,0 ε ε (3.53) c 2 2 c c c c c t 4fco σ c = fco + E 2εc, εt εc ε cc (3.54) Οι εξισώσεις (3.53) και (3.54) ορίζουν µία καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων, (Σχήµα 3.3) µε ένα παραβολικό πρώτο τµήµα και ένα γραµµικό δεύτερο τµήµα µε τετµηµένη έναρξης το σηµείο µε παραµόρφωση: 2fco ε t = (3.55) ( Ec E2) όπου: Ε 2 : η κλίση του γραµµικού, δεύτερου τµήµατος ίση µε: fcc fco E2 = (3.56) ε cc Προκειµένου να ορισθεί η κλίση Ε 2, πρέπει να είναι γνωστά η µέγιστη αξονική θλιπτική αντοχή και η µέγιστη αξονική παραµόρφωση του περισφιγµένου σκυροδέµατος. Για το σκοπό αυτό οι Lam και Teng (2003) πρότειναν, για την εύρεση της πρώτης (αξονικής θλιπτικής αντοχής) την σχέση (3.52), οπότε η (3.56) απλοποιείται στην: 2σlu E2 = (3.57) ε cc 45

78 Σχήµα 3.3 Καµπύλες τάσης παραµόρφωσης για απερίσφιγκτο και περισφιγµένο µέσω συνθέτων υλικών, σκυρόδεµα βάσει του προσοµοιώµατος των Lam και Teng (2003). Οι Lam και Teng συσχετίζοντας την µέγιστη, αξονική παραµόρφωση του περισφιγµένου, µε σύνθετα υλικά, σκυροδέµατος µε την πλευρική τάση περίσφιγξης, κατέληξαν στην εξίσωση µε γενική µορφή: σ lu ε cc = εco 2+ k2 (3.58) fco όπου: k 2 : συντελεστής έντασης της παραµόρφωσης Στην περίπτωση περισφιγµένου µε σύνθετα υλικά από ίνες άνθρακα, σκυροδέµατος ο συντελεστής k 2 λαµβάνει την τιµή 15, οπότε η (3.58) γίνεται: σ lu ε cc = εco (3.59) fco ενώ, στην περίπτωση περισφιγµένου µε προκατασκευασµένους σωλήνες από ίνες γυαλιού, σκυροδέµατος ο συντελεστής k 2 λαµβάνει την τιµή 27, οπότε η (3.58) γίνεται: σ lu ε cc = εco (3.60) fco Οι προηγούµενες εξισώσεις χρησιµοποιούν τις εφελκυστικές αντοχές των ινοπλισµένων πολυµερών και από τους δύο τύπους δοκιµών. Συγκεκριµένα, η εξίσωση (3.59) χρησιµοποιεί δοκιµές τύπου «flat coupon», ενώ η εξίσωση (3.60) χρησιµοποιεί δοκιµές τύπου «splitting» σε κυλινδρικά δοκίµια. Είναι φανερό ότι το παρόν προσοµοίωµα παρέχει τη δυνατότητα σύγκρισης της επίδρασης του τύπου του ινοπλισµένου πολυµερούς στη 46

79 µέγιστη, αξονική παραµόρφωση του περισφιγµένου, µε σύνθετα υλικά, σκυροδέµατος. Ο µοναδικός περιορισµός του είναι ότι προϋποθέτει ανιόντα κλάδο στην καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων, ο οποίος µπορεί να εξασφαλιστεί µε την ύπαρξη ενός επαρκούς ποσοστού από σύνθετα υλικά. Ένα από τα πιο γνωστά προσοµοιώµατα περίσφιγξης µε κλειστούς συνδετήρες το οποίο υιοθετήθηκε µεταγενέστερα από ποικίλους ερευνητές (π.χ. Saadmanesh et al., 1994, Priestley et al.,1996) για να προβλέψουν τη συµπεριφορά σ-ε του περισφιγµένου, µε ινοπλισµένα πολυµερή, σκυροδέµατος, είναι αυτό του Mander et al., Αυτό το προσοµοίωµα βασίστηκε στην εξίσωση του Popovics (1973) σύµφωνα µε την οποία η αξονική τάση σ c του περισφιγµένου σκυροδέµατος δίνεται από την: f x r r 1 x cc σ c = + όπου: ε x = ε r = E E sec c cc c Ec E f = ε cc cc sec σ ε cc = εco + fco r lu (3.61) (3.62) (3.63) (3.64) (3.65) Προκειµένου να προβλεφθεί η αντοχή του περισφιγµένου µε ινοπλισµένα πολυµερή, σκυροδέµατος, στην θέση της f cc αντικαθίσταται η τιµή της παρακάτω παράστασης: fcc 7.94σl σl = (3.66) f f f co co co Αν η περιτύλιξη του σύνθετου υλικού γύρω από το υποστύλωµα είναι µερική, µε λωρίδες υφάσµατος, ανά αποστάσεις, τότε σύµφωνα µε τον Saadmanesh et al. (1994) το σ l της παραπάνω σχέσης αντικαθίσταται από που δίνεται από την: ' σ= k σ (3.67) l g l όπου: ' σ l : η ενεργός πλευρική τάση περίσφιγξης ' σ l 47

80 k g : ο συντελεστής του βαθµού περιτύλιξης που ορίζεται ως εξής sf 1 2 ( 2d) kg = 1 ρsc όπου: s: f η καθαρή κατακόρυφη απόσταση µεταξύ των λωρίδων (3.68) ρ sc : ο λόγος του εµβαδού του διαµήκους χάλυβα προς το εµβαδό της συνολικής διατοµής του δοκιµίου Για να αποκτήσει κανείς την καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων απαιτείται µια επαναληπτική διαδικασία διαδοχικών αντικαταστάσεων, υπολογισµών και συγκρίσεων στην εξίσωση (3.61). Η µέγιστη αξονική παραµόρφωση του περισφιγµένου σκυροδέµατος, ε cu ορίζεται σαν την αξονική παραµόρφωση στην οποία ρηγµατώνεται ο πρώτος συνδετήρας (Scott et al., 1982). Ένα πρόσφατο και γενικά αποδεκτό προσοµοίωµα περίσφιγξης είναι αυτό που πρότεινε ο Mander (1988), το οποίο έχει επηρεάσει τον Ελληνικό Κανονισµό Οπλισµένου Σκυροδέµατος και τον Ευρωκώδικα 8, κυρίως όσον αφορά στο συντελεστή αποτελεσµατικότητας της περίσφιγξης. Για την εύρεση της µέγιστης αξονικής παραµόρφωσης πρότεινε την αρχή της ενεργειακής ισορροπίας που εκφράζεται µέσω της εξίσωσης: Ush = Ucc + Usc Uco (3.69) όπου: U sh : η µέγιστη ενέργεια παραµόρφωσης ανά µονάδα όγκου της ενίσχυσης που χρησιµοποιείται για περίσφιγξη U cc : η µέγιστη ενέργεια παραµόρφωσης ανά µονάδα όγκου του περισφιγµένου σκυροδέµατος U sc : η µέγιστη ενέργεια παραµόρφωσης ανά µονάδα όγκου των διαµήκων ράβδων ενίσχυσης U so : η µέγιστη ενέργεια παραµόρφωσης ανά µονάδα όγκου του απερίσφιγκτου σκυροδέµατος Βασισµένος σε αυτή την αρχή, οι Priestley et al. (1996) έδωσαν µια συντηρητική εκτίµηση της µέγιστης αξονικής παραµόρφωσης του περισφιγµένου µε συνδετήρες σκυροδέµατος που δίνεται από την: ρshfyhεsu ε cu = (3.70) fcc όπου: 48

81 ρ sh : το ογκοµετρικό ποσοστό της εγκάρσιας ενίσχυσης (συνδετήρων) f yh : το όριο διαρροής της εγκάρσιας ενίσχυσης (συνδετήρων) ε su : η παραµόρφωση του χάλυβα στην αντοχή Αργότερα, οι Seibe et al. (1997), υιοθετώντας την ίδια ιδέα, προχώρησαν στην εύρεση της µέγιστης αξονικής παραµόρφωσης του περισφιγµένου µε σύνθετα υλικά, σκυροδέµατος, προτείνοντας την εξίσωση: ρfffεf,rup ε cu = (3.71) fcc όπου: ε f,rup : η µέγιστη εφελκυστική αντοχή του ινοπλισµένου πολυµερούς στην εγκάρσια διεύθυνση Οι Spoestra και Monti (1999) υποστήριξαν ένα προσοµοίωµα περισφιγµένου σκυροδέµατος µε σύνθετα υλικά που δίνει την τάση και την παραµόρφωση κατά την αστοχία σύµφωνα µε τις εξισώσεις: σ = + (3.72) lu fcu f co(0.2 3 ) fco Ec σ lu ε cu = εco εf,rup (3.73) f co f co Το προσοµοίωµα αυτό προβλέπει µία τάση περισφιγµένου σκυροδέµατος, στην µέγιστη τιµή της αξονικής παραµόρφωσης, µικρότερη από f co για σ lu / f co < 0.07, ενώ για την οριακή περίπτωση του περισφιγµένου σκυροδέµατος η τάση αυτή είναι µόνο το 20% f co και συµβαίνει σε µέγιστη παραµόρφωση ε cu = Σηµειώνεται ότι, για να αποκτήσει κανείς την καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων απαιτείται µια επαναληπτική διαδικασία. Τέλος, οι Spoestra και Monti παρατήρησαν ότι η παραµορφωσιµότητα του περισφιγµένου µε µανδύες από ίνες γυαλιού ύφασµα είναι σχεδόν διπλάσια από την παραµορφωσιµότητα του περισφιγµένου µε µανδύες από ίνες άνθρακα ύφασµα. 3.7 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΥ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟ ΑΠΟ ΤΗΝ fib (2001) Το προσοµοίωµα αυτό το οποίο εξήχθη από τους Mander et al. (1988) υπολογίζει την θλιπτική αντοχή ορθογωνικών διατοµών µε πλευρές b,d (b d) στην διεύθυνση της σ 1 >σ 2 =σ 3 =σ lud από τη σχέση: f ( ) = α α f (3.74) ccd 1d 2d cd 49

82 όπου: σ σ α = + (3.75) 1d lud,b lud,b fcd fcd 2 d d σlud,b α 2d = b + (3.76) b fcd 2tf σ lud,b = ke ffde (3.77) d ke = ke1 ke2 ke3 1 (3.78) '2 '2 Ae b + d ke1 = = 1 (3.79) Ag A s 3Ag 1 A g ' sf 1 k 2d e2 = (3.80) As 1 A k e3 2 1 (tan f ) g 1 = + α (3.81) Στις παραπάνω σχέσεις εισάγονται οι συντελεστές k e, k e1, k e2 και k e3 που ονοµάζονται: συντελεστής αποτελεσµατικότητας του µανδύα, συντελεστής διατοµής, συντελεστής κάλυψης και συντελεστής διεύθυνσης, αντίστοιχα, και περιγράφονται αναλυτικά στην ενότητα που ακολουθεί. Στην περίπτωση στοιχείων κυκλικής διατοµής ο συντελεστής α 2d λαµβάνει την τιµή 1, εποµένως παραλείπεται ο υπολογισµός του από τη σχέση (3.76). Η αύξηση της αξονικής παραµόρφωσης που αντιστοιχεί στην αντοχή είναι αναλογικά µεγαλύτερη (Richart et al., 1928) και δίνεται από την: f ccd ε ccd =εcd (3.82) fcd Η (3.82) µετασχηµατίζεται στην: ( ) ε ccd = εcd 1+ 5 α1d α2d 1 (3.83) Η καµπύλη σ 1 -ε 1 δεν επηρεάζεται από την εγκάρσια τάση, παρά σ lud,b µόνον όταν η τιµή της πλησιάζει την µονοαξονική αντοχή f c. Έτσι µέχρι αυτές τις τιµές της σ 1 δεν επηρεάζονται σηµαντικά το εφαπτοµενικό και το επιβατικό µέτρο Ελαστικότητας του σκυροδέµατος. Όταν όµως η τάση προσεγγίσει την αντοχή f ccd το επιβατικό µέτρο Ελαστικότητας f ccd /ε ccd µειώνεται όσο αυξάνεται η εγκάρσια τάση, σ lud,b. 50

83 Το τέµνον µέτρο Ελαστικότητας στην αστοχία Ec Esec,ud = Ec 1 ffde 1+ 2 fcd Ef Esec,udείναι: (3.84) Η επιθυµητή παραµόρφωση και η θλιπτική τάση στην αστοχία δίνονται από τις: Esec,Md 1 E Ec sec,md(ec E sec,ud ε ccud = ( α1dα2d 1) E sec,ud(ec Esec,Md fccud = Esec,ud εccud fcd όπου: (3.85) (3.86) α1dα2dfcd Esec,Md = (3.87) ( α1dα2d 1) 1/ 3 E = (f + 8) (3.88) c ck Τέλος, αντικαθιστώντας το τέµνον µέτρο Ελαστικότητας στην αστοχία, E sec,ud η εξίσωση (3.14) µετασχηµατίζεται στην: Esec,Md 1 E E E c c sec,md(ec E sec,ud ccud = ( 1d 2d ) E E c 1 f + α α fde sec,ud(ec Esec,Md f fcd Ef 3.8 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΤΗΣ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗΣ (3.89) Η εφαρµογή µανδυών από σύνθετα υλικά (ινοπλισµένα πολυµερή FRPs) γύρω από τις κρίσιµες περιοχές υποστυλωµάτων (περιοχές πλαστικών αρθρώσεων) οπλισµένου σκυροδέµατος έχει ως κύριο στόχο την δράση της περίσφιγξης η οποία µε τη σειρά της παίζει ευεργετικό ρόλο σε έναν µεγάλο αριθµό παραγόντων που αναφέρθηκαν στην αρχή. Στην πράξη, ανεξάρτητα από την ποιότητα της περιτύλιξης του µανδύα, υπάρχουν παράγοντες που αυξάνουν ή µειώνουν την αποτελεσµατικότητα της περίσφιγξης. Οι παράγοντες αυτοί αφορούν τη γεωµετρία της διατοµής, το βαθµό περιτύλιξης (κάλυψης) του σκυροδέµατος και τη διεύθυνση των ινών σε σχέση µε τον άξονα του περισφιγµένου µέλους. Η αποτελεσµατικότητα της περίσφιγξης είναι βέλτιστη όταν το υποστύλωµα είναι κυκλικό, ενώ εάν είναι ορθογωνικό, αυξάνεται όσο µειώνεται η τιµή του λόγου των πλευρών b/d (έτσι ώστε να πλησιάζει τη µονάδα) και όσο αυξάνεται η ακτίνα καµπυλότητας στις γωνίες. Σε 51

84 υποστύλωµα ορθογωνικής διατοµής η περίσφιγξη ασκείται µέσω των τεσσάρων γωνιών της διατοµής, (Σχήµα 3.4) οι οποίες διαµορφώνονται σε τεταρτοκύκλια ακτίνας r c για λόγους προστασίας του ψαθυρού ινοπλισµένου πολυµερούς από υψηλές τοπικές παραµορφώσεις στη γωνία. Το απερίσφιγκτο τµήµα της διατοµής ορίζεται από τέσσερα παραβολικά τόξα µε αρχική κλίση ±45 ο και µε χορδή το ευθύγραµµο τµήµα κάθε πλευράς (Φαρδής, 2005). Αν b και d οι διαστάσεις µιας ορθογωνικής διατοµής της οποίας οι γωνιές έχουν καµπυλωθεί µε ακτίνα r c και b και d, οι διαστάσεις των χορδών κάθε πλευράς των απερίσφιγκτων τµηµάτων της διατοµής, τότε ο συντελεστής της διατοµής k e1, θα δίνεται από το λόγο του εµβαδού της περισφιγµένης διατοµής, A e προς το εµβαδό της συνολικής επιφάνειας της διατοµής, A g που δίνεται από την (3.90): '2 '2 A b + d = = A e ke1 1 Ag s 3Ag 1 A g (3.90) Σχήµα 3.4 Η περίσφιγξη του σκυροδέµατος σε ορθογωνικές διατοµές που επιτυγχάνεται µέσω των γωνιών (Τριανταφύλλου, 2003). Σε κυκλική διατοµή η περίσφιγξη ασκείται στο σύνολο της διατοµής και ο συντελεστής της διατοµής k e1, ισούται µε τη µονάδα ( k e1 = 1). Όσον αφορά το βαθµό κάλυψης του σκυροδέµατος, η αποτελεσµατικότητα της περίσφιγξης είναι βέλτιστη όταν η κάλυψη του στοιχείου µε µανδύα είναι πλήρης, ενώ εάν είναι µερική, η αποδοτικότητα αυξάνεται όσο µειώνεται το µεσοδιάστηµα µεταξύ της µέσης γραµµής των λωρίδων, s f. Ας θεωρήσουµε ένα κυλινδρικό στοιχείο σκυροδέµατος διαµέτρου d µε µερική κάλυψη συνθέτων υλικών και µε πλάτος λωρίδων b f όπως φαίνεται στο Σχήµα 3.5. Στις περιοχές που είναι τοποθετηµένες οι λωρίδες των ινοπλισµένων πολυµερών οι τάσεις περίσφιγξης διαχέονται στο εσωτερικό του σκυροδέµατος υπό γωνία ±45 ο ως προς το επίπεδο των λωρίδων, αρχικά και 52

85 στη συνέχεια στο εσωτερικό παραβολικών τόξων που εκτείνονται κατά τη διεύθυνση του άξονα του µέλους µεταξύ διαδοχικών λωρίδων, µε εφαπτοµένη που σχηµατίζει ±45 ο ως προς τα επίπεδα των λωρίδων. Μόνο το σκυρόδεµα που βρίσκεται στο εσωτερικό των παραβολικών αυτών τόξων προς τον άξονα του µέλους θεωρείται ότι αισθάνεται την ευεργετική επιρροή της περίσφιγξης. Το υπόλοιπο, που βρίσκεται έξω από τα παραβολικά τόξα µέχρι και την εξωτερική επιφάνεια, δεν θεωρείται περισφιγµένο. Η ελάχιστη διατοµή του θεωρούµενου ως περισφιγµένου σκυροδέµατος είναι στο µέσο ακριβώς της απόστασης διαδοχικών λωρίδων (Φαρδής, 2005). ' Αν συµβολίσουµε µε s f την καθαρή, κατακόρυφη απόσταση µεταξύ των λωρίδων των ινοπλισµένων πολυµερών, τότε αυτή µπορεί να εκφραστεί ως εξής: ' sf = sf bf (3.91) Αν A e είναι το εµβαδό της περισφιγµένης διατοµής στη µεσοαπόσταση µεταξύ δύο διαδοχικών λωρίδων, Α g το συνολικό εµβαδό της διατοµής και A s το εµβαδόν του διαµήκους οπλισµού στη διατοµή, τότε η καθαρή επιφάνεια του σκυροδέµατος, A c θα ισούται µε: Ac = Ag As και ο συντελεστής Ae κάλυψηςk e2 θα δίνεται από το λόγο που ισοδυναµεί µε την (3.92): Ac ' sf 1 k 2d e2 = (3.92) As 1 A e3 2 1 (tan f ) g Για στοιχεία µε πλήρη κάλυψη του µανδύα από σύνθετα υλικά, ο συντελεστής κάλυψης, k e2 ισούται µε τη µονάδα, καθώς επιτυγχάνεται η µέγιστη αποδοτικότητα του µανδύα. Τέλος, σηµειώνεται ότι σε ορθογωνικές διατοµές µε πλευρές b d, αντί της ακτίνας d στην σχέση (3.92) εισάγεται η µικρότερη πλευρά. Η αποτελεσµατικότητα της περίσφιγξης είναι βέλτιστη όταν οι ίνες του µανδύα εφαρµόζονται σε οριζόντια διάταξη, ενώ εάν εφαρµόζονται ελικοειδώς, η αποδοτικότητα αυξάνεται όσο µειώνεται η κλίση τους ως προς την κάθετο στον άξονα του µέλους. Αν θεωρήσουµε το στοιχείο σκυροδέµατος του Σχήµατος 3.5 µε α f την γωνία των ινών ως προς την κάθετο στον άξονα του µέλους, τότε ο συντελεστής διεύθυνσης, k e3 δίνεται από την (3.93): 1 k = (3.93) + α 53

86 Όταν τα στοιχεία είναι ενισχυµένα µε τις ίνες τυλιγµένες σε κάθετη διεύθυνση ως προς τον άξονα του µέλους και συνεπώς α f = 0 τότε ke3 = 1 και οι ίνες αξιοποιούν στο µέγιστο την ανάληψη εφελκυστικών τάσεων. Προκειµένου να ληφθούν υπόψη όλοι οι προηγούµενοι συντελεστές περίσφιγξης, ορίζεται ο συνολικός συντελεστής αποτελεσµατικότητας, k e ως το γινόµενο των k e1, k e2 και k e3 που δίνεται από την (3.94): ke = ke1 ke2 ke3 1 (3.94) Σχήµα 3.5 Περίσφιγξη (α) µε λωρίδες ανά αποστάσεις, (β) µε τις ίνες υπό γωνία (σύνθετα υλικά σε ελικοειδή διάταξη) (Τριανταφύλλου, 2003). 54

87 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΜΗΤΡΑΣ 4.1 ΓΕΝΙΚΑ Η επιστηµονική έρευνα, πειραµατική και θεωρητική που διεξάγεται στον τοµέα των ενισχύσεων µε σύνθετα υλικά, σε διεθνές και εθνικό επίπεδο, αναζητά µαζί µε όλα τα άλλα, το σχεδιασµό πρωτοποριακών υλικών µε νέες µορφές µοριακής οργάνωσης της ύλης όσο και τη βελτίωση των υπαρχόντων υλικών µε νέες χηµικές συνθέσεις που θα προσφέρουν τις επιθυµητές µηχανικές ιδιότητες ανάλογα µε το τοµέα εφαρµογής τους. Η λαµπρή πορεία και επιτυχία που σηµειώθηκε µε την ευρέως διαδεδοµένη εφαρµογή της µεθόδου των ινοπλισµένων πολυµερών (FRPs) δε πρέπει να παρανοείται µε το γεγονός ότι η συγκεκριµένη πρακτική δεν έχει µειονεκτήµατα. Αντιθέτως, η αναγκαία χρήση ρητινών της µεθόδου, για την συγκόλληση των συνθέτων υλικών περιλαµβάνει µια σειρά από µειονεκτήµατα τα κυριότερα από τα οποία είναι: Η φτωχή συµπεριφορά τους σε θερµοκρασίες πάνω από τη θερµοκρασία υαλώδους µετάπτωσης είναι ένα γεγονός που συχνά εξηγεί τη λήψη ειδικών και εκτεταµένων µέτρων προστασίας έναντι πυρκαγιάς. Το υψηλό τους κόστος. Η επιβλαβής δράση τους, για το εργατικό προσωπικό, όταν εισπνέονται και όταν έρχονται σε επαφή µε το δέρµα. Η αδιαπερατότητα της χηµικά αδρανούς ρητίνης στη σκληρυµένη της κατάσταση, που εγκλωβίζει την υγρασία και το οξυγόνο των πόρων µε αποτέλεσµα την εµφάνιση προβληµάτων, όπως απώλεια αντοχής και πιθανή επιτάχυνση του ρυθµού διάβρωσης. Η αδυναµία τους να εφαρµοστούν όταν έρχονται σε επαφή µε υγρές επιφάνειες. Η εξαιρετική ευαισθησία τους σε θερµοκρασιακούς και περιβαλλοντικούς παράγοντες, όπως π.χ. καθίσταται αδύνατη η εφαρµογή τους όταν η θερµοκρασία είναι κάτω από 10 ο C. Η σχετικά πτωχή φυσικοχηµική συµβατότητα του σύνθετου υλικού µε το υπόστρωµα του σκυροδέµατος. Τέλος, η δυσκολία να διεξαχθεί µελέτη αποτίµησης της βλάβης των δοµικών στοιχείων, µετά από σεισµό, όταν καλύπτονται από µανδύες ινοπλισµένων πολυµερών (FRP-jackets) αποτελεί µία πρόσθετη αδυναµία της µεθόδου ενίσχυσης µε ινοπλισµένα πολυµερή. 55

88 Είναι φανερό πως το σύνολο των µειονεκτηµάτων του συστήµατος ενίσχυσης µε σύνθετα υλικά, (FRPs) προέρχεται από τη χρήση του υλικού της µήτρας, δηλαδή της εποξειδικής ρητίνης. Κατά συνέπεια, ανεξάρτητα από την επιλογή του τύπου των ινών, αν αντικατασταθεί η εποξειδική ρητίνη µε κάποιο εναλλακτικό προϊόν που δεν συνδυάζει τα παραπάνω χαρακτηριστικά, τότε αποκτάται ένα διαφορετικό και ίσως βελτιωµένο σύστηµα ενίσχυσης. Μία πιθανή λύση προς αυτή την κατεύθυνση αποτέλεσε ένα σύστηµα ενίσχυσης στο οποίο η συγκολλητική ουσία έχει αντικατασταθεί από ένα ανόργανο, τσιµεντοειδές υλικό (mortar), που ονοµάζεται FRM (Fiber Reinforced Mortars). Το σύστηµα ενίσχυσης FRM έχει µια µακροχρόνια πορεία στο πεδίο της κατασκευής λεπτότοιχων στοιχείων (ACI SP-124, 1990) αλλά και σε άλλα πεδία όπως θα δειχθεί παρακάτω. Οι µέχρι τώρα προσπάθειες βελτίωσης του συστήµατος εστιάζονται στη συλλογή και ανάλυση πειραµατικών δεδοµένων που αφορούν π.χ. τη λεπτότητα του τσιµέντου, την κοκκοµετρική του διαβάθµιση, τα πρόσθετα, τη διάταξη των ινών κ.τ.λ. ώστε να εξηγηθεί ο τρόπος µε τον δουλεύει αλλά και να σχεδιαστούν µορφές µε βελτιωµένες ιδιότητες σε σχέση µε τις συγκεκριµένες εφαρµογές. Στην ενότητα που ακολουθεί αναλύονται οι απαιτήσεις που πρέπει να ικανοποιούνται µεταξύ των συνιστάµενων υλικών του συστήµατος ενίσχυσης µε ανόργανη µήτρα. 4.2 ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΜΗΤΡΑΣ 1. Συµβατότητα Με τον όρο συµβατότητα εννοείται η αρµονία που υπάρχει µεταξύ φυσικών, χηµικών και ηλεκτροχηµικών ιδιοτήτων του συστήµατος ενίσχυσης και του υπάρχοντος σκυροδέµατος. Αυτό σηµαίνει ότι το προκύπτον σύστηµα ενίσχυσης θα πρέπει να µπορεί να φέρει όλες τις τάσεις που προκαλούνται από µεταβολές του όγκου, φορτία και χηµικές ή ηλεκτροχηµικές επιδράσεις, χωρίς µείωση ή χειροτέρευση του επιπέδου της ζωής σχεδιασµού του. Η συµβατότητα συστήµατος ενίσχυσης και υποστρώµατος περιλαµβάνει τις εξής κατηγορίες. 1α. Συµβατότητα διαστάσεων Στην κατηγορία αυτή συγκαταλέγονται φαινόµενα αστάθειας όγκου όπως είναι η συστολή ξήρανσης, η θερµική διαστολή, ο ερπυσµός, το µέτρο Ελαστικότητας και η γεωµετρία της διατοµής. Ως συστολή ξήρανσης ονοµάζεται η συστολή που υφίσταται το υλικό όταν αποµακρυνθεί η υγρασία που περιείχε. Το φαινόµενο αυτό δηµιουργεί εσωτερικές τάσεις και µικρορωγµές στην εξωτερική επιφάνεια. Έτσι, ένα από τα ζητήµατα που θα πρέπει να εξασφαλιστούν από τη σύσταση του 56

89 κονιάµατος είναι να περιορίζεται η συστολή του και η εµφάνιση ρωγµών λόγω ξήρανσης. Ένα άλλο φαινόµενο που θα πρέπει να συνυπολογιστεί είναι το φαινόµενο της θερµικής διαστολής. Το φαινόµενο αυτό είναι υπεύθυνο για της ύπαρξη ρωγµών ή την αποκόλληση του µανδύα των συνθέτων υλικών, λόγω ανεπαρκούς διατµητικής τάσης. Σηµαντικό ρόλο στη συµβατότητα µεταξύ συστήµατος ενίσχυσης και υπάρχοντος σκυροδέµατος παίζει, επίσης, το φαινόµενο του ερπυσµού καθώς αν συµβούν ερπυστικές παραµορφώσεις στο νέο υλικό ενίσχυσης, τότε τα φορτία που µεταφέρονται στο υπόστρωµα το οποίο, στη φάση της επέµβασης έχει αποκτήσει ένα σταθερό λόγω ερπυσµού όγκο, εµφανίζονται µειωµένα. ιαφορές στα µέτρα Ελαστικότητας µεταξύ συστήµατος ενίσχυσης και υπάρχοντος σκυροδέµατος επηρεάζουν καθοριστικά την κατανοµή των τάσεων σε ένα δοµικό στοιχείο µε το να µεταφέρονται πάντοτε τα φορτία στα υψηλότερου µέτρου Ελαστικότητας, υλικά. 1β. Χηµική και ηλεκτροχηµική συµβατότητα Η χηµική συµβατότητα εκτιµάται από το περιεχόµενο των αλκαλίων, των χλωριδίων και των C 3 A του συστήµατος ενίσχυσης και του υποστρώµατος. Για παράδειγµα εάν το υπάρχον σκυρόδεµα περιέχει δραστικά αδρανή τότε σαν υλικό συγκόλλησης της ενίσχυσης πρέπει να επιλεγεί κάποιο που να έχει χαµηλή αλκαλικότητα. Η ηλεκτροχηµική συµβατότητα προσδιορίζεται από ιδιότητες όπως η ηλεκτρική αντίσταση, ο δείκτης οξύτητας (ph) κ.τ.λ. Εάν για παράδειγµα το σύστηµα ενίσχυσης στοχεύει και στην προστασία από διάβρωση του εσωτερικού, συµβατικού οπλισµού, τότε πρέπει να επιλεχθεί ένα υλικό ενίσχυσης χαµηλού ph. 1γ. Συµβατότητα πορώδους Το σκυρόδεµα είναι ένα πορώδες υλικό που επιτρέπει την διακίνηση και µεταφορά νερού και αέρα από την επικάλυψη προς το εσωτερικό του και αντίστροφα µέσω των πόρων του. Η επιλογή του υλικού συγκόλλησης του µανδύα παίζει και εδώ σηµαντικό ρόλο καθώς ένα υλικό χαµηλής διαπερατότητας (π.χ. ρητίνη) δηµιουργεί ένα στεγανό εµπόδιο που µπορεί να οδηγήσει σε παρεµπόδιση της διάχυσης των προϊόντων τήξης του πάγου προς την ατµόσφαιρα που συνεπάγεται σταδιακή επέκταση της αποδιοργάνωσης του σκυροδέµατος στον πυρήνα των στοιχείων. 2. Ανθεκτικότητα Ένα ανθεκτικό σύστηµα ενίσχυσης πρέπει να επιτελεί σε όλη τη διάρκεια ζωής του τον αρχικό στόχο για τον οποίο σχεδιάστηκε. Όπως τονίστηκε προηγούµενα, η συµβατότητα των υλικών είναι ένα πολύ κρίσιµο κριτήριο για να επιτευχθεί ένα ανθεκτικό σύστηµα ενίσχυσης. Όµως, αυτό δεν είναι το µόνο κριτήριο. Ο καθορισµός των λεπτοµερειών σχεδιασµού, η 57

90 επιλογή των µεθόδων για την παραγωγή των επιµέρους στοιχείων του συστήµατος και η ποιότητα εφαρµογής παίζουν πρωτεύοντα ρόλο. Αξίζει να αναφερθεί πως αν πληρούνται όλα τα κριτήρια αλλά η εφαρµογή των συστηµάτων ενίσχυσης δεν γίνεται σύµφωνα µε τους προτεινόµενους κανονισµούς, τότε το σύστηµα θα είναι λιγότερο ανθεκτικό από το επιθυµητό. 3. Ειδικές απαιτήσεις Στις απαιτήσεις ενός συστήµατος ενίσχυσης συγκαταλέγονται και ειδικού τύπου απαιτήσεις, οι οποίες συνήθως ποικίλουν ανάλογα µε τη θέση και τη χρήση του δοµήµατος στο οποίο εφαρµόζονται. Για παράδειγµα όλα τα ενισχυµένα, εσωτερικά στοιχεία του φέροντος ή και του µη φέροντος οργανισµού µιας κατασκευής θα πρέπει να προστατεύονται έναντι πυρκαγιάς. Επίσης θα πρέπει να µπορούν να φέρουν τυχηµατικά φορτία όπως είναι τα φορτία του σεισµού, τα φορτία που παράγονται από τη χρήση εκρηκτικών υλών (π.χ. λόγω βανδαλισµών σε αστικές κυρίως περιοχές) ή τα κρουστικά φορτία (είναι χαρακτηριστικό ότι για τη θωράκιση υποστυλωµάτων γεφυρών από κρουστικά φορτία γίνεται χρήση µανδυών από ίνες αραµιδίου). Στη φάση του σχεδιασµού των υλικών για ενισχύσεις µε σύνθετα υλικά θα πρέπει να λαµβάνονται σοβαρά υπόψη οι απαιτήσεις προστασίας της ανθρώπινης υγείας, οι απαιτήσεις για εξοικονόµηση ενέργειας και πρώτων υλών καθώς και οι απαιτήσεις για συνεχή µείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Τέλος, θα πρέπει να σηµειωθεί ότι όπως µερικές κατασκευές (εκκλησίες, σπίτια, πύργοι, παλάτια κ.τ.λ.) πρέπει να σέβονται µια συγκεκριµένη αισθητική ή να εναρµονίζονται µε µια συγκεκριµένη φυσιογνωµία εποχής, το ίδιο πρέπει να κάνουν και τα συστήµατα ενίσχυσης. Τα τελευταία χρόνια οι προσπάθειες που έχουν γίνει από τον τοµέα της έρευνας και παραγωγής υλικών νέας τεχνολογίας ώστε να εξασφαλίζεται η απαραίτητη αντοχή και το απαιτούµενο αισθητικό αποτέλεσµα, είναι σε πολύ καλό δρόµο. 4. Επιθυµητές µηχανικές ιδιότητες Το µέτρο Ελαστικότητας Ε ενός υλικού, ισοδυναµεί µε την κλίση του διαγράµµατος τάσεων παραµορφώσεων, στην ελαστική περιοχή και καθορίζει τη δυσκαµψία του. Είναι γνωστό ότι σε µία δοκιµή µονοαξονικού εφελκυσµού, το µέτρο Ελαστικότητας συνδέει τις τάσεις µε τις παραµορφώσεις στη µορφή (νόµος του Hooke): σ= E ε (4.1) Προκειµένου να ενισχυθεί µία κατασκευή για να φέρει µε ασφάλεια πρόσθετα φορτία θα πρέπει το σύστηµα ενίσχυσης να διαθέτει υψηλή δυσκαµψία. Όµως, για την αύξηση της δυσκαµψίας του συστήµατος ενίσχυσης υπάρχει ένα κρίσιµο όριο. Αν η δυσκαµψία του είναι πολύ µεγάλη, ενδέχεται οι εσωτερικές ράβδοι χάλυβα να µείνουν ανενεργές, µιας και για να µπορέσουν να αναλάβουν φορτία οι τελευταίες θα πρέπει να έχουν υποστεί µόνιµη παραµόρφωση. Κατά συνέπεια, το σύστηµα ενίσχυσης είναι ωφέλιµο και πιο οικονοµικό να έχει µια δυσκαµψία που να ξεπερνά τα 210 GPa, που 58

91 είναι το µέτρο Ελαστικότητας του χάλυβα, αλλά όχι µεγαλύτερη, έτσι ώστε να εκµεταλλεύεται την ευεργετική δράση του υπάρχοντος οπλισµού και να µην αναλαµβάνει πολύ περισσότερα φορτία από αυτά που του είναι απαραίτητο. Πλην της δυσκαµψίας, µια άλλη µηχανική ιδιότητα που πρέπει να πληρεί το σύστηµα ενίσχυσης είναι η αντοχή. Στην περίπτωση των ενισχύσεων µε σύνθετα υλικά, η αντοχή αυξάνεται ανάλογα µε το ποσοστό των ινών ανά µονάδα επιφάνειας. Ο υπολογισµός των στρώσεων των σύνθετων υλικών, στην περίπτωση που χρησιµοποιείται µανδύας, γίνεται µε βάση την «ισοδύναµη δυστένεια» του χαλύβδινου οπλισµού, που προκύπτει µε χρήση τύπων υπολογισµού για το οπλισµένο σκυρόδεµα. Για απλούστευση του συλλογισµού λέµε ότι το σύστηµα ενίσχυσης πρέπει να προσδώσει αντοχή ισοδύναµη µε αυτή που του επιτρέπουν να έχει κάποιες επιπλέον ράβδοι χάλυβα. Στο σηµείο αυτό αξίζει να αναφερθεί ότι κάποιες φορές η αύξηση της αντοχής του συστήµατος ενίσχυσης µε ανάλογη αύξηση της πυκνότητάς του (ή του αριθµού των στρώσεών του) ενδέχεται να αντίκειται στις απαιτήσεις του σωστού εµποτισµού του ο οποίος είναι κρίσιµος για την επίτευξη της επιθυµητής µονολιθικής σύνδεσης των ινών µε τη µήτρα. Γι αυτό το λόγο πρέπει να γίνεται λογική χρήση του αριθµού των στρώσεων, ειδάλλως κάποια άλλη λύση ενίσχυσης πρέπει να αναζητηθεί. 5. Απαιτήσεις για το υλικό της συγκολλητικής ουσίας Η κατάλληλη επιλογή του υλικού της µήτρας παίζει καθοριστικό ρόλο αφού πρέπει να εξασφαλίζει (Wiberg, 2003): a. Τις απαραίτητες µηχανικές ιδιότητες, στη σκληρυµένη του µορφή (εφελκυστική και θλιπτική αντοχή) και ειδικότερα υψηλή εφελκυστική αντοχή για την επαρκή µεταφορά των φορτίων b. Τη σωστή συνοχή, τον κατάλληλο εµποτισµό των ινών, ώστε να εξασφαλίζονται καλές συνθήκες συνάφειας c. Επαρκή σταθερότητα. Η έλλειψή της µπορεί να οδηγήσει σε απόµιξη των συστατικών (W. Brameshuber και T. Brockmann). d. Θερµική και χηµική συµβατότητα των ινών µε το υπόστρωµα e. Καλή συνάφεια σε προεργασµένη επιφάνεια σκυροδέµατος f. Προστασία από την έκθεση σε υψηλές θερµοκρασίες, ακτινοβολία, φωτιά g. Εργασιµότητα κατά την εφαρµογή στο πεδίο, σε µεγάλες κατακόρυφες επιφάνειες και γενικότερα καλά ρεολογικά χαρακτηριστικά όταν είναι νωπό h. Περιορισµένη συστολή ξήρανσης ώστε να εµποδιστούν οι ανεπιθύµητες εφελκυστικές δυνάµεις µεταξύ του υποστρώµατος και του σύνθετου i. Να µην είναι επικίνδυνη για το προσωπικό j. Φιλικότητα µε το περιβάλλον 59

