ΜΕΛΕΤΗ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗΣ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΗΣ ΔΙΑΤΟΜΗΣ ΜΕΓΑΛΟΥ ΛΟΓΟΥ ΠΛΕΥΡΩΝ ΜΕ ΙΝΟΠΛΙΣΜΕΝΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ (FRP) ΚΑΙ ΙΝΟΠΛΕΓΜΑΤΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM)

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕΛΕΤΗ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗΣ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΗΣ ΔΙΑΤΟΜΗΣ ΜΕΓΑΛΟΥ ΛΟΓΟΥ ΠΛΕΥΡΩΝ ΜΕ ΙΝΟΠΛΙΣΜΕΝΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ (FRP) ΚΑΙ ΙΝΟΠΛΕΓΜΑΤΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟΥ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΣ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΦΩΤΑΚΗ ΑΙΜΙΛΙΑ Πολιτικού Μηχανικού ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΟΥ Χ. ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ ΠΑΤΡΑ 2014

2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα Διατριβή Διπλώματος Ειδίκευσης αφορά την πειραματική διερεύνηση της επίδρασης της περίσφιγξης με χρήση σύνθετων υλικών από ίνες άνθρακα και ινοπλεγμάτων σε ανόργανη μήτρα, ορθογωνικών υποστυλωμάτων με μεγάλο λόγο πλευρών. Η διατριβή εκπονήθηκε στα πλαίσια του Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, στην κατεύθυνση του Αντισεισμικού Σχεδιασμού των Κατασκευών. Επιβλέπων της διετέλεσε ο Καθηγητής κ. Αθανάσιος Χ. Τριανταφύλλου, τον οποίο θα ήθελα να ευχαριστήσω για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε με την ανάθεση αυτής της ενδιαφέρουσας έρευνας, καθώς και για την πολύτιμη καθοδήγησή του, τις εύστοχες συμβουλές του και την έμπρακτη βοήθειά του, τόσο κατά τη διάρκεια των πειραματικών δοκιμών όσο και κατά τη συγγραφή του κειμένου. Ακόμα, θα ήθελα να ευχαριστήσω την Επίκουρη Καθηγήτρια κ. Παπανικολάου Γ. Αικατερίνη για την απλόχερη βοήθεια που προσέφερε και το χρόνο που αφιέρωσε για τη μελέτη και εξέταση της παρούσας διατριβής ως μέλος της τριμελούς επιτροπής εξέτασης. Ευχαριστώ ιδιαίτερα τον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Μπούσια Ν. Ευστάθιο, ως μέλος της τριμελούς επιτροπής για τις συμβουλές και τις εύστοχες παρατηρήσεις του. Για τη συνεργασία και την πολύτιμη βοήθειά της σε κάθε επίπεδο, θα ήθελα να ευχαριστήσω την κ. Τζουρά Ευφροσύνη, υποψήφια διδάκτορα του τμήματος Πολιτικών Μηχανικών. Ευχαριστώ, επίσης τον τεχνικό και υπεύθυνο του εργαστηρίου Κυριάκο Κάρλο για τη βοήθεια που μου προσέφερε καθ όλη τη διάρκεια διεξαγωγής των πειραμάτων. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τη μεταπτυχιακή φοιτήτρια Ελένη Χουτοπούλου και τους προπτυχιακούς φοιτητές Μαριάνθη Καρύδη, Ιωάννη Σκαράκη, Νατάσα Τασιούλα και Νεκτάριο Κριμάτογλου για την ευχάριστη συνεργασία σε όλη τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας. Φωτάκη Αιμιλία Πάτρα, Νοέμβριος 2014 i

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η πλειονότητα των κτιρίων στην Ελλάδα, είναι κατασκευές οπλισμένου σκυροδέματος που κατασκευάσθηκαν αρκετά πριν τη θέσπιση σύγχρονων αντισεισμικών κανονισμών. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, να έχουν σχεδιαστεί και κατασκευασθεί με απλές, ανεπαρκείς και παρωχημένες αντισεισμικές πρακτικές. Σε υποστυλώματα σχεδιασμένα με παλαιότερους κανονισμούς, τα οποία παρουσιάζουν ανεπαρκείς οπλισμούς (συνδετήρες) ή έχουν υποστεί βλάβες μετά από σεισμό, συχνά προτιμάται η τεχνική ενίσχυσης ή επισκευής μέσω περίσφιγξης με μανδύες FRP και TRΜ αντί των συμβατικών μανδυών από οπλισμένο σκυρόδεμα (ΜΟΣ). Οι μανδύες FRP και TRΜ που εφαρμόζονται στα υποστυλώματα είναι πολύ αποτελεσματικοί στην ανάληψη σεισμικής τέμνουσα δύναμης και την εξασφάλιση επαρκούς περίσφιγξης στη θλιβόμενη ζώνη. Αντικείμενο της παρούσας Διατριβής Διπλώματος Ειδίκευσης είναι η κατά βάση πειραματική διερεύνηση της αποτελεσματικότητας περίσφιγξης ορθογωνικών υποστυλωμάτων με μεγάλο λόγο πλευρών, ενισχυμένων με μανδύες ινοπλισμένων πολυμερών και σύνθετων υλικών ανόργανης μήτρας. Το πειραματικό πρόγραμμα διεξήχθη στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Το πρόγραμμα αυτό, περιελάμβανε δύο σειρές δοκιμίων. Η πρώτη περιελάμβανε έξι δοκίμια και η δεύτερη δέκα. Η κατηγοριοποίηση σε σειρές έγινε με βάση το λόγο πλευρών των δοκιμίων. Έτσι, την πρώτη σειρά αποτέλεσαν δοκίμια με λόγο πλευρών (3:1), ενώ τη δεύτερη δοκίμια με λόγο πλευρών (4:1). Ένα δοκίμιο από κάθε σειρά δοκιμάσθηκε χωρίς ενίσχυση και αποτέλεσε μέτρο σύγκρισης για όλα τα υπόλοιπα. Τρία δοκίμια από κάθε σειρά ενισχύθηκαν με τρείς στρώσεις FRP και με θυσάνους. Ακόμα, ένα δοκίμιο από κάθε σειρά ενισχύθηκε με δύο στρώσεις FRP, χωρίς χρήση θυσάνου. Επίσης, δύο υποστυλώματα από τη δεύτερη σειρά ενισχύθηκαν με δύο στρώσεις FRP, θυσάνους και δύο επιπρόσθετες στρώσεις FRP τύπου U, στις δύο μικρές πλευρές. Τέλος, ένα δοκίμιο από κάθε σειρά ενισχύθηκε με τέσσερις στρώσεις TRΜ, ενώ άλλο ένα με τέσσερις στρώσεις TRΜ και με θυσάνους. Η δομή της παρούσας Διατριβής, περιλαμβάνει εννιά Κεφάλαια. Στο Κεφάλαιο 1 με τον τίτλο «Εισαγωγή», γίνεται μια σύντομη αναφορά στους λόγους για τους οποίους απαιτείται η ενίσχυση μιας κατασκευή τα τελευταία χρόνια. Επίσης επισημαίνονται ii

4 διάφοροι μέθοδοι ενίσχυσης και δίνεται έμφαση στα ινοπλισμένα πολυμερή και στις ίνες σε ανόργανη μήτρα που χρησιμοποιούνται ευρέως τα τελευταία χρόνια. Στο Κεφάλαιο 2 που φέρει τον τίτλο «Τα σύνθετα υλικά στο πεδίο των ενισχύσεων των κατασκευών», γίνεται αναφορά στα σύνθετα υλικά, τη δομή και τις ιδιότητές τους. Στη συνέχεια περιγράφονται τα συστατικά των ινοπλισμένων πολυμερών δηλαδή τις ίνες, τη μήτρα και την κόλλα. Έπειτα γίνεται αναφορά στη χρήση των σύνθετων υλικών και στις τεχνικές εφαρμογής τους στις ενισχύσεις καθώς επίσης και στην ανθεκτικότητά τους. Τέλος, γίνεται μια σύντομη ιστορική αναδρομή στην περίσφιγξη υποστυλωμάτων με σύνθετα υλικά FRP. Στο Κεφάλαιο 3, «Σύνθετα υλικά σε ανόργανη μήτρα», παρουσιάζονται τα Ινοπλέγματα Ανόργανης Μήτρας. Αρχικά, παρουσιάζονται οι ίνες που τα απαρτίζουν, οι κλώνοι και οι τύποι των πλεγμάτων ινών και οι τύποι της Ανόργανης Μήτρας. Εν συνεχεία γίνεται αναφορά στις απαιτήσεις των συστημάτων ενίσχυσης σύνθετων υλικών σε ανόργανη μήτρα. Ακόμα αναφέρονται οι εφαρμογές των στοιχείων από Ινοπλέγματα σε Ανόργανη Μήτρα, ενώ ακολουθεί και σύγκριση των σύνθετων υλικών σε Ανόργανη Μήτρα με τα Ινοπλισμένα Πολυμερή (FRPs). Στο τέλος του κεφαλαίου, παρατίθενται μερικές έρευνες σχετικές με τα σύνθετα υλικά σε Ανόργανη Μήτρα. Στο Κεφάλαιο 4 «Περίσφιγξη σκυροδέματος με μανδύες σύνθετων υλικών», παρουσιάζεται η ανάγκη για ενίσχυση υποστυλωμάτων με περίσφιγξη. Αρχικά, αναλύονται οι διάφοροι τρόποι επιβολής της περίσφιγξης, στη συνέχεια όμως αναλύεται η περίσφιγξη με τη χρήση σύνθετων υλικών. Παρουσιάζονται ακόμα τα μηχανικά χαρακτηριστικά του περισφιγμένου σκυροδέματος καθώς και ο καταστατικός νόμος περισφιγμένου σκυροδέματος. Το κεφάλαιο κλείνει με τις εφαρμογές των σύνθετων υλικών στα υποστυλώματα. Στο Κεφάλαιο 5 «Πειραματική διαδικασία», παρουσιάζεται η πειραματική διαδικασία της παρούσας Διατριβής. Αρχικά, περιγράφεται ο τρόπος με τον οποίο έγινε ο σχεδιασμός των δοκιμίων ενώ στη συνέχεια παρατίθενται αναλυτικά τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν, ο τρόπος παρασκευής και η διαδικασία ενίσχυσης. Στο τέλος του κεφαλαίου γίνεται μια σύντομη περιγραφή της πειραματικής διάταξης που χρησιμοποιήθηκε για την υλοποίηση των δοκιμών αξονικής θλίψης. iii

5 Στο Κεφάλαιο 6 «Πειραματικά αποτελέσματα», παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των πειραμάτων όλων των δοκιμίων που συμμετείχαν στο πειραματικό πρόγραμμα. Τα αποτελέσματα παρατίθενται με τη μορφή διαγραμμάτων και καμπύλων, αυτοτελώς για κάθε δοκίμιο. Στο Κεφάλαιο 7 «Αναλυτικό προσομοίωμα ορθογωνικών υποστυλωμάτων περισφιγμένων με μανδύες σύνθετων υλικών», παρουσιάζει το αναλυτικό προσομοίωμα που προβλέπει την αντοχή και την οριακή παραμόρφωση περισφιγμένων δοκιμίων με υλικά ανόργανης και οργανικής μήτρας. Αρχικά παρουσιάζονται οι εξισώσεις που προσομοιώνουν τη περίσφιγξη των δοκιμίων, οι οποίες εν συνεχεία εφαρμόζονται. Στο τέλος, συγκρίνονται τα αποτελέσματα του αναλυτικού προσομοιώματος με τα αντίστοιχα των πειραμάτων. Στο Κεφάλαιο 8 «Ανάλυση πειραματικών αποτελεσμάτων», γίνεται η σύγκριση των αποτελεσμάτων της Σειράς 1 και 2 όλων των ενισχυμένων δοκιμίων με το αντίστοιχο δοκίμιο ελέγχου. Επίσης, συγκρίνονται τα αποτελέσματα των δοκιμίων που είναι ενισχυμένα με μανδύες FRPs, με τα συγκρίσιμα δοκίμια με πλέγματα TRM. Τελικώς, συγκρίνονται τα αποτελέσματα όμοιων ενισχυμένων δοκιμίων των δύο Σειρών. Στο Κεφάλαιο 9 «Τελικά συμπεράσματα προτάσεις για περαιτέρω έρευνα», συνοψίζονται τα συμπεράσματα της παρούσας Διατριβής Διπλώματος Ειδίκευσης και γίνονται μερικές προτάσεις για περαιτέρω έρευνα. iv

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελίδα ΠΡΟΛΟΓΟΣ... i ΠΕΡΙΛΗΨΗ... ii ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... v ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ... ix ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ... xii ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ... xvii ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Ίνες Ίνες κατασκευασμένες από ανόργανα υλικά Ίνες γυαλιού (Glass Fibers) Ίνες άνθρακα (Carbon Fibers) Μεταλλικές ίνες Κεραμικές ίνες Ίνες αραμιδίου Ίνες πολυμερούς (Polymer Fibers) Σύγκριση ενισχυτικών ινών Μήτρες Σύνθετων Υλικών Οργανικές μήτρες σύνθετων υλικών Εποξειδικές ρητίνες Πολυεστερικές ρητίνες Βινυλεστερικές ρητίνες Κόλλα ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΙΣ ΕΝΙΣΧΥΣΕΙΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΑΝΘΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Επίδραση της Θερμοκρασίας Επίδραση της Υγρασίας Επίδραση του Αλκαλικού και του Όξινου Περιβάλλοντος Επίδραση της Υπεριώδους Ακτινοβολίας Γαλβανική Διάβρωση Επίδραση της Ψύξης Απόψυξης Επίδραση από τον Ερπυσμό v

7 2.7.8 Επίδραση της Θραύσης και Διάβρωσης Υπό Τάση Επίδραση της Κόπωσης Επίδραση της Κρούσης ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Βασική Τεχνική Ειδικές Τεχνικές ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗΣ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ FRP ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΥΛΙΚΑ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ Ίνες Κλώνοι Πλέγματα Ινών Ανόργανη Μήτρα Συνήθη κονιάματα ανόργανης μήτρας Κονιάματα που περιέχουν πολυμερή Σκυροδέματα με μη συμβατική κονία Συνάφεια Ανόργανης Μήτρας Πλέγματος Ινών ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ TRΜ Στοιχεία TRΜ Κάλυψης Επιφανειών Στοιχεία Σάντουιτς από TRΜ Παραπετάσματα από TRΜ Στοιχεία TRΜ για την Προστασία του Περιβάλλοντος Στοιχεία TRΜ για την Παραλαβή Φορτίων Εφαρμογές TRΜ σε Ενισχύσεις Κατασκευών ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΙΑΜ ΣΕ ΜΟΝΟΑΞΟΝΙΚΟ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΙΝΟΠΛΙΣΜΕΝΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ (FRPs) ΚΑΙ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΜΗΤΡΑΣ (FRMs) ΕΡΕΥΝΕΣ ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΤΡΟΠΟΙ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΕΠΙΣΚΕΥΗΣ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΜΕ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ Γενικά Η Επιβολή Της Περίσφιξης ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Εισαγωγή vi

8 4.4.2 Χρήση Αγκυρίων Μορφής Θυσάνου Ινών Άνθρακα Μηχανικά Χαρακτηριστικά Περισφιγμένου Σκυροδέματος Καταστατικός Νόμος Περισφιγμένου Σκυροδέματος ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΕ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΟΚΙΜΙΩΝ Γενικά Ονοματολογία Υποστυλωμάτων Υλικά Σκυρόδεμα Χαλύβδινοι οπλισμοί Ανθρακοϋφάσματα CFRP Αγκύρια από ίνες άνθρακα (CFRPs anchors) Πλέγματα ανθρακοϋφασμάτων (close-meshed carbon fibre textiles) Εποξειδική ρητίνη (Tyfo S Epoxy) Κονίαμα ανόργανης μήτρας Προετοιμασία Δοκιμίων Δημιουργία δοκιμίων Σκυροδέτηση δοκιμίων Συντήρηση και ξεκαλούπωμα δοκιμίων Ενίσχυση των Υποστυλωμάτων Ενίσχυση με FRPs Προετοιμασία πριν την ενίσχυση με FRPs Εφαρμογή των σύνθετων υλικών FRPs στα υποστυλώματα Εφαρμογή αγκυρίων μορφής θυσάνου ινών άνθρακα Επιπέδωση των δοκιμίων Τοποθέτηση ντιζών Ενίσχυση με ΤRΜs Προετοιμασία πριν την ενίσχυση με ΤRΜs ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΔΟΚΙΜΗΣ ΣΕ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟ Γεωμετρία Εξεταζόμενων Δοκιμίων Προετοιμασία Δοκιμίων ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Εισαγωγή Περιγραφή της Μηχανής Form + Test ALPHA Περιγραφή της Διάταξης των LVDTs Περιγραφή της Διάταξης της Μηχανής Εφελκυσμού MTS ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΓΕΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΩΝ ΔΟΚΙΜΙΩΝ ΜΕ FRP vii

9 6.3 ΓΕΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΩΝ ΔΟΚΙΜΙΩΝ ΜΕ TRM ΣΕΙΡΑ Συμπεριφορά Δοκιμίου Ελέγχου Συμπεριφορά Δοκιμίου II3c Συμπεριφορά Δοκιμίου 1AhIII AhIII3a AhIII3b AhIII3c Τ_IV Τ_1AhIV ΣΕΙΡΑ Συμπεριφορά Δοκιμίου Ελέγχου Συμπεριφορά Δοκιμίου II4c Συμπεριφορά Δοκιμίου 2AhIII AhIII4a AhIII4b AhIII4c AhII4Ua AhII4Ub Τ_IV Τ_2ΑhIV ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΩΝ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗΣ ΣΕ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΑ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΑ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΜΕ ΤΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑΤΟΣ ΣΧΟΛΙΑΣΜΟΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΕΙΡΑ 1 η Σειρά 1 η Δοκίμια ενισχυμένα με μανδύες FRP Σειρά 1 η Δοκίμια ενισχυμένα με πλέγματα TRM Σειρά 1 η Δοκίμια ενισχυμένα με μανδύες FRP συγκρίσιμα με δοκίμια ενισχυμένα με πλέγματα TRM ΣΕΙΡΑ 2 η Σειρά 2 η Δοκίμια ενισχυμένα με μανδύες FRP Σειρά 2 η Δοκίμια ενισχυμένα με πλέγματα TRM Σειρά 2 η Δοκίμια ενισχυμένα με μανδύες FRP συγκρίσιμα με δοκίμια ενισχυμένα με πλέγματα TRM ΣΥΓΚΡΙΣΗ 1 ης ΚΑΙ 2 ης ΣΕΙΡΑΣ viii

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΛΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ - ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΕΡΕΥΝΑ ΤΕΛΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΕΡΕΥΝΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ix

11 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σελίδα Σχήμα 2.1: Κατηγοριοποίηση ινών Σχήμα 2.2: (α) Χαρακτηριστικές καμπύλες σ-ε, (β) Συσχετισμός ειδικής αντοχής και ειδικής ακαμψίας για διάφορα υλικά ενισχυτικών ινών Σχήμα 2.3: Σχέσεις εφελκυστικής τάσης-παραμόρφωσης, για διάφορους τύπους ινών και για το χάλυβα Σχήμα 2.4: Γενική ταξινόμηση των σύνθετων υλικών Σχήμα 2.5: Παράδειγμα εφαρμογής της βασικής τεχνικής Σχήμα 3.1: Διάγραμμα εφελκυστικής τάσης παραμόρφωσης για οπλισμό χάλυβα και ράβδους από διάφορα ινοπλισμένα πλαστικά Σχήμα 3.2: Διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης των ινών και της συγκολλητικής ουσίας: (α) Ίνες με μικρότερη παραμόρφωση αστοχίας (β) Συγκολλητική ουσία με μικρότερη παραμόρφωσης αστοχίας Σχήμα 3.3: Συμπεριφορά λεπτότοιχων στοιχειών ΙΑΜ σε εφελκυσμό, σε σύγκριση με τη συμπεριφορά σε εφελκυσμό πλέγματος ινών Σχήμα 4.1: Θλιπτική Τάση-Παραμόρφωση για περισφιγμένο σκυρόδεμα με μανδύα σύνθετων υλικών (Rocca et al, 2006) Σχήμα 4.2: Θλιπτική Τάση Παραμόρφωση για περισφιγμένο σκυρόδεμα με μανύα σύνθετων υλικών Σχήμα 4.3: Ενίσχυση με σύνθετα υλικά διατομών κυκλικών, Γ και ορθογωνικών Σχήμα 4.4: Κατανομή τάσεων περίσφιγξης κατά μήκος της μίας διάστασης της διατομής του υποστυλώματος ενεργά περισφιγμένη τετραγωνική διατομή Σχήμα 4.5: Σχηματική απεικόνιση περισφιγμένου πυρήνα Σχήμα 5.1: Απεικόνιση υποστυλωμάτων Σχήμα 5.2: Γεωμετρία δοκιμίων α) Όψη, β) Τομή κατά μήκος του δοκιμίου Σχήμα 5.3: Διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης των πέντε dogbone Σχήμα 6.1: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου C Σχήμα 6.2: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου II3c Σχήμα 6.3: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου 1AhIII3a Σχήμα 6.4: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου 1AhIII3b Σχήμα 6.5: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου 1AhIII3c Σχήμα 6.6: Συγκριτικό διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης όλων των δοκιμίων της Σειράς Σχήμα 6.7: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου Τ_VI Σχήμα 6.8: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου Τ_1ΑhVI Σχήμα 6.9: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου C' Σχήμα 6.10: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου II4c Σχήμα 6.11: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου 2AhIII4a Σχήμα 6.12: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου 2AhIII4b Σχήμα 6.13: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου 2AhIII4c Σχήμα 6.14: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου 2AhII4Ua Σχήμα 6.15: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου 2AhII4Ub Σχήμα 6.16: Συγκριτικό διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης όλων των δοκιμίων της Σειράς Σχήμα 6.17: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου Τ_IV Σχήμα 6.18: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου Τ_2ΑIV Σχήμα 7.1: Διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης περισφιγμένου και απερίσφιγκτου σκυροδέματος, L. Lam and J.G. Teng x

12 Σχήμα 7.2: Θλιπτικό φορτίο δοκιμίων Σειράς 1 ενισχυμένα με μανδύες FRPs με βάση το αναλυτικό προσομοίωμα και την πειραματική διαδικασία Σχήμα 7.3: Παραμόρφωση αστοχίας δοκιμίων Σειράς 1 ενισχυμένα με μανδύες FRPs με βάση το αναλυτικό προσομοίωμα και την πειραματική διαδικασία Σχήμα 7.4: Θλιπτικό φορτίο δοκιμίων Σειράς 1 ενισχυμένα με πλέγματα TRM, με βάση το αναλυτικό προσομοίωμα και την πειραματική διαδικασία Σχήμα 7.5: Παραμόρφωση αστοχίας δοκιμίων Σειράς 1 ενισχυμένα με πλέγματα TRM, με βάση το αναλυτικό προσομοίωμα και την πειραματική διαδικασία Σχήμα 7.6: Θλιπτικό φορτίο δοκιμίων Σειράς 2 ενισχυμένα με μανδύες FRPs,με βάση το αναλυτικό προσομοίωμα και την πειραματική διαδικασία Σχήμα 7.7: Παραμόρφωση αστοχίας δοκιμίων Σειράς 2 ενισχυμένα με μανδύες FRPs, με βάση το αναλυτικό προσομοίωμα και την πειραματική διαδικασία Σχήμα 7.8: Θλιπτικό φορτίο δοκιμίων Σειράς 2 ενισχυμένα με πλέγματα TRM, με βάση το αναλυτικό προσομοίωμα και την πειραματική διαδικασία Σχήμα 7.9: Παραμόρφωση αστοχίας δοκιμίων Σειράς 2 ενισχυμένα με πλέγματα TRM, με βάση το αναλυτικό προσομοίωμα και την πειραματική διαδικασία Σχήμα 8.1: Μέγιστο Θλιπτικό φορτίο δοκιμίου ελέγχου και ενισχυμένων δοκιμίων Σειράς Σχήμα 8.2: % Αύξηση του θλιπτικού φορτίου ενισχυμένων δοκιμίων με μανδύες FRP (3:1), σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου Σχήμα 8.3: % Αύξηση της Παραμόρφωσης αστοχίας ενισχυμένων δοκιμίων με μανδύες FRP (3:1), σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου Σχήμα 8.4: Διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίων της Σειράς 1, ενισχυμένων με μανδύες FRP, συγκριτικά με το δοκίμιο ελέγχου Σχήμα 8.5: % Αύξηση του θλιπτικού φορτίου ενισχυμένου δοκιμίου 1AhIII3, σε σχέση με το δοκίμιο II3c Σχήμα 8.6: % Αύξηση της παραμόρφωσης αστοχίας του ενισχυμένου δοκιμίου 1AhIII3, σε σχέση με το δοκίμιο II3c Σχήμα 8.7: Μέγιστο Θλιπτικό φορτίο δοκιμίου ελέγχου και ενισχυμένων δοκιμίων με πλέγματα TRM Σειράς Σχήμα 8.8: % Αύξηση του θλιπτικού φορτίου ενισχυμένων δοκιμίων με πλέγματα TRM (3:1), σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου Σχήμα 8.9: % Αύξηση της Παραμόρφωσης αστοχίας ενισχυμένων δοκιμίων με πλέγματα TRM (3:1), σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου Σχήμα 8.10: % Αύξηση του θλιπτικού φορτίου δοκιμίου Τ_1AhIV3, σε σχέση με το δοκίμιο T_IV Σχήμα 8.11: % Αύξηση του θλιπτικού φορτίου δοκιμίου Τ_1AhIV3, σε σχέση με το δοκίμιο T_IV Σχήμα 8.12: Διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίων της Σειράς 1, ενισχυμένων με πλέγματα TRM, συγκριτικά με το δοκίμιο ελέγχου Σχήμα 8.13: % Αύξηση θλιπτικού φορτίου δοκιμίου ΙΙ3c, συγκριτικά με το δοκίμιο T_IV Σχήμα 8.14: % Αύξηση παραμόρφωσης αστοχίας δοκιμίου ΙΙ3c, συγκριτικά με το δοκίμιο T_IV Σχήμα 8.15: Συγκριτικό γράφημα τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίων Τ_IV3, II3c και δοκιμίου ελέγχου της Σειράς Σχήμα 8.16: Μέγιστο Θλιπτικό φορτίο δοκιμίου ελέγχου και ενισχυμένων δοκιμίων Σειράς Σχήμα 8.17: % Αύξηση του θλιπτικού φορτίου ενισχυμένων δοκιμίων (4:1), σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου xi

13 Σχήμα 8.18: % Αύξηση της Παραμόρφωσης αστοχίας ενισχυμένων δοκιμίων (4:1), σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου Σχήμα 8.19: Διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων όλων των δοκιμίων της Σειράς Σχήμα 8.20: Μέσες τιμές της % Αύξηση του θλιπτικού φορτίου ενισχυμένων δοκιμίων (4:1), σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου Σχήμα 8.21: Μέσες τιμές της % Αύξηση της Παραμόρφωσης αστοχίας ενισχυμένων δοκιμίων (4:1), σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου Σχήμα 8.22: Μέγιστο Θλιπτικό φορτίο δοκιμίου ελέγχου και ενισχυμένων δοκιμίων με πλέγματα TRM Σειράς Σχήμα 8.23: % Αύξηση του θλιπτικού φορτίου ενισχυμένων δοκιμίων με πλέγματα TRM (4:1), σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου Σχήμα 8.24: % Αύξηση της Παραμόρφωσης αστοχίας ενισχυμένων δοκιμίων με πλέγματα TRM (4:1), σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου Σχήμα 8.25: % Αύξηση του θλιπτικού φορτίου δοκιμίου Τ_2AhIV4, σε σχέση με το δοκίμιο T_IV Σχήμα 8.26: % Αύξηση της παραμόρφωσης αστοχίας δοκιμίου Τ_2AhIV4, σε σχέση με το δοκίμιο T_IV Σχήμα 8.27: Διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίων της Σειράς 2, ενισχυμένων με πλέγματα TRM, συγκριτικά με το δοκίμιο ελέγχου Σχήμα 8.28: % Αύξηση θλιπτικού φορτίου δοκιμίου ΙΙ4c, συγκριτικά με το δοκίμιο T_IV Σχήμα 8.29: % Αύξηση της παραμόρφωσης αστοχίας δοκιμίου ΙΙ4c, συγκριτικά με το δοκίμιο T_IV Σχήμα 8.30: Συγκριτικό γράφημα τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίων Τ_IV4, II4c και δοκιμίου ελέγχου της Σειράς Σχήμα 8.31: Σύγκριση % αύξησης μέσου Θλιπτικού Φορτίου των όμοιων ενισχυμένων δοκιμίων με μανδύες FRP των δύο Σειρών Σχήμα 8.32: Σύγκριση % αύξησης μέσης παραμόρφωσης αστοχίας των όμοιων ενισχυμένων δοκιμίων με μανδύες FRP των δύο Σειρών Σχήμα 8.33: Σύγκριση % αύξησης μέσου Θλιπτικού Φορτίου των όμοιων ενισχυμένων δοκιμίων με πλέγματα TRM των δύο Σειρών Σχήμα 8.34: Σύγκριση % αύξησης μέσης παραμόρφωσης αστοχίας των όμοιων ενισχυμένων δοκιμίων με πλέγματα TRM των δύο Σειρών xii

14 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Σελίδα Εικόνα 2.1: Τυπική σύνθεση σύνθετου (Ινοπλισμένου ΙΟΠ) υλικού (Barecchia, 2008) Εικόνα 2.2: Τυπικές καμπύλες εφελκυστικής τάσης παραμόρφωσης για διαφόρους τύπους ινών και σύγκριση με απλοποιημένες καμπύλες για χάλυβα Εικόνα 2.3: (α)προσανατολισμένο σύνθετο υλικό, (β)μη προσανατολισμένο σύνθετο υλικό... 7 Εικόνα 2.4:Τύποι σύνθετων υλικών ινών (α) Σύνθετο υλικό πλεκτών ινών, (β) Σύνθετο υλικό ασυνεχών ινών, (γ) Υβριδικό σύνθετο υλικό, (δ) Σύνθετο υλικό συνεχών ινών Εικόνα 2.5: Υφάσματα από ίνες γυαλιού Εικόνα 2.6: Υφάσματα από ίνες άνθρακα Εικόνα 2.7: Τύποι διάταξης των ινών: (α) μονοδιευθυντικές ίνες, (β) ίνες τυχαίου προσανατολισμού, (γ) ίνες με πλέξη ύφανσης και (δ) ίνες σε τρισορθογώνια πλέξη. 18 Εικόνα 2.8: Ειδική συσκευή ρομπότ Εικόνα 2.9: Δύο τύποι από προκατασκευασμένους μανδύες GFRP Εικόνα 2.10: Εφαρμογή εκτοξευόμενου FRP Εικόνα 2.11: Εφαρμογή αγκύρωσης λόγω περιμετρικής ασυνέχειας του υφάσματος Εικόνα 2.12: Τέσσερις τύποι διαφορετικής διάταξης της αγκύρωσης του τρίπλευρου μανδύα Εικόνα 2.13: Διαδικασία ενίσχυσης (α) δημιουργία οπών, (β)πλήρωση των οπών με ρητίνη μετά την εφαρμογή του μανδύα ΙΟΠ και πριν την εφαρμογή των αγκυρίων και (γ) εφαρμογή τελευταίας στρώσης μανδύα ΙΟΠ Εικόνα 3.1: Κονίαμα ενισχυμένο με ύφασμα ινών σε μορφή πλέγματος Εικόνα 3.2: Υφάσματα ινών σε μορφή πλέγματος: (a) από άνθρακα, (b) από γυαλί, (c) από πολυαιθυλένιο (PE) Εικόνα 3.3: Επικόλληση ινοπλεγμάτων σε κονίαμα στη βάση υποστυλώματος Εικόνα 3.4: Κλώνοι ινών α) Από ένα υλικό, β) Συνδυασμός νημάτων ινών Εικόνα 3.5: Σύνθετος κλώνος ινών με επικάλυψη πολυπροπυλενίου Εικόνα 3.6: Πλέγματα ινών δύο διευθύνσεων (α) Υάλου (β) Αραμιδίου, (γ) Ινοπλέγματα τεσσάρων διευθύνσεων Εικόνα 3.7: Ινοπλέγματα τριών διαστάσεων Εικόνα 3.8: Κυκλικό πλέγμα με διάταξη παραγωγής του Εικόνα 3.9: Διατομή κλώνου ινοπλέγματος με δεσμό ινών μήτρας Εικόνα 3.10: Μοντέλα δεσμών ινών σε ενδιάμεσο επίπεδο Εικόνα 3.11: Πιθανές θέσεις απώλειας συνάφειας Εικόνα 3.12: Εφαρμογή στοιχείων όψεως από ΙΑΜ στο Πολυτεχνείου του Aachen. 54 Εικόνα 3.13: Σχολικές εγκαταστάσεις (Ντίσελντορφ Γερμανίας) Εικόνα 3.14: Κτίριο γραφείων (Arnhen Ολλανδίας) Εικόνα 3.15: Κτίριο γραφείων (Ντόρτμουντ Γερμανίας) Εικόνα 3.16: Στοιχεία τύπου σάντουιτς από ΙΑΜ (α) Πλέγμα τριών διαστάσεων (β) Στοιχείο σάντουιτς Εικόνα 3.17: Παραπέτασμα από ΙΑΜ Εικόνα 3.18: Κέντρα επεξεργασίας αποβλήτων από ΙΑΜ (α) γεωμετρικά χαρακτηριστικά (β) πρότυπο (γεμάτο με νερό) Εικόνα 3.19: Ηχοπέτασμα ανάκλασης Εικόνα 3.20: Ηχοπέτασμα ανάκλασης και απορρόφησης xiii

15 Εικόνα 3.21: Υδατοπροστασία με τη χρήση στοιχείων από ΙΑΜ Εικόνα 3.22: Πρόταση στεγανοποίησης και καμπτικής ενίσχυσης τοίχου υπογείου (Hinzen et al 2006) Εικόνα 3.23: (α)διατομή εξώστη (β) ινοπλέγματα μαζί με τις ράβδους ινών που χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση Εικόνα 3.24: Κατασκευές από TRΜ που παραλαμβάνουν φορτία Εικόνα 3.25: Διαδικασία ενίσχυσης φέρουσας τοιχοποιίας με TRM Εικόνα 3.26: Διαδικασία ενίσχυσης υποστυλώματος με TRM Εικόνα 3.27: Εντύπιση σκυροδέματος σε παραμένοντες τύπους FRP Εικόνα 4.1: Περίσφιξη με μεταλλικά επικολλητά ελάσματα και χαλύβδινα ελάσματα Εικόνα 4.2: Περίσφιξη με σπειροειδή οπλισμό Εικόνα 4.3: Επέμβαση με μεταλλικό κλωβό για προσωρινή ανάληψη κατακόρυφων φορτίων Εικόνα 4.4: Περίσφιξη με μεταλλικό μανδύα (α) ορθογωνική (β) ελλειπτική Εικόνα 4.5: Ενίσχυση με μανδύα από ινοπλισμένο σκυρόδεμα Εικόνα 4.6: Ενίσχυση με μανδύα εκτοξευόμενου σκυροδέματος Εικόνα 4.7: Η τεχνική του μεταλλικού κλωβού Εικόνα 4.8: Αγκύρια ινών άνθρακα κατασκευασμένα από ανθρακονήματα (πριν και μετά την εφαρμογή) Εικόνα 4.9: Απερίσφιγκτο περισφιγμένο σκυρόδεμα Εικόνα 4.10: Ακτίνες καμπυλότητας υποστυλωμάτων Εικόνα 5.1: Λυγισμός διαμήκων οπλισμών υποστυλώματος Εικόνα 5.2: Δοκίμιο 1AhIII Εικόνα 5.3: Δοκίμιο 2AhIII Εικόνα 5.4: Δοκίμιο ΙΙ3c Εικόνα 5.5: Δοκίμιο ΙΙ4c Εικόνα 5.6: Δοκίμιο 2AhII4U Εικόνα 5.7: Δοκίμιο T_IV Εικόνα 5.8: Δοκίμιο T_IV Εικόνα 5.9: Δοκίμιο T_1AhIV Εικόνα 5.10: Δοκίμιο T_2AhIV Εικόνα 5.11: Δοκιμή θλίψης στην RMU, Δοκίμια Σκυροδέματος Εικόνα 5.12: Μηχανή εφελκυσμού ΜΤS Εικόνα 5.13: Διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων εφελκυόμενου χάλυβα Εικόνα 5.14: Ανθρακοϋφασμα CFRP Εικόνα 5.15: Κουπόνια FRPs Εικόνα 5.16: Δοκιμή εφελκυσμού σε κουπόνι FRP Εικόνα 5.17: Αγκύρια ινών άνθρακα διαμέτρου 3/8 (CFRPs anchors) Εικόνα 5.18: Συστατικά εποξειδικής μήτρας Α και Β Εικόνα 5.19: Κονίαμα ανόργανης μήτρας Εικόνα 5.20: Κονίαμα επιπέδωσης (Mapegrout Tissotropic) Εικόνα 5.21: Ξυλότυποι δοκιμίων Εικόνα 5.22: Γωνιακά από φελιζόλ και τεταρτοκύκλια από PVC Εικόνα 5.23: Τοποθέτηση οπλισμών Εικόνα 5.24: Δόνηση σκυροδέματος και λείανση επιφάνειας υποστυλωμάτων Εικόνα 5.25: Τοποθέτηση λινάτσων και διαβροχή δοκιμίων Εικόνα 5.26: Υποστυλώματα Εικόνα 5.27: Εκτράχυνση των επιφανειών ενίσχυσης Εικόνα 5.28: Άνοιγμα οπών για την τοποθέτηση αγκυρίων xiv

16 Εικόνα 5.29: Κοπή πρώτης και δεύτερης λωρίδας υφάσματος CFRP Εικόνα 5.30: Ανάμιξη της ρητίνης δύο συστατικών Tyfo S Epoxy Εικόνα 5.31: Εμποτισμός υφασμάτων και θυσάνων με ρητίνη Εικόνα 5.32: Δημιουργία Cabosil Εικόνα 5.33: Εφαρμογή Cabosil Εικόνα 5.34: Ενίσχυση δοκιμίων Εικόνα 5.35: Τοποθέτηση λωρίδων U Εικόνα 5.36: Ενισχυμένο υποστύλωμα Εικόνα 5.37: Τοποθέτηση αγκυρίων Εικόνα 5.38: Ισομοιρασμός αγκυρίων και τοποθέτηση υφάσματος για την κα λυψη των αγκυρίων Εικόνα 5. 39: Επιπέδωση δοκιμίων Εικόνα 5. 40: Άνοιγμα οπών για την τοποθέτηση ντιζών Εικόνα 5.41: Τοποθέτηση οπλισμών στις οπές Εικόνα 5.42: Δημιουργία κονιάματος Εικόνα 5.43: Ενίσχυση δοκιμίου με πλέγμα TRM Εικόνα 5.44: Ενίσχυση δοκιμίου με πλέγμα TRM Εικόνα 5.45: Ενίσχυση δοκιμίου με πλέγμα TRM Εικόνα 5.46: Ενισχυμένα δοκίμια με τέσσερις στρώσεις πλέγματος TRM Εικόνα 5.47: Τοποθέτηση βρεγμένης λινάτσας σε δοκίμιο ενισχυμένο με TRM Εικόνα 5.48: Ενισχυμένα δοκίμια με τέσσερις στρώσεις υφάσματος TRM και αγκύρια ινών άνθρακα Εικόνα 5.49: Τρισδιάστατη απεικόνιση δοκιμίου Εικόνα 5.50: Χαλύβδινο καλούπι για την προετοιμασία του δοκιμίου Εικόνα 5.51: Τοποθέτηση μεταλλικής πλάκας στο κέντρο του χαλύβδινου καλουπιού Εικόνα 5.52: Εφαρμογή πρώτης στρώσης μήτρας, τοποθέτηση υφάσματος ινών και χαλύβδινων αποστατήρων πάχους 2 mm, στα άκρα Εικόνα 5.53: Δεύτερη στρώση μήτρας και τοποθέτηση δεύτερου υφάσματος ινών. 118 Εικόνα 5.54: Τοποθέτηση δεύτερης μεταλλικής πλάκας και τελειωμένο δοκίμιο Εικόνα 5.55: Δοκίμιο αφαιρείται από το χαλύβδινο καλούπι Εικόνα 5.56: Μηχανή Form + Test ALPHA Εικόνα 5.57: Τοποθέτηση Διάταξης LVDTs Εικόνα 5.58: Μηχανή Εφελκυσμού MTS Εικόνα 6.1: Δοκίμιο ελέγχου C3 μετά τη φόρτιση Εικόνα 6.2: Εμφάνιση ρωγμών δοκιμίου ελέγχου C3 μετά τη φόρτιση Εικόνα 6.3: Δοκίμιο ΙΙ3c πριν τη φόρτιση Εικόνα 6.4: Διογκωμένο δοκίμιο ΙΙ3c μετά τη φόρτιση Εικόνα 6.5: Θραύση μανδύα Εικόνα 6.6: Ενισχυμένο δοκίμιο 1AhIII Εικόνα 6.7: Θραύση μανδύα στο δοκίμιο 1AhIII3a Εικόνα 6.8: Δοκίμιο 1AhIII3a μετά τη φόρτιση Εικόνα 6.9: Σημεία θραύσης αγκυρίων στο δοκίμιο 1AhIII3a Εικόνα 6.10: Λυγισμός διαμήκους οπλισμού στο δοκίμιο 1AhIII3a Εικόνα 6.11: Θραύση του μανδύα στο δοκίμιο 1AhIII3b Εικόνα 6.12: Δοκίμιο 1AhIII3a μετά τη φόρτιση Εικόνα 6.13: Θραύση αγκυρίων δοκιμίου 1AhIII3b Εικόνα 6.14: Δοκίμιο 1AhIII3 c μετά τη φόρτιση Εικόνα 6.15: Δοκίμιο 1AhIII3 c μετά τη φόρτιση Εικόνα 6.16: Θραύση αγκυρίων δοκιμίου 1AhIII3c xv

17 Εικόνα 17: Ενισχυμένο δοκίμιο Τ_ΙV Εικόνα 6.18: Δοκίμιο Τ_ΙV3 μετά τη θραύση Εικόνα 6.19: Ορατές διογκώσεις στις ακμές του δοκιμίου Τ_ΙV3. Αποφλοίωση του κονιάματος στην ακμή και αποκάλυψη της πλήρους ενεργοποίησης των ινών Εικόνα 6.20: Αστοχία ανόργανης μήτρας δοκιμίου Τ_IV Εικόνα 6.21: Ενισχυμένο δοκίμιο Τ_1AhΙV Εικόνα 6.22: Δοκίμιο Τ_1AhΙV3 μετά τη δοκιμή θλίψης Εικόνα 6.23: Διόγκωση και αποκόλληση της ανόργανης μήτρας Εικόνα 6.24: Δοκίμιο ελέγχου C4 μετά τη φόρτιση Εικόνα 6.25: Εμφάνιση ρωγμών δοκιμίου ελέγχου C4 μετά τη φόρτιση Εικόνα 6.26: Δοκίμιο ΙΙ4c, μετά τη φόρτιση Εικόνα 6.27: Θραύση μανδύα Εικόνα 6.28: Δοκίμιο 2AhIII Εικόνα 6.29: Θραύση μανδύα, δοκιμίου 2AhIII4a Εικόνα 6.30: Δοκίμιο 2AhIII4a μετά τη φόρτιση Εικόνα 6.31: Θραύση αγκυρίων δοκιμίου 2AhIII4a Εικόνα 6.32: Θραύση του μανδύα, δοκιμίου 2AhIII4b Εικόνα 6.33: Δοκίμιο 2AhIII4b μετά τη φόρτιση Εικόνα 6.34: Θραύση αγκυρίων δοκιμίου 2AhIII4b Εικόνα 6.35: Δοκίμιο 2AhIII4c μετά τη φόρτιση Εικόνα 6.36: Τρόχισμα διογκώσεων μανδύα στο δοκίμιο 2AhIII4c Εικόνα 6.37: Δοκίμιο 2AhII4U Εικόνα 6.38: Θραύση μανδύα δοκιμίου 2AhII4Ua Εικόνα 6.39: Δοκίμιο 2AhII4Ua μετά τη φόρτιση Εικόνα 6.40: Θραύση αγκυρίων δοκιμίου 2AhII4Ua Εικόνα 6.41: Θραύση μανδύα δοκιμίου 2AhII4Ub Εικόνα 6.42: Δοκίμιο 2AhII4Ub μετά τη φόρτιση Εικόνα 6.43: Δοκίμιο Τ_IV Εικόνα 6.44: Δοκίμιο Τ_IV4, μετά τη φόρτιση Εικόνα 6.45: Τοπική εκτίναξη μανδύα στην κορυφή του δοκιμίου Εικόνα 6.46: Δοκίμιο Τ_IV4, μετά τη φόρτιση Εικόνα 6.47: Δοκίμιο Τ_IV4, μετά τη φόρτιση Εικόνα 6.48: Δοκίμιο T_2AhIV Εικόνα 6.49: Δοκίμιο T_2AhIV4 μετά τη φόρτιση Εικόνα 6.50: Δοκίμιο T_2AhIV4 μετά τη φόρτιση Εικόνα 7.1: Ενίσχυση υποστυλωμάτων κυκλικής διατομής, έναντι υποστυλωμάτων ορθογωνικής διατομής Εικόνα 7.2: Ενεργός περισφιγμένη περιοχή σε τετραγωνικό υποστύλωμα Εικόνα 7.3: Επίδραση των γωνιών καμπυλότητας στην αποτελεσματικότητα της περίσφιγξης Εικόνα 7.4: Ενεργός περισφιγμένη περιοχή ενισχυμένου δοκιμίου ΙΙ3c, T_IV Εικόνα 7.5: Ενεργός περισφιγμένη περιοχή ενισχυμένου δοκιμίου ΙΙ4c, T_IV Εικόνα 7.6: Ενεργός περισφιγμένη περιοχή ενισχυμένου δοκιμίου 1AhIΙΙ3, T_1AhIV Εικόνα 7.7: Ενεργός περισφιγμένη περιοχή ενισχυμένου δοκιμίου 2AhIΙΙ4, 2AhIΙ4U, T_1AhIV Εικόνα 7.8: Ενεργά περισφιγμένη ορθογωνική διατομή Εικόνα 7.9: Περισφιγμένο ορθογωνικό υποστύλωμα, (α) όχι πλήρως καλυμμένου με FRP, (β) ελικοειδής καλυμμένο με FRP xvi

18 Εικόνα 7.10: Ενεργός περισφιγμένη περιοχή δοκιμίου 3:1, λαμβάνοντας υπόψη και την περίσφιγξη από τους συνδετήρες Εικόνα 7.11: Ενεργός περισφιγμένη περιοχή δοκιμίου 4:1, λαμβάνοντας υπόψη και την περίσφιγξη από τους συνδετήρες xvii

19 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Σελίδα Πίνακας 2.1: Χημική σύσταση και ιδιότητες ενισχυτικών ινών γυαλιού Πίνακας 2.2: Σύγκριση θερμικής ευστάθειας ινών Πίνακας 2.3: Σύγκριση παραμόρφωσης θραύσης ινών Πίνακας 2.4: Σύγκριση τυπικών ιδιοτήτων εποξειδικών ρητινών με χάλυβα και σκυρόδεμα Πίνακας 2.5: Ιδιότητες ρητίνων Πίνακας 2.6: Αξιολόγηση Ινών Πίνακας 4.1: Λόγος πλευρών συντελεστή α n Πίνακας 5.1: Γεωμετρικά χαρακτηριστικά οπλισμών Πίνακας 5.2: Οπλισμοί διατομών Πίνακας 5.3: Θλιπτικές αντοχές δοκιμίων σε διάφορες ηλικίες Πίνακας 5.4: Μηχανικά Χαρακτηριστικά Στεγνού Υφάσματος Tyfo SCH-41 Composite Πίνακας 5.5: Αποτελέσματα δοκιμών εφελκυσμού στα κουπόνια FRPs Πίνακας 5.6: Στοιχεία Δοκιμών εφελκυσμού στα κουπόνια FRPs Πίνακας 5.7: Μηχανικά Χαρακτηριστικά Πλέγματος ανθρακοϋφάσματος Πίνακας 5.8: Αποτελέσματα δοκιμών εφελκυσμού στα Dogbone Πίνακας 5.9: Χαρακτηριστικά Dogbone Πίνακας 6.1: Αποτελέσματα δοκιμίου 2AhII4Ub Πίνακας 6.2: Αποτελέσματα δοκιμίου ΙΙ3c Πίνακας 6.3: Αποτελέσματα δοκιμίου 1AhIII3a Πίνακας 6.4: Αποτελέσματα δοκιμίου 1AhIII3b Πίνακας 6.5: Αποτελέσματα δοκιμίου 1AhIII3c Πίνακας 6.6: Αποτελέσματα δοκιμίου T_IV Πίνακας 6.7: Αποτελέσματα δοκιμίου T_IV Πίνακας 6.8: Αποτελέσματα δοκιμίου C' Πίνακας 6.9: Αποτελέσματα δοκιμίου II4c Πίνακας 6.10: Αποτελέσματα δοκιμίου 2AhIII4a Πίνακας 6.11: Αποτελέσματα δοκιμίου 2AhIII4b Πίνακας 6.12: Αποτελέσματα δοκιμίου 2AhIII4c Πίνακας 6.13: Αποτελέσματα δοκιμίου 2AhII4Ua Πίνακας 6.14: Αποτελέσματα δοκιμίου 2AhII4Ub Πίνακας 6.15: Αποτελέσματα δοκιμίου Τ_IV Πίνακας 6.16: Αποτελέσματα δοκιμίου Τ_2AhIV Πίνακας 7.1: Αριθμητική εφαρμογή προσομοιώματος όλων των ενισχυμένων δοκιμίων με υφάσματα FRPs Πίνακας 7.2: Αριθμητική εφαρμογή προσομοιώματος όλων των ενισχυμένων δοκιμίων με πλέγματα TRM Πίνακας 7.3: Αριθμητική εφαρμογή προσομοιώματος όλων των ενισχυμένων δοκιμίων με υφάσματα FRPs Πίνακας 7.4: % Αύξηση Θλιπτικού φορτίου και παραμόρφωσης αστοχίας των πειραματικών αποτελεσμάτων σε σύγκριση με τα αναλυτικά αποτελέσματα της Σειράς 1 ενισχυμένα με μανδύες FRPs Πίνακας 7.5: % Αύξηση Θλιπτικού φορτίου και παραμόρφωσης αστοχίας των πειραματικών αποτελεσμάτων σε σύγκριση με τα αναλυτικά αποτελέσματα της Σειράς 1 ενισχυμένα με πλέγματα TRM xviii

20 Πίνακας 7.6: % Aύξηση Θλιπτικού φορτίου και παραμόρφωσης αστοχίας των πειραματικών αποτελεσμάτων σε σύγκριση με τα αναλυτικά αποτελέσματα της Σειράς 2 ενισχυμένα με μανδύες FRPs Πίνακας 7.7: % Αύξηση Θλιπτικού φορτίου και παραμόρφωσης αστοχίας των πειραματικών αποτελεσμάτων σε σύγκριση με τα αναλυτικά αποτελέσματα της Σειράς 2 ενισχυμένα με πλέγματα TRM Πίνακας 8.1: Συγκεντρωτικός πίνακας πειραματικών αποτελεσμάτων Σειράς 1 ενισχυμένα με μανδύες FRP Πίνακας 8.2: % Αύξηση του Θλιπτικού φορτίου και της Παραμόρφωσης Αστοχίας ενισχυμένων δοκιμίων με μανδύες FRP σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου Πίνακας 8.3: Συγκεντρωτικός πίνακας μέσων όρων πειραματικών αποτελεσμάτων Σειράς Πίνακας 8.4: Συγκεντρωτικός πίνακας πειραματικών αποτελεσμάτων Σειράς 1 ενισχυμένα με πλέγματα TRM Πίνακας 8.5: % Αύξηση του Θλιπτικού φορτίου και της Παραμόρφωσης Αστοχίας ενισχυμένων δοκιμίων με πλέγματα TRM Σειράς 1σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου Πίνακας 8.6: % Αύξηση του θλιπτικού φορτίου και της παραμόρφωσης αστοχίας του ΙΙ3c, συγκριτικά με το δοκίμιο T_IV Πίνακας 8.7: Συγκεντρωτικός πίνακας πειραματικών αποτελεσμάτων Σειράς Πίνακας 8.8: % Αύξηση του Θλιπτικού φορτίου και της Παραμόρφωσης Αστοχίας ενισχυμένων δοκιμίων σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου Πίνακας 8.9: Μέσες τιμές της % Αύξηση του Θλιπτικού φορτίου και της Παραμόρφωσης Αστοχίας ενισχυμένων δοκιμίων σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου Πίνακας 8.10: Συγκεντρωτικός πίνακας πειραματικών αποτελεσμάτων Σειράς 2 ενισχυμένα με πλέγματα TRM Πίνακας 8.11: % Αύξηση του Θλιπτικού φορτίου και της Παραμόρφωσης Αστοχίας ενισχυμένων δοκιμίων με πλέγματα TRM σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου Πίνακας 8.12: % Αύξηση των μέσων μεγεθών ενισχυμένων δοκιμίων με μανδύες FRP, των δύο Σειρών, σε σχέση με τα αντίστοιχα δοκίμια ελέγχου Πίνακας 8.13: % Αύξηση μεγεθών ενισχυμένων δοκιμίων με πλέγματα TRM, των δύο Σειρών, σε σχέση με τα αντίστοιχα δοκίμια ελέγχου..210 xix

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ένας μεγάλος αριθμός από τις υπάρχουσες κατασκευές οπλισμένου σκυροδέματος έχουν κατασκευαστεί πολλές δεκαετίες πριν. Οικίες, δημόσιες υπηρεσίες, νοσοκομεία, σχολεία, γέφυρες, χώροι στάθμευσης έχουν κατασκευαστεί πολύ πρόχειρα χωρίς να έχει δοθεί μεγάλη βαρύτητα σε σοβαρά ζητήματα ανθεκτικότητας. Το δυσάρεστο είναι ότι τα περισσότερα από αυτά εξακολουθούν να είναι σε χρήση ακόμα και σήμερα παρότι ο θεωρητικός χρόνος «ζωής» τους έχει εξαντληθεί. Λόγω της φθοράς που έχουν υποστεί οι κατασκευές αυτές είναι απαραίτητη, στις περισσότερες από τις κατασκευές αυτές, η άμεση επισκευή και ενίσχυσή τους για την εύρυθμη συνέχιση της λειτουργίας τους. Η ανάγκη αυτή γίνεται ολοένα και εντονότερη καθώς στο ιστορικό κάθε κατασκευής προστίθενται και οι καταπονήσεις από ισχυρούς σεισμούς που συμβαίνουν στην χώρα μας. Η επισκευή και ενίσχυση των κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος με σκοπό την αποκατάσταση της φέρουσας ικανότητας αποτελούσε μέχρι πρόσφατα ένα σημαντικό πρόβλημα, καθώς απαιτούσε σημαντικό χώρο, χρόνο και κόπο για να επιλυθεί. Όσον αφορά τις τεχνικές ενίσχυσης υποστυλωμάτων υφιστάμενων κατασκευών που έχουν χρησιμοποιηθεί, 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 στη 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 (Δρίτσος, 2002). Η μέθοδος ενίσχυσης με σύνθετα υλικά που ανήκει στην πρώτη κατηγορία αποτελεί σήμερα την πλέον σύγχρονη τεχνική στην ενίσχυση των κατασκευών. Είναι μια τεχνική ενίσχυσης που στηρίζεται στην χρήση ινών κυρίως άνθρακα και γυαλιού και σπανιότερα αραμιδίου, σε συνδυασμό με εποξειδική ρητίνη ή κάποιο είδος ρητινούχου κονιάματος. Η εφαρμογή τους ως οπλισμός ενίσχυσης βασίζεται στην εξωτερική επικόλληση σύνθετων υλικών σε δομικά στοιχεία, με τέτοια διεύθυνση των ινών ώστε να παραλαμβάνουν σημαντικές εφελκυστικές δυνάμεις 1

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - ΕΙΣΑΓΩΓΗ (Τριανταφύλλου 2003). Τα σύνθετα υλικά που χρησιμοποιούνται συχνά είναι ινοπλισμένα πολυμερή-frp (Fiber Reinforced Polymers) που αποτελούνται από συνεχείς ίνες υψηλής εφελκυστικής αντοχής εμποτισμένες με θερμοσκληρυνόμενη ρητίνη. Επίσης, μπορεί να γίνει αντικατάσταση των συμβατικών υφασμάτων συνεχών συνήθως ινών μίας διεύθυνσης με υφάσματα ινών σε μορφή πλέγματος (textile) με βροχίδες. Τα πλέγματα αυτά μπορούν να κατασκευάζονται από δέσμες ινών ανά αποστάσεις σε δύο ή περισσότερες διευθύνσεις, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η καλή συνεργασία ινών μητρικού υλικού (δηλαδή κονιάματος) κυρίως μέσω μηχανικής εμπλοκής του κονιάματος στα κενά μεταξύ των δεσμών. Ο όρος που έχει προταθεί από τους Triantafillou et al. (2006) είναι Textile Reinforced Mortars (TRM) - Ινοπλέγματα σε Ανόργανη Μήτρα (ΙΑΜ). Η χρήση σύνθετων υλικών FRP ή TRM είναι πολύ αποτελεσματική στην ενίσχυση μελών σκυροδέματος, μάλιστα έχει δοθεί σε αυτά αυξημένη προσοχή, καθώς βελτιώνουν την πλαστιμότητα και την απορρόφηση ενέργειας στα υποστυλώματα οπλισμένου σκυροδέματος. Υπάρχουν όμως πολλές παράμετροι που επηρεάζουν τη συμπεριφορά ορθογωνικών υποστυλωμάτων, όπως το σχήμα της διατομής και ο λόγος πλευρών μήκος/πλάτος. Στην παρούσα διατριβή, εξετάζεται η περίσφιγξη υποστυλωμάτων με μεγάλο λόγο πλευρών (3:1 και 4:1) με τη χρήση ινοπλισμένων πολυμερών FRPs και ινοπλεγμάτων ανόργανων πολυμερών TRM. 2

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα σύνθετα υλικά αναφέρονται στην εμβάπτιση ενός υλικού σε επιμήκη μορφή με μεγάλη αντοχή και δυσκαμψία σε ένα δεύτερο με μικρότερη αντοχή, το οποίο ονομάζεται μήτρα. Εμφανίζουν μεγάλη ανισοτροπία στις ιδιότητές τους, κυρίως επειδή το υλικό ενίσχυσης είναι σε μορφή ινών, με τον άξονα της ίνας να έχει συγκεκριμένο προσανατολισμό, αλλά και επειδή μπορεί κάποιο από τα συστατικά να έχει κρυσταλλική μορφή. Η ανισοτροπία πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στο σχεδιασμό, αναμένοντας διαφορετική αντοχή και δυσκαμψία ανά διεύθυνση, καθώς και διαφορετική κατανομή τάσεων ανάλογα με την εξωτερική φόρτιση του υλικού. Εικόνα 2.1: Τυπική σύνθεση σύνθετου (Ινοπλισμένου ΙΟΠ) υλικού (Barecchia, 2008). Οι πιο σημαντικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών είναι η δυσκαμψία, η αντοχή, η ανθεκτικότητα, η πυκνότητα και οι θερμικές ιδιότητες (διαστολή και αγωγιμότητα). Ιδιαίτερα για τις τελευταίες, ενδεχόμενη μεταβολή της θερμοκρασίας κατά την παρασκευή του υλικού μπορεί να οδηγήσει σε διαφορετικούς ρυθμούς συστολοδιαστολών των επιμέρους συστατικών και στην ανάπτυξη εσωτερικών παραμενουσών τάσεων. Οι εσωτερικές τάσεις που αναπτύσσονται κατά την εφαρμογή εξωτερικού φορτίου μπορεί να διαφέρουν από σημείο σε σημείο, αλλά το ποσοστό ανάληψης φορτίου από κάθε συστατικό είναι ανάλογο του ποσοστού του όγκου του σύνθετου υλικού. Η σχέση ισορροπίας των εξωτερικών και εσωτερικών τάσεων γράφεται:` V f + (1 V f )σ m = σ A 3

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ όπου V είναι το ποσοστό του όγκου, σ είναι η τάση και οι δείκτες m, f και Α αντιστοιχούν στη μήτρα, στις ίνες και στο σύνθετο υλικό, αντίστοιχα. Με βάση την παραδοχή ότι η απόκριση του σύνθετου υλικού θα παραμένει ελαστική, η αναλογία συμμετοχής στην ανάληψη του εξωτερικού φορτίου θα παραμείνει σταθερή και θα εξαρτάται από το ποσοστό του όγκου του κάθε υλικού, το σχήμα και τον προσανατολισμό της ενίσχυσης, καθώς και τις ελαστικές παραμέτρους του κάθε συστατικού. Στόχος του βέλτιστου σχεδιασμού ενός σύνθετου υλικού είναι να αναλαμβάνεται το μεγαλύτερο ποσοστό φορτίου από το συστατικό με τη μεγαλύτερη αντοχή και δυσκαμψία, δηλαδή τις ίνες. Τα πλεονεκτήματα των σύνθετων υλικών είναι: Η αύξηση της καμπτικής αντοχής του υποστυλώματος (για την οποία οι ίνες τοποθετούνται σε κατακόρυφη διεύθυνση) και της διατμητικής τους αντοχής (οι ίνες σε αυτή την περίπτωση τοποθετούνται σε οριζόντια διεύθυνση). Η ανθεκτικότητα σε διάβρωση. Υψηλή εφελκυστική τους αντοχή (κατά πολύ υψηλότερη του χάλυβα οπλισμού που χρησιμοποιείται στα δομικά έργα) και το χαμηλό τους βάρος ( η πυκνότητα των σύνθετων υλικών είναι σχεδόν υποπενταπλάσια αυτής του δομικού χάλυβα). Το μικρό τους πάχος (τάξης mm), συνεπώς δεν αυξάνουν τη μορφή και τις διαστάσεις των υποστυλωμάτων. Το χαμηλό ειδικό τους βάρος, επομένως ελάχιστο προτιθέμενο βάρος. Είναι σχετικά ελαφρά (20-25% του βάρους του χάλυβα), άρα παρουσιάζουν μικρό όγκο και δεν επιβάλλουν μεγάλες φορτιστικές επιβαρύνσεις στην κατασκευή. Η διαθεσιμότητά τους σε μεγάλα μήκη και η μεγάλη ευκαμψία τους που τα καθιστά ιδανικά για εύκολη και ταχύτατη εφαρμογή ακόμα και σε τμήματα με δύσκολη πρόσβαση. Δεν επηρεάζονται από ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Απλή και γρήγορη εφαρμογή, εύκολη εγκατάσταση, ακόμα και σε περιπτώσεις όπου ο χώρος εργασίας είναι περιορισμένος και γρήγορη επαναχρησιμοποίηση των κτιρίων. 4

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Τα μειονεκτήματα των σύνθετων υλικών είναι: Μπορούν να παραλαμβάνουν φορτία μόνο κατά τη διεύθυνση των ινών τους. Στην φάση της οριακής κατάστασης αστοχία εμφανίζεται ψαθυρή θραύση, ιδιότητα που δε συμβαδίζει με την τάση για πλαστικό σχεδιασμό των δομικών στοιχείων που επιβάλλει ο Κανονισμός. Ωστόσο, τα σύνθετα υλικά έχουν τη δυνατότητα να αναλάβουν υψηλές ελαστικές παραμορφώσεις με αποτέλεσμα τη σημαντική αύξηση της πλαστιμότητας των δομικών στοιχείων που έχουν ενισχυθεί με τη μέθοδο αυτή. Ιδιαίτερα μεγάλο κόστος. Πτωχή συμπεριφορά σε υψηλές θερμοκρασίες. Ευαίσθητα σε περιβαλλοντικές δράσεις, όπως η υπεριώδης ακτινοβολία, η υγρασία και η δράση χημικών. Όταν τα υλικά βρίσκονται σε μόνιμη τάση, η εφελκυστική τους αντοχή μειώνεται σημαντικά. Έλλειψη σαφών προδιαγραφών και προτύπων για την εφαρμογή τους, καθώς και ενός απαραίτητου κώδικα για τον σχεδιασμό, λόγω της πρόσφατης εμφάνισής τους. 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 για πολλούς μηχανικούς, εργολάβους και τεχνίτες. Έτσι απαιτείται κατάλληλα εξειδικευμένο προσωπικό για τη σωστή και αποδοτική εφαρμογή της συγκεκριμένης τεχνικής. Παντελής έλλειψη ολκιμότητας. Η αποδοτικότητα των πολλαπλών στρώσεων δεν είναι ανάλογη του αριθμού των στρώσεων. 2.2 ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Ο όρος σύνθετα υλικά αναφέρεται σε υλικά που αποτελούνται από δύο ή περισσότερα διακριτά μέρη. Τα σύνθετα υλικά αποτελούνται από ίνες υψηλής εφελκυστικής αντοχής, σε πολυμερική μήτρα, εμποτισμένες με θερμοσκληρυνόμενη ρητίνη της οποίας τα χαρακτηριστικά δεν είναι ευαίσθητα σε θερμοκρασίες κάτω των 60 ο C. 5

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Ίνες Οι ίνες στα σύνθετα υλικά, έχουν διάμετρο 5-25 μm και αποτελούν τον φορέα ανάληψης δυνάμεων (κατά κανόνα εφελκυστικών), παράλληλα στη διεύθυνσή τους. Κύριο χαρακτηριστικό τους είναι η εξαιρετικά υψηλή εφελκυστική αντοχή και η γραμμικά ελαστική συμπεριφορά μέχρι τη θραύση τους, σε αντίθεση με το χάλυβα και με τον χάλυβα προέντασης που παρουσιάζουν διγραμμική συμπεριφορά και αυξημένη πλαστιμότητα. Εικόνα 2.2: Τυπικές καμπύλες εφελκυστικής τάσης παραμόρφωσης για διαφόρους τύπους ινών και σύγκριση με απλοποιημένες καμπύλες για χάλυβα. Προκειμένου οι ίνες να προσφέρουν ικανοποιητική ενίσχυση των μηχανικών ιδιοτήτων της μήτρας, το υλικό κατασκευής τους επιλέγεται, έτσι ώστε να παρουσιάζει υψηλό μέτρο ελαστικότητας (Ε), υψηλή τάση θραύσης σε εφελκυσμό (UTS), μεγάλη ακαμψία (stiffness), χαμηλή δυσθραυστότητα (toughness) και επιπλέον να έχει μικρή πυκνότητα (ρ). Ανάλογα με τον προσανατολισμό των ινών, διακρίνονται σε: προσανατολισμένα, με ίνες συνεχείς και ίδιας διεύθυνσης, και σε μη προσανατολισμένα, με ίνες τυχαία τοποθετημένες στο συνδετικό υλικό. Αναλόγως με τον τρόπο τοποθέτησης και τον συνδυασμό των ινών τα σύνθετα υλικά διακρίνονται σε: Πλεκτών ινών 6

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Ασυνεχών ινών Υβριδικά Συνεχών ινών Όμως για την επισκευή και την ενίσχυση των κατασκευών χρησιμοποιούνται κυρίως προσανατολισμένα σύνθετα υλικά συνεχών ινών τα οποία παρουσιάζουν μεγάλη αντοχή. Ο προσανατολισμός των ινών όμως, δίνει στο σύνθετο υλικό ανισοτροπική συμπεριφορά, σε αντιστοιχία με τη συμπεριφορά του οπλισμένου σκυροδέματος, δίνοντας τη δυνατότητα στους μελετητές να διευθετήσουν κατά τέτοιο τρόπο τις στρώσεις του υλικού ώστε να ενισχυθεί το μέλος στη διεύθυνση που αναπτύσσονται οι υψηλότερες τάσεις. Οι ίνες χωρίζονται σε τέσσερις κατηγορίες ανάλογα με την προέλευσή τους. Στα προηγμένα σύνθετα υλικά, οι ενισχυτικές ίνες είναι κατασκευασμένες είτε από ανόργανα υλικά (γυαλί, άνθρακας, μέταλλα, κεραμικά) είτε από οργανικά υλικά (πολυμερή). Εικόνα 2.3: (α)προσανατολισμένο σύνθετο υλικό, (β)μη προσανατολισμένο σύνθετο υλικό. Εικόνα 2.4:Τύποι σύνθετων υλικών ινών (α) Σύνθετο υλικό πλεκτών ινών, (β) Σύνθετο υλικό ασυνεχών ινών, (γ) Υβριδικό σύνθετο υλικό, (δ) Σύνθετο υλικό συνεχών ινών. Σχήμα 2.1: Κατηγοριοποίηση ινών. 7

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Ίνες κατασκευασμένες από ανόργανα υλικά Ίνες γυαλιού (Glass Fibers) Οι ίνες γυαλιού είναι από τους πλέον διαδεδομένους τύπους ενισχυτικών ινών στα σύνθετα πολυμερικής μήτρας. Η δομική τους βάση είναι τα οξείδια του πυριτίου, ασβεστίου, βορίου, αλουμινίου, κ. ά. Ανάλογα με τη χημική σύσταση, οι ίνες γυαλιού χαρακτηρίζονται ως τύπου Ε, C, και S, των οποίων οι κύριες φυσικές και μηχανικές ιδιότητες παρουσιάζονται στον Πίν Χημική σύσταση και ιδιότητες ενισχυτικών ινών γυαλιού Τύπος Χαρακτηριστικά SiO2 Ε C S καθαρή Χημική Σύσταση % SiO >99,5 Al 2 O B 2 O CaO MgO Μέτρο Ελαστικότητας (GPa) Αντοχή σε εφελκυσμό (MPa) Πυκνότητα (g/cm 3 ) 2,54 2,5 2,48 2,2 Θερμοκρασία τήξης ( 0 C) Μέγιστη θερμοκρασία χρήσης ( 0 C) Πίνακας 2.1: Χημική σύσταση και ιδιότητες ενισχυτικών ινών γυαλιού. Τα βασικά πλεονεκτήματα των υαλονημάτων είναι το χαμηλό κόστος, η υψηλή αντοχή, υψηλή επιμήκυνση, μεγάλος χρόνος εργασιμότητας. Το γυαλί παρέχει εξαιρετική θερμική και ηλεκτρική μόνωση. Επίσης οι ίνες γυαλιού αν και είναι ανθεκτικές στους περισσότερους διαλύτες, αντιδρούν σε ορισμένες αλκαλικές ενώσεις και ισχυρά οξέα. Στα κύρια μειονεκτήματά τους εντάσσονται το χαμηλό 8

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ μέτρο ελαστικότητας και η μικρή αντοχή τους έναντι φθοράς εκτριβής. Επίσης οι ίνες γυαλιού αν και είναι ανθεκτικές στους περισσότερους διαλύτες, αντιδρούν σε ορισμένες αλκαλικές ενώσεις και ισχυρά οξέα. Η αντοχή τους σε κόπωση είναι μικρότερη από τα φύλλα άνθρακα ή αραμιδίου. Τέλος, παρουσιάζουν ερπυστικές παραμορφώσεις και ευπάθεια σε διάβρωση. Εικόνα 2.5: Υφάσματα από ίνες γυαλιού Ίνες άνθρακα (Carbon Fibers) Οι ίνες γραφίτη είναι η επικρατέστερη ενίσχυση υψηλής αντοχής και υψηλού μέτρου ελαστικότητας, η οποία χρησιμοποιείται για την παρασκευή υψηλών επιδόσεων σύνθετων υλικών ρητινικής μήτρας. Γενικά, όταν απαιτείται ο βέλτιστος συνδυασμός μηχανικής συμπεριφοράς και ελάττωσης του βάρους, οι χρησιμοποιούμενες ίνες είναι, συνήθως, ίνες άνθρακα, δεδομένου ότι η πυκνότητά τους κυμαίνεται από 1800 έως 1900 kg/m 3. Η υπεροχή αυτή των ανθρακονημάτων οφείλεται στη φύση του άνθρακα (ώς στοιχείου) και τους ενδοατομικούς δεσμούς που σχηματίζει με άλλα άτομα άνθρακα. Ο γραφίτης αποτελείται από ανισότροπους πολυκρυσταλλίτες, των οποίων η ανισοτροπία εξαρτάται από τις συνθήκες παρασκευής τους. Επίσης, οι ίνες άνθρακα προτιμούνται όταν η θερμική διαστολή ενός υλικού πρέπει να συγκρατηθεί σε χαμηλό επίπεδο ή όταν απαιτείται συμβατότητα των χαρακτηριστικών διαστολής δύο συνενωμένων διαφορετικών υλικών. Αξίζει να αναφερθούν η εξαιρετική τους συμπεριφορά έναντι της θερμότητας και η μικρή τους τιμή του συντελεστή θερμικής διαστολής. 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. Ένα σημαντικό όμως μειονέκτημά τους είναι ότι οι ίνες άνθρακα είναι πολύ ευαίσθητες σε μικρό-κρούσεις και γενικότερα σε πλευρικά φορτία. 9

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Τα χαρακτηριστικά που καθιστούν τις ίνες άνθρακα ως το κατάλληλο υλικό για την ενίσχυση δομικών στοιχείων είναι η υψηλή ανθεκτικότητα έναντι όξινων, οργανικών και αλκαλικών διαλυμάτων καθώς και η καλή συμπεριφορά έναντι μόνιμων φορτίων και υψηλών θερμοκρασιών. Ο άνθρακας ως ευγενές μέταλλο, έχει υψηλή αγωγιμότητα και μπορεί να προκαλέσει γαλβανική διάβρωση των μετάλλων που έρχονται σε επαφή μαζί του. Για το λόγο αυτό πρέπει να αποφεύγεται η απευθείας επαφή του χάλυβα ή του αλουμινίου με τις ίνες άνθρακα. Αξίζει να σημειωθεί ότι το κόστος των ανθρακονημάτων, αν και αρκετά υψηλό σε σχέση με τα άλλα είδη ινών έχει μειωθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια. Εικόνα 2.6: Υφάσματα από ίνες άνθρακα Μεταλλικές ίνες Μέταλλα όπως το βόριο (Β), το βηρύλλιο (Βe) και το βολφράμιο (W), μπορούν να αποτελέσουν εξαιρετικά ενισχυτικά συνθέτων υλικών, αφού παρουσιάζουν υψηλή τιμή ακαμψίας σε σχέση με το ειδικό βάρος τους (ειδική ακαμψία). Το βόριο είναι το περισσότερο υποσχόμενο υλικό για την κατασκευή ινών ενίσχυσης, ωστόσο οι τεχνικές παραγωγής μεταλλικών ινών ενίσχυσης εξακολουθούν να παραμένουν πολύ δαπανηρές Κεραμικές ίνες Οι κεραμικές ίνες χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών. Χαρακτηρίζονται από υψηλή αντοχή, στιβαρότητα και θερμική ευστάθεια. Οι συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες κεραμικές ίνες είναι οι ίνες καρβιδίου του πυριτίου (SiC) και αλούμινας (Al 2 O 3 ), ενώ σπανιότερα συναντώνται και ίνες Si 3 N 4, BeO, B 4 C και ZrO 2. 10

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ 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 κατασκευή μανδυών σε υποστυλώματα γεφυρών στα οποία υπάρχει ο κίνδυνος μεγάλων κρουστικών φορτίων Ίνες πολυμερούς (Polymer Fibers) Οι πιο διαδεδομένες ίνες πολυμερούς είναι οι ίνες από Nylon, πολυαιθυλένιο και Kevlar. Η αντοχή τους δε ξεπερνά τα 10 Pa, ενώ το μέτρο ελαστικότητάς τους πλησιάζει τα 1000 Pa. Παρότι από μηχανικής άποψης δεν κατατάσσονται στις ίνες υψηλής απόδοσης, εντούτοις το χαμηλό κόστος παραγωγής τους τις καθιστά δημοφιλείς Σύγκριση ενισχυτικών ινών (α) Ως προς την ειδική αντοχή και ειδική δυστένια Σχήμα 2.2: (α) Χαρακτηριστικές καμπύλες σ-ε, (β) Συσχετισμός ειδικής αντοχής και ειδικής δυστένιας για διάφορα υλικά ενισχυτικών ινών. 11

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ (β) Ως προς τη θερμική ευστάθεια Ίνα T max ( 0 C) Spectra 150 Kevlar 250 Glass 800 SiC 1000 Alumina 1370 Carbon 2000* *Παρουσία οξυγόνου: Τ max = C Πίνακας 2.2: Σύγκριση θερμικής ευστάθειας ινών. (γ) Ως προς την παραμόρφωση θραύσης Ίνα Παραμόρφωση θραύσης % Kevlar 3,0-4,0 Glass 2 Carbon 1 Ceramic <1 Πίνακας 2.3: Σύγκριση παραμόρφωσης θραύσης ινών. (δ) Ως προς την εφελκυστική τάση παραμόρφωσης Σχήμα 2.3: Σχέσεις εφελκυστικής τάσης-παραμόρφωσης, για διάφορους τύπους ινών και για το χάλυβα. 12

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Μήτρες Σύνθετων Υλικών Η μήτρα στα σύνθετα υλικά αποτελεί τη συγκολλητική ουσία μεταξύ των ινών. Η μήτρα συνήθως είναι ένα θερμοσκληρυνόμενο πολυμερές, το οποίο συνδέει τις ίνες μεταξύ τους, τις προστατεύει, εξασφαλίζει τη μεταφορά δυνάμεων σε αυτές μέσω της ανάπτυξης διατμητικών τάσεων στη διεπιφάνεια μεταξύ της ίνας και της μήτρας καθώς επίσης καθορίζει αρκετές μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών, όπως είναι η αντοχή κάθετα στη διεύθυνση των ινών, η διατμητική και η θλιπτική αντοχή. Ο ρόλος της μήτρας πέραν της συγκράτησης των ινών μεταξύ τους είναι και η προστασία των ινών από περιβαλλοντικές φθορές και προσβολές. Ακόμα συμβάλει στη μεταβίβαση των μηχανικών τάσεων που ασκούνται συνολικά στο σύνθετο υλικό προς τις ίνες, καθώς και στην ανακοπή της διάδοσης των ρωγμών, που ξεκινούν από τη θραύση των ινών. Προκειμένου η μήτρα να ικανοποιεί το ρόλο της, πρέπει να χαρακτηρίζεται από ολκιμότητα, ανθεκτικότητα, σχετική ευκαμψία. Επίσης, το σημείο τήξης της θα πρέπει να είναι μεγαλύτερο από τη μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας του σύνθετου υλικού. Οι παραπάνω ιδιότητες, πρέπει επίσης να παρουσιάζουν «συμβατότητα» με τις αντίστοιχες ιδιότητες των ενισχυτικών ινών. Η μήτρα στα σύνθετα υλικά μπορεί να είναι είτε οργανικής (πολυμερικής) είτε ανόργανης σύστασης Οργανικές μήτρες σύνθετων υλικών Η ρητίνη αποτελεί τη συνδετική ύλη μεταξύ των ινών, ενώ παράλληλα συνεισφέρει στην ανθεκτικότητα και στην ηλεκτρική μόνωση του σύνθετου υλικού. Οι ρητίνες από τη φύση τους είναι τουλάχιστον μία τάξη μεγέθους ασθενέστερες από τις ίνες στις οποίες εμποτίζονται. 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 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. 13

34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Η μεγάλη διάρκεια ζωής, που χαρακτηρίζει τις μήτρες πολυμερών, σχετίζεται με την προοδευτική αλλαγή των φυσικών τους ιδιοτήτων, που λαμβάνει χώρα με την πάροδο του χρόνου και την φόρτιση. 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 που χρησιμοποιούνται συνήθως για την παραγωγή συνθέτων υλικών είναι οι εποξειδικές, οι πολυεστέρες και οι βινυλεστερικές Εποξειδικές ρητίνες Οι εποξειδικές ρητίνες θεωρούνται γενικά οι καλύτερες μήτρες για χρήση σε ινοπλισμένα πολυμερή, εξαιτίας της μεγάλης αντοχής, συγκολλητικής ικανότητας, ανθεκτικότητας σε κόπωση και χημική διάβρωση, καθώς και της χαμηλής συστολής ξηράνσεως που παρουσιάζουν. Κύριο χαρακτηριστικό της συμπεριφοράς των εποξειδικών ρητινών και των πολυμερών γενικότερα, είναι η λεγόμενη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης Tg, πέραν της οποίας προκαλείται ρήξη των δευτερευόντων δεσμών, αυτών δηλαδή που συγκρατούν τις μακρομοριακές αλυσίδες μεταξύ τους, με αποτέλεσμα τη δραματική μείωση του μέτρου ελαστικότητας του υλικού. Αν για κάποιο λόγο (π.χ. πυρκαγιά) η μήτρα φτάσει σε θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης και λόγω της δραματικής απομείωσης του μέτρου ελαστικότητάς της, δεν δύναται να μεταφέρει δυνάμεις και το σύνθετο υλικό καθίσταται ανενεργό. Η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης κυμαίνεται ενδεικτικά μεταξύ των 50 C και 80 C. Οι εποξειδικές ρητίνες προσβάλλονται επιφανειακά από την υπεριώδη ακτινοβολία, καθώς αλλοιώνει τη μοριακή τους δομή με αποτέλεσμα τη μείωση της εφελκυστικής παραμόρφωσης αστοχίας τους αλλά και τη χρωματική τους αλλοίωση. Ιδιαίτερα κρίσιμο πρόβλημα όμως εντοπίζεται και στις ιδιαίτερα υψηλές θερμοκρασίες, που επιφέρουν μη αναστρέψιμες συνέπειες, λόγω του εύφλεκτου των εποξειδικών ρητινών. Έτσι, θερμοκρασίες της τάξης των 200 έως 300 C προκαλούν ανάφλεξη και καύση τους, απελευθερώνοντας τοξικές ουσίες. Δυσμενή επιρροή στην εφαρμογή των εποξειδικών ρητινών παρουσιάζουν και οι χαμηλές θερμοκρασίες κάτω των 10 C, καθώς ως θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή η τήξη τους καθίσταται δυσχερής. 14

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Χρειάζονται επίσης περισσότερο χρόνο για να αναπτύξουν πλήρως τις μηχανικές τους ιδιότητες και έχουν υψηλό κόστος σε σχέση με τις άλλες δύο κατηγορίες ρητινών. Ανάλογα με το υλικό από το οποίο κατασκευάζονται οι μήτρες διακρίνονται σε οργανικές, μεταλλικές, κεραμικές. Η επιλογή κατάλληλης μήτρας εξαρτάται από τη θερμοκρασία και το περιβάλλον χρήσης του συνθέτου. Ιδιότητα (σε 20 ο C) Εποξειδική ρητίνη Σκυρόδεμα Χάλυβας Πυκνότητα (kg/m 3 ) Μέτρο Ελαστικότητας (GPa) Mέτρo Διάτμησης (GPa) Λόγος Poisson Εφελκυστική Αντοχή (MPa) Διατμητική Αντοχή (MPa) Θλιπτική Αντοχή (MPa) Οριακή Παραμόρφωση σε εφελκυσμό (%) Ενέργεια θραύσης κατά προσέγγιση (Jm -2 ) Συντελεστής θερμικής διαστολής (1(r 6 / o C) Πίνακας 2.4: Σύγκριση τυπικών ιδιοτήτων εποξειδικών ρητινών με χάλυβα και σκυρόδεμα Πολυεστερικές ρητίνες Οι ρητίνες αυτές αποτελούν τον κύριο όγκο των πολυμερών που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία παραγωγής συνθέτων υλικών. Λόγω της μεγάλης ποικιλίας των συστατικών τους στοιχείων, οι ιδιότητες των πολυεστερικών ρητινών μπορούν να διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους. 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 15

36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ πολυεστερικών ρητινών, για χρήση τους σε κατασκευές που κατοικούνται, είναι η δυσάρεστη οσμή, λόγω της χημικής τους σύστασης Βινυλεστερικές ρητίνες Πρόκειται για 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. Από την άλλη πλευρά όμως, οι βινυλεστερικές ρητίνες δεν έχουν τόσο υψηλή αντοχή και ανθεκτικότητα σε κόπωση, όσο οι εποξειδικές. Το κόστος τους είναι συνήθως μεταξύ του κόστους των εποξειδικών και των πολυεστερικών ρητινών. Στον παρακάτω Πίνακα παρουσιάζονται ορισμένες ιδιότητες των τριών τύπων ρητινών. Είδος ρητίνης Μέτρο Ελαστικότητας (GPa) Εφελκυστική Αντοχή (ΜPa) Οριακή παραμόρφωση εφελκυστικής αστοχίας (%) Πυκνότητα (gr/cm 3 ) Εποξειδική Πολυεστερική Βινυλεστερική Πίνακας 2.5: Ιδιότητες ρητίνων Κόλλα Η κόλλα, η οποία είναι κατά κανόνα εποξειδική ρητίνη, εφαρμόζεται μεταξύ του υποστρώματος και του σύνθετου υλικού, εξασφαλίζοντας έτσι τη συνεργασία τους και τη μεταφορά τάσεων από το πρώτο στο δεύτερο. Αξίζει να σημειωθεί ότι σε πρόσφατες ερευνητικές εργασίες έχουν γίνει προσπάθειες αντικατάστασης της εποξειδικής ρητίνης ως συγκολλητικού υλικού με υλικά ανόργανης σύνθεσης, βασισμένα στο τσιμέντο (τσιμεντοκονιάματα τροποποιημένα με πολυμερή). Η σωστή χρήση των εποξειδικών ρητινών, προϋποθέτει την κατανόηση τριών βασικών εννοιών, που είναι ο χρόνος εργασιμότητας (pot life), ο χρόνος εφρμογής (open time) και η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης, T g (glass transition temperature). 16

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Ο χρόνος εργασιμότητας (pot life) είναι ο διαθέσιμος χρόνος για την χρησιμοποίηση της κόλλας με ευκολία, πριν αρχίσει να αυξάνεται το ιξώδες της και να σκληρύνεται στο δοχείο όπου έγινε η ανάμειξη. Ο χρόνος αυτός εξαρτάται από τον τύπο της κόλλας, τη θερμοκρασία περιβάλλοντος καθώς και την ποσότητα κόλλας που προκύπτει με την ανάμειξη των δύο συστατικών. Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, ο χρόνος εργασιμότητας μειώνεται. Ενδεικτικοί χρόνοι για ποσότητα (τυπικής) κόλλας 5Κg είναι 90min σε 15 ο C και 30min σε 35 ο C. Ο χρόνος εφαρμογής (open time) αντιπροσωπεύει το χρονικό διάστημα μέσα στο οποίο η κόλλα είναι ενεργή, δηλαδή έχει ικανοποιητικές συγκολλητικές ιδιότητες. Στο χρονικό αυτό διάστημα, θα πρέπει να ολοκληρώνεται η επικόλληση του οπλισμού ενίσχυσης στην επιφάνεια του υποστρώματος. Στη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης (glass transition temperature), οι κόλλες υφίστανται ραγδαία απομείωση του μέτρου ελαστικότητας, οπότε έχουν πλέον περιορισμένη ικανότητα μεταφοράς δυνάμεων. Οι συγκολλητικές ουσίες, λόγω της υγρής τους φύσης, ρέουν πάνω και ανάμεσα στις ανωμαλίες της επιφάνειας του δομικού στοιχείου και καθώς έρχονται σε επαφή με αυτήν αλληλεπιδρούν μέσω μοριακών δυνάμεων. Στην συνέχεια, η ουσία στερεοποιείται και με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται η σύνδεση των δύο υλικών. Η στρώση της εποξειδικής ρητίνης για την επικόλληση ελασμάτων πρέπει να έχει πάχος της τάξης του 1.5mm. στην περίπτωση του επιτόπου εμποτισμού των υφασμάτων, η κόλλα θα πρέπει να έχει τη κατάλληλη ρευστότητα και να χρησιμοποιείται στην κατάλληλη ποσότητα ώστε να εξασφαλίζεται πλήρης εμποτισμός των ινών. 2.3 ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Ανάλογα µε τη μορφή του συστατικού ενίσχυσης, τα σύνθετα κατατάσσονται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες: Ινώδη σύνθετα (fibrous composites): Με ενίσχυση ινών εμποτισμένων σε υλικό μήτρας. Στρωµατικά σύνθετα (laminated composites): Με επάλληλες στρώσεις υλικών. Κοκκώδη σύνθετα (particulate composites): Με ενίσχυση σωματιδίων διασκορπισμένων στο υλικό της µήτρας. 17

38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Τα ινώδη σύνθετα υλικά διακρίνονται περαιτέρω ανάλογα µε τον προσανατολισµό και τη διάταξη των ινών μέσα στη μήτρα. Σύµφωνα µε την ταξινόμηση αυτή τα ινώδη σύνθετα διακρίνονται σε: Μονοδιευθυντικά σύνθετα, στα οποία οι ίνες έχουν όλες την ίδια διεύθυνση. Πολυδιευθυντικά σύνθετα, στα οποία, οι ίνες έχουν διαφορετικές διευθύνσεις. Η ιδιότητα αυτή οδηγεί άµεσα σε ταξινόμηση των πολυδιευθυντικών συνθέτων στις ακόλουθες υποοµάδες, βλ. Σχ. 2.4: Σύνθετα µε ίνες τυχαίας διεύθυνσης. Σύνθετα µε ίνες σε πλέξη ύφανσης. Σύνθετα µε ίνες σε τρισορθογώνια ύφανση. Εικόνα 2.7: Τύποι διάταξης των ινών: (α) μονοδιευθυντικές ίνες, (β) ίνες τυχαίου προσανατολισμού, (γ) ίνες με πλέξη ύφανσης και (δ) ίνες σε τρισορθογώνια πλέξη. Σχήμα 2.4: Γενική ταξινόμηση των σύνθετων υλικών. Μία επιπλέον διάκριση των ινωδών συνθέτων στηρίζεται στο λόγο μήκους προς διάμετρο (l /d) των ινών, οι οποίες χαρακτηρίζονται ως: Συνεχείς ή μεγάλου μήκους ίνες (continuous fibers ), όταν είναι l / d

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Ασυνεχείς ή κοντές ίνες (discontinuous fibers), όταν είναι A / d< 100. Νηµατίδια ή τριχίτες (whiskers): Με d < 1 mµ και A 100 mµ (πρόκειται για λεπτούς µονοκρυστάλλους κεραµικού υλικού). Αξιοσημείωτο είναι ότι οι κοντές ίνες, λόγω του μικρού μήκους τους, δεν χρησιμοποιούνται ως µμονοδιευθυντική ενίσχυση, αλλά εφαρμόζονται συνήθως µε τη μορφή πλέγματος ινών τυχαίας διεύθυνσης. Με βάση όσα έχουν αναφερθεί για τις κατηγορίες των συνθέτων υλικών, έχει καθιερωθεί η ταξινόμησή τους όπως φαίνεται παρακάτω. 2.4 ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Οι βασικές μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών με ίνες σε μια κυρίως διεύθυνση μπορούν να μετρηθούν πειραματικά είτε να εκτιμηθούν βάσει των αντίστοιχων ιδιοτήτων των ινών και της μήτρας μέσω των εξισώσεων: E f = E fib V fib + E m V m f f = f fib V fib + f m V m E f, f f: μέτρο ελαστικότητας, εφελκυστική αντοχή σύνθετου υλικού παράλληλα στις ίνες Ε fib, f fib : μέτρο ελαστικότητας, εφελκυστική αντοχή ινών E m, f m: μέτρο ελαστικότητας, εφελκυστική αντοχή μήτρας V fib, V m : ογκομετρικό ποσοστό ινών, μήτρας (V m = 1 V fib ) Επειδή όμως τόσο το μέτρο ελαστικότητας όσο και η εφελκυστική αντοχή των ινών είναι πολύ μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες της μήτρας (Ε fib >>E m, f fib >>f m ) οι παραπάνω εξισώσεις ισχύουν κατά προσέγγιση ακόμα και αν στα αθροίσματα του δεξιού σκέλους αγνοηθούν οι δεύτεροι όροι. Δηλαδή, τόσο το μέτρο ελαστικότητας όσο και η εφελκυστική αντοχή των σύνθετων υλικών ουσιαστικά μπορούν να εκτιμηθούν από το γινόμενο της αντίστοιχης ιδιότητας για τις ίνες επί το ογκομετρικό ποσοστό αυτών. Έτσι: E f E fib V fib f f f fib V fib Τα σύνθετα υλικά έχουν υψηλό μέτρο ελαστικότητας και μεγάλη αντοχή κατά τη διεύθυνση των ινών και είναι αδύναμα κατά την εγκάρσια διεύθυνση. Δεδομένου ότι 19

40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ τα υλικά αυτά είναι έντονα ανισότροπα, οι συνέπειες από τοποθέτηση κατά την λανθασμένη διεύθυνση δύναται να είναι σημαντικές. Στην περίπτωση των προκατασκευασμένων ελασμάτων, η παραγωγή του σύνθετου υλικού έχει γίνει σε βιομηχανική μονάδα και επομένως οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών είναι γνωστές εκ των προτέρων (π.χ. βάσει εργαστηριακών μετρήσεων). Στην περίπτωση, όμως των υφασμάτων υπάρχει μια αβεβαιότητα ως προς την ποσότητα της ρητίνης που θα εμποτίσει τις ίνες και επομένως ως προς το τελικό ογκομετρικό ποσοστό των ινών μέσα στο σύνθετο υλικό. Κύριο χαρακτηριστικό τους, όπως έχει ήδη αναφερθεί, είναι η καθαρά ελαστική, γραμμική συμπεριφορά μέχρι την αστοχία τους, καθώς οι ίνες συμπεριφέρονται γενικά μόνο ελαστικά. Το παραπάνω συνεπάγεται έλλειψη πλάστιμης συμπεριφοράς και επομένως αδυναμία απορρόφησης ενέργειας, γεγονός που αποτελεί το βασικό μειονέκτημα των σύνθετων υλικών. Σπάνια, τα σύνθετα υλικά παρουσιάζουν πλαστική παραμόρφωση ή διαρροή, ενώ η θραύση τους είναι η τυπικά μορφή αστοχίας υλικού που καταπονείται από οριακή τιμή τάσης. Μια τεχνική που χρησιμοποιείται ώστε να προσδώσει κάποιο βαθμό πλαστιμότητας στο υλικό είναι η σύνθεση του υλικού με ίνες διαφορετικού τύπου, με αποτέλεσμα οι ίνες να αστοχούν σε διαφορετική τιμή παραμόρφωσης και να δημιουργείται τελικά μια ψευδοπλάστιμη συμπεριφορά. Η εφελκυστική αντοχή των σύνθετων υλικών υπολογίζεται 3 4 φορές μεγαλύτερη από αυτή του κοινού χάλυβα. Όμως για μακροχρόνια φόρτιση, η εφελκυστική αντοχή μπορεί να μειωθεί σημαντικά. Για υλικά με ίνες υάλου, η αντοχή μειώνεται στο 40 60% της αρχικής τιμής ενώ για υλικά με ίνες άνθρακα ή αραμιδίου το ποσοστό ανέρχεται σε 50-65% και 75 95% αντίστοιχα. Το πρόβλημα που παρουσιάζεται στα ενισχυμένα στοιχεία είναι ότι στην περίπτωση ρηγμάτωσης πριν την αστοχία, η οποία είναι ψαθυρή εφόσον για την αύξηση της φέρουσας ικανότητας προστίθεται μόνο εφελκυόμενος οπλισμός, οι ρωγμές δεν είναι εμφανείς εφόσον καλύπτονται από τα σύνθετα υλικά και ενδέχεται να μη γίνουν αντιληπτές. 20

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ 2.5 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ Τα σύνθετα υλικά είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για την επισκευή και την ενίσχυση κατασκευών, καθώς είναι ελαφριά, ανθεκτικά, ανθεκτικά στη διάβρωση και έχουν υψηλή δυσκαμψία και Τα συστήματα ενίσχυσης στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος ή φέρουσας τοιχοποιίας με σύνθετα υλικά είναι γενικά δύο τύπων: (α) υγρής εφαρμογής και (β) προκατασκευασμένα όπου η σκλήρυνση της μήτρας έχει προηγηθεί της εφαρμογής. Στην πρώτη περίπτωση χρησιμοποιούνται φύλλα (sheets) ή υφάσματα (fabrics) αποτελούμενα από συνεχείς ίνες μίας (κυρίως) διεύθυνσης, τα υφάσματα (fabrics) αποτελούμενα από συνεχείς ίνες σε δύο τουλάχιστον διευθύνσεις, τα φύλλα (sheets) ή υφάσματα (fabrics) αποτελούμενα από συνεχείς ίνες μίας (κυρίως) διεύθυνσης, προεμποτισμένα με ρητίνη (μήτρα) σε μη σκληρυμένη μορφή, τα φύλλα (sheets) ή υφάσματα (fabrics) αποτελούμενα από συνεχείς ίνες σε δύο τουλάχιστον διευθύνσεις, οι συνεχείς ίνες χωρίς μήτρα συγκεντρωμένες σε μορφή νήματος και οι προεμποτισμένες συνεχείς ίνες, αφότου έχει γίνει επί τόπου σκλήρυνσης της μήτρας. Δηλαδή το ύφασμα προεμποτίζεται με εποξειδική ρητίνη είτε με τη χρήση ειδικών συσκευών εμποτισμού ή απλούστερα πάνω σε επιφάνειες εργασίας και στη συνέχεια τοποθετείται το Υγρό ύφασμα στην ασταρωμένη επιφάνεια. Η υγρή εφαρμογή είναι ιδανική για μεγάλης κλίμακας εφαρμογές και μεγάλου βάρους ή πυκνής πλέξης υφασμάτων και προτιμάται στην ενίσχυση υποστυλωμάτων καθώς και στη διατμητική ενίσχυση των δοκών. Στη δεύτερη περίπτωση χρησιμοποιούνται προκατασκευασμένα ευθύγραμμα (και σχετικά) δύσκαμπτα ελάσματα (strips), που επικολλούνται μέσω ρητίνης, προκατασκευασμένες ράβδοι (bars) κυκλικής ή ορθογωνικής διατομής, που τοποθετούνται σε επιφανειακές εγκοπές γεμισμένες με ρητίνη ή πολυμερικό κονίαμα και προκατασκευασμένα κελύφη (shells), μανδύες (jackets) ή γωνιές (angles), που επικολλούνται μέσω ρητίνης. Η εφαρμογή προκατασκευασμένων ελασμάτων προτιμάται έναντι των υφασμάτων, όταν η εφαρμογή γίνεται σε επίπεδες επιφάνειες (π.χ. καμπτική ενίσχυση δοκών ή πλακών, χιαστί ή οριζόντια διάταξη για τοιχοποιίες σε εντός επιπέδου τέμνουσα), και απαιτούνται σημαντικά πάχη. (Τριανταφύλλου, 2006). Στην περίπτωση αυτή, τα αντίστοιχα υφάσματα εφαρμόζονται απευθείας στη 21

42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ μέσου-ιξώδους εποξειδική ρητίνη, η οποία έχει πρωτίστως επαλειφθεί ομοιογενώς στο υπόστρωμα του σκυροδέματος. Αξίζει να σημειωθεί ότι τα προκατασκευασμένα ελάσματα προτιμούνται έναντι των υφασμάτων όταν η εφαρμογή γίνεται σε επίπεδες επιφάνειες (πλάκες), ενώ σε άλλες περιπτώσεις (μανδύες υποστυλωμάτων) προτιμάται η εφαρμογή υφασμάτων μέσω της υγρής μεθόδου. 2.6 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΙΣ ΕΝΙΣΧΥΣΕΙΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Η χρήση σύνθετων υλικών, με τη μορφή υφασμάτων ή ελασμάτων αποτελεί σήμερα την πλέον σύγχρονη τεχνική στον τομέα της ενίσχυσης των κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα. Έχει πάντως περιορισμένη εφαρμογή, καλύπτοντας κυρίως αδυναμίες μεμονωμένων στοιχείων και δεν μπορεί σε καμία περίπτωση να χρησιμοποιηθεί για αντισεισμική ενίσχυση του συνόλου της κατασκευής. Σε παλιές κατασκευές με χαμηλή αντισεισμική ικανότητα, οι συμβατικές μέθοδοι ενίσχυσης (με προσθήκη τοιχωμάτων, χαλύβδινων δικτυωμάτων ή/και μανδυών από οπλισμένο σκυρόδεμα) πλεονεκτούν σημαντικά. Πάντως και τότε τα σύνθετα υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν, αναλαμβάνοντας επικουρικό ρόλο στο συνολικό σχήμα της επέμβασης. Σε γενικές γραμμές τα σύνθετα υλικά εφαρμόζονται σε περιπτώσεις αλλαγής χρήσης και/ή εντατικής φόρτισης, τροποποίησης του στατικού συστήματος, όπως επίσης και σε περιπτώσεις πρόληψης ή επισκευής κατασκευών σε ζώνες με υψηλό δείκτη σεισμικής επικινδυνότητας. Τα σύνθετα λοιπόν υλικά βρίσκουν εφαρμογή στις κατασκευές στην: Περίσφιγξη: Η περίσφιγξη εφαρμόζεται γενικότερα σε δομικά μέλη που θλίβονται, με σκοπό την αύξηση της φέρουσας ικανότητάς τους ή σε περιπτώσεις σεισμικής αναβάθμισης με την αύξηση της πλαστιμότητας τους. Διατμητική Ενίσχυση: Η ευκαμψία των υφασμάτων, επιτρέπει την εφαρμογή τους σε ακανόνιστες διατομές, οι οποίες παρατηρούνται συχνά σε δοκάρια και υποστυλώματα οπλισμένου σκυροδέματος. Ενίσχυση σε Κρούση: Ορισμένοι τύποι υφασμάτων, μπορούν να απορροφήσουν τον υψηλό βαθμό ενέργειας που μπορεί να προκληθεί από την κρούση ενός οχήματος σε βάθρα γεφυρών, έτσι ώστε να αποφευχθούν φαινόμενα κατάρρευσης. 22

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Καμπτική Ενίσχυση: Τα δομικά στοιχεία μπορούν να ενισχυθούν έναντι κάμψης όχι μόνο μέσω μεταλλικών στοιχείων ή ελασμάτων άνθρακα αλλά και με σύνθετα υλικά, ειδικότερα εάν οι μηχανικές ιδιότητες του υποστρώματος είναι χαμηλές. Ιδιαίτερη μέριμνα πρέπει να δίνεται στη σωστή ευθυγράμμιση των ινών για καμπτικές ενισχύσεις, καθώς η χρήση μεγάλου μήκους υφάσματος είναι καθοριστική για την παραλαβή των φορτίων της ανωδομής. Σεισμική Αναβάθμιση: Οι επεμβάσεις αυτού του τύπου είναι συνήθως ένας συνδυασμός όλων των διαθέσιμων προαναφερθέντων συστημάτων. Ένα σημαντικό πεδίο με προγενέστερες και σημαντικές εφαρμογές αποτελεί την περιτύλιξη των βάθρων στη γεφυροποιία σε μια προσπάθεια αποτροπής πρόωρων αστοχιών λόγω εκδήλωσης σεισμικών εντάσεων. 2.7 ΑΝΘΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 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 Ψύξη - απόψυξη Ερπυσμό, θραύση υπό τάση, διάβρωση υπό τάση Κόπωση Κρούση Επίδραση της Θερμοκρασίας Για τις συνηθισμένες θερμοκρασίες του περιβάλλοντος, τα ινοπλισμένα πολυμερή δε παρουσιάζουν σημαντικές μεταβολές των ιδιοτήτων τους, εφόσον η επιλογή και η εφαρμογή γίνουν με σωστό και επιμελημένο τρόπο. Οι δυσμενείς επιδράσεις στα 23

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ υλικά αναμένονται σε θερμοκρασίες της τάξης των ο C, καθώς μειώνεται σημαντικά η ικανότητα ανάληψης δυνάμεων από τις ρητίνες και επομένως καθίσταται προβληματική η μακροχρόνια συμπεριφορά των κατασκευών, στις οποίες τα σύνθετα υλικά έχουν χρησιμοποιηθεί. Υψηλότερες θερμοκρασίες, όπως αυτές που δύναται να αναπτυχθούν σε περιπτώσεις πυρκαγιάς, προκαλούν πλήρη αποσύνθεση των ρητινών, καθώς αναφλέγονται, και επομένως τα σύνθετα υλικά δε μπορούν να φέρουν επιπλέον τάσεις. Επιπρόσθετα, από την υπερθέρμανση των ρητινών εκλύονται τοξικά παράγωγα, επικίνδυνα για τον ανθρώπινο οργανισμό. Προς αποφυγήν των παραπάνω ανεπιθύμητων επιδράσεων από τις υψηλές θερμοκρασίες, δύναται το σύστημα ινοπλισμένων πολυμερών να φέρει πυροπροστασία, μέσω επικάλυψης των υλικών με ειδικά επιχρίσματα ή ειδικά προστατευτικού (όπως γυψοσανίδα μεγάλου πάχους). Σε χαμηλές θερμοκρασίες αυξάνεται σημαντικά η δυσκαμψία του υλικού που συνεπάγεται ψαθυρή μορφή αστοχίας και μείωση της αντοχής σε κρούση Επίδραση της Υγρασίας Γενικά, τα σύνθετα υλικά παρουσιάζουν καλή συμπεριφορά σε συνθήκες υγρασίας. Προβλήματα εμφανίζονται λόγω της παρατεταμένης επαφής των υλικών με το νερό. Η επίδραση του νερού αφορά τη μήτρα από ρητίνη. Οι ρητίνες απορροφούν ποσότητα νερού (η οποία εξαρτάται από το είδος της ρητίνης και τη θερμοκρασία του νερού) με αποτέλεσμα να μειώνεται η δυσκαμψία τους και η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης. Και τα δύο φαινόμενα είναι ανατρέψιμα σε περιπτώσεις εφαρμογής εποξειδικής ρητίνης, μετά το στέγνωμα της μήτρας. Σε περιπτώσεις πολυεστερικής ή βινυλεστερικής ρητίνης, τα φαινόμενα μπορεί ή όχι να ανατραπούν ανάλογα με το χρόνο της έκθεσης και τη θερμοκρασία του νερού. Από τις ίνες, παρουσία υγρασίας, το γυαλί υφίσταται μικρή μείωση αντοχής λόγω απομάκρυνσης ιόντων από την επιφάνεια των ινών, και το αραμίδιο, το οποίο μπορεί να απορροφήσει υγρασία μέχρι και 13% κ.β.. Οι ίνες άνθρακα είναι πρακτικά απρόσβλητες. Αξίζει να σημειωθεί ότι η πλήρης κάλυψη στοιχείων σκυροδέματος με μαδύες σύνθετων υλικών δημιουργεί απρόσβλητες σε νερό και αέρα εξωτερικές επιφάνειες με αποτέλεσμα την προστασία του μέλους από δυσμενείς περιβαλλοντικούς παράγοντες. Εάν όμως τα μέλη πρέπει να αναπνέουν, να είναι δηλαδή εύκολα 24

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ διαπερατά, τότε η τοποθέτηση μανδύα θα πρέπει να αποφεύγεται καθώς υπάρχει κίνδυνος εγκλωβισμού της υγρασίας Επίδραση του Αλκαλικού και του Όξινου Περιβάλλοντος Τόσο το αλκαλικό όσο και το όξινο περιβάλλον δεν έχουν δυσμενείς επιδράσεις σε σύνθετα υλικά με ίνες άνθρακα. Οι ίνες γυαλιού είναι όμως αρκετά ευπαθείς με αποτέλεσμα να υφίστανται μείωση της αντοχής τους, ενώ οι ίνες αραμιδίου έχουν ενδιάμεση συμπεριφορά. Η μήτρα (ρητίνη) μπορεί να προστατεύσει τις ίνες απομονώνοντας αυτές από το αλκαλικό ή το όξινο περιβάλλον 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 αντί UV εξωτερικών βαφών ανοικτού χρώματος. Αναφέρεται ότι σκούρες επιφάνειες, που εκτίθενται άμεσα στο ηλιακό φώς, έχουν καταγράψει θερμοκρασίες της τάξης των 70 ο C 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 αραμιδίου ή γυαλιού Επίδραση της Ψύξης Απόψυξης Η ύπαρξη πιθανών ρωγμών στην διεπιφάνεια του σκυροδέματος και των τοποθετούμενων σύνθετων υλικών μπορεί να οδηγήσει σε τοπική αποκόλλησή τους σε περίπτωση εγκλωβισμού νερού και μετατροπής του σε πάγο σε πολύ χαμηλές 25

46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ θερμοκρασίες. Η επιρροή της ψύξης απόψυξης είναι έντονη όταν η ποιότητα του υποστρώματος από σκυρόδεμα είναι αρκετά χαμηλή (Toutanji and Balaguru, 1998) Επίδραση από τον Ερπυσμό Στα συστήματα ενίσχυσης με ίνες άνθρακα οι ερπυστικές παραμορφώσεις, δηλαδή οι παραμορφώσεις που αναπτύσσονται με το χρόνο υπό σταθερή τάση, είναι πραγματικά μηδενικές. Σε συστήματα ενίσχυσης με ίνες γυαλιού οι παραμορφώσεις αυτές είναι πολύ μικρές, ενώ για ίνες αραμιδίου είναι κάπως μεγαλύτερες και δεν μπορούν να αγνοηθούν. Εάν επομένως πρόκειται για ίνες γυλιού 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 εξωτερική φόρτισης. Τα παραπάνω φαινόμενα δεν αποτελούν πραγματικό ερπυσμό και έχουν ασήμαντες επιδράσεις στις διαστάσεις του ινοπλισμένου πολυμερούς Επίδραση της Θραύσης και Διάβρωσης Υπό Τάση Έχει διαπιστωθεί ότι οι ίνες γυαλιού, υπό σταθερή τάση, αστοχούν ακόμη και όταν αυτή είναι εξαιρετικά χαμηλή περίπου στο 20% της εφελκυστικής αντοχής. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται θραύση υπό τάσης (stress rupture). Για το λόγο αυτό οι ίνες γυαλιού δε χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις ενισχύσεων για αλλαγή χρήσης. Σε ενισχύσεις έναντι σεισμού δεν υπάρχει πρόβλημα γιατί τα σύνθετα υλικά ενεργοποιούνται μόνο κατά τη διάρκεια της σεισμικής καταπόνησης, εκτός εάν οι ίνες εφαρμοστούν με προένταση. Το φαινόμενο της διάβρωσης υπό τάση (stress corrosion) αφορά τη) μείωση της αντοχής των συνθέτων υλικών λόγω της συνδυασμένης δράσης εφελκυστικών τάσεων και διαβρωτικού (όξινου ή αλκαλικού περιβάλλοντος. Απουσία τάσεων δε θα είχαμε μείωση της αντοχής. Η αστοχία είναι πρόωρη και οφείλεται στην θραύση του σύνθετου υλικού. Τα σύνθετα υλικά με ίνες άνθρακα δεν έχουν πρόβλημα διάβρωσης υπό τάση ακόμα και αν η τάση φτάσει στο 80% της εφελκυστικής αντοχής. Για τον λόγο αυτό, εάν η ενίσχυση έχει ως στόχο την ανάληψη πρόσθετων μόνιμων φορτίων, 26

47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ η χρήση ινών άνθρακα θα πρέπει να είναι η πρώτη επιλογή του κατασκευαστή. Οι ίνες γυαλιού, όπως προαναφέρθηκε, είναι εξαιρετικά ευπαθείς, ενώ οι ίνες αραμιδίου έχουν μια ενδιάμεση συμπεριφορά Επίδραση της Κόπωσης Η συμπεριφορά των σύνθετων υλικών είναι πολύ καλύτερη από το σκυρόδεμα και το χάλυβα υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Ειδικότερα, για τα ανθρακονήματα, η αντοχή τους σε κόπωση είναι ιδιαίτερα υψηλή. Σε ράβδους άνθρακα που πακτώθηκαν σε σκυρόδεμα, και σε ταλαντώσεις συχνότητας 0.5 Hz δε διαπιστώθηκε θραύση λόγω κόπωσης. Τα υαλονήματα είναι αρκετά ευπαθή σε κόπωση λόγω της αλληλεπίδρασης των ινών μεταξύ τους και όχι λόγω του φαινομένου της διάβρωσης υπό τάση. Οι ίνες αραμιδίου επιδεικνύουν μία ενδιάμεση συμπεριφορά. 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 ενίς συστήματος ινοπλισμένου πολυμερούς, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το είδος της ρητίνης, στο οποίο εμποτίζονται οι ίνες Επίδραση της Κρούσης Την καλύτερη συμπεριφορά σε κρούση παρουσιάζουν κατά σειρά τα σύνθετα υλικά με ίνες αραμιδίου, είναι γνωστό ότι χρησιμοποιούνται για την Παρασκευή αλεξίσφαιρων γιλέκων και μανδυών σε υποστυλώματα γεφυρών όπου υπάρχει ο κίνδυνος της πρόσκρουσης οχημάτων. Ακολουθούν οι ίνες γυαλιού και τέλος οι ίνες άνθρακα. 27

48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζεται η αξιολόγηση των ινών με βάση την ανθεκτικότητά 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 2.6: Αξιολόγηση Ινών. 2.8 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Η αποτελεσματικότητα των σύνθετων υλικών εξαρτάται από τη σωστή και επιμελημένη εκτέλεση των εργασιών. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί σε όλες τις φάσεις χρήσης των υλικών: την προσεκτική προετοιμασία της επιφάνειας επικόλλησης των δομικών στοιχείων, τη σωστή επιλογή της ρητίνης, λαμβάνοντας υπόψη τις συνθήκες υγρασίας και θερμοκρασίας, το σχολαστικό καθαρισμό των ελασμάτων και τον επιμελημένο τρόπο χρήσης αυτών από τα ειδικά συνεργία και την καλή, ευθύγραμμη επικόλληση των ινών. Αν κάποιο στάδιο της διαδικασίας δε προσεχθεί, είναι δυνατόν να μειωθεί σημαντικά, ή ακόμα και να ακυρωθεί, η αποτελεσματικότητα της ενίσχυσης ή της επισκευής. Για τον λόγο αυτό είναι πολύ σημαντικό οι εργασίες αυτές να εκτελούνται από εξειδικευμένα συνεργεία καθώς η εφαρμογή κατά την κατασκευή αποτελεί το πιο καθοριστικό σημείο για τη μηχανική συμπεριφορά της ενίσχυσης. Όλες οι φάσεις των εργασιών θα πρέπει να γίνονται υπό την επίβλεψη εξειδικευμένου μηχανικού. 28

49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Βασική Τεχνική Η βασική τεχνική, η οποία είναι και η πλέον συνηθισμένη (και εφαρμόζεται ουσιαστικά κατ αποκλειστικότητα στη χώρα μας), περιλαμβάνει τη δια χειρός επικόλληση είτε υφασμάτων (προεμποτισμένων με ρητίνη ή μη προεμποτισμένων), είτε προκατασκευασμένων στοιχείων (π.χ. ελάσματα) σε στοιχεία οπλισμένου σκυροδέματος, μέσω εποξειδικών ρητινών. Σχήμα 2.5: Παράδειγμα εφαρμογής της βασικής τεχνικής. Συνοπτικά, η διαδικασία εφαρμογής σύνθετων υλικών περιλαμβάνει τα ακόλουθα στάδια: Καθαίρεση του επιχρίσματος. Αποκατάσταση των ενδεχόμενων βλαβών με χρήση κατάλληλης μεθόδου. Προετοιμασία της επιφάνειας του δομικού στοιχείου (εξομάλυνση της επιφάνειας, λάξευση γωνιών κτλ.). Επάλειψη της επιφάνειας του δομικού στοιχείου με εποξειδική ρητίνη ή άλλη κατάλληλη συγκολλητική ουσία. Τοποθέτηση της πρώτης στρώσης ινοπλισμένου πολυμερούς στη διεπιφάνεια του δομικού στοιχείου. Συνίσταται η πλήρης επαφή του δομικού στοιχείου με το σύνθετο υλικό. Τοποθέτηση ειδικών αγκυρίων όπου απαιτείται. Τοποθέτηση επιπλέον στρώσεων σύνθετου υλικού όταν απαιτείται. 29

50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Μετά τη σκλήρυνση του συστήματος, εφαρμογή επιχρίσματος και βαφή της επιφάνειας του δομικού στοιχείου με βάση αρχιτεκτονικές και αισθητικές προτιμήσεις Ειδικές Τεχνικές Οι περισσότερες από τις παραπάνω τεχνικές δεν έχουν τύχει ακόμα ευρείας εφαρμογής στη χώρα μας, αλλά αναφέρονται παρακάτω για λόγους πληρότητας: Αυτοματοποιημένη περιτύλιξη: Περιλαμβάνει την περιτύλιξη προεμποτισμένων με ρητίνη νημάτων υπό μικρή γωνία γύρω από υποστυλώματα γεφυρών ή άλλα στοιχεία μέσω ειδικής συσκευής ρομπότ. Βασικό πλεονέκτημα της τεχνικής είναι η μεγάλη ταχύτητα εφαρμογής. Εικόνα 2.8: Ειδική συσκευή ρομπότ. Εφαρμογή με προένταση: Η μέθοδος προέντασης αναπτύχθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 90 (Triantafillou and Deskovic 1991, Deuring). Περιλαμβάνει την επικόλληση ελασμάτων ενώ αυτά βρίσκονται υπό τάνυση. Έτσι εκμεταλλευόμαστε τα βασικά πλεονεκτήματα της προέντασης (αύξηση δυσκαμψίας, καθυστέρηση ρηγμάτωσης, μείωση πλάτους ρωγμών, αύξηση καμπτικής και διατμητικής αντοχής), με τίμημα την αύξηση του κόστους αλλά και του βαθμού πολυπλοκότητας της μεθόδου εφαρμογής, λόγω της ανάγκης για τη χρήση ειδικών αγκυρώσεων. Η τεχνική της ρηγμάτωσης μπορεί να εφαρμοστεί και σε μανδύες υποστυλώματος είτε εφαρμόζοντας τα σύνθετα υλικά με τις ίνες υπό τάνυση, είτε εισάγοντας στο κενό μεταξύ του μανδύα και του σκυροδέματος ρητίνη υπό πίεση ή διογκούμενο κονίαμα. 30

51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Επιταχυνόμενη σκλήρυνση με θέρμανση: Η σκλήρυνση της εποξειδικής ρητίνης στη διεπιφάνεια ελασμάτων σκυροδέματος μπορεί να επιταχυνθεί σημαντικά μέσω της χρήσης ειδικών συσκευών θέρμανσης. Έτσι αυξάνεται σημαντικά η ταχύτητα εφαρμογής της ενίσχυσης ακόμα και σε περιπτώσεις που η τελευταία θα ήταν αδύνατη. Πρόσθετο πλεονέκτημα της μεθόδου είναι η αύξηση της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης της ρητίνης. Προκατασκευασμένα στοιχεία: Είναι συνήθως μορφής ελάσματος, γωνιών, ή μανδύα κελύφους που τοποθετείται περιμετρικά των υποστυλωμάτων με στόχο την αύξηση της περίσφιξης ή της διατμητικής αντοχής. Εικόνα 2.9: Δύο τύποι από προκατασκευασμένους μανδύες GFRP. Εφαρμογή ράβδων σε εγκοπές: Η τοποθέτηση και επικόλληση ράβδων ή ελασμάτων σε εγκοπές αποσκοπεί συνήθως στην αύξηση της καμπτικής αντοχής υφιστάμενων μελών σκυροδέματος. Βασικό πλεονέκτημα της μεθόδου είναι η εξαιρετικά βελτιωμένη συνάφεια των σύνθετων υλικών με το σκυρόδεμα και εν γένει η καλύτερη προστασία τους. Εικόνα 2.10: Εφαρμογή εκτοξευόμενου FRP. 31

52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Εκτοξευόμενο ή ψεκαζόμενο FRP (sprayed up FRP): Κατά τη μέθοδο αυτή το υποστύλωμα ψεκάζεται με μικρές ίνες άνθρακα και γυαλιού αναμιγμένες με βινυλεστερική ρητίνη και στη συνέχεια αν χρειαστεί ενισχύεται με επιπλέον φύλλα FRP. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι η βινυλεστερική ρητίνη απαιτεί λιγότερο χρόνο για την σκλήρυνσή της σε σύγκριση με την εποξειδική ρητίνη, ενώ παράλληλα έχουν τις ίδιες μηχανικές ιδιότητες. Η μηχανική στερέωση ελασμάτων με αγκύρια. 2.9 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗΣ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ FRP Τα τελευταία χρόνια, έχει υπάρξει μια παγκόσμια αύξηση της χρήσης σύνθετων υλικών για την αποκατάσταση κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα. Μια σημαντική εφαρμογή των σύνθετων υλικών για την ενίσχυση είναι η χρήση φύλλων FRP που παρέχουν εξωτερική περίσφιγξη σε υποστυλώματα οπλισμένου σκυροδέματος, όταν ο υπάρχον εγκάρσιος οπλισμός είναι ανεπαρκής. Η τεχνολογία ενίσχυσης με μανδύα FRP, υπάρχει παραπάνω από 10 χρόνια και βρίσκεται ακόμα σε εξέλιξη. Η περίσφιγξη υποστυλωμάτων οπλισμένου σκυροδέματος, βελτιώνει τόσο την ικανότητα μεταφοράς φορτίου, όσο και την πλαστιμότητά τους. Το σχήμα της διατομής, η ακτίνα γωνίας και ο λόγος των πλευρών είναι οι παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση της συμπεριφοράς των περισφιγμένων υποστυλωμάτων. Μέχρι σήμερα, οι έρευνες έχουν επικεντρωθεί στον προσδιορισμό της συμπεριφοράς υποστυλωμάτων κυκλικής διατομής (Xiao and Wu 2000, Liu et al. 2000). Τα αποτελέσματα αυτών των ερευνών έχουν ευρύ πεδίο εφαρμογής, ιδίως όσον αφορά κυκλικά βάθρα γεφυρών. Ωστόσο, η μεγαλύτερη πλειοψηφία των υποστυλωμάτων στα συνήθη κτίρια είναι ορθογωνικής διατομής. Ως εκ τούτου, ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στην ενίσχυσή τους για να διατηρηθεί η ακεραιότητα των κτιρίων. Στην περίπτωση ορθογωνικών υποστυλωμάτων με λόγο πλευρών μεγαλύτερο του 3 (wall like columns), τα πειραματικά δεδομένα τονίζουν ότι η αποδοτικότητα των μανδυών από FRP είναι μειωμένη. Η αστοχία του μέλους, πραγματοποιείται σε παραμόρφωση αρκετά μικρότερη από την οριακή παραμόρφωση αστοχίας. Όμως, η 32

53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ σχετική βιβλιογραφία περίσφιγξης υποστυλωμάτων ορθογωνικής διατομής με μεγάλο λόγο πλευρών είναι περιορισμένη. Η ενίσχυση των ορθογωνικών υποστυλωμάτων απαιτούν επιπλέον έρευνα από αυτή των κυκλικών υποστυλωμάτων, λόγω της αυξημένης πολυπλοκότητάς τους που οφείλεται στη γεωμετρία τους. Τα υποστυλώματα κυκλικής διατομής υφίστανται ομοιόμορφες τάσεις περίσφιγξης στην περιφέρεια της διατομής τους, ενώ στα υποστυλώματα ορθογωνικής διατομής οι τάσεις περίσφιγξης παρουσιάζουν τις μέγιστες τάσεις στις γωνίες τις διατομής και λιγότερο στο μέσο της (Mirmiran et al. 1998). Επίσης, στα υποστυλώματα ορθογωνικής διατομής, η τραχύτητα των γωνιών παίζει σημαντικό ρόλο στην αποδοτικότητα της περίσφιγξης του μανδύα (Picher el al. 1996), καθώς η συγκέντρωση τάσεων στις γωνίες μπορεί να προκαλέσει πρόωρη θραύση του FRP. Οι Mirmiran et al. and Yang et al., ανέφεραν ότι η συγκέντρωση τάσεων στις γωνίες των ορθογωνικών διατομών είναι ο κύριος λόγος πρόωρης θραύσης στοιχείων FRP. Επομένως, καμπύλωση των γωνιών των μη κυκλικών διατομών, κρίνεται απαραίτητη. Πειραματικά, έχει αποδειχθεί πως όσο μεγαλύτερη είναι η ακτίνα καμπυλότητας, τόσο αυξάνεται η αποτελεσματικότητα της περίσφιγξης και η ικανότητα ανάληψης αξονικού φορτίου (Sushil, 2013). Οι Cole and Belarbi, διερεύνησαν τα χαρακτηριστικά περίσφιγξης υποστυλωμάτων ενισχυμένων με FRP και μελέτησαν τις επιπτώσεις των αναλογιών των διαστάσεων υποστυλωμάτων ορθογωνικών διαστάσεων. Αποδείχθηκε ότι με την αύξηση του λόγου των διαστάσεων της διατομής, η οριακή αντοχή των ενισχυμένων υποστυλωμάτων με CFRP, μειώθηκε. Επιπλέον, αυξάνοντας το λόγο των διαστάσεων ενός ορθογωνικού υποστυλώματος, μειώνεται η αποτελεσματικότητα περίσφιγξης και η αύξηση της αντοχής, έτσι ώστε για λόγο πλευρών μεγαλύτερο του 2, η αύξηση της αντοχής του ενισχυμένου υποστυλώματος είναι σχεδόν ασήμαντη. Οι Hosny et al. (2001), μελέτησαν υποστυλώματα με λόγο πλευρών 3:1, ενισχυμένα με φύλλα CFRP. Ένα βασικό συμπέρασμα αυτής της μελέτης ήταν ότι η χαμηλή αποτελεσματικότητα των CFRPs, αυξάνεται με τη μετατροπή του σχήματος της διατομής σε ελλειπτικό, ή με την προσθήκη διαμήκων χαλύβδινων ελασμάτων, αγκυρωμένων με τη χρήση κοχλιών. 33

54 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Οι Maalej et al. (2003), διεξήγαγαν μια παραμετρική μελέτη για να διερευνήσουν την επίδραση του λόγου των πλευρών στην ενίσχυση των υποστυλωμάτων και απέδειξαν ότι καθώς αυξάνει ο λόγος των διαστάσεων από 1:1 έως 6:1, ο λόγος ενίσχυσης μειώθηκε από 1.17 σε 1.08, μείωση της τάξεως του 10% περίπου. Ο Tan (2002), εξέτασε την περίπτωση υποστυλωμάτων ορθογωνικής διατομής με λόγο πλευρών 3.65, και απέδειξε ότι τα φύλλα εγκάρσιων ινών, αυξάνουν την ικανότητα ανάληψης αξονικού φορτίου των υποστυλωμάτων. Επιπλέον η αγκύρωση των φύλλων αυτών στη μεγαλύτερη όψη του υποστυλώματος οδηγεί σε αύξηση της ικανότητας ανάληψης του αξονικού φορτίου. Οι Tanwongsval et al. (2003), μελέτησαν τη συμπεριφορά ορθογωνικών υποστυλωμάτων με λόγο πλευρών 3.6:1, ενισχυμένα με GFRPs. Διερευνήθηκε η απόδοση τοποθέτησης FRP, μετά τη αύξηση των διατομών με τη χρήση ημικυλινδρικών τμημάτων κονιάματος υψηλής αντοχής. Τα βασικά συμπεράσματα της μελέτης αυτής ήταν ότι η χρήση ημικυλινδρικών κονιαμάτων σε επαφή με τις μικρές πλευρές ήταν αρκετά αποτελεσματική, καθώς η συγκέντρωση τάσεων κοντά στις γωνίες μειώθηκε. Οι Prota et al. (2006), μελέτησαν τη συμπεριφορά ορθογωνικών υποστυλωμάτων οπλισμένου σκυροδέματος με μεγάλο λόγο πλευρών, περισφιγμένων με ελάσματα υάλου μονής και διπλής διεύθυνσης FRPs (GFRPs). Η ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων έδειξε ότι η περίσφιγξη με τα GFRP οδηγεί σε σημαντική αύξηση της αντοχής και της πλαστιμότητας, καθώς και ότι η θραύση των περισφιγμένων υποστυλωμάτων ελέγχεται από το σχήμα της διατομής και εμφανίστηκε σε εγκάρσια παραμόρφωση του μανδύα που ήταν πολύ μικρότερη από την οριακή παραμόρφωση των ινών. Η συμπεριφορά ορθογωνικών υποστυλωμάτων ενισχυμένων με GFRP μελετήθηκε από τους Kumutha et al. (2007), οι οποίοι εξέτασαν τη διακύμανση του αριθμού των στρώσεων και του λόγου των πλευρών. Αποδείχθηκε ότι η χρήση των GFRP οδηγούσε σε αύξηση της αντοχής, αλλά το φαινόμενο αυτό επηρεάζεται έντονα από το λόγο των πλευρών της διατομής, καθώς η αύξηση του λόγου, οδηγεί σε μείωση της οριακής αντοχής. Σε μερικές περιπτώσεις, οι συσκευές αγκύρωσης είναι απαραίτητες για τη μεταφορά των τάσεων από το ένα δομικό στοιχείο στο άλλο, όπως συμβαίνει και στην 34

55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ περίπτωση του εσωτερικού οπλισμού (από το υποστύλωμα στο θεμέλιο και από τη δοκό στο υποστύλωμα) ή όταν το μήκος αγκύρωσης στο τέλος του ελάσματος του FRP περιορίζεται από τη γεωμετρική διαμόρφωση του στοιχείου (όπως στην περίπτωση ενίσχυσης στοιχείων Τ-σχήματος). Πολλές διαφορετικές τεχνικές μπορεί να χρησιμοποιηθούν για τη σταθεροποίηση των ινών. Οι Kobayashi et al. (2001), παρουσίασαν για πρώτη φορά, στο 5 ο διεθνές Συνέδριο FRPRCS (Fiber Reinforced Polymer Reinforcement for Concrete Structures), τη μέθοδο αγκύρωσης του σύνθετου υλικού που χρησιμοποιείται ως εξωτερικός οπλισμός ενίσχυσης στοιχείων Ο.Σ. με χρήση αγκυρίων ινών άνθρακα μορφής θυσάνου. Η βασική θεώρηση των ερευνητών, ήταν ότι το αγκύριο καλείται να μεταφέρει τις εφελκυστικές δυνάμεις που αναπτύσσονται στο σύνθετο υλικό (π.χ. ύφασμα ινών άνθρακα εμποτισμένο με εποξειδική ρητίνη), μέσα στη μάζα του σκυροδέματος. Για το λόγο αυτό, προτείνουν η ποσότητα ινών του αγκυρίου να είναι τουλάχιστον ίση με την ποσότητα των ινών του υφάσματος που αγκυρώνει (εφόσον το αγκύριο και το ύφασμα προς αγκύρωση αποτελούνται από το ίδιο υλικό). Προτείνοντας χρήση των αγκυρίων αυτών στην περίπτωση υποστυλωμάτων, που λόγω γειτνίασης με τοιχοποιία καθίσταται αδύνατη η περιμετρική συνέχεια της εξωτερικής ενίσχυσης με μανδύα από FRP, διεξήγαγαν πειράματα με σκοπό τον προσδιορισμό της ικανότητας ανάληψης εφελκυστικής δύναμης, από το προτεινόμενο σύστημα αγκύρωσης. Οι Jinno et al. (2001), με σκοπό τη μελέτη της επιρροής διαφόρων διατάξεων αγκύρωσης με χρήση αγκυρίων ινών άνθρακα μορφής θυσάνου, στη διατμητική αντοχή στοιχείων τύπου πλακοδοκού, ενισχυμένων με τρίπλευρο μανδύα από Ινοπλισμένα Πολυμερή Άνθρακα, διενήργησαν σειρά πειραματικών δοκιμών σε στοιχεία οπλισμένου σκυροδέματος, τύπου πλακοδοκού. Οι Karantzikis et al. (2005), μελέτησαν την αποτελεσματικότητα της αγκύρωσης μανδύα FRP από ίνες υάλου, με αγκύρια ινών υάλου μορφής θυσάνου, στην εσωτερική γωνία υποστυλώματος διατομής L. Η αγκύρωση του μανδύα στη θέση αυτή είναι απαραίτητη για να είναι η ενίσχυση αποδοτική. Έπειτα από πειραματικές δοκιμές, κατέληξαν στο συμπέρασμα πως η μη συμβατική αυτή μέθοδος περίσφιγξης υποστυλωμάτων διατομής L οδηγεί σε μεγάλες παραμορφώσεις αστοχίας του σκυροδέματος καθυστερώντας σημαντικά την αστοχία, μετατρέποντας παράλληλα την αστοχία από ψαθυρή σε ψευδοπλάστιμη. 35

56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Εικόνα 2.11: Εφαρμογή αγκύρωσης λόγω περιμετρικής ασυνέχειας του υφάσματος. Εικόνα 2.12: Τέσσερις τύποι διαφορετικής διάταξης της αγκύρωσης του τρίπλευρου μανδύα. Εικόνα 2.13: Διαδικασία ενίσχυσης (α) δημιουργία οπών, (β)πλήρωση των οπών με ρητίνη μετά την εφαρμογή του μανδύα ΙΟΠ και πριν την εφαρμογή των αγκυρίων και (γ) εφαρμογή τελευταίας στρώσης μανδύα ΙΟΠ. 36

57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σε μια χώρα όπως η Ελλάδα είναι φανερό ότι το μεγαλύτερο ποσοστό των βλαβών προέρχονται από τους σεισμούς. Επομένως, πέραν της επιβεβλημένης ανάγκης ενίσχυσης των υφισταμένων κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος, τονίζεται και η ανάγκη αντισεισμικής ενίσχυσης των κρισιμότερων μελών μιας κατασκευής, που είναι τα υποστυλώματα. Τα τελευταία συχνά δεν πληρούν τις απαιτήσεις των σύγχρονων αντισεισμικών κανονισμών καθώς χαρακτηρίζονται από ένα σύνολο ανεπαρκειών, όπως ανεπαρκή καμπτική αντοχή, ανεπαρκή διατμητική αντοχή, μειωμένη ικανότητα παραμόρφωσης και αβέβαιη πλαστιμότητα. Η συνεχής ανάγκη για ποιοτική και οικονομική βελτιστοποίηση των κατασκευών έχει οδηγήσει την διεθνή επιστημονική κοινότητα τα τελευταία 20 έτη στην διερεύνηση της δυνατότητας εφαρμογής νέων σύνθετων υλικών στις κατασκευές, με πιο διαδεδομένη την εφαρμογή των ινοπλισμένων πολυμερών (FRPs). Η τεχνική επεμβάσεων με ινοπλισμένα πολυμερή, αξιοποιεί ιδιότητες των υλικών αυτών όπως είναι η εξαιρετικά υψηλή εφελκυστική αντοχή, η ανθεκτικότητα στο χρόνο, το χαμηλό βάρος και η ικανοποιητική παραμορφωσιμότητα (π.χ. Τριανταφύλλου 2008). Έτσι, τόσο διεθνώς όσο και στη χώρα μας, ο αριθμός επεμβάσεων σε υφιστάμενα δομήματα όπου γίνεται χρήση FRP αυξάνεται με ταχείς ρυθμούς. Προς την κατεύθυνση αυτή έχει βοηθήσει σημαντικά και η πλούσια διεθνής βιβλιογραφία, η οποία έχει φωτίσει πάρα πολλές πτυχές του πεδίου των επεμβάσεων με FRP. Η λαμπρή πορεία και επιτυχία που σημειώθηκε με την ευρέως διαδεδομένη εφαρμογή της μεθόδου των ινοπλισμένων πολυμερών, δεν πρέπει να παρανοείται με το γεγονός ότι η συγκεκριμένη πρακτική δεν έχει μειονεκτήματα. Αντιθέτως, η αναγκαία χρήση ρητίνων της μεθόδου, για τη συγκόλληση των σύνθετων υλικών περιλαμβάνει μια σειρά από μειονεκτήματα, τα κυριότερα από τα οποία είναι: Η ανεπαρκής 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. 37

58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) 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 και επιφάνειες ανώμαλες ή με μεγάλη τραχύτητα. 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 φτωχή φυσικοχημική συμβατότητα του σύνθετου υλικού με το υπόστρωμα του σκυροδέματος (αφορά κυρίως ιστορικές κατασκευές). Η δυσκολία να διεξαχθεί μελέτη αποτίμησης της βλάβης των δομικών στοιχείων, μετά από σεισμό, όταν καλύπτονται από μανδύες ινοπλισμένων πολυμερών (FRP jackets). 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 σειρά αυτών των μειονεκτημάτων οδηγεί στη διερεύνηση ενός εναλλακτικού υλικού που να αντικαθιστά την εποξειδική ρητίνη χωρίς να συνδυάζει τα παραπάνω μειονεκτήματα. Μια λογική επομένως λύση θα ήταν η αντικατάσταση των οργανικών συνδετικών υλικών με άλλα ανόργανα (π.χ. τσιμεντοκονίαμα), δημιουργώντας τα FRMs (Fiber Reinforced Mortars), πράγμα που συνέβη χωρίς ιδιαίτερη επιτυχία. Τα υλικά αυτά αν και χρησιμοποιήθηκαν για τη βελτίωση λεπτών διατομών, εμφάνισαν στην πράξη προβλήματα, καθώς λόγω της διακριτότητας του κονιάματος ήταν δύσκολο να επιτευχθεί η διείσδυση και ο εμποτισμός των ινών. Σε αντίθεση όμως με τις ρητίνες δεν μπορούσαν να εμποτίσουν μεμονωμένες ίνες και να οδηγήσουν σε εξαιρετική σύνδεση και αλληλεπίδραση μεταξύ των ινών και της μήτρας. Την τελευταία δεκαετία η διεθνής κοινότητα έχει στρέψει τις έρευνες στην αντικατάσταση των συμβατικών υφασμάτων συνεχών ινών μίας διεύθυνσης, με 38

59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) υφάσματα ινών σε μορφή πλέγματος (textile) με βροχίδες με σκοπό τη δημιουργία καλύτερου δεσμού ινών μήτρας. Το νέο σύνθετο υλικό αποδίδεται στη διεθνή βιβλιογραφία με τον όρο Textile Reinforced Concrete (TRC). Τα πλέγματα αυτά μπορούν να κατασκευάζονται από δέσμες ινών ανά αποστάσεις σε δύο ή περισσότερες διευθύνσεις, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η καλή συνεργασία ινών μητρικού υλικού (δηλαδή κονιάματος) κυρίως μέσω μηχανικής εμπλοκής του κονιάματος στα κενά μεταξύ των δεσμών. Η μήτρα είναι εξαιρετικά λεπτόκοκκου σκυροδέματος ή κονιάματος με μέγιστο κόκκο αδρανών τα 2mm. Αυτό επιτρέπει την κατασκευή πολύ λεπτών στοιχείων σκυροδέματος με υψηλή αντοχή τόσο σε θλίψη όσο και σε εφελκυσμό. Η μήτρα που περιβάλλει τις ίνες αποτελεί την συγκολλητή ύλη μεταξύ των ινών και είναι υπεύθυνη για την μεταφορά των δυνάμεων προς αυτές. Ο όρος που έχει προταθεί από τους Triantafillou et al. (2006) στη διεθνή βιβλιογραφία για τα νέα αυτά σύνθετα υλικά μανδυών ενίσχυσης είναι Textile Reinforced Mortars (TRM), ενώ στην Ελληνική γλώσσα έχει αποδοθεί ως Ινοπλέγματα σε Ανόργανη Μήτρα (ΙΑΜ). Εικόνα 3.1: Κονίαμα ενισχυμένο με ύφασμα ινών σε μορφή πλέγματος. Τα πλέγματα αυτά παρασκευάζονται από συνήθεις ίνες άνθρακα, γυαλιού κλπ. Σημειώνεται πάντως ότι στην περίπτωση πλεγμάτων από ίνες γυαλιού θα πρέπει να γίνεται είτε χρήση τύπου AR (alkali resistant) είτε προεμποτισμός των δεσμών με κάποιο πολυμερές χαμηλού κόστους, ώστε να αποφεύγεται η πρώιμη φθορά των ινών λόγω της υψηλής αλκαλικότητας των κονιαμάτων. Εικόνα 3.2: Υφάσματα ινών σε μορφή πλέγματος: (a) από άνθρακα, (b) από γυαλί, (c) από πολυαιθυλένιο (PE). 39

60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) Οι μελέτες σχετικά με τη χρήση υφασμάτων ινών με μορφή πλέγματος, ξεκίνησαν στις αρχές του 1980, όμως οι εξελίξεις στον τομέα αυτό προχωρούσαν με αργούς ρυθμούς μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του Το 2003 όμως έγιναν μελέτες από τους Curbach and Brueckner (2003) στη συνάφεια ινοπλεγμάτων ανόργανης μήτρας σκυροδέματος και παρουσιάζονται αποτελέσματα δοκιμών κάμψης επί δοκών ενισχυμένων με υαλοπλέγματα σε τσιμεντοκονίαμα. Η χρήση των ινοπλεγμάτων σε ανόργανη μήτρα για την κατασκευή μανδυών με στόχο την περίσφιγξη σκυροδέματος και την ενίσχυση έναντι τέμνουσας παρουσιάστηκε για πρώτη φορά στις εργασίες των Triantafillou et al. (2006), Triantafillou & Papanicolaou (2006) και Bournas et al. (2007). Σε αυτές τις εργασίες εξετάστηκε η αποτελεσματικότητα των μανδυών TRΜ σε σύγκριση με μανδύες FRP για την περίσφιγξη πρισματικών και κυκλικών δοκιμίων άοπλου ή οπλισμένου σκυροδέματος υπό κεντρική θλίψη, ενώ διεξήχθη και μια προκαταρκτική μελέτη δοκιμίων υποστυλωμάτων σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση, περισφιγμένων στη βάση τους με μανδύες FRP και TRΜ. Το βασικό συμπέρασμα που προέκυψε ήταν ότι η αποτελεσματικότητα των μανδυών από ινοπλέγματα σε ανόργανη μήτρα (TRΜ) ως προς την αύξηση της αντοχής και της ικανότητας παραμόρφωσης στοιχείων άοπλου ή οπλισμένου σκυροδέματος είναι γενικός υψηλή και μόνον ελαφρώς (στην περίπτωση κεντρικής θλίψης) ή καθόλου (στην περίπτωση ανακυκλιζόμενης κάμψης) μειωμένη ως προς την αντίστοιχη των μανδυών από ινοπλισμένα πολυμερή (FRP). Εικόνα 3.3: Επικόλληση ινοπλεγμάτων σε κονίαμα στη βάση υποστυλώματος. 40

61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) 3.2 ΥΛΙΚΑ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ Ίνες Η επιλογή του υλικού των ινών που χρησιμοποιούνται στα TRM, βασίζεται σε διάφορους παράγοντες, όπως τις ιδιότητες των υλικών, την αντίσταση στις υψηλές θερμοκρασίες, την ποιότητα των δεσμών προκειμένου να μην εμφανίζουν φαινόμενα χαλάρωσης λόγω μόνιμων φορτίων, το κόστος. Οι ίνες πρέπει επίσης να επιδεικνύουν υψηλή ανθεκτικότητα έναντι του αλκαλικού περιβάλλοντος που δημιουργείται γύρω από αυτές εξαιτίας της ανόργανης μήτρας. Το βασικότερο όμως χαρακτηριστικό που πρέπει να διαθέτουν οι ίνες για τη χρησιμοποίησή τους ως φορέα ανάληψης είναι η υψηλή εφελκυστική τους αντοχή και η μεγάλη παραμόρφωση αστοχίας τους. Οι ίνες είναι διαμέτρου 5 25 μm, αναλαμβάνουν τις εφελκυστικές δυνάμεις που ασκούνται στα σύνθετα υλικά. Πρέπει να τονιστεί ότι ενεργοποιούνται μόνον όταν οι εφαρμοζόμενες δυνάμεις είναι παράλληλες στην διεύθυνσή τους. Η συμπεριφορά τους είναι γραμμικά ελαστική ως τη θραύση τους (ψαθυρή αστοχία), ενώ η εφελκυστική τους αντοχή είναι εξαιρετικά υψηλή. Οι ίνες που χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο στα TRM είναι οι ίνες υάλου και άνθρακα ενώ σπανιότερα χρησιμοποιούνται και οι ίνες αραμιδίου. Οι ίνες είναι συνήθως μεγάλου μήκους και διατίθενται σε μορφή νημάτων (τυλιγμένων σε κουβάρια), σε μορφή υφάσματος (ίνες σε δύο διευθύνσεις) ή σε μορφή ταινιών με πλάτος μερικών εκατοστών Κλώνοι Πολλές δέσμες ινών συνδυασμένες μεταξύ τους, αποτελούν ένα κλώνο. Το κενό μεταξύ των κλώνων, ονομάζεται βροχίδα. Ένας λοιπόν κλώνος, μπορεί να αποτελείται από χιλιάδες νήματα ινών. Η λεπτότητα του κλώνου μετράται με τη μονάδα tex, που δηλώνει το βάρος του κλώνου (gr) ανά μονάδα μήκους (1000m). Ουσιαστικά η λεπτότητα του κλώνου εξαρτάται από τον αριθμό των ινών, την πυκνότητά τους και τη διάμετρό τους. Τα νήματα που συνθέτουν τον κλώνο είναι δυνατό να εμφανίζουν στροφή γύρω από τον άξονά τους. 41

62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) Υπάρχουν στην αγορά διάφοροι κλώνοι ανάλογα με το υλικό των ινών από τις οποίες αποτελούνται. Μερικοί από αυτούς είναι: Κλώνοι ινών υάλου Κλώνοι ινών άνθρακα Κλώνοι ινών αραμιδίου (α) (β) Εικόνα 3.4: Κλώνοι ινών α) Από ένα υλικό, β) Συνδυασμός νημάτων ινών. Για τη δημιουργία πλεγμάτων σύνθετων υλικών σε τσιμεντοειδές υλικό, προτιμότερες είναι οι ίνες άνθρακα. Οι ίνες άνθρακα έχουν το χαρακτηριστικό ότι ταυτόχρονα με την υψηλή αντοχή τους και το υψηλό μέτρο ελαστικότητας είναι ανθεκτικές στην επίδραση των αλκαλίων και δεν αποτελούνται από κάποιο διαβρωτικό συστατικό. Οι ίνες υάλου έχουν εξαιρετικά χαμηλό κόστος. Η συνάφεια μεταξύ των κλώνων και του περιβάλλοντος σκυροδέματος καθορίζει σημαντικά την ικανότητα ανάληψης φορτίων του σύνθετου στοιχείου. Στο οπλισμένο σκυρόδεμα, ένα σημαντικό ποσοστό της συνάφειας μεταξύ του χάλυβα και του σκυροδέματος, εξασφαλίζεται μέσω των νευρώσεων που υπάρχουν στη ράβδο του χάλυβα. Στους κλώνους ινών, οι συνθήκες συνάφειας με το σκυρόδεμα βελτιώνονται με την περιτύλιξη των ινών γύρω από τον κλώνο ή με την διαμόρφωση αδρής επιφάνειας στην επιφάνεια του κλώνου. Είναι λοιπόν δυνατόν να κατατάξουμε τους κλώνους ινών ανάλογα με τη μορφή που έχει η εξωτερική τους επιφάνεια σε τρεις μορφές. Στην πρώτη μορφή ινών, γύρω από την περίμετρο του κλώνου, περιτυλίσσονται ελικοειδώς ένα ή περισσότερα νήματα ινών έτσι ώστε να δημιουργηθούν νευρώσεις. Το βήμα της έλικας είναι δυνατό να είναι μεγαλύτερο ή μικρότερο ανάλογα με τις ανάγκες για συνάφεια. Στη μορφή αυτή ανήκουν οι καλωδιωτοί κλώνοι ινών. Στο δεύτερο τύπο κλώνων ανήκουν οι κλώνοι που η εξωτερική τους επιφάνεια είναι επικαλυμμένη με ίνες πολυπροπυλενίου μήκους τεσσάρων εκατοστών. Οι ίνες 42

63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) πολυπροπυλενίου περιβάλλουν τον κλώνο σε μια μονάδα περιστροφής στην οποία παράγεται ο κλώνος. Στην τρίτη κατηγορία ανήκουν οι κλώνοι των οποίων τα νήματα είναι εμποτισμένα με κατάλληλες ποσότητες πολυμερών. Έτσι ώστε να βελτιωθεί η συνάφεια μεταξύ των ινών αλλά και μεταξύ των ινών του σκυροδέματος. Εικόνα 3.5: Σύνθετος κλώνος ινών με επικάλυψη πολυπροπυλενίου Πλέγματα Ινών Στη μέθοδο ενίσχυσης με TRM, οι ίνες βρίσκονται σε μορφή πλέγματος ούτως ώστε να γίνεται καλύτερα εμποτισμός τους με το σχετικά παχύρευστο κονίαμα. Τα πλέγματα ινών αποτελούνται από ευθύγραμμους κλώνους (yarns) νημάτων ινών (filaments) σε δύο ή και περισσότερες διευθύνσεις. Η γεωμετρική διάταξη των ινών στο πλέγμα παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην καλή συνεργασία μεταξύ σκυροδέματος και μανδύα. 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 διαγωνίων ινών φαίνεται να παίζει σημαντικό ρόλο στην ενίσχυση της συνάφειας. Σημαντικότερο κριτήριο για τον καθορισμό της απόστασης μεταξύ των κλώνων ινών σε κάθε διεύθυνση αποτελεί η δυνατότητα εισχώρησης επαρκούς ποσότητας μητρικού υλικού μεταξύ και εντός των κλώνων. Τα πλέγματα ινών σημαντικό είναι να έχουν γεωμετρική σταθερότητα, να διατηρούν δηλαδή την ευθυγραμμία των κλώνων σε σταθερή σε κάθε διεύθυνση κατά τη διαδικασία εμποτισμού τους με το μητρικό υλικό. Οι πιο συνηθισμένοι τύποι ινών, αποτελούνται από πλέγματα δύο διευθύνσεων, όπου η διάταξη των ινών μπορεί να είναι κάθετη (0 ο /90 ο ) ή χιαστί (45 ο /-45 ο ), ή συνδυασμός και των δύο (0 ο /45 ο /90 ο /-45 ο ) για πλέγματα τεσσάρων διευθύνσεων. 43

64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) Σε κατασκευές που απαιτούν εφελκυόμενο οπλισμό και στις δύο πλευρές, εφαρμόζονται πλέγματα τριών διαστάσεων. Στην περίπτωση της τρισδιάστατης πλέξης, με κενά αποστάτες, η πλέξη είναι στις τρείς διαστάσεις με τη δυνατότητα του κενού μεταξύ των νημάτων να ποικίλει ακόμα και κατά το μήκος του σύνθετου υλικού. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να υπάρχει η δυνατότητα τα δύο επίπεδα που ενώνονται μεταξύ τους διατηρώντας μια μόνιμη απόσταση να αποτελούνται από διαφορετικά υλικά ή ακόμα και να έχουν διαφορετική μορφή. Στη τρισδιάστατη πλέξη, το σύνθετο αυτό υλικό που δημιουργείται, χρησιμοποιείται κυρίως για την ενίσχυση λεπτών στοιχείων από σκυρόδεμα οπού και τα δύο επίπεδά του είναι κοντά στην επιφάνεια του στοιχείου και από τις δύο πλευρές του. Για την κατασκευή κυκλικών στοιχείων από TRΜ όπως οι αγωγοί, οι δεξαμενές επεξεργασίας υγρών αποβλήτων και άλλα, χρησιμοποιούνται κυκλικά ινοπλέγματα. (α) (β) (γ) Εικόνα 3.6: Πλέγματα ινών δύο διευθύνσεων (α) Υάλου (β) Αραμιδίου, (γ) Ινοπλέγματα τεσσάρων διευθύνσεων. Εικόνα 3.7: Ινοπλέγματα τριών διαστάσεων. Εικόνα 3.8: Κυκλικό πλέγμα με διάταξη παραγωγής του. 44

65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) Ανόργανη Μήτρα Εκτός από τη μέθοδο εφαρμογής σύνθετων υλικών με χρήση μήτρας πολυμερικής σύστασης, υπάρχει και η μέθοδος με χρήση ανόργανης μήτρας. Αντί επομένως για τη ρητίνη, η μήτρα που χρησιμοποιείται έχει σα βάση τσιμεντοειδές κονίαμα ή σκυρόδεμα ανόργανης μήτρας. Η μήτρα αποτελεί το συνδετικό υλικό ανάμεσα στις ίνες και την επιφάνεια του στοιχείου που πρόκειται να ενισχυθεί. Μέσω αυτή μεταβιβάζονται οι εφελκυστικές δυνάμεις στις ίνες ενώ παράλληλα αυξάνεται η διατμητική και η θλιπτική αντοχή της στρώσης της ενίσχυσης (οι ίνες παραλαμβάνουν μόνο εφελκυστικές τάσεις). Όταν επομένως η συγκολλητική ουσία εξασφαλίσει την πλήρη ενεργοποίηση των ινών, η αστοχία που θα λάβει χώρα θα είναι ψαθυρή. Σχήμα 3.1: Διάγραμμα εφελκυστικής τάσης παραμόρφωσης για οπλισμό χάλυβα και ράβδους από διάφορα ινοπλισμένα πλαστικά. Αν η συγκολλητική ουσία που χρησιμοποιηθεί έχει χαμηλότερη εφελκυστική παραμόρφωση αστοχίας από τις ίνες, θα επιτευχθεί μια σαφής προειδοποίηση της αστοχίας με τη δημιουργία ορατών ρωγμών πάνω στο τσιμεντοειδές κονίαμα. Επομένως για την αποφυγή ψαθυρής αστοχίας του συστήματος ενίσχυσης, είναι αναγκαία η επιλογή κονιάματος με χαμηλότερη παραμόρφωση αστοχίας από τις ίνες του πλέγματος των σύνθετων υλικών κατά τον εφελκυσμό,, κάτι που ισχύει πάντα για τα τσιμεντοκονιάματα. Επιπροσθέτως, η μήτρα πρέπει να εμφανίζει υψηλή πρώιμη θλιπτική αντοχή έτσι ώστε να γίνεται εφικτή η όσο το δυνατόν ταχύτερη αποδέσμευση του στοιχείου από τους τύπους. Η ανόργανη μήτρα επιβάλλεται να έχει την ικανότητα να διεισδύει στο πλέγμα ινών έτσι ώστε να επιτευχθούν οι καλύτερες δυνατές συνθήκες συνάφειας μεταξύ 45

66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) πλέγματος και μήτρας. Επομένως απαιτείται ένα σκυρόδεμα μεγάλης ρευστότητας με τον μέγιστο κόκκο των αδρανών να μην υπερβαίνει τα 2 mm, με αποτέλεσμα το μητρικό υλικό να χαρακτηρίζεται ως κονίαμα. Γι αυτό το λόγο η σύσταση της μήτρας πρέπει να προσαρμόζεται βάσει των ιδιοτήτων του πλέγματος που χρησιμοποιείται. Για παράδειγμα ορισμένα πλέγματα ινών που χαρακτηρίζονται από υψηλή απορροφητικότητα (capillary suction) και μικρά κενά μεταξύ των κλώνων που απαιτούν για τον εμποτισμό τους κονίαμα με ιδιαίτερα υψηλή ρευστότητα. Επιπλέον, η σύσταση της μήτρας πρέπει να προσαρμόζεται βάση των ιδιοτήτων του, ώστε να διαθέτει ανθεκτικότητα στο σύνθετο υλικό, καθώς προσφέρει προστασία στις ίνες, αφού αυτές δεν είναι εκτεθειμένες. Μέσα στις απαιτήσεις της μήτρας εμπεριέχεται ακόμα και η επιλογή της κατάλληλης χημικής σύστασης της μήτρας έτσι ώστε το σύνθετο υλικό να έχει διάρκεια στον χρόνο, αλλά και τις μηχανικές ιδιότητες που χρειάζονται όπως την αντοχή και την παραμόρφωση. Εν κατακλείδι, ο σχεδιασμός της σύστασης της μήτρας πρέπει να έγκειται σε έναν (βέλτιστο) συνδυασμό υλικών, ο οποίος θα συμμορφώνεται με όλες τις απαιτήσεις περί εργασιμότητας, μηχανικών ιδιοτήτων και ανθεκτικότητας καθώς και με το κόστος παραγωγής των στοιχείων TRΜ από τη βιομηχανία. Τα διάφορα είδη κονιαμάτων που χρησιμοποιούνται είναι δυνατό να διακριθούν σε τρείς βασικές κατηγορίες, ανάλογα με τη σύσταση της βασικής τους κονίας. Στα συνήθη κονιάματα ανόργανης μήτρας, στα κονιάματα με προσθήκη πολυμερών και στα κονιάματα με μη συμβατική κονία Συνήθη ανόργανα κονιάματα Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν τα συμβατικά κονιάματα, όπου η βασική κονία αποτελείται από τσιμέντο Πόρτλαντ, με κάποιες πρόσθετες ειδικές απαιτήσεις. Πρώτη απαίτηση είναι η επίτευξη μεγάλης ρευστότητας για το μείγμα (η οποία εξασφαλίζει και τη δυνατότητα διείσδυσης του κονιάματος στο πλέγμα), η οποία καθίσταται εφικτή με τη χρησιμοποίηση αδρανών με μέγιστο κόκκο τα 0.6 mm. Σημαντική απαίτηση για τα κονιάματα ανόργανης μήτρας αποτελεί επίσης η μείωση της ποσότητας υδρασβέστου [Ca(OH) 2 ] στον τσιμεντοπολτό, η οποία συνοδεύεται από τη μείωση της αλκαλικότητας της μήτρας με αποτέλεσμα την προστασία των ινών υάλου. Τούτο επιτυγχάνεται μέσω προσθήκης κατάλληλης ποσότητας λεπτόκοκκων υλικών με μεγάλη περιεκτικότητα σε οξείδια του πυριτίου (SiO2), όπως 46

67 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) η ιπτάμενη τέφρα, η πυριτική παιπάλη και λιγότερο ο καολινήτης. Τα οξείδια του πυριτίου αντιδρούν με την ελεύθερη υδράσβεστο προς το σχηματισμό ασβεστοπυριτικών ενύδρων. Τέλος το ποσοστό της πυριτικής παιπάλης δεν πρέπει να ξεπερνά το 10% της συνολικής ποσότητας λεπτόκοκκων υλικών έτσι ώστε να διατηρηθεί η εργασιμότητα του μείγματος Κονιάματα που περιέχουν πολυμερή Η προσθήκη κλασμάτων πολυμερών διαμέτρου μm στην ανόργανη μήτρα επιφέρει αύξηση της εφελκυστικής αντοχής του κονιάματος και σημαντική βελτίωση στις συνθήκες συνάφειας μεταξύ μήτρας και πλέγματος. Λόγω της εξαιρετικά μικρής διαμέτρου των μορίων του πολυμερούς μπορούν να εισχωρήσουν στα μικρά κενά των κλώνων ινών (yarn) που δημιουργούνται μεταξύ των μεμονωμένων ινών (filaments) πριν την τοποθέτηση του κονιάματος, με αποτέλεσμα τον καλύτερο εμποτισμό των ινών. Οι ιδιότητες των κονιαμάτων που περιέχουν πολυμερή καθορίζονται από παράγοντες όπως: Ο τύπος του χρησιμοποιούμενου πολυμερούς Ο λόγος πολυμερούς προς τσιμέντο (5 20%) Ο λόγος νερού προς τσιμέντο ( ) Η ύπαρξη ή όχι αέρα και γενικότερα οι συνθήκες συντήρησης Σκυροδέματα με μη συμβατική κονία Στα σκυροδέματα αυτής της κατηγορίας, το μεγαλύτερο ποσοστό της βασικής κονίας αποτελείται από τσιμέντα με βάση το φώσφορο και το αλουμίνιο. Τα τσιμέντα αυτά βρίσκονται σε ερευνητικό στάδιο. Το βασικό μειονέκτημα αυτής της κατηγορίας είναι ότι δεν προσφέρουν ικανοποιητικό χρόνο εργασιμότητας Συνάφεια Ανόργανης Μήτρας Πλέγματος Ινών Η τελική αντοχή και η συμπεριφορά των TRΜ, δε προσδιορίζεται μόνο από τις μηχανικές ιδιότητες των δύο μερών που τα αποτελούν, αλλά είναι απαραίτητο να προσδιοριστεί η συνάφεια μεταξύ του πλέγματος και της μήτρας. Σε περίπτωση καλών συνθηκών συνάφειας, το υλικό που προκύπτει χαρακτηρίζεται από υψηλή αντοχή αλλά ψαθυρότητα, ενώ σε περίπτωση ασθενής διεπιφάνειας, το προκύπτον υλικό είναι όλκιμο και με χαμηλότερη αντοχή. 47

68 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) Η εφελκυστική αντοχή των ινών στο σύνθετο υλικό, δεν μπορεί να αξιοποιηθεί πλήρως, σε αντίθεση με το χάλυβα. Πρακτικά μόνο η περίμετρος του κλώνου των ινών, βρίσκεται σε άμεση επαφή με την ανόργανη μήτρα. Έτσι, οι εσωτερικές ίνες (core filaments) είναι ελεύθερες να ολισθαίνουν μεταξύ τους, αφού δεν έρχονται σε άμεση επαφή με την ανόργανη μήτρα. Αντιθέτως, οι ίνες που βρίσκονται σε επαφή με την ανόργανη μήτρα (οι εξωτερικές: sleeve filaments) συγκρατούνται σταθερές από αυτήν, με αποτέλεσμα να αποφεύγεται η ολίσθησή τους και να συμμετέχουν με υψηλό βαθμό αποδοτικότητας στη μεταφορά φορτίων. Επομένως, η ενίσχυση αποκτά μια ψευδοπλάστιμη συμπεριφορά, αφού στο επίπεδο της ρωγμής του σύνθετου υλικού πρώτα αστοχούν οι εξωτερικές ίνες στη διεπιφάνεια με τη μήτρα και σταδιακά οι εσωτερικές. Επιτυγχάνεται κατά αυτόν τον τρόπο μια ανακατανομή της έντασης. Προκειμένου να αποφευχθεί λοιπόν αυτή, είναι αναγκαίος ο προεμποτισμός των ινών. Έτσι οι ίνες συμπεριφέρονται ως ένα υλικό και επομένως δεν είναι δυνατή η ανακατανομή της έντασης, ενώ η αστοχία είναι ψαθυρού τύπου. Η ρητίνη εισχωρεί σε όλο το βάθος του πυρήνα (του κλώνου) και εξασφαλίζει την πλήρη σύνδεση των ινών με τη ρητίνη, με αποτέλεσμα ο κλώνος να συμπεριφέρεται σαν ένα απόλυτα ομοιογενές υλικό. Εικόνα 3.9: Διατομή κλώνου ινοπλέγματος με δεσμό ινών μήτρας. Οι πιθανές θέσεις απώλειας συνάφειας μπορεί να είναι οι ακόλουθες (Blaschko et al 1998): Απώλεια συνάφειας στην αρηγμάτωτη διατομή. Απώλεια συνάφειας λόγω δημιουργίας καμπτικών ρωγμών. Απώλεια συνάφειας λόγω διατμητικών ρωγμών. Απώλεια συνάφειας επειδή το πλέγμα δεν είναι εντελώς επίπεδο. 48

69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) Οι απώλειες συνάφειας οφείλεται στα εξής: Αποκόλληση οπλισμού ενίσχυσης. Αστοχία λόγω ρηγμάτωσης της διεπιφάνειας ανόργανης μήτρας παλαιού σκυροδέματος. Αστοχία λόγω ανεπάρκειας παλαιού σκυροδέματος να παραλάβει διατμητικές τάσεις. Εικόνα 3.10: Μοντέλα δεσμών ινών σε ενδιάμεσο επίπεδο. Για να αποφευχθούν αστοχίες λόγω απώλειας συνάφειας επιβάλλεται το κενό μεταξύ των δεσμών των ινών να είναι μεγάλο. Εικόνα 3.11: Πιθανές θέσεις απώλειας συνάφειας. 49

70 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) 3.3 ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) Το σύστημα ενίσχυσης με σύνθετα υλικά σε ανόργανη μήτρα θα πρέπει να πληρεί κάποιες σημαντικές απαιτήσεις. Η συμβατότητα: Με τον όρο συμβατότητα εννοούμε το σύνολο των φυσικών, χημικών και ηλεκτροχημικών ιδιοτήτων μεταξύ των σύνθετων υλικών και του σκυροδέματος. 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 απομείωση της ζωής σχεδιασμού του. Η συμβατότητα διακρίνεται: Στην συμβατότητα διαστάσεων: Στην περίπτωση των τσιμεντοειδών κονιαμάτων θα πρέπει να ληφθεί υπόψη το φαινόμενο της συστολής ξήρανσης, της συστολής δηλαδή του υλικού με την απομάκρυνση της υγρασίας, με αποτέλεσμα την δημιουργία πιθανών ρωγμών. Το φαινόμενο αυτό ενδέχεται να προκαλέσει και κατσάρωμα των ινών. Η θερμική διαστολή με την εισαγωγή διατμητικών τάσεων που προκαλούν ρηγμάτωση ή αποκόλληση μετατρέπουν την διεπιφάνεια μήτρας σκυροδέματος στο αδύνατο σημείο του συστήματος ενίσχυσης. Στη χημική και ηλεκτροχημική συμβατότητα: Η χημική συμβατότητα εκτιμάται από το περιεχόμενο των αλκαλίων και χλωριδίων στα αδρανή του παλαιού σκυροδέματος. Τότε το σύνθετο υλικό που θα χρησιμοποιηθεί για την ενίσχυση, θα πρέπει να έχει χαμηλή αλκαλικότητα. Η ηλεκτροχημική συμβατότητα περιλαμβάνει την ηλεκτρική αντίσταση, τον δείκτη οξύτητας κ.α.. Στη συμβατότητα του 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 50

71 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) ατμόσφαιρα που συνεπάγεται σταδιακή επέκταση της αποδιοργάνωσης του σκυροδέματος στον πυρήνα των στοιχείων. Η ανθεκτικότητα: Ένα ανθεκτικό σύστημα ενίσχυσης πρέπει να επιτελεί σε όλη τη διάρκεια ζωής του τον αρχικό στόχο για τον οποίο σχεδιάστηκε. Εξαρτάται από πλήθος παραγόντων όπως την επιλογή του συστήματος ενίσχυσης, τις λεπτομέρειες σχεδιασμού, τις περιβαλλοντικές συνθήκες, αλλά ο πιο σημαντικός από όλους είναι η φάση της τοποθέτησής του κατά την οποίο υπεισέρχεται ο ανθρώπινος παράγοντας. Ακόμη και αν όλες οι απαιτήσεις για την άρτια επιλογή του συστήματος ενίσχυσης έχουν ικανοποιηθεί πλήρως, η παραμικρή αμέλεια κατά την κατασκευή του οδηγεί στην μείωση της ανθεκτικότητας. Ειδικές Απαιτήσεις: Στις ειδικές απαιτήσεις συγκαταλέγονται απαιτήσεις οι οποίες συνήθως ποικίλουν ανάλογα με τη θέση και τη χρήση του δομήματος στο οποίο εφαρμόζονται. Για παράδειγμα, τα ενισχυμένα εσωτερικά στοιχεία του φέροντος ή μη οργανισμού μιας κατασκευής θα πρέπει να προστατεύονται έναντι πυρκαγιάς. Επιπρόσθετα θα πρέπει να μπορούν να φέρουν τυχηματικά φορτία όπως είναι τα φορτία 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). Η ανθεκτικότητα εξαρτάται από πλήθος παραγόντων όπως την επιλογή του συστήματος ενίσχυσης, τις λεπτομέρειες σχεδιασμού, τις περιβαλλοντικές συνθήκες, αλλά ο πιο σημαντικός από όλους είναι η φάση της τοποθέτησης του κατά την οποία υπεισέρχεται ο ανθρώπινος παράγοντας. Ακόμη και αν όλες οι απαιτήσεις για την άρτια επιλογή τους συστήματος ενίσχυσης έχουν ικανοποιηθεί πλήρως, η παραμικρή αμέλεια κατά την κατασκευή του οδηγεί στην μείωση της ανθεκτικότητας. Απαιτήσεις για το υλικό της συγκολλητικής ουσίας: Απαραίτητες μηχανικές ιδιότητες (ειδικότερα την υψηλή εφελκυστική αντοχή) για τη μεταφορά φορτίων. Σωστή σύσταση, σωστή συνοχή, τον κατάλληλο εμποτισμό των ινών, έτσι ώστε να εξασφαλίζονται οι καλές συνθήκες συνάφειας. 51

72 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) Επαρκή σταθερότητα, προκειμένου να μη συμβεί η απόμιξη των συστατικών. Θερμική και χημική συμβατότητα των ινών με το υπόστρωμα. Αντίσταση στη φωτιά. τις υψηλές θερμοκρασίες και την ακτινοβολία. Καλή συνάφεια σε προεργασμένη επιφάνεια σκυροδέματος. Εργασιμότητα κατά την εφαρμογή στο πεδίο, σε μεγάλες κατακόρυφες επιφάνειες και γενικότερα καλά ρεολογικά χαρακτηριστικά όταν είναι νωπό. Περιορισμένη συστολή ξήρανσης ώστε να εμποδιστούν οι ανεπιθύμητες εφελκυστικές δυνάμεις μεταξύ του υποστρώματος και του σύνθετου υλικού. Το μέτρο Ελαστικότητας του κονιάματος της μήτρας θα πρέπει να είναι ίδιας τάξης μεγέθους με το ενισχυμένο σκυρόδεμα, διότι μεγάλες διαφορές στα μέτρα Ελαστικότητας μπορούν να επιφέρουν συγκεντρώσεις τάσεων. Να μην είναι επικίνδυνη για το προσωπικό. Το υλικό που θα χρησιμοποιηθεί ως μήτρα να έχει χαμηλότερη εφελκυστική παραμόρφωση αστοχίας από τις ίνες, με σκοπό την αποφυγή της ψαθυρής αστοχίας. (α) (β) Σχήμα 3.2: Διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης των ινών και της συγκολλητικής ουσίας: (α) Ίνες με μικρότερη παραμόρφωση αστοχίας (β) Συγκολλητική ουσία με μικρότερη παραμόρφωσης αστοχίας. 52

73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) Οι ίνες ενός συστήματος ενίσχυσης ανόργανης μήτρας θα πρέπει να εκπληρώνουν τις κατώθι απαιτήσεις: Να είναι ανθεκτικές έναντι της αλκαλικής διάβρωσης. Να είναι υψηλής αντοχής. Το μέτρο Ελαστικότητάς τους να είναι τουλάχιστον 210GPa. 3.4 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ TRΜ Τα Ινοπλέγματα Σε Ανόργανη Μήτρα (ΤRM), παρουσιάζουν ένα μεγάλο αριθμό πλεονεκτημάτων. Η δυνατότητα τοποθέτησής τους σε οποιαδήποτε διεύθυνση, αναλαμβάνοντας τις αντίστοιχες τάσεις, διευρύνουν το πεδίο εφαρμογής τους. Η χρήση των ινοπλεγμάτων έχει πολύ μεγάλη σημασία αφού εξασφαλίζει υψηλή ποιότητα στις εκτεθειμένες επιφάνειες από σκυρόδεμα, καθώς επίσης και στη δυνατότητα κατασκευής απότομων γωνιών. Αν και η γνώση της συμπεριφοράς των TRΜ υπό τη δράση φορτίων είναι ακόμα περιορισμένη, πολλές κατασκευές βρίσκονται ήδη σε εφαρμογή. Τα TRΜ προσφέρουν ήδη ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, μερικές από τις οποίες είναι οι εξής: Στοιχεία TRΜ Κάλυψης Επιφανειών Για την οικοδόμηση προσόψεων, απαιτείται μικρό πάχος σχεδιασμού, σε συνδυασμό με υψηλή ποιότητα και ομοιογένεια στις επιφάνειες. Τα στοιχεία TRΜ, έχουν μικρό πάχος το οποίο έχει σαν αποτέλεσμα να είναι και μικρό και το ίδιο βάρος τους (νεκρό φορτίο της κατασκευής), πράγμα που το καθιστά ιδιαίτερα οικονομικό και μειώνεται η ανάγκη αγκυρώσεως στις προσόψεις. Όταν χρησιμοποιούνται σαν στοιχεία κάλυψης, οφείλουν να πληρούν προδιαγραφές που αφορούν την αντοχή και σε εφελκυστικές δυνάμεις και σε φορτία ανεμοπίεσης. Την ανάληψη των εφελκυστικών δυνάμεων τη λαμβάνουν τα ινοπλέγματα, ενώ η αντοχή έναντι στον άνεμο, επιτυγχάνεται μέσω της χρήσης υψηλής αντοχής σκυροδέματος. Η εφαρμογή στοιχείων TRΜ σαν εξωτερική επένδυση των τοίχων, έχει ευρύ εφαρμογή κυρίως στη Βόρεια και Δυτική Ευρώπη. Οι προσόψεις των παρακάτω κτιρίων, αποτελούν μερικά παραδείγματα της εφαρμογής των ινοπλεγμάτων. 53

74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) Εικόνα 3.12: Εφαρμογή στοιχείων όψεως από TRΜ στο Πολυτεχνείου του Aachen. Εικόνα 3.13: Σχολικές εγκαταστάσεις (Ντίσελντορφ Γερμανίας). Εικόνα 3.14: Κτίριο γραφείων (Arnhen Ολλανδίας). Εικόνα 3.15: Κτίριο γραφείων (Ντόρτμουντ Γερμανίας). 54

75 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) Στοιχεία Σάντουιτς από TRΜ Ένας επιπλέον τύπος κάλυψης επιφανειών κτιρίων είναι η χρήση στοιχείων τύπου σάντουιτς. Η σκυροδέτησή τους είναι ανάλογη με αυτή των συμβατικών οπλισμών σκυροδέματος. Η διάταξη του τελικού στοιχείου, συνήθως αποτελείται από δύο κελύφη το ένα από ινοπλέγματα ανόργανης μήτρας και το άλλο από σκυρόδεμα με ενδιάμεσά τους ένα υλικό θερμομόνωσης. Εικόνα 3.16: Στοιχεία τύπου σάντουιτς από TRΜ (α) Πλέγμα τριών διαστάσεων (β) Στοιχείο σάντουιτς Παραπετάσματα από TRΜ Στα προκατασκευασμένα στοιχεία από οπλισμένο σκυρόδεμα, το πάχος των προσόψεων είναι αρκετά μεγάλο λόγω της ανάγκης για προστασία στη διάβρωση του οπλισμού. Το οποίο οδηγεί σε βαριά στοιχεία με περιορισμένες δυνατότητες στο σχεδιασμό τους. Εικόνα 3.17: Παραπέτασμα από TRΜ. 55

76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) Για το λόγο αυτό, αντικαταστήθηκε ο συνηθισμένος χάλυβας από ινοπλέγματα από AR glass ως προς τους δύο άξονες. Στις άκρες του πετάσματος η ενίσχυση έγινε από μπάρες-κλώνους ινών με αποτέλεσμα οι διαστάσεις και το ίδιο βάρος της κατασκευής να μειωθούν κατά πολύ. Πρόσθετα σε αυτά τα πλεονεκτήματα των πετασμάτων είναι και η εύκολη αγκύρωσή τους που μπορεί να επιτευχθεί Στοιχεία TRΜ για την Προστασία του Περιβάλλοντος Οι δεξαμενές επεξεργασίας υγρών λυμάτων κατασκευάζονται συνήθως από οπλισμένο σκυρόδεμα. Η διάσπαση όμως των λυμάτων με την παρουσία μικροοργανισμών είναι εξαιρετικά επιβλαβείς για το συμβατικό οπλισμό, με αποτέλεσμα να επιλέγονται μεγάλα πάχη επικάλυψης, πράγμα που οδηγεί σε αύξηση του κόστους. Τα κέντρα λοιπόν επεξεργασίας αποβλήτων από TRΜ κάνουν την εμφάνισή τους, καθώς έχουν μικρό πάχος τοιχίων και υψηλή ανθεκτικότητα σε διάβρωση. Εικόνα 3.18: Κέντρα επεξεργασίας αποβλήτων από TRΜ (α) γεωμετρικά χαρακτηριστικά (β) πρότυπο (γεμάτο με νερό). Επίσης, το μικρό τους βάρος και η εύκολη διαδικασία αγκύρωσής τους, κάνουν τη χρήση τους συνήθη στην κάλυψη επιφανειών για την ηχομόνωση κατοικημένες περιοχές καθώς και σε αυτοκινητόδρομους μεγάλης κυκλοφορίας. Επομένως, τα στοιχεία TRΜ μπορούν να λειτουργούν ως ανακλαστήρες ήχου καθώς και ως στοιχεία που ανακλούν και απορροφούν ένα σημαντικό ποσοστό του ήχου. 56

77 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) Εικόνα 3.19: Ηχοπέτασμα ανάκλασης. Εικόνα 3.20: Ηχοπέτασμα ανάκλασης και απορρόφησης. Εικόνα 3.21: Υδατοπροστασία με τη χρήση στοιχείων από TRΜ. 57

78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) Η καλή λειτουργικότητα των ινοπλεγμάτων με το νερό, μειώνει τις πιθανότητες διάβρωσης, καθιστώντας τα ινοπλέγματα πολύ χρήσιμο υλικό για περιπτώσεις προστασίας των κατασκευών από πλημμύρες και υπόγεια ύδατα. Η άνοδος της στάθμης των υπογείων υδάτων, είναι δυνατό να προκαλέσει σημαντικές βλάβες στα υπόγεια τμήματα των κατασκευών. Το καλά διαβαθμισμένο σκυρόδεμα του στοιχείου TRΜ παρουσιάζει πολύ μικρή διαπερατότητα και πορώδες με αποτέλεσμα την είσοδο μικρότερων ποσοτήτων υδάτων. Παράλληλα ο οπλισμός από πλέγματα ινών ενισχύει σε μεγάλο βαθμό την ικανότητα παραλαβής καμπτικών δυνάμεων. Εικόνα 3.22: Πρόταση στεγανοποίησης και καμπτικής ενίσχυσης τοίχου υπογείου (Hinzen et al 2006) Στοιχεία TRΜ για την Παραλαβή Φορτίων Η ικανότητα δημιουργίας στοιχείων TRΜ μικρού πάχους και διαφόρων σχημάτων που έχουν τη δυνατότητα παραλαβής σημαντικών δυνάμεων, χρησιμοποιούνται πλέον ευρέως σε κατασκευές ώστε να παραλαμβάνουν φορτία. Εικόνα 3.23: (α)διατομή εξώστη (β) ινοπλέγματα μαζί με τις ράβδους ινών που χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση. 58

79 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) Χρησιμοποιούνται λοιπόν ως παραμένοντες τσιμεντότυποι για την κατασκευή δομικών στοιχείων σκυροδέματος. Οι επεκτάσεις εξωστών σε παλαιά κτίρια, που παλαιότερα γινόταν με τη χρήση ελαφρών μεταλλικών κατασκευών μπορεί να αντικατασταθεί με τη χρήση ινοπλεγμάτων. Η ενίσχυση από χάλυβα έχει αντικατασταθεί με διαξονικά ινοπλέγματα από AR glass και οι άκρες έχουν ενισχυθεί με ράβδους κλώνους ινών. Τέλος, βρίσκουν εφαρμογή σε πλαίσια από προκατασκευασμένα στοιχεία TRΜ πολυγωνικής μορφής, σε αγωγούς, σε γέφυρες κ.α. Εικόνα 3.24: Κατασκευές από TRΜ που παραλαμβάνουν φορτία Εφαρμογές TRΜ σε Ενισχύσεις Κατασκευών Ενισχύσεις σε κατασκευές φέρουσας τοιχοποιίας Οι εφαρμογές των TRΜ επεκτείνονται και στο πεδίο των ενισχύσεων κατασκευών από φέρουσα τοιχοποιία. Η τοποθέτηση πλεγμάτων ινών με ανόργανη μήτρα στην επιφάνεια μιας τοιχοποιίας είναι δυνατό να ενισχύσει έναντι εντός και εκτός επιπέδου κάμψης αλλά και έναντι διάτμησης. Εικόνα 3.25: Διαδικασία ενίσχυσης φέρουσας τοιχοποιίας με TRM. 59

80 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) Ενισχύσεις σε κατασκευές οπλισμένου σκυροδέματος Τα στοιχεία TRΜ όπως προτείνουν οι Τριανταφύλλου και Παπανικολάου, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αύξηση της πλαστιμότητας ενός στοιχείου μέσω περίσφιγξης που ασκούν αν εφαρμοστούν με τη μορφή ενός μανδύα. Εικόνα 3.26: Διαδικασία ενίσχυσης υποστυλώματος με TRM. 3.5 ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΙΑΜ ΣΕ ΜΟΝΟΑΞΟΝΙΚΟ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟ Προκειμένου να εκτιμηθεί η φέρουσα ικανότητα, η δυνατότητα παραμόρφωσης και το προφίλ των ρωγμών των στοιχείων TRΜ, διεξάγονται πειράματα μονοαξονικού εφελκυσμού. Η καμπύλη συμπεριφοράς για ένα λεπτότοιχο στοιχείο TRΜ που καταπονείται υπό μονοαξονικό εφελκυσμό, παρουσιάζεται στο παρακάτω διάγραμμα. Η συμπεριφορά αυτή, μπορεί να διακριτοποιηθεί σε τρία στάδια. Στάδιο Ι Με την έναρξη της δοκιμής, το φορτίο αυξάνεται και η δυσκαμψία του στοιχείου είναι ίση με το Μέτρο Ελαστικότητας της ανόργανης μήτρας. Το στοιχείο δεν έχει εμφανίσει ακόμα καμία ρωγμή. Στάδιο ΙΙa Η τάση αναλαμβάνεται από το πλέγμα ινών, μέσω τάσεων συνάφειας ινών μήτρας, η τάση εν συνεχεία αναλαμβάνεται και από την ανόργανη μήτρα. Το πέρας του Σταδίου Ι επέρχεται όταν για πρώτη φορά, η τάση του στοιχείου γίνεται ίση με την εφελκυστική αντοχή της ανόργανης μήτρας. Όταν εξαντληθεί η εφελκυστική του αντοχή, το στοιχείο ρηγματώνεται. Το εύρος και η απόσταση των ρωγμών, εξαρτάται 60

81 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) από τη συνάφεια ινών μήτρας και το ποσοστό του οπλισμού. Στο σημείο που σταθεροποιείται ο αριθμός των ρωγμών, ορίζεται το τέλος του Σταδίου ΙΙa και την αρχή του Σταδίου ΙΙb. Σταδίου ΙΙb Σε αυτό το στάδιο, το φορτίο συνεχίζει, με τη σταθεροποίηση των θέσεων και του αριθμού των ρωγμών. Η ανάληψη των εφελκυστικών τάσεων γίνεται αποκλειστικά από το πλέγμα ινών. Οι ίνες εφελκύονται έως την αστοχία τους. Η κλίση του διαγράμματος κατά το Στάδιο ΙΙb, είναι σχεδόν παράλληλη με αυτή των ινών χωρίς την παρουσία μήτρας. Σταδίου ΙΙΙ Το Στάδιο ΙΙΙ είναι ένα σημείο. Το σημείο αντιστοιχεί στην αστοχία του στοιχείου λόγω θραύσης των ινών, οι οποίες λειτουργούν γραμμικά ελαστικά, μέχρι την ψαθυρή τους αστοχία. Σχήμα 3.3: Συμπεριφορά λεπτότοιχων στοιχειών TRΜ σε εφελκυσμό, σε σύγκριση με τη συμπεριφορά σε εφελκυσμό πλέγματος ινών. 3.5 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΙΝΟΠΛΙΣΜΕΝΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ (FRPs) ΚΑΙ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) Η κυριότερη διαφοροποίηση μεταξύ των ινοπλισμένων πολυμερών και των συνθέτων υλικών σε ανόργανη μήτρα, έγκειται στο χρησιμοποιούμενο ως μήτρα 61

82 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) υλικό, το οποίο στην μια περίπτωση είναι η ρητίνη και στον άλλη το κονίαμα. Η ρητίνη είναι υγρής μορφής ενώ το κονίαμα αποτελείται από ένα ρευστό μεν αλλά διακριτό μείγμα κονίας και αδρανών αναμεμειγμένων με νερό και πρόσθετα, όπως πολυμερή. Η κοκκώδης μορφή του κονιάματος καθιστά δύσκολη την διείσδυσή του σε ένα πλέγμα ινών, ενώ οι ρητίνες, λόγω της υγρής τους κατάστασης, έχουν τη δυνατότητα να διεισδύσουν στις ίνες και να δημιουργήσουν ένα δυνατό και σαφή δεσμό μεταξύ των ινών της μήτρας. Επίσης, το κονίαμα δεν μπορεί να εμποτίσει μεμονωμένα την κάθε ίνα όπως η ρητίνη. Αυτό αποτελεί ίσως και το βασικότερο μειονέκτημα της ανόργανης μήτρας σε σχέση με την εποξειδική ρητίνη. 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 σε ανόργανη μήτρα δεν εξασφαλίζουν αυτό το βαθμό μονολιθικότητας και απαιτούν περισσότερες ίνες για να επιτύχουν την ίδια απόδοση, σύμφωνα με τη θεωρία των σύνθετων υλικών. Η αδυναμία των σύνθετων υλικών σε ανόργανη μήτρα να συνδέονται μονολιθικά με τις ίνες που εμποτίζουν, μπορεί να λειτουργήσει και σαν πλεονέκτημα. Η σταδιακή ρηγμάτωση του κονιάματος προειδοποιεί για την επερχόμενη αστοχία, ενώ ακόμη μειώνεται η πιθανότητα να συμβεί αποκόλληση των σύνθετων υλικών, η οποία δεν αξιοποιεί πλήρως την εφελκυστική αντοχή των ινών. Σημαντικό πλεονέκτημα της εποξειδικής ρητίνης είναι ο χρόνος πήξης, καθώς είναι μικρότερος από αυτόν που απαιτεί το τσιμεντοκονίαμα. Ο χρόνος πήξης όμως, είναι δευτερευούσης σημασίας κατά την επιλογή του συστήματος ενίσχυσης. Η αποτελεσματικότητα των μανδυών από TRΜ ως προς την αύξηση της αντοχής και της παραμορφωσιμότητας στοιχείων άοπλου ή οπλισμένου σκυροδέματος είναι γενικώς υψηλή και μόνο ελαφρώς μειωμένη ως προς την αντίστοιχη των μανδυών από FRP. Η μείωση αυτή είναι εντονότερη στην περίπτωση περίσφιγξης άοπλων κυλινδρικών στοιχείων, αλλά εξαιρετικά περιορισμένη της τάξης του 10%, στην περίπτωση οπλισμένων στοιχείων, όπου κύριος στόχος της περίσφιγξης είναι η καθυστέρηση του λυγισμού των διαμήκων ράβδων. Όπως και στην περίπτωση μανδυών FRP, η αποτελεσματικότητα των μανδυών TRΜ αυξάνεται (μη αναλογικά) με τον αριθμό των στρώσεων. Στην περίπτωση των μανδυών TRΜ η αντοχή του κονιάματος καθορίζει τον μηχανισμό αστοχίας, που θα εμφανιστεί (θραύση ινών ή αποκόλληση). 62

83 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) Οι καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης σκυροδέματος περισφιγμένου με μανδύες TRΜ έχουν την (γνώριμη) περίπου διγραμμική μορφή που παρατηρείται και στο σκυρόδεμα με μανδύες FRP. Υπό την προϋπόθεση κατάλληλης επιλογής κονιάματος, οι μανδύες TRΜ εξαντλούν την εφελκυστική αντοχή τους, γεγονός που καταδεικνύει την πλήρη αξιοποίηση της υψηλής αντοχής των ινών. Η αστοχία των μανδυών TRΜ λόγω εγκάρσιας διόγκωσης του περισφιγμένου σκυροδέματος είναι γενικώς βαθμιαία και όχι τόσο ξαφνική (και ψαθυρή) όπως στην περίπτωση των μανδυών FRP, γεγονός που οφείλεται στη σταδιακή θραύση δεσμών ινών. Η θραύση αυτή επεκτείνεται σχετικά αργά σε γειτονικές δέσμες, ως αποτέλεσμα της μειωμένης ανακατανομής της έντασης που παρέχει η ανόργανη μήτρα (κονίαμα) σε σχέση με την πολυμερική (εποξειδική ρητίνη). Έτσι, η συμπεριφορά σκυροδέματος περισφιγμένου με TRΜ είναι πιο πλάστιμη σε σχέση με το αντίστοιχο περισφιγμένο με FRP. Οι μανδύες των ινοπλισμένων πολυμερών υστερούν έναντι των μανδυών των τσιμεντοκονιαμάτων στο γεγονός ότι είναι αδιαπέρατοι. Σαν αποτέλεσμα στο εσωτερικό του συστήματος ενίσχυσης εγκλωβίζεται υγρασία και συσσωρεύεται το οξυγόνο των πόρων προξενώντας προβλήματα απώλειας αντοχής στον πυρήνα του σκυροδέματος και στον εσωτερικό οπλισμό λόγω διάβρωσης. Αντίθετα, η μήτρα ανόργανης σύστασης προσφέροντας πλήρη, μηχανική, φυσική και χημική συμβατότητα του μανδύα με το ενισχυόμενο μέλος (αφού προέρχονται στην ουσία και τα δύο από το ίδιο το υλικό), εξασφαλίζει την επιθυμητή συμπεριφορά του μανδύα. Οι εποξειδικές ρητίνες έχουν πτωχή συμπεριφορά σε υψηλές θερμοκρασίες (πάνω από τη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης: ο C), φωτιά και ακτινοβολίες. Επίσης, είναι εύφλεκτα υλικά, δε διαλύονται στο νερό και οι χημικές αναθυμιάσεις που εκπέμπουν ενδέχεται να δημιουργήσουν ένα επιβλαβές περιβάλλον για το εργατικό δυναμικό. Αντιθέτως, τα τσιμεντοειδή κονιάματα δεν έχουν πρόβλημα σε υψηλές θερμοκρασίες, φωτιά και ακτινοβολίες και παράλληλα είναι φιλικότερα προς το εργατικό δυναμικό. Τέλος 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, το χαμηλό κόστος των τσιμεντοειδών κονιαμάτων δε θα πρέπει να 63

84 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) παραβλεφθεί και η πιθανή απαίτηση περισσότερων στρώσεων ινών, γιατί αλλιώς, ενδέχεται να προκύψει μειωμένη αποδοτικότητα. 3.6 ΕΡΕΥΝΕΣ ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) Έρευνες σχετικά με τη χρήση Ινοπλεγμάτων Ανόργανης Μήτρας (TRΜ), για την ενίσχυση στοιχείων σκυροδέματος, ξεκίνησαν τη δεκαετία του 1980, ενώ στα τέλη της δεκαετίας του 1990, πυρετώδεις έρευνες ξεκίνησαν με τη χρήση των ινών ενσωματωμένων σε ανόργανη μήτρα για το σχεδιασμό και την ενίσχυση στοιχείων σκυροδέματος. Οι πρώτες μελέτες σχετικά με τη χρήση φύλλων από ίνες άνθρακα ενσωματωμένων σε ανόργανη μήτρα για την περίσφιγξη στοιχείων σκυροδέματος στη διεθνή βιβλιογραφία έγιναν από τους Wu και Teng, οι οποίοι έκαναν πειράματα σε μικρά κυλινδρικά δοκίμια, και η ανόργανη μήτρα αποδείχθηκε ότι διασφάλιζε την ίδια συμπεριφορά από άποψη αντοχής και παραμορφωσιμότητας, σε σχέση με την παραδοσιακή εποξειδική ρητίνη. Οι Garon et al. (2001), ερεύνησαν την αποτελεσματικότητα της ενίσχυσης με ινοπλέγματα σε ανόργανη μήτρα σε πρισματικά, άοπλα δοκίμια ορθογωνικής διατομής. Η ενίσχυση έγινε με χρήση πλέγματος από ανθρακονήματα σε τσιμεντοειδή μήτρα. Τα αποτελέσματα των δοκιμών έδειξαν την αποτελεσματικότητα της μεθόδου σχετικά με την αύξηση αντοχής και πλαστιμότητας. Συγκριτικά με την μέθοδο της ενίσχυσης με ινοπλισμένα πολυμερή η συμπεριφορά των ενισχυμένων δοκιμίων ήταν ελαφρώς χειρότερη. Ωστόσο, και στις δύο περιπτώσεις η παραμορφωσιμότητα είναι ανάλογη του ποσοστού των ινών ανά μονάδα επιφάνειας. Οι Triantafillou et al (2006), διερεύνησαν τη χρήση Ινοπλεγμάτων Ανόργανης Μήτρας (TRM), (Textile Reinforced Matrix TRM) ως εναλλακτική λύση για την αντικατάσταση των μανδυών FRPs για την αύξηση της περίσφιγξης στοιχείων σκυροδέματος. Χρησιμοποίησαν μανδύες από ίνες άνθρακα, και διερεύνησαν την επίδραση ανόργανης μήτρας έναντι εποξειδικής ρητίνης στην αποδοτικότητα της περίσφιγξης, την αντοχή των ανόργανων κονιαμάτων, και το ρόλο του αριθμού των στρώσεων του υφάσματος. Οι πειραματικές δοκιμές απέδειξαν ότι η ενίσχυση με τη χρήση Ινοπλεγμάτων Ανόργανης Μήτρας ήταν αποτελεσματική στην αύξηση της αντοχής και της ικανότητας παραμόρφωσης, με μειωμένη απόδοση σε σχέση με τους μανδύες FRP περίπου 80% για την αντοχή και 50% για την παραμόρφωση αστοχίας, 64

85 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) με εξαίρεση τα τετραγωνικά υποστυλώματα, στα οποία βρέθηκε η ίδια αποδοτικότητα. Τόσο η αντοχή του κονιάματος, όσο και ο αριθμός των στρώσεων του μανδύα, έχουν μεγάλη επίδραση στην απόδοση του συστήματος περίσφιγξης. Ακόμα, διαπιστώθηκε ότι η αστοχία των TRΜ ήταν λιγότερο απότομη σε σύγκριση με εκείνη των μανδυών εμποτισμένων σε ρητίνη, εξαιτίας της αργής εξέλιξης της θραύσης των δεσμών μεταξύ των ινών. Σε μεταγενέστερη έρευνα, οι Bournas et al (2006), διερεύνησαν την αποτελεσματικότητα του συστήματος ενίσχυσης στην αύξηση της αντοχής και της παραμορφωσιμότητας σε υποστυλώματα οπλισμένου σκυροδέματος, επιρρεπή στο λυγισμό του διαμήκους οπλισμού, λόγω κακής τοποθέτησης των συνδετήρων. Αποδείχθηκε, ότι τα Ινοπλέγματα Ανόργανης Μήτρας είναι περίπου 10% λιγότερο αποτελεσματικά στην αύξηση της περίσφιγξης, σε σχέση με τα FRPs, όταν μικρής κλίμακας δοκίμια, υποβάλλονται σε αξονική φόρτιση, είναι όμως πιο αποτελεσματικά καθώς αυξάνει ο αριθμός των στρώσεων του μανδύα, ενώ καμία μείωση της αποδοτικότητας δεν εμφανίστηκε σε πειράματα πλήρης κλίμακας υποστυλωμάτων υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Ο Ombre (2013), αξιολόγησε την αποτελεσματικότητα των Ινοπλεγμάτων Ανόργανης Μήτρας από άνθρακα (CFRCM) στην περίσφιγξη υποστυλωμάτων κυκλικής, τετραγωνικής και ορθογωνικής διατομής υπό αξονική θλιπτική φόρτιση, μεταβλητής ποσότητας ινών και σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από 25 ο C έως 90 ο C. Βρέθηκε ότι ο καταστατικός νόμος του περισφιγμένου σκυροδέματος αλλάζει με την μεταβολή των αριθμών των στρώσεων των CFRM, που κυμαίνεται σε χαμηλή παραμορφωσιμότητα για μικρό αριθμό στρωμάτων ινών και σε μεγάλη παραμορφωσιμότητα για μεγάλο αριθμό στρωμάτων ινών. Η αύξηση της θερμοκρασίας με τη σειρά της αντοχής των περισφιγμένων στοιχείων, ενώ η επιρροή της στην οριακή παραμόρφωση είναι σχεδόν αμελητέα. Οι De Caso y Basolo et al (2012), μελέτησαν διαφορετικούς τύπους τσιμεντοκονιαμάτων, ως ανόργανες μήτρες, που περιλαμβάνουν τη διαφορετική αρχιτεκτονική δομή των ινών (μονής και διπλής διεύθυνσης πλεγμάτων χαμηλής και υψηλής πυκνότητας ινών υάλου) και τρεις τύπους τσιμεντοκονιάματος, γνωστά ως μήτρες ακρυλικών τροποποιημένων τσιμέντων Πόρτλαντ, μήτρες υδραυλικών τσιμέντων με υψηλή κατακράτηση νερού, και μήτρες ενός συστατικού που έχουν σαν 65

86 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) βάση το μαγνήσιο και το φώσφορο. Απέδειξαν ότι η χρήση μήτρας χαμηλή πυκνότητας ινών υάλου, επιτρέπει τον πιο αποτελεσματικό εμποτισμό των ινών, και ήταν η πιο αποτελεσματική μέθοδος ενίσχυσης σε σχέση με τις μήτρες υδραυλικών και ακρυλικών τσιμέντων, καθώς επιτυγχάνουν υψηλότερα επίπεδα οριακής αντοχής και παρόμοια επίπεδα οριακής παραμόρφωσης. Οι Colajanni et al (2013), έκαναν δοκιμές σε μικρά δοκίμια κυκλικών και ορθογωνικών διατομών, κατασκευασμένα από σκυρόδεμα χαμηλής αντοχής, τα οποία τα υπέβαλλαν σε μονοτονική θλίψη δύο διευθύνσεων για να διερευνήσουν την αποτελεσματικότητα ενός συστήματος πολυπαρα-φαινυλο-βενζο-βιθειαζόλιων Ινών Ενίσχυσης Ανόργανης Μήτρας (PBO-FRCM). Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η περίσφιγξη με ίνες PBO, προσδίδουν μια αξιοσημείωτη αύξηση στην αντοχή και την πλαστιμότητα, αν και τα χαμηλά μηχανικά ποσοστά των δεδομένων ινών δεν ήταν πάντα ικανά να προκαλέσουν τη θραύση των δοκιμίων. Ο Tarko διερεύνησε την αποτελεσματικότητα των ινών (PBO) σε πλέγματα δύο διευθύνσεων, με τετραπλάσιες ποσότητες ινών και στις δύο διευθύνσεις, εμποτισμένων με ανόργανη μήτρα σε κυλινδρικά περισφιγμένα δοκίμια. Ακόμα μελέτησε τη σκοπιμότητα και την απόδοση μανδυών με πολλά στρώματα, και την επιρροή της εξωτερικής θερμοκρασίας, σε σύγκριση με CFRPs εμποτισμένα με εποξειδική ρητίνη, κάνοντας πειράματα σε δοκίμια εκτεθειμένα σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από 30 ο C έως 180 ο C. Μάλιστα τόνισε ότι τα FRCM μπορούν να δώσουν μεγαλύτερες αντοχές από τα CFRPs, καθώς οι τρόποι αστοχίας είναι λίγο διαφορετικές. Τα δοκίμια με CFRP αστόχησαν με την απότομη θραύση του μανδύα, και όσο μεγαλύτερος ήταν ο αριθμός των στρωμάτων ενίσχυσης, τόσο περισσότερο το σκυρόδεμα διαλύονταν. Ο τρόπος αστοχίας των ενισχυμένων στοιχείων με PBO ήταν τελείως διαφορετικές, ξεκινώντας από την εξωτερική επιφάνεια, με ρωγμή μεγέθους περίπου 70 mm και εισχωρώντας αργά προς το εσωτερικό. Με την αύξηση του αριθμού των στρώσεων, η απόδοση του συστήματος ενίσχυσης αυξάνει, αν και υπάρχει ένα όριο στο πάχος του σύνθετου υλικού περίσφιγξης, πέραν του οποίου παύει η αποδοτικότητά του. Οι Ozbakkaloglu and Saatcioglu (2009), διερεύνησαν τη συμπεριφορά σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση υποστυλωμάτων που είχαν σκυροδετηθεί με τη μορφή του παραμένοντος τύπου από FRP. 66

87 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ (TRM) Συγκεκριμένα διερευνήθηκαν στοιχεία τύπου προβόλου με ύψος 2 μέτρα. Ο μανδύας FRP ήταν μέχρι το ύψος 1.78 μέτρα έτσι ώστε να μην υποστεί βλάβη από το έμβολο που ωθούσε το υποστύλωμα. Διερεύνησαν έξι δοκίμια κυκλικής ή ορθογωνικής διατομής και διαφόρων ακτινών καμπυλότητας στις γωνίες. Στο εσωτερικό μιας διατομής είχαν τοποθετηθεί και σύνδεσμοι από FRP με σκοπό τη διερεύνηση της επιρροής τους στη συμπεριφορά του δοκιμίου. Η πλαστιμότητα τελικώς αυξήθηκε σημαντικά. Η χρήση των εσωτερικών συνδέσμων από FRP βελτίωσε τη συμπεριφορά των υποστυλωμάτων. Η ακτίνα καμπυλότητας των διατομών διαδραμάτιζε σημαντικό ρόλο στη συμπεριφορά των στοιχείων. Εικόνα 3.27: Εντύπιση σκυροδέματος σε παραμένοντες τύπους FRP. 67

88 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 4.1 ΤΡΟΠΟΙ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΕΠΙΣΚΕΥΗΣ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ Οι τεχνικές ενίσχυσης των υποστυλωμάτων διακρίνονται σε δύο κατηγορίες ανάλογα με την αύξηση ή όχι της διατομής του υποστυλώματος. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν οι τεχνικές στις οποίες δεν υπάρχει αύξηση της διατομής του υποστυλώματος και η ενίσχυση γίνεται μέσω περίσφιγξης. Στη δεύτερη κατηγορία η ενίσχυση επιτυγχάνεται με την αύξηση της διατομής με νέες στρώσεις σκυροδέματος και τοποθέτηση νέων οπλισμών κατασκευάζοντας ένα «μανδύα» γύρω από το αρχικό υποστύλωμα (Δρίτσος 2002). 4.2 ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΜΕ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ Η ενίσχυση υποστυλωμάτων με εξωτερική περίσφιγξη ενδείκνυται στις ακόλουθες περιπτώσεις: Όταν απαιτείται αύξηση της πλαστιμότητας του υποστυλώματος Όταν απαιτείται αύξηση της διατμητικής αντοχής του υποστυλώματος Αύξηση της θλιπτικής αντοχής του υποστυλώματος μέχρι 30% Όταν υπάρχει κίνδυνος αστοχία της συνάφειας των κατακόρυφων οπλισμών του υποστυλώματος στην περιοχή υπερκάλυψής τους Όταν απαιτείται η μεταφορά ενός τμήματος των κατακόρυφων φορτίων του υποστυλώματος 68

89 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 4.3 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ Γενικά Όπως είναι γνωστό η αντοχή, αλλά και η ικανότητα παραμόρφωσης του σκυροδέματος αυξάνεται σημαντικά όταν αυτό βρίσκεται υπό τριαξονική ένταση. Στα αντισεισμικά δομήματα από οπλισμένο σκυρόδεμα μας ενδιαφέρει η αντοχή και η συμπεριφορά σ-ε του σκυροδέματος υπό τριαξονική θλίψη και συγκεκριμένα: με την τάση στη μία κύρια διεύθυνση, θλιπτική και υψηλή στις δύο εγκάρσιες διευθύνσεις θλιπτικές τάσεις μικρότερες από αυτή της κύριας διεύθυνσης αλλά ίσες μεταξύ τους. Στην πράξη, συνθήκες τριαξονικής έντασης στο σκυρόδεμα δημιουργούνται όταν οι εγκάρσιοι οπλισμοί παρεμποδίζουν την πλευρική διόγκωση ενός μονοαξονικά θλιβόμενου στοιχείου. Επομένως, τέτοια εντατική κατάσταση αναπτύσσεται συχνά στο σκυρόδεμα της θλιβόμενης ζώνης όταν αυτό πλησιάζει τη θλιπτική αστοχία, υπό την προϋπόθεση ότι περιορίζεται η πλευρική διόγκωση του σκυροδέματος (εγκάρσια στη διεύθυνση της θλίψης) που εκδηλώνεται πάντοτε πριν την αστοχία. Στην κρίσιμη διατομή άκρου μίας δοκού ή βάσης ενός υποστυλώματος ή τοιχώματος, ο όγκος του σκυροδέματος, μέσα στον οποίο ενσωματώνεται το μέλος που μας ενδιαφέρει, προκαλεί περιορισμό της εγκάρσιας στον άξονα του μέλους διόγκωσης του σκυροδέματος της θλιβόμενης ζώνης. Παρόμοια λειτουργούν και μάλιστα σε μεγαλύτερη έκταση κατά τη διαμήκη έννοια, κλειστοί συνδετήρες ή άλλοι εγκάρσιοι στον άξονα του καμπτόμενου μέλους οπλισμοί, καθώς και μανδύες από σύνθετα υλικά (ινοπλισμένα πλαστικά FRP) που μπορεί να τοποθετηθούν περιμετρικά για λόγους ενίσχυσης. Όταν ο περιορισμός της πλευρικής διόγκωσης επιτυγχάνεται μέσω εγκάρσιων οπλισμών ή μανδύα FRP, μιλάμε για περίσφιγξη του σκυροδέματος, ενώ όταν αυτός οφείλεται στον όγκο του περιβάλλοντος σκυροδέματος είναι καταλληλότερος ο όρος εγκιβωτισμός (Φαρδής 2005). Η δράση των σύνθετων υλικών κατά την περίσφιγξη του σκυροδέματος είναι εξαιρετικά ευνοϊκή. Το σκυρόδεμα διογκώνεται εγκάρσια, με αποτέλεσμα ο μανδύας σύνθετων υλικών που το περιβάλλει να ενεργοποιείται, μέσω της ανάπτυξης εφελκυστικών παραμορφώσεων στις ίνες, επιβάλλοντας έτσι, εγκάρσιες θλιπτικές τάσεις (περίσφιγξης) κάθετα στον άξονα του μέλους, μέχρις ότου αστοχήσει. 69

90 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Οι τάσεις περίσφιγξης έχουν ως αποτέλεσμα αύξηση της θλιπτικής αντοχής και της οριακής παραμόρφωσης του σκυροδέματος (Σχήμα 4.1), αύξηση της γωνίας στροφής χορδής ενός μέλους στην (καμπτική) αστοχία, δηλαδή αύξηση της πλαστιμότητας, βελτίωση των συνθηκών συνάφειας μεταξύ ράβδων οπλισμού και σκυροδέματος σε περιοχές με ματίσεις και άρα, παρεμπόδιση της ολίσθησης των διαμηκών ράβδων στις περιοχές αυτές, καθώς και καθυστέρηση της εμφάνισης λυγισμού των διαμηκών ράβδων σε περιοχές με αραιή διάταξη συνδετήρων (Τριανταφύλλου, 2006). Σχήμα 4.1: Θλιπτική Τάση-Παραμόρφωση για περισφιγμένο σκυρόδεμα με μανδύα σύνθετων υλικών (Rocca et al, 2006) Η Επιβολή Της Περίσφιγξης Η επιβολή της περίσφιγξης μπορεί να γίνει με τους ακόλουθους τρόπους: Με χρήση επικολλητών κολάρων που μπορεί να είναι μεταλλικά ελάσματα με πάχος 1-2 mm μορφής Π με μήκος σκελών 5 cm που επικολλούνται πάνω στο σκυρόδεμα, είτε λωρίδες από ινοπλισμένα πολυμερή (ΝSM). Εικόνα 4.1: Περίσφιγξη με μεταλλικά επικολλητά ελάσματα και χαλύβδινα ελάσματα. Με χρήση προεντεταμένων κολάρων από χάλυβα ή FRP που μπορεί να έχουν τη μορφή ταινιών πακεταρίσματος. 70

91 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Με χρήση σπειροειδούς οπλισμού καλά προσαρμοσμένο σε γωνιακά, που μπορεί να είναι είτε από μεταλλικό έλασμα είτε από ινοπλισμένα πολυμερή. Εικόνα 4.2: Περίσφιγξη με σπειροειδή οπλισμό. Με χρήση ολόσωμου μεταλλικού κλωβού, που δημιουργείται είτε από κατακόρυφα γωνιακά ελάσματα είτε από οριζόντια μεταλλικά κολλάρα, είτε πλήρη χαλύβδινα φύλλα. Εικόνα 4.3: Επέμβαση με μεταλλικό κλωβό για προσωρινή ανάληψη κατακόρυφων φορτίων. Η χρήση μανδυών από οπλισμένο σκυρόδεμα. Η πιο παλιά και η πλέον ενδεδειγμένη μέθοδος για την αύξηση της αντοχής δυσκαμψίας και πλαστιμότητας των υποστυλωμάτων είναι η τεχνική της κατασκευής μανδύα από οπλισμένο σκυρόδεμα, η οποία συνήθως εφαρμόζεται σε υποστυλώματα με σοβαρές βλάβες. 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 τμήμα του (τοπικός μανδύας). Με χρήση ολόσωμου μανδύα από φύλλα χάλυβα ή FRP, επικολλημένων στις πλευρές του υποστυλώματος. Η επικόλληση, στην περίπτωση χαλύβδινων 71

92 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ φύλλων, γίνεται συχνά με χρήση κάποιου μη-συρρικνούμενου κονιάματος. Η τεχνική αυτή είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική όταν ο μεταλλικός μανδύας έχει ελλειπτική ή κυκλική μορφή. Εικόνα 4.4: Περίσφιγξη με μεταλλικό μανδύα (α) ορθογωνική (β) ελλειπτική. Εικόνα 4.5: Ενίσχυση με μανδύα από ινοπλισμένο σκυρόδεμα. Οι μανδύες οπλισμένου σκυροδέματος μπορούν να είναι από: Έγχυτο σκυρόδεμα Εκτοξευόμενο σκυρόδεμα Σκυροτσιμεντόπηγμα από ειδικά σκυροδέματα Ειδικά σκυροδέματα ή τσιμεντοκονιάματα Εικόνα 4.6: Ενίσχυση με μανδύα εκτοξευόμενου σκυροδέματος. 72

93 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Οι δύο πιο διαδεδομένοι και αξιόπιστοι τρόποι εξωτερικής περίσφιγξης είναι: Η τεχνική του μεταλλικού κλωβού Οι μανδύες από ινοπλισμένα πολυμερή (FRP) Η Τεχνική του μεταλλικού κλωβού Σύμφωνα με αυτήν την τεχνική τέσσερα μεταλλικά γωνιακά ελάσματα διαστάσεων L προσαρμόζονται στις γωνίες του υποστυλώματος και συνδέονται μεταξύ τους με συγκολλημένες λάμες κατ ελάχιστο 25.4 mm. Προς διασφάλιση της περίσφιγξης πριν από τη συγκόλληση τα γωνιακά περισφίγγονται στο στύλο με ειδικά κλειδιά και προεντεταμένους κοχλίες. Τα κενά που δημιουργούνται στην επαφή του μεταλλικού κλωβού και του σκυροδέματος συμπληρώνονται με τη μη συρρικνούμενη τσιμεντοκονία ή εποξειδική κόλλα και ακολουθεί επένδυση με πλέγμα και εκτοξευόμενο σκυρόδεμα. Με αυτή τη διάταξη δεν είναι δυνατή η αύξηση της καμπτικής αντοχής του υποστυλώματος στις θέσεις των κόμβων λόγω μη εκτάσεως του κλωβού στον υπερκείμενο και υποκείμενο όροφο, αλλά παρόλα αυτά η διαδικασία είναι διαδεδομένη επειδή καθιστά δυνατή τη μεταφορά ενός τμήματος των κατακόρυφων φορτίων του υποστυλώματος και σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης η τεχνική εφαρμόζεται με μεγάλη ταχύτητα. Εικόνα 4.7: Η τεχνική του μεταλλικού κλωβού. 73

94 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Μανδύες από ινοπλισμένα πολυμερή (FRP) Ο τρόπος αυτός της περίσφιγξης αποτελεί τον πλέον διαδεδομένο τρόπο λόγω κυρίως της ευκολίας κατά τη χρήση του. Ο εγκιβωτισμός του σκυροδέματος μέσω μανδύα επιφέρει αύξηση της παραμορφωσιμότητας και της θλιπτικής αντοχής, μειώνει την πιθανότητα τοπικού λυγισμού των οπλισμών και βελτιώνει τη συνάφεια σε κρίσιμες περιοχές ενώσεων οπλισμών με μάτιση. Τα φύλλα εφαρμόζονται σε οριζόντια διεύθυνση όταν απαιτείται αύξηση μόνο της διατμητικής αντοχής ενώ αν συγχρόνως επιδιώκεται και η αύξηση της καμπτικής αντοχής χρησιμοποιούνται και φύλλα με κατακόρυφη διεύθυνση ινών. Η αποτελεσματικότητα του μανδύα στον εγκιβωτισμό του σκυροδέματος εξαρτάται από το συνολικό πάχος του μανδύα, από την εφελκυστική αντοχή κατά την έννοια της περιμέτρου του και από τη γεωμετρία της εγκιβωτισμένης διατομής. Συγκεκριμένα η αποδοτικότητα είναι μικρότερη σε ορθογωνικές διατομές, στις οποίες απαιτείται εξομάλυνση των γωνιών έτσι ώστε να αποκτήσουν καμπυλότητα με ακτίνα τουλάχιστον 30 mm, από ότι σε κυκλικές. Η συμπεριφορά του επισκευασμένου υποστυλώματος δε διαφέρει από εκείνη του ολόσωμου τόσο από πλευράς αντοχής όσο και από πλευράς ακαμψίας. 4.4 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Εισαγωγή Η σημασία του μηχανισμού περίσφιγξης στο σχεδιασμό κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα (Ο.Σ.) είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την επίτευξη πλαστιμότητας με κύρια αναφορά σε παθητική περίσφιγξη (όπως αναπτύσσεται στην περίπτωση συνδετήρων). Μέσο αναπλήρωσης των ελλιπών συνδετήρων σε στοιχεία σκυροδέματος με διαγνωσμένη ανεπάρκεια πλαστιμότητας είναι η χρήση μανδυών από σύνθετα υλικά. Το υλικό του μανδύα το οποίο ενδείκνυται να τοποθετείται με τις ίνες εγκάρσια στον διαμήκη άξονα του στοιχείου, ενεργοποιείται παθητικά. Ο μανδύας όπως και οι συνδετήρες, δρα ως κινηματικός περιορισμός της διόγκωση, αναπτύσσοντας εφελκυσμό λόγω τάνυσης μέχρις ότου αστοχήσει. Η περίσφιγξη ενεργοποιείται, επειδή η βλάβη στο σκυρόδεμα υπό τη δράση είτε άμεσης αξονικής είτε διαγώνιας θλίψης, εκφράζεται με διόγκωση του εγκιβωτισμένου σκυροδέματος. Η δράση της περίσφιγξης αναπτύσσεται σταδιακά, όταν με την αύξηση της φόρτισης αυξάνεται και η ρηγμάτωση του σώματος του σκυροδέματος. 74

95 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Τα σύνθετα υλικά στις ενισχύσεις, έχοντας μικρό μέτρο Ελαστικότητας έχουν σαν απόρροια τη διόγκωση του πυρήνα από τα πρώτα στάδια της φόρτισης, προτού ακόμα αναπτυχθεί πλήρως η ρηγμάτωση. Επομένως, ο μηχανισμός της περίσφιγξης εξαρτάται κυρίως από: Την τάση του πυρήνα του σκυροδέματος στην έναρξη της διόγκωσης, Τη δυσκαμψία του μανδύα που παρεμποδίζει τη διόγκωση αυτή. Κατά την αξονική καταπόνηση υποστυλωμάτων λόγω κάμψης και/ή αξονικού φορτίου, το σκυρόδεμα υφίσταται σημαντική διόγκωση ώστε ο φαινόμενος συντελεστής Poisson να φτάνει και να ξεπερνάει την οριακή τιμή 0.5. Με την εφαρμογή εξωτερικού οπλισμού περίσφιγξης επιτυγχάνεται ιδιαίτερα σημαντική αύξηση της πλαστιμότητας του υποστυλώματος ενώ συγχρόνως αυξάνεται και η θλιπτική του αντοχή. Οι τάσεις περίσφιγξης έχουν σαν αποτέλεσμα την: Αύξηση της θλιπτικής αντοχής και της παραμορφωσιμότητας του σκυροδέματος. Αύξηση της γωνίας στροφής χορδής ενός μέλους στην (καμπτική) αστοχία, δηλαδή αύξηση της πλαστιμότητας. Βελτίωση των συνθηκών συνάφειας μεταξύ ράβδων οπλισμού και σκυροδέματος, παρεμπόδιση της ολίσθησης των διαμήκων ράβδων στις περιοχές αυτές. Καθυστέρηση της εμφάνισης λυγισμού των διαμήκων ράβδων σε περιοχές με αραιή διάταξη συνδετήρων Χρήση Αγκυρίων Μορφής Θυσάνου Ινών Άνθρακα Οι ενισχύσεις με σύνθετα υλικά είναι από τους πιο διαδεδομένους τρόπους αναβάθμισης κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος. Παρ όλα αυτά, ένα πρόβλημα που παρουσιάζεται συχνά στα ενισχυμένα μέλη είναι η πρόωρη αποκόλληση των σύνθετων υλικών από την επιφάνεια του σκυροδέματος, προτού δηλαδή αυτά αναπτύξουν το σύνολο της εφελκυστικής τους αντοχής. Η αποκόλληση αυτή είναι απόρροια της ρηγμάτωσης του υποστρώματος κοντά στη στρώση της κόλλας, καθώς η διατμητική αντοχή αυτής ξεπερνά κατά πολύ αυτήν του υποστρώματος. Η δύναμη αυτή αποκόλλησης ισοδυναμεί με τη μέγιστη δύναμη αγκύρωσης του μανδύα, η οποία αυξάνει με το μήκος επικόλλησης μέχρι μια οριακή τιμή. Πέρα από το μήκος 75

96 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ αγκύρωσης αυτό, η δύναμη αποκόλλησης παραμένει σταθερή. Επομένως η αξιοποίηση των σύνθετων υλικών πέρα του μήκους αγκύρωσης είναι πρακτικά μηδενική. Ένας προτεινόμενος τρόπος για να ξεπεραστούν τα παραπάνω προβλήματα, είναι η χρήση αγκυρίων μορφής θυσάνου από ινοπλισμένα πολυμερή (FRP anchors). Τα αγκύρια αυτά τοποθετούνται σε οπές με τη χρήση ρητίνης στην υπό ενίσχυση διατομή και το προεξέχων τμήμα τους αγκυρώνεται ακτινικά στο σύνθετο υλικό. Με αυτόν τον τρόπο, τα αγκύρια μορφής θυσάνου χρησιμοποιούνται ως πρόσθετος οπλισμός ενίσχυσης, καθώς παραλαμβάνουν μέρος της δύναμης που προκαλεί αποκόλληση της εξωτερικής στρώσης του μανδύα. Εικόνα 4.8: Αγκύρια ινών άνθρακα κατασκευασμένα από ανθρακονήματα (πριν και μετά την εφαρμογή). Στη σημερινή εποχή, ως επί το πλείστον τα αγκύρια παρασκευάζονται με μορφή θυσάνου ινών και μάλιστα σε ιδιαίτερα μεγάλο εύρος μεγεθών. Οι χρησιμοποιούμενες ίνες, είναι κατά κανόνα άνθρακα ή γυαλιού. Είναι πάλι φορές, που τα χρησιμοποιούμενα αγκύρια συνίστανται από ίνες άνθρακα και γυαλιού σε συγκεκριμένες αναλογίες μεταξύ τους, ώστε να προσδίδονται οι επιθυμητές μηχανικές ιδιότητες στα σύμμικτα αγκύρια. Η ακριβής συμπεριφορά των αγκυρίων ινών μορφής θυσάνου δεν έχει διασαφηνιστεί πλήρως, καθώς λίγες πειραματικές δοκιμές έχουν γίνει πάνω στη χρήση τους. 76

97 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Μηχανικά Χαρακτηριστικά Περισφιγμένου Σκυροδέματος Καταστατικός Νόμος Περισφιγμένου Σκυροδέματος Με την εφαρμογή εξωτερικού οπλισμού περίσφιγξης επιτυγχάνεται ιδιαίτερα σημαντική αύξηση της πλαστιμότητας του υποστυλώματος ενώ συγχρόνως αυξάνεται και η θλιπτική αντοχή. Σε ένα περισφιγμένο στοιχείο από σκυρόδεμα, αναπτύσσονται λόγω διόγκωσης εγκάρσιες (κατά την ακτινική διεύθυνση) τάσεις στο μανδύα σ l. σ l = 2t f D σ f = 2t f D E fε f = 1 2 ρ fe f ε f Ίσες και αντίθετες τάσεις ασκούνται και στο σκυρόδεμα. Απόρροια των τάσεων περίσφιγξης σ l είναι η παρεμπόδιση της ρηγμάτωσης και άρα η αύξηση της αντοχής και της παραμορφωσιμότητας, έως ότου η εφελκυστική τάση στον μανδύα φθάσει την αντοχή του, οπότε θα προκληθεί θραύση στον μανδύα, η οποία σηματοδοτεί και την αντοχή του στοιχείου. Η θραύση θα προκληθεί υπό την προϋπόθεση ότι δε θα προηγηθεί αποκόλληση των σύνθετων υλικών. Στην περίπτωση περίσφιγξης με χρήση υφασμάτων από ινοπλισμένα πολυμερή, οι σχέσεις είναι: (α) Για κυκλικές διατομές f c = 1 γ Rd,1 ( aω w )f c γ Rd,1 = 1.4 ε cu = 1 [0.003( aω γ w ) 2 γ Rd,1 = 2.8 ή 3.1 Rd,2 (β) Για ορθογωνικές διατομές f c = 1 γ Rd,1 ( aω w )f c γ Rd,1 = 1.7 ε cu = 1 [0.003( aω γ w ) 2 γ Rd,1 = 3.1 Rd,2 f c : είναι η θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος, όπως προκύπτει μετά από διερευνητικές εργασίες αποτίμησης της αντοχής του υφιστάμενου στοιχείου. f c *: είναι η αντίστοιχη τιμή της αντοχής του περισφιγμένου σκυροδέματος ε co *, ε co : είναι οι παραμορφώσεις στην κορυφή του διαγράμματος σ-ε, για το περισφιγμένο και το απερίσφιγκτο σκυρόδεμα αντιστοίχως (ε co =0,002), και 77

98 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ * ε cu, ε cu : είναι οι παραμορφώσεις στις οποίες θεωρείται ότι συμβαίνει η αστοχία στο περισφιγμένο και στο απερίσφιγκτο σκυρόδεμα. αω w = αρ w (f i / f c) : είναι το ογκομετρικό ποσοστό του οπλισμού περίσφιγξης. α = α s α n : είναι ο συντελεστής αποδοτικότητας της περίσφιγξης και προσδιορίζεται όπως και για συμβατικούς συνδετήρες. Στις παραπάνω εξισώσεις παρατηρείται ότι οι τιμές των συντελεστών γ Rd, είναι μεγάλες, ειδικότερα στην περίπτωση στοιχείων με ορθογωνική διατομή και ακόμη περισσότερο όταν αφορούν το μέγεθος των παραμορφώσεων. Αυτό οφείλεται στο μικρό πλήθος των διαθέσιμων σχετικών πειραματικών δεδομένων καθώς και στην διασπορά των αποτελεσμάτων, σε συνάρτηση με την απαίτηση για αξιοπιστία της τάξεως του 95%. Πάντως επειδή οι παραπάνω μεγάλες τιμές των γ Rd, είναι πρακτικά ακατάλληλες για σχεδιασμό τελικά πιθανότατα θα εφαρμοστούν ρεαλιστικότερες τιμές (της τάξεως του 1.5), παρέχοντας αξιοπιστία της τάξης του 85%. Η σχέση θλιπτικής τάσης παραμόρφωσης για σκυρόδεμα περισφιγμένο με μανδύα σύνθετων υλικών απεικονίζεται στο Σχήμα 4.2. Σχήμα 4.2: Θλιπτική Τάση Παραμόρφωση για περισφιγμένο σκυρόδεμα με μανδύα σύνθετων υλικών. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.2, η μορφή της καμπύλης είναι περίπου διγραμμική, με αλλαγή κλίσης στην παραμόρφωση (ε co = 0.002) που αντιστοιχεί στην αντοχή του απερίσφιγκτου σκυροδέματος (f c ). Το αρχικό γραμμικό τμήμα του περισφιγμένου (έως ε c0 ), με μανδύα συνθέτων υλικών, σκυροδέματος δεν διαφοροποιείται από αυτό του απερίσφιγκτου, γεγονός που υποδηλώνει ότι η συμπεριφορά του δεν επηρεάζεται 78

99 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ από την ύπαρξη του μανδύα και επομένως η συνεισφορά του μέχρι την παραμόρφωση ε c0 είναι ακόμη ανενεργή. Στο δεύτερο τμήμα της καμπύλης εκδηλώνεται αλλαγή της κλίσης μετά την παραμόρφωση των ε c0 που αντιστοιχεί στην αντοχή του απερίσφιγκτου σκυροδέματος f c, οπότε σε αυτή τη φάση η αύξηση των εγκάρσιων 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 σύνθετων υλικών φθάνουν ταυτόχρονα τις μέγιστες τιμές τους (Mirmiran et al., 1998a). Η αστοχία επέρχεται με θραύση των σύνθετων υλικών σε παραμόρφωση ε ccu. Αν το πάχος του μανδύα είναι μικρό, η αντοχή του περισφιγμένου σκυροδέματος αντιστοιχεί σε παραμόρφωση ε cc μικρότερη από τη 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. Η αποδοτικότητα της περίσφιγξης εξαρτάται από τη γεωμετρία του στοιχείου (κυκλική ή ορθογωνική διατομή), την ακτίνα καμπυλότητας των γωνιών και το είδος του υλικού του μανδύα. 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, η αντοχή f cc και η μέγιστη παραμόρφωση του περισφιγμένου σκυροδέματος ε ccu αυξάνονται με το πάχος του μανδύα. 4.5 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΕ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΑ Η περίσφιγξη με σύνθετα υλικά έχει το πλεονέκτημα του μικρού πάχους σε σχέση με άλλες μεθόδους και έρχεται να συμπληρώσει την ελλιπή περίσφιγξη που παρέχει ο υπάρχον διατμητικός οπλισμός, ο οποίος είτε έχει διαβρωθεί είτε είναι ελάχιστος 79

100 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ λόγω των παλιών κανονισμών σε σχέση με τους νέους που απαιτούν μεγαλύτερες ποσότητες συνδετήρων. Επίσης δρα θετικά και σε περιπτώσεις χημικών αντιδράσεων. Σε στοιχεία του οπλισμένου σκυροδέματος παρατηρείται πλευρική διόγκωση, εξαιτίας της σταδιακής διάβρωσης του οπλισμού. Στο φαινόμενο αυτό βοηθάει επίσης η ύπαρξη περίσφιγξης, καθώς η χρήση μανδυών από ινοπλισμένα πολυμερή σε υποστυλώματα με ανεπαρκή αντισπαστική αντοχή και διαβρωμένο οπλισμό, δεν αυξάνει την αντοχή, η οποία καθορίζεται από την καμπτική αντοχή στη βάση και επηρεάζεται από την απώλεια διατομής χάλυβα, αλλά αυξάνει σημαντικά την ικανότητα παραμόρφωσης σε τιμές οι οποίες δεν επιτυγχάνονται εύκολα μέσω περίσφιγξης με τη χρήση συμβατικών μανδυών. Η βελτίωση αυτή οφείλεται στην αύξηση της παραμορφωσιμότητας του θλιβόμενου σκυροδέματος και της παρεμπόδισης του λυγισμού των διαμήκων ράβδων οπλισμού από τον μανδύα σύνθετου υλικού όπως επίσης και στον περιορισμό της επίδρασης της διάτμησης στην ικανότητα παραμόρφωσης. Ενώ παράλληλα παίζουν το ρόλο μόνωσης, αφού είναι χημικά αδρανή στις συνήθεις χημικές διαδικασίες αλλά εμποδίζουν και την απορρόφηση εξωτερικών ουσιών και στοιχείων, όπως το οξυγόνο, το οποίο δρα ως καταλύτης στις περισσότερες αντιδράσεις. Επειδή όμως η διάβρωση, η διόγκωση και ακολούθως η ρηγμάτωση μπορούν να συνεχίσουν και μετά τη διαδικασία της ενίσχυσης προτείνεται η χρήση υλικών με μεγάλο δείκτη παραμορφωσιμότητας και μικρό ερπυστικό συντελεστή, ώστε να αντισταθμιστεί και η περεταίρω διόγκωση. Επίσης από ειδικούς ερευνητές βρέθηκε ότι περισσότερη πλαστιμότητα προσδίδουν οι ίνες από γυαλί και όχι οι πιο ισχυρές, που είναι αυτές του άνθρακα. Σχήμα 4.3: Ενίσχυση με σύνθετα υλικά διατομών κυκλικών, Γ και ορθογωνικών. 80

101 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Σε δομικό στοιχείο οπλισμένου σκυροδέματος, υπό αξονική θλίψη, οι εγκάρσιοι οπλισμοί αναπτύσσουν παθητική περίσφιγξη. Εικόνα 4.9: Απερίσφιγκτο περισφιγμένο σκυρόδεμα. Όμως έχει παρατηρηθεί ότι η βελτίωση των μηχανικών χαρακτηριστικών του σκυροδέματος εξαρτάται από τον λόγο των πλευρών της διατομής και μειώνεται καθώς αυτός ο λόγος αυξάνεται, γιατί με την αύξηση αυτή, μειώνεται η αποδοτικότητα της περισφίγξεως εντός της διατομής με αποτέλεσμα την μείωση της ενεργού περισφίγξεως για σταθερή τιμή του ογκομετρικού μηχανικού ποσοστού περισφίγξεως. Πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι σε κυλινδρικά δοκίμια το σύνολο του στοιχείου που περιβάλλεται από τα σύνθετα υλικά βρίσκεται υπό συνθήκες τριαξονικής θλίψεως. Αντιθέτως στην περίπτωση ορθογωνικών διατομών, η λειτουργία των σύνθετων υλικών είναι παρόμοια με την λειτουργία των συνδετήρων. Παρατηρείται μεγάλη συγκέντρωση τάσεων στις γωνίες (έστω και στρογγυλεμένες) που οδηγεί στην θραύση του υφάσματος υπό παραμόρφωση μικρότερη από αυτήν της 81

102 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ αστοχίας του. Έτσι τμήμα μόνο της διατομής βρίσκεται υπό τριαξονική θλίψη, το οποίο μειώνεται αυξανομένου του λόγου των πλευρών της διατομής. Όσον αφορά το λόγο των πλευρών των υποστυλωμάτων, η αποδοτικότητα της περίσφιγξης εξαρτάται από τις παραβολικές περιοχές της διατομής που παραμένουν απερίσφιγκτες. Πιο συγκεκριμένα, αν είναι γνωστή η ακτίνα καμπυλότητας, μπορούμε να σχεδιάσουμε τις παραβολές που περικλείουν τον περισφιγμένο πυρήνα της διατομής (δημιουργώντας κλίση 45 ο ). Για το λόγο αυτό, γίνεται προσπάθεια να μεγιστοποιηθεί η ακτίνα καμπυλότητας στις γωνίες, με ανώτατο όριο που ορίζεται από τη θέση των ράβδων στο εσωτερικό της διατομής που πρέπει να έχουν μια ελάχιστη επικάλυψη σκυροδέματος. Ο περισφιγμένος πυρήνας, μειώνεται όσο αυξάνεται ο λόγος των πλευρών, με αποτέλεσμα στα υποστυλώματα με μεγάλο λόγο πλευρών, να μην επαρκούν οι συνδετήρες για την αποτελεσματική περίσφιγξη του σκυροδέματος. Όπως είναι γνωστό και από τις δοκιμές στοιχείων κυκλικής ή τετραγωνικής διατομής, η θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος αυξάνεται αυξανόμενου του ενεργού ποσοστού περισφίγξεως (αω w ) Όπου α = α n *α s με α s =1 (συνεχής μανδύας). Πίνακας 4.1: Λόγος πλευρών συντελεστή α n. Σε κυκλικές διατομές οι μανδύες δρουν ομοιόμορφα κατά την περίμετρο της διατομής οπότε η περίσφιγξη έχει και τη μέγιστη δυνατή αποτελεσματικότητα (συντελεστής αποδοτικότητας περίσφιγξης ίσος με 1). Σε ορθογωνικές διατομές ο περιορισμός της διόγκωσης του σκυροδέματος εξασθενεί, καθώς αυτή λαμβάνει χώρα ανεμπόδιστα με κάμψη του συνδετήρα ή του μανδύα προς τα έξω στο μέσο των πλευρών. Η περίσφιγξη σε αυτήν την περίπτωση δρα 82

103 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ μειωμένη, ξεκινώντας από τις (εξέχουσες) γωνίες της διατομής και επεκτεινόμενη προς τον πυρήνα της. Ο συντελεστής αποδοτικότητας της περίσφιγξης κυμαίνεται από 0.5 έως 0.6 για τετραγωνική διατομή και είναι περίπου 0 όταν η διατομή είναι ιδιαίτερα επιμήκης. Αυτό συμβαίνει καθώς οι τάσεις περίσφιγξης στις ορθογωνικές διατομές δεν ακολουθούν μια ομοιόμορφη κατανομή αλλά μεταβάλλονται από μία μέγιστη τιμή στις γωνίες σε μια ελάχιστη στο μέσον της πλευράς. Εξαιτίας της κατανομής αυτής, μόνο ένα τμήμα της διατομής του σκυροδέματος είναι ενεργά περισφιγμένο Α e και μπορεί να παραλαμβάνει επιπλέον αξονικό φορτίο μετά την εξάντληση της θλιπτικής του αντοχής. Σχήμα 4.4: Κατανομή τάσεων περίσφιγξης κατά μήκος της μίας διάστασης της διατομής του υποστυλώματος ενεργά περισφιγμένη τετραγωνική διατομή. Σχήμα 4.5: Σχηματική απεικόνιση περισφιγμένου πυρήνα. 83

104 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Ο διαχωρισμός μεταξύ του περισφιγμένου τμήματος της διατομής και του απερίσφιγκτου γίνεται μέσω παραβολών αρχικής κλίσης 45 ο οι οποίες επεκτείνονται στο διάστημα μεταξύ των καμπυλωμένων γωνιών του δοκιμίου. Για την εφαρμογή των σύνθετων 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. Μόνο το σκυρόδεμα που βρίσκεται στο εσωτερικό παραβολικών τόξων θεωρείται ότι δέχεται την ευεργετική επιρροή της περίσφιγξης. Έρευνες που διεξήχθησαν από τους Yang et al., έδειξαν ότι μικρότερες ακτίνες καμπυλότητας μπορούν σημαντικά να μειώσουν την οριακή αντοχή των φύλλων FRP, λόγω συγκέντρωσης τάσεων στην καμπυλωμένη περιοχή. Ο λόγος της ακτίνας καμπυλότητας, που ορίζεται ως ο λόγος της ακτίνας καμπυλότητας προς το μισό πλάτος του υποστυλώματος, είναι ο μοναδικός σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την περίσφιγξη κατά μήκος της διατομής. Επομένως, η ακτίνα καμπυλότητας θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερη για να επιτευχθεί καλύτερη περίσφιγξη. Εικόνα 4.10: Ακτίνες καμπυλότητας υποστυλωμάτων. 84

105 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Λόγω της σπουδαιότητας των υποστυλωμάτων στον φέροντα οργανισμό μιας κατασκευής, κάθε βλάβη σε αυτά μπορεί να αποβεί επικίνδυνη για τη ζωή και την περιουσία των ενοίκων, τη λειτουργικότητα και την κατάρρευση του κτιρίου. Η χρήση μανδυών από οπλισμένο σκυρόδεμα μπορεί να χαρακτηριστεί ως μια από τις αποτελεσματικότερες μεθόδους επισκευής και ενίσχυσης υποστυλωμάτων. Τα υποστυλώματα συχνά δεν πληρούν τις απαιτήσεις των σύγχρονων αντισεισμικών κανονισμών καθώς χαρακτηρίζονται από ένα σύνολο ανεπαρκειών, όπως ανεπαρκή καμπτική αντοχή, ανεπαρκή διατμητική αντοχή, μειωμένη ικανότητα παραμόρφωσης και αβέβαιη πλαστιμότητα. Επίσης, η συνεχής ανάγκη για ποιοτική και οικονομική βελτιστοποίηση των κατασκευών, έχει οδηγήσει τη διεθνή επιστημονική κοινότητα στην διερεύνηση της δυνατότητας εφαρμογής νέων σύνθετων υλικών στις κατασκευές. Ο τρόπος με τον οποίο αστοχούν τα υποστυλώματα κατά τη διάρκεια ενός σεισμού είναι πάντοτε ο ίδιος, αποδιοργανώνεται η κεφαλή ή ο πόδας με το άνοιγμα των συνδετήρων. Μόλις λυθούν οι συνδετήρες λυγίζουν οι διαμήκεις οπλισμοί και αποδιοργανώνεται το σκυρόδεμα. Εικόνα 5.1: Λυγισμός διαμήκων οπλισμών υποστυλώματος. 85

106 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Αυτό το είδος ζημιάς δε συμβαίνει μόνο στις κολώνες που κατασκευάστηκαν παλιά και έχουν λίγα σίδερα, αλλά συμβαίνει το ίδιο και στις κολώνες που πλέον έχουν πολλά σίδερα, εφόσον αυτές δεν κατασκευάζονται με τις σωστές προδιαγραφές. Σαν αποτέλεσμα, έχει αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος στο ζήτημα αποκατάστασης των κατασκευών, αυτή των προηγμένων σύνθετων υλικών ως οπλισμός περίσφιγξης. Προς την κατεύθυνση αυτή, έχει εξελιχθεί η τεχνική επεμβάσεων με ινοπλισμένα πολυμερή (FRP), των οποίων η χρήση αυξάνεται με ταχείς ρυθμούς τόσο διεθνώς όσο και στη χώρα μας. Παρόλα τα πλεονεκτήματά τους, έχουν ορισμένες εγγενείς αδυναμίες, τις οποίες έρχεται να καλύψει ένα νέο σύνθετο υλικό με τον όρο Ινοπλέγματα Ανόργανης Μήτρας (TRΜ). Για το σκοπό αυτό, διεξήχθησαν στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών πειραματικές δοκιμές επί υποστυλωμάτων μικρής κλίμακας. Η όλη πειραματική διαδικασία έλαβε χώρα κατά την περίοδο Φεβρουάριος 2014 Νοέμβριος Τα χαρακτηριστικά των υποστυλωμάτων που χρησιμοποιήθηκαν ως δοκίμια ήταν τέτοια ώστε να αναπαριστούν σε μεγάλο βαθμό τα υποστυλώματα των προ του 1985 κατασκευών, τα οποία ήταν σχεδιασμένα με χαμηλά ποσοστά διαμήκους χάλυβα, αραιούς συνδετήρες (χωρίς αυξημένες απαιτήσεις πλαστιμότητας) χαμηλή ποιότητα σκυροδέματος και μεγάλο λόγο πλευρών. Στη συνέχεια του κεφαλαίου περιγράφεται αναλυτικά το σύνολο της πειραματικής διαδικασίας. Αφού περιγραφούν τα δοκίμια και παρουσιαστεί ο τρόπος κατασκευής καθώς και ενίσχυσής τους, με περιγραφή των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν, γίνεται τέλος και η παρουσίαση της πειραματικής διάταξης που χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή των δοκιμίων. 5.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΟΚΙΜΙΩΝ Γενικά Για τη συγκεκριμένη διατριβή παρασκευάσθηκαν συνολικά 2 σειρές υποστυλωμάτων μικρής κλίμακας. Στην πρώτη σειρά ανήκαν τα υποστυλώματα με διαστάσεις (mm) (h b L) με λόγο πλευρών 3 : 1, ενώ στη δεύτερη σειρά ανήκαν τα υποστυλώματα με διαστάσεις (mm) (h b L) και λόγο πλευρών 4 : 1. Οι δύο σειρές υποστυλωμάτων ήταν οπλισμένες και προκειμένου να 86

107 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ προσομοιώσουν υποστυλώματα παλιάς κατασκευής, χρησιμοποιήθηκαν διαμήκεις οπλισμοί διαμέτρου 12mm και συνδετήρες Φ8/150mm. Μεγέθη Γεωμετρικά χαρακτηριστικά διατομών 1 η Σειρά Λόγος πλευρών 3:1 2 η Σειρά Λόγος πλευρών 4:1 h (mm) b (mm) H (mm) R (mm) Πίνακας 5.1: Γεωμετρικά χαρακτηριστικά οπλισμών. Οπλισμοί Διατομών 1 η Σειρά Λόγος πλευρών 3:1 2 η Σειρά Λόγος πλευρών 4:1 Διαμήκεις οπλισμοί 6Φ12 8Φ12 Συνδετήρες Φ8/150mm Φ8/150mm Πίνακας 5.2: Οπλισμοί διατομών. Σχήμα 5.1: Απεικόνιση υποστυλωμάτων. 87

108 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Ονοματολογία Υποστυλωμάτων Τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν έγιναν σε 16 υποστυλώματα οπλισμένου σκυροδέματος. Τέσσερα από αυτά ενισχύθηκαν εξωτερικά με μανδύες ινοπλεγμάτων ανόργανης μήτρας (TRΜ) και άλλα δέκα με μανδύες ινοπλισμένων πολυμερών (FRP). Τα δύο εναπομείναντα δοκίμια δεν ενισχύθηκαν και αποτέλεσαν μέτρο σύγκρισης για όλες τις ενισχύσεις (Control). Τα πρώτα δέκα υποστυλώματα ενισχύθηκαν με μανδύες ινοπλισμένων πολυμερών (FRP). Τα τρία πρώτα υποστυλώματα και των δύο σειρών ενισχύθηκαν με τρείς στρώσεις FRP και με θυσάνους. Τα υποστυλώματα της πρώτης σειράς ονομάστηκαν 1AhIII3a, 1AhIII3b, 1AhIII3c, ενώ τα υποστυλώματα της δεύτερης σειράς 2AhIII4a, 2AhIII4b, 2AhIII4c. Εικόνα 5.2: Δοκίμιο 1AhIII3. Εικόνα 5.3: Δοκίμιο 2AhIII4. 88

109 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Ένα υποστύλωμα από κάθε σειρά ενισχύθηκε με δύο στρώσεις FRP χωρίς τη χρήση θυσάνου. Τα υποστυλώματα της πρώτης και της δεύτερης σειράς ονομάστηκαν ΙΙ3c, ΙΙ4c αντίστοιχα. Εικόνα 5.4: Δοκίμιο ΙΙ3c. Εικόνα 5.5: Δοκίμιο ΙΙ4c. Ακόμα, δύο υποστυλώματα από τη δεύτερη σειρά ενισχύθηκαν με δύο στρώσεις FRP, με θυσάνους και οι δύο μικρές πλευρές τους ενισχύθηκαν επιπροσθέτως με δύο στρώσεις FRP τύπου U, συνολικού μήκους 450mm. Τα υποστυλώματα αυτά ονομάστηκαν 2AhII4Ua και 2AhII4Ub. Εικόνα 5.6: Δοκίμιο 2AhII4U. 89

110 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Ο λόγος που μελετήθηκαν δύο ή και παραπάνω υποστυλώματα σε κάθε περίπτωση είναι για την επαλήθευση των αποτελεσμάτων, καθώς δεν υπάρχει αντίστοιχη βιβλιογραφική έρευνα. Όσον αφορά την ονοματολογία των παραπάνω υποστυλωμάτων έχουμε τα εξής: η βασική ονομασία ενός υποστυλώματος είναι nahqi. Όπου : nah, δηλώνει την παρουσία θυσάνου και τον αριθμό των κατακόρυφων σειρών των θυσάνων στο υποστύλωμα. Με το h (heavy) υποδηλώνεται η χρήση βαρύ θυσάνου. q, αριθμός στρώσεων FRP για την ενίσχυση. Σε περίπτωση που η ενίσχυση περιλαμβάνει και μανδύα τύπου U, δηλώνεται στην ονομασία του υποστυλώματος μετά τον αριθμό των στρώσεων. i, αριθμός υποστυλώματος για τη συγκεκριμένη ενίσχυση. Τα δύο διαφορετικά πλέγματα που χρησιμοποιήθηκαν (FRP και TRΜ), έχουν διαφορετική πυκνότητα. Καλύτερη σύγκριση των δύο μεθόδων ενίσχυσης θα ήταν η τοποθέτηση πλεγμάτων που συνολικά σε κάθε ενίσχυση θα έχουν την ίδια πυκνότητα. Το ύφασμα FRP, διαστάσεων 10cmx10cm ζυγίζει 7,1gr, το αντίστοιχο πλέγμα TRM διαστάσεων 10cmx10cm, ζυγίζει 4,1gr. Η ακριβής σύγκριση κατά αυτόν τον τρόπο είναι αδύνατη, καθώς θα έπρεπε να χρησιμοποιηθούν έντεκα στρώσεις TRΜ για την προσομοίωση με τις τρείς στρώσεις της ενίσχυσης με FRP. Αυτή η ενίσχυση όμως στην πράξη είναι αδύνατη. Για το λόγο αυτό γίνεται η ενίσχυση ενός υποστυλώματος από κάθε σειρά με τέσσερις στρώσεις TRΜ χωρίς τη χρήση θυσάνου καθώς και η ενίσχυση ενός υποστυλώματος από κάθε σειρά με τέσσερις στρώσεις TRΜ με τη χρήση θυσάνου. Τα δοκίμια ονομάστηκαν αντίστοιχα T_IV3, T_IV4, T_1AhIV3, T_2AhIV4. Τα δοκίμια αυτά αντιπροσωπεύουν υποστυλώματα ενισχυμένα με δύο στρώσεις FRP, τα δύο πρώτα χωρίς θύσανο T_IV3, T_IV4, και τα δύο τελευταία με θυσάνους T_1AhIV3, T_2AhIV4. 90

111 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Εικόνα 5.7: Δοκίμιο T_IV3. Εικόνα 5.8: Δοκίμιο T_IV4. Εικόνα 5.9: Δοκίμιο T_1AhIV3. Εικόνα 5.10: Δοκίμιο T_2AhIV4. 91

112 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Υλικά Σκυρόδεμα Η σύσταση του σκυροδέματος για όλα τα υποστυλώματα είναι ίδια. Τα υπό εξέταση υποστυλώματα αποτελούνται από σκυρόδεμα κατηγορίας αντοχής C12/15. Επιλέχθηκε χαμηλής αντοχής σκυρόδεμα, ώστε τα υποστυλώματα της διατριβής να προσομοιώνουν την αντοχή υποστυλωμάτων παλαιότερων κτιρίων. Σύμφωνα με τον Κανονισμό Τεχνολογίας Σκυροδέματος, την ημέρα της σκυροδέτησης κατασκευάσθηκαν έξι κυβικά δοκίμια διαστάσεων 150mm 150mm 150 mm, προκειμένου να υποβληθούν σε δοκιμή θλίψης στη μηχανή ελεγχόμενων μετατοπίσεων (RMU μέγιστου θλιπτικού φορτίου 1200 kn) σε διαφορετικές ηλικίες. Από τις μετρήσεις των επιμέρους θλιπτικών αντοχών κάθε ηλικίας, υπολογίσθηκε τελικώς και η μέση θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος. Δοκίμια Ηλικία δοκιμίου Θλιπτικό Φορτίο Αστοχίας (kn) Θλιπτική Αντοχή Σκυροδέματος (MPa) , Πίνακας 5.7: Θλιπτικές αντοχές δοκιμίων σε διάφορες ηλικίες. Μέση Θλιπτική Αντοχή Σκυροδέματος (MPa) 20.9 Εικόνα 5.11: Δοκιμή θλίψης στην RMU, Δοκίμια Σκυροδέματος Χαλύβδινοι οπλισμοί Οι διαμήκεις οπλισμοί που χρησιμοποιήθηκαν ήταν νευροχάλυβες διαμέτρου 12 mm και ποιότητας Β500C, ενώ οι συνδετήρες ήταν ίδιας ποιότητας αλλά διαμέτρου 8 mm. 92

113 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Προκειμένου να προσδιορισθεί το όριο διαρροής του χρησιμοποιούμενου χάλυβα, καθώς και τη συμπεριφορά του σε εφελκυσμό, πραγματοποιήθηκε δοκιμή εφελκυσμού σε χάλυβα διαμέτρου 12 mm. Στη μηχανή εφελκυσμού ΜΤS (μέγιστου φορτίου 250kN). Επομένως, το διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων του εφελκυόμενου χάλυβα είναι το ακόλουθο, όπου προκύπτει ότι το όριο διαρροής ισούται με f y = 570 MPa. Εικόνα 5.12: Μηχανή εφελκυσμού ΜΤS. Εικόνα 5.13: Διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων εφελκυόμενου χάλυβα. 93

114 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Ανθρακοϋφάσματα CFRP Τα ανθρακοϋφάσματα είναι σύνθετα υλικά που κατασκευάζονται από ίνες άνθρακα υψηλής αντοχής. Τα υφάσματα συνεχών ινών αποτελούνται από πολλές ίνες άνθρακα διατεταγμένες παράλληλα προς μια διεύθυνση και ενωμένες μεταξύ τους μέσω ενός κανάβου από ίνες πολυπροπυλενίου. Για τα πειράματα της διατριβής, χρησιμοποιήθηκαν υφάσματα με την εμπορική ονομασία Tyfo SCH-41 Composite. Οι ίνες υφάσματος, έχουν μονοαξονικό προσανατολισμό και τοποθετούνται στην οριζόντια διεύθυνση. Κάθε φύλλο έχει ονομαστικό πάχος 1 mm και στο εμπόριο διατίθεται σε μορφή ρολού πλάτους 600mm. Τα μηχανικά χαρακτηριστικά των ανθρακοϋφασμάτων φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Εφελκυστική Αντοχή (GPa) 4.0 Μέτρο Ελαστικότητας (GPa) Μέγιστη Παραμόρφωση (%) Πυκνότητα (g/cm 2 ) 1.74 Βάρος ανά Τετραγωνικό Μέτρο (g/m 2 ) 710 Πίνακας 5.4: Μηχανικά Χαρακτηριστικά Στεγνού Υφάσματος Tyfo SCH-41 Composite. Εικόνα 5.14: Ανθρακοϋφασμα CFRP. Ωστόσο, για τον ακριβή προσδιορισμό των χαρακτηριστικών των χρησιμοποιούμενων ανθρακοϋφασμάτων, κατασκευάστηκαν πέντε κουπόνια FRPs, τα οποία υποβλήθηκαν σε δοκιμή εφελκυσμού στη μηχανή MTS. 94

115 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Κουπόνια FRPs Ονομαστικό πάχος (mm) Πλάτος (mm) Μέτρο Ελαστικότητας, Ε f (GPa) Εφελκυστική Αντοχή f fu (MPa) Παραμόρφωση Αστοχίας (ε fu ) Πίνακας 5.5: Αποτελέσματα δοκιμών εφελκυσμού στα κουπόνια FRPs. Χαρακτηριστικά κουπονιών FRPs Μέση Τιμή Τυπική Απόκλιση Συντελεστής Μεταβλητότητας Ε f (GPa) ε fu f fu (MPa) Πίνακας 5.6: Στοιχεία Δοκιμών εφελκυσμού στα κουπόνια FRPs. Εικόνα 5.15: Κουπόνια FRPs. Εικόνα 5.16: Δοκιμή εφελκυσμού σε κουπόνι FRP. 95

116 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Αγκύρια από ίνες άνθρακα (CFRPs anchors) Τα αγκύρια που χρησιμοποιήθηκαν στη συγκεκριμένη διατριβή αποτελούνται από ίνες άνθρακα διαμέτρου 3/8''. Η εμπορική τους ονομασία είναι Tyfo SCH Composite Anchors και διατίθενται από την εταιρεία Fyfe Co, η οποία συνιστά την εφαρμογή τους με χρήση της εποξειδικής ρητίνης Tyfo S Epoxy. Εικόνα 5.17: Αγκύρια ινών άνθρακα διαμέτρου 3/8 (CFRPs anchors) Πλέγματα ανθρακοϋφασμάτων (close-meshed carbon fiber textiles) Το πλέγμα συνεχών ινών (textiles) δύο διευθύνσεων 0 o /90 o που χρησιμοποιήθηκε για την ενίσχυση των υποστυλωμάτων, αποτελείται από δέσμες ινών άνθρακα με καθαρό άνοιγμα βροχίδας 7mm και αξονική απόσταση μεταξύ των κλώνων 10mm. Εφελκυστική Αντοχή (GPa) 3.80 Μέτρο Ελαστικότητας (GPa) 225 Μέγιστη Παραμόρφωση (%) 1.5 Πυκνότητα (g/cm 2 ) 1.8 Βάρος ανά Τετραγωνικό Μέτρο (g/m ) Πίνακας 5.7: Μηχανικά Χαρακτηριστικά Πλέγματος ανθρακοϋφάσματος Εποξειδική ρητίνη (Tyfo S Epoxy) Προκειμένου να τοποθετηθούν τα υφάσματα CFRPs πάνω στα υποστυλώματα και να κολλήσουν οι στρώσεις μεταξύ τους, καθώς επίσης και για την τοποθέτηση των αγκυρίων από ίνες άνθρακα, χρησιμοποιήθηκε εποξειδική ρητίνη της Fyfe Co, με εμπορική ονομασία Tyfo S- Saturant Epoxy. Η ρητίνη αυτή αποτελείται από δύο συστατικά εποξειδικής μήτρας το Α και το Β που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές συγκόλλησης. Η αναλογία μίξης των δύο συστατικών Α και Β είναι 100 μέρη συστατικού Α με 42 μέρη συστατικού Β κατ όγκο ή 100 μέρη συστατικού Α με 34.5 μέρη συστατικού Β 96

117 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ κατά βάτος. Πλεονέκτημά της είναι ο μεγάλος χρόνος εργασιμότητας, καθώς επίσης ότι δεν έχει δυσάρεστες αναθυμιάσεις. Επίσης μπορεί να εφαρμοσθεί για θερμοκρασίες περιβάλλοντος από 4 ο C έως και 32 ο C, ενώ η πλήρης σκλήρυνσή της επιτυγχάνεται μετά το πέρας των 72 ωρών. Ακόμα, η ρητίνη έχει χαμηλό ιξώδες, έτσι ώστε να είναι δυνατή η διαβροχή φύλλων άνθρακα με πλαστικό ρολό. Τέλος αξιοσημείωτη είναι η λειτουργία τους σαν φινίρισμα καθώς και στο γέμισμα πιθανών οπών. Εικόνα 5.18: Συστατικά εποξειδικής μήτρας Α και Β Κονίαμα ανόργανης μήτρας Το κονίαμα που επιλέχθηκε ως συγκολλητική ουσία μεταξύ των ινών του πλέγματος έχει εμπορική ονομασία Tyfo C-Matrix. Το κονίαμα αυτό είναι σε μορφή σκόνης και περιέχει τσιμέντο και πολυμερή σε αναλογία 10:1 κατά βάρος. Εικόνα 5.19: Κονίαμα ανόργανης μήτρας. Σύμφωνα με τον κατασκευαστή, για να εξασφαλιστεί καλή εργασιμότητα στη φάση της εφαρμογής και συνάφεια με τις ίνες το % κ.β. ποσοστό νερού που προτείνεται να χρησιμοποιηθεί είναι 18%. Στην περίπτωση που η ποσότητα του τοποθετημένου νερού υπερβεί την προτεινόμενη ποσότητα, η πιθανότητα εμφάνισης ρωγμών στο κονίαμα αυξάνει κατά 10%. Κατά τη διάρκεια της κατασκευής και εφαρμογής του κονιάματος, η θερμοκρασία περιβάλλοντος δε θα πρέπει να είναι μικρότερη από 5 ο C ούτε μεγαλύτερη από 30 ο C. 97

118 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Κονίαμα επιπέδωσης (Mapegrout Tissotropic) Προκειμένου να πραγματοποιηθούν τα πειράματα θλίψης των δοκιμίων απαραίτητη είναι η επιπέδωση των άνω και κάτω επιφανειών, καθώς αυτές είναι αρκετά αδρές μετά τη σκυροδέτηση. Για την επιπέδωση των επιφανειών, χρησιμοποιήθηκε ινοπλισμένο μη συρρικνούμενο κονίαμα για επισκευή σκυροδέματος, με εμπορική ονομασία Mapegrout Tissotropic. Το συγκεκριμένο κονίαμα χρησιμοποιείται σε όλες τις εργασίες επισκευής σκυροδέματος όπως ανακατασκευή της επικάλυψης του οπλισμού. Εικόνα 5.20: Κονίαμα επιπέδωσης (Mapegrout Tissotropic). Χάρη στη μεγάλη μηχανική αντοχή του, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για επισκευές ακόμη και στον φέροντα οπλισμό. Φτιαγμένο από συνδετικά τσιμέντου, κοκκομετρικά διαβαθμισμένα αδρανή, ειδικά πρόσθετα και συνθετικές ίνες, το Mapegrout Tissotropic, παρασκευάζεται με ανάμειξη ενός σάκου των 25 kg, με λίτρα νερού. Επισκευάζει επιφάνειες σε πάχος μέχρι mm, με μία μόνο στρώση χωρίς καλούπωμα. Η μέση κατανάλωσή του είναι 19 kg/m 2 για κάθε cm πάχους. Τέλος, πληροί τις ελάχιστες απαιτήσεις της προδιαγραφής ΕΝ για δομικά κονιάματα, ομάδα R Προετοιμασία Δοκιμίων Δημιουργία δοκιμίων Τα καλούπια που χρησιμοποιήθηκαν για τα συγκεκριμένα δοκίμια κατασκευάστηκαν από εξειδικευμένο τεχνικό προσωπικό και ήταν από ξύλο. Προκειμένου να αποφευχθεί η συγκέντρωση τάσεων στις γωνίες και κατά συνέπεια θραύση των ινών στην περιοχή αυτή, καθώς επίσης και την ορθή τοποθέτηση των υφασμάτων, οι τέσσερις γωνίες των δοκιμίων στρογγυλοποιήθηκαν με ακτίνα 98

119 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ καμπυλότητας 20 mm. Η στρογγυλοποίηση επιτεύχθηκε δυο διαφορετικούς τρόπους. Αρχικά με τη βοήθεια σιλικόνης, επικολλήθηκαν στις γωνίες ειδικά κατασκευασμένα φελιζόλ, τα οποία μετά το ξεκαλούπωμά τους, εμφανίζουν γωνία ακτίνας καμπυλότητας 20 mm. Ακόμα, κομμάτια σωλήνων από PVC των 77 cm, διαμέτρου Φ40, κόπηκαν σε 4 κομμάτια, το καθένα από τα οποία τοποθετήθηκαν στις τέσσερις γωνίες για τη στρογγυλοποίησή τους. Εικόνα 5.21: Ξυλότυποι δοκιμίων. Μετά την τοποθέτηση των γωνιών, ακολούθησε η τοποθέτηση του οπλισμού στον ξυλότυπο. Προκειμένου να επιτευχθεί η επικάλυψη των 1.5 cm, χρησιμοποιήθηκαν οι κατάλληλοι αποστάστες που παράγονται από την εταιρεία Plasteka ΕΠΕ. Εικόνα 5.22: Γωνιακά από φελιζόλ και τεταρτοκύκλια από PVC. Εικόνα 5.23: Τοποθέτηση οπλισμών. 99

120 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Σκυροδέτηση δοκιμίων Η σκυροδέτηση των δοκιμίων έγινε το μήνα Ιούλιο του Προκειμένου να αφαιρεθεί το ποσοστού του εγκλωβισμένου αέρα στο σκυρόδεμα, πραγματοποιούνταν ομοιόμορφες δονήσεις στα δοκίμια με προσοχή. Με το πέρας της σκυροδέτησης, πραγματοποιήθηκε επιπέδωση της επιφάνειας των υποστυλωμάτων με τη βοήθεια μυστριού. Εικόνα 5.24: Δόνηση σκυροδέματος και λείανση επιφάνειας υποστυλωμάτων Συντήρηση και ξεκαλούπωμα δοκιμίων Προκειμένου να συντηρηθούν τα δοκίμια καλύφθηκαν με βρεγμένες λινάτσες, μέχρι το τελικό τους ξεκαλούπωμα. Ανά τέσσερις ώρες, πραγματοποιούνταν διαβροχή μέχρι κορεσμού, τόσο των ξυλοτύπων όσο και των λινάτσων, η οποία ήταν απαραίτητη για τη μη διακοπή της διαδικασίας ενυδάτωσης του σκυροδέματος. Η αφαίρεση των ξυλοτύπων έγινε πέντε μέρες μετά τη σκυροδέτηση και η διαβροχή των δοκιμίων συνεχίστηκε για μία βδομάδα ακόμα, τρείς φορές κάθε μέρα. Εικόνα 5.25: Τοποθέτηση λινάτσων και διαβροχή δοκιμίων. Εικόνα 5.26: Υποστυλώματα. 100

121 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Ενίσχυση των Υποστυλωμάτων Ενίσχυση με FRPs Προετοιμασία πριν την ενίσχυση με FRPs Εκτράχυνση των επιφανειών ενίσχυσης Η προετοιμασία των επιφανειών που θα ενισχυθούν ξεκινάει με την λείανση των επιφανειών αυτών, μέχρι απομακρύνσεως του επιφανειακού τσιμεντοπολτού και αποκαλύψεως των αδρανών. Με τον τρόπο αυτό, βελτιώνεται η πρόσφυση μεταξύ της επιφάνειας και της ρητίνης ή της ανόργανης μήτρας και ελαχιστοποιείται ο κίνδυνος τραυματισμού του μανδύα από τυχόν εξογκώματα. Για την εκτράχυνση των επιφανειών χρησιμοποιήθηκε ηλεκτρικός τροχός. Επιπλέον, ο ηλεκτρικός τροχός χρησιμοποιήθηκε για τη λείανση των γωνιών με ακτίνα καμπυλότητας 20 mm. Τέλος, πριν ξεκινήσει η διαδικασία της ενίσχυσης, τα δοκίμια καθαρίζονται με αέρα υπό πίεση, για την απομάκρυνση της σκόνης και άλλων σωματιδίων. Εικόνα 5.27: Εκτράχυνση των επιφανειών ενίσχυσης Άνοιγμα οπών για την τοποθέτηση αγκυρίων Στις θέσεις όπου έχει προβλεφθεί η χρήση αγκυρίων μορφής θυσάνου ινών άνθρακα, έγιναν διαμπερείς οπές στη μεγάλη πλευρά των υποστυλωμάτων, για την εφαρμογή αυτών. Ο αριθμός των οπών ανά υποστύλωμα, καθορίστηκε από το πλήθος των χρησιμοποιούμενων αγκυρίων (6 ή 12) και η διάμετρος αυτών από την ονομαστική τους διατομή. Η διάμετρος των οπών έγινε για την εύκολη εισαγωγή του εμποτισμένου με ρητίνη αγκυρίου στην οπή. Για όλα τα υποστυλώματα, οι οπές 101

122 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ έγιναν με χρήση απλού ηλεκτρικού δραπάνου με προσαρτημένο τρυπάνι, διαμέτρου 12 mm. Προγενέστερες έρευνες έχουν δείξει πως η διάμετρος της οπής εφαρμογής των αγκυρίων δεν επηρεάζει την αντοχή τους. Στόχος ήταν τα αγκύρια μετά την εφαρμογή τους να παραμείνουν όσο το δυνατόν ευθύγραμμα, για το λόγο αυτό η γωνία εισαγωγής του τρυπανιού στα υποστυλώματα, σε σχέση με την κατακόρυφη διεύθυνση ήταν 90 ο, κατά το βαθμό που το επέτρεπε το χρησιμοποιούμενο εργαλείο. Εικόνα 5.28: Άνοιγμα οπών για την τοποθέτηση αγκυρίων Εφαρμογή των σύνθετων υλικών FRPs στα υποστυλώματα Μετά την ολοκλήρωση της προετοιμασίας των επιφανειών των υποστυλωμάτων, η επιφάνεια με τη βοήθεια πεπιεσμένου αέρα, καθαρίστηκε πλήρως από τη σκόνη, για την εφαρμογή των σύνθετων υλικών. Αυτό έγινε διότι, η παρουσία μορφής σκόνης στο υποστύλωμα, θα μείωνε την ικανότητα πρόσφυσης του υφάσματος με το υπόστρωμα. Εικόνα 5.29: Κοπή πρώτης και δεύτερης λωρίδας υφάσματος CFRP. Αρχικά με ψαλίδι κόπηκε το ύφασμα από FRP, στις χρησιμοποιούμενες διαστάσεις. Στο εμπόριο, το ρολό υφάσματος FRP, έχει μήκος 60cm, καθώς όμως τα υποστυλώματα έχουν συνολικό ύψος 77 cm, κόπηκαν δύο λωρίδες υφάσματος. Η 102

123 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ πρώτη με μήκος 60 cm και πλάτος όσο το επιθυμητό για την κάλυψη της περιμέτρου του υποστυλώματος στην κάθε περίπτωση, η δεύτερη με το ίδιο πλάτος με την πρώτη, όμως με μήκος 16 cm. Η δεύτερη λωρίδα κόπηκε στα 16 cm, έτσι ώστε να υπάρχει ένα περιθώριο πάνω και κάτω (το οποίο αυξάνει και άλλο αργότερα με την επιπέδωση των υποστυλωμάτων), ώστε να μην έρθει σε επαφή ο μανδύας με της πλάκες φόρτισης κατά την επιβολή του θλιπτικού φορτίου. Επιπλέον, εφαρμόστηκε μια προέκταση της τελευταίας στρώσης του διαμήκους υφάσματος ανά λωρίδα πλάτους 20 cm, με τις ίνες παράλληλα στον άξονα του μέλους, προκειμένου να αποφευχθεί η ολίσθηση των ινών. Αμέσως μετά, φτιάχτηκε η ρητίνη. Η ρητίνη είναι εποξειδική ρητίνη δύο συστατικών Α και Β, με αναλογία από τον κατασκευαστή 1:0,345 αντίστοιχα. Το συστατικό Α, ζυγίζει όσο το συνολικό βάρος του υφάσματος που χρησιμοποιείται σε κάθε υποστύλωμα. Αφού ζυγίστηκαν οι δύο ποσότητες των συστατικών Α και Β, τοποθετήθηκαν σε κοινό δοχείο, όπου και αναμίχθηκαν με τη χρήση ηλεκτρικού δραπάνου με προσαρτημένο κατάλληλο αναδευτήρα. Κατά την ανάμειξη των δύο συστατικών, η ταχύτητα παρέμεινε χαμηλή και σταθερή, έτσι ώστε να μην εγκλωβιστεί αέρας, τουλάχιστον έως την ομοιογενοποίηση του μίγματος. Εικόνα 5.30: Ανάμιξη της ρητίνης δύο συστατικών Tyfo S Epoxy. Στη συνέχεια τοποθετήθηκαν τα υφάσματα σε ένα πλαστικό νάιλον σε ένα τραπέζι στο Εργαστήριο για να γίνει η εφαρμογή της εποξειδικής ρητίνης σε περιβάλλον καθαρό. Η εφαρμογή της έγινε με τη βοήθεια πλαστικού ρολού και στις δύο πλευρές του υφάσματος. Η ποσότητα της ρητίνης που χρησιμοποιήθηκε ήταν ικανή να εμποτίσει όλες τις ίνες του υφάσματος. Αξιοσημείωτο είναι ότι το ρολό εφαρμόστηκε με την ίδια φορά (όχι μπρος πίσω) καθ όλη την επάλειψη και στις δύο πλευρές. 103

124 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Για την καλύτερη τοποθέτηση του υφάσματος, επαλείφθηκαν οι επιφάνειες όπου αυτό τοποθετούνταν με μείγμα ρητίνης και Cabosil. Στο δοχείο με την εναπομείνουσα ρητίνη, τοποθετήθηκε τόση ποσότητα Cabosil, ώστε το μείγμα να γίνει αρκετά ρευστό, προκειμένου να καλύψει τυχόν κοιλότητες που υπάρχουν στο υποστύλωμα. Το προϊόν αυτό, έχει την ίδια σύσταση με την εποξειδική ρητίνη που χρησιμοποιήθηκε, επομένως αφού αναμιχθεί με τη ρητίνη, προκύπτει ένα σκληρυμένο προϊόν με τα ίδια μηχανικά χαρακτηριστικά με τη ρητίνη. Εικόνα 5.31: Εμποτισμός υφασμάτων και θυσάνων με ρητίνη. Εικόνα 5.32: Δημιουργία Cabosil. Τέλος έγινε η εφαρμογή του εμποτισμένου σύνθετου υλικού στο υποστύλωμα. Η περιτύλιξη του υφάσματος έγινε με μεγάλη προσοχή με τέτοιο τρόπο, ώστε οι ίνες να παραμένουν ευθύγραμμες και τεντωμένες σε διεύθυνση εγκάρσια στο διαμήκη άξονα του υποστυλώματος. Η εφαρμογή του σύνθετου υλικού ξεκινούσε πάντα από την κάτω πλευρά του υποστυλώματος και προχωρούσε προς τα πάνω, με προσοχή να μην εγκλωβίζεται αέρας ανάμεσα στο ύφασμα και την επιφάνεια, καθώς και στις στρώσεις του υφάσματος. Στο τέλος εφαρμογής κάθε στρώσεις, εφαρμόζεται ένα 104

125 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ στρώμα μείγματος ρητίνης με Cabosil μέσω πλαστικού ρολού με ελαφριά πίεση για την καλύτερη συνάφεια των στρώσεων μεταξύ τους. Εικόνα 5.33: Εφαρμογή Cabosil Δοκίμια 1AhIII3, 2AhIII4, ΙΙ3 και ΙΙ4 Η ενίσχυση των δοκιμίων 1AhIII3, 2AhIII4, ΙΙ3 και ΙΙ4, ήταν παρόμοια. Αρχικά, από κάτω προς τα πάνω εφαρμόζονταν τα υφάσματα με προσοχή και ξεκινούσε αργά η περιτύλιξή τους. Στο τέλος εφαρμοζόταν η μικρότερη λωρίδα υφάσματος που είχε κοπεί, στην πάνω μεριά του δοκιμίου με τις ίνες ευθύγραμμες και τεντωμένες ως προς το κάτω ύφασμα. Εικόνα 5.34: Ενίσχυση δοκιμίων. 105

126 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Δοκίμια 2AhII4U Για την ενίσχυση των δοκιμίων 2AhII4U, έγινε προσεκτική τοποθέτηση των λωρίδων U. Οι λωρίδες U έχοντας μήκος 450mm τοποθετήθηκαν στη μικρή πλευρά των δοκιμίων και το μήκος που περίσσεψε ισοκατανέμηκε στις δύο παράλληλες μεγάλες πλευρές. Αμέσως μετά την τοποθέτηση των λωρίδων U, τοποθετήθηκαν οι μικρές λωρίδες υφάσματος για την πλήρη ενίσχυση του δοκιμίου που ήταν επίσης μορφής U. Εικόνα 5.35: Τοποθέτηση λωρίδων U. Στη συνέχεια εφαρμόστηκαν ολόκληρες οι υπόλοιπες στρώσεις των υφασμάτων με πολύ προσοχή από κάτω προς τα πάνω όπως και στις προηγούμενες ενισχύσεις. Εικόνα 5.36: Ενισχυμένο υποστύλωμα. 106

127 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Εφαρμογή αγκυρίων μορφής θυσάνου ινών άνθρακα Αφότου εφαρμόσθηκαν όλες οι στρώσεις υφάσματος στο υποστύλωμα, τοποθετήθηκαν αγκύρια μορφής θυσάνου ινών άνθρακα στα δοκίμια 1AhIII3, 2AhIII4 και 2AhII4U. Τα αγκύρια προτού τοποθετηθούν, κόπηκαν σε κατάλληλο μήκος, δηλαδή 15cm (όσο το πάχος των υποστυλωμάτων), προσθέτοντας επιπλέον 7cm αγκύρωση σε κάθε μία από τις δύο πλευρές. Τα αγκύρια καθ όλη τη διάρκεια εμποτισμού των υφασμάτων ήταν τοποθετημένα στο δοχείο με την εποξειδική ρητίνη, για τον πλήρη εμποτισμό τους. Έπειτα τα αγκύρια δέθηκαν στο ένα άκρο τους με ένα λεπτό μεταλλικό σύρμα, το οποίο χρησιμοποιούνταν σαν οδηγός. Για να διευκολυνθεί η εισαγωγή τους στις οπές που ήταν καλυμμένες με τις στρώσεις του υφάσματος, με ένα λεπτό ξυραφάκι έγιναν μικρές τρύπες στις διαμπερείς οπές. Στα σημεία αυτά, με μεγάλη προσοχή μετακινήθηκαν οι ίνες άνθρακα και τα αγκύρια εισήχθησαν με τη βοήθεια του μεταλλικού σύρματος οδηγού. Για να διευκολυνθεί η εισαγωγή τους στις οπές, χρησιμοποιήθηκε σαν κόντρα ένα τούβλο δεμένο στην άκρη του σύρματος, με τη βοήθεια του οποίου τραβιόταν το αγκύριο και ισομοιράζοταν το μήκος του που εξείχει εκτός των οπών, ώστε να επιτευχθεί το επιθυμητό μήκος αγκύρωσης. Εικόνα 5.37: Τοποθέτηση αγκυρίων. Αφότου τοποθετήθηκε το αγκύριο και ισομοιράστηκε, αφαιρέθηκε το σύρμα. Έχοντας πλέον επαρκές μήκος αγκύρωσης, οι ίνες αγκυρίων, ξεχωρίζονται και αγκυρώνονται πάνω στο υπάρχον ύφασμα άνθρακα. Δημιουργείται έτσι ένας κύκλος από ίνες, με κέντρο την οπή εφαρμογής. 107

128 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Τελικώς, τοποθετείται πάνω από τις ίνες αγκυρίων ένα κομμάτι ύφασμα καθ όλο το ύψος του δοκιμίου, πλάτους 20 cm, προκειμένου να καλύψει την περιοχή εφαρμογής των αγκυρίων. Εικόνα 5.38: Ισομοιρασμός αγκυρίων και τοποθέτηση υφάσματος για την κα λυψη των αγκυρίων Επιπέδωση των δοκιμίων Η άνω ή ακόμα και η κάτω επιφάνεια των δοκιμίων όπως αυτά προέκυψαν από τη σκυροδέτηση, σε μερικές περιπτώσεις δεν ήταν αρκετά επίπεδες και λείες. Απόρροια αυτού ήταν να μην υπήρχε πλήρης επαφή των επιφανειών αυτών με τις πλάκες φόρτισης στη μηχανή θλίψης. Η ύπαρξη κοιλοτήτων και προεξοχών, θα οδηγούσε σε ανομοιόμορφη συγκέντρωση θλιπτικών τάσεων στην επιφάνεια που θα είχε αρνητικές επιρροές στα τελικά αποτελέσματα. Εικόνα 5.39: Επιπέδωση δοκιμίων. 108

129 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Για το λόγο αυτό τρεις με τέσσερις μέρες μετά την ενίσχυση των δοκιμίων (εξαρτιόνταν από τις καιρικές συνθήκες), αφότου ο μανδύας είχε πάρει τις τελικές του αντοχές, πραγματοποιήθηκε επιπέδωση των άνω και κάτω επιφανειών των δοκιμίων. Ταχήπυκτο τσιμεντοκονίαμα, με εμπορική ονομασία Mapegrout Tissotropic, χρησιμοποιήθηκε πάχους 1-1.5cm σε κάθε πλευρά. Αφού καθαρίστηκε η επιφάνεια που θα γινόταν η επιπέδωση διαβρέχτηκε πλήρως με νερό. Στη συνέχεια, το Mapegrout Tissotropic αναμείχθηκε με κατάλληλη ποσότητα νερού, προκειμένου να είναι εργάσιμο. Τέλος, επαλείφθηκε με σπάτουλα και μυστρί στις επάνω πλευρές των υποστυλωμάτων. Η ίδια διαδικασία ακολουθήθηκε και στις κάτω πλευρές των υποστυλωμάτων 3 με 4 μέρες μετά που έγινε η πρώτη επιπέδωση Τοποθέτηση ντιζών Κατά τη διάρκεια της φόρτισης, αξονικές μετατοπίσεις εμφανίζονται στα δοκίμια. Για την αξιόπιστη μέτρηση των αξονικών αυτών μετατοπίσεων, τοποθετήθηκαν δύο μηκυνσιόμετρα LVDTs (Linear Variable Differential Transducer). Για τη στερέωση των μηκυνσιομέτρων αυτών στις δύο μεγάλες πλευρές των υποστυλωμάτων τοποθετήθηκαν δύο ντίζες σε κάθε πλευρά. Προκειμένου να στερεωθούν οι δύο ντίζες, ανοίχθηκαν δύο τρύπες με κρουστικό δρέπανο σε απόσταση 30cm η μία από την άλλη. Το άνοιγμα των οπών έγινε τουλάχιστον πέντε μέρες μετά την ενίσχυση των υποστυλωμάτων, που ο μανδύας είχε πλέον πάρει τις τελικές του αντοχές. Για τη συγκόλληση των ντιζών στις οπές, χρησιμοποιήθηκε κατάλληλη ρητίνη. Εικόνα 5.40: Άνοιγμα οπών για την τοποθέτηση ντιζών. 109

130 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Ενίσχυση με ΤRΜs Προετοιμασία πριν την ενίσχυση με ΤRΜs Εκτράχυνση των επιφανειών ενίσχυσης Η διαδικασία εκτράχυνσης των επιφανειών που θα ενισχύονταν με TRMs, έγινε με τον ίδιο τρόπο με αυτές που ενισχύθηκαν με FRPs Άνοιγμα οπών για την τοποθέτηση αγκυρίων Η διαδικασία ανοίγματος οπών στα δοκίμια που θα τοποθετούνταν αγκύρια κατά την ενίσχυση με TRMs, έγινε με τον ίδιο τρόπο με αυτή που ακολουθήθηκε στα δοκίμια που ενισχύθηκαν με FRPs Εφαρμογή των σύνθετων υλικών ΤRΜs στα υποστυλώματα Τέσσερα δοκίμια ενισχύθηκαν με πλέγμα ανόργανης μήτρας, τα οποία ήταν όμοια ως προς τη γεωμετρία όπλισης, με εκείνα που ενισχύθηκαν με ινοπλισμένα πολυμερή, προκειμένου να είναι συγκρίσιμα. Ενισχύθηκαν δύο δοκίμια με λόγο πλευρών 3:1 και ακόμα δύο με λόγο πλευρών 4:1. Η διαφορά στην ενίσχυσή τους έγκειται στο ότι σε ένα από τα δύο δοκίμια της κάθε σειράς τοποθετήθηκαν επίσης αγκύρια ινών άνθρακα διαμέτρου 3/8'', ίδια με αυτά που χρησιμοποιήθηκαν στα ενισχυμένα δοκίμια με FRPs. Στο δοκίμιο με λόγο πλευρών 3:1 τοποθετήθηκαν 6 αγκύρια (μία σειρά αγκυρίων), ενώ στο δοκίμιο 4:1 τοποθετήθηκαν 12 αγκύρια (δύο σειρές αγκυρίων). Αρχικά έγινε η κοπή του πλέγματος στο επιθυμητό μήκος, σύμφωνα με τον αριθμό των στρώσεων, εξασφαλίζοντας ένα ελάχιστο μήκος υπερκάλυψης μήκους 20 mm. Επίσης, το πλάτος του πλέγματος ήταν τέτοιο ώστε να αφήνεται ένα κενό της τάξης του 1 cm από την άνω και κάτω επιφάνεια, έτσι ώστε ο μανδύας ενίσχυσης να μην έρθει σε επαφή με τις άκαμπτες πλάκες της μηχανής θλίψης. Στα δοκίμια που τοποθετήθηκαν αγκύρια στην ενίσχυση, πριν την έναρξη της διαδικασίας της ενίσχυσης, οι οπές καλύφθηκαν με οπλισμούς διαμέτρου 8mm. Οι οπλισμοί αυτοί είχαν καλυφθεί με ειδική μονωτική ταινία προκειμένου να μειωθεί η συνάφεια του οπλισμού με το κονίαμα και να μπορούν τελικώς οι οπλισμοί να απομακρυνθούν. Η τοποθέτηση των οπλισμών στις οπές έγινε προκειμένου να 110

131 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ εμποδιστεί η είσοδος του κονιάματος κατά τη διαδικασία της ενίσχυσης, έτσι ώστε μετά την ενίσχυση με ευκολία να μπορέσουν να τοποθετηθούν τα αγκύρια ινών άνθρακα. Εικόνα 5.41: Τοποθέτηση οπλισμών στις οπές. Στη συνέχεια, έγινε διαβροχή με νερό των επιφανειών του δοκιμίου που πρόκειται να ενισχυθούν, προκειμένου να γίνει επιτάχυνση της διαδικασίας ενυδάτωσης του κονιάματος που επρόκειτο να τοποθετηθεί πάνω στο σκυρόδεμα. Με τη βοήθεια μηχανικού αναδευτήρα έγινε η ανάμιξη νερού προς κονία. Η απαιτούμενη αναλογία κονία προς νερό για την παρασκευή του κονιάματος είναι 1:0.2. Εικόνα 5.42: Δημιουργία κονιάματος. 111

132 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Αφού λοιπόν κατασκευάσθηκε το τσιμεντοκονίαμα, τοποθετήθηκε μια στρώση του σε όλες τις παράπλευρες επιφάνειες και τις ακμές του δοκιμίου για να χρησιμεύσει ως υπόστρωμα υποδοχής για το πλέγμα. Ακολούθως η περιτύλιξη του πλέγματος γύρω από την επιφάνεια ενίσχυσης έγινε με προσοχή, προκειμένου να μη δημιουργηθούν πτυχώσεις (περιοχές συγκέντρωσης τάσεων) λόγω ανομοιόμορφου εμποτισμού. Η περιτύλιξη του πλέγματος έγινε με τον ίδιο περίπου τρόπο με εκείνον που ακολουθήθηκε για την ενίσχυση δοκιμίων σύνθετων υλικών με ρητίνη. Η κυριότερη διαφορά τους ήταν ότι η διάστρωση του κονιάματος έγινε χειρωνακτικά σε συνδυασμό με τη χρήση σπάτουλας και όχι με πλαστικό ρολό όπως στην περίπτωση της οργανικής μήτρας. Σε κάθε περιστροφή, το πλέγμα τεντωνόταν και πιεζόταν μέχρι να διαπεράσει το κονίαμα τις βροχίδες και να τις εμποτίσει πλήρως. Σε αντίθεση με τη ρητίνη, το κονίαμα ως πιο παχύρρευστο υλικό δεν ήταν τόσο εργάσιμο ώστε να μπορέσει να διεισδύσει και να σταθεροποιηθεί μέσα στις ίνες. Η ύπαρξη όμως των βροχίδων διευκόλυνε τον καλύτερο εμποτισμό του πλέγματος. Η ίδια διαδικασία ακολουθήθηκε και για την επικάλυψη των επόμενων στρώσεων με παράλληλη εφαρμογή κονιάματος σε κάθε πλευρά. Η πίεση ασκούνταν με προσοχή έτσι ώστε όλες οι στρώσεις πλέγματος να εμποτίζονται πλήρως και να μην ακουμπάει η μια στρώση με την ακόλουθή της, πράγμα που θα μπορούσε να οδηγήσει σε σχετική ολίσθηση των επάλληλων στρώσεων κατά τη φόρτιση. Μετά το πέρας της περιτύλιξης του πλέγματος, τοποθετήθηκε μια τελευταία στρώση κονιάματος, για προστασία του μανδύα από εξωτερικές φθορές. Εικόνα 5.43: Ενίσχυση δοκιμίου με πλέγμα TRM. Στα δοκίμια που θα τοποθετούνταν τα αγκύρια, η διαδικασία ήταν ακριβώς η ίδια. Η μόνη διαφορά ήταν η παρουσία των οπλισμών κατά τη διαδικασία της ενίσχυσης, οι οποίοι εμπόδιζαν τη διάστρωση του κονιάματος και την τοποθέτηση του πλέγματος. 112

133 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Στην περίπτωση αυτή, αρχικά κάθε πλευρά καλύπτονταν με κονίαμα και στη συνέχεια τοποθετούνταν η στρώση πλέγματος. Αφού το πλέγμα τεντώνονταν, προτού πιεστεί προκειμένου να διαπεράσει το κονίαμα σπρώχνονταν ο οπλισμός και στο σημείο εξόδου του το πλέγμα κοβόταν με προσοχή. Κόπηκαν μόνο κάθετοι κλώνοι και κανένας οριζόντιος. Αφότου τρυπήθηκε το πλέγμα στα σημεία των αγκυρίων και περάστηκαν οι οπλισμοί, συνεχίστηκε με τον παραπάνω τρόπο η διαδικασία της ενίσχυσης. Εικόνα 5.44: Ενίσχυση δοκιμίου με πλέγμα TRM. Εικόνα 5.45: Ενίσχυση δοκιμίου με πλέγμα TRM. 113

134 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Τελικώς, τα ενισχυμένα δοκίμια καλύφθηκαν με βρεγμένες λινάτσες προκειμένου να διατηρηθεί η θερμοκρασία των ενισχυμένων δοκιμίων και να αποτραπεί η δημιουργία ρωγμών στην επιφάνεια του κονιάματος. Εικόνα 5.46: Ενισχυμένα δοκίμια με τέσσερις στρώσεις πλέγματος TRM. Εικόνα 5.47: Τοποθέτηση βρεγμένης λινάτσας σε δοκίμιο ενισχυμένο με TRM. Τρεις μέρες αφότου έγινε η ενίσχυση των δοκιμίων και εφόσον η επιφάνεια του κονιάματος είχε πλήρως σκληρυνθεί και στεγνώσει, πραγματοποιήθηκε η τοποθέτηση αγκυρίων ινών άνθρακα στις οπές τους. Αρχικά κατασκευάστηκε η εποξειδική ρητίνη που θα χρησιμοποιούνταν για τον εμποτισμό των αγκυρίων. Η ρητίνη ήταν ίδια με αυτή που χρησιμοποιήθηκε για τον εμποτισμό των υφασμάτων από FRPs επομένως και ο τρόπος παρασκευής της ήταν ίδιος. Αφού ζυγίστηκε λοιπόν το πλήθος των αγκυρίων που χρησιμοποιήθηκε, δημιουργήθηκε η εποξειδική ρητίνη, μέσα στην 114

135 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ οποία έγινε ο εμποτισμός των αγκυρίων ινών άνθρακα. Ακολούθως τοποθετήθηκαν τα αγκύρια στις οπές χρησιμοποιώντας σαν οδηγό ένα μεταλλικό σύρμα το οποίο ήταν δεμένο στο ένα άκρο τους. Για να διευκολυνθεί η εισαγωγή τους στις οπές, χρησιμοποιήθηκε σαν κόντρα ένα τούβλο δεμένο στην άκρη του σύρματος, με τη βοήθεια του οποίου τραβιόταν το αγκύριο και ισομοιράζοταν το μήκος του που εξείχε εκτός των οπών, ώστε να επιτευχθεί το επιθυμητό μήκος αγκύρωσης. Αφότου τοποθετήθηκε το αγκύριο και ισομοιράστηκε, αφαιρέθηκε το σύρμα. Έχοντας πλέον επαρκές μήκος αγκύρωσης, οι ίνες αγκυρίων, ξεχωρίζονται και αγκυρώνονται πάνω στο υπάρχον ύφασμα άνθρακα. Δημιουργείται έτσι ένας κύκλος θύσσανος από ίνες, με κέντρο την οπή εφαρμογής. Εικόνα 5.48: Ενισχυμένα δοκίμια με τέσσερις στρώσεις υφάσματος TRM και αγκύρια ινών άνθρακα. 5.3 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΔΟΚΙΜΗΣ ΣΕ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟ Γεωμετρία Εξεταζόμενων Δοκιμίων Η RILEM Committee s TC TDT (Test Methods and Design of Textile Reinforced Concrete), έχει προσφάτως προτείνει την παρακάτω γεωμετρία δοκιμίων για τη δοκιμή τους σε εφελκυσμό. 115

136 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Το πλεονέκτημα αυτής της γεωμετρίας είναι ότι η εμφάνιση των ρωγμών έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να εμφανιστούν στο ενδιάμεσο τμήμα του δοκιμίου. Έτσι, ο τρόπος αστοχίας είναι περισσότερο προβλεπόμενος και αποφεύγεται η αστοχία με τη μορφή σύνθλιψης στις αρπάγες κατά την πειραματική διαδικασία. Παρασκευάσθηκαν λοιπόν 5 δοκίμια αυτής της γεωμετρίας. Σχήμα 5.6: Γεωμετρία δοκιμίων α) Όψη, β) Τομή κατά μήκος του δοκιμίου. Εικόνα 5.49: Τρισδιάστατη απεικόνιση δοκιμίου Προετοιμασία Δοκιμίων Τα δοκίμια παρασκευάσθηκαν σε κατάλληλα σχεδιασμένα ανοιχτά καλούπια από χάλυβα. Στην παρούσα έρευνα κάθε δοκίμιο περιελάμβανε δύο στρώματα ινών, ένας τυπικός αριθμός που χρησιμοποιείται σε ενισχυτικές διεργασίες. Η συμμετρική τοποθέτηση των δύο στρωμάτων πραγματοποιήθηκε με τη χρήση χαλύβδινων αποστατών πάχους 2 mm στα άκρα των καλουπιών. Με αυτόν τον τρόπο η απόσταση μεταξύ των ινών ήταν σταθερή σε όλο το μήκος του δοκιμίου και ίση με 2 mm. Η διαδικασία παρασκευής των δοκιμίων ακολουθεί τα παρακάτω βήματα: 116

137 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Κόπηκαν δύο κομμάτια υφάσματος ινών σε μήκος περίπου ίσο με 700 mm, έτσι ώστε το κάθε κομμάτι να ταιριάζει μέσα στο καλούπι, με προσοχή να μην υπάρχει πλευρική επαφή. Καθαρίστηκε το χαλύβδινο καλούπι και εφαρμόστηκε μικρή ποσότητα λαδιού. Εικόνα 5.50: Χαλύβδινο καλούπι για την προετοιμασία του δοκιμίου. Τοποθετήθηκαν δύο μεταλλικοί αποστατήρες (συνολικού πάχους η κάθε μια 4 mm) σε κάθε πέρας του χαλύβδινου καλουπιού. Τοποθέτηση μιας μεταλλικής πλάκας πάχους 5 mm στο κέντρο του χαλύβδινου καλουπιού, στην περιοχή που εμφανίζεται η απομείωση διατομής του δοκιμίου. Εικόνα 5.51: Τοποθέτηση μεταλλικής πλάκας στο κέντρο του χαλύβδινου καλουπιού. Εφαρμογή της μήτρας με πάχος ίσο με 4 mm. Τοποθέτηση της πρώτης στρώσης υφάσματος ινών, αφού έχει εφαρμοσθεί μικρή προένταση και μετά τοποθέτηση αποστατών πάχους 2 mm σε κάθε άκρο του χαλύβδινου ελάσματος. Εικόνα 5.52: Εφαρμογή πρώτης στρώσης μήτρας, τοποθέτηση υφάσματος ινών και χαλύβδινων αποστατήρων πάχους 2 mm, στα άκρα. 117

138 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Εφαρμογή μήτρας πάχους 2 mm και τοποθέτηση του δεύτερου υφάσματος ινών. Εικόνα 5.53: Δεύτερη στρώση μήτρας και τοποθέτηση δεύτερου υφάσματος ινών. Ακολούθως εφαρμόσθηκε μικρή προένταση του υφάσματος ινών και τοποθέτηση δύο μεταλλικών αποστατήρων (πάχους 4 mm) σε κάθε πέρας του χαλύβδινου καλουπιού. Στη συνέχεια τοποθετήθηκε μήτρα πάχους 4 mm και αμέσως μετά τοποθετήθηκε μεταλλική πλάκα πάχους 5 mm στο κέντρο του χαλύβδινου καλουπιού, όπου εμφανίζεται η απομείωση διατομής του δοκιμίου. Εικόνα 5.54: Τοποθέτηση δεύτερης μεταλλικής πλάκας και τελειωμένο δοκίμιο. Τελικώς, 24 ώρες μετά αφαιρείται το χαλύβδινο καλούπι, κόβονται οι ίνες που περισσεύουν στα δύο άκρα, αφαιρούνται οι δύο μεταλλικές πλάκες και επισκευάζονται τυχόν κοιλότητες. Εικόνα 5.55: Δοκίμιο αφαιρείται από το χαλύβδινο καλούπι. 118

139 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Αποτελέσματα Δοκιμίων Dogbone 8 Stress - Strain Dogbone h1 6 Stress (MPa) ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Strain (%) 8 Stress - Strain Dogbone h2 6 Stress (MPa) ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Strain (%) 8 Stress - Strain Dogbone h3 6 Stress (MPa) ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Strain (%) 119

140 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 8 Stress - Strain Dogbone h4 6 stress (MPa) ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Strain (%) 8 Stress - Strain Dogbone h5 6 Stress (MPa) ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Strain (%) Σχήμα 5.3: Διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης των πέντε dogbone. Dogbone Παραμόρφωση αστοχίας εfu (%) Εφελκυστική Αντοχή ffu (MPa) 1 1,26 5,01 2 1,3 5,65 3 1,37 5,56 4 1,22 5,44 5 3,2 5,8 Πίνακας 5.8: Αποτελέσματα δοκιμών εφελκυσμού στα Dogbone. Χαρακτηριστικά Dogbone Μέση Τιμή Τυπική Απόκλιση ε u 1,67 0, f u 5,492 0, Πίνακας 5.9: Χαρακτηριστικά Dogbone. 120

141 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 5.4 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Εισαγωγή Οι δοκιμές καθαρή θλίψης των δοκιμίων που προέκυψαν μετά την ενίσχυση και των δύο απερίσφιγκτων δοκιμίων ελέγχου, διεξήχθησαν στη μηχανή θλίψης Form + Test ALPHA , η οποία είναι εγκατεστημένη στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Η μηχανή διαθέτει δυναμικότητα 4000 kn, ενώ το έμβολό της έχει δυνατότητα ανύψωσης 10cm. Ο σταθμός καταγραφής της μηχανής Form + Test ALPHA , αποτελείται από ηλεκτρονικά εξαρτήματα καταγραφής επιβαλλόμενου φορτίου και μετατόπισης. Για την ακρίβεια, ένας αισθητήρας πίεσης (pressure transducer) καταγράφει το επιβαλλόμενο φορτίο, ενώ ηλεκτρικά LVDTs (Linear Variable Differential Transformer), καταγράφουν τη μετατόπιση του δοκιμίου. Όλα τα δεδομένα μεταφέρονται από αναλογικό σε ψηφιακό σήμα, το οποίο στη συνέχεια επεξεργάζεται από έναν Η/Υ μέσω ενός λογισμικού καταγραφής ψηφιακού σήματος (Proteus). Εν συνεχεία, τα κείμενα εξάγονται και αποθηκεύονται σε αρχεία κειμένου (text files,*.txt). Επίσης, όλες οι απαραίτητες δοκιμές εφελκυσμού πραγματοποιήθηκαν στην πειραματική μηχανή εφελκυσμού MTS του Εργαστηρίου Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών Περιγραφή της Μηχανής Form + Test ALPHA Η μηχανή αποτελείται από μια 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 χαλύβδινες πλάκες που χρησιμοποιούνται για τη ρύθμιση του ύψους των δοκιμίων, κατά περίπτωση, ώστε να ελαχιστοποιείται η διαδρομή του εμβόλου. Η μηχανή παρέχει επίσης 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 σε 121

142 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ καθαρή θλίψη στη μηχανή σε χρειάστηκε να υποστούν προφόρτιση, καθώς είχε πραγματοποιηθεί επιπέδωση των δοκιμίων με ταχύπηκτο τσιμεντοκονίαμα υψηλής αντοχής. Εικόνα 5.56: Μηχανή Form + Test ALPHA Περιγραφή της Διάταξης των LVDTs Για την αξιόπιστη μέτρηση των αξονικών μετατοπίσεων των δοκιμίων κατά τη διάρκεια της φόρτισης πέρα από την καταγραφή της κίνησης του εσωτερικού εμβόλου, τοποθετήθηκαν δύο επιπλέον εξωτερικά LVDT. Τοποθετήθηκαν αντικριστά το ένα από το άλλο στις δύο μεγάλες πλευρές των δοκιμίων, όπως φαίνεται στην Εικόνα Εικόνα 5.57: Τοποθέτηση Διάταξης LVDTs. 122

143 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Περιγραφή της Διάταξης της Μηχανής Εφελκυσμού MTS Σερβοϋδραυλική μηχανή με εύρος συχνοτήτων έως 104 Hz κατάλληλη για δοκιμές κόπωσης υπό σταθερό ή μεταβαλλόμενο φορτίο, για δοκιμές προσδιορισμού χαρακτηριστικών μεγεθών θραύσης καθώς και για δοκιμές εφελκυσμού. Η μηχανή των 250 kn, είναι εξοπλισμένη με θερμοκρασιακό θάλαμο για δοκιμές σε θερμοκρασιακό εύρος -100 o C έως 400 o C. H μηχανή MTS λοιπόν, χρησιμοποιήθηκε για δοκιμές εφελκυσμού. Αποτελείται κυρίως από δύο στελέχη, ένα σταθερό και ένα κινητό, στα οποία είναι προσαρμοσμένα ειδικά εξαρτήματα για τη συγκράτηση των δοκιμίων. Επίσης, με τη μηχανή εφελκυσμού ήταν κατάλληλα συνδεδεμένος ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής, ο οποίος κατέγραφε διαρκώς τις μετρήσεις που απέδιδε η μηχανή εφελκυσμού. Εικόνα 5.58: Μηχανή Εφελκυσμού MTS. 123

144 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν μετά το πέρας της πειραματικής διαδικασίας για όλα τα δοκίμια που συμμετείχαν στο πειραματικό πρόγραμμα. Στόχος της πειραματικής διαδικασίας είναι η διερεύνηση της αποτελεσματικότητας της εφαρμογής υφασμάτων από ίνες άνθρακα σε οργανική και ανόργανη μήτρα σε υποστυλώματα με μεγάλο λόγο πλευρών και ανεπαρκή όπλιση στην περίσφιγξη, καθώς επίσης και της συμβολής της τοποθέτησης αγκυρίων ινών άνθρακα τύπου θυσάνου. Το κεφάλαιο αυτό παρουσιάζει τα αποτελέσματα κάθε δοκιμίου και το αντίστοιχο φωτογραφικό υλικό ξεχωριστά των δύο σειρών που συμμετείχαν στην παρούσα πειραματική διερεύνηση. Επίσης, γίνεται σύγκριση δοκιμίων που έχουν ενισχυθεί με παρόμοιο τρόπο, των δύο σειρών. 6.2 ΓΕΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΩΝ ΔΟΚΙΜΙΩΝ ΜΕ FRP Γενικότερα, σε όλα τα δοκίμια και των δύο Σειρών που ενισχύθηκαν με ύφασμα ινών άνθρακα, παρατηρήθηκε ότι λόγω της ύπαρξης του μανδύα, δεν ήταν ορατές οι όποιες ρωγμές στην επιφάνεια του σκυροδέματος κατά την επιβολή της φόρτισης. Με την αύξηση του φορτίου καταγράφηκαν οι περισσότεροι τριγμοί οι οποίοι συνοδεύονταν από μικρή διόγκωση του μανδύα, στη μεσαία ή ακραία περιοχή του δοκιμίου. Κατά τη φόρτιση στοιχείου ενισχυμένου με FRP, αρχίζουν να σχηματίζονται πολλές τριχοειδής ρωγμές στη διεπιφάνεια του στοιχείου με το σύνθετο υλικό. Αυτό συμβαίνει διότι οι οