ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΔΙΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΩΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΩΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ- ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ

Transcript

1 ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΔΙΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΩΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΩΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ- ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ Δήμητρα Β. Αχιλλοπούλου 1* 1*: Δρ. Πολιτικός Μηχανικός Δ.Π.Θ., Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica, Università di Roma 'La Sapienza', dimitra.achillopoulou@uniroma1.it, dimiachi@civil.duth.gr Αθανάσιος Ι. Καραμπίνης 2 2: Δρ. Πολιτικός Μηχανικός Δ.Π.Θ., Καθηγητής Τμ. Πολιτικών Μηχανικών Δ.Π.Θ., Εργαστήριο Ωπλισμένου Σκυροδέματος Εισαγωγή Αντικείμενο μελετών της δομικής επιστήμης είναι η επιτυχής αποκατάστασης δομικών στοιχείων υφιστάμενων κατασκευών από ωπλισμένο σκυρόδεμα. Κρίσιμα ζητήματα μιας επιτυχούς επισκευής και ενίσχυσης αποτελούν τόσο η επιλογή των υλικών όσο και της κατάλληλης τεχνικής. Πλήθος καινοτόμων τεχνικών προσφέρουν ενίσχυση με πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους (μανδύες ωπλισμένου σκυροδέματος). Ωστόσο, η ενίσχυση με μανδύες Ω.Σ. κατά κύριο λόγο αυξάνει την διατμητική αντοχή και την δυσκαμψία του υποστυλώματος. Όλες οι μέθοδοι έχουν αποδειχθεί αποτελεσματικές ως προς την αύξηση του αναλαμβανόμενου φορτίου και την πλαστιμότητα του υποστυλώματος. Μάλιστα, αποδεικνύεται ότι το στοιχείο κλειδί στην αποδοτικότητα είναι η διεπιφάνεια λόγω μεταφοράς δυνάμεων και ολίσθησης. Οι μηχανισμοί που δρουν στη διεπιφάνεια είναι: Α) συνοχή λόγω εμπλοκής αδρανών Β) τριβή Γ) δράση βλήτρου (αν υπάρχει: βλήτρα, αναρτήρες κλπ). Στην παρούσα μελέτη παρουσιάζονται αποτελέσματα από ευρύτερη πειραματική διερεύνηση των μηχανισμών μεταφοράς δυνάμεων σε ενισχυμένα δομικά στοιχεία από ωπλισμένο σκυρόδεμα. Οι παράμετροι της μελέτης ήταν: Ι) επεξεργασία διεπιφάνειας (λεία, τραχειά) ΙΙ) οπλισμός διεπιφάνειας (βλήτρα, αναρτήρες) ΙΙΙ) είδος φόρτισης ΙV) περίσφιγξη (υφισταμένου- πυρήνας, μανδύας). Ακόμα, παρουσιάζεται αριθμητική προσέγγιση του προβλήματος με χρήση πεπερασμένων στοιχείων. παρουσιάζεται απεικόνιση των ροών των δυνάμεων κατά μήκος των διεπιφανειών και εξετάζεται η αποτελεσματικότητα της δυνατότητας πρόβλεψης των βλαβών με υπάρχοντα προσομοιώματα. Τέλος, με την αριθμητική ανάλυση δίνεται η δυνατότητα μετρήσεων ή και παρατήρησης σε περιοχές που πρακτικά είναι αδύνατο στην πειραματική διαδικασία χωρίς μέσα τρισδιάστατης απεικόνισης. Πειραματικό Πρόγραμμα Στα πλαίσια του άρθρου παρουσιάζονται τα αποτελέσματα 13 δοκιμίων ενός ευρύτερου πειραματικού προγράμματος (Πίνακας 1). Τα δοκίμια ωπλισμένου σκυροδέματος τετραγωνικής διατομής (150x150x500mm) με δύο διαφορετικά ποσοστά περίσφιγξης (ωc=0.075/0.15) και συμμετρικά ωπλισμένη διατομή με 4Ø8 (f cc =24MPa, f yl =500MPa, f ys =220MPa). Ενισχυθήκαν με τετράπλευρο μανδύα Ω.Σ. πλάτους 80mm (f cj =37MPa). Ο μανδύας περιελάβανε τρία διαφορετικά ποσοστά

2 περίσφιγξης (ω cj =0.035/0.075/0.142, f ysj =220MPa) και 4 διαμήκης ράβδους οπλισμού (f ylj =220MPa). Σε έξι δοκίμια τοποθετήθηκαν βλήτρα ως οπλισμός διεπιφάνειας ενώ σε έξι τοποθετήθηκαν αναρτήρες, τέλος ένα δοκίμιο περιείχε βλήτρα και αναρτήρες. Σε έξι δοκίμια έγινε εκτράχυνση της διεπιφάνειας με εγκοπές σε συμφωνία με το πρότυπο ΕΝ1504. Τέλος, τα δοκίμια υποβλήθηκαν σε επαναλαμβανόμενη φόρτιση με πλήρη ή μερική έδραση στη βάση και φόρτιση μόνο του υφιστάμενου στοιχείου. Πίνακας 1: Χαρακτηριστικά δοκιμίων Dbwc swc Dbwj Α.Α. Δοκίμια (mm) (mm) ωwc (mm) (mm) ωwj (mm) (mm) ρdb Διεπιφάνεια 1 B-S-RcRjDb-6 5,5 50 0,15 5,5 50 0, ,0016 S 2 B-S-RcRjDb-7 5,5 50 0,15 5, , ,0016 S 3 B-S-RcRjDb-8 5,5 50 0,15 5,5 25 0, ,0016 S 4 B-S-RcRjDw-9 5,5 50 0,15 5, , ,0013 S 5 B-S-RcRjDw-11 5,5 50 0,15 5,5 50 0, ,0021 S 6 B-S-RcRjDbDw-14 5,5 50 0,15 5,5 50 0, ,0037 S 7 B-S-RcRjDw-15 5,5 50 0,15 5,5 25 0, ,0021 S 8 B-R-RcRjDb-1 5,5 50 0,15 5, , ,0016 R 9 B-R-RcRjDb-2 5,5 50 0,15 5,5 50 0, ,0016 R 10 B-R-RcRjDb-3 5,5 50 0,15 5,5 25 0, ,0016 R 11 B-R-RcRjDw-5 5,5 50 0,15 5, , ,0013 R 12 B-R-RcRjDw-6 5,5 50 0,15 5,5 50 0, ,0013 R 13 B-R-RcRjDw-7 5,5 50 0,15 5,5 25 0, ,0013 R Σημειώσεις: Dbw c: διάμετρος ράβδου συνδετήρα πυρήνα ωwc: μηχανικό ποσοστό περίσφιγξης πυρήνα A: Φορτιστική κατάσταση Dbwj: διάμετρος ράβδου συνδετήρα μανδύα ωwj: μηχανικό ποσοστό περίσφιγξης μανδύα Swc: απόσταση S: Λεία διεπιφάνεια τοποθέτησης συνδετήρων Db: διάμετρος ράβδου βλήτρου πυρήνα Swj: απόσταση R: Τραχειά διεπιφάνεια τοποθέτησης συνδετήρων Dw: διάμετρος ράβδου αναρτήρα μανδύα UR: Άοπλο σκυρόδεμα Rc: Ωπλισμένος πυρήνας Rj: Ωπλισμένος μανδύας swj Db Dw ρdb: ογκομετρικό ποσοστό οπλισμού διεπιφάνειας Πειραματικά αποτελέσματα Όπως προκύπτουν από τα διαγράμματα 1, 2 και 3, η επιρροή του οπλισμού περίσφιγξης της διατομής του μανδύα (λείες διεπιφάνειες) προκαλεί αύξηση της ολίσθησης στην οποία παρατηρείται το μέγιστο φορτίο, έως και 35%. Μάλιστα, παρατηρείται ότι μετά την ανάληψη του μέγιστου φορτίου ο φθίνοντας κλάδος που ακολουθεί παρουσιάζει απότομη κλίση (αυξημένη μείωση) με την αύξηση του οπλισμού περίσφιγξης. Ωστόσο, σε αυξημένα επίπεδα ολίσθησης της διεπιφάνειας (15-30%) τα υψηλά ποσοστά περίσφιγξης του μανδύα λειτουργούν ευνοϊκά στην ανάληψη φορτίου. Στην περίπτωση που τα δοκίμια περιέχουν αναρτήρες ως οπλισμό διεπιφάνειας δεν παρατηρείται μία αντίστοιχη αύξηση φορτίου και αντίστοιχης ολίσθησης. Η θεμελιώδης διαφορά που παρατηρείται έγκειται στον ρυθμό απομείωσης του φορτίου μετά τη μέγιστη τιμή. Στην περίπτωση αυξημένης περίσφιγξης, για παραμορφώσεις έως 15% πρακτικά η μείωση είναι μηδενική και ο κλάδος είναι σταθερός.

3 Στην περίπτωση των αναρτήρων η απότομη μείωση ακριβώς μετά την ανάληψη του μέγιστου φορτίου οδηγεί σε λυγισμό των διαμήκων ράβδων όπου συγκολλούνται οι αναρτήρες, λόγω τοπικής υπερκαταπόνησης. Η ύπαρξη πυκνών συνδετήρων λειτουργεί ως πλευρική αντιστήριξη των ράβδων και επομένως ομαλότερη μείωση του φορτίου. Αξίζει να σημειωθεί, ότι το δοκίμιο που περιείχε τόσο βλήτρα όσο και αναρτήρες παρουσίασε αναβαθμισμένη συμπεριφορά σε σχέση με τα υπόλοιπα δοκίμια σε όλο το φάσμα ολισθήσεων/ παραμορφώσεων. Παρόμοια αποτελέσματα παρατηρούνται και στο δοκίμια με τραχεία διεπιφάνεια. Ωστόσο, παρατηρείται αυξημένη αρχική δυστμησία. Point A Α Angle a Angle b Angle c ωcj=0.142 Entot=1.90 MJ/m 3 ωcj=0.075 Entot=1.55 MJ/m 3 ωcj=0.035 Entot=1.40 MJ/m 3 Διάγραμμα 1: Διάγραμμα ανηγμένου αξονικού φορτίου (ν) ανηγμένης παραμόρφωσης (ε) ενισχυμένων δοκιμίων με λεία διεπιφάνεια και βλήτρα Welded bars and dowels: ωcj=0.075, Entot=5.34 ωcj=0.142, Εntot=4.60 Mj/m 3 ωcj=0.075, Εntot= 2.96 MJ/m 3 ωcj=0.035, Εntot=2.26 MJ/m 3 Διάγραμμα 2: Διάγραμμα ανηγμένου αξονικού φορτίου (ν) ανηγμένης παραμόρφωσης (ε) ενισχυμένων δοκιμίων με λεία διεπιφάνεια και αναρτήρες

4 Πεπερασμένα στοιχεία Για την τρισδιάστατη ανάλυση με πεπερασμένα στοιχεία επιλέχθηκε κατάλληλο στερεό μέσο που ορίζεται από 8 κόμβους με 3 βαθμούς ελευθερίας ανά κόμβο. Όλοι οι χάλυβες προσομοιώθηκαν ως ξεχωριστά μέλη του μοντέλου. Επιλέχθηκε κατάλληλη διακριτοποίηση ώστε να καταγράφονται όλες οι μετακινήσεις και οι αστοχίες. Θεμελιώδες ζήτημα της προσομοίωσης είναι η κατάλληλη προσομοίωση της συμπεριφοράς του σκυροδέματος και του χάλυβα τόσο σε ελαστικές όσο και σε ανελαστικές παραμορφώσεις με κατάλληλους νόμους αστοχίας. Στην παρούσα μελέτη, για την προσομοίωση του σκυροδέματος χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο Drucker Prager ώστε να απεικονιστούν ευκρινώς οι τοπικές αστοχίες σκυροδέματος. Τέλος, η διεπιφάνεια προσομοιώθηκε με επιφανειακά στοιχεία 4 κόμβων και ορίστηκαν ως κριτήρια αστοχίας η μέγιστη διατμητική τάση και η αντίστοιχη ολίσθηση. ωcj=0.142, Εntot= 1.98 Mj/m 3 ωcj=0.075, Εntot= 1.60 MJ/m 3 ωcj=0.035, Εntot= 1.43 MJ/m 3 Διάγραμμα 3: Διάγραμμα ανηγμένου αξονικού φορτίου (ν) ανηγμένης παραμόρφωσης (ε) ενισχυμένων δοκιμίων με τραχειά διεπιφάνεια με βλήτρα Αναλυτικά αποτελέσματα Το σχήμα 4 και το σχήμα 5 παρουσιάζει τα διαγράμματα ροής φορτίου κατά μήκος των διεπιφανειών. Σε όλα τα διαγράμματα παρατηρείται σταδιακή απομείωση της καταπόνησης του πυρήνα. ενώ ταυτόχρονα μεταφέρεται η ένταση στην διατομή του μανδύα. Με την διαφοροποίηση του είδους φόρτισης υπάρχει διαφορετική κατανομή φορτίου τόσο στον πυρήνα όσο και στον μανδύα. Αξίζει να αναφερθεί ότι η περίσφιγξη του μανδύα λειτουργεί ευνοϊκά στην συνολική ανάληψη φορτίου και μάλιστα ευνοεί τόσο την καταπόνηση του πυρήνα αλλά και των ίδιων των ράβδων των βλήτρων. Μάλιστα, τα δοκίμια με υψηλά ποσοστά περίσφιγξης στην διατομή του μανδύα καταπονούνται λιγότερο στον μανδύα ενώ παρουσιάζουν αυξημένα επίπεδα φορτίου στην περιοχή του πυρήνα. Η αύξηση της περίσφιγξης του μανδύα οδηγεί σε αυξημένη υπερκαταπόνηση γύρω από τη ράβδο των βλήτρων και προκαλούνται αστοχίες σε αυτές τις περιοχές.

5 Διάγραμμα 4: Διαγράμματα ροής φορτίου και μεταφοράς δυνάμεων από πυρήνα σε μανδύα- άοπλα δοκίμια με λεία διεπιφάνεια

6 Διάγραμμα 5: Διαγράμματα ροής φορτίου και μεταφοράς δυνάμεων από πυρήνα σε μανδύα- οπλισμένα δοκίμια με λεία διεπιφάνεια Συμπεράσματα Με την κατάλληλη προσομοίωση των ιδιοτήτων της διεπιφάνειας και των μηχανικών χαρακτηριστικών των επιμέρους υλικών επιτυγχάνεται η κατανόηση της λειτουργίας της διεπιφάνειας. Η συγκέντρωση τάσεων γύρω από τη ράβδο βλήτρου προκαλεί έντονες ασυνέχειες καθώς το σκυρόδεμα μπαίνει στην ανελαστική περιοχή και οι βλάβες είναι μόνιμες. Μάλιστα, το ασθενέστερο σκυρόδεμα της διεπιφάνειας αποδιοργανώνεται περισσότερο. Η περίσφιγξη του μανδύα λειτουργεί ευνοϊκά στην ικανότητα ανάληψης φορτίου του πυρήνα και ανακουφίζει την καταπόνηση των ράβδων των βλήτρων. Η παρουσία διαφορετικών ειδών συνδέσμων (βλήτρα, αναρτήρες) οδηγεί σε διαφορετικό τρόπο αστοχίας. Τα δοκίμια που περιείχαν βλήτρα ανέπτυξαν πλαστικές περιοχές γύρω από τις ράβδους των βλήτρων ενώ τα δοκίμια που περιείχαν αναρτήρες αστόχησαν λόγω λυγισμού των διαμηκών ράβδων. Η επεξεργασία της διεπιφάνειας (εκτράχυνση) προκαλεί μεγαλύτερη αρχική δυστμησία και αυξημένο ποσοστό εναπομένουσας αντοχής.

7 Βιβλιογραφία Achillopoulou D.V., 2016, Understanding the Basic Mechanisms Acting on Interfaces: Concrete Elements, Materials and Techniques, Advanced Materials Interfaces, ( ), Scrivener Publishing LLC Achillopoulou D.V., Karabinis A.I., Investigation of shear transfer mechanisms in repaired damaged concrete columns strengthened with RC jackets,(2013) Structural Engineering and Mechanics, 47 (4), pp Achillopoulou D.V., Pardalakis T.A., Karabinis A.I., INVESTIGATION OF FORCE TRANSFER MECHANISMS IN RETROFITTED RC COLUMNS WITH RC JACKETS CONTAINING WELDED BARS SUBJECTED TO AXIAL COMPRESSION, COMPDYN 2013, 4th ECCOMAS Thematic Conference on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake Engineering, Kos Island, Greece, June 2013 (a) Achillopoulou D.V., Tasiopoulos T.P.K., Karabinis A.I., STUDY OF THE BEHAVIOR OF RC COLUMNS STRENGTHENED WITH RC JACKETS CONTAINING DOWELS AND DIFFERENT CONFINEMENT RATIOS, COMPDYN 2013, 4th ECCOMAS Thematic Conference on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake Engineering, Kos Island, Greece, June 2013 (b) Achillopoulou D.V., Rousakis T.C., Karabinis A.I., Force transfer between existing concrete columns with reinforced concrete jackets subjected to axial loading, 15th WCEE, Lisboa Júlio, E.N.B.S., Branco, F.A.B., Reinforced concrete jacketing - Interface influence on cyclic loading response, ACI Structural Journal, Title no. 105-S45, Karabinis, A.I., Rousakis, T.C., Manolitsi, G.E., 3D finite-element analysis of substandard RC columns strengthened by fiber-reinforced polymer sheets, (2008) Journal of Composites for Construction, 12 (5), pp Karabinis, A.I., Kiousis, P.D., Plasticity model for reinforced concrete elements subjected to overloads, (2001) Journal of Structural Engineering, 127 (11), pp Karabinis, A.I., Kiousis, P.D., Strength and ductility of rectangular concrete columns: A plasticity approach, (1996) Journal of Structural Engineering, 122 (3), pp Karabinis, A.I., Kiousis, P.D., Effects of confinement on concrete columns: Plasticity approach, (1994) Journal of structural engineering New York, N.Y., 120 (9), pp Kwan, A.K.H., Ng, P.L., Modelling dowel action of discrete reinforcing bars for finite element analysis of concrete structures (2013) Computers and Concrete, 12 (1), pp Lei, D., Chen, G., Chen, Y., Ren, Q., Experimental research and numerical simulation of RC beams strengthened with bonded steel plates, (2012) Science China Technological Sciences, pp Article in Press Sengottian, K., Jagadeesan, K., Retrofitting of columns with RC jacketting an experimental behavior, (2013) Journal of Theoretical and Applied Information Technology, 56 (3), pp Teng, J.G., Lam, L., Behavior and modeling of fiber reinforced polymer-confined concrete (2004) Journal of Structural Engineering, 130 (11), pp American Concrete Institute (2008), Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI ) and Commentary, ACI -318R-08 Building Code European Standard EN (2005), Eurocode 8 Design of structures for earthquake resistance, Part 3: Assessment and retrofitting of Buildings Júlio, E. S.; Branco, F., RC Jacketing Interface Influence on Cyclic Loading Response ACI Structural Journal, V. 105,No. 4, July-August 2008, pp Júlio, E. S.; Branco, F.; and Silva, V. D., RC Jacketing Interface Influence on Monotonic Loading Response ACI Structural Journal, V. 102,No. 2, Mar.-Apr. 2005, pp (a) Júlio, E. S.; Branco, F.; and Silva, V. D., Concrete-to-Concrete Bond Strength: Influence of an Epoxy-Based Bo nding Agent on a Roughened Substrate Surface Magazine of Concrete Research, V. 57,No. 8, 2005, pp (b) Júlio, E. S.; Branco, F.; and Silva, V. D., Concrete-to-Concrete Bond Strength: Influence of the Roughness of th e Substrate Surface, Construction and Building Materials, V. 18, No. 9, 2004, pp Organisation of Seismic Design and Protection (2012), Greek Retrofit Code Attuned to EN 1998/3 (G.RE.Co.- In Greek) Santos P.M.D., Júlio, E. S., Interface Shear Transfer on Composite Concrete Members, ACI Structural Journal, V. 111, No. 1, January-February 2014, pp Singh, S.B., Reddy, A.L., Khatri, C.P., Experimental and parametric investigation of response of NSM CFRPstrengthened RC beams (2014) Journal of Composites for Construction, 18 (1), art. no

8 Tasios P. Theodossius, Vitzileou Elisabeth. (1987), Cocrete-to-Concrete Friction. Journal of Structural Eng. Teng, J.G., Lam, L., Behavior and modeling of fiber reinforced polymer-confined concrete (2004) Journal of Structural Engineering, 130 (11), pp