92 Στην προσπάθεια να σχεδιαστεί ένα τσιµεντοειδές κονίαµα που να καλύπτει τις παραπάνω απαιτήσεις, µια καλή σκέψη ήταν να προσεγγιστούν οι ιδιότητές του µε αυτές ενός υπάρχοντος υλικού που είναι αποδεδειγµένο ότι δουλεύει σωστά. Ένα τέτοιο υλικό είναι η εποξειδική ρητίνη. Παρά το γεγονός ότι ακόµα δεν µπορούν να παρασκευαστούν συνθέσεις που να επιτυγχάνουν αντίστοιχες µηχανικές ιδιότητες µε αυτές των εποξειδικών ρητινών, εντούτοις, συγκρίσιµου µεγέθους συντελεστές αποτελεσµατικότητας της ενίσχυσης θεωρούνται επιτεύξιµοι. Η κυριότερη διαφορά µεταξύ των δύο συγκολλητικών ουσιών είναι ότι το κονίαµα είναι ανόργανης φύσης ενώ η εποξειδική ρητίνη, οργανικής. Όσον αφορά τις απαιτήσεις που πρέπει να πληροί το υλικό συγκόλλησης, πρέπει να τονιστεί ότι το µέτρο Ελαστικότητάς του θα πρέπει να είναι της ίδιας περίπου τάξης µεγέθους µε το υπόστρωµα γιατί διαφορετικά δηµιουργούνται υψηλές συγκεντρώσεις τάσεων. 6. Απαιτήσεις για το υλικό των ινών Οι ίνες που βρίσκονται σε ένα τσιµεντοειδές σύνθετο υλικό θα πρέπει να εκπληρώνουν τις παρακάτω προϋποθέσεις: να είναι ανθεκτικές στην επίδραση των αλκαλίων να µην αποτελούνται από κάποιο συστατικό διάβρωσης να έχουν υψηλή αντοχή να έχουν υψηλό µέτρο Ελαστικότητας Όλες οι παραπάνω προϋποθέσεις ικανοποιούνται από τις ίνες άνθρακα. 7. Απαιτήσεις για τη διάταξη των ινών Σύµφωνα µε τους Peled et al. (1998, 1994, 1999), η χρήση ινών σε µορφή πλέγµατος είναι ευνοϊκότερη διότι η εφαρµογή τους στα δοµικά στοιχεία είναι πιο εύκολη και πιο γρήγορη ενώ ταυτόχρονα επιτυγχάνεται καλύτερη συνεργασία µεταξύ σκυροδέµατος και ινών. Η καλή συνεργασία οφείλεται στη γεωµετρική διάταξη των ινών στο πλέγµα. Σε αντίθεση µε τις ίνες µίας διεύθυνσης το πλέγµα εξασφαλίζει καλύτερη συνάφεια µε το υπόστρωµα µέσω των κατακόρυφων κλώνων που επιτρέπουν την συγκράτηση περισσότερης συγκολλητικής ουσίας µέσα στις βροχίδες. Επιπλέον, η ύπαρξη διαγώνιων ινών φαίνεται να παίζει σηµαντικό ρόλο στην ενίσχυση της συνάφειας σύµφωνα µε τους Curbach et al. (1999). Για να επιτευχθεί η απαιτούµενη µονολιθικότητα µεταξύ συστήµατος ενίσχυσης και παλαιού σκυροδέµατος, θα πρέπει η επιφάνεια να εκτραχύνεται µέχρι να αποκαλύπτονται τα αδρανή, να καθαρίζεται από τη σκόνη και κατόπιν να εµποτίζονται µε την απαιτούµενη ποσότητα συγκολλητικής ουσίας. Τέλος, πρέπει να επισηµανθεί ότι η χηµική συνεργασία µεταξύ ινών άνθρακα και τσιµεντοειδούς µήτρας δεν είναι εφικτή αν ο προσανατολισµός των ινών δεν είναι τέτοιος ώστε να αναλαµβάνουν εφελκυστικές δυνάµεις και αν η επιφάνειά τους περιέχει ακατάλληλες ουσίες όπως σκόνη, υγρασία κ.τ.λ. 60

93 8. Απαιτήσεις ασφαλείας Είναι γνωστό ότι οι ίνες συµπεριφέρονται γραµµικά ελαστικά ως τη θραύση τους. Εποµένως η αστοχία του σύνθετου υλικού µε συγκολλητική ουσία που εξασφαλίζει την πλήρη ενεργοποίηση των ινών θα είναι ψαθυρή, κάτι που σίγουρα δεν είναι επιθυµητό. Προκειµένου να επιτευχθεί µια σαφής προειδοποίηση της αστοχίας µε τη δηµιουργία ορατών ρωγµών πάνω στη τσιµεντοειδή µήτρα προτείνεται η χρήση µιας συγκολλητικής ουσίας που να έχει χαµηλότερη εφελκυστική παραµόρφωσης αστοχίας από τις ίνες, όπως ενδεικτικά παρουσιάζεται στα διαγράµµατα του Σχήµατος 4.1 µε επιθυµητή εναλλακτική, τη δεύτερη. (α) (β) Σχήµα 4.1 ιαγράµµατα τάσης παραµόρφωσης των ινών και της συγκολλητικής ουσίας: (α) Ίνες µε µικρότερη παραµόρφωση αστοχίας (β) Συγκολλητική ουσία µε µικρότερη παραµόρφωση αστοχίας. 4.3 ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗ ΙΝΩΝ ΑΝΘΡΑΚΑ ΜΕ ΚΟΝΙΑΜΑΤΑ ΠΟΥ ΠΕΡΙΕΧΟΥΝ ΠΟΛΥΜΕΡΗ Προτού µελετηθεί η αλληλεπίδραση των ινών άνθρακα µε τα κονιάµατα που περιέχουν πολυµερή κρίνεται σκόπιµο να διερευνηθούν τα δύο αυτά υλικά ξεχωριστά. Ίνες άνθρακα Η παραγωγή ινών άνθρακα άρχισε να αναπτύσσεται από τα τέλη της δεκαετίας του 1950, στην προσπάθεια να ερευνηθεί ένα υλικό που να συνδυάζει δυσκαµψία, αντοχή και µικρό ίδιο βάρος. Σήµερα, οι ίνες άνθρακα παράγονται υπό µορφή κλώνων (strands or tows or bundles) καθένας από τους οποίους περιέχει 10 4 νηµάτια (filaments) διαµέτρου 15 µm. Τα νηµάτια άνθρακα αποτελούνται από κρυσταλλικά επίπεδα γραφίτη τα οποία πρέπει να είναι προσανατολισµένα παράλληλα µε τον άξονα της ίνας. Οι ιδιότητες των 61

94 ινών άνθρακα ποικίλουν ανάλογα µε το πόσο καλά είναι διατεταγµένοι οι κρύσταλλοί τους (Σχήµα 4.2). Άξονας ίνας (α) (β) Σχήµα 4.2 (α) Γεωµετρική διάταξη των ατόµων άνθρακα σε ένα στρώµα γραφίτη-σχηµατική αναπαράσταση της δοµής των ινών όπως προκύπτει από ηλεκτρονικό µικροσκόπιο (β) Γεωµετρική διάταξη των κρυστάλλων γραφίτη στο χώρο. Παρά το υψηλό τους κόστος, οι ίνες άνθρακα αποτελούν µία ελκυστική επιλογή, κυρίως µάλιστα, όταν πρόκειται, την συγκολλητική ουσία µεταξύ τους, να αποτελέσει ένα τσιµεντοειδές κονίαµα, εξαιτίας του γεγονότος ότι όταν συνδυάζονται µε αυτό παραµένουν χηµικά αδρανείς στις περιβάλλουσες θερµοκρασίες και την υπεριώδη ακτινοβολία. Κονιάµατα που περιέχουν πολυµερή Η προσθήκη πολυµερών σε ένα τσιµεντοειδές κονίαµα είναι δυνατό να µεταβάλλει σε µεγάλο βαθµό τις µηχανικές του ιδιότητες όπως την αντοχή, το µέτρο Ελαστικότητας και την συνάφειά του µε τις ίνες. Γενικά, υπάρχουν δύο µέθοδοι µε τις οποίες µπορούν να ενσωµατωθούν τα πολυµερή µε το κονίαµα. Η πρώτη µέθοδος απαιτεί τον εµποτισµό του σκληρυµένου κονιάµατος µε πολυµερή (Polymer Impregnated Concrete, PIC) ενώ η δεύτερη απαιτεί την προσθήκη του πολυµερούς κατά τη διάρκεια της ανάµιξης 62

95 του κονιάµατος (Polymer Modified Concrete, PMC). Εκτός από τον τρόπο παραγωγής τους, οι δύο µέθοδοι διαφέρουν στο παραγόµενο προϊόν. Έτσι, το προϊόν που προκύπτει µε την πρώτη µέθοδο (PIC) έχει υψηλότερο µέτρο Ελαστικότητας και είναι περισσότερο εύθραυστο, ενώ το προϊόν που παρασκευάζεται µε τη δεύτερη µέθοδο (PMC) έχει χαµηλότερο µέτρο Ελαστικότητας και είναι περισσότερο όλκιµο (Wiberg, 2003). Για την βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων των κονιαµάτων χρησιµοποιούνται διάφοροι τύποι πολυµερών και µονοµερών. Ευρεία είναι η χρήση του πολυµερούς latex ως βελτιστοποιητή σε τσιµεντοειδή κονιάµατα. Συγκεκριµένα, η προσθήκη του latex µειώνει σηµαντικά τη διαπερατότητα του τσιµέντου δηµιουργώντας κάποιου είδους προστασία από τη δράση της υγρασίας και των χλωριόντων. Άλλα πολυµερή είναι ικανά να βελτιώσουν την αντοχή του κονιάµατος, την ανθεκτικότητά του στη δράση παγετού ή στην υπεριώδη ακτινοβολία, UV. Γενικά υπάρχουν περιορισµοί στις θερµοκρασίες που µπορούν να εισάγονται τα διάφορα πρόσθετα, όπως για παράδειγµα η προσθήκη του πολυµερούς latex στο κονίαµα προϋποθέτει την ύπαρξη θερµοκρασιών µεταξύ 5-30 ο C. Σε εφαρµογές κατά τη χειµερινή περίοδο χρησιµοποιούνται ταχύπηκτα τσιµέντα ή ultra-rapid hardening cements or high alumina cements. (Τριανταφύλλου, 2001) Οι ιδιότητες των κονιαµάτων που περιέχουν πολυµερή, είτε βρίσκονται σε νωπή είτε σε σκληρυµένη κατάσταση καθορίζονται από πολλούς παράγοντες όπως είναι ο τύπος του πολυµερούς, ο λόγος πολυµερούς προς τσιµέντο, ο λόγος νερού προς τσιµέντο, το ποσοστό αέρα και οι συνθήκες συντήρησης. Οι αναλογίες των συστατικών για τα περισσότερα κονιάµατα που περιέχουν πολυµερή είναι: λόγος τσιµέντου 1 προς λεπτόκοκκη άµµο, 1:2 ή 1:3 (ανάλογα µε το βάρος τους), λόγος πολυµερούς προς τσιµέντο, 5-20%, λόγος νερού προς τσιµέντο , ανάλογα µε την απαιτούµενη εργασιµότητα. Από τη διεξαγωγή δοκιµών για τη µελέτη της επίδρασης των πολυµερών σε κονιάµατα, έχει διαπιστωθεί ότι η συνάφεια µεταξύ ινών και κονιάµατος αυξάνεται αναλογικά, µε το ποσοστό των πολυµερών. Η βελτίωση στη συνάφεια έχει αποκαλυφθεί στις ίνες άνθρακα, πολυαιθυλενίου, χάλυβα και γυαλιού. Επίσης, για τις ίνες γυαλιού έχει διαπιστωθεί ότι η προσθήκη πολυµερών βελτιώνει την αντοχή του τελικού σύνθετου υλικού. Επιπροσθέτως, ο Larson (1990), σε µια έρευνά του σχετικά µε τα πολυµερή, κατέληξε στο συµπέρασµα ότι η εισαγωγή latex σε ένα τσιµεντοειδές µίγµα αυξάνει δραστικά την συνάφεια µεταξύ ινών και κονιάµατος που περιέχει πολυµερή. 1 Ο τύπος του τσιµέντου που έχει ευρεία εφαρµογή είναι το τσιµέντο Portland. 63

96 Αλληλεπίδραση ινών άνθρακα µε κονιάµατα Για την εξασφάλιση ενός σύνθετου υλικού υψηλής ποιότητας δεν αρκεί µόνο τα επιµέρους συστατικά του να είναι κατάλληλα. Σηµαντικό ρόλο στη µηχανική συµπεριφορά του τελικού προϊόντος παίζει η χηµική αλληλεπίδραση ή το «δέσιµο» µεταξύ των υλικών, το οποίο επιτελείται στη µεταβατική ζώνη (Interfacial Transition Zone, ITZ). Η µεταβατική ζώνη αντιπροσωπεύει την περιοχή της διεπιφάνειας µεταξύ των συνιστάµενων υλικών του σύνθετου, δηλαδή των ινών, της λεπτόκοκκης άµµου και της πάστας του τσιµέντου που χρησιµοποιείται. Η δοµή της επηρεάζει άµεσα και το µέτρο Ελαστικότητας του σύνθετου. Η ζώνη αυτή παρέχει τις «γέφυρες» µέσω των οποίων µεταφέρονται οι τάσεις µεταξύ ινών, κονιαµάτων και λεπτών αδρανών. Είναι προφανές ότι, αύξηση των κενών και των µικρορωγµών στη µεταβατική ζώνη, σηµαίνει µείωση της παραπάνω ικανότητας γεφύρωσης, µε αποτέλεσµα την άµεση µείωση της δυσκαµψίας του συστήµατος (που επέρχεται ταχύτερα από τη µείωση της αντοχής) (Τριανταφύλλου, 2001). Σύµφωνα µε τους Alexander et al. (1999) η µεταβατική ζώνη αποτελείται από τρεις στρώσεις: Η πρώτη στρώση της µεταβατικής ζώνης είναι ένα λεπτό φιλµ πάχους µέχρι 1 µm στο οποίο διαµορφώνεται ο χηµικός δεσµός των αδρανών µε τις ίνες άνθρακα. Παρά το γεγονός ότι η χηµική αυτή αντίδραση δεν έχει περιγραφεί µε λεπτοµέρεια στη βιβλιογραφία, λόγω του µικρού µεγέθους της στην επιφάνεια των αδρανών, εντούτοις, είναι επιστηµονικά αποδεκτό ότι η επιφανειακή αυτή αντίδραση συµβαίνει κυρίως µε τα ασβεστολιθικά αδρανή. Η δεύτερη στρώση της µεταβατικής ζώνης έχει πάχος το πολύ 100 µm και είναι η ενδιάµεση στρώση όπου παρατηρείται το φαινόµενο του τοίχους, «wall effect» λόγω του ότι παρεµβάλλεται µεταξύ των µορίων του τσιµεντοπολτού και των µεγαλύτερων αδρανών. Η τρίτη στρώση της µεταβατικής ζώνης είναι η περιοχή όπου εµφανίζονται και οι περισσότερες ανοµοιογένειες λόγω φαινοµένων όπως «micro bleeding» και «void formation». Το µέγεθος της στρώσης αυτής ποικίλει ανάλογα µε τον τύπο του αδρανούς και κυµαίνεται από 100 µm έως 1mm ή και περισσότερο. H Badanoiu (2003) υποστήριξε την άποψη ότι η µεταβατική ζώνη που αναπτύσσεται µεταξύ τσιµεντοπολτού, λεπτής άµµου και ινών παίζει σηµαντικό ρόλο στην µηχανική συµπεριφορά ενός σύνθετου υλικού. Λόγω του υψηλού της πορώδους και της ειδικής κρυσταλλικής της δοµής, η ζώνη αυτή είναι πολύ αδύνατη στις διάφορες καταπονήσεις. Σύµφωνα µε την άποψη της ερευνήτριας, µια λύση στο πρόβληµα αποτελεί η χρήση λεπτόκοκκων πρόσθετων όπως πυριτικής παιπάλης και πολυµερών διότι οι ουσίες αυτές µειώνουν το πορώδες και αυξάνουν την οµοιογένεια του υλικού στην µεταβατική ζώνη. 64

97 4.4 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΙΝΟΠΛΙΣΜΕΝΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ (FRPs) ΚΑΙ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΜΗΤΡΑΣ (FRMs) Η κυριότερη διαφοροποίηση µεταξύ ινοπλισµένων πολυµερών και συνθέτων υλικών ανόργανης µήτρας έγκειται στο χρησιµοποιούµενο ως συγκολλητική ουσία, υλικό που στη µία περίπτωση (FRPs) είναι η εποξειδική ρητίνη ενώ στην άλλη (FRMs), το τσιµεντοειδές κονίαµα. Τα δύο αυτά υλικά διαφοροποιούνται, εκτός από τη χηµική τους δοµή, στο ότι η εποξειδική ρητίνη είναι σε υγρή µορφή, ενώ το κονίαµα της ανόργανης µήτρας είναι ένα ρευστό µεν, αλλά διακριτό µείγµα κονίας και λεπτόκοκκης άµµου που αναµειγνύεται µε πρόσθετα όπως πολυµερή. Αυτό αποτελεί ίσως και το βασικότερο µειονέκτηµα της ανόργανης µήτρας σε σχέση µε την εποξειδική ρητίνη. Έτσι, από τη µια πλευρά, οι εποξειδικές ρητίνες, λόγω της υγρής τους κατάστασης, έχουν την δυνατότητα να διεισδύσουν στις ίνες, δηµιουργώντας ένα δυνατό και σαφή δεσµό µεταξύ ινών και µήτρας, ενώ από την άλλη, ένα κονίαµα, λόγω της κοκκώδους µορφής του, είναι δύσκολο να διεισδύσει σε ένα πλέγµα ινών και πρακτικά αδύνατο να εµποτίσει κάθε ίνα. Συνεπώς, τα ινοπλισµένα πολυµερή εγγυώνται µια πιο αποτελεσµατική συνεργασία της εποξειδικής ρητίνης µε τις ίνες και µια περισσότερο προβλέψιµη µηχανική συµπεριφορά ενώ τα σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας δεν εξασφαλίζουν αυτό το βαθµό µονολιθικότητας και απαιτούν περισσότερες ίνες για να επιτύχουν την ίδια απόδοση, σύµφωνα µε τη θεωρία των συνθέτων υλικών. Η αδυναµία των συνθέτων υλικών ανόργανης µήτρας, να συνδέονται µονολιθικά µε τις ίνες που εµποτίζουν µπορεί να θεωρηθεί, κατά µια οπτική γωνία, ως πλεονέκτηµα. Όταν οι ρωγµές που συµβαίνουν στο σκυρόδεµα, µεταφέρονται µέσω του κονιάµατος στις ίνες: α) προξενούν την εµφάνιση µικρών ρωγµών στην εξωτερική επιφάνεια του κονιάµατος, προειδοποιώντας για την αστοχία και β) µειώνουν την πιθανότητα να συµβεί αποκόλληση των συνθέτων υλικών, η οποία δεν αξιοποιεί όλη την εφελκυστική αντοχή των ινών. Σηµαντικό πλεονέκτηµα της εποξειδικής ρητίνης είναι ο χρόνος πήξης, καθώς είναι µικρότερος από αυτόν που απαιτεί το τσιµεντοκονίαµα. Παρόλα αυτά ο χρόνος πήξης της µήτρας δεν είναι το κρίσιµο µέγεθος που καθορίζει την ταχύτητα εφαρµογής ενός συστήµατος ενίσχυσης. Στη συνέχεια, ακολουθεί ένας αριθµός παραγόντων που αφορούν αδυναµίες των συνθέτων υλικών µε ινοπλισµένα πολυµερή (FRPs), οι οποίες δεν ισχύουν για τα σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας, ενισχύοντας έτσι την επιλογή των τελευταίων στο πεδίο των ενισχύσεων. Οι αδυναµίες των FRPs είναι: 65

98 Για την εφαρµογή της εποξειδικής ρητίνης απαιτείται επιµεληµένη προετοιµασία της επιφάνειας που συνίσταται στην αποκάλυψη των αδρανών του δοµικού στοιχείου και στην αποµάκρυνση της σκόνης, µε σκοπό τη βελτίωση της συνάφειας. Αντίθετα, η εφαρµογή σύνθετων υλικών ανόργανης µήτρας µπορεί να γίνει και σε περιοχές που η καθαρότητα της επιφάνειας είναι µικρή. Για την εφαρµογή της εποξειδικής ρητίνης απαιτείται η πλήρης πήξη του υποστρώµατος. Για παράδειγµα, αν έχει προηγηθεί επισκευή θα πρέπει να παρέλθει χρόνος ώστε να προκύψει µία εντελώς στεγνή επιφάνεια. Αντίθετα, για τα τσιµεντοκονιάµατα δεν είναι απαραίτητο. Εξαιτίας της µικρής αντίστασης των εποξειδικών ρητινών σε υψηλές θερµοκρασίες, φωτιά και ακτινοβολίες, η εφαρµογή τους απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή, εκπαίδευση και εξοπλισµό ασφαλείας από το εργατικό προσωπικό. Αντίθετα, τα τσιµεντοειδή κονιάµατα είναι φιλικά στη χρήση, διαλύονται µε νερό και εφαρµόζονται χωρίς κίνδυνο χηµικών αναθυµιάσεων και φωτιάς. Σύµφωνα µε τα πειράµατα που διεξήγαγαν οι Foden et al. (1996), εκθέτοντας σε θερµοκρασία 800 ο C σύνθετα υλικά ινών άνθρακα συγκολληµένα µε τσιµεντοειδές κονίαµα, παρατηρήθηκε ότι η καµπτική αντοχή µειωνόταν µόλις κατά 37% της αρχικής σε διάρκεια µίας ώρας (Kurtz et al., 2001). Παράλληλα, εξασφαλίζουν καλύτερη προστασία των ινών από περιβαλλοντικούς παράγοντες, εξωτερικές φθορές και βανδαλισµούς. Οι µανδύες των ινοπλισµένων πολυµερών, όπως αναφέρθηκε και στην εισαγωγή του κεφαλαίου, είναι αδιαπέρατοι µε αποτέλεσµα η εγκλωβισµένη υγρασία και το συσσωρευµένο οξυγόνο των πόρων να προξενεί προβλήµατα απώλειας αντοχής στον πυρήνα του σκυροδέµατος και στον εσωτερικό οπλισµό λόγω διάβρωσης. Αντίθετα, η χρήση τσιµεντοειδούς µήτρας εγγυάται την πλήρη, µηχανική, φυσική και χηµική συµβατότητα του µανδύα και του στοιχείου οπλισµένου σκυροδέµατος. Έτσι, οι διατµητικές τάσεις µεταφέρονται στην διεπιφάνεια και εξασφαλίζεται η διαπερατότητα του µανδύα. Η εφαρµογή και γενικότερα οι εργασίες µε εποξειδική ρητίνη απαιτούν εξειδικευµένο προσωπικό που πρέπει να γνωρίζει και να τηρεί τα µέτρα ασφαλείας. Η ανάδυση τοξικών οσµών στη φάση της εφαρµογής αλλά και της συντήρησης προϋποθέτει την χρήση προστατευτικού εξοπλισµού ενώ η πρόκληση µη αντιστρέψιµων ζηµιών στις επιφάνειες που θα στάξει, προϋποθέτει τη σχολαστική κάλυψή τους και συνάµα την προσεκτική εκτέλεση της εργασίας. Αντίθετα, τα τσιµεντοειδή κονιάµατα δεν βλάπτουν τον οργανισµό και καθαρίζονται εύκολα µε νερό σε όποια επιφάνεια έρθουν σε επαφή. Το υψηλό κόστος των εποξειδικών ρητινών έναντι του χαµηλού κόστους των κονιαµάτων ανόργανης µήτρας αποτελεί έναν από τους πιο µειωτικούς παράγοντες επιλογής τους. Προκειµένου να γίνει µια σωστή οικονοµοτεχνική εκτίµηση των δύο τρόπων ενίσχυσης, στο χαµηλό κόστος 66

99 των τσιµεντοειδών κονιαµάτων δεν θα πρέπει να παραβλεφθεί και η πιθανή απαίτηση περισσότερων στρώσεων ινών, γιατί αλλιώς, ενδέχεται να προκύψει µειωµένη αποδοτικότητα. Τέλος, η αξιολόγηση µιας άλλης σειράς παραγόντων όπως, η ευκολία και η ταχύτητα εφαρµογής της ενίσχυσης, οι περιορισµένες ανάγκες σε εξοπλισµούς, η µειωµένη όχληση στο περιβάλλον, η δυνατότητα ανακύκλωσης δείχνει µια σαφή υπεροχή στα σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας. 4.5 ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ ΓΙΑ ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΜΗΤΡΑΣ Μεγάλο βάρος έχει δοθεί από την επιστηµονική κοινότητα στην πειραµατική διερεύνηση των συνθέτων υλικών ανόργανης µήτρας σε διάφορα στοιχεία σκυροδέµατος και µε κυριότερους τρόπους καταπόνησής τους την αξονική θλίψη, την κάµψη, τη διάτµηση και την κόπωση. Στην ενότητα που ακολουθεί επιχειρείται µια προσπάθεια περιγραφής των πιο σηµαντικών πειραµάτων που έχουν διεξαχθεί για σύνθετα υλικά µε τσιµεντοειδή µήτρα. Μεγάλο µέρος του ερευνητικού έργου έχει αφιερωθεί στη σύγκριση µεταξύ των συνθέτων υλικών ανόργανης µήτρας και των ινοπλισµένων πολυµερών. Οι Kurtz et al. (2001), ολοκλήρωσαν ένα πειραµατικό πρόγραµµα που αφορούσε την ενίσχυση δοκών οπλισµένου σκυροδέµατος, έναντι κάµψης τεσσάρων σηµείων, µε σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας. Το πρόγραµµα αυτό στηρίχθηκε σε ένα προγενέστερο, στο οποίο οι διατάξεις των οπλισµών ήταν ίδιες αλλά το σύστηµα ενίσχυσης αποτελείτο από σύνθετα υλικά ινών γυαλιού εµποτισµένες µε εποξειδική ρητίνη. Από τη σύγκριση των αποτελεσµάτων προέκυψε ότι η ανόργανη µήτρα ήταν τόσο αποτελεσµατική στην αύξηση της αντοχής και της δυσκαµψίας των δοκών οπλισµένου σκυροδέµατος όσο και η εποξειδική ρητίνη, εκδηλώνοντας µόνο µια µικρή µείωση στην πλαστιµότητα. Ο τρόπος αστοχίας διέφερε, καθώς στο σύστηµα των ινοπλισµένων πολυµερών επήλθε αποκόλληση του µανδύα ενώ στο σύστηµα ανόργανης µήτρας αστοχία λόγω θραύσης των ινών. Εκτός από τον τρόπο αστοχίας, µεγάλες διαφορές παρατηρήθηκαν και στη µορφή και διαδικασία της ρηγµάτωσης. Η παρουσία πολλών µικρών ρωγµών, στο σύστηµα των ινοπλισµένων πολυµερών σε σχέση µε τις λίγες και αραιές, στο σύστηµα της ανόργανης µήτρας εξηγείται από τους συγγραφείς ως εξής: Λόγω της ασθενούς σύνδεσης του κονιάµατος µε το υπόστρωµα εµποδίζεται η άµεση µεταφορά των τάσεων από το σκυρόδεµα στο κονίαµα, που είναι απαραίτητη για να εµφανιστούν ορατές ρωγµές. Σε αντίθεση µε αυτόν το τρόπο µεταφοράς των ρωγµών - από το σκυρόδεµα προς το κονίαµα, µε ανάληψη της έντασης από τις ίνες - συµβαίνει η µεταφορά των ρωγµών σε 67

100 ένα µονολιθικά συνδεδεµένο σύστηµα ενίσχυσης όπως είναι αυτό των ινοπλισµένων πολυµερών. Εδώ, λόγω του ισχυρού δεσµού που εξασφαλίζει η ρητίνη µε τις ίνες, όσες ρωγµές συµβαίνουν στο σκυρόδεµα, τόσες αναδεικνύονται στη επιφάνεια του σύνθετου µε ρητίνη, υλικού. Προκειµένου να απεικονιστεί η διαφοροποίηση των δύο µηχανισµών µεταφοράς του φορτίου κατασκευάστηκε το παρακάτω σχήµα (Σχήµα 4.2) το οποίο παρουσιάζει ένα µπλοκ σκυροδέµατος στην εξωτερική επιφάνεια του οποίου έχει επικολληθεί ένα φύλλο ινών άνθρακα, στην πρώτη περίπτωση µε οργανική συγκολλητική ουσία (ρητίνη) ενώ στη δεύτερη µε ανόργανη (κονίαµα). Όταν το σύστηµα οργανικής µήτρας καταπονείται σε εφελκυσµό, εµφανίζονται πολλές τριχοειδείς ρωγµές στην διεπιφάνεια µεταξύ σκυροδέµατος και µήτρας, οι οποίες όµως δεν παρουσιάζουν µεγάλο άνοιγµα ούτε επεκτείνονται προς το σύνθετο. Αυτό οφείλεται σε δύο λόγους: Α) Η οργανική µήτρα είναι κατά πολύ ισχυρότερη από τον τσιµεντοπολτό που υπάρχει µεταξύ των αδρανών του σκυροδέµατος. Εποµένως απαιτείται µικρότερη ενέργεια για να ρηγµατωθεί ο τσιµεντοπολτός από ό,τι για να ρηγµατωθεί η διεπιφάνεια µεταξύ οργανικής µήτρας και αδρανών. Γι αυτό, η ανάπτυξη δικτύου ρωγµών συµβαίνει πρώτα στο εσωτερικό του σκυροδέµατος και συγκεκριµένα στον τσιµεντοπολτό ενώ ακολουθεί η έλλειψη συνάφειας µεταξύ οργανικής µήτρας και αδρανών, η οποία παρατηρείται σε πολύ µεγάλες τιµές εφελκυστικής παραµόρφωσης. Η µονολιθική σύνδεση οργανικής µήτρας και µανδύα προκαλεί τη συσσώρευση υψηλών εφελκυστικών τάσεων στο σκυρόδεµα της διεπιφάνειας το οποίο αποκολλάται από τις περιοχές αδυναµίας του τσιµεντοπολτού, µειώνοντας δραστικά την διατµητική αντοχή του. Β) Η εφελκυστική παραµόρφωση ενός συµβατικού τσιµεντοπολτού είναι περίπου (0.3%) µία τιµή που ξεπερνάται κατά 20 φορές (και περισσότερο) από το σύστηµα ενίσχυσης µε οργανική µήτρα. Από την άλλη, όταν το σύστηµα ανόργανης µήτρας καταπονείται σε εφελκυσµό, δεν εµφανίζονται πολλές, τριχοειδείς ρωγµές στον τσιµεντοπολτό αλλά συµβαίνει τοπική αστοχία της µήτρας µε τη δηµιουργία µεγάλων ρωγµών που επεκτείνονται στην εξωτερική επιφάνεια, γεγονός που εξηγείται ως εξής: Α) Η ανόργανη µήτρα έχει περίπου παρόµοια αντοχή µε αυτή του τσιµεντοπολτού που υπάρχει µεταξύ των αδρανών του σκυροδέµατος. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα: πρώτον, οι ρωγµές που συµβαίνουν στο σκυρόδεµα να εµφανίζονται στην επιφάνεια του κονιάµατος και να ενεργοποιούν τη δράση των ινών του σύνθετου και δεύτερον: οι ρωγµές αυτές να διευρύνονται καθώς αυξάνεται η παραµόρφωση και να µην καθυστερεί το άνοιγµά τους όπως στην οργανική µήτρα, αφού τώρα ο δεσµός µεταξύ µήτρας και αδρανών δεν είναι αρκετά ισχυρός για να τις συγκρατήσει. 68

101 Με την αύξηση των παραµορφώσεων, παρατηρείται απώλεια της συνάφειας της ανόργανης µήτρας µε τις ίνες άνθρακα, ανά διακριτά διαστήµατα (τοπική αστοχία) και συγκεντρώσεις τάσεων στις ίνες του άνθρακα που µε τη σειρά τους προκαλούν µείωση στη δυσκαµψία του συστήµατος ενίσχυσης. Αυτός ο µηχανισµός µειώνει τις εφελκυστικές παραµορφώσεις του σκυροδέµατος στη διεπιφάνεια και ελαττώνει τις πιθανότητες να εµφανιστεί πλήρης αποκόλληση του µανδύα διότι η διεπιφάνεια έχει υψηλή διατµητική αντοχή όταν δεν µεταφέρονται υψηλές τάσεις σε αυτή. Β) Η έναρξη της ρηγµάτωσης της ανόργανης µήτρας συµβαίνει σε µία τιµή παραµόρφωσης της τάξεως του (0.7%). (α) Οργανική µήτρα Ο ισχυρός δεσµός που αναπτύσσεται µεταξύ οργανικής µήτρας και αδρανών υποστρώµατος σε συνδυασµό µε την µικρή παραµορφωσιακή ικανότητα του τσιµεντοπολτού συντελούν στα εξής: α) στην ανάπτυξη πολλών τριχοειδών ρωγµών στο εσωτερικό του τσιµεντοπολτού και β) στην παρεµπόδιση της εµφάνισης των ρωγµών αυτών στην εξωτερική επιφάνεια (Συµβατότητα παραµορφώσεων) (β) Ανόργανη µήτρα Η χαµηλή αντοχή της ανόργανης µήτρας έχει ως αποτέλεσµα την ανάπτυξη ρωγµών µεγάλου ανοίγµατος στον τσιµεντοπολτό και την έντονη διεύρυνσή τους στην επιφάνεια προκαλώντας τοπική απώλεια κονιάµατος. Σχήµα 4.3 Συγκριτική αναπαράσταση µηχανισµών µεταφοράς φορτίου (α) Ρηγµάτωση σε φύλλο ινών άνθρακα επικολληµένο σε µπλοκ σκυροδέµατος µε εποξειδική ρητίνη και (β) Ρηγµάτωση σε φύλλο ινών άνθρακα επικολληµένο σε µπλοκ σκυροδέµατος µε τσιµεντοειδές κονίαµα. Οι Toutanji and Deng (2003) εστιάζοντας το ενδιαφέρον τους στην καµπτική ενίσχυση δοκών οπλισµένου σκυροδέµατος µε σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας και στη σύγκρισή τους µε αυτά που ήταν ενισχυµένα µε οργανική, επαλήθευσαν όπως και οι Kurtz et al. (2001) ότι: 69

102 Οι µηχανισµοί αστοχίας των δοκών ανόργανης και οργανικής µήτρας ήταν διαφορετικοί. Οι δοκοί που ήταν ενισχυµένες µε ανόργανη µήτρα αστόχησαν λόγω θραύσης των ινών, ενώ αυτές που ήταν ενισχυµένες µε εποξειδική ρητίνη αστόχησαν λόγω αποκόλλησης των συνθέτων υλικών. Κατά συνέπεια ο τρόπος αστοχίας των δοκών ανόργανης µήτρας είναι περισσότερο προβλέψιµος καθώς προετοιµάζει µε ρωγµές στην επιφάνεια του κονιάµατος την επερχόµενη αστοχία. Οι δοκοί ανόργανης µήτρας ανέπτυξαν λιγότερες και αραιότερες ρωγµές σε σχέση µε τις δοκούς οργανικής µήτρας οι οποίες σχηµάτισαν πολλές και πυκνές ρωγµές. Η αύξηση της δυσκαµψίας στο τµήµα της καµπύλης σ-ε µετά τη διαρροή ήταν µικρότερη για τις ανόργανες δοκούς από ό,τι για τις οργανικές. Αυτή η διαφορά οφείλεται στο ότι στο σύστηµα ενίσχυσης ανόργανης µήτρας η διεπιφάνεια είναι λιγότερο δύσκαµπτη και περισσότερο παραµορφώσιµη από ό,τι στο σύστηµα ενίσχυσης οργανικής. Το σύστηµα ανόργανης µήτρας παρουσιάζει µικρότερη µέγιστη µετατόπιση και σηµαντικά µικρότερη παραµορφωσιµότητα σε σχέση µε το σύστηµα οργανικής µήτρας. Παρόµοια έρευνα, µε σκοπό την µελέτη της αποτελεσµατικότητας των συστηµάτων ανόργανης µήτρας σε πρισµατικά, άοπλα δοκίµια ορθογωνικής διατοµής έναντι κάµψης, διενεργήθηκε από τους Garon et al. (2001). Οι παράµετροι που εξετάστηκαν από το πειραµατικό πρόγραµµα ήταν οι εξής: α) η συγκολλητική ικανότητα της τσιµεντοειδούς µήτρας και οι συνθήκες συνάφειας που προσφέρει σε σύγκριση µε την εποξειδική ρητίνη και β) ο τύπος του σύνθετου υλικού. Όσον αφορά τον τύπο του σύνθετου υλικού, έγινε χρήση συνεχών ινών άνθρακα και πλέγµατος. Τα αποτελέσµατα της έρευνας έδειξαν ότι : Το σύστηµα ανόργανης µήτρας είναι αρκετά αποτελεσµατικό σε όρους αντοχής και παραµορφωσιµότητας, για άοπλα δοκίµια. Όµως, σε σχέση µε το σύστηµα της εποξειδικής ρητίνης επιτυγχάνει ελαφρώς µικρότερες τιµές αντοχής και παραµόρφωσης κατά την αστοχία. Ο µηχανισµός µεταφοράς των φορτίων είναι διαφορετικός για την ανόργανη και την οργανική µήτρα. Στην επιφάνεια του συστήµατος ενίσχυσης µε ανόργανη µήτρα, η επικείµενη αστοχία γίνεται αντιληπτή µε την δηµιουργία προειδοποιητικών ρωγµών, σε αντίθεση µε την περίπτωση του συστήµατος µε οργανική µήτρα, στην οποία η αστοχία συµβαίνει αρκετά βίαια. Γι αυτό και ο τρόπος αστοχίας, στην µεν περίπτωση του κονιάµατος είναι λόγω θραύσης των ινών του άνθρακα, στη δε περίπτωση της ρητίνης, λόγω αποκόλλησης των συνθέτων υλικών. Όπως εξηγήθηκε και παραπάνω από τους Kurtz et al. (2001), όταν η συγκολλητική ουσία µεταξύ των ινών είναι το κονίαµα, οι ίνες ενεργούν ανεξάρτητα µεταξύ τους και όχι σαν ένα συµπαγές σώµα, µε 70

103 αποτέλεσµα να µειώνεται η πιθανότητα αποκόλλησης τους από το σκυρόδεµα. Μετά το τέλος των δοκιµών, τα αποκολληµένα σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας (συνεχείς ίνες και υφάσµατα) δεν µπορούν να αποµακρυνθούν εύκολα από τα δοκίµια ενώ αυτά της οργανικής, αποµακρύνονται εύκολα συµπαρασύροντας ένα λεπτό στρώµα από την επιφάνεια του σκυροδέµατος των δοκιµίων. Μπορεί να θεωρηθεί ότι το στρώµα αυτό αποκολλάται σε ασθενείς περιοχές της διεπιφάνειας σκυροδέµατος και συνθέτων υλικών που έχουν δηµιουργηθεί λόγω διάτµησης εξαιτίας της δράσης των ινών άνθρακα. Τόσο για το σύστηµα της ανόργανης όσο και για το σύστηµα της οργανικής µήτρας, η παραµορφωσιµότητα αυξάνεται όσο αυξάνεται το ποσοστό των ινών ανά µονάδα επιφάνειας. Οι δοκοί οι οποίες ενισχύθηκαν µε οργανική µήτρα παρουσίασαν µεγαλύτερες µετατοπίσεις πριν την αστοχία απ ό,τι αυτές που ενισχύθηκαν µε ανόργανη. Στην περίπτωση ενίσχυσης άοπλων δοµικών στοιχείων µε σύνθετα υλικά, η ανακατανοµή του φορτίου στις ίνες διαµέσου των ρωγµών, παίζει καθοριστικό ρόλο στον τρόπο αστοχίας. Αυτό γίνεται περισσότερο σαφές µέσα από το ακόλουθο παράδειγµα. οκοί που ήταν ενισχυµένες µε ανόργανη µήτρα και έναν κλώνο συνεχών ινών άνθρακα κατέγραψαν µεγαλύτερες τιµές αντοχής από εκείνες που ενισχυµένες µε ανόργανη µήτρα και δύο κλώνους συνεχών ινών άνθρακα. Από αυτό µπορεί να εξαχθεί το συµπέρασµα πως, όταν χρησιµοποιείται η ανόργανη µήτρα ως συγκολλητική ουσία µεταξύ των ινών, δεν παίζει ρόλο µόνο η ποσότητά τους στην ανάληψη των φορτίων, αλλά και η κατανοµή τους γύρω από τη ρωγµή. Η ανάπτυξη συνάφειας µεταξύ της επιφάνειας του σκυροδέµατος και της ανόργανης µήτρας επιτυγχάνεται µε τη µεταφορά ενώσεων (π.χ. CaOH και KOH) και το σχηµατισµό χηµικών δεσµών, η οποία έχει σαν αποτέλεσµα στην απουσία µια διακριτής ενδιάµεσης στρώσης. Ο Wiberg (2003) στα πλαίσια της διδακτορικής του διατριβής διεξήγαγε δοκιµές σε δοκούς από οπλισµένο σκυρόδεµα, των οποίων οι διαστάσεις ήταν σε πραγµατική κλίµακα. Οι δοκοί είχαν ενισχυθεί µε ανθρακοϋφάσµατα ανόργανης µήτρας έναντι κάµψης (τύποι Μ0,Μ1) και διάτµησης (τύποι Τ0,Τ1) και υποβλήθηκαν σε κάµψη τεσσάρων σηµείων όπως φαίνεται στο Σχήµα 4.4. Οι δοκοί τύπου Μ0, Μ1 ήταν υπερδιαστασιολογηµένες σε διάτµηση ενώ οι δοκοί Τ0, Τ1 σε κάµψη. Για συγκριτικούς λόγους ενισχύθηκαν και δύο δοκοί, Μ0Ε και Τ0Ε, µε ινοπλισµένα πολυµερή, για αστοχία σε κάµψη και διάτµηση, αντίστοιχα. Τα αποτελέσµατα των δοκιµών απέδειξαν ότι: Όταν για την ενίσχυση των δοκών έναντι διάτµησης, ως µήτρα των υφασµάτων ινών άνθρακα χρησιµοποιήθηκε η εποξειδική ρητίνη, το φορτίο 71

104 αστοχίας αυξήθηκε κατά 150%. Από την άλλη, όταν ως µήτρα των υφασµάτων ινών άνθρακα χρησιµοποιήθηκε η ανόργανη µήτρα, αυτή απέδωσε το 50% της ικανότητας ανάληψης του φορτίου της εποξειδικής ρητίνης. Οι δοκοί που ήταν ενισχυµένες έναντι κάµψης πέτυχαν µια µικρή αύξηση στο φορτίο αστοχίας τους, κατά 10-20%, σε σχέση µε τις δοκούς αναφοράς. Ενώ, οι δοκοί που ήταν ενισχυµένες έναντι διάτµησης πέτυχαν µια µεγάλη αύξηση στο φορτίο αστοχίας τους, της τάξεως του 85%, γεγονός που σηµαίνει ότι η ενίσχυση παίζει πιο ευεργετικό ρόλο στην διάτµηση παρά στην κάµψη. Η ενίσχυση δεν αύξησε την δυσκαµψία των δοκών που αστόχησαν σε κάµψη αλλά την δυσκαµψία των δοκών που αστόχησαν σε διάτµηση. Οι δοκοί που ήταν ενισχυµένες έναντι διάτµησης αστόχησαν µε έναν αρκετά ψαθυρό και απότοµο τρόπο, µε θραύση των ινών στην αρχική διατµητική ρωγµή. Έτσι εξάγεται το συµπέρασµα ότι η ενίσχυση σε διάτµηση δεν βελτιώνει την πλαστιµότητα του στοιχείου και πως για να δράσει πιο πλάστιµα µία δοκός απαιτείται η µετατροπή της µορφής αστοχίας της από διατµητική σε καµπτική. Το σύστηµα ενίσχυσης ανόργανης µήτρας (για έναν σχετικά καλό εµποτισµό των ινών από τη µήτρα) αστοχεί σε παραµόρφωση 0.5% µε βάση τις δοκιµές του Wiberg στις δοκούς WHEST 2. Αυτή η παραµόρφωση είναι επιθυµητή γιατί η διαρροή του χάλυβα συµβαίνει σε τιµή µικρότερη ( %), επιτρέποντας έτσι στις ίνες να αξιοποιήσουν όσο το δυνατό περισσότερο την δυνατότητα ανάληψης εφελκυστικών φορτίων. Το κονίαµα που χρησιµοποιήθηκε αποκτούσε το 75-85% της τελικής του αντοχής µετά από 72 ώρες (ανάλογα µε το πάχος του σύνθετου), ένας χρόνος πολύ µεγαλύτερος από τον χρόνο που απαιτείται για να σκληρυνθεί µία εποξειδική ρητίνη. Σύµφωνα µε την άποψη του ερευνητή, ο πλήρης εµποτισµός των ινών µε τη µήτρα δεν είναι επιθυµητός γιατί εµποδίζει την ολίσθηση των εσωτερικών ινών η οποία έχει σαν αποτέλεσµα την αύξηση της πλαστιµότητας. 2 Προκειµένου να διεξαχθεί ένας µεγάλος αριθµός δοκιµών έναντι κάµψης, σε δοκούς ενισχυµένες µε υφάσµατα διαφόρων υλικών (ινών και κονιάµατος) και διαφόρων διατάξεων ινών, ο Wiberg σχεδίασε ένα µοντέλο δοκού εξοπλισµένο µε ειδικές συσκευές που θα του εξασφάλιζαν ανά πάσα στιγµή τον ακριβή υπολογισµό της εφαρµοσµένης αξονικής δύναµης στο σύνθετο καθώς και τη µέτρηση της επιφάνειάς του που ήταν σε επαφή µε το σκυρόδεµα. Η δοκός WHEST αποτελεί µία σπουδαία σύλληψη διότι παρέχει τη µέτρηση των επιθυµητών ιδιοτήτων των δοκών πραγµατικής κλίµακας, µε πλεονεκτήµατα το ελάχιστο κόστος, την ευκολία σκυροδέτησης και την οικονοµία υλικών. Η ονοµασία της προέρχεται από τα αρχικά Wiberg-Holmgren Evaluating of SΤrengthening- beam. 72

105 (α) (β) (γ) (δ) Σχήµα 4.4 (α) Μ0- οκός υποδιαστασιολογηµένη σε κάµψη. Συνδετήρες: Φ10/75. ιαµήκεις ράβδοι 2Φ16 στην άνω και κάτω πλευρά της δοκού. (β) Μ1- οκός υποδιαστασιολογηµένη σε κάµψη. Συνδετήρες: Φ10/75. ιαµήκεις ράβδοι 2Φ16 στην άνω και 2Φ16 στην κάτω πλευρά της δοκού. (γ) Τ0- οκός 73

106 υποδιαστασιολογηµένη σε διάτµηση. Συνδετήρες: 3Φ10/100 πάνω από τις στηρίξεις. ιαµήκεις ράβδοι 2Φ16 στην άνω πλευρά της δοκού και 12Φ16 στην κάτω πλευρά της δοκού. (δ) Τ1- οκός υποδιαστασιολογηµένη σε διάτµηση. Συνδετήρες: 6Φ10/200 πάνω από τις στηρίξεις. ιαµήκεις ράβδοι 2Φ16 στην άνω πλευρά της δοκού και 12Φ16 στην κάτω πλευρά της δοκού. Οι Pareek and Kuroda (2004) µελέτησαν την ενίσχυση δοκών οπλισµένου σκυροδέµατος, έναντι διάτµησης µε σύνθετα υλικά συνεχών ινών άνθρακα και αραµιδίου-σε µορφή φύλλων (CF-Sheets), πλακών (CF-Plate) και πλέγµατος (CF-Grid), κάνοντας χρήση κονιάµατος που περιείχε πολυµερή. Τα αποτελέσµατα της έρευνάς τους έδειξαν ότι το κονίαµα ως συνδετική ύλη µεταξύ των ινών συνεισφέρει ικανοποιητικά στην αποτελεσµατική µεταφορά των δυνάµεων από το σκυρόδεµα στις ίνες, µε απώτερο στόχο την ενίσχυση της διατµητικής ικανότητας των δοκών, σε σχέση µε αυτή των εποξειδικών ρητινών. Περαιτέρω βελτίωση και επέκταση στο θέµα της διατµητικής ενίσχυσης δοκών από σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας πραγµατοποιήθηκε από τους Triantafillou and Papanicolaou (2004). Η πειραµατική τους έρευνα προσέφερε µια καλύτερη κατανόηση στην αποτελεσµατικότητα της διατµητικής ενίσχυσης µε σύνθετα υλικά, ανάλογα µε α) το είδος της συγκολλητικής ουσίας (ανόργανη ή οργανική µήτρα) β) τον αριθµό των στρώσεων (µίας ή δύο) και γ) την µέθοδο περιτύλιξης των υφασµάτων (συµβατική ή ελικοειδής περιτύλιξη) που χρησιµοποιήθηκε. Οι πειραµατικές δοκιµές αφορούσαν την καταπόνηση σε κάµψη τεσσάρων σηµείων (µονοτονική ή ανακυκλιζόµενη) έξι δοκών ανεπαρκούς εγκάρσιου οπλισµού ο οποίος θα εξασφάλιζε την διατµητική αστοχία, αν δεν εφαρµοζόταν ενίσχυση µε σύνθετα υλικά. Λεπτοµέρειες για τη διάταξη των οπλισµών φαίνονται στο Σχήµα 4.5. Τα υφάσµατα που χρησιµοποιήθηκαν ήταν πλεγµένα µε κλώνους ινών (tows) δύο διευθύνσεων (textiles-2d). (α) 74

107 (β) Σχήµα 4.5 Λεπτοµέρειες όπλισης δοκών που εξετάστηκαν: (α) διαµήκης τοµή της δοκού - εµφάνιση εγκάρσιου οπλισµού (β) εγκάρσια τοµή της δοκού - εµφάνιση διαµήκους οπλισµού (Triantafillou and Papanicolaou, 2004). Τα αποτελέσµατα των πειραµάτων έδειξαν ότι το σύστηµα ενίσχυσης ανόργανης µήτρας παρέχει µια σηµαντική αύξηση στην διατµητική αντοχή των µελών από οπλισµένο σκυρόδεµα. Συγκεκριµένα: Η συµπεριφορά των δοκών που ήταν ενισχυµένες µε δύο στρώσεις υφάσµατος σε ανόργανη µήτρα, είτε στη µορφή της συµβατικής περιτύλιξης είτε στη µορφή της ελικοειδούς, ήταν τέτοια που εµπόδισε την απότοµη διατµητική αστοχία και επέτρεψε την ενεργοποίηση της καµπτικής διαρροής των ινών, που είχε ως αποτέλεσµα στην αύξηση της διατµητικής αντοχής πάνω από 60 kn σε σχέση µε αυτή της δοκού-ελέγχου. Παρόµοια ήταν η συµπεριφορά των δοκών που ήταν ενισχυµένες µε τις ίδιες στρώσεις υφάσµατος αλλά σε οργανική µήτρα. Οι δοκοί που είχαν ενισχυθεί µε µία στρώση υφάσµατος επέδειξαν µια λιγότερο αποτελεσµατική αλλά επαρκή διατµητική αντίσταση σε σχέση µε τις ισοδύναµές τους µε ρητίνη. Η αντοχή τους υπερτερούσε κατά 40 kn σε σχέση µε αυτή της δοκού-ελέγχου. Η ενίσχυση των δοµικών στοιχείων µε σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας έναντι κόπωσης, αποτελεί ένα σπουδαίο ζήτηµα που µελετήθηκε επιτυχώς από τους Toutanji et al. (2003). Τα πειράµατά τους έγιναν πάνω σε δοκούς οπλισµένου σκυροδέµατος ενισχυµένες, έναντι κάµψης, από φύλλα ινών άνθρακα µε χρήση ανόργανης µήτρας. Οι δοκοί υποβλήθηκαν σε εναλλασσόµενη δυναµική φόρτιση καθορισµένης συχνότητας µε τάση που δεν ξεπερνούσε συγκεκριµένα όρια. Τα αποτελέσµατα των πειραµάτων έδειξαν ότι: Η αντοχή σε κόπωση των ενισχυµένων δοκών αυξήθηκε κατά 55% σε σχέση µε την αντοχή των δοκών-ελέγχου. Η αστοχία των δοκών λόγω κόπωσης ξεκινά µε θραύση των ράβδων οπλισµού και ολοκληρώνεται µε τη θραύση των συνθέτων υλικών. 75

108 Γενικά η ενίσχυση µε σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας αυξάνει σηµαντικά τον αριθµό των κύκλων φόρτισης και την ικανότητα ανάληψης δυνάµεων. Η έρευνα για την ενίσχυση στοιχείων από σύνθετα υλικά ινών άνθρακα µε τσιµεντοειδή µήτρα έχει επεκταθεί και σε άλλα πεδία λιγότερο συµβατικά, όπως στη συµπεριφορά ενισχυµένων τοίχων. Ο Kolsch (1998), µελέτησε την απόκριση τοίχων ενισχυµένων µε ένα σύστηµα επιστρώσεων (overlays) από σύνθετα υλικά εµποτισµένα σε ανόργανη µήτρα, έναντι κάµψης. Όπως διαπίστωσε, το σύστηµα αυτό (Carbon Fiber Cement Matrix, CFCM) εµπόδιζε την µερική και ολική αστοχία του τοίχου στην κρίσιµη, εκτός επιπέδου κάµψη, κατά τη διάρκεια της σεισµικής κίνησης. Προκειµένου να επιλεχθεί ο βέλτιστος συνδυασµός µήτρας και υλικού ινών εκτελέστηκε µια σειρά πειραµάτων κάµψης τριών σηµείων σε άοπλες δοκούς τετραγωνικής διατοµής (διαστάσεων 700x150x100 mm 3 ) (Σχήµα 4.6). Η φόρτιση των δοκών ήταν ελεγχοµένων µετατοπίσεων και στατική. Στο Σχήµα 4.7 φαίνονται οι καµπύλες φορτίου-µετατόπισης από τις προκαταρτικές δοκιµές για την επιλογή των υλικών. Από τη σύγκριση προέκυψε ότι ο ιδανικός συνδυασµός επιτυγχάνεται µε: Ύφασµα ινών άνθρακα µίας διεύθυνσης και πυκνότητας 140g/m 2 εµποτισµένο µε τσιµεντοειδές κονίαµα που περιέχει πολυµερή. Το µέτρο Ελαστικότητας του σύνθετου υλικού καθορίστηκε βάσει δοκιµών εφελκυσµού ίσο µε 10 GPa. Κάθε σύστηµα ενίσχυσης περιελάµβανε 4 στρώσεις υφάσµατος. Ο τρόπος αστοχίας του συστήµατος ενίσχυσης ήταν διαστρωµατικός (interlaminar) και ο τρόπος αστοχίας των δοκών ήταν διατµητικός, στην άκρη της ενισχυµένης περιοχής. Σύµφωνα µε τον ερευνητή, το σύστηµα CFCM εξασφαλίζει ανταγωνιστικά αποτελέσµατα σε σχέση µε το σύστηµα των ινοπλισµένων πολυµερών, αρκεί να γίνει προσεκτική εκτίµηση των υλικών που θα χρησιµοποιηθούν. Σχήµα 4.6 Άοπλη δοκός ενισχυµένη µε σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας, έναντι κάµψης. 76

109 Σχήµα 4.7 Καµπύλες φορτίου-µετατόπισης για τις ενισχυµένες µε σύνθετα υλικά δοκούς: κάθε επίστρωση αποτελείται από 4 στρώσεις υφάσµατος. Πρώτοι οι Triantafillou et al. (2005, 2006) µελέτησαν συστηµατικά την εφαρµογή συνθέτων υλικών ανόργανης µήτρας σαν ένα µέσο αύξησης της αξονικής, θλιπτικής ικανότητας και της παραµορφωσιµότητας του σκυροδέµατος µέσω περίσφιγξης. Η πειραµατική τους έρευνα διεξήχθη πάνω σε α) άοπλα κυλινδρικά δοκίµια διαµέτρου 150mm και ύψους 300mm (Σειρές Α και Β) και β) άοπλα υποστυλώµατα ορθογωνικής διατοµής 250x250mm και ύψους 700mm (Σειρά Γ) των οποίων και οι τέσσερεις ακµές που συνέτρεχαν µε τον άξονα των δοκιµίων είχαν καµπυλωθεί µε ακτίνα r=15mm. Τρεις ήταν οι παράµετροι που εξετάστηκαν για την µελέτη των άοπλων κυλινδρικών δοκιµίων: α) η χρήση ανόργανης µήτρας έναντι οργανικής ως υλικό συγκόλλησης µεταξύ των ινών β) η εφελκυστική αντοχή της ανόργανης µήτρας (δύο διαφορετικά κονιάµατα) και γ) ο αριθµός των στρώσεων (δύο και τρεις στρώσεις πλέγµατος ινών άνθρακα). Από την άλλη, οι παράµετροι που εξετάστηκαν για την µελέτη των άοπλων υποστυλωµάτων ορθογωνικής διατοµής ήταν α) η χρήση ανόργανης µήτρας έναντι οργανικής β) ο αριθµός των στρώσεων (δύο και τέσσερεις στρώσεις πλέγµατος ινών άνθρακα) και γ) η αποτελεσµατικότητα της πλήρους περιτύλιξης του πλέγµατος συναρτήσει της µερικής. Αξίζει να σηµειωθεί πως η περιτύλιξη των λωρίδων του πλέγµατος γινόταν ελικοειδώς (αρχίζοντας από την κορυφή του δοκιµίου και καταλήγοντας στην βάση του). Μετά την πρώτη περιτύλιξη του δοκιµίου, η επόµενη λωρίδα πλέγµατος ακολουθούσε αντίθετη κατεύθυνση από την προηγούµενη κ.ο.κ. Στο τέλος της σύνδεσης, οι λωρίδες 77

110 του πλέγµατος σταθεροποιούνταν στο υπόστρωµα του σκυροδέµατος είτε µε εµποτισµό των ινών τους σε όλη την επιφάνεια (µε κονίαµα ή ρητίνη όπως στην περίπτωση των κυλίνδρων) είτε στις ακραίες ζώνες των δοκιµίων (µε περιτύλιξη δύο στρώσεων πλέγµατος σε οριζόντια διεύθυνση µε ρητίνη). Από την απόκριση των κυλινδρικών δοκιµίων σε αξονική θλίψη διαπιστώθηκαν τα εξής: Οι µανδύες συνθέτων υλικών παρέχουν σηµαντική βελτίωση στην συµπεριφορά των δοκιµίων από άποψη θλιπτικής αντοχής και παραµορφωσιµότητας. Η βελτίωση αυτή γίνεται εντονότερη όσο αυξάνεται ο αριθµός των στρώσεων. Τα σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας επέδειξαν µειωµένη αποτελεσµατικότητα έναντι περίσφιγξης σε σχέση µε τα ισοδύναµά τους µε ρητίνη. Η µείωση αυτή ήταν 80% για την αντοχή και 50% για την παραµορφωσιµότητα. Η αστοχία των µανδυών ανόργανης µήτρας ήταν λιγότερο αιφνιδιαστική από ό,τι των µανδυών εποξειδικής ρητίνης, λόγω της σταδιακής θραύσης των µεµονωµένων ινών των κλώνων. Από την απόκριση των δοκιµίων ορθογωνικής διατοµής σε αξονική θλίψη διαπιστώθηκαν τα εξής: Οι µανδύες συνθέτων υλικών ανόργανης µήτρας είναι αρκετά αποδοτικοί από άποψη θλιπτικής αντοχής και παραµορφωσιµότητας. Σε σύγκριση µε τους ισοδύναµούς τους µανδύες µε ρητίνη παρέχουν προσεγγιστικά την ίδια αποτελεσµατικότητα ως προς την αντοχή αλλά ελαφρώς µικρότερη ως προς την παραµορφωσιµότητα. Στα ελικοειδώς ενισχυµένα δοκίµια που είχαν αγκυρωθεί στις ακραίες ζώνες φάνηκε ότι η παραµορφωσιµότητά τους ήταν αρκετά ευάλωτη µε τον αριθµό των στρώσεων του πλέγµατος που εµποτίζονταν στις περιοχές αυτές µε ρητίνη. ηλαδή αύξηση του αριθµού των στρώσεων αύξανε την παραµόρφωση, ενώ µείωσή τους, τη µείωνε. 4.6 ΣΥΣΤΑΣΗ ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΜΗΤΡΑΣ Είναι γεγονός ότι η σύσταση της ανόργανης µήτρας αποτελεί ένα δύσκολο ζήτηµα διότι πρέπει να ικανοποιεί όλες τις απαιτήσεις που αναφέρθηκαν στην ενότητα 4.4. Αρκετοί ερευνητές ασχολήθηκαν µέχρι τώρα µε το θέµα αυτό και έχουν προτείνει ποικίλες µεθόδους σχεδιασµού ανόργανης συγκολλητικής ουσίας. Στην ενότητα αυτή περιγράφονται οι κυριότερες µέθοδοι σχεδιασµού τσιµεντοειδών κονιαµάτων που έχουν ερευνηθεί µε στόχο να αποτελέσουν τη συνδετική ύλη µε τα σύνθετα υλικά ινών άνθρακα. 78

111 Οι Badanoiu and Holmgren (2003) σε µία προσπάθεια βελτίωσης της συνάφειας µεταξύ ινών άνθρακα και κονιάµατος πρότειναν το σχεδιασµό µιας πολυσύνθετης ουσίας µε κύριο συστατικό της το τσιµέντο Portland και µε πρόσθετα, όπως πολυµερή και πυριτική παιπάλη. Τα υλικά που χρησιµοποίησαν για την παρασκευή του κονιάµατος ήταν: Τσιµέντο Portland τύπου CEM II/A-L 42, 5 R Πυριτική παιπάλη µε 85% SiO 2 Οργανικό πολυµερές συµπολυµερές βασισµένο σε βουταδιένιο-acetate και στυρένιο Antifoaming agent Agitan P 830 Υπερρευστοποιητικά βασισµένα σε Sulphonated melamine polycondensate and sulphonate nephtalene polycondensate Αδρανή minifiller Κονίαµα εµποτισµένο µε πολυµερή Η αποτελεσµατικότητα του νέου προϊόντος εκτιµήθηκε ως προς τα ρεολογικά του χαρακτηριστικά και συγκεκριµένα την εργασιµότητά του καθώς και την απόκρισή του στις δοκιµές εξόλκευσης. Με βάση την εργασιµότητά του διαπιστώθηκε ότι: Αντικατάσταση του τσιµέντου Portland κατά 10% µε πυριτική παιπάλη έχει σαν αποτέλεσµα τη µείωση της εργασιµότητας του κονιάµατος και εποµένως την αύξηση της ανάγκης για χρήση νερού ανάµιξης. Αυτό εξηγείται ως εξής: Η πυριτική παιπάλη λόγω της υψηλής της λεπτότητας και της µεγάλης ειδικής της επιφάνειας σε σχέση µε το τσιµέντο Portland, αφού είναι σε µορφή µικρών κόκκων (σφαιρίδια πάχους 0.1µm), απαιτεί µεγαλύτερες ποσότητες νερού προκειµένου να επιτύχει βελτιωµένη εργασιµότητα. Ακόµη και για υψηλούς λόγους νερού προς κονίαµα (0.7) η εργασιµότητα είναι πολύ µικρή συγκρινόµενη µε την επιθυµητή. Αυξηµένα ποσά υπερρευστοποιητικών επιφέρουν αύξηση στην εργασιµότητα. Ακόµη και για υψηλούς λόγους νερού προς κονίαµα (0.6) απαιτείται 3.5% ποσοστό υπερρευστοποιητικών προκειµένου να επιτευχθεί ικανοποιητική εργασιµότητα. Ένα τέτοιο υψηλό ποσοστό υπερρευστοποιητικών είναι πιθανό να προκαλέσει αύξηση στο χρόνο πήξης και κατά συνέπεια καθυστέρηση στην ανάπτυξη θλιπτικής αντοχής σε µικρές ηλικίες. Η κατεργασία της πυριτικής παιπάλης µε σιλένιο ( σιλανοποίηση ) βελτιώνει την εργασιµότητα σύµφωνα µε τους Xu and Chung (1999, 2000). Στην παρούσα εργασία αν και έγινε σιλανοποίηση της πυριτικής παιπάλης δεν αποκτήθηκε το επιθυµητό αποτέλεσµα. Η βελτίωση της εργασιµότητας επήλθε µε την προσθήκη υπερρευστοποιητικών. Η προσθήκη πολυµερών επιφέρει βελτίωση στην εργασιµότητα για τον ίδιο λόγο νερού προς κονίαµα. Έτσι, καθώς αυξάνεται το ποσοστό των πολυµερών, ο λόγος νερού προς κονίαµα που είναι απαραίτητος για να 79

112 επιτύχει την βέλτιστη εργασιµότητα (D=200mm), µειώνεται. Για 20% ποσοστό πολυµερών, µια καλή εργασιµότητα επιτυγχάνεται µε λόγο νερού προς κονίαµα 0.5, χωρίς τη χρήση υπερρευστοποιητή. Μεγαλύτερο ποσοστό πολυµερών (30%, 50%) προκαλεί πιο βελτιωµένα αποτελέσµατα στην εργασιµότητα και µειώνει την ανάγκη για χρήση νερού ανάµιξης το οποίο αν εκφραστεί σε λόγο νερού προς κονίαµα, είναι δυνατό να φτάσει , χωρίς τη χρήση υπερρευστοποιητικών. Ένας από τους σκοπούς της έρευνας στο πεδίο της σύστασης της ανόργανης µήτρας ήταν να βρεθεί µία τεχνική επεξεργασίας της επιφάνειας των ινών ή των ορυκτών πρόσθετων που να βελτιώνει τις συνθήκες συνάφειας. Σύµφωνα µε τους Badanoiu et al. (2002), η πιο αποτελεσµατική και λιγότερο τοξική κατεργασία η οποία γίνεται τόσο στις ίνες άνθρακα όσο και στα ορυκτά πρόσθετα (π.χ. στην πυριτική παιπάλη) είναι η κατεργασία µε σιλένιο. Η σιλανοποίηση (silane treatment) των κλώνων των ινών άνθρακα οδηγεί σε βελτίωση της συνάφειας. Με βάση την απόκριση του συστήµατος ινών άνθρακα (που είχαν υποστεί σιλανοποίηση) και του κονιάµατος, στις δοκιµές εξόλκευσης διαπιστώθηκε ότι: Η προσθήκη πυριτικής παιπάλης και υψηλών ποσοτήτων πολυµερών στο κονίαµα επιφέρει βελτίωση στη συνάφεια µεταξύ ινών άνθρακα και τσιµεντοειδούς µήτρας. Μια πιθανή εξήγηση σε αυτό µπορεί να είναι το ότι η πυριτική παιπάλη, λόγω της µορφής της, επιτρέπει τον καλύτερο εµποτισµό των κλώνων έως στο κέντρο τους. Αν δεν χρησιµοποιηθούν πολυµερή, η ισχυρότερη συνάφεια επιτυγχάνεται µε 10% πυριτική παιπάλη. Αν όµως χρησιµοποιηθούν πολυµερή, σε ποσοστό 20%, τότε αναπτύσσονται πολύ καλές συνθήκες συνάφειας, αν προηγούµενα τα δοκίµια έχουν συντηρηθεί σε υγρό περιβάλλον (100% R.H.). Αν χρησιµοποιηθούν πολυµερή, σε ποσοστό 50%, τότε οι ιδανικές συνθήκες συνάφειας αναπτύσσονται όταν τα δοκίµια έχουν συντηρηθεί σε δωµάτιο µε αέρα, χωρίς υγρασία. Αυτό µπορεί να εξηγηθεί από το γεγονός ότι όταν το ποσοστό των πολυµερών στο κονίαµα είναι µικρό, τότε προηγείται η ενυδάτωση του τσιµέντου Portland και οι διαδικασίες πήξης του, που για να επιταχυνθούν απαιτούν υγρό περιβάλλον, ενώ όταν ποσοστό των πολυµερών στο κονίαµα είναι µεγάλο, τότε προηγούνται οι διαδικασίες πολυµερισµού που ευνοούνται από τη συντήρηση σε ξηρό περιβάλλον. Ο αριθµός των ινών που περιλαµβάνονται σε έναν κλώνο επηρεάζει καθοριστικά την ικανότητα ανάληψης εφελκυστικών δυνάµεων διότι αυτός παίζει σηµαντικό ρόλο στον βαθµό εµποτισµού τους από την τσιµεντοειδή µήτρα. Κατά συνέπεια, αν η τσιµεντοειδής µήτρα έχει διαπεράσει στον πυρήνα του κλώνου και έχει εµποτίσει πολλές ίνες, τότε ένα υψηλό ποσοστό αυτών παραµένει ενεργό και ικανό να αναλάβει τα φορτία. Αν όµως έχει γίνει µερική διείσδυση του κονιάµατος στους κλώνους τότε µόνο το εξωτερικό 80

113 µέρος αυτών συνεισφέρει στην ανάληψη φορτίων (Molter et al. 2001) (Σχήµα 4.8). Γι αυτό και στις δοκιµές εξόλκευσης ο µηχανισµός αστοχίας των εξωτερικών ινών που είχαν εµποτιστεί επαρκώς ήταν θραύση ενώ στις εσωτερικές ολίσθηση. Σκυρόδεµα Εσωτερικές ίνες κλώνου Εξωτερικές ίνες κλώνου Σχήµα 4.8 Μηχανισµός συνάφειας των ινών µε τη µήτρα σε έναν κλώνο. Σε συνεργασία µε την Badanoiu, o Wiberg (2003) στα πλαίσια της διδακτορικής του διατριβής, διεξήγαγε παραµετρική ανάλυση µε σκοπό τη µελέτη της επίδρασης του αριθµού των πολυµερών και του µεγέθους των κόκκων τσιµέντου στην αύξηση της συνάφειας µεταξύ ινών και µήτρας. Στην επιλογή του αριθµού των πολυµερών και του µεγέθους των κόκκων τσιµέντου ως παραµέτρων για την βελτίωση της συγκόλλησης µεταξύ ινών και µήτρας συνέτεινε η υφιστάµενη βιβλιογραφία καθώς και µία προκαταρτική-πιλοτική µελέτη του Wiberg σε WHEST-δοκούς σύµφωνα µε την οποία επιβεβαίωσε ότι: Σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας µε υψηλό ποσοστό πολυµερών σε αυτή επέδειξαν καλύτερη συµπεριφορά σε σχέση µε αυτά στα οποία η ανόργανη µήτρα ήταν φτωχή σε πολυµερή. Η βελτίωση της συµπεριφοράς συνίσταται στην ισχυροποίηση των δεσµών της διεπιφάνειας µεταξύ ινών και µήτρας και στην αύξηση της παραµορφωσιµότητας του κονιάµατος ώστε να µεταφέρονται εύκολα οι δυνάµεις στις ίνες. Από τα διαγράµµατα φορτίου-µετατόπισης που εξήχθησαν παρατηρήθηκε ότι στις περιπτώσεις που χρησιµοποιήθηκε χαµηλό ποσοστό πολυµερών, η συνάφεια ήταν µεν µικρή και η αποκόλληση των συνθέτων υλικών νωρίτερη, αλλά η παραµορφωσιµότητα και η πλαστιµότητα ήταν µεγαλύτερες. Επίσης, παρατηρήθηκε πως όταν το κονίαµα προερχόταν από ανάµιξη ενός ξηρού µέρους µε τσιµέντο και πρόσθετα και ενός υγρού αιωρήµατος που περιείχε πολυµερή, ήταν πιο αποτελεσµατικό και πιο 81

114 εργάσιµο σε σχέση µε εκείνο που προερχόταν από ανάµιξη ξηρής σκόνης µε νερό. Η αντικατάσταση συµβατικά αλεσµένου τσιµέντου από λεπτόκοκκο, στην ανόργανη µήτρα των συνθέτων υλικών, ενισχύει τη συνάφεια µεταξύ ινών και µήτρας µε δύο τρόπους: α) διεισδύοντας ευκολότερα στους πόρους του υποστρώµατος δηλαδή του σκληρυµένου σκυροδέµατος και β) διεισδύοντας καλύτερα στις διεπιφάνειες µεταξύ των ινών (filaments) των κλώνων (tows). Για να σχεδιάσει ένα κονίαµα βελτιωµένων ιδιοτήτων, ο Wiberg (2003) βασίστηκε στο καλύτερο εµπορικό προϊόν, που ήταν αποδεδειγµένο ότι δούλευε σωστά και προσπάθησε να προσεγγίσει τις ιδιότητες του µεταβάλλοντας τον αριθµό των πολυµερών και το µέγεθος των κόκκων τσιµέντου. Από τις πολυάριθµες δοκιµές που διεξήγαγε κατέληξε σε µία σύσταση που αποτελείτο από υπέρ-λεπτό τσιµέντο και 30% πολυµερή. Ο λόγος πολυµερών / τσιµέντου που θεωρήθηκε κατάλληλος για τη βελτίωση της συνάφειας ήταν το 0.50 µιας και περαιτέρω αύξησή του στην τιµή 0.75, δεν επέφερε καµία αλλαγή στα αποτελέσµατα. Το νέο κονίαµα παρουσίασε ικανή εργασιµότητα, ρευστότητα και µεγαλύτερες αντοχές, ενώ επιταχύνθηκε η ανάπτυξή τους σε σχέση µε το κονίαµα-αναφοράς στις µικρές ηλικίες. Σε µεγαλύτερες ηλικίες, λόγω της υπερβολικής λεπτότητάς του, παρουσίασε µείωση στο ρυθµό ενυδάτωσης και ύφεση στις διεργασίες πήξης του, σε σχέση µε το κονίαµα-αναφοράς. Οι συνθήκες συντήρησης έπαιξαν σηµαντικό ρόλο στις µηχανικές ιδιότητες του κονιάµατος. Τα δοκίµια που συντηρήθηκαν σε υγρό περιβάλλον παρουσίασαν απώλεια καµπτικής και θλιπτικής αντοχής σε σχέση µε αυτά που συντηρήθηκαν µε αέρα. Επίσης, όσο µεγαλύτερη ήταν η ποσότητα των πολυµερών στο κονίαµα, τόσο πιο αρνητικά επιδρούσε η περιβάλλουσα υγρασία στην αντοχή. Στη συνέχεια του ερευνητικού του προγράµµατος, o Wiberg (2003) εστίασε το ενδιαφέρον του α) στο σχεδιασµό µιας πολυσύνθετης ουσίας που να περιέχει τσιµέντο Portland µε οργανικά ή ορυκτά πρόσθετα όπως πολυµερή και πυριτική παιπάλη και β) στην κατάλληλη κατεργασία της επιφάνειας των ινών άνθρακα (σιλανοποίηση) πριν την επαφή τους µε τη συγκολλητική ουσία ώστε να βελτιωθούν οι συνθήκες συνάφειας µεταξύ τους. Η συνάφεια µεταξύ ινών και µήτρας εκτιµήθηκε µέσα από δοκιµές εξόλκευσης ενώ η επάρκεια του συνόλου της ενίσχυσης µέσα από την καταπόνηση δοκών, έναντι κάµψης. Τα αποτελέσµατα των δοκιµών εξόλκευσης ήταν ίδια µε εκείνα που αναφέρθηκαν παραπάνω, στην εργασία των Badanoiu et al. (2002). Αυτά όµως που προέκυψαν από την καταπόνηση ενισχυµένων δοκών, έναντι κάµψης είναι τα εξής: 82

115 Οι δοκοί που ενισχύθηκαν µε κονίαµα που περιείχε πολυµερή αστόχησαν σε µεγαλύτερα φορτία σε σχέση µε αυτές που ενισχύθηκαν µε κονίαµα που περιείχε 10% πυριτική παιπάλη και όχι πολυµερή. Η βελτίωση στη µηχανική συµπεριφορά των κονιαµάτων οφείλεται στην προσθήκη των πολυµερών τα οποία επιφέρουν µείωση του µέτρου Ελαστικότητας και αύξηση της παραµορφωσιµότητας του κονιάµατος. Οι δοκοί που ήταν ενισχυµένες µε σύνθετα υλικά των οποίων οι κλώνοι είχαν υποστεί σιλανοποίηση παρουσίασαν αύξηση στην ικανότητα ανάληψης φορτίων σε σχέση µε αυτές που δεν είχαν υποστεί τέτοια κατεργασία, για το ίδιο υλικό µήτρας. Η σιλανοποίηση βελτιώνει τη συνάφεια µεταξύ ινών και µήτρας ή ίνας µε ίνα του συστήµατος ενίσχυσης δοκών αλλά κάποιες φορές η ικανότητα ανάληψης φορτίου ενδέχεται να έχει µικρότερη τιµή, αν συγκριθεί µε αυτή των δοκών των οποίων οι κλώνοι δεν έχουν υποστεί αυτή την κατεργασία. Μια πιθανή εξήγηση είναι η προξένιση βλάβης στις ίνες, κατά τη διάρκεια της κατεργασίας. Το κονίαµα που παρασκευάζεται στο εργαστήριο και περιέχει πολυµερή εµφανίζει συνήθως υψηλότερη θλιπτική αντοχή και µεγαλύτερη αντοχή σε συνάφεια σε σχέση µε το συµβατικό κονίαµα του εµπορίου, στις δοκιµές εξόλκευσης ενώ στην περίπτωση που χρησιµοποιείται στο σύστηµα ενίσχυσης των δοκών για την καταπόνησή τους σε κάµψη, αποδίδει µικρότερο φορτίο σε σχέση µε αυτό του συµβατικού σκυροδέµατος. Αυτό µπορεί να οφείλεται στην θιξοτροπική συµπεριφορά που εµφανίζουν να κονιάµατα που αναµιγνύονται στο εργαστήριο σύµφωνα µε την οποία παρουσιάζουν µείωση του ιξώδους κάτω από σταθερή διατµητική τάση και βαθµιαία αύξηση του ιξώδους µε την αποµάκρυνση των τάσεων. Ενδιαφέρον προκαλεί και η µελέτη των Xu et al. (2004), για την βελτίωση των χαρακτηριστικών συνάφειας των ανόργανων µητρών µε τα σύνθετα υλικά. Οι παράµετροι που εξετάστηκαν ήταν: α) Ο τύπος των ινών. Τα υφάσµατα που χρησιµοποιήθηκαν για την ενίσχυση των δοκιµίων ήταν από άνθρακα, γυαλί-ar και αραµίδιο. β) Ο προεµποτισµός ή µη των υφασµάτων από εποξειδική ρητίνη και γ) Η προφόρτιση ή µη των δοκιµίων πριν την υποβολή τους σε δοκιµές εξόλκευσης. Για την παρασκευή της ανόργανης µήτρας έγινε χρήση των παρακάτω συστατικών: Τσιµέντο Portland τύπου CEM I 42, 5 R. Ιπτάµενη τέφρα Πυριτική παιπάλη (µε 50% νερό) Λεπτόκοκκη άµµος mm Λεπτόκοκκη άµµος mm Νερό Υπερρευστοποιητής 83

116 Ο τύπος τσιµέντου που χρησιµοποιήθηκε (ταχύπηκτο) και η προσθήκη της πυριτικής παιπάλης προσέδωσαν ευεργετικό ρόλο ως προς τη συνάφεια, την ανάπτυξη αντοχής στις µικρές ηλικίες και την παρεµπόδιση της ρηγµάτωσης λόγω της συστολής ξήρανσης (Reinhardt et al., 2002). Επίσης, η προσθήκη της ιπτάµενης τέφρας και του υπερρευστοποιητή συντέλεσαν στην αύξηση της εργασιµότητας του µίγµατος. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα έδειξαν ότι ο προεµποτισµός κάθε τύπου υφάσµατος καθώς και η προφόρτισή του δρουν ευεργετικά στη συνάφεια που αναπτύσσεται µεταξύ ινών και ανόργανης µήτρας. Αναλυτικότερα: Η αντοχή των υφασµάτων που ήταν προεµποτισµένα µε εποξειδική ρητίνη ήταν πολύ µεγαλύτερη από εκείνη που µετρήθηκε απευθείας από τη δοκιµή εφελκυσµού ενός µόνο κλώνου (roving). Έτσι, προτού τα υφάσµατα εφαρµοστούν στο πεδίο µε κονίαµα, καλό είναι να έχουν προεµποτισθεί µε εποξειδική ρητίνη καθώς η τελευταία προσδίδει επιπλέον δυσκαµψία, χωρίς να µειώνει την ευκολία πρόσφυσης του κονιάµατος στους βρόχους του πλέγµατος. Η συνάφεια που δηµιουργείται µεταξύ του κονιάµατος και των ινών του υφάσµατος λόγω τριβής, αυξάνεται αν προηγουµένως οι ίνες έχουν υποστεί προφόρτιση. Αυτό οφείλεται στην επίδραση του λόγου Poisson και των φαινοµένων «bundling» και «straightening» που δηµιουργούνται λόγω προφόρτισης. Το φαινόµενο «bundling» (δεσµοποίηση) επιφέρει αύξηση του αριθµού των εσωτερικών ινών του κλώνου που είναι σε επαφή, ενώ το φαινόµενο «straightening» επιφέρει ευθυγράµµιση µειώνοντας τις πιθανότητες να υπάρχουν κοιλότητες µεταξύ των ινών. Από τις βασικές αρχές της Μηχανικής των Υλικών, η επιβολή δυνάµεων κατά µήκος του άξονα των ινών έχει σαν αποτέλεσµα την ανάπτυξη εγκαρσίων παραµορφώσεων οι οποίες, µε τη σειρά τους επιδρούν ευµενώς στην αύξηση της συνάφειας µεταξύ ινών και κονιάµατος εντός του συστήµατος ενίσχυσης. Αµιγώς πειραµατική έρευνα πάνω στην σύσταση της ανόργανης µήτρας έχει γίνει από τους Brameshuber and Brockmann. Η συγκεκριµένη εργασία εστιάζει στην ανάπτυξη και βελτιστοποίηση µιας τσιµεντοειδούς συγκολλητικής ουσίας έτσι ώστε: να είναι χηµικά συµβατή µε το υλικό των ινών ώστε να µπορεί να χρησιµοποιηθεί και µε ίνες γυαλιού οι οποίες στο περιβάλλον του συµβατικού τσιµέντου καταστρέφονται από την δράση των αλκαλίων να έχει την κατάλληλη συνοχή να αποκτά υψηλή αντοχή και στις µικρές ηλικίες Σύµφωνα µε τους ερευνητές οι κυριότερες αιτίες απώλειας της αντοχής των ινών γυαλιού µέσα σε τσιµεντοειδές κονίαµα είναι: η χηµική προσβολή από αλκαλικές ενώσεις της τσιµεντοειδούς µήτρας 84

117 η µηχανική προσβολή από τα προϊόντα ενυδάτωσης του τσιµέντου (notch effects) η ευθραυστότητα προκαλούµενη από προϊόντα ενυδάτωσης που αναπτύσσονται στο εσωτερικό των κλώνων των ινών γυαλιού Προκειµένου να αναλύσουν εις βάθος τους µηχανισµούς χηµικής και µηχανικής προσβολής των ινών γυαλιού από την ανόργανη µήτρα, οι Brameshuber and Brockmann µελέτησαν τα δύο φαινόµενα ξεχωριστά και κατέληξαν στο συµπέρασµα ότι η µηχανική προσβολή των ινών λόγω των προϊόντων ενυδάτωσης είναι ασήµαντη σε σχέση µε την χηµική. Για την διερεύνηση της χηµικής προσβολής των ινών σε τσιµεντοειδές κονίαµα εξετάστηκαν τρεις συγκολλητικές ουσίες, το κοινό τσιµέντο Portland (OPC), το σκωριοτσιµέντο (BFC) και το άσβεστο-αργιλικό τσιµέντο (CAC). Κατόπιν σύγκρισης των ιδιοτήτων τους (συνοχή, αντοχή στις µικρές ηλικίες, ανθεκτικότητα στα αλκάλια) προέκυψε ότι η συνδετική ουσία CAC παρέχει µοναδικές ιδιότητες λόγω της χαµηλής της αλκαλικότητας και της αντοχής της µε τις ίνες γυαλιού. Επίσης, η ικανότητά της να αναπτύσσει υψηλές αντοχές στις µικρές ηλικίες και να σκληραίνει γρήγορα, που οφείλεται στο υψηλό ποσοστό του οξειδίου του αλουµινίου (Al 2 O 3 ), αποτελεί ένα πλεονέκτηµα που µπορεί να το αξιοποιήσει στην κατασκευή προκατασκευασµένων στοιχείων. Ενδιαφέρουσα είναι και η σύνθεση ανόργανης µήτρας που µελετήθηκε από τους De Roover et al. (2000), η οποία δεν είναι αλκαλική ώστε να είναι δυνατή η χρήση ινών γυαλιού στο σύστηµα ενίσχυσης. Η κονία της µήτρας βασίζεται σε ασβεστοπυριτική σκόνη και φωσφορικό οξύ και ονοµάζεται IPC (Inorganic Phosphate Cement) και παρουσιάζει την ιδιότητα, όταν είναι σε εργάσιµη κατάσταση να είναι όξινη, ενώ όταν είναι σε σκληρυµένη, να είναι ουδέτερη. Από έρευνα των Balaguru and Kurtz στη σύσταση της ανόργανης µήτρας προέκυψε ένα νέο κονίαµα που περιέχει πολυµερή και ονοµάζεται γεωπολυµερές (geopolymer). Το νέο αυτό υλικό είναι µία ποζολανική κονία που προκύπτει από άλεση σκόνης αργιλοπυριτίου µε καταλύτη το νερό. οκιµές θερµοκρασιακής έκθεσης του κονιάµατος σε πολύ υψηλές θερµοκρασίες (1000 ο C) και σε ακτινοβολίες UV επέδειξαν πολύ καλά αποτελέσµατα. Οι παραπάνω ερευνητές, προκειµένου να επισφραγίσουν τα αποτελέσµατα της έρευνάς τους για το κονίαµα σε πραγµατικά συστήµατα ενίσχυσης πραγµατοποίησαν πειράµατα σε δοκούς οπλισµένου σκυροδέµατος, µε ενίσχυση έναντι κάµψης, συνδυάζοντας το γεωπολυµερές µε υφάσµατα ινών άνθρακα. Τα αποτελέσµατα της έρευνας που διεξήχθη στο Πανεπιστήµιο του Sherbrooke (M Ba Zaa, 1996) από τους Labossiere et al. και περιελάµβανε δοκούς οπλισµένου σκυροδέµατος ενισχυµένες µε ινοπλισµένα πολυµερή, έναντι κάµψης, χρησιµοποιήθηκαν ως µέτρο σύγκρισης. Η σύγκριση των αποτελεσµάτων έδειξε ότι η ανόργανη µήτρα παρουσιάζει εξαιρετική συµπεριφορά, όσον αφορά: 85

118 Την αύξηση της αντοχής. Η αντοχή της δοκού που ενισχύθηκε µε 5 στρώσεις ανθρακοϋφάσµατος ήταν µεγαλύτερη κατά 50% από αυτή της δοκού ελέγχου. Την µείωση της µετατόπισης στην αστοχία. Η δοκός των 5 στρώσεων από ανόργανη µήτρα αστόχησε σε µετατόπιση 23 mm, ενώ η δίδυµή της από το Πανεπιστήµιο του Sherbrooke, σε 28 mm. Την αύξηση των παραµορφώσεων. Το σύστηµα ενίσχυσης µε ανόργανη µήτρα κατέγραψε πολύ µεγάλες παραµορφώσεις σε σχέση µε αυτό των ινοπλισµένων πολυµερών, παρέχοντας έτσι µια προειδοποίηση στην επικείµενη αστοχία. Τον µηχανισµό αστοχίας. Όλες οι δοκοί που ενισχύθηκαν µε ινοπλισµένα πολυµερή αστόχησαν λόγω αποκόλλησης των συνθέτων υλικών ενώ αυτές που ενισχύθηκαν µε ανόργανη µήτρα αστόχησαν λόγω θραύσης αυτών. Σύµφωνα µε την άποψη των ερευνητών, στην περίπτωση που ο µηχανισµός αστοχίας είναι η αποκόλληση των συνθέτων υλικών, υπολειτουργεί ο ρόλος των συνθέτων υλικών γιατί δεν αξιοποιείται όλη η αντοχή τους. Όλα αυτά, αν συνδυαστούν µε την υψηλή αντίσταση του γεωπολυµερούς στις υψηλές θερµοκρασίες και την ακτινοβολία, την ευκολία χρήσης του, την δυνατότητα να εφαρµόζεται σε επιφάνειες που δεν είναι εύκολο να καθαριστούν καλά, την µη τοξικότητά του, την ευκολία καθαρισµού των επιφανειών στις οποίες θα βρεθεί και προπάντων το χαµηλό του κόστος, συµπεραίνεται πως το υλικό αυτό αποτελεί ένα δυναµικό µέσο ενίσχυσης των κατασκευών µε σύνθετα υλικά. Με βάση την µέχρι τώρα έρευνα που έχει διεξαχθεί για την ανόργανη µήτρα, συµπεραίνεται ότι αυτή έχει προσελκύσει και εξακολουθεί να προσελκύει σε µεγάλο βαθµό το ενδιαφέρον της επιστηµονικής κοινότητας για το λόγο ότι αντιπαρέρχεται µία σειρά εγγενών αδυναµιών της οργανικής µήτρας. 86

119 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ανεπάρκεια των πρακτικών όπλισης (detailing) υφισταµένων κατασκευών του ελλαδικού χώρου που εντοπίζεται στην αραιή διάταξη συνδετήρων και την λανθασµένη αγκύρωσή τους είναι αποτέλεσµα της διαφορετικής φιλοσοφίας σχεδιασµού της εποχής (προ του 1980) που βασιζόταν αποκλειστικά σε κριτήρια αντοχής χωρίς ικανοτικούς ελέγχους. Η µέχρι σήµερα γνώση έχει δείξει ότι τα φέροντα στοιχεία ενός δοµήµατος υπόκεινται καθηµερινά σε πρόσθετες επιβαρύνσεις λόγω της ανεπαρκούς περίσφιγξης, που µπορεί να εκδηλώνονται είτε µε διάσπαρτες ρωγµές µικρού ή µεγάλου ανοίγµατος στις κρίσιµες ζώνες είτε µε τοπική αποφλοίωση του σκυροδέµατος της επικάλυψης των οπλισµών είτε ακόµη µε µικρή ολίσθηση των οπλισµών στις περιοχές των µατίσεων και των αρµών διακοπής εργασίας. Η συσσώρευση αυτών των επιβαρύνσεων έχει σαν αποτέλεσµα την απώλεια της καµπτοδιατµητικής αντοχής των δοµικών στοιχείων και την απώλεια της φέρουσας ικανότητας έναντι κατακόρυφων φορτίων λόγω πρώιµου λυγισµού των διαµήκων ράβδων (Ταστάνη και Πανταζοπούλου, 2004). Με κίνητρο το πρόβληµα της απώλειας φέρουσας ικανότητας των υποστυλωµάτων υφισταµένων κατασκευών παλαιάς τεχνολογίας του ελλαδικού χώρου, που εκδηλώνεται λόγω του πρώιµου λυγισµού των διαµήκων ράβδων τους, διεξήχθη πειραµατικό πρόγραµµα αποτελούµενο από 15 πρισµατικά υποστυλώµατα οπλισµένου σκυροδέµατος τα οποία ενισχύθηκαν µε σύνθετα υλικά και δοκιµάστηκαν σε κεντρική θλίψη µέχρι αστοχίας. Το πειραµατικό πρόγραµµα χρηµατοδοτήθηκε από τη Γενική Γραµµατεία Έρευνας και Τεχνολογίας (ΓΓΕΤ) στα πλαίσια του προγράµµατος ΑΡΙΣΤΙΩΝ που έχει ως στόχο την ανάπτυξη προηγµένων υλικών και τεχνικών ενίσχυσης σε υφιστάµενα κτίρια. Η πειραµατική διαδικασία διήρκησε από τα µέσα του 2005 έως τις αρχές του 2006 και πραγµατοποιήθηκε στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του Τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών. 87

120 5.2 ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΟΚΙΜΙΩΝ Αντικείµενο της εν λόγω διατριβής είναι η διερεύνηση της αποτελεσµατικότητας της τεχνικής ενίσχυσης στοιχείων οπλισµένου σκυροδέµατος µέσω περίσφιγξης µε σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας σε σχέση µε αυτά της οργανικής. Τα στοιχεία αυτά έχουν α) πυκνή και β) αραιή γεωµετρία όπλισης και υποβάλλονται σε κεντρική θλίψη. Οι παράµετροι που τέθηκαν υπό µελέτη ήταν α) το είδος της µήτρας που χρησιµοποιήθηκε για την ενίσχυση των συνθέτων υλικών (η χρήση ανόργανης µήτρας σε σχέση µε τη χρήση εποξειδικής ρητίνης), β) ο αριθµός των στρώσεων του σύνθετου υλικού (2 και 3 στρώσεις υφάσµατος ινών άνθρακα µίας διεύθυνσης για το σύστηµα ινοπλισµένων πολυµερών και 4 και 6 στρώσεις πλέγµατος συνεχών ινών δύο διευθύνσεων για το σύστηµα ανόργανης µήτρας, αντίστοιχα) και γ) η γεωµετρική διάταξη του εσωτερικού, εγκάρσιου οπλισµού (συνδετήρων) των δοκιµίων (αραιή σε σχέση µε πυκνή διάταξη). Η επιλογή αυτών των παραµέτρων αποσκοπούσε στα εξής: Στη σύγκριση της αποτελεσµατικότητας των δύο συγκολλητικών ουσιών που χρησιµοποιήθηκαν, δηλαδή της οργανικής (εποξειδική ρητίνη) και της ανόργανης µήτρας (τσιµεντοκονίαµα) που συνδυάστηκαν µε υφάσµατα και πλέγµατα, αντίστοιχα. Στην µελέτη της επίδρασης που έχει ο αριθµός των στρώσεων των υφασµάτων και πλεγµάτων στην αποτελεσµατικότητα της περίσφιγξης µε µανδύες συνθέτων υλικών. Στην µελέτη της επίδρασης που έχει η περίσφιγξη (µε µανδύες συνθέτων υλικών) στην αστοχία του δοκιµίου (λόγω καθυστέρησης του φαινοµένου του λυγισµού). Στην µελέτη της επίδρασης που έχει η γεωµετρική διάταξη των συνδετήρων (αραιή και πυκνή διάταξη) στην πρόωρη θραύση του µανδύα των δοκιµίων (λόγω εκδήλωσης του φαινοµένου του λυγισµού). Tα δοκίµια κατηγοριοποιούνται ως εξής: Τρεις οµάδες δοκιµίων ανάλογα µε τη γεωµετρία της όπλισης o Οµάδα 1: Χωρίς οπλισµό o Οµάδα 2: Με διαµήκη οπλισµό (4Φ12) και αραιή διάταξη συνδετήρων Φ8 o Οµάδα 3: Με διαµήκη οπλισµό (4Φ12) και πυκνή διάταξη συνδετήρων Φ8 Πέντε οµάδες δοκιµίων ανάλογα µε το είδος της µήτρας και τη δυσκαµψία της ενίσχυσης (αριθµός στρώσεων σύνθετου υλικού) o Οµάδα α: οκίµια-ελέγχου στα οποία δεν υπάρχει επέµβαση ενίσχυσης o Οµάδα β: οκίµια ενισχυµένα µε 2 στρώσεις συνθέτων υλικών ινών άνθρακα µε χρήση εποξειδικής ρητίνης 88

121 o Οµάδα γ: οκίµια ενισχυµένα µε 3 στρώσεις συνθέτων υλικών ινών άνθρακα µε χρήση εποξειδικής ρητίνης o Οµάδα δ: οκίµια ενισχυµένα µε 4 στρώσεις συνθέτων υλικών πλεγµάτων µε χρήση ανόργανης µήτρας o Οµάδα ε: οκίµια ενισχυµένα µε 6 στρώσεις συνθέτων υλικών πλεγµάτων δύο διευθύνσεων µε χρήση ανόργανης µήτρας Η κάθε οµάδα αντιπροσωπεύτηκε από ένα δοκίµιο. Έτσι από τον συνδυασµό των οµάδων προέκυψαν συνολικά 15 (3x5) δοκίµια. Η ιδέα του πειραµατικού προγράµµατος απεικονίζεται παραστατικά µέσα από τον ακόλουθο πίνακα (Πίνακας 5.1). Οµάδα α β γ δ ε 1 C_U R2_U R3_U M4_U M6_U 2 C_S20 R2_ S20 R3_ S20 M4_ S20 M6_ S20 3 C_S10 R2_ S10 R3_ S10 M4_ S10 M6_ S10 Πίνακας 5.1 Οι 5 οµάδες δοκιµίων (κατακόρυφα) έχουν διαχωριστεί ανάλογα µε το είδος της µήτρας και τον αριθµό στρώσεων σύνθετου υλικού ενώ οι 3 οµάδες δοκιµίων (οριζόντια) έχουν διαχωριστεί ανάλογα µε τη γεωµετρική διάταξη του οπλισµού. Η σήµανση των δοκιµίων βασίστηκε στους τύπους XΝ_SD για τα οπλισµένα δοκίµια και XΝ_U για τα άοπλα. Το γράµµα X δήλωνε τον τύπο του µανδύα του συστήµατος ενίσχυσης. Έτσι για τα άθικτα, δίχως ενίσχυση δοκίµια-ελέγχου χρησιµοποιήθηκε το γράµµα C (από το: Control specimens). Για τα δοκίµια στα οποία, η συγκολλητική ουσία των συνθέτων υλικών ήταν η εποξειδική ρητίνη τοποθετήθηκε το γράµµα R (από το Resin) ενώ για τα δοκίµια στα οποία, η συγκολλητική ουσία των συνθέτων υλικών ήταν το κονίαµα, στην θέση του X τοποθετήθηκε το γράµµα M (από το: Mortar). Το γράµµα Ν δήλωνε τον αριθµό των στρώσεων των συνθέτων υλικών (από το: 89

122 Number). Η επιλογή των στρώσεων των συνθέτων υλικών έγινε µε βάση τη λογική να σχηµατιστούν ισοδύναµα ζεύγη (counterparts) µεταξύ FRPs και συνθέτων υλικών ανόργανης µήτρας, ώστε να είναι δυνατή η µετέπειτα σύγκριση της αποτελεσµατικότητάς τους. Το γράµµα D του πρώτου τύπου αντιστοιχούσε στη γεωµετρία της όπλισης και συγκεκριµένα στην απόσταση των συνδετήρων των δοκιµίων οπλισµένου σκυροδέµατος σε εκατοστά. Έτσι, στην περίπτωση των δοκιµίων αραιής διάταξης συνδετήρων χρησιµοποιήθηκε το S20 (από το Stirrup, αφού πρόκειται για τον εγκάρσιο, µεταλλικό οπλισµό και 20 από την απόσταση σε cm των συνδετήρων), ενώ στην περίπτωση των δοκιµίων πυκνής διάταξης συνδετήρων χρησιµοποιήθηκε το S10. Τέλος, το γράµµα U του δεύτερου τύπου αντιστοιχούσε στην ανυπαρξία όπλισης στο εσωτερικό των δοκιµίων (από το Unreinforced). Στον Πίνακα 5.1 δίδονται τα ακρώνυµα των δοκιµίων. Τα δοκίµια ήταν τετραγωνικής διατοµής διαστάσεων 200mm x 200mm. Το ύψος τους ήταν 380 mm. Σύµφωνα µε τις Tastani et al. (2006) ο καθορισµός του ύψους των δοκιµίων χρήζει προσοχής γιατί ο πλευρικός περιορισµός ή αλλιώς η «περίσφιγξη» που υφίστανται οι ακραίες ζώνες των υποστυλωµάτων λόγω της επαφής τους µε τις πλάκες φόρτισης είναι πιθανό να εισάγει µία ψεύτικη αύξηση στην συνολική αντοχή και παραµορφωσιµότητά τους. Ο διαµήκης οπλισµός αποτελείτο από τέσσερεις ράβδους ονοµαστικής διαµέτρου 12 mm. Το ποσοστό του χάλυβα ανηγµένο επί της ενεργούς διατοµής είναι: A s 452 ρ s = ρs = ρs b d = 1.36% (5.1) όπου: φl 12 d = b d1 d = b (c + φh + ) d = 200 ( ) d = 166mm (5.2) 2 2 όπου: A s : το συνολικό εµβαδό της διατοµής τεσσάρων ράβδων Φ12 b: το µήκος της πλευράς του τετραγωνικού υποστυλώµατος d: το στατικό ύψος της διατοµής του υποστυλώµατος c: η περιµετρική επικάλυψη του υποστυλώµατος, ίση µε 20 mm φ h : η διάµετρος του συνδετήρα φ L : η διάµετρος του διαµήκους οπλισµού Τα άκρα των ράβδων αγκυρώθηκαν µε κάµψη προς τον εσωτερικό πυρήνα του σκυροδέµατος της διατοµής, έτσι ώστε να αποφευχθεί το ενδεχόµενο ρηγµάτωσης λόγω συγκέντρωσης τάσεων στις επιφάνειες φόρτισης. Οι συνδετήρες που τοποθετήθηκαν ήταν διαµέτρου 8 mm ανά 90

123 s mm ( = =16.67) για τα δοκίµια της Οµάδας 2 ( οκίµια αραιής φl 12 διάταξης συνδετήρων) µε ογκοµετρικό ποσοστό εγκαρσίου οπλισµού: n A sw 2 50 ρw = ρ w = ρw bo s = 0.4% (5.3) όπου: φu 12 bo = b 2(c + φh + ) bo = 200 2( ) bo 2 2 = 132mm (5.4) όπου: n: ο αριθµός των σκελών συνδετήρα κάθετα στην πλευρά του υποστυλώµατος A sw : το εµβαδό της διατοµής συνδετήρα b o : το µήκος της πλευράς του περισφιγµένου σκυροδέµατος s: η κατακόρυφη απόσταση διαδοχικών συνδετήρων (από κέντρο σε κέντρο αυτών) Το παραπάνω γεωµετρικό, ογκοµετρικό ποσοστό αντιστοιχεί σε µία πολύ φτωχή παρεχόµενη περίσφιγξη. Οι συνδετήρες που τοποθετήθηκαν στα δοκίµια πυκνής διάταξης συνδετήρων ήταν διαµέτρου 8 mm ανά 100 mm, s 100 ( = =8.33) µε ογκοµετρικό ποσοστό εγκαρσίου οπλισµού: φ 12 L n A sw 2 50 ρw = ρ w = ρw = 0.76% (5.5) bo s Οι ακραίες περιοχές όλων των δοκιµίων περισφίχθηκαν µε επιπρόσθετους συνδετήρες διαµέτρου 8 mm ώστε να αποφευχθεί η πρόωρη αστοχία κοντά στις φορτιζόµενες επιφάνειες. Η αγκύρωση των συνδετήρων έγινε µε ένα καµπύλο (135 ο ) άγκιστρο, ώστε να προσοµοιωθεί η κατασκευαστική πρακτική της εποχής που µελετάται. Η καθαρή περιµετρική επικάλυψη ήταν µόλις 20 mm, δηλαδή µικρότερη από 2Φ (2Χ12=24 mm). Στο Σχήµα 5.1 απεικονίζονται όλες οι γεωµετρικές λεπτοµέρειες των δοκιµίων. 91

124 Φ12 Φ8 Φ12 Φ12 Φ8 Φ Φ12 Φ Φ Φ12 Φ (α) (β) (γ) Σχήµα 5.1 Τυπική γεωµετρία δοκιµίων (α) ιάταξη δοκιµίων αραιής διάταξης (β) ιάταξη δοκιµίων πυκνής διάταξης (γ) Αγκύρωση συνδετήρων όλες οι διατάξεις είναι σε mm. 5.3 ΥΛΙΚΑ Προκειµένου να προσοµοιωθεί όσο γίνεται πιο πιστά η τεχνολογία υλικών της τότε εποχής µε τα σηµερινά διαθέσιµα υλικά της αγοράς έγινε χρήση του σύγχρονου Ευρωπαϊκού πίνακα ταξινόµησης των χαρακτηριστικών τιµών αντοχής χάλυβα και σκυροδέµατος κατασκευών. Σύµφωνα µε τον Γερµανικό Κανονισµό DIN (1959), ο οποίος αναπαριστούσε τα ευρωπαϊκά standards της περιόδου µεταξύ του 1960 έως τα µέσα του 1980, οι τύποι υλικών που επιτρέπονταν να χρησιµοποιηθούν σε εφαρµογές που δεν προορίζονταν για σεισµικές δράσεις ήταν St I και B160, για χάλυβα και σκυρόδεµα αντίστοιχα. Ενώ, οι τύποι υλικών που έπρεπε να εφαρµοστούν σε κατασκευές σχεδιασµένες για σεισµό ήταν St IIIb για χάλυβα και τουλάχιστον B225 για σκυρόδεµα. Ο τύπος του χάλυβα που εφαρµοζόταν συνήθως σε συνδετήρες ήταν St I. Σύµφωνα µε τον Ευρωπαϊκό πίνακα ταξινόµησης, οι χάλυβες St I και St IIIb που είχαν ονοµαστική τιµή διαρροής 220 και 500 MPa αντιστοιχούν στους χάλυβες S220 και S500, αντίστοιχα ενώ η ποιότητα σκυροδέµατος B225 αντιστοιχεί σε C16/20 σηµερινού τύπου (Tastani et al., 2006). Οι ποιότητες του χάλυβα και του σκυροδέµατος που χρησιµοποιήθηκαν στην προκείµενη έρευνα για να προσεγγίσουν τις ποιότητες των υλικών των δοµικών στοιχείων που χρήζουν ενίσχυσης ήταν S500 και C16, αντίστοιχα. Τα υλικά που χρησιµοποιήθηκαν για την ενίσχυση των δοκιµίων ήταν υφάσµατα συνεχών ινών άνθρακα, πλέγµατα δύο διευθύνσεων από ίνες άνθρακα, εποξειδική ρητίνη δύο συστατικών και κονίαµα που περιείχε 92

125 πολυµερή. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά που προτείνονται από τους κατασκευαστές και οι τεχνικές ενίσχυσης που συστήνονται από τα πρωτόκολλα ενίσχυσης -επισκευής παρατίθενται στις ακόλουθες ενότητες Σκυρόδεµα Το σκυρόδεµα που χρησιµοποιήθηκε για την κατασκευή των δοκιµίων προήλθε από εργοστάσιο παραγωγής έτοιµου σκυροδέµατος και παραδόθηκε σε µία παρτίδα. Η κατηγορία αντοχής του ήταν C16/20. Για να είναι δυνατή η επαλήθευση της εγγυηµένης θλιπτικής αντοχής και κυρίως για να µπορεί να µετρηθεί στα διάφορα στάδια των δοκιµών του πειραµατικού προγράµµατος σκυροδετήθηκαν επιπλέον 6 συµβατικοί κύβοι πλευράς 150 mm, όπως προβλέπονται από τον Γερµανικό Κανονισµό DIN (1045). Μετά την πάροδο 28 ηµερών, οι κύβοι υποβλήθηκαν σε µονοτονική θλίψη µέσω µιας µηχανής ελεγχοµένων µετατοπίσεων η οποία είναι εγκατεστηµένη στο εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών (Εικόνες 5.1, 5.2). Η ικανότητα της εν λόγω µηχανής σε επιβολή θλιπτικού φορτίου έφτανε τα 1200 kn. Ο έλεγχος της φόρτισης καθώς και η καταγραφή της καµπύλης φορτίου - µετατόπισης έγινε µέσω λογισµικού ηλεκτρονικού υπολογιστή ο οποίος ήταν συνδεδεµένος µε την µηχανή επιβολής των µετατοπίσεων. Ο κύριος σκοπός της πειραµατικής διαδικασίας ήταν η καταγραφή των µεγίστων τιµών της αντοχής. Οι τιµές της θλιπτικής αντοχής τριών αξονικά φορτιζόµενων κύβων 28 ηµερών καταγράφονται στον Πίνακα 5.2 που ακολουθεί. 93

126 Σταθερή αρθρωτή κεφαλή Έµβολο επιβολής των µετακινήσεων Έµβολο ελέγχου του ρυθµού επιβολής µετακινήσεων Μοχλός καθορισµού της φοράς επιβολής των µετακινήσεων Εικόνα 5.1 Μηχανή πειραµατικού ελέγχου θλιπτικής αντοχής. Εικόνα 5.2 Κυβικά δοκίµια σκυροδέµατος κατά τη δοκιµή θλίψης. 94

127 Χρόνος δοκιµής µετά τη σκυροδέτηση 1 o δοκίµιο Αντοχή (MPa) 2 o δοκίµιο 3 o δοκίµιο Μ.Ο 28 ηµέρες Πίνακας 5.2 Θλιπτικές αντοχές σκυροδέµατος 28 ηµερών Χάλυβας Ο δοµικός χάλυβας που χρησιµοποιήθηκε για την κατασκευή των δύο τύπων µεταλλικών κλωβών ήταν S500 µε ονοµαστική τιµή τάσης διαρροής, 562 MPa. Για την επιβεβαίωση της τάσης διαρροής έγιναν δοκιµές µονοαξονικού εφελκυσµού σε τρεις ράβδους διαµέτρου 12 mm που ελήφθησαν από την ίδια παραγγελία. Η φόρτιση των ράβδων έγινε µονοτονικά µέσω επιβολής ελεγχοµένων εφελκυστικών µετατοπίσεων σε µηχανή της οποίας η µέγιστη ικανότητα επιβολής εφελκυστικού φορτίου είναι 250 kn. Στην αρχή της πειραµατικής δοκιµής η ράβδος χάλυβα τοποθετήθηκε ανάµεσα στις αρπάγες σε κατακόρυφή διεύθυνση και κλείστηκαν οι διακόπτες σύσφιγξής τους ώστε να εξασφαλιστεί η πάκτωσή της. Στη συνέχεια µετρήθηκε το ελεύθερο µήκος του δοκιµίου, δηλαδή το µήκος L µεταξύ των αρπαγών και το σύστηµα επιβολής της εφελκυστικής δύναµης τέθηκε σε λειτουργία. Ένα από τα στάδια της δοκιµής φωτογραφήθηκε και παρουσιάζεται παρακάτω (Εικόνα 5.3). Ο ρυθµός επιβολής ήταν 0.1 mm/sec. Ο έλεγχος της επιβολής των µετατοπίσεων αλλά και η καταγραφή της καµπύλης φορτίου µετατοπίσεων γίνονταν µέσω λογισµικού εγκατεστηµένου σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Η πειραµατική διαδικασία είχε ως αρχικό στόχο την καταγραφή των τάσεων διαρροής f y και ως δεύτερο τον προσδιορισµό της καµπύλης τάσεων παραµορφώσεων των φορτιζόµενων ράβδων χάλυβα. Τα διαγράµµατα τάσεων παραµορφώσεων και ο πίνακας µε τις τιµές των ορίων διαρροής φαίνονται παρακάτω. 95

128 (α) (β) Εικόνα 5.3 (α) οκιµή εφελκυσµού ράβδου χάλυβα Φ12 και ποιότητας S500 (β) Σηµείο όπου δηµιουργήθηκε η στένωση. Όριο διαρροής (f y ) ράβδων χάλυβα S500 (MPa) 1 η ράβδος 2 η ράβδος 3 η ράβδος Μ.Ο * Πίνακας 5.3 Τάσεις διαρροής χάλυβα S500. * Η δοκιµή της τρίτης ράβδου απέτυχε λόγω ολίσθησής της από τις αρπάγες της µηχανής. 96

129 700 S Stress (MPa) Strain Σχήµα 5.2 ιάγραµµα τάσεων παραµορφώσεων για τη ράβδο Ίνες Για την ενίσχυση των δοκιµίων µε ινοπλισµένα πολυµερή χρησιµοποιήθηκαν υφάσµατα ινών άνθρακα µίας διεύθυνσης-ud (carbon fabrics) ενώ για την ενίσχυση των δοκιµίων µε σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας έγινε χρήση πλεγµάτων συνεχών ινών άνθρακα δύο διευθύνσεων-bd (close-meshed carbon textiles). Η αντικατάσταση των υφασµάτων από πλέγµατα, στην περίπτωση της χρήσης ανόργανης µήτρας έγινε µε σκοπό τη βελτίωση των συνθηκών συνάφειας και την ισχυροποίηση των δεσµών µεταξύ ινών και µήτρας, λόγω των βροχίδων που αυτά περιλαµβάνουν. Το κονίαµα ως ένα υλικό µεγαλύτερου ιξώδους από την ρητίνη δεν µπορεί να επιτύχει τον ίδιο βαθµό εµποτισµού µε τις ίνες. Ο ενδεχόµενος ανεπαρκής εµποτισµός των ινών από την τσιµεντοειδή µήτρα εξισορροπείται από την χρήση πλέγµατος. Αξίζει να σηµειωθεί ότι η αντικατάσταση των υφασµάτων από πλέγµατα δεν λειτούργησε σε βάρος του ποσοστού των ινών εκείνων που θα αναλάµβαναν τις εγκάρσιες διογκώσεις των δοκιµίων (δηλαδή των ινών που είχαν διεύθυνση κάθετη στην αξονική διεύθυνση του δοκιµίου) γιατί κάτι τέτοιο θα καταπατούσε την αρχική ιδέα για ισοδύναµη σύγκριση των δύο συστηµάτων ενίσχυσης. Έτσι, για τα δοκίµια που ενισχύθηκαν µε πλέγµατα συνεχών ινών άνθρακα κατέστη αναγκαία η χρήση περισσοτέρων (τεσσάρων και έξι) στρώσεων σε σύγκριση µε εκείνα που ενισχύθηκαν µε υφάσµατα (δύο και τριών στρώσεων) διότι η ποσότητα των ινών του πλέγµατος στην 97

130 εγκάρσια διεύθυνση δεν ήταν ίση µε την ποσότητα των ινών του υφάσµατος (ανά τρέχον µέτρο). Ο αριθµός των στρώσεων προέκυψε από την κατά βάρος ισοδυναµία των ινών ανά διεύθυνση για τους δύο τύπους συνθέτων υλικών. Το βάρος των 2 στρώσεων υφάσµατος συνεχών ινών άνθρακα προέκυψε ως 2x300=600 gr/m 2 που είναι προσεγγιστικά ίσο µε το βάρος τεσσάρων στρώσεων πλέγµατος 4 =696 gr/m 2 κατά τη µία διεύθυνση (αφού η µία µας ενδιέφερε να ενεργοποιηθεί). Η γεωµετρική διάταξη των ινών και τα µηχανικά χαρακτηριστικά τους περιγράφονται αναλυτικά παρακάτω: Υφάσµατα (carbon fibre fabrics) Τα υφάσµατα συνεχών ινών αποτελούνται από ευθείς κλώνους (strands or tows) νηµατίων (filaments), µίας ή δύο διευθύνσεων, οι οποίοι δεν πλέκονται αλλά συγκρατούνται ενωµένοι µεταξύ τους µέσω ενός καννάβου οριζόντιων, κάθετων ή και διαγώνιων ινών πολυπροπυλενίου. Τα φύλλα που χρησιµοποιήθηκαν στην προκείµενη έρευνα είχαν την εµπορική ονοµασία Tyfo SCH-11UP fabric και αγοράστηκαν από την εταιρεία Fyfe Co.LLC. Το ύφασµα Tyfo SCH-11UP αποτελείται από παράλληλους και ίσιους κλώνους ινών άνθρακα οι οποίοι είναι κολληµένοι µεταξύ τους και σταθεροποιούνται µέσω ενός συστήµατος ινών πολυπροπυλενίου κατά την αξονική τους διεύθυνση (Εικόνα 5.4). Το ονοµαστικό πάχος του φύλλου είναι 0.17 mm. Στο εµπόριο διατίθεται σε µορφή ρόλου µε πλάτος 0.60m. Τα εγγυηµένα µηχανικά χαρακτηριστικά του Tyfo SCH-11UP καταγράφονται στον Πίνακα 5.4. Εικόνα 5.4 Ύφασµα ινών άνθρακα µίας διεύθυνσης (Tyfo SCH-11UP) που συνδυάστηκε µε εποξειδική ρητίνη για την ενίσχυση των δοκιµίων. 98

131 Πλέγµατα (close-meshed carbon fibre textiles) Τα πλέγµατα αποτελούνται από ευθείς κλώνους (bundles or yarns) νηµατίων (filaments) υφασµένους (woven) ή µη (unwoven) µεταξύ τους, σε τουλάχιστον δύο (τυπικά ορθογώνιες) διευθύνσεις. Η πυκνότητα του πλέγµατος που καθορίζεται από την ποσότητα (quantity) και το διάστηµα (spacing) µεταξύ των κλώνων (yarns) µπορεί να ρυθµίζεται ανεξαρτήτως διεύθυνσης πλέξης ανάλογα µε τα επιθυµητά µηχανικά χαρακτηριστικά του υφάσµατος και τον βαθµό εµποτισµού του κονιάµατος διαµέσου των βρόχων τους. Τα πλέγµατα (όπως άλλωστε και τα υφάσµατα) κατασκευάζονται σε µια τεράστια ποικιλία σχεδίων και µεγεθών ανάλογα µε το πεδίο εφαρµογής τους. Τα πλέγµατα ινών άνθρακα που χρησιµοποιήθηκαν στην εν λόγω έρευνα είχαν την εµπορική ονοµασία Panex 35 Carbon Fiber Tow και αγοράστηκαν από την εταιρεία Zoltek. Το Panex 35 Carbon Fiber Tow αποτελείται από κλώνους ινών (yarns) πλεγµένους ισόποσα σε δύο ορθογώνιες µεταξύ τους διευθύνσεις έτσι ώστε η ποσότητα των ινών στην διεύθυνση περιτύλιξης να αντιστοιχεί στο 50% του συνολικού βάρους του πλέγµατος. Η πλέξη τους συνίσταται αρχικά στην απλή τοποθέτηση των εγκαρσίων κλώνων πάνω στους διαµήκεις και στην διασύνδεσή τους µε ίνες πολυπροπυλενίου, στη συνέχεια. Η διασύνδεση αυτή επιτυγχάνεται µέσω πολύπλοκης (zig-zag στην µία όψη και παράλληλη στην άλλη) πλέξης και ταυτόχρονης επικόλλησης των ινών πολυπροπυλενίου στους κλώνους άνθρακα, στη µία µόνο διεύθυνση του πλέγµατος. Με αυτή την τεχνική σχεδιασµού πετυχαίνεται σταθεροποίηση των εγκαρσίων κλώνων µεταξύ τους αλλά και µε τους κλώνους της διαµήκους διεύθυνσης. Η γεωµετρική διάταξη των ινών του πλέγµατος φαίνεται στην Εικόνα 5.5. Κάθε κλώνος ινών έχει πλάτος 3 mm και καθαρό άνοιγµα µεταξύ των κλώνων 7 mm (Σχήµα 5.3). Το βάρος ανά µονάδα επιφάνειας των ινών άνθρακα στο πλέγµα δεν διατίθεται από τον προµηθευτή. Το ονοµαστικό πάχος µίας στρώσης του πλέγµατος (βασισµένο στην ισοζυγισµένη κατανοµή των ινών στο πλέγµα) είναι mm. Στο εµπόριο διατίθεται σε µορφή ρόλου µε πλάτος 1.30m. Τα εγγυηµένα µηχανικά χαρακτηριστικά του Panex 35 Carbon Fiber Tow καταγράφονται στον Πίνακα

132 7 mm 10 mm Σχήµα 5.3 Γεωµετρία πλέγµατος. Ίσο ποσοστό ινών και κατά τις δύο διευθύνσεις Εικόνα 5.5 Πλέγµα συνεχών ινών άνθρακα (Panex 35 Carbon Fiber Tow) που συνδυάστηκε ανόργανη µήτρα ενίσχυση των δοκιµίων. Ιδιότητα Μέτρο Ελαστικότητας (GPa) Εφελκυστική αντοχή (MPa) Πυκνότητα ίνας (gr/cm 3 ) Οριακή παραµόρφωση (%) Βάρος φύλλου (gr/ m 2 ) Ύφασµα Tyfo SCH-11UP Πλέγµα Panex 35 Carbon Fiber Tow Πίνακας 5.4 Μηχανικά χαρακτηριστικά υφασµάτων/πλεγµάτων που χρησιµοποιήθηκαν. 100

133 5.3.4 Συγκολλητικές ουσίες Εποξειδική ρητίνη Τη συνδετική ύλη µεταξύ των ινών άνθρακα του υφάσµατος Tyfo SCH- 11UP αποτέλεσε προϊόν της ίδιας εταιρείας µε την ονοµασία Tyfo S Epoxy. Η Tyfo S Epoxy είναι µία εποξειδική ρητίνη δύο συστατικών µε αναλογία τους στο µίγµα 4:1 κατά βάρος. Το ιξώδες της είναι τέτοιο που εξασφαλίζει την πλήρη διαβροχή των ινών του φύλλου µε την χρήση ενός απλού ρολού. Η θερµοκρασία στην οποία συνίσταται να εφαρµόζεται είναι από 4 έως 35 o C. Ο χρόνος εφαρµογής της στην δυσµενέστερη περίπτωση των 35 o C είναι 30 λεπτά και ο χρόνος εργασιµότητάς της στους 23 o C και υπό συνθήκες σχετικής υγρασίας 50% είναι 60 λεπτά. Τα µηχανικά χαρακτηριστικά της εποξειδικής ρητίνης όπως δίνονται από τον κατασκευαστή καταγράφονται στον Πίνακα 5.5. Ιδιότητα Μέτρο Ελαστικότητας (GPa) Εφελκυστική αντοχή (MPa) Καµπτική αντοχή (MPa) Μέτρο Ελαστικότητας στη δοκιµή κάµψης(gpa) Θερµοκρασία υαλώδους µετάπτωσης, Tg Εποξειδική ρητίνη Tyfo S Epoxy o C Πίνακας 5.5 Μηχανικά χαρακτηριστικά της εποξειδικής ρητίνης (Tyfo S Epoxy). 101

134 Κονίαµα ανόργανης µήτρας Το κονίαµα που επιλέχθηκε ως συγκολλητική ουσία µεταξύ των ινών τους πλέγµατος είναι ένα εξελισσόµενο και δοκιµαζόµενο προϊόν ελληνικής κατασκευής. Το κονίαµα αυτό είναι σε µορφή σκόνης και περιέχει τσιµέντο και πολυµερή σε αναλογία 10:1, κατά βάρος. Το % κ.β. ποσοστό νερού που προτείνει ο κατασκευαστής του για να εξασφαλιστεί καλή εργασιµότητα στη φάση της εφαρµογής και συνάφεια µε τις ίνες στη φάση της σκλήρυνσής του, είναι 18%. οκιµές µέτρησης της αντοχής του κονιάµατος Προκειµένου να προσδιοριστεί η εφελκυστική και θλιπτική αντοχή του κονιάµατος ελήφθησαν 4 πρισµατικά δοκίµια διατοµής 40x40x160 mm τα οποία µετά την πάροδο 28 ηµερών υποβλήθηκαν σε δοκιµές κάµψης και θλίψης µέσω της σερβοϋδραυλικής µηχανής MTS, σύµφωνα µε το ΕΝ (1993). Τα πρισµατικά αυτά δοκίµια προέκυψαν κατόπιν έγχυσης νωπού κονιάµατος σε όµοια µεταλλικά καλούπια και συντήρησής τους κάτω από τις ίδιες συνθήκες (ατµόσφαιρα δωµατίου) µε εκείνες των δοκιµίων στα οποία εφαρµόστηκαν. Οι ακριβείς διαστάσεις των δοκιµίων µετρήθηκαν µε ηλεκτρονικό µηκυνσιόµετρο και παρατίθενται στον Πίνακα 5.6. Σε ηλικία 28 ηµερών τα 4 δοκίµια υποβλήθηκαν σε δοκιµή κάµψης τριών σηµείων, φορτιζόµενα στο µέσον του ανοίγµατος των 100 mm (Σχήµα 5.4α, Εικόνα 5.6α). Ο ρυθµός επιβολής µετακίνησης από το έµβολο για τον προσδιορισµό της εφελκυστικής αντοχής του κονιάµατος ήταν 0.5 mm/min που αντιστοιχεί στον µέσο όρο του εύρους φόρτισης που συνιστάται από το Πρότυπο ΕΛΟΤ-739. Ο έλεγχος της φόρτισης καθώς και η καταγραφή της καµπύλης του φορτίου συναρτήσει της µετατόπισης έγινε µέσω λογισµικού ηλεκτρονικού υπολογιστή ο οποίος ήταν συνδεδεµένος µε την µηχανή επιβολής των µετατοπίσεων. Η καµπύλη του φορτίου της κεφαλής του κυλίνδρου (crosshead) µε τη µετατόπιση είχε την γνωστή γραµµικά ελαστική συµπεριφορά µέχρι αστοχίας. Η συµπεριφορά αυτή οφειλόταν στην σταδιακή ανάπτυξη µίας µόνης ρωγµής του µεσαίου ανοίγµατος του δοκιµίου που είχε σαν αποτέλεσµα το χωρισµό όλων των δοκιµίων σε 2 τµήµατα τα οποία χρησιµοποιήθηκαν στη συνέχεια της πειραµατικής διαδικασίας για την εύρεση των θλιπτικών αντοχών (Σχήµα 5.4β, Εικόνα 5.6β). Η προσαρµογή των επιµέρους τµηµάτων στη µηχανή θλίψης γινόταν µε την βοήθεια τετραγωνικών πλακών διαστάσεων 40 mm οι οποίες τοποθετούνταν ευθυγραµµισµένες στην άνω και κάτω πλευρά των δοκιµίων ώστε να επιτυγχάνεται οµοιόµορφη µεταφορά του φορτίου σε όλη την επιφάνεια των δοκιµίων που ήταν σε επαφή µε αυτές. Ο ρυθµός επιβολής της µετακίνησης για τον προσδιορισµό της θλιπτικής αντοχής από το έµβολο ήταν 0.2 mm/min. 102

135 Ο ρυθµός αυτός διατηρήθηκε σταθερός καθ όλη τη διάρκεια της δοκιµής και σε όλες τις δοκιµές. Τα αποτελέσµατα, τα οποία προέκυψαν από τις δοκιµές κάµψης και θλίψης, παρατίθενται στον Πίνακα 5.7. οκίµιο # Πλάτος (mm) Ύψος (mm) Πίνακας 5.6 ιαστάσεις διατοµής δοκιµίων κονιάµατος. Α Β 100mm (α) A A B 40mm 40mm Σχήµα 5.4 (α) οκιµή κάµψης τριών σηµείων του κονιάµατος της ανόργανης µήτρας (β) οκιµή θλίψης των επιµέρους θραυσµάτων. (β) 103

136 (α) (β) Εικόνα 5.6 (α) οκιµή κάµψης τριών σηµείων του κονιάµατος της ανόργανης µήτρας πριν και µετά την αστοχία (β) οκιµή θλίψης των επιµέρους θραυσµάτων. 104

137 Σήµανση δοκιµίου Καµπτικά Φορτία (Ν) Εφελκυστική Αντοχή (MPa) Θλιπτική ύναµη (Ν) Θλιπτική Αντοχή (MPa) N o N o N o N o Μέση τιµή Τυπική απόκλιση Πίνακας 5.7 Αποτελέσµατα δοκιµών κάµψης και θλίψης δοκιµίων ανόργανης µήτρας. οκιµή εξάπλωσης του κονιάµατος Εκτός από την επίτευξη υψηλής θλιπτικής και εφελκυστικής αντοχής ενός κονιάµατος, εξίσου σηµαντική είναι και η εξασφάλιση καλών ρεολογικών χαρακτηριστικών. Παράγοντες που θεωρούνται κρίσιµοι στην ειδική περίπτωση εµποτισµού ενός τσιµεντοειδούς κονιάµατος σε ένα ύφασµα ή σε ένα πλέγµα είναι η ρευστότητα και η σταθερότητα που αυτό πετυχαίνει µε τις ίνες. Όταν συνδυάζονται αρµονικά αυτές οι δύο ιδιότητες έχουν ως αποτέλεσµα α) την πλήρη διείσδυση της µήτρας στις ίνες η οποία κατ επέκταση οδηγεί στην βέλτιστη συνάφεια και β) την αύξηση της αντοχής του συστήµατος ενίσχυσης. Τόσο η έλλειψη ρευστότητας όσο και η έλλειψη σταθερότητας µπορούν να οδηγήσουν σε απόµιξη των συστατικών από τα οποία αποτελείται το κονίαµα µε αποτέλεσµα τον ανεπαρκή εµποτισµό των ινών στην περίπτωση του υφάσµατος ή των βρόχων του στην περίπτωση του πλέγµατος. 105

138 Για τους λόγους που προαναφέρθηκαν, µέρος του κονιάµατος που παρασκευάστηκε για την ενίσχυση των δοκιµίων υποβλήθηκε σε δοκιµή εξάπλωσης. Η δοκιµή πραγµατοποιήθηκε στην ειδική συσκευή Matest Flow Table Motorized (Εικόνα 5.7(α)) η οποία είναι σύµφωνη µε τις απαιτήσεις του προτύπου ASTM C230/C 230 M-98. Ο επίπεδος µεταλλικός δίσκος της συσκευής πάνω στον οποίο λαµβάνει χώρα η δοκιµή έχει τη δυνατότητα περιοδικής κίνησης µε ανύψωση κατά 12.7 mm και απότοµη πτώση. Παράλληλα, για την πραγµατοποίηση της δοκιµής διατίθεται µπρούτζινος κόλουρος κώνος ύψους 6 mm και εσωτερικής διαµέτρου 10 mm στη βάση του και 7 mm στην κορυφή του. Η δοκιµή εξάπλωσης έγινε σύµφωνα µε τις οδηγίες του προτύπου ASTM C1437/99. Αρχικά, µέρος του παρασκευασµένου κονιάµατος πλήρωσε τον µεταλλικό κώνο κατά το ήµισυ του ύψους του και συµπυκνώθηκε µε ράβδο διατοµής διαµέτρου 40 mm x 40 mm, µε δέκα ελαφρά χτυπήµατα. Στη συνέχεια συµπληρώθηκε και το υπόλοιπο µέρος και χτυπήθηκε µε παρόµοιο τρόπο (Εικόνα 5.7(β)). Το καλούπι µε το κονίαµα ήταν τοποθετηµένο πάνω στον επίπεδο µεταλλικό δίσκο της συσκευής που ονοµάζεται και δίσκος εξάπλωσης. Ο δίσκος αυτός έχει την δυνατότητα να πέφτει ελεύθερα κατά ορισµένο ύψος µεταδίδοντας την κρούση στη µάζα του κονιάµατος. Έπειτα ακολούθησε επιπέδωση της επιφάνειας (Εικόνα 5.8(α)) και µετά από διάστηµα ενός λεπτού η συσκευή τέθηκε σε λειτουργία ώστε ο µεταλλικός δίσκος της να κινηθεί παλινδροµικά κατακόρυφα 25 φορές. Η αρχικά κωνική µορφή της πάστας, µετά την εξάπλωσή της µετατράπηκε σχεδόν σε κυκλική και µετρήθηκαν τρεις διάµετροι (Εικόνα 5.8(β,γ)). Η µέση τιµή των διαµέτρων της µάζας του κονιάµατος, όπως αυτή διαµορφώνεται τελικά, ονοµάζεται µέτρο εξάπλωσης. Ανάλογα µε το µέτρο εξάπλωσης τα κονιάµατα κατατάσσονται σε πλαστικά και ρευστά. Τα αποτελέσµατα της δοκιµής για το κονίαµα ανόργανης µήτρας που χρησιµοποιήθηκε αναφέρονται στον Πίνακα 5.8. Από τον πίνακα φαίνεται ότι το κονίαµα έχει καλά ρεολογικά χαρακτηριστικά αφού συνδυάζει µέση ρευστότητα και πλαστικότητα. 106

139 (α) (β) Εικόνα 5.7 (α) Συσκευή Matest Flow Table Motorized (β) Πλήρωση της πρώτης στρώσης του κόλουρου κώνου και συµπύκνωση κονιάµατος. (α) 107

140 (β) (γ) Εικόνα 5.8 (α) Επιπέδωση της επιφάνειας του κόλουρου κώνου (β,γ) Το κονίαµα µετά την εξάπλωσή του-μέτρηση διαµέτρου του. ιάµετρος (mm) Μέσος όρος διαµέτρων (mm) Πίνακας 5.8 Αποτελέσµατα δοκιµής εξάπλωσης ανόργανης µήτρας. Αξίζει να σηµειωθεί ότι η επιφάνεια που προέκυψε µετά τη δοκιµή εξάπλωσης ήταν οµοιόµορφη και συνεκτική. Αν δεν συνέβαινε αυτό η µελέτη σύνθεσης του κονιάµατος θα θεωρείτο ακατάλληλη για τον εµποτισµό των ινών των υφασµάτων και πλεγµάτων. 5.4 ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΟΚΙΜΙΩΝ Κατασκευή δοκιµίων Για την κατασκευή των δοκιµίων αξιοποιήθηκαν 8 πρισµατικές µεταλλικές µήτρες τετραγωνικής διατοµής και διαστάσεων 250x250x800 mm που προϋπήρχαν στο εργαστήριο από παλαιότερες δοκιµές. Οι µεταλλικές αυτές µήτρες, αποτελούµενες από πέντε συναρµολογούµενες µεταξύ τους επιφάνειες, τροποποιήθηκαν κατάλληλα για τις ανάγκες του συγκεκριµένου 108

141 πειραµατικού προγράµµατος. Για την παρασκευή των επιθυµητών δοκιµίων διατοµής 200x200 mm και ύψους 380 mm απαιτήθηκαν τα εξής: Πλάκες σκληρυµένης πολυστερίνης πάχους 50 mm και ύψους 380 mm για την τοποθέτησή τους σε 2 κάθετες πλευρές των µεταλλικών µητρών µε στόχο τη µείωση της διατοµής τους Ξύλινα διαχωριστικά πάχους 40 mm για την τοποθέτησή τους ενδιαµέσως των µεταλλικών καλουπιών - στηριζόµενα πάνω στις πλάκες πολυστερίνης - µε στόχο τη διαίρεσή τους σε δύο επιµέρους καλούπια και την εξαγωγή 2 δοκιµίων επιθυµητού ύψους εξασφαλίζοντας ταυτόχρονα οικονοµία υλικών αλλά και χώρου εν θα πρέπει να λησµονηθεί το γεγονός ότι πριν τη σκυροδέτηση είχαν εξασφαλιστεί τεταρτοκύκλια πλαστικού σωλήνα διαµέτρου d=50 mm που προορίζονταν να κολληθούν στις γωνίες των µεταλλικών µητρών, µε στόχο την καµπύλωση των γωνιών της τετραγωνικής διατοµής των στοιχείων, ώστε να αποφευχθεί το ενδεχόµενο πρώιµης αστοχίας του σύνθετου µανδύα από συγκέντρωση τάσεων στις θέσεις αυτές. Με βάση αυτή τη διαχείριση των µεταλλικών µητρών η σκυροδέτηση πραγµατοποιήθηκε σε δύο φάσεις, καθεµιά από τις οποίες περιγράφεται λεπτοµερώς στην επόµενη ενότητα ιαδικασία σκυροδέτησης Η διαδικασία της σκυροδέτησης περιελάµβανε τα εξής βήµατα: 1. Με τη βοήθεια ηλεκτρικού δράπανου έγινε συναρµολόγηση 8 µεταλλικών µητρών και τοποθετήθηκαν σε δύο σειρές για την καλύτερη αξιοποίηση του διαθέσιµου χώρου (εργονοµία) (Εικόνα 5.9). 2. Τοποθετήθηκαν δύο πλάκες σκληρυµένης πολυστερίνης σε κάθετη µεταξύ τους διεύθυνση για την διασφάλιση της απαιτούµενης διατοµής. Για την σταθεροποίησή των πλακών δεν χρησιµοποιήθηκε κάποια συγκολλητική ουσία (Εικόνα 5.10). 3 Σε καθεµιά από τις τέσσερις γωνιές των µεταλλικών µητρών επικολλήθηκαν τεταρτοκύκλια πλαστικού σωλήνα ακτίνας r c =25 mm µε χρήση ειδικής σιλικόνης για την καµπύλωση των γωνιών της τετραγωνικής διατοµής των στοιχείων (Εικόνα 5.11). 4. Η διαθέσιµη εσωτερική επιφάνεια των µεταλλικών µητρών επαλείφθηκε µε ελαιώδες υγρό (λινέλαιο) ώστε να διευκολυνθεί η µετέπειτα αφαίρεση των δοκιµίων. 5. Τοποθετήθηκε η πρώτη σειρά µεταλλικών κλωβών αραιής και πυκνής γεωµετρικής διάταξης στους οποίους προηγουµένως είχαν προσαρµοστεί κατάλληλα πλαστικοί αποστατήρες για την εξασφάλιση επικάλυψης στον οπλισµό (c=25 mm) (Εικόνες ). 109

142 6. Παράλληλα µε την εκφόρτωση του νωπού σκυροδέµατος από τη µπετονιέρα στην αντλία γινόταν και η χύτευσή του από την αντλία στο εσωτερικό των µεταλλικών καλουπιών µέσω σωλήνα ο οποίος τοποθετούνταν κατακόρυφα και σε ύψος 1m περίπου από την επιφάνεια διάστρωσης. Η διάστρωση γινόταν σε µικρούς σωρούς του ίδιου περίπου πάχους κάθε ένας από τους οποίους συµπυκνωνόταν επαρκώς προτού διαστρωθεί ο επόµενος. Έτσι αποφεύχθηκε η απόµιξη των συστατικών του σκυροδέµατος και διαστρώθηκε και η τελευταία στρώση µέχρι το ύψος των πλακών πολυστερίνης µέσα σε αρκετά σύντοµο χρονικό διάστηµα (Εικόνες 5.17, 5.18). 7. Αµέσως µετά, αλλά και κατά τη διάρκεια της διάστρωσης της πρώτης σειράς δοκιµίων, η οποία εκτελέστηκε µε τον τρόπο που περιγράφηκε στο 6 ο βήµα, το σκυρόδεµα υποβλήθηκε σε δόνηση εσωτερικά και εξωτερικά, µε δονητή αλλά και µε κοπάνισµα των µεταλλικών καλουπιών (Εικόνα 5.19 α, β). Η δόνηση συντέλεσε στο να ελαττωθεί το ποσοστό των πόρων στη µάζα του σκυροδέµατος και να αποβληθεί ο αέρας που εγκλωβίστηκε κάτω από τις ράβδους οπλισµού και τους µεγάλους κόκκους αδρανών ή µεταξύ των κόκκων και των εσωτερικών τοιχωµάτων των µεταλλικών µητρών. Η αποτελεσµατικότητά της έγινε φανερή από το σχηµατισµό φυσαλίδων που ανήλθαν στην ελεύθερη επιφάνεια. Ο χειρισµός του δονητή γινόταν προσεκτικά ώστε να βυθίζεται κατακόρυφα στο σκυρόδεµα. 8. Στη συνέχεια, πάνω στην επιφάνεια κάθε δοκιµίου του οποίου το ύψος ήταν οριοθετηµένο από αυτό των πλακών πολυστερίνης, τοποθετήθηκε η ξύλινη τετραγωνική πλάκα. Για την ευχερή µεταφορά της πλάκας στο ενδιάµεσο του ύψους των µεταλλικών µητρών είχε καρφωθεί στο µέσον της ήλος. Η τοποθέτηση της πλάκας διευκόλυνε εκτός από τη διαίρεση των µεταλλικών καλουπιών και την επίτευξη του τελειώµατος της επιφάνειας. 9. Αποµακρύνθηκε ο χαλύβδινος ήλος από κάθε διαχωριστική πλάκα. 10. Έγινε καθαρισµός των ανώτερων, εσωτερικών, παράπλευρων επιφανειών των µεταλλικών µητρών που είχαν επικαλυφθεί από σκυρόδεµα, επειδή αυτό θα δυσχέραινε την τοποθέτηση των επόµενων πλακών πολυστερίνης και την επικόλληση των πλαστικών σωλήνων στις γωνιές. 11. Επαναλήφθηκαν τα βήµατα από 2 έως 7 για την δεύτερη σειρά δοκιµίων. Η διάστρωση και η δόνηση έγινε µε τον ίδιο ακριβώς τρόπο µέχρι την κάλυψη των µεταλλικών µητρών (Εικόνες 5.20 α, β, γ). 12. Μετά την ολοκλήρωση της δεύτερης φάσης σκυροδέτησης το τελείωµα επιτεύχθηκε µε τη χρήση µυστριού και ευθύγραµµης δοκού ορθογωνικής διατοµής µικρού µήκους. Η διεργασία αυτή βελτίωσε σηµαντικά στην εξοµάλυνση της επιφάνειας µε βύθιση των αδρανών που προεξείχαν και πλήρωση των µικροκοιλοτήτων (Εικόνα 5.21). 110

143 13. Η διαδικασία ολοκληρώθηκε µε την σκυροδέτηση και δόνηση των κυβικών δοκιµίων πλευράς 200 mm, για την µετέπειτα επαλήθευση της θλιπτικής αντοχής (Εικόνα 5.22). Εικόνα 5.9 Τοποθέτηση των 8 συναρµολογηµένων µεταλλικών µητρών σε δύο σειρές. Εικόνα 5.10 Τοποθέτηση πλακών σκληρυµένης πολυστερίνης (β φάση). Εικόνα 5.11 Τοποθέτηση τεταρτοκυκλίων πλαστικού σωλήνα ακτίνας r c =25mm µε χρήση ειδικής σιλικόνης για την καµπύλωση των γωνιών (β φάση). 111

144 (α) (β) Εικόνα 5.12 (α) Αραιή διάταξη κλωβών (β) Αγκύρωση συνδετήρων και διαµήκων ράβδων κατά 135 ο προς το εσωτερικό του κλωβού. (α) (β) Εικόνα 5.13 (α) Πυκνή διάταξη κλωβών (β) Αγκύρωση συνδετήρων και διαµήκων ράβδων κατά 135 ο προς το εσωτερικό του κλωβού. Εικόνα 5.14 Τοποθέτηση πλαστικών αποστατήρων στους µεταλλικούς κλωβούς αραιής διάταξης για την εξασφάλιση επικάλυψης στον οπλισµό (c=25 mm). 112

145 Εικόνα 5.15 Τοποθέτηση πλαστικών αποστατήρων στους µεταλλικούς κλωβούς πυκνής διάταξης για την εξασφάλιση επικάλυψης στον οπλισµό (c=25 mm). Εικόνα 5.16 Τοποθέτηση των µεταλλικών κλωβών µέσα στα καλούπια. 113

146 Εικόνα 5.17 Χύτευση του σκυροδέµατος (β φάση). Εικόνα 5.18 ιαδικασία σκυροδέτησης (α φάση). (α) (β) Εικόνα 5.19 όνηση του σκυροδέµατος (α) εσωτερικά και (β) εξωτερικά (α φάση). 114

147 (α) (β) (γ) Εικόνα 5.20 όνηση του σκυροδέµατος δεύτερης σειράς δοκιµίων (α) εσωτερικά (β) εξωτερικά (γ) µε κοπάνισµα (β φάση). 115

148 Εικόνα 5.21 Τελείωµα των επιφανειών των δοκιµίων (β φάση). Εικόνα 5.22 Σκυροδέτηση συµβατικών κύβων πλευράς 150 mm Συντήρηση- Αφαίρεση ξυλοτύπων Αµέσως µετά την τοποθέτηση του σκυροδέµατος στα καλούπια ακολούθησε η συντήρηση των δοκιµίων για την προστασία τους από την πρόωρη ξήρανση (λόγω ηλιακής ακτινοβολίας και ανέµου) και την διευκόλυνση των διαδικασιών ενυδάτωσης που απαιτούνται για την απόκτηση 116

149 αντοχής. Η συντήρηση περιορίστηκε στη διαβροχή µέχρι κορεσµού της επιφάνειας των δοκιµίων 3 φορές την ηµέρα και για διάστηµα 15 ηµερών, καθώς η επίτευξη υψηλής αντοχής σκυροδέµατος, αυτή καθεαυτή ξεφεύγει από τους στόχους της παρούσας διερεύνησης. Η αφαίρεση των ξυλοτύπων έγινε µετά 3-4 ηµέρες από την ηµέρα της σκυροδέτησης Προεργασία επιφάνειας δοκιµίων Μετά την παρέλευση 7 ηµερών από την ηµέρα της σκυροδέτησης, ακολούθησε η προεργασία και η προετοιµασία των επιφανειών των δοκιµίων, στις οποίες θα εφαρµόζονταν τα υφάσµατα ή τα πλέγµατα. Η επεξεργασία των παράπλευρων επιφανειών έγινε σύµφωνα µε τις οδηγίες της fib (2001) και των παρασκευαστών υλικών, µε εκτράχυνσή τους µε µηχανικό τρόπο (ηλεκτρικό τριβείο) µέχρι αποµακρύνσεως του επιφανειακού τσιµεντοπολτού και αποκαλύψεως των αδρανών (Εικόνα 5.23). Με τον τρόπο αυτό αξιοποιήθηκε στο µέγιστο βαθµό η ποιότητα του σκυροδέµατος που θα ερχόταν σε επαφή µε το σύστηµα ενίσχυσης ενώ παράλληλα θα βελτιωνόταν η πρόσφυση του σκυροδέµατος µε την επίστρωση της εποξειδικής ρητίνης ή της ανόργανης µήτρας. Στη συνέχεια, και εφόσον οι παράπλευρες επιφάνειες είχαν εκτραχυνθεί πλήρως, πραγµατοποιήθηκε στρογγύλεµα των κρισίµων περιοχών των ακµών των δοκιµίων πάλι µε χρήση ηλεκτρικού τριβείου χειρός µε σκοπό όχι µόνο τη βελτίωση των συνθηκών συνάφειας αλλά και την εξοµάλυνση της επιφάνειάς από ενδεχόµενες ατέλειες που είχαν δηµιουργηθεί λόγω του πάχους των πλαστικών τεταρτοκυκλίων (Εικόνα 5.24). Στο τέλος της διαδικασίας, τα δοκίµια καθαρίζονταν αρχικά µε αέρα προκειµένου να αποµακρυνθούν από την επιφάνειά τους, η σκόνη και τα σωµατίδια που προέρχονταν από το σκυρόδεµα κατά τη διεργασία της εκτράχυνσης των επιφανειών και της εξοµάλυνσης των γωνιών. Ο τελικός καθαρισµός των δοκιµίων έγινε µε διαβροχή τους µε νερό υπό πίεση. Οι άνω ή/και κάτω επιφάνειες κάποιων δοκιµίων όπως προέκυψαν από τη σκυροδέτηση δεν ήταν αρκετά επίπεδες και λείες ώστε να υπάρξει πλήρης επαφή τους µε τις πλάκες φόρτισης στη µηχανή θλίψης. Η ύπαρξη προεξοχών και µικροκοιλοτήτων λόγω του ατελούς τελειώµατος θα επέφερε ανοµοιόµορφη συγκέντρωση θλιπτικών τάσεων στην επιφάνεια που θα είχε ανεπιθύµητες επιρροές στα τελικά αποτελέσµατα. Το πρόβληµα επιλύθηκε µε αδιατάρακτη διαµαντοκοπή µιας λεπτής, επιφανειακής φέτας πάχους περίπου 20 mm των δοκιµίων (Εικόνα 5.25). 117

150 Εικόνα 5.23 Εκτράχυνση των πλευρικών επιφανειών σκυροδέµατος των δοκιµίων. Εικόνα 5.24 Εκτράχυνση και βελτίωση των καµπυλωµένων ακµών των δοκιµίων. 118

151 Εικόνα 5.25 Κοπή δοκιµίων για εξασφάλιση επιπεδότητας και λείανσης Ενίσχυση δοκιµίων Μετά την ολοκλήρωση της προετοιµασίας των επιφανειών των δοκιµίων (εκτράχυνση, στρογγύλεµα, κοπή), το επόµενο στάδιο αποτέλεσε η ενίσχυση των δοκιµίων µε σύνθετα υλικά. Παρακάτω περιγράφονται ξεχωριστά οι δύο διαδικασίες ενίσχυσης που εφαρµόστηκαν. οκίµια περισφιγµένα µε υφάσµατα ινών εµποτισµένων σε εποξειδική ρητίνη. Από το σύνολο των 15 δοκιµίων του πειραµατικού προγράµµατος τα έξι ήταν εκείνα που ενισχύθηκαν µε ινοπλισµένα πολυµερή µε σκοπό τον έλεγχο της αποτελεσµατικότητας της περίσφιγξης σε σχέση µε τα δοκίµια µάρτυρες αλλά και για την σύγκρισή τους µε τα αντίστοιχα δοκίµια που ενισχύθηκαν µε σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας. Στον Πίνακα 5.9 δίδεται η σήµανση των δοκιµίων που ενισχύθηκαν µε ινοπλισµένα πολυµερή καθώς και η στήλη µε τα ύψη των δοκιµίων που προέκυψαν µετά την κοπή. Η τεχνική ενίσχυσης µε ινοπλισµένα πολυµερή περιελάµβανε αρχικά την προετοιµασία της επιφάνειας µε τον τρόπο που περιγράφηκε στην προηγούµενη ενότητα, δίνοντας ιδιαίτερη µέριµνα στον σχολαστικό καθαρισµό των παράπλευρων επιφανειών των δοκιµίων από σωµατίδια σκόνης τα οποία θα καθιστούσαν την πρόσφυση του υφάσµατος µε το υπόστρωµα προβληµατική. Στη συνέχεια, έγινε η κοπή των υφασµάτων στο κατάλληλο µήκος, ώστε να καλύπτεται δύο ή τρεις κατά περίπτωση φορές η περίµετρος των δοκιµίων, εξασφαλίζοντας επιπροσθέτως, ένα µήκος 119

152 υπερκάλυψης της τάξεως των 12 cm. Παράλληλα, έγινε και η κοπή των υφασµάτων στο κατάλληλο ύψος αφήνοντας ένα περιθώριο 2 cm πάνω και κάτω από τα δοκίµια ώστε να µην έρθει σε επαφή ο µανδύας µε τις πλάκες φόρτισης κατά την υποβολή τους σε άµεση θλιπτική καταπόνηση (Εικόνα 5.26). Αµέσως µετά την κοπή των υφασµάτων έγινε το ξεδίπλωµα και τέντωµά τους πάνω σε πλαστικό νάϋλον επί του δαπέδου του Εργαστηρίου ώστε να είναι δυνατή η οµοιόµορφη εφαρµογή εποξειδικής ρητίνης. Μετά την ανάµιξη της ρητίνης µε τον σκληρυντή (σε χαµηλές στροφές αρχικά, µέχρι την οµογενοποίηση του µίγµατος και σε µεγαλύτερες, αργότερα) µε τη βοήθεια του αναµικτήρα (Εικόνα 5.27), εφαρµόστηκε µία στρώση στην µία µόνο επιφάνεια του εκτυλιγµένου υφάσµατος µέσω πλαστικού ρολού, όπως φαίνεται στην Εικόνα Ικανή ποσότητα ρητίνης εφαρµόστηκε και στην επιφάνεια του δοκιµίου φροντίζοντας κυρίως να εµποτιστούν πιθανές ανεπιθύµητες κοιλότητες στις οποίες η πρόσφυση του υποστρώµατος µε το ύφασµα θα ήταν ανεπαρκής (Εικόνα 5.29). Η ενίσχυση έγινε µε επικόλληση του υφάσµατος στις παράπλευρες επιφάνειες του δοκιµίου και σε διεύθυνση εγκάρσια στο διαµήκη άξονά του. Μαζί µε την περιτύλιξη του υφάσµατος γινόταν οµοιόµορφη επάλειψη της ρητίνης σε αυτό, που επιτυγχανόταν µέσω πλαστικού ρολού. Σηµειώνεται ότι η επίστρωση της κόλλας µε το ρολό πάνω στην επιφάνεια του υφάσµατος ακολουθούσε τη φορά περιτύλιξης έτσι ώστε οι ίνες να ευθυγραµµίζονται και να τεντώνονται στον συγκεκριµένο προσανατολισµό. Για την αγκύρωση του υφάσµατος χρησιµοποιήθηκε µήκος υπερκάλυψης ίσο περίπου µε το µισό της µεγαλύτερης πλευράς του δοκιµίου. Στο τέλος και αφού η τοποθέτηση του υφάσµατος είχε ολοκληρωθεί, ένα τελευταίο στρώµα ρητίνης εφαρµόζονταν πάλι µέσω πλαστικού ρολού µε ελαφριά πίεση, προκειµένου να επιτευχθεί η οµοιόµορφη διάστρωση µαζί µε τον πλήρη εµποτισµό των υφασµάτων. Μερικά από τα στάδια περιτύλιξης του υφάσµατος παρουσιάζονται στην Εικόνα Σήµανση δοκιµίων οργανικής µήτρας Ύψος Η (cm) R2_U 36.3 R3_U 38 R2_ S20 38 R3_ S R2_ S R3_ S Πίνακας 5.9 Ύψη δοκιµίων που περισφίχθηκαν µε σύνθετα υλικά οργανικής µήτρας. 120

153 Εικόνα 5.26 Κοπή των υφασµάτων στις απαιτούµενες διαστάσεις µήκους και πλάτους. Εικόνα 5.27 Ανάµιξη της ρητίνης δύο συστατικών Tyfo S Epoxy. 121

154 Εικόνα 5.28 Εφαρµογή µίας στρώσης ρητίνης στην επιφάνεια του εκτυλιγµένου υφάσµατος µε τη βοήθεια πλαστικού ρολού. Εικόνα 5.29 Επίστρωση του δοκιµίου µε µία στρώση ρητίνης. 122

155 (α) (β) (γ) (δ) Εικόνα 5.30 Στάδια περιτύλιξης του υφάσµατος (α) Έναρξη περιτύλιξης (β) Τέντωµα του υφάσµατος (γ) Εφαρµογή πίεσης µέσω πλαστικού ρολού για οµοιόµορφη διάστρωση και πλήρη εµποτισµό των ινών (δ) Υπερκάλυψη του υφάσµατος µε ρητίνη. οκίµια περισφιγµένα µε πλέγµατα ινών εµποτισµένων µε κονίαµα ανόργανης µήτρας Τα δοκίµια που ενισχύθηκαν µε πλέγµα ανόργανης µήτρας ήταν ισάριθµα και όµοια ως προς τη γεωµετρία όπλισης, µε εκείνα που ενισχύθηκαν µε ινοπλισµένα πολυµερή. Στον Πίνακα 5.10 δίδεται η σήµανση των δοκιµίων αυτών καθώς και η στήλη µε τα ύψη τους όπως προέκυψαν µετά την κοπή των ανώµαλων ελεύθερων επιφανειών τους. 123

156 Το πλέγµα κόπηκε σε λωρίδες τέτοιου µήκους που εκτιµήθηκε σύµφωνα µε τον απαιτούµενο αριθµό στρώσεων συν το µήκος υπερκάλυψης και πλάτους ίσου µε το ύψος των δοκιµίων αφαιρώντας 2 cm από την άνω και κάτω επιφάνειά τους ώστε το σύστηµα ενίσχυσης να µην έρθει σε επαφή µε τις άκαµπτες πλάκες της µηχανής θλίψης (Εικόνα 5.31). Η προετοιµασία της επιφάνειας των δοκιµίων πριν την ενίσχυση, ήταν ίδια µε εκείνη που περιγράφηκε στην ενότητα µε τη διαφορά ότι είχε διαβραχεί ελαφρώς µε νερό για την επιτάχυνση της διαδικασίας ενυδάτωσης του κονιάµατος που επρόκειτο να τοποθετηθεί πάνω στο σκυρόδεµα. Στην αρχή τοποθετήθηκε µία στρώση τσιµεντοκονιάµατος σε όλες τις παράπλευρες επιφάνειες και τις ακµές του δοκιµίου προκειµένου να χρησιµεύσει ως υπόστρωµα υποδοχής για το πλέγµα (Εικόνα 5.32). Στη συνέχεια έγινε η περιτύλιξη του πλέγµατος µε τον ίδιο περίπου τρόπο µε εκείνον που εφαρµόστηκε στα δοκίµια των συνθέτων υλικών µε ρητίνη, µε µόνη διαφορά ότι η διάστρωση και το τελείωµα της επιφάνειας γίνονταν µε σπάτουλα και όχι µε ρολό. Σε κάθε περιστροφή το πλέγµα τεντωνόταν προκειµένου να µην δηµιουργούνται θύλακες συγκέντρωσης τάσεων λόγω ύπαρξης πτυχώσεων. Ιδιαίτερη µέριµνα δόθηκε στον πλήρη και οµοιόµορφο εµποτισµό των ινών του πλέγµατος από το κονίαµα. Αυτό επιτεύχθηκε µε την άσκηση πίεσης µε τρόπο ώστε το κονίαµα να εξέρχεται από τις βροχίδες του πλέγµατος, χωρίς όµως να αποστερεί την ικανότητα ενσωµάτωσης της προηγούµενης στρώσης µέσα στο κονίαµα, γεγονός που θα µπορούσε να οδηγήσει σε σχετική ολίσθηση των επάλληλων στρώσεων κατά τη φόρτιση. Το µήκος υπερκάλυψης ήταν και πάλι ίσο µε τη µισή διάσταση της µέγιστης πλευράς. Μετά το πέρας της περίσφιγξης τοποθετήθηκε µία τελευταία στρώση τσιµεντοκονιάµατος µε τον ίδιο τρόπο όπως έγινε και στη περίπτωση της ρητίνης. Στις Εικόνες φαίνονται δοκίµια κατά τη διάρκεια ενίσχυσης µε πλέγµατα ινών άνθρακα. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η επίτευξη της βέλτιστης πρόσφυσης αλλά κυρίως του εµποτισµού των ινών άνθρακα από τη µήτρα ήταν πιο δύσκολη λόγω της φύσης του υλικού, στην περίπτωση αυτή. Το κονίαµα ήταν πιο παχύρρευστο υλικό απ ό,τι η ρητίνη και συνεπώς όχι τόσο εργάσιµο ώστε να µπορέσει να διεισδύσει και να σταθεροποιηθεί µέσα στις ίνες. Θετική όµως ήταν η συµβολή των βροχίδων στην σταθεροποίηση του κονιάµατος η οποία αποτέλεσε και το λόγο αντικατάστασης του υφάσµατος από το πλέγµα. 124

157 Σήµανση δοκιµίων οργανικής µήτρας Ύψος Η (cm) M4_U 38 M6_U 38.3 M4_ S20 37 M6_ S M4_ S M6_ S10 38 Πίνακας 5.10 Ύψη δοκιµίων που περισφίχθηκαν µε σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας. Εικόνα 5.31 Κοπή των πλεγµάτων στις απαιτούµενες διαστάσεις. 125

158 Εικόνα 5.32 Επίστρωση τσιµεντοκονιάµατος σε όλες τις παράπλευρες επιφάνειες και ακµές του δοκιµίου µε τη βοήθεια σπάτουλας. (α) (β) Εικόνα 5.33 (α) Αρχική τοποθέτηση του πλέγµατος πάνω στην επίστρωση του κονιάµατος (β) Άσκηση πίεσης για την ενσωµάτωση του πλέγµατος στο κονίαµα. 126

159 (α) (β) Εικόνα 5.34 (α) Τέντωµα και ευθυγράµµιση του πλέγµατος στο δοκίµιο (β) ιάστρωση επιπρόσθετης ποσότητας κονιάµατος για την συγκόλληση της επόµενης στρώσης. (α) (β) Εικόνα 5.35 (α) Επιφάνεια µετά την ολοκλήρωση οµοιόµορφου εµποτισµού των ινών του πλέγµατος (β) Άσκηση πίεσης στις κρίσιµες περιοχές των ακµών. 127

160 (α) (β) Εικόνα 5.36 (α) Κοπή του πλεονάζοντος πλέγµατος στην περιοχή υπερκάλυψης (β) Το δοκίµιο µετά την ολοκλήρωση της ενίσχυσης. 5.5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑΤΑΞΗ Εισαγωγή Οι δοκιµές θλίψης των 12 δοκιµίων που προέκυψαν µετά την ενίσχυση και των τριών απερίσφιγκτων δοκιµίων-ελέγχου διεξήχθησαν στην µηχανή θλίψης Form+Test ALPHA η οποία είναι εγκατεστηµένη στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του Τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών (Εικόνα 5.38). Η µηχανή διαθέτει δυναµικότητα 4000 kn ενώ το έµβολό της έχει δυνατότητα ανύψωσης 10 cm. Όλες οι δοκιµές θλίψης έγιναν µονοτονικά, κάτω από συνθήκες ελεγχοµένων µετατοπίσεων και µε ρυθµό φόρτισης τα 0.5 mm/min. Ο σταθµός καταγραφής της µηχανής Form+Test ALPHA αποτελείται από ηλεκτρονικά εξαρτήµατα καταγραφής επιβαλλόµενου φορτίου και µετατόπισης. Συγκεκριµένα ένας αισθητήρας πίεσης (pressure transducer) καταγράφει το επιβαλλόµενο φορτίο ενώ αρκετά ηλεκτρικά LVDTs καταγράφουν την µετατόπιση του δοκιµίου. Όλα τα παραπάνω δεδοµένα µεταφέρονται µε τη µορφή αναλογικού ηλεκτρικού σήµατος σε µία διάταξη µετατροπής από αναλογικό σε ψηφιακό σήµα, το οποίο στη συνέχεια επεξεργάζεται από έναν Η/Υ µέσω ενός λογισµικού καταγραφής ψηφιακού σήµατος (Proteus) και αποθηκεύεται σε αρχεία κειµένου (text files,*.txt). 128

161 5.5.2 Το λογισµικό Proteus Το λογισµικό Proteus είναι ένα λογισµικό καταγραφής ψηφιακού σήµατος. Η πλατφόρµα χειρισµού του είναι τέτοια που δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη να καταγράψει το επιβαλλόµενο φορτίο και την µετατόπιση του δοκιµίου, λαµβάνοντας δεδοµένα ανά συγκεκριµένο χρονικό διάστηµα. Στην Εικόνα 5.37 παρουσιάζεται η πλατφόρµα καταγραφής των δεδοµένων του συγκεκριµένου προγράµµατος. Το λογισµικό παρέχει τη δυνατότητα ορισµού του φορτίου από το οποίο να ξεκινάει η καταγραφή των δεδοµένων. Πριν την έναρξη κάθε δοκιµής απαιτείται ο µηδενισµός των εσωτερικών LVDTs. Μέσα σε πραγµατικό χρόνο το πρόγραµµα επεξεργάζεται τα εισερχόµενα δεδοµένα και αποδίδει την καµπύλη φορτίου-µετατόπισης, κατά τη διάρκεια της δοκιµής. Εικόνα 5.37 Η πλατφόρµα εργασίας Proteus. 129

162 5.5.3 Περιγραφή της Form+Test ALPHA Η εν λόγω µηχανή αποτελείται από µία σταθερή αρθρωτή κεφαλή η οποία χρησιµεύει στην επίτευξη κεντρικής θλίψης ακόµη και σε περίπτωση µη οριζόντιας άνω επιφάνειας του δοκιµίου. Μεταξύ της πλάκας έδρασης των δοκιµίων και του εµβόλου της µηχανής παρεµβάλλονται τετραγωνικές πλάκες που καλύπτουν ένα ύψος 75 cm περίπου και χρησιµοποιούνται για τη ρύθµιση του ύψους των δοκιµίων, κατά περίπτωση, ώστε να ελαχιστοποιείται η διαδροµή του εµβόλου (Εικόνα 5.38). Η µηχανή παρέχει τη δυνατότητα προκαθορισµένης προφόρτισης των δοκιµίων µέχρι τη στιγµή που η επιφάνειά τους έρθει σε πλήρη επαφή µε την πλάκα της κεφαλής, χωρίς να επηρεάζει τα αποτελέσµατα της µετέπειτα δοκιµής. Αξίζει να σηµειωθεί ότι στο παρόν πειραµατικό πρόγραµµα τα δοκίµια που υποβλήθηκαν στη µηχανή δεν χρειάστηκε να υποστούν προφόρτιση καθώς οι επιφάνειές τους ήταν εντελώς επίπεδες λόγω της κοπής. Σταθερή αρθρωτή κεφαλή Έµβολο Εικόνα 5.38 Η µηχανή θλίψης Form+Test ALPHA

163 5.5.4 Περιγραφή του βελοµέτρου Για την αξιόπιστη µέτρηση των αξονικών µετατοπίσεων των δοκιµίων κατά τη διάρκεια της φόρτισης, πέρα από την καταγραφή της κίνησης του εσωτερικού LVDT (Linear Variable Differential Transducer) του εµβόλου χρησιµοποιήθηκε και εξωτερικό όργανο µέτρησης των µετατοπίσεων που ονοµάζεται βελόµετρο. Το βελόµετρο είναι πρακτικά ένα µηκυνσιόµετρο µεταβολών και όχι απολύτων τιµών. Το όργανο αυτό χρησιµεύει στην µέτρηση της κατακόρυφης µετατόπισης µεταξύ δύο σηµείων του δοκιµίου µε τα οποία έρχονται σε επαφή οι ακίδες του βελοµέτρου χωρίς να είναι δυνατή η µόνιµη στερέωσή τους πάνω στο δοκίµιο. Οι καταγραφές που προέκυψαν από τις ενδείξεις του βελοµέτρου κρίθηκαν περισσότερο αντιπροσωπευτικές για την κλίση του αρχικού (ευθύγραµµου) τµήµατος των διαγραµµάτων τάσεων παραµορφώσεων που κατασκευάστηκαν, µετά το τέλος των δοκιµών. Το βελόµετρο που χρησιµοποιήθηκε κατά την διεξαγωγή των δοκιµών θλίψης ήταν αναλογικό µε την ονοµασία Rambold και είχε τη δυνατότητα µέτρησης των βραχύνσεων ή επιµηκύνσεων που συνέβαιναν µεταξύ δύο σηµείων της επιφάνειας των δοκιµίων, µε ακρίβεια της τάξης των mm. Επίσης, συνοδευόταν από πούλιες κατάλληλα διαµορφωµένης επιφάνειας, που επικολλούνταν πάνω στα δοκίµια, ώστε να είναι δυνατή η σταθεροποίηση των ακίδων του σε αυτά. Με τον τρόπο αυτό αποφεύγονταν και οι πιθανότητες πραγµατοποίησης συστηµατικών λαθών. Το βελόµετρο είναι µία διάταξη που αποτελείται από: Ένα σταθερό στέλεχος που λειτουργεί και σαν υποδοχέας προέκτασης σε περιπτώσεις που απαιτείται µεγαλύτερο µήκος. Το στέλεχος αυτό είναι στερεωµένο µέσω µιας µεταλλικής ράβδου σύσφιγξης στο µέσον του κυρίως σώµατος του οργάνου. Το ελεύθερο άκρο του στελέχους καταλήγει σε βιδωτή βάση που στην άκρη της και σε εγκάρσια διεύθυνση φέρει χαλύβδινη ακίδα. Η ακίδα χρησιµεύει για την επαφή της στο µέσο των πουλιών οι οποίες επικολλούνται στην επιφάνεια των δοκιµίων µεταξύ των οποίων είναι επιθυµητή η µέτρηση. Το κυρίως όργανο, το οποίο αποτελείται από έναν ωρολογιακό µηχανισµό στο µέσον του οποίου διέρχεται ένας µεταλλικός στύλος. Το πάνω άκρο του στύλου είναι ελεύθερο να κινείται ανάλογα µε το κάτω άκρο του που εφάπτεται µε µία βάση η οποία παρακολουθεί της κινήσεις της ακίδας. Ο µηχανισµός δίδει σαν ένδειξη την κατακόρυφη µετατόπιση του µεταλλικού στύλου πολλαπλασιασµένη µε έναν συντελεστή ώστε να µπορούν να µετρηθούν πολύ µικρές µετατοπίσεις. Η στεφάνη µε τις ενδείξεις δεν είναι σταθερή αλλά παρέχει την δυνατότητα µηδενισµού της ένδειξης του βελοµέτρου ανάλογα µε 131

164 τη µετατόπιση που βολεύει. Η όλη διάταξη µαζί µε τα επιµέρους στοιχεία της φαίνεται στην Εικόνα Πριν την τοποθέτηση κάθε δοκιµίου στην µηχανή θλίψης, σε µία από τις πλευρικές επιφάνειές του επικολλούνταν δύο πούλιες, µέσω ισχυρής κόλλας σε κατακόρυφη µεταξύ τους απόσταση 20.3 cm. Συγκεκριµένα, οι πούλιες τοποθετούνταν σε τέτοια διάταξη ώστε να βρίσκονται στο µέσον του πλάτους της επιφάνειας των δοκιµίων και εκατέρωθεν του µέσου του ύψους τους, ήτοι η µία σε απόσταση cm πάνω από το µέσο του ύψους και η άλλη σε απόσταση cm κάτω από το µέσο του ύψους. Στη συνέχεια, το δοκίµιο τοποθετούνταν πάνω στην πλάκα έδρασης και η µηχανή θλίψης ετίθετο σε λειτουργία. Η χρήση του βελοµέτρου προϋπόθετε την ύπαρξη 2 ατόµων, ενός που θα φρόντιζε να διατηρεί σε επαφή τις ακίδες του βελοµέτρου µε τις πούλιες του δοκιµίου (Εικόνα 5.40) και θα πρόφερε τις ενδείξεις του και ενός άλλου το οποίο θα κατέγραφε τις τιµές των ενδείξεων από το βελόµετρο και θα τις αντιστοίχιζε στις τιµές των φορτίων που παρατηρούσε από τη µηχανή θλίψης. Για λόγους συγχρονισµού η ανάγνωση των τιµών του βελοµέτρου γινόταν ανά 20µm, οπότε η καταγραφή των τιµών των δύο παρατηρητών γινόταν µε φυσιολογικό ρυθµό. (α) (β) (γ) Εικόνα 5.39 (α) Βελόµετρο (β) Προεκτάσεις βελοµέτρου (γ) πούλιες. 132

165 Εικόνα 5.40 Μέτρηση της κατακόρυφης µετατόπισης µεταξύ δύο σηµείων του δοκιµίου µε τη βοήθεια του βελοµέτρου. 133

166 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα των πειραµάτων όλων των δοκιµίων που συµµετείχαν στο πειραµατικό πρόγραµµα προκειµένου να διερευνηθούν τα εξής: α) η επίδραση που έχει στις µορφές αστοχίας των υποστυλωµάτων η περίσφιγξή τους µε µανδύες συνθέτων υλικών και β) η ποιοτική και ποσοτική εκτίµηση της συνεισφοράς του µανδύα στη συνολική απόκριση. Οι παράµετροι που εξετάζονται στα αποτελέσµατα των πειραµάτων είναι: 1) το υλικό της µήτρας που χρησιµοποιήθηκε για τον εµποτισµό των συνθέτων υλικών (εποξειδική ρητίνη ή ανόργανη µήτρα µε τη µορφή τσιµεντοκονιάµατος που περιέχει πολυµερή) 2) ο αριθµός των στρώσεων του σύνθετου υλικού (2 και 3 στρώσεις υφάσµατος ινών άνθρακα µίας διεύθυνσης για το σύστηµα ινοπλισµένων πολυµερών και 4 και 6 στρώσεις πλέγµατος συνεχών ινών για το σύστηµα ανόργανης µήτρας, αντίστοιχα) και 3) η γεωµετρική διάταξη του εγκάρσιου οπλισµού των δοκιµίων (Αραιή και πυκνή διάταξη συνδετήρων). Για λόγους οργάνωσης, το κεφάλαιο είναι χωρισµένο σε δύο ενότητες καθεµία από τις οποίες καλύπτει ξεχωριστά θέµατα. Η πρώτη ενότητα, η οποία καταλαµβάνει και το µεγαλύτερο όγκο του κεφαλαίου παρουσιάζει τα αποτελέσµατα όλων των δοκιµίων που συµµετείχαν στην παρούσα πειραµατική διερεύνηση, µε βάση τις οµάδες στις οποίες κατατάχθηκαν τα δοκίµια ανάλογα µε τη γεωµετρία όπλισης (Οµάδες 1, 2 και 3). Έτσι, η πρώτη υποενότητα παρουσιάζει τα αποτελέσµατα των άοπλων δοκιµίων, η δεύτερη, τα αποτελέσµατα των δοκιµίων µε αραιή διάταξη εγκαρσίου οπλισµού και η τρίτη, τα αποτελέσµατα των δοκιµίων µε πυκνή διάταξη εγκαρσίου οπλισµού. Η ενότητα περιγράφει τους τρόπους αστοχίας των δοκιµίων µε φωτογραφικό υλικό, τις καµπύλες τάσεων-παραµορφώσεων καθώς επίσης τη µέγιστη αντοχή, και τις παραµορφώσεις αντοχής και αστοχίας τους. Ακολουθεί η δεύτερη ενότητα που είναι αφιερωµένη στη σύγκριση των αποτελεσµάτων των δοκιµίων ανάλογα µε α) τις οµάδες στις οποίες κατατάχθηκαν τα δοκίµια λόγω της γεωµετρίας όπλισης (Οµάδες 1, 2 και 3) και µε β) το είδος της µήτρας και τον αριθµό των στρώσεων των συνθέτων υλικών (Οµάδες α, β, γ, δ και ε). ηλαδή, απερίσφιγκτα δοκίµια-ελέγχου, δοκίµια ενισχυµένα µε 2 στρώσεις υφασµάτων ινών άνθρακα εµποτισµένων µε εποξειδική ρητίνη, δοκίµια ενισχυµένα µε 3 στρώσεις υφασµάτων ινών άνθρακα εµποτισµένων µε εποξειδική ρητίνη, δοκίµια ενισχυµένα µε 4 134

167 στρώσεις πλεγµάτων ινών άνθρακα εµποτισµένων µε ανόργανη µήτρα και δοκίµια ενισχυµένα µε 6 στρώσεις πλεγµάτων ινών άνθρακα εµποτισµένων µε ανόργανη µήτρα. Η κατηγοριοποίηση αυτή έγινε προκειµένου τα αποτελέσµατα να µπορούν να είναι συγκρίσιµα σε σχέση µε τις παραµέτρους που εξετάζονται κάθε φορά. Επιπλέον παρουσιάζονται πίνακες συγκεντρωτικών αποτελεσµάτων, στους οποίους γίνονται συγκρίσεις των οµάδων δοκιµίων που εκτέθηκαν ανωτέρω, µε τα αντίστοιχα δοκίµια ελέγχου τους. Ιδιαίτερη προσοχή έχει δοθεί στη σύγκριση των δεικτών αποτελεσµατικότητας της περίσφιξης, σε όρους αντοχής και οριακής παραµόρφωσης. 6.2 ΟΜΑ Α 1- ΑΟΠΛΑ ΟΚΙΜΙΑ ( C_U, R2_U, R3_U, M4_U, M6_U) Η Οµάδα δοκιµίων 1 περιελάµβανε πέντε δοκίµια χωρίς εσωτερικό οπλισµό εκ των οποίων τα δύο ενισχύθηκαν µε 2 και 3 στρώσεις υφασµάτων ινών άνθρακα µίας διεύθυνσης-ud εµποτισµένων µε εποξειδική ρητίνη, τα άλλα δύο µε 4 και 6 στρώσεις πλεγµάτων συνεχών ινών άνθρακα εµποτισµένων µε ανόργανη µήτρα ενώ το τελευταίο παρέµεινε απερίσφιγκτο προκειµένου να χρησιµοποιηθεί ως αναφορά για τη σύγκριση της αποτελεσµατικότητας της περίσφιγξης των τεσσάρων υπόλοιπων δοκιµίων που εξετάζονται. Τα πέντε δοκίµια ελέγχου, όπως έχει ήδη αναφερθεί, υποβλήθηκαν σε µονοτονική θλιπτική καταπόνηση µέχρι τη θραύση τους Συµπεριφορά δοκιµίου C_U Πριν ακόµα φορτιστεί σε µονοαξονική θλίψη το άοπλο και απερίσφιγκτο δοκίµιο-ελέγχου C_U είχε αρκετές µικρορωγµές στην επιφάνειά του, οφειλόµενες προφανώς στη συστολή ξήρανσης του τσιµεντοπολτού. Αν και οι συνθήκες συντήρησης των δοκιµίων ήταν καλές, εντούτοις δεν µπόρεσαν να αποτρέψουν τη συστολή του τσιµεντοπολτού ο οποίος έτεινε να ξεκολλήσει από τα αδρανή, µε αποτέλεσµα τη εµφάνιση πολύ λεπτών ρωγµών στις επιφάνειες του δοκιµίου. Με την επιβολή της θλιπτικής δύναµης στο σκυρόδεµα, οι µικρορωγµές αυτές άρχισαν να επεκτείνονται σε διεύθυνση παράλληλη µε αυτή της δύναµης. Έτσι, σε τάση 11 MPa παρατηρήθηκαν οι ρωγµές του Σχήµατος 6.1(α) ή της Εικόνας 6.1(α), ενώ σε τάση 14 MPa οι ρωγµές του Σχήµατος 6.1(β) οι οποίες είχαν αυξηθεί τόσο σε µήκος όσο και σε αριθµό. Μετά την επίτευξη της µέγιστης θλιπτικής του τάσης, το δοκίµιο µετατράπηκε σε ένα σύνολο από µεµονωµένες «µικροκολώνες» λόγω διαµήκων, διαµπερών ρωγµών οπότε και κατέρρευσε (Εικόνα 6.1(β)). 135

168 Εν ολίγοις, η αστοχία του δοκιµίου-ελέγχου C_U εκδηλώθηκε µε τη µορφή πολλαπλών ρωγµών κυρίως παράλληλων στην διεύθυνση θλίψης και µε σηµαντική εγκάρσια διόγκωση (κατά Poisson). Α Β Β Γ Γ Α (α) Α Β Β Γ Γ Α (β) Σχήµα 6.1 Σκίτσο ρηγµάτωσης δοκιµίου C_U (α) σε τάση 11 MPa (β) σε τάση 14 MPa. Εικόνα 6.1 οκίµιο ελέγχου C_U (α) σε θλιπτική δύναµη ίση µε 11 MPa (β) µετά την αστοχία. 136

169 Παρουσίαση αποτελεσµάτων δοκιµίου C_U Αναλυτικά, τα αποτελέσµατα της θλίψης του δοκιµίου ελέγχου, όσον αφορά την αντοχή και την αντίστοιχη παραµόρφωση, καθώς και την παραµόρφωση αστοχίας, παρουσιάζονται στον Πίνακα 6.1. οκίµιο Αντοχή f co (MPa) Παραµόρφωση που αντιστοιχεί στη µέγιστη τάση ε co (%) Παραµόρφωση κατά την αστοχία ε cu (%) C_U Πίνακας 6.1 Αποτελέσµατα δοκιµίου C_U. Όπως φαίνεται, η αντοχή του δοκιµίου είχε απρόσµενα µικρότερη τιµή από την αντοχή των κύβων των 28 ηµέρων ( MPa). Παρά την ηλικία του δοκιµίου που την ηµέρα της δοκιµής ήταν µεγαλύτερη από αυτή των 28 ηµερών, εντούτοις άλλοι παράγοντες όπως το µέγεθος του δοκιµίου, η ταχύτητα φόρτισης ή η συντήρηση πρέπει να επηρέασαν την αντοχή του. εδοµένου ότι η ποιότητα του σκυροδέµατος που ελήφθη ήταν κατηγορίας C16/20, τότε η πιθανή µέση τιµή της αντοχής του για συντηρητικές τιµές της τυπικής απόκλισης s=5-6 MPa, όπως προκύπτει από την Κανονική Κατανοµή (Gauss) είναι: f = f s = MPa, για s=5 MPa cm ck = f = f s = MPa, για s=6 MPa cm ck = Η τιµή της παραµόρφωσης στην αντοχή είναι µέσα στα αναµενόµενα όρια, αφού σύµφωνα µε τον Ευρωκώδικα 2 η τιµή της µπορεί να ποικίλλει από 0.2 έως 0.25%. Στο Σχήµα 6.2 που ακολουθεί, παρουσιάζεται η καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων του δοκιµίου. 137

170 20 C_U 15 Stress (MPa) Strain (-) Σχήµα 6.2 Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο C_U Συµπεριφορά δοκιµίου R2_U Το άοπλο δοκίµιο R2_U ενισχύθηκε µε 2 στρώσεις υφάσµατος ινών άνθρακα µίας διεύθυνσης εµποτισµένων µε εποξειδική ρητίνη. Οι πρώτες µικροθραύσεις παρατηρήθηκαν σε τάση 27.8 MPa σε διάσπαρτα σηµεία των πλευρών Α και Β του δοκιµίου (Σχήµα 6.3 (α)). Με την αύξηση του φορτίου από τα 27.8 έως τα 30.5 MPa καταγράφηκαν οι περισσότεροι τριγµοί οι οποίοι συνοδεύονταν από µικρή διόγκωση του µανδύα στην µεσαία περιοχή του δοκιµίου. Οι διογκώσεις αυτές προέρχονταν από τη σταδιακή ενεργοποίηση του µανδύα, λόγω της εκτεταµένης ρηγµάτωσης του πυρήνα του σκυροδέµατος. Με την περαιτέρω αύξηση του φορτίου ο µανδύας του δοκιµίου άρχιζε να αλλάζει χρώµα στις περιοχές υπερκαταπόνησής του λόγω της βαθµιαίας διαρροής της ρητίνης (Εικόνα 6.2- ενδροειδής ρηγµάτωση). Οι περιοχές υπερκαταπόνησης εκδηλώθηκαν τελικά µε την εµφάνιση οριζόντιων ρωγµών που κατά διαστήµατα ήταν συνεχείς. Πριν την αστοχία οι ρωγµές αυτές είχαν εξαπλωθεί σχεδόν σε όλη την περίµετρο του δοκιµίου και το άνοιγµά τους είχε µεγαλώσει αισθητά σχηµατίζοντας αποκολληµένες µικροζώνες [Σχήµα 6.3 (β)]. Η αστοχία του δοκιµίου επήλθε όταν λόγω διόγκωσης του πυρήνα του σκυροδέµατος, οι µέγιστες τιµές της εφελκυστικής τάσης, που αναπτυσσόταν στην ενδιάµεση ζώνη του µανδύα, έφτασαν την τάση αστοχίας. Η εκδήλωση αυτής της κατάστασης έγινε αρκετά βίαια µε τη θραύση του µανδύα σε κατακόρυφη διεύθυνση στο µέσον µιας πλευράς του ( ) και την ταυτόχρονη απελευθέρωση θραυσµάτων µεγάλης κινητικής 138

171 ενέργειας εκθέτοντας την δηµιουργηθείσα αποδιοργάνωση του σκυροδέµατος. Με την αποκόλληση του µανδύα από το σώµα του σκυροδέµατος αποκαλύφθηκε η µονολιθικότητα της σύνδεσης υφάσµατος και εποξειδικής ρητίνης από τη µια και ο συµπαρασυρµός του θρυµµατισµένου και κολληµένου στον µανδύα, υποστρώµατος τους σκυροδέµατος από την άλλη. Συµπερασµατικά, ο τρόπος αστοχίας του δοκιµίου R2_U ήταν ψαθυρός, και συνέβη µε κατακόρυφη και ασυνεχή διάρρηξη του µανδύα στην µεσαία περιοχή µιας πλευρικής επιφάνειάς του, µεταξύ δύο ήδη σχηµατισµένων οριζόντιων ρωγµών, που λειτούργησαν παρεµποδιστικά στην περαιτέρω επέκτασή της (Εικόνα 6.3). Α Β Β Γ Γ Α (α) Α Β Β Γ Γ Α (β) Σχήµα 6.3 Σκίτσο ρηγµάτωσης δοκιµίου R2_U (α) σε τάση 27.8 MPa (β) σε τάση 30.5 MPa. Εικόνα 6.2 ενδροειδής ρηγµάτωση της επιφάνειας της εποξειδικής ρητίνης σε περιοχή διόγκωσης του σκυροδέµατος. Με την αύξηση του φορτίου ο µανδύας αρχίζει να αλλάζει χρώµα στα σηµεία όπου υπερκαταπονείται. 139

172 Εικόνα 6.3 (α) Αστοχία του δοκιµίου R2_U στην µεσαία περιοχή, λόγω διόγκωσης του πυρήνα του σκυροδέµατος (β) ανοµοιόµορφη κατανοµή των εγκαρσίων τάσεων του δοκιµίου. Παρουσίαση αποτελεσµάτων δοκιµίου R2_U οκίµιο Αντοχή f co (MPa) Παραµόρφωση που αντιστοιχεί στη µέγιστη τάση ε co (%) Παραµόρφωση κατά την αστοχία ε cu (%) R2_U Πίνακας 6.2 Αποτελέσµατα δοκιµίου R2_U R2_U 25 Stress (MPa) Strain (-) Σχήµα 6.4 Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο R2_U. 140

173 Η καµπύλη τάσεων-παραµορφώσεων για το δοκίµιο R2_U χαρακτηρίζεται από έναν ανιόντα κλάδο µε γραµµική συµπεριφορά µέχρι το 0.23% της παραµόρφωσης ενώ µετά ακολουθείται από έναν µικρότερης κλίσης κλάδο ο οποίος πέφτει ξαφνικά στο σηµείο όπου συµβαίνει η διάρρηξη του µανδύα (ε=0.82%) (Σχήµα 6.4). Στην περιοχή παραµορφώσεων από 0.23 έως 0.82% όπου καταγράφηκαν οι περισσότεροι τριγµοί, το σκυρόδεµα είχε εξαντλήσει την αντοχή του και ο µανδύας ήταν αυτός που αναλάµβανε όλο το φορτίο αντιστεκόµενος ταυτόχρονα στην διόγκωση του πυρήνα. Σε αυτή την περιοχή «µετάβασης» και µέχρι την τελική θραύση η αύξηση του φορτίου ήταν µόνο 10% ενώ η αύξηση των παραµορφώσεων ήταν 256.5% γεγονός που αποδεικνύει ότι η κυρίαρχη συµβολή του µανδύα έγκειται στην αύξηση της παραµορφωσιµότητας και κατ επέκταση της πλαστιµότητας. Η εφαρµογή δύο στρώσεων υφάσµατος ινών άνθρακα εµποτισµένων µε εποξειδική ρητίνη έπαιξε ευεργετικό ρόλο στην συµπεριφορά του άοπλου δοκιµίου τόσο ως προς την ικανότητα ανάληψης φορτίου, αφού αύξησε την αντοχή του κατά 2 φορές σε σχέση µε το δοκίµιο C_U όσο και ως προς την παραµορφωσιµότητά του πριν την πραγµατοποίηση του µέγιστου φορτίου, αφού την αύξησε κατά 3.42 φορές σε σχέση µε αυτή του δοκιµίου C_U Συµπεριφορά δοκιµίου R3_U Το δοκίµιο R3_U ήταν και αυτό άοπλο αλλά ενισχύθηκε µε 3 στρώσεις υφάσµατος ινών άνθρακα µίας διεύθυνσης, εµποτισµένων µε εποξειδική ρητίνη. Οι πρώτες ορατές διογκώσεις του δοκιµίου άρχισαν να εµφανίζονται στην περιοχή των 28 MPa και είχαν ως επί το πλείστον κατακόρυφη διεύθυνση (Σχήµα 6.5). Στην πορεία, στα σηµεία των διογκώσεων αυτών παρατηρούνταν αλλαγές στο χρώµα της επιφάνειας του δοκιµίου, λόγω της σταδιακής διαρροής της ρητίνης. Η διαφορά που παρατηρήθηκε στη συµπεριφορά του συγκεκριµένου δοκιµίου σε σχέση µε το δοκίµιο R2_U ήταν ότι οι διογκώσεις που αναπτύσσονταν και στις 4 πλευρές της επιφάνειας του δοκιµίου δεν εξελίχθηκαν σε ρηγµατώσεις του µανδύα. Η αστοχία του δοκιµίου υπήρξε αρκετά απότοµη, εκτινάσσοντας µια τεράστια ποσότητα θραυσµάτων από το ήδη κονιορτοποιηµένο σκυρόδεµα. Η θραύση του µανδύα ήταν κατακόρυφη όπως και στο δοκίµιο R2_U και περιοριζόταν στην ενδιάµεση περιοχή µεταξύ δύο ανέπαφων οριζόντιων ζωνών περίσφιγξης (Εικόνα 6.4). Η παρεµπόδιση σε απόσχιση των δύο ακραίων ζωνών µπορεί να ερµηνευτεί από δύο λόγους: α) τα άκρα του δοκιµίου που βρίσκονταν κοντά στις πλάκες φόρτισης είχαν επιπρόσθετους συνδετήρες (προκειµένου να αποτραπεί η πρόωρη αστοχία τους) οι οποίοι περιόριζαν τις τάσεις διόγκωσης του σκυροδέµατος και β) οι φορτιζόµενες επιφάνειες περιόριζαν 141

174 την εγκάρσια διόγκωση του σκυροδέµατος των άκρων του δοκιµίου καθότι λειτουργούσαν ως εγκιβωτισµένα τµήµατα. Συµπερασµατικά, η αστοχία του δοκιµίου ήταν ψαθυρή και συνέβη µε θραύση του µανδύα λόγω εξάντλησης της εφελκυστικής του αντοχής, στην µεσαία κρίσιµη ζώνη. Α Β Β Γ Γ Α Σχήµα 6.5 Σκίτσο ρηγµάτωσης δοκιµίου R3_U σε τάση 28 MPa. Εικόνα 6.4 Αστοχία του δοκιµίου R3_U στην µεσαία περιοχή, λόγω διόγκωσης του πυρήνα του σκυροδέµατος. Παρουσίαση αποτελεσµάτων δοκιµίου R3_U οκίµιο Αντοχή f co (MPa) Παραµόρφωση που αντιστοιχεί στη µέγιστη τάση ε co (%) Παραµόρφωση κατά την αστοχία ε cu (%) R3_U Πίνακας 6.3 Αποτελέσµατα δοκιµίου R3_U. 142

175 40 35 R3_U 30 Stress (MPa) Strain (-) Σχήµα 6.6 Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο R3_U. Η καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων του δοκιµίου R3_U παρουσιάζει ποιοτική συγγένεια µε αυτή του δοκιµίου R2_U. Αποτελείται από έναν ανιόντα γραµµικό κλάδο µέχρι την τιµή παραµόρφωσης % και από έναν µεταβατικό κλάδο µέχρι την οριακή παραµόρφωση αστοχίας (ε cu =1.28%). Στο διάστηµα παραµορφώσεων από 0.24 έως 1.28% όπου το σκυρόδεµα έχει εξαντλήσει την παραµόρφωση αστοχίας του η αύξηση του φορτίου είναι 24.81% ενώ η αύξηση των παραµορφώσεων 265.7%. Η αστοχία του δοκιµίου συνοδεύτηκε µε απότοµη πτώση του φορτίου σε χρονικό διάστηµα µεγαλύτερο από εκείνο που σηµειώθηκε για το δοκίµιο R2_U (η αύξηση του αριθµού των στρώσεων παρατείνει το χρόνο αστοχίας του δοκιµίου, αν η ταχύτητα φόρτισης είναι η ίδια). Όπως ήταν αναµενόµενο η προσθήκη µιας επιπλέον στρώσης υφάσµατος αύξησε τις τιµές της αντοχής και οριακής παραµόρφωσης. Συγκεκριµένα, αύξησε την αντοχή κατά φορές και την οριακή παραµόρφωση κατά 1.56 φορές σε σχέση µε τις τιµές του δοκιµίου R2_U. Επιπροσθέτως, η παρουσία τριών στρώσεων υφάσµατος ινών άνθρακα αύξησαν την αντοχή σε σχέση µε την τιµή του δοκιµίου ελέγχου C_U κατά 2.27 φορές και την οριακή παραµόρφωση κατά 5.33 φορές Συµπεριφορά δοκιµίου Μ4_U Το άοπλο δοκίµιο Μ4_U ενισχύθηκε µε 4 στρώσεις πλέγµατος συνεχών ινών άνθρακα εµποτισµένων µε τσιµεντοειδές κονίαµα. Σε τάση

176 MPa και εφόσον είχε ξεπεραστεί η αντοχή του απερίσφιγκτου δοκιµίου, άρχισαν να εµφανίζονται οι πρώτες ρηγµατώσεις που ξεκινούσαν ως επί το πλείστον από το µέσον του ύψους του και επεκτείνονταν σε κατακόρυφη διεύθυνση (Σχήµα 6.7(α), Εικόνα 6.5(α)). Μια συγκριτικά µεγάλη ρωγµή της ανόργανης µήτρας εµφανίστηκε από πολύ νωρίς κατά µήκος της υπερκάλυψης δηλαδή εκεί που τελείωσε η περιτύλιξη του πλέγµατος ινών. Ρηγµατώσεις εµφανίστηκαν ακόµη και σε δύο ακµές του δοκιµίου και µάλιστα στο µέσον του ύψους τους, ενδεικτικές της µέγιστης συγκέντρωσης τάσεων που αναπτύσσονται στην περιοχή (Σχήµα 6.7(β), Εικόνα 6.5 (β)). Καθώς αυξανόταν το φορτίο, οι διογκώσεις του πυρήνα του σκυροδέµατος γίνονταν περισσότερο ορατές και επεκτείνονταν σε όλο και µεγαλύτερο εύρος των πλευρικών επιφανειών και ακµών του δοκιµίου. Λόγω της µικρής εφελκυστικής αντοχής του κονιάµατος της ανόργανης µήτρας, όταν η καµπυλότητα των διογκώσεων αυτών αυξανόταν αρκετά, αυτή αστοχούσε. Σε τάση 27 MPa στο κάτω µέρος της ακµής του δοκιµίου εµφανίστηκε το φαινόµενο του τοπικού λυγισµού του µανδύα συνοδευόµενο από θραύση και αποκόλληση της ανόργανης µήτρας (Εικόνα 6.6). Με την περαιτέρω αύξηση του φορτίου επέρχονταν θραύση των ινών στις υπερκαταπονούµενες περιοχές λόγω εξάντλησης της εφελκυστικής αντοχής τους. Όµως, στην περίπτωση της διαµήκους ρωγµής του δοκιµίου κατά µήκος της υπερκάλυψης παρατηρήθηκε το φαινόµενο της ολίσθησης των ινών από τη µήτρα. Κύριο χαρακτηριστικό του τρόπου αστοχίας των δοκιµίων µε ανόργανη µήτρα ήταν το γεγονός ότι η θραύση δεν ήταν τόσο απότοµη όπως στα δοκίµια µε εποξειδική ρητίνη αλλά γινόταν σταδιακά και χωρίς τριγµό µε αποτέλεσµα η ενέργεια που ήταν αποθηκευµένη σε µορφή ενέργειας παραµόρφωσης, να απελευθερώνεται σταδιακά. Συµπερασµατικά, η αστοχία του δοκιµίου Μ4_U έγινε προοδευτικά µε σταδιακή θραύση ή ολίσθηση των ινών καθ ύψος των ακµών αλλά και µε αποκόλληση της υπερκάλυψης µέχρι τη στιγµή που ο µανδύας δεν επέφερε καµία αντίσταση στην επιβαλλόµενη θλίψη (Εικόνα 6.7 (α), (β)). Α Β Β Γ Γ Α Περιοχή ακµής Περιοχή υπερκάλυψης (α) 144

177 Α Β Β Γ Γ Α (β) Σχήµα 6.7 (α) Σκίτσο ρηγµάτωσης δοκιµίου Μ4_U σε τάση 25.5 MPa (β) Σκίτσο ρωγµών και διογκώσεων δοκιµίου Μ4_U και σε τάση 26.6 MPa. Κατακόρυφη ρωγµή (α) (β) Εικόνα 6.5 (α) Κατακόρυφη ρηγµάτωση της ανόργανης µήτρας στις πλευρικές επιφάνειες του δοκιµίου Μ4_U (β) Κατακόρυφη ρηγµάτωση της ανόργανης µήτρας στις ακµές του δοκιµίου Μ4_U. Εικόνα 6.6 Φαινόµενο τοπικού λυγισµού του µανδύα στην γωνία του δοκιµίου συνοδευόµενη από αποφλοίωση του κονιάµατος. 145

178 Αποκόλληση υπερκάλυψης Θραύση ή ολίσθηση των ινών της ακµής Εικόνα 6.7 οκίµιο M4_U µετά την αστοχία (α) Αποκόλληση του µανδύα στην περιοχή υπερκάλυψης και θραύση ή ολίσθηση των ινών της ακµής (β) Αποφλοίωση του κονιάµατος στις ακµές ως αποτέλεσµα της εξάντλησης της εφελκυστικής τους αντοχής. Παρουσίαση αποτελεσµάτων δοκιµίου Μ4_U Η καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων του δοκιµίου Μ4_U είναι κατά κάποιο τρόπο «τριγραµµική». Αποτελείται από έναν ανιόντα κλάδο µε γραµµική συµπεριφορά µέχρι παραµόρφωση 0.215% (που αντιστοιχεί στην παραµόρφωση του απερίσφιγκτου δοκιµίου), από έναν αύξοντα, γραµµικό κλάδο µικρής κλίσης και τέλος από ένα φθίνοντα κλάδο που πέφτει οµαλά µέχρι το σηµείο όπου συµβαίνει θραύση των ινών του µανδύα (ε=0.85%) (Σχήµα 6.8). Στο διάστηµα παραµορφώσεων από 0.22 έως 0.723% όπου το σκυρόδεµα έχει εξαντλήσει την παραµόρφωση αστοχίας του η αύξηση του φορτίου είναι 11.4% ενώ η αύξηση των παραµορφώσεων, %. Στο σηµείο αυτό αξίζει να επισηµανθεί ότι η παραµόρφωση αστοχίας του δοκιµίου ορίστηκε ως η τετµηµένη του σηµείου εκείνου του κατιόντος κλάδου που η τάση του αντιστοιχεί στο 80% της µέγιστης τιµής της τάσης, ήτοι f = 0.8 f. Συνεπώς, η αξονική παραµόρφωση αστοχίας ε cu υπήρξε µεγαλύτερη αυτής που αντιστοιχεί στην αντοχή του περισφιγµένου σκυροδέµατος ε co, όπως παρουσιάζεται στον παρακάτω πίνακα. ccu cc 146

179 οκίµιο Αντοχή f co (MPa) Παραµόρφωση που αντιστοιχεί στη µέγιστη τάση ε co (%) Παραµόρφωση κατά την αστοχία ε cu (%) Μ4_U Πίνακας 6.4 Αποτελέσµατα δοκιµίου Μ4_U. 30 M4_U 25 Stress(MPa) Strain(-) Σχήµα 6.8 Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο Μ4_U. Η συµπεριφορά του δοκιµίου Μ4_U στην µεταβατική περιοχή παραµορφώσεων από 0.22 έως 0.723% (όπως προκύπτει από την καµπύλη τάσεων-παραµορφώσεων) χαρακτηρίζεται από µικρές πτώσεις και ανακτήσεις ή αυξήσεις της τάσης που εξελίσσονται µε έναν ελαφρώς ανοδικό ρυθµό. Οι πτώσεις της τάσης οφείλονται σε θραύση ή ολίσθηση των ινών του µανδύα ή ακόµη σε µικροαστοχία της µήτρας που µεταβιβάζει τα φορτία σε αυτές ενώ οι ανακτήσεις ή αυξήσεις της, οφείλονται σε ενεργοποίηση του ίδιου ή µεγαλύτερου αριθµού ινών στο σύστηµα ανάληψης φορτίου. Μετά την επίτευξη της µέγιστης τιµής της τάσης, ακολουθεί µικρή πτώση της και στην συνέχεια µια περιοχή ψευδοκράτυνσης. Στην περιοχή αυτή το φορτίο διατηρείται µέχρι τη θραύση (ε=0.85%) λόγω της αυξηµένης παραµορφωσιακής ικανότητας που έχει το σύστηµα ενίσχυσης µε ανόργανη µήτρα. Η εφαρµογή τεσσάρων στρώσεων πλέγµατος συνεχών ινών άνθρακα εµποτισµένων µε τσιµεντοειδές κονίαµα λειτούργησε ευεργετικά ως προς την ικανότητα ανάληψης φορτίου του δοκιµίου σε µεγάλες παραµορφώσεις. 147

180 Συγκεκριµένα, η ενίσχυση αύξησε την παραµορφωσιµότητα του δοκιµίου κατά 3.54 φορές και την αντοχή του κατά 1.74 φορές σε σχέση µε αυτές του δοκιµίου C_U Συµπεριφορά δοκιµίου Μ6_U Το άοπλο δοκίµιο Μ6_U ενισχύθηκε µε 6 στρώσεις πλέγµατος συνεχών ινών άνθρακα εµποτισµένων µε τσιµεντοειδές κονίαµα. Οι πρώτες «προειδοποιητικές» ρωγµές στο κονίαµα της ανόργανης µήτρας εκδηλώθηκαν σε διάσπαρτα σηµεία της επιφάνειας του δοκιµίου και σε τάση 28.3 MPa. Η διεύθυνση των ρωγµών ήταν παράλληλη στον διαµήκη άξονα του δοκιµίου και η µεγαλύτερη συγκέντρωσή τους παρατηρήθηκε κοντά στην περιοχή των ακµών (Σχήµα 6.9 (α)). Καθώς αυξανόταν το φορτίο άρχισαν να γίνονται περισσότερο ορατές οι διογκώσεις του µανδύα οι οποίες προέρχονταν από τη σταδιακή ενεργοποίησή του, λόγω της εκτεταµένης ρηγµάτωσης του πυρήνα του σκυροδέµατος (Εικόνα 6.8). Σε φορτίο 31.5 MPa η εικόνα του δοκιµίου ήταν αυτή του Σχήµατος 6.9 (β) ή της Εικόνας 6.9. Η εφελκυστική αντοχή πολλών ινών του πλέγµατος σε όλο το µήκος της ακµής µεταξύ των πλευρών Α και Β είχε εξαντληθεί και είχαν κοπεί ενώ άλλες είχαν ολισθήσει, αποκολλώντας ένα µεγάλο τµήµα της ανόργανης µήτρας που τις συγκρατούσε ενωµένες. Και για το δοκίµιο Μ6_U διαπιστώθηκε πως η αστοχία επήλθε προοδευτικά µε τη δηµιουργία και διεύρυνση ενός µεγάλου πλήθους µικρών ρωγµών στις υπερκαταπονούµενες περιοχές του δοκιµίου και µε τη σταδιακή θραύση ή ολίσθηση των ινών της ακµής µέχρι τη στιγµή που ο µανδύας εξάντλησε την ικανότητα ανάληψης εφελκυστικού φορτίου. Λόγω της φύσης της ανόργανης µήτρας η αστοχία δεν συµβαίνει από µία απότοµη, ψαθυρή θραύση σε µια κύρια ρωγµή (όπως στα ινοπλισµένα πολυµερή) αλλά η ενέργεια της αστοχίας κατανέµεται από νωρίς σε έναν µεγάλο αριθµό σχετικά µικρών ρωγµών, που τελικά συντελούν στην ευνοϊκότερη συµπεριφορά της µετελαστικής επιπόνησης. Α Β Β Γ Γ Α (α) 148

181 Α Β Β Γ Γ Α (β) Σχήµα 6.9 (α) Σκίτσο ρηγµάτωσης δοκιµίου Μ4_U σε τάση 28.3 MPa (β) Σκίτσο ρωγµών και διογκώσεων δοκιµίου και σε τάση 31.5 MPa. Εικόνα 6.8 ιόγκωση του µανδύα και αποφλοίωση του κονιάµατος όταν αυτό ξεπερνούσε την εφελκυστική του αντοχή. (α) (β) Εικόνα 6.9 οκίµιο M6_U µετά την αστοχία (α) Ρηγµάτωση και διόγκωση του µανδύα κοντά στις ακµές (β) Θραύση ή ολίσθηση των ινών στην ακµή του δοκιµίου. 149

182 Παρουσίαση αποτελεσµάτων δοκιµίου Μ6_U Η µορφή της καµπύλης τάσεων παραµορφώσεων του δοκιµίου Μ6_U είναι ποιοτικά ανάλογη µε αυτή του δοκιµίου Μ4_U τεσσάρων στρώσεων ινών. Αρχικά, αποτελείται από έναν ανιόντα, γραµµικό κλάδο που καταλήγει στην πρώτη µέγιστη τιµή της τάσης που αντιστοιχεί σε παραµόρφωση %, η οποία είναι ίση µε την παραµόρφωση του απερίσφιγκτου δοκιµίου. Έπειτα ακολουθεί ένα µικρό τµήµα φθινουσών τάσεων µέχρι τη στιγµή που ένας µεγάλος αριθµός ινών του µανδύα θα ενεργοποιηθούν και θα εκδηλώσουν µεγάλη αντίσταση στην καταπόνηση, αποδίδοντας έναν αύξοντα, γραµµικό κλάδο µικρής κλίσης ως την αντοχή του περισφιγµένου δοκιµίου (σε παραµόρφωση ε co =1.03%). Τέλος, ακολουθεί ένα φθίνοντας κλάδος που πέφτει οµαλά µέχρι το σηµείο όπου συµβαίνει θραύση των ινών του µανδύα (ε cu =1.06%) (Σχήµα 6.10). Στο διάστηµα παραµορφώσεων από έως 1.03% όπου το σκυρόδεµα έχει εξαντλήσει την παραµόρφωση αστοχίας του η αύξηση του φορτίου είναι 16.4% ενώ η αύξηση των παραµορφώσεων, %. Σε αυτό το διάστηµα τιµών, καθώς η εγκάρσια παραµόρφωση αυξανόταν, το καταγραφόµενο φορτίο αυξοµειώνονταν, µε κατά µέσο όρο αύξουσα πορεία µέχρι την µέγιστη δυνατή ενεργοποίηση των ινών του µανδύα, στην αντοχή (ε co =1.03%). οκίµιο Αντοχή f co (MPa) Παραµόρφωση που αντιστοιχεί στη µέγιστη τάση ε co (%) Παραµόρφωση κατά την αστοχία ε cu (%) Μ6_U Πίνακας 6.5 Αποτελέσµατα δοκιµίου Μ6_U. 150

183 35 30 M6_U 25 Stress (MPa) Strain(-) Σχήµα 6.10 Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο Μ6_U. Οι µόνες ποιοτικές διαφοροποιήσεις της καµπύλης τάσεων παραµορφώσεων του δοκιµίου Μ6_U σε σχέση µε αυτή του δοκιµίου Μ4_U παρατηρούνται στο σηµείο του πρώτου µεγίστου και στον τελευταίο φθίνοντα κλάδο. Είναι εµφανές ότι το σηµείο πρώτου µεγίστου είναι πιο έντονο στην περίπτωση του δοκιµίου Μ6_U αφού µετά ακολουθεί µια τοπική πτώση της τάσης. Αυτό οφείλεται στην ποιότητα εφαρµογής του µανδύα η οποία κρίνεται στην συγκεκριµένη περίπτωση χαµηλή λόγω της µη άµεσης ενεργοποίησης των ινών του µανδύα (πιθανόν λόγω ολίσθησης των στρώσεων του πλέγµατος). Από την άλλη, η πτώση του φορτίου µέχρι τη θραύση του µανδύα των 6 στρώσεων πλέγµατος, γίνεται πιο απότοµα από ό,τι αυτή του µανδύα 4 στρώσεων, γεγονός που δείχνει ότι όσο αυξάνεται η δυσκαµψία ενός συστήµατος ενίσχυσης τόσο πιο ψαθυρός είναι ο τρόπος αστοχίας του. Η εφαρµογή έξι στρώσεων πλέγµατος συνεχών ινών άνθρακα εµποτισµένων µε τσιµεντοειδές κονίαµα αύξησε την παραµορφωσιµότητα του δοκιµίου κατά 4.42 φορές την αντοχή του κατά 2.07 φορές σε σχέση µε αυτές του δοκιµίου C_U. 151

184 6.3 ΟΜΑ Α2 ΟΚΙΜΙΑ ΜΕ ΑΡΑΙΗ ΙΑΤΑΞΗ ΕΓΚΑΡΣΙΟΥ ΟΠΛΙΣΜΟΥ (C_S20, R2_ S20, R3_ S20, M4_ S20, M6_ S20) Η Οµάδα δοκιµίων 2 περιελάµβανε πέντε δοκίµια µε αραιή διάταξη εγκαρσίου οπλισµού, εκ των οποίων τα δύο ενισχύθηκαν µε 2 και 3 στρώσεις υφασµάτων ινών άνθρακα µίας διεύθυνσης-ud εµποτισµένων µε εποξειδική ρητίνη, τα άλλα δύο µε 4 και 6 στρώσεις πλεγµάτων συνεχών ινών άνθρακα εµποτισµένων µε ανόργανη µήτρα ενώ το τελευταίο παρέµεινε απερίσφιγκτο προκειµένου να χρησιµοποιηθεί ως αναφορά για τη σύγκριση της αποτελεσµατικότητας της περίσφιγξης των τεσσάρων υπόλοιπων δοκιµίων που εξετάζονται. Τα πέντε αυτά δοκίµια, όπως έχει ήδη αναφερθεί, υποβλήθηκαν σε µονοτονική θλιπτική καταπόνηση µέχρι τη θραύση τους Συµπεριφορά δοκιµίου C_S20 Το οπλισµένο και απερίσφιγκτο δοκίµιο-ελέγχου C_S20 είχε αρκετές τριχοειδείς ρωγµές στην επιφάνειά του πριν ακόµα φορτιστεί σε µονοαξονική θλίψη, που οφείλονταν στη συστολή ξήρανσης του τσιµεντοπολτού. Με την αύξηση του θλιπτικού φορτίου στο δοκίµιο, πολλές από τις µικρορωγµές αυτές άρχισαν να διευρύνονται και να επεκτείνονται κυρίως σε κατακόρυφη διεύθυνση. Σε τάση 18.8 MPa παρατηρήθηκαν οι ρωγµές του Σχήµατος 6.11 (α) ή της Εικόνας 6.10 που συγκεντρώνονταν στις γωνιές του δοκιµίου κοντά στην πλάκα έδρασης. Με την προοδευτική αύξηση του φορτίου στα 22.9 MPa, οι ρωγµές έγιναν διαµήκεις και πιο διαµπερείς ενώ δηµιουργήθηκαν και άλλες (Σχήµα 6.11(β)) που είχαν ως αποτέλεσµα, στην πλευρά του δοκιµίου να αποκολληθεί ένα µεγάλο τµήµα σκυροδέµατος της επικάλυψης και να αποκαλυφθεί ο οπλισµός. Από το σηµείο αυτό και έπειτα επήλθε οµαλή πτώση του φορτίου (Σχήµα 6.12). Μετά το τέλος της πειραµατικής δοκιµής και τον καθαρισµό των σαθρών τεµαχίων από το δοκίµιο επιβεβαιώθηκε πως δε συνέβη λυγισµός του διαµήκους οπλισµού αλλά η αστοχία επήλθε λόγω εξάντλησης της αντοχής του σκυροδέµατος. Εν ολίγοις, η ρηγµάτωση του δοκιµίου C_S20 ήταν παρόµοια µε αυτή του άοπλου δοκιµίου C_U (πολλαπλές ρωγµές και παράλληλες στην διεύθυνση θλίψης). Η αστοχία του επήλθε λόγω αποκόλλησης µεγάλων τµηµάτων σκυροδέµατος της επικάλυψης. 152

185 Α Β Β Γ Γ Α (α) Α Β Β Γ Γ Α (β) Σχήµα 6.11 Σκίτσο ρηγµάτωσης δοκιµίου C_S20 α) σε τάση 18.8 MPa β) σε τάση 22.9 MPa. Εικόνα 6.10 Ρηγµάτωση του δοκιµίου C_S20 κοντά στις γωνίες, σε φορτίο 18.8 MPa. Παρουσίαση αποτελεσµάτων δοκιµίου C_S20 Τα αποτελέσµατα της θλίψης του δοκιµίου ελέγχου, όσον αφορά την αντοχή και την αντίστοιχη παραµόρφωση, καθώς και την παραµόρφωση αστοχίας, παρουσιάζονται στον Πίνακα

186 οκίµιο Αντοχή f co (MPa) Παραµόρφωση που αντιστοιχεί στη µέγιστη τάση, ε co (%) Παραµόρφωση κατά την αστοχία ε cu (%) C_S Πίνακας 6.6 Αποτελέσµατα δοκιµίου C_S C_S20 Stress (MPa) Strain (-) Σχήµα 6.12 Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο C_S20. Η µορφή της καµπύλης τάσεων παραµορφώσεων του δοκιµίου C_S20 είναι ποιοτικά ανάλογη µε αυτή του άοπλου δοκιµίου C_U. Η προσθήκη εσωτερικού οπλισµού βελτίωσε τη συµπεριφορά του δοκιµίου ως προς την ικανότητα ανάληψης φορτίου, κατά 50% άλλα και ως προς τις παραµορφώσεις αντοχής και αστοχίας. Προκειµένου να ελεγχθεί αν η διαρροή των ράβδων χάλυβα συνέβη πριν την εξάντληση της αντοχής του σκυροδέµατος ακολουθείται η εξής διαδικασία: Υπολογίζεται το εµβαδό της διατοµής µιας ράβδου χάλυβα, Φ π d π 12 2 A= A= A= mm 4 4 Υπολογίζεται το φορτίο που απαιτείται για να διαρρεύσουν και οι τέσσερεις ράβδοι χάλυβα Φ12 µε βάση την αντοχή διαρροής που προέκυψε από τις δοκιµές εφελκυσµού. Py = fy A Py = ( ) 1000 Py = kN 154

187 Υπολογίζεται η διαφορά των µέγιστων φορτίων των δοκιµίων C_S20 και C_U. δp c,max=pc,max,c_s20 - Pc,max,C_U δ P c,max=304.63kn Το επιπρόσθετο φορτίο δpc,max αναλαµβάνεται από τις ράβδους, µε εξάντληση του φορτίου διαρροής τους αφού: Ps =δpc,max Ps = kN > Py = kN Συνεπώς, η διαρροή των ράβδων χάλυβα συνέβη πριν την αστοχία του δοκιµίου Συµπεριφορά δοκιµίου R2_ S20 Το δοκίµιο R2_S20 αποτέλεσε πιλοτικό δοκίµιο του πειραµατικού προγράµµατος γιατί χρησιµοποιήθηκε προκειµένου να επαληθευτεί η αξιοπιστία των µετρήσεων του βελοµέτρου. Έτσι, παράλληλα µε την µέτρηση των παραµορφώσεων µέσω του βελοµέτρου, έγινε και η καταγραφή τους µέσω δύο εξωτερικών µηκυνσιοµέτρων κατάλληλα προσαρµοσµένων πάνω στο δοκίµιο. Καθένα από τα µηκυνσιόµετρα αυτά βιδωνόταν µέσω σφιγκτήρα σε ειδικό στέλεχος. Το στέλεχος στη συνέχεια στερεώνονταν σε µία βάση µέσω ενός ισχυρού µαγνήτη ο οποίος ήταν ήδη βιδωµένος σε µία ντίζα ενσωµατωµένη στον πυρήνα του δοκιµίου. Μετά την ενίσχυση του δοκιµίου R2_S20 µε 2 στρώσεις υφάσµατος ινών άνθρακα µίας διεύθυνσης εµποτισµένων µε εποξειδική ρητίνη και την τοποθέτηση των ντιζών έγινε η τοποθέτησή του πάνω στην µηχανή θλίψης και ξεκίνησαν οι καταγραφές. Οι πρώτες θραύσεις του µανδύα εµφανίστηκαν στην περιοχή κοντά στις ντίζες σε τάση 27.8 MPa, οι οποίες συνοδεύονταν και από αλλαγή στο χρώµα της ρητίνης λόγω της βαθµιαίας διαρροής της (Σχήµα 6.13). Με την αύξηση του φορτίου καταγράφονταν αρκετοί τριγµοί οι οποίοι κατέληξαν σε έναν εκρηκτικό θόρυβο, µε την διάρρηξη του µανδύα. Όπως και στο δοκίµιο R2_U, η διάρρηξη του µανδύα έγινε κατακόρυφα και µάλιστα στο µέσον µιας πλευράς του δοκιµίου όταν οι ήδη σχηµατισµένες ζώνες (πάνω και κάτω από τις ντίζες) είχαν τανυθεί σηµαντικά λόγω της εγκάρσιας διόγκωσης του πυρήνα του σκυροδέµατος (Εικόνα 6.11). Ο τρόπος αστοχίας του δοκιµίου R2_S20 ήταν ψαθυρός, και συνέβη µε κατακόρυφη και ασυνεχή διάρρηξη του µανδύα στην µεσαία περιοχή µιας επιφάνειάς του. 155

188 Α Β Β Γ Γ Γ Σχήµα 6.13 Σκίτσο ρηγµάτωσης δοκιµίου R2_S20 σε τάση 27.8 MPa. Εικόνα 6.11 Αστοχία του δοκιµίου R2_S20 µε διάρρηξη του µανδύα κοντά στις ντίζες. Παρουσίαση αποτελεσµάτων δοκιµίου R2_S20 Τα αποτελέσµατα της θλίψης του δοκιµίου R2_S20 παρουσιάζονται στον Πίνακα 6.7 που ακολουθεί. οκίµιο Αντοχή f co (MPa) Παραµόρφωση που αντιστοιχεί στη µέγιστη τάση, ε co (%) Παραµόρφωση κατά την αστοχία ε cu (%) R2_S Πίνακας 6.7 Αποτελέσµατα δοκιµίου R2_S

189 40 35 R2_S20 30 Stress (MPa) Strain (-) Σχήµα 6.14 Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο R2_S20. Το Σχήµα 6.14 παρουσιάζει την καµπύλη τάσεων-παραµορφώσεων του δοκιµίου η οποία, όπως φαίνεται αποτελείται από τρεις περιοχές. Η αρχική περιοχή περιλαµβάνει έναν γραµµικό, ανιόντα και µικρότερης κλίσης κλάδο από εκείνο του απερίσφιγκτου σκυροδέµατος C_S20. Το γεγονός αυτό µπορεί να αποδοθεί στη διαφορά του µέτρου Ελαστικότητας των δύο δοκιµίων σκυροδέµατος, µιας και σε αυτή τη περιοχή δεν επιδρά άλλος παράγοντας, αφού η διόγκωση του πυρήνα είναι ασήµαντη και συνεπώς η συνεισφορά του µανδύα, ανύπαρκτη. Έπειτα ακολουθεί η δεύτερη περιοχή που καλείται και περιοχή µετάβασης και διαχωρίζεται µέσω µιας οµαλής καµπύλης από την πρώτη. Στην περιοχή αυτή παρατηρούνται η πρώτη ρηγµάτωση του δοκιµίου και η ενεργοποίηση της περίσφιγξης του µανδύα. Η πορεία του κλάδου αυτής της περιοχής είναι αύξουσα µέχρι την αντοχή που αντιστοιχεί σε παραµόρφωση ε=1.28%. Η τρίτη περιοχή διαχωρίζεται έντονα µε µία απότοµη πτώση του αξονικού φορτίου, χωρίς περαιτέρω αύξηση της παραµορφωσιµότητας. Γι αυτό και η παραµόρφωση αστοχίας ταυτίζεται µε την παραµόρφωση αντοχής. Τελικά, η εφαρµογή δύο στρώσεων υφάσµατος ινών άνθρακα µίας διεύθυνσης σε οργανική µήτρα αύξησε την παραµορφωσιµότητα του δοκιµίου κατά 3.88 φορές και την αντοχή του κατά 1.63 φορές σε σχέση µε αυτές του απερίσφιγκτου δοκιµίου C_S20. Ακολουθώντας τη γνωστή διαδικασία, αποδεικνύεται πως η διαρροή των ράβδων χάλυβα συνέβη πριν την εξάντληση της αντοχής του δοκιµίου R2_S20. δp c,max=pc,max,r2_s20 - Pc,max,R2_U δ P c,max= kn 157

190 Το επιπρόσθετο φορτίο δ Pc,max αναλαµβάνεται από τις ράβδους, µε εξάντληση του φορτίου που απαιτείται για τη διαρροή τους αφού: Ps =δpc,max Ps = kn > Py = kn Συµπεριφορά δοκιµίου R3_S20 Το οπλισµένο δοκίµιο R3_S20 ενισχύθηκε µε 3 στρώσεις υφάσµατος ινών άνθρακα µίας διεύθυνσης εµποτισµένων µε εποξειδική ρητίνη. Οι πρώτες ορατές διογκώσεις του δοκιµίου άρχισαν να εµφανίζονται στην περιοχή των 30 MPa και είχαν ως επί το πλείστον οριζόντια διεύθυνση. Αξιοσηµείωτη είναι η εµφάνιση δύο οριζόντιων ρωγµών στην κάτω περιοχή της πλευράς Γ του δοκιµίου σε φορτίο περίπου 42 MPa η οποία µετά από λίγο συνοδεύτηκε από την κατακόρυφη απόσχιση του µανδύα (Σχήµα 6.15). Με την σταδιακή αύξηση του φορτίου, οι προειδοποιητικές διογκώσεις του σκυροδέµατος εξελίσσονταν σε ρωγµές ενώ οι ήδη δηµιουργηµένες διευρύνονταν και επεκτείνονταν σε όλη την περίµετρο του δοκιµίου, µε τη µορφή οριζόντιων λωρίδων. Η αστοχία του δοκιµίου σηµειώθηκε σε φορτίο MPa και προκλήθηκε από την κατακόρυφη θραύση του µανδύα σε όλο του το µήκος κοντά στην ακµή του (Εικόνα 6.12). Με την αστοχία, απεγκλωβίστηκε µεγάλο µέρος της ενέργειας παραµόρφωσης εκτινάσσοντας θραύσµατα µεγάλης κινητικής ενέργειας σε µία ευρεία περιοχή. Όπως αποκαλύφθηκε στη συνέχεια, µε την εκτόπιση του µανδύα από το δοκίµιο, η αστοχία προκλήθηκε από τον έντονο λυγισµό µιας διαµήκους ράβδου στο µεσοδιάστηµα των δύο εσωτερικών συνδετήρων «τραυµατίζοντας» τοπικά το µανδύα στην κρίσιµη περιοχή συγκέντρωσης τάσεων (Εικόνα 6.13). Α Β Β Γ Γ Α Τοπική θραύση του µανδύα Σχήµα 6.15 ιογκώσεις και τοπική θραύση του µανδύα σε φορτίο 42 MPa. 158

191 Εικόνα 6.12 Αστοχία του δοκιµίου R3_S20 λόγω διάρρηξης του µανδύα στην περιοχή της ακµής. Εικόνα 6.13 Λυγισµός διαµήκους ράβδου του δοκιµίου R3_S20. Παρουσίαση αποτελεσµάτων δοκιµίου R3_S20 Τα αποτελέσµατα της θλίψης του δοκιµίου R3_S20 παρουσιάζονται στον Πίνακα 6.8 που ακολουθεί. οκίµιο Αντοχή f co (MPa) Παραµόρφωση που αντιστοιχεί στη µέγιστη τάση, ε co (%) Παραµόρφωση κατά την αστοχία ε cu (%) R3_S Πίνακας 6.8 Αποτελέσµατα δοκιµίου R3_S

192 50 45 R3_S Stress (MPa) Strain (-) Σχήµα 6.16 Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο R3_S20. Η µορφή της καµπύλης τάσεων παραµορφώσεων του δοκιµίου R3_S20 είναι ποιοτικά ανάλογη µε αυτή του δοκιµίου R2_S20. Η προσθήκη µιας επιπλέον στρώσης βελτίωσε τη συµπεριφορά του δοκιµίου τόσο ως προς την ικανότητα ανάληψης φορτίου, όσο και ως προς τις παραµορφώσεις αντοχής. Συγκεκριµένα, αύξησε την αντοχή κατά 19.8% και την παραµόρφωση κατά 15.63%. Επίσης, η εφαρµογή τριών στρώσεων υφάσµατος ινών άνθρακα µίας διεύθυνσης σε οργανική µήτρα αύξησε την παραµορφωσιµότητα του δοκιµίου κατά 1.95 φορές και την αντοχή του κατά 4.48 φορές σε σχέση µε αυτές του απερίσφιγκτου δοκιµίου C_S20. Προκειµένου να ελεγχθεί αν η διαρροή των ράβδων χάλυβα συνέβη πριν την εξάντληση της αντοχής του δοκιµίου ακολουθείται η γνωστή διαδικασία: Υπολογίζεται η διαφορά των µέγιστων φορτίων των δοκιµίων R3_S20 και R3_U στη συνέχεια συγκρίνεται µε το φορτίο διαρροής των τεσσάρων ράβδων χάλυβα. δp c,max=pc,max,r3_s20 - Pc,max,R3_U δ P c,max= kn Ps =δpc,max Ps = kn > Py = kn Εποµένως, η διαρροή των ράβδων συνέβη πριν την εξάντληση της αντοχής του δοκιµίου R3_S Συµπεριφορά δοκιµίου Μ4_S20 Το δοκίµιο Μ4_S20 ενισχύθηκε µε 4 στρώσεις πλέγµατος συνεχών ινών άνθρακα εµποτισµένων µε κονίαµα ανόργανης µήτρας. Οι πρώτες 160

193 ρωγµές παρατηρήθηκαν σε τάση 27.2 MPa. Όπως φαίνεται και στο Σχήµα 6.17 οι ρωγµές αυτές ήταν κατακόρυφες και εντοπίζονταν κοντά στις ακµές του δοκιµίου. Από πολύ νωρίς δηµιουργήθηκε η κατακόρυφη ρωγµή της πλευράς του δοκιµίου η οποία «παρακολουθούσε» το τελείωµα του πλέγµατος, στην περιοχή της αγκύρωσης (Εικόνα 6.14). Καθώς αυξανόταν το φορτίο, εµφανίζονταν αρκετές ρωγµές κοντά στην πλάκα έδρασης του δοκιµίου λόγω τοπικής θλίψης του µανδύα της περιοχής Με την περαιτέρω αύξηση του φορτίου η πλευρική παραµόρφωση του δοκιµίου στο µέσον του γινόταν πλέον ορατή, ως αποτέλεσµα της διόγκωσης του πυρήνα του σκυροδέµατος και κατ επέκταση της κάµψης των συνδετήρων. Η πλευρική αυτή παραµόρφωση ήταν πιο έντονη στις ακµές του δοκιµίου λόγω συγκέντρωσης τάσεων σε αυτές γεγονός που επιβεβαιωνόταν µε την τοπική αποφλοίωση της ανόργανης µήτρας από τις βροχίδες του πλέγµατος. Σε φορτίο 34.2 MPa η µορφή ρηγµάτωσης του δοκιµίου ήταν αυτή της Εικόνας 6.15 όπου στις ακµές έδρασης του δοκιµίου έχει επέλθει τοπικός λυγισµός του µανδύα. Η αστοχία του δοκιµίου εµφανίστηκε σταδιακά µε θραύση ενός µέρους ινών από τους κλώνους του πλέγµατος, στο επίπεδο των µεσαίων συνδετήρων του και µάλιστα κοντά στην περιοχή της αγκύρωσης και των ακµών του δοκιµίου (Εικόνα 6.16). Για την τοπική θραύση του πλέγµατος αιτίες είναι ο λυγισµός των διαµήκων ράβδων ή η κάµψη ή/και η διάνοιξη των συνδετήρων λόγω ανεπαρκούς αγκύρωσής τους στον πυρήνα του σκυροδέµατος. Συµπερασµατικά, το δοκίµιο Μ4_S20 αστόχησε κατόπιν σταδιακής θραύσης των ινών και αποφλοίωσης της ανόργανης µήτρας µέχρι τη στιγµή που η συµβολή τους δεν επέφερε καµία αντίσταση στην επιβαλλόµενη θλίψη. Α Β Β Γ Γ Α Σχήµα 6.17 Ρηγµάτωση του δοκιµίου Μ4_S20 σε τάση 27.2 MPa. 161

194 Εικόνα 6.14 Αποκόλληση του µανδύα του δοκιµίου Μ4_S20 στην περιοχή της αγκύρωσης. (α) (β) Εικόνα 6.15 (α) Τοπική θλίψη του µανδύα στην ακµή του δοκιµίου Μ4_S20 (β) ιεύρυνση της ρηγµάτωσης στην περιοχή της αγκύρωσης και αποφλοίωση της ανόργανης µήτρας στο επίπεδο των συνδετήρων. Εικόνα 6.16 Ορατή διόγκωση του δοκιµίου στο µεσοδιάστηµα µεταξύ των συνδετήρων, αποφλοίωση του κονιάµατος στις κρίσιµες περιοχές των ακµών, της αγκύρωσης και του επιπέδου των συνδετήρων. 162

195 Παρουσίαση αποτελεσµάτων δοκιµίου Μ4_S20 Τα αποτελέσµατα της θλίψης του δοκιµίου Μ4_S20 παρουσιάζονται στον Πίνακα 6.9 που ακολουθεί. οκίµιο Αντοχή f co (MPa) Παραµόρφωση που αντιστοιχεί στη µέγιστη τάση, ε co (%) Παραµόρφωση κατά την αστοχία ε cu (%) Μ4_S Πίνακας 6.9 Αποτελέσµατα δοκιµίου Μ4_S M4_S20 30 Stress(MPa) Strain(-) Σχήµα 6.18 Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο Μ4_S20. Το Σχήµα 6.18 παρουσιάζει την καµπύλη τάσεων-παραµορφώσεων του δοκιµίου Μ4_S20 η οποία, όπως φαίνεται αποτελείται από τρία στάδια. Καθένα από αυτά τα στάδια βρίσκεται µεταξύ δύο χαρακτηριστικών σηµείων. Το πρώτο στάδιο βρίσκεται µεταξύ του σηµείου έναρξης της µηχανικής θλίψης και του σηµείου της πρώτης ρηγµάτωσης που αντιστοιχεί σε παραµόρφωση όµοια µε αυτή του απερίσφιγκτου δοκιµίου C_S20 (ε=0.21%). Το στάδιο αυτό απεικονίζεται από έναν γραµµικό και ανιόντα κλάδο. Μετά το τέλος του πρώτου σταδίου το δοκίµιο µεταβαίνει οµαλά στο δεύτερο στάδιο το οποίο χαρακτηρίζεται από έναν ανιόντα κλάδο, µικρότερης όµως κλίσης από τον προηγούµενο, µέχρι την µέγιστη αντοχή (ε=1.033%). Σε αυτό διάστηµα παραµορφώσεων το σκυρόδεµα έχει εξαντλήσει την παραµόρφωση αστοχίας του και η αύξηση του φορτίου είναι 43% ενώ η αύξηση των παραµορφώσεων, 163

196 392%. Το τρίτο στάδιο παρεµβάλλεται µεταξύ του σηµείου αντοχής του δοκιµίου και του σηµείου αστοχίας του. Το σηµείο αστοχίας του ορίστηκε ως το σηµείο εκείνο του κατιόντος κλάδου του οποίου η τάση αντιστοιχεί στο 80% της µέγιστης τιµής της τάσης, ήτοι fccu = 0.8 fcc. Στο στάδιο αυτό συνέβαινε σταδιακή αστοχία των ινών του µανδύα συνοδευόµενη από µικρή πτώση του φορτίου και όχι απότοµη διάρρηξη, όπως στην περίπτωση του ισοδύναµου δοκιµίου του R2_S20. Στη συνέχεια, ο µανδύας συνέχιζε να λειτουργεί, µε αποτέλεσµα το δοκίµιο να ανακτά την ικανότητα ανάληψης του φορτίου, παρουσιάζοντας µια «ψευδοπλάστιµη» συµπεριφορά µέχρι την καθολική θραύση. Η εφαρµογή τεσσάρων στρώσεων πλέγµατος συνεχών ινών άνθρακα εµποτισµένων µε τσιµεντοειδές κονίαµα αύξησε την παραµορφωσιµότητα του δοκιµίου κατά 3.97 φορές και την αντοχή του κατά 1.5 φορές σε σχέση µε αυτές του απερίσφιγκτου δοκιµίου C_S20. Η διαρροή των ράβδων χάλυβα συνέβη πριν την εξάντληση της αντοχής του δοκιµίου, αφού: δp c,max=pc,max,m4_s20 - Pc,max,M4_U δ P c,max= kn Το επιπρόσθετο φορτίο δ Pc,max αναλαµβάνεται από τις ράβδους, µε εξάντληση του φορτίου που απαιτείται για τη διαρροή τους αφού: Ps =δpc,max Ps = kn > Py = kn Συµπεριφορά δοκιµίου Μ6_S20 Το δοκίµιο Μ6_S20 ενισχύθηκε µε 6 στρώσεις πλέγµατος συνεχών ινών άνθρακα εµποτισµένων µε κονίαµα ανόργανης µήτρας. Οι πρώτες «προειδοποιητικές» ρωγµές στο κονίαµα της ανόργανης µήτρας εκδηλώθηκαν σε τάση 30.5 MPa και είχαν διεύθυνση παράλληλη στη διεύθυνση θλίψης του δοκιµίου (Εικόνα 6.17 (α), (β), (γ), (δ)). Στην ίδια τάση έκανε την εµφάνισή της µια κατακόρυφη ρωγµή η οποία «παρακολουθούσε» το τελείωµα του πλέγµατος, στην περιοχή της αγκύρωσης (Εικόνα 6.18). Από πολύ νωρίς, σε όλη την περίµετρο των ακµών του δοκιµίου που ήταν σε επαφή µε τις πλάκες φόρτισης εµφανίστηκαν φαινόµενα τοπικού λυγισµού του µανδύα, δείχνοντας πως λειτουργούσε µόνος του σε θλίψη χωρίς να µεταβιβάζει τα φορτία στην εγκάρσια διεύθυνση των ινών (Εικόνα 6.19). Η προς τα έξω κάµψη του µανδύα είχε ως επακόλουθο την εκτεταµένη ρηγµάτωση του κονιάµατος έως εκτίναξής του (Εικόνα 6.20). Στην πορεία και αφού αυξανόταν το φορτίο, σχηµατίζονταν εκτεταµένες διογκώσεις τόσο στην µεσαία, ασθενέστερη ζώνη του δοκιµίου όσο και στα επίπεδα των συνδετήρων. Όταν η καµπυλότητα των διογκώσεων αυτών µεγάλωνε αρκετά, η ανόργανη µήτρα ξεπερνούσε το όριο της εφελκυστικής της αντοχής και αστοχούσε. Στην Εικόνα 6.21 φαίνεται η 164

197 αποκόλληση των κλώνων του πλέγµατος της ανόργανης µήτρας στην ακµή του δοκιµίου. Με την περαιτέρω αύξηση του φορτίου, το δοκίµιο υπέστη σηµαντική διόγκωση και όλες οι επιφάνειές του (πλευρικές και καµπύλεςγωνιακές) µετατράπηκαν σε ένα εκτεταµένο δίκτυο ρωγµών µε τοπικές αποκολλήσεις κονιάµατος. Τελικά, η αστοχία του δοκιµίου Μ6_S20 επήλθε οµαλά µε τη σταδιακή θραύση και ολίσθηση των ινών στις υπερκαταπονούµενες περιοχές της ακµής και της αγκύρωσής του και µέχρι τη στιγµή που ο µανδύας εξάντλησε την ικανότητα ανάληψης εφελκυστικού φορτίου (Εικόνα 6.22). Λόγω της φύσης της ανόργανης µήτρας η αστοχία δεν συνέβη από µία απότοµη, ψαθυρή θραύση σε µια κύρια ρωγµή (όπως στο ισοδύναµό του δοκίµιο R3_S20) αλλά η ενέργεια παραµόρφωσης κατανεµήθηκε από νωρίς σε έναν µεγάλο αριθµό µικρών ρωγµών, επιµηκύνοντας τελικά την παραµορφωσιµότητα και πλαστιµότητα του µέλους. (α) (β) (γ) (δ) Εικόνα 6.17 (α), (β), (γ), (δ) Κατακόρυφη ρηγµάτωση του δοκιµίου Μ6_S20 σε τάση 30.5 MPa. 165

198 Εικόνα 6.18 Εµφάνιση ρωγµής σε τάση 30.5 MPa κατά µήκος της αγκύρωσης του δοκιµίου Μ6_S20. Εικόνα 6.19 Εκδήλωση του φαινοµένου του τοπικού λυγισµού του µανδύα στις ακµές έδρασης του δοκιµίου. 166

199 Εικόνα 6.20 Τοπική αποφλοίωση του κονιάµατος στην κορυφή του δοκιµίου λόγω κάµψης του µανδύα. (α) (β) (γ) Εικόνα 6.21 (α), (β), (γ) Αποκόλληση των κλώνων του πλέγµατος από την ανόργανη µήτρα λόγω θραύσης ή/και ολίσθησής τους. 167

200 Εικόνα 6.22 Ορατή διόγκωση του δοκιµίου στο µεσοδιάστηµα µεταξύ των συνδετήρων, αποφλοίωση του κονιάµατος µε θραύση ή/και ολίσθηση των ινών στις κρίσιµες περιοχές των ακµών, της αγκύρωσης και του επιπέδου των συνδετήρων. Παρουσίαση αποτελεσµάτων δοκιµίου Μ6_S20 Τα αποτελέσµατα της θλίψης του δοκιµίου Μ6_S20 παρουσιάζονται στον Πίνακα 6.10 που ακολουθεί. οκίµιο Αντοχή f co (MPa) Παραµόρφωση που αντιστοιχεί στη µέγιστη τάση, ε co (%) Παραµόρφωση κατά την αστοχία ε cu (%) Μ6_S Πίνακας 6.10 Αποτελέσµατα δοκιµίου Μ6_S

201 45 40 M6_S20 35 Stress (MPa) Strain(-) Σχήµα 6.19 Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο Μ6_S20. Η µορφή της καµπύλης τάσεων παραµορφώσεων του δοκιµίου Μ6_S20 είναι ποιοτικά ανάλογη µε αυτή του δοκιµίου Μ4_S20. Η προσθήκη δύο επιπλέον στρώσεων βελτίωσε τη συµπεριφορά του δοκιµίου τόσο ως προς την ικανότητα ανάληψης φορτίου, όσο και ως προς τις παραµορφώσεις αντοχής και αστοχίας. Στην περιοχή που ορίζεται από το σηµείο πρώτης ρηγµάτωσης του σκυροδέµατος του δοκιµίου και ενεργοποίησης της περισφιγκτικής δράσης του µανδύα (ε=0.21%) µέχρι το σηµείο όπου επιτυγχάνεται η µέγιστη τάση του (ε=1.31%), η αύξηση του φορτίου είναι 51.7% ενώ το ποσοστό αύξησης των παραµορφώσεων είναι 523.8%. Επίσης, η εφαρµογή έξι στρώσεων πλέγµατος συνεχών ινών άνθρακα εµποτισµένων µε κονίαµα ανόργανης µήτρας αύξησε την παραµορφωσιµότητα του δοκιµίου κατά 4.58 φορές και την αντοχή του κατά 1.57 φορές σε σχέση µε τις αντίστοιχες τιµές του απερίσφιγκτου δοκιµίου C_S20. Για να ελεγχθεί αν η διαρροή των ράβδων χάλυβα συνέβη πριν ή µετά την εξάντληση της αντοχής του δοκιµίου ακολουθείται η γνωστή διαδικασία: Υπολογίζεται η διαφορά των µέγιστων φορτίων των δοκιµίων Μ6_S20 και Μ6_U και στη συνέχεια συγκρίνεται µε το φορτίο διαρροής των τεσσάρων ράβδων χάλυβα. δp c,max=pc,max,m6_s20 - Pc,max,M6_U δ P c,max= kn Ps =δpc,max Ps = kn < Py = kn Εποµένως, η διαρροή των ράβδων συνέβη µετά την εξάντληση της αντοχής του δοκιµίου Μ6_S

202 6.4 ΟΜΑ Α 3 ΟΚΙΜΙΑ ΜΕ ΠΥΚΝΗ ΙΑΤΑΞΗ ΕΓΚΑΡΣΙΟΥ ΟΠΛΙΣΜΟΥ (C_S10, R2_ S10, R3_ S10, M4_ S10, M6_ S10) Η Οµάδα δοκιµίων 3 συνίσταται από πέντε δοκίµια µε πυκνή διάταξη εγκαρσίου οπλισµού. ύο από τα πέντε δοκίµια ενισχύθηκαν µε 2 και 3 στρώσεις υφασµάτων ινών άνθρακα µίας διεύθυνσης-ud εµποτισµένων µε εποξειδική ρητίνη, άλλα δύο µε 4 και 6 στρώσεις πλεγµάτων συνεχών ινών άνθρακα εµποτισµένων µε ανόργανη µήτρα και το τελευταίο παρέµεινε απερίσφιγκτο προκειµένου να χρησιµοποιηθεί ως δοκίµιο-µάρτυρας για τη σύγκριση της αποτελεσµατικότητας της περίσφιγξης των τεσσάρων υπόλοιπων δοκιµίων που εξετάζονται. Τα πέντε δοκίµια αυτά όπως έχει ήδη αναφερθεί, υποβλήθηκαν σε µονοτονική θλιπτική καταπόνηση µέχρι τη θραύση τους Συµπεριφορά δοκιµίου C_S10 Το δοκίµιο-ελέγχου C_S10 είχε αρκετές τριχοειδείς ρωγµές στην επιφάνειά του προτού ακόµα φορτιστεί σε µονοαξονική θλίψη, που οφείλονταν στη συστολή ξήρανσης του τσιµεντοπολτού. Σε τάση 22 MPa παρατηρήθηκαν οι «προειδοποιητικές» ρωγµές του Σχήµατος 6.20 οι οποίες κατανέµονταν σε όλες τις πλευρικές επιφάνειες του δοκιµίου, παρουσιάζοντας όµως µια εµφανή συσσώρευση κοντά στις ακµές. Με την περαιτέρω αύξηση του φορτίου στα 24.3 MPa, οι ρωγµές αυτές έγιναν πιο επιµήκεις και διαµπερείς ενώ δηµιουργήθηκαν και άλλες (Εικόνα 6.23) διευκολύνοντας έτσι την αποκόλληση µεγάλων τµηµάτων της επικάλυψης του σκυροδέµατος που είχε ως επακόλουθο την αποκάλυψη του εσωτερικού οπλισµού. Από το σηµείο αυτό και µέχρι τη διακοπή της θλιπτικής καταπόνησης επήλθε οµαλή πτώση του φορτίου σε σηµείο που η συµπεριφορά του δοκιµίου µπορούσε να χαρακτηρισθεί ως πλάστιµη. Εν ολίγοις, ο τρόπος µε τον οποίο αστόχησε το δοκίµιο C_S10 ήταν πιο πλάστιµος από αυτόν του δοκιµίου C_S20. Η ύπαρξη ενός επιπλέον συνδετήρα «παράτεινε» περισσότερο την αστοχία του η οποία σηµειώθηκε µε την αποφλοίωση του σκυροδέµατος της επικάλυψης των οπλισµών (Εικόνα 6.24). 170

203 Α Β Β Γ Γ Α Σχήµα 6.20 Ρηγµάτωση του δοκιµίου C_S10 σε τάση 22 MPa. (α) (β) (γ) Εικόνα 6.23 (α) οκίµιο-ελέγχου C_S10 (β) Οι πρώτες τριχοειδείς ρωγµές της επιφάνειας του δοκιµίου (γ) Αποκόλληση τµηµάτων σκυροδέµατος της επικάλυψης στις κρίσιµες περιοχές των ακµών σε τάση 24.3 MPa. 171

204 Εικόνα 6.24 Αστοχία δοκιµίου C_S10. Παρουσίαση αποτελεσµάτων δοκιµίου C_S10 Τα αποτελέσµατα της θλίψης του δοκιµίου C_S10 παρουσιάζονται στον Πίνακα 6.11 που ακολουθεί. οκίµιο Αντοχή f co (MPa) Παραµόρφωση που αντιστοιχεί στη µέγιστη τάση, ε co (%) Παραµόρφωση κατά την αστοχία ε cu (%) C_S Πίνακας 6.11 Αποτελέσµατα δοκιµίου C_S C_S10 Stress (MPa) Strain (-) Σχήµα 6.21 Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο C_S

205 Η καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων του δοκιµίου C_S10 αποτελείται από δύο κλάδους. Ο αρχικός κλάδος είναι γραµµικός, ανιόντας και έχει µεγαλύτερη κλίση από τον αντίστοιχο του δοκιµίου C_S20, λόγω της επιπρόσθετης δυσκαµψίας που προσέδωσε σε αυτό, η προσθήκη του ενδιάµεσου συνδετήρα. Ο δεύτερος κλάδος που έχει ως χαρακτηριστικά του σηµεία το σηµείο που αντιστοιχεί στην αντοχή του δοκιµίου και το σηµείο που αντιστοιχεί στην αστοχία του, είναι γραµµικός και φθίνοντας µε εξαιρετική ικανότητα ανάληψης του κατακόρυφου φορτίου µέχρι µεγάλες παραµορφώσεις. Η οµαλή πτώση του φορτίου είναι ενδεικτική της καθυστέρησης του φαινοµένου του λυγισµού στο δοκίµιο. Η ερµηνεία αυτή επιβεβαιώθηκε και µε την παρατήρηση του δοκιµίου µετά το τέλος της πειραµατικής δοκιµής και την αποµάκρυνση των αποκολληµένων τεµαχίων του, όπου διαπιστώθηκε πως η βλάβη του οφειλόταν σε σύνθλιψη και αποδιοργάνωση του σκυροδέµατος, χωρίς να έχει εµφανισθεί θραύση των συνδετήρων ή λυγισµός των διαµήκων ράβδων του. Η προσθήκη ενός επιπλέον συνδετήρα στην µεσοαπόσταση του δοκιµίου C_S10, είχε ευµενές αποτέλεσµα στη συµπεριφορά του καθότι βελτίωσε την ικανότητα ανάληψης θλιπτικού φορτίου και παράτεινε την αστοχία του σε σχέση µε το δοκίµιο C_S20. Προκειµένου να ελεγχθεί αν η διαρροή των ράβδων χάλυβα συνέβη πριν την εξάντληση της αντοχής του σκυροδέµατος ακολουθείται η γνωστή διαδικασία: Υπολογίζεται το εµβαδό της διατοµής µιας ράβδου χάλυβα, Φ π d π 12 2 A= A= A= mm 4 4 Υπολογίζεται το φορτίο που απαιτείται για να διαρρεύσουν και οι τέσσερεις ράβδοι χάλυβα Φ12 µε βάση την αντοχή διαρροής που προέκυψε από τις δοκιµές εφελκυσµού. Py = fy A Py = ( ) 1000 Py = kN Υπολογίζεται η διαφορά των µέγιστων φορτίων των δοκιµίων C_S10 και C_U. δp c,max=pc,max,c_s10 - Pc,max,C_U δ P c,max= kn Το επιπρόσθετο φορτίο δ Pc,max αναλαµβάνεται από τις ράβδους, µε εξάντληση του φορτίου διαρροής τους αφού: Ps =δpc,max Ps = kN > Py = kN Συνεπώς, οι ράβδοι χάλυβα ξεπέρασαν το όριο διαρροής τους προτού εκδηλωθεί η αστοχία του δοκιµίου. Συµπερασµατικά, η προσθήκη ενός επιπλέον συνδετήρα στην µεσοαπόσταση του δοκιµίου, είχε ευµενές αποτέλεσµα στη συµπεριφορά του 173

206 καθότι απέτρεψε τον τοπικό λυγισµό των διαµήκων ράβδων του και καθυστέρησε την αστοχία του σκυροδέµατος Συµπεριφορά δοκιµίου R2_S10 Το οπλισµένο δοκίµιο R2_S10 ενισχύθηκε µε 2 στρώσεις υφάσµατος ινών άνθρακα µίας διεύθυνσης εµποτισµένων µε εποξειδική ρητίνη. Σε τάση 27.5 MPa παρατηρήθηκαν οι πρώτες διογκώσεις του δοκιµίου, στις περιοχές που φαίνονται στο σκίτσο του Σχήµατος Η αστοχία του δοκιµίου σηµειώθηκε σε φορτίο 42 MPa και προκλήθηκε από την κατακόρυφη θραύση του µανδύα κοντά στην ακµή της πλευράς (Εικόνα 6.25 (β)). Με τη διάρρηξη του µανδύα απελευθερώθηκε µια τεράστια ποσότητα ενέργειας που είχε εγκλειστεί λόγω της περίσφιγξης µε τα ινοπλισµένα πολυµερή. Μετά το τέλος της δοκιµής και την αποµάκρυνση του µανδύα από το σώµα του σκυροδέµατος έγιναν οι εξής παρατηρήσεις: Ο µανδύας αποκολλήθηκε εύκολα από την επιφάνεια του σκυροδέµατος, συµπαρασύροντας τον επιδερµικό φλοιό. Οι στρώσεις του υφάσµατος ήταν συνδεδεµένες µονολιθικά µε την εποξειδική ρητίνη και συµπεριφέρονταν σαν ένα συµπαγές σώµα. Η αποφλοίωση του σκυροδέµατος της επικάλυψης έφτανε σε βάθος ίσο µε την επικάλυψη των οπλισµών στο µέσον του δοκιµίου και µειωνόταν όσο πλησίαζε προς την κορυφή και τη βάση του (λόγω των επιπρόσθετων συνδετήρων της περιοχής) (Εικόνα 6.25 (γ)). Η βλάβη είχε περιοριστεί στην εκτός του πυρήνα περιοχή. εν παρατηρήθηκε θραύση των συνδετήρων και ούτε λυγισµός των διαµήκων ράβδων του. Α Β Β Γ Γ Α Σχήµα 6.22 Οι πρώτες ορατές διογκώσεις του µανδύα του δοκιµίου R2_S10 σε τάση 27.5 MPa. 174

207 (α) (β) (γ) Εικόνα 6.25 (α) οκίµιο R2_S10 (β) Κατακόρυφη θραύση του µανδύα κοντά στην ακµή (γ) Το δοκίµιο µετά την αποµάκρυνση του µανδύα και των σαθρών τεµαχίων της επικάλυψης. Παρουσίαση αποτελεσµάτων δοκιµίου R2_S10 Τα αποτελέσµατα της θλίψης του δοκιµίου R2_S10 παρουσιάζονται στον Πίνακα 6.12 που ακολουθεί. οκίµιο Αντοχή f co (MPa) Παραµόρφωση που αντιστοιχεί στη µέγιστη τάση, ε co (%) Παραµόρφωση κατά την αστοχία ε cu (%) R2_S Πίνακας 6.12 Αποτελέσµατα δοκιµίου R2_S

208 50 45 R2_S Stress (MPa) Strain (-) Σχήµα 6.23 Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο R2_S10. Η καµπύλη τάσεων-παραµορφώσεων του δοκιµίου R2_S10 όπως φαίνεται, αποτελείται από τρεις περιοχές. Η πρώτη περιοχή που καλύπτει το διάστηµα παραµορφώσεων από 0 έως 0.20% περιλαµβάνει έναν γραµµικό, ανιόντα και ίδιας κλίσης κλάδο µε εκείνον του απερίσφιγκτου σκυροδέµατος, C_S10 γεγονός που επιβεβαιώνει την ανεξαρτησία της περιοχής αυτής από την επίδραση της περίσφιγξης. Η δεύτερη περιοχή που καλείται και περιοχή µετάβασης διαχωρίζεται µέσω µιας οµαλής καµπύλης από την πρώτη. Στην περιοχή αυτή παρατηρούνται η πρώτη ρηγµάτωση του δοκιµίου και η ενεργοποίηση της περίσφιγξης του µανδύα. Η πορεία του κλάδου της περιοχής αυτής είναι αύξουσα µέχρι την αντοχή που αντιστοιχεί σε παραµόρφωση ε=1.32% (τιµή µεγαλύτερη από εκείνη που σηµειώθηκε για το δοκίµιο R2_S20). Η αύξηση του φορτίου που επιτυγχάνεται σε αυτή τη περιοχή είναι 86.53% ενώ η αύξηση της παραµόρφωσης στην αντοχή, 560%. Η τρίτη περιοχή διακρίνεται έντονα µε µία απότοµη πτώση του αξονικού φορτίου, χωρίς περαιτέρω αύξηση της παραµορφωσιµότητας. Γι αυτό και η παραµόρφωση αστοχίας ταυτίζεται µε την παραµόρφωση αντοχής. Η εφαρµογή δύο στρώσεων υφάσµατος ινών άνθρακα µίας διεύθυνσης σε οργανική µήτρα αύξησε την παραµορφωσιµότητα του δοκιµίου κατά 4.55 φορές και την αντοχή του κατά 1.74 φορές σε σχέση µε αυτές του απερίσφιγκτου δοκιµίου C_S10. Για να ελεγχθεί αν η διαρροή των ράβδων χάλυβα συνέβη πριν την εξάντληση της αντοχής του δοκιµίου ακολουθείται η γνωστή διαδικασία: Υπολογίζεται η διαφορά των µέγιστων φορτίων των δοκιµίων R2_S10 και 176

209 R2_U και στη συνέχεια συγκρίνεται µε το φορτίο διαρροής των τεσσάρων ράβδων χάλυβα. δp c,max=pc,max,r2_s10 - Pc,max,R2_U δ P c,max= kn Ps =δpc,max Ps = kn > Py = kn Εποµένως, η διαρροή των ράβδων συνέβη πριν την αστοχία του δοκιµίου R2_S Συµπεριφορά δοκιµίου R3_S10 Το οπλισµένο δοκίµιο R3_S10 ενισχύθηκε µε 3 στρώσεις υφάσµατος ινών άνθρακα µίας διεύθυνσης εµποτισµένων µε εποξειδική ρητίνη. Οι διογκώσεις του µανδύα οι οποίες άρχισαν να γίνονται ορατές σε τάση 32.5 MPa είχαν την µορφή που απεικονίζεται στο σκίτσο του Σχήµατος Όπως φαίνεται, οι περιοχές µέγιστης διόγκωσης εντοπίζονται κοντά στις στάθµες των συνδετήρων, όπου δηµιουργούνται και οι µεγαλύτερες εγκάρσιες παραµορφώσεις (Εικόνα 6.26). Οι διογκώσεις αυτές προτού προλάβουν να εξελιχτούν σε ρηγµατώσεις, διακόπηκαν από την βίαιη, κατακόρυφη διάρρηξη του µανδύα στο µέσο της πλευράς του δοκιµίου και σε τάση MPa (Εικόνες 6.27, 6.28). Όπως αποκαλύφθηκε στη συνέχεια, µε την αποµάκρυνση του µανδύα από το δοκίµιο, η αστοχία προκλήθηκε από την εγκάρσια διόγκωση του σκυροδέµατος. Ως εκ τούτου παρατηρήθηκε σύνθλιψη και αποδιοργάνωση του σκυροδέµατος της επικάλυψης σε όλο το ύψος του δοκιµίου ενώ αποτράπηκε η θραύση των συνδετήρων και ο λυγισµός των διαµήκων ράβδων. Α Β Β Γ Γ Α Σχήµα 6.24 Οι πρώτες ορατές διογκώσεις του µανδύα του δοκιµίου R3_S10 σε τάση 32.5 MPa. 177

210 Εικόνα 6.26 (α) οκίµιο R3_S10 (β) Οι πρώτες ορατές διογκώσεις του δοκιµίου. Εικόνα 6.27 Κατακόρυφη διάρρηξη του µανδύα στο µέσον της πλευράς της - Αποκάλυψη του κονιορτοποιηµένου σκυροδέµατος της επικάλυψης. Εικόνα 6.28 Το δοκίµιο R3_S10 µετά την αποµάκρυνση του µανδύα και των σαθρών τεµαχίων της επικάλυψης. 178

211 Παρουσίαση αποτελεσµάτων δοκιµίου R3_S10 Τα αποτελέσµατα της θλίψης του δοκιµίου R3_S10 παρουσιάζονται στον Πίνακα 6.13 που ακολουθεί. οκίµιο Αντοχή f co (MPa) Παραµόρφωση που αντιστοιχεί στη µέγιστη τάση, ε co (%) Παραµόρφωση κατά την αστοχία ε cu (%) R3_S Πίνακας 6.13 Αποτελέσµατα δοκιµίου R3_S R3_S Stress (MPa) Strain (-) Σχήµα 6.25 Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο R3_S10. Η µορφή της καµπύλης τάσεων παραµορφώσεων του δοκιµίου R3_S10 είναι ποιοτικά ανάλογη µε αυτή του δοκιµίου R2_S10. Η προσθήκη µιας επιπλέον στρώσης υφάσµατος βελτίωσε τη συµπεριφορά του δοκιµίου τόσο ως προς την ικανότητα ανάληψης φορτίου, όσο και ως προς τις παραµορφώσεις αντοχής. Συγκεκριµένα, αύξησε την αντοχή κατά 7.8% και την παραµόρφωση κατά 30.3% σε σχέση µε αυτή του δοκιµίου R2_S10. Επίσης, η εφαρµογή τριών στρώσεων υφάσµατος ινών άνθρακα µίας διεύθυνσης σε οργανική µήτρα αύξησε την παραµορφωσιµότητα του δοκιµίου κατά 5.93 φορές και την αντοχή του κατά 1.88 φορές σε σχέση µε αυτές του απερίσφιγκτου δοκιµίου C_S

212 Όπως και στα προηγούµενα δοκίµια, έτσι και για το δοκίµιο R3_S10, προκειµένου να ελεγχθεί αν η διαρροή των ράβδων χάλυβα συνέβη πριν την εξάντληση της αντοχής του ακολουθείται η συνήθης διαδικασία: Υπολογίζεται η διαφορά των µέγιστων φορτίων των δοκιµίων R3_S10 και R3_U στη συνέχεια συγκρίνεται µε το φορτίο διαρροής των τεσσάρων ράβδων χάλυβα. δp c,max=pc,max,r3_s10 - Pc,max,R3_U δ P c,max= kn Ps =δpc,max Ps = kn > Py = kn Εποµένως, η διαρροή των ράβδων συνέβη πριν αστοχία του δοκιµίου R3_S Συµπεριφορά δοκιµίου Μ4_S10 Το δοκίµιο Μ4_S10 ενισχύθηκε µε 4 στρώσεις πλέγµατος συνεχών ινών άνθρακα εµποτισµένων µε κονίαµα ανόργανης µήτρας. Μετά την τοποθέτησή του στην µηχανή θλίψης και την ανύψωση του κάτω εµβόλου της παρατηρήθηκε γωνιακή απόκλιση µεταξύ της πάνω επιφάνειάς του δοκιµίου και της πλάκας φόρτισης. Η απόκλιση αυτή αποδόθηκε στην ύπαρξη ανωµαλιών που προκλήθηκαν από την αθέλητη επικόλληση κονιάµατος κατά τη φάση της ενίσχυσης. Σε τάση 28 MPa εµφανίστηκαν τριχοειδείς ρωγµές οι οποίες είχαν περίπου σταθερή απόσταση µεταξύ τους (3 cm) και επεκτείνονταν σε διεύθυνση παράλληλη µε το ύψος του δοκιµίου (Εικόνες 6.29, 6.30). Στο ίδιο φορτίο παρουσιάστηκε και µία κατακόρυφη ρωγµή κατά µήκος της αγκύρωσης (Εικόνα 6.31(α)). Με την αύξηση του φορτίου παρατηρείτο σταδιακή διεύρυνση των ρωγµών αυτών και ανάπτυξη νέων όχι µόνο στις παράπλευρες επιφάνειες του δοκιµίου αλλά και στις ακµές του (Εικόνες 6.31(β), 6.32). Από τάση 32 MPa και έπειτα, οι εγκάρσιες διογκώσεις του δοκιµίου στις ενδιάµεσες περιοχές των συνδετήρων του γίνονταν περισσότερο ορατές, χωρίς όµως να είναι τόσο έντονες όσο στην περίπτωση του δοκιµίου Μ4_S20 (Εικόνα 6.32). Αυτό δικαιολογείται από το γεγονός ότι για το δοκίµιο Μ4_S20 αιτία της έντονης διόγκωσής του ήταν η µειωµένη περίσφιγξη λόγω του ανεπαρκούς ποσοστού συνδετήρων. Η αστοχία του δοκιµίου επήλθε τελικά σε τάση 38.3 MPa µε τη διεύρυνση ενός τεράστιου δικτύου ρωγµών, στην περιοχή της αγκύρωσης και στην περιοχή της κείµενης ακµής που είχε σαν αποτέλεσµα την αποτίναξη του κονιάµατος από το µανδύα και την πλήρη ενεργοποίηση των ινών σε εφελκυσµό (Εικόνα 6.33). 180

213 Εικόνα 6.29 Εµφάνιση τριχοειδών ρωγµών στις πλευρικές επιφάνειες του δοκιµίου Μ4_S10 ανά σταθερές αποστάσεις. (α) (β) Εικόνα 6.30 οκίµιο Μ4_S10 (α) Τριχοειδείς κατακόρυφες ρωγµές σε τάση 28 MPa (β) ιογκώσεις στην στάθµη του µεσαίου συνδετήρα. 181

214 (α) (β) Εικόνα 6.31 (α) Εµφάνιση ρωγµής κατά µήκος της αγκύρωσης (β) Τοπικός λυγισµός του µανδύα κοντά στην ακµή έδρασης του δοκιµίου. Εικόνα 6.32 Ορατές διογκώσεις του δοκιµίου Μ4_S10 στις ακµές του και στη στάθµη του ενδιάµεσου συνδετήρα. Αποφλοίωση του κονιάµατος στην ακµή και αποκάλυψη της πλήρους ενεργοποίησης των ινών. 182

215 Εικόνα 6.33 Αστοχία του δοκιµίου Μ4_S10. Παρουσίαση αποτελεσµάτων δοκιµίου M4_S10 Τα αποτελέσµατα της θλίψης του δοκιµίου M4_S10 παρουσιάζονται στον Πίνακα 6.14 που ακολουθεί. οκίµιο Αντοχή f co (MPa) Παραµόρφωση που αντιστοιχεί στη µέγιστη τάση, ε co (%) Παραµόρφωση κατά την αστοχία ε cu (%) M4_S Πίνακας 6.14 Αποτελέσµατα δοκιµίου M4_S M4_S10 30 Stress(MPa) Strain(-) Σχήµα 6.26 Καµπύλη τάσεων παραµορφώσεων για το δοκίµιο Μ4_S

216 Η καµπύλη τάσεων-παραµορφώσεων του δοκιµίου Μ4_S10 παρουσιάζει ποιοτική συγγένεια µε αυτή του δοκιµίου Μ4_S20 και εποµένως µπορεί να διαχωριστεί µε τον ίδιο ακριβώς τρόπο, σε τρία στάδια (Σχήµα 6.26). Το πρώτο στάδιο, το οποίο απεικονίζεται από έναν γραµµικό και ανιόντα κλάδο και βρίσκεται µεταξύ του σηµείου έναρξης της θλιπτικής καταπόνησης και του σηµείου της πρώτης ρηγµάτωσης (ε=0.20%). Το δεύτερο στάδιο, το οποίο διαχωρίζεται µέσω µιας οµαλής καµπύλης από το πρώτο και αποτελείται από έναν ανιόντα αλλά µικρότερης κλίσης κλάδο, µέχρι το σηµείο της µέγιστης τάσης του δοκιµίου (ε=1.26%). Σε αυτό στάδιο που ονοµάζεται και µεταβατικό στάδιο η αύξηση του φορτίου που επιτυγχάνεται είναι 86.73% και η αύξηση των παραµορφώσεων αντοχής, 510%. Το τρίτο στάδιο, το οποίο ξεκινά µε µια απότοµη και µικρή πτώση του φορτίου ενώ µετά ακολουθείται από έναν κλάδο στον οποίο συµβαίνει προοδευτική πτώση του φορτίου µέχρι την καθολική αστοχία του δοκιµίου, η οποία θεωρείται ότι συµβαίνει στο σηµείο εκείνο του κατιόντος κλάδου του οποίου η τάση αντιστοιχεί στο 80% της µέγιστης τιµής της τάσης, ήτοι fccu = 0.8 f cc f ccu = MPa. Στο στάδιο αυτό διενεργείται ανακατανοµή των τάσεων στο σύστηµα ενίσχυσης λόγω της φύσης του τσιµεντοειδούς κονιάµατος και του είδους της συνάφειας που αναπτύσσεται µεταξύ του πλέγµατος και της ανόργανης µήτρας, µε αποτέλεσµα το δοκίµιο να παρουσιάζει µια «ψευδοπλάστιµη» συµπεριφορά. Η απότοµη πτώση του κλάδου του τρίτου σταδίου αµέσως µετά την επίτευξη της αντοχής οφείλεται στην θραύση µεγάλου µέρους ινών στην περιοχή της ακµής λόγω διόγκωσης του δοκιµίου και εν συνεχεία κάµψης του ενδιάµεσου συνδετήρα. Η εφαρµογή τεσσάρων στρώσεων πλέγµατος συνεχών ινών άνθρακα εµποτισµένων µε τσιµεντοειδές κονίαµα αύξησε την παραµορφωσιµότητα του δοκιµίου κατά 4.34 φορές και την αντοχή του κατά 1.59 φορές σε σχέση µε αυτές του απερίσφιγκτου δοκιµίου C_S10. Η διαρροή των ράβδων χάλυβα συνέβη πριν την εξάντληση της αντοχής του δοκιµίου, αφού: δp c,max=pc,max,m4_s10 - Pc,max,M4_U δ P c,max= kn Το επιπρόσθετο φορτίο δ Pc,max αναλαµβάνεται από τις ράβδους, µε εξάντληση του φορτίου που απαιτείται για τη διαρροή τους αφού: Ps =δpc,max Ps = kn > Py = kn 184

217 6.4.5 Συµπεριφορά δοκιµίου Μ6_S10 Το δοκίµιο Μ6_S10 ενισχύθηκε µε 6 στρώσεις πλέγµατος συνεχών ινών άνθρακα εµποτισµένων µε κονίαµα ανόργανης µήτρας. Οι πρώτες «προειδοποιητικές» ρωγµές στο κονίαµα της ανόργανης µήτρας εκδηλώθηκαν σε τάση 29.2 MPa. Οι ρωγµές αυτές κατανέµονταν ανά αποστάσεις των 2 cm περίπου και είχαν διεύθυνση παράλληλη µε τη διεύθυνση θλίψης του δοκιµίου (Εικόνα 6.34 (α), (β)). Στην ίδια τάση έκανε την εµφάνισή της και µια κατακόρυφη ρωγµή καθ όλον το µήκος της αγκύρωσης του δοκιµίου (Εικόνα 6.35 (α), (β)). Στην πορεία, και καθώς αυξανόταν το φορτίο, σχηµατίζονταν τοπικές ρηγµατώσεις στις ακµές του δοκιµίου της κορυφής και της βάσης του συνοδευόµενες µε καµπύλωση του µανδύα. Είναι χαρακτηριστικό ότι τα τοπικά αυτά φαινόµενα εντοπίστηκαν α) στην περιοχή της αγκύρωσης λόγω ασθενούς σύνδεσης του µανδύα µε την ανόργανη µήτρα και β) στα γωνιακά σηµεία του δοκιµίου, λόγω της υψηλής συγκέντρωσης τάσεων σε αυτά. Στις Εικόνες 6.36 και 6.37 που ακολουθούν φαίνονται οι ρηγµατώσεις της αγκύρωσης και των ακµών του δοκιµίου που ήταν σε επαφή µε τις πλάκες φόρτισης, αντίστοιχα. Με την περαιτέρω αύξηση του φορτίου, όλες οι ρηγµατωµένες επιφάνειες του δοκιµίου (πλευρικές και καµπύλες-γωνιακές) υπέστησαν τοπικές αποκολλήσεις κονιάµατος. Εν ολίγοις, η αστοχία του δοκιµίου Μ6_S10 επήλθε οµαλά µε τη σταδιακή αποκόλληση της αγκύρωσης του µανδύα από την ανόργανη µήτρα (Εικόνα 6.38). Λόγω της φύσης της ανόργανης µήτρας η αστοχία δεν συνέβη από µία απότοµη, ψαθυρή θραύση σε µια κύρια ρωγµή (όπως στο ισοδύναµό του δοκίµιο R3_S10) αλλά η ενέργεια παραµόρφωσης ανακατανεµήθηκε από νωρίς µε τη δηµιουργία ενός µεγάλου αριθµού µικρών ρωγµών επιµηκύνοντας τελικά την παραµορφωσιµότητα του δοκιµίου. (α) (β) 185

218 (γ) Εικόνα 6.34 οκίµιο Μ6_S10 α, β, γ) Εµφάνιση τριχοειδών ρωγµών (σε τάση 29.2 MPa) στις πλευρικές επιφάνειες του δοκιµίου, ανά σταθερές αποστάσεις. αποκόλληση αγκύρωσης (α) (β) Εικόνα 6.35 (α) Αποκόλληση αγκύρωσης σε τάση 29.2 MPa (β) ιογκώσειςρηγµατώσεις στην στάθµη του µεσαίου συνδετήρα. 186

219 Εικόνα 6.36 Σταδιακή αποκόλληση µανδύα από την ανόργανη µήτρα στην περιοχή της αγκύρωσης. Εικόνα 6.37 Τοπικός λυγισµός του µανδύα κοντά στην ακµή έδρασης του δοκιµίου. 187

220 Εικόνα 6.38 Αστοχία του δοκιµίου Μ6_S10 λόγω αποκόλλησης του σύνθετου µανδύα στην περιοχή της αγκύρωσης. Παρουσίαση αποτελεσµάτων δοκιµίου Μ6_S10 Τα αποτελέσµατα της θλίψης του δοκιµίου Μ6_S10 παρουσιάζονται στον Πίνακα 6.15 που ακολουθεί. οκίµιο Αντοχή f co (MPa) Παραµόρφωση που αντιστοιχεί στη µέγιστη τάση, ε co (%) Παραµόρφωση κατά την αστοχία ε cu (%) Μ6_S Πίνακας 6.15 Αποτελέσµατα δοκιµίου Μ6_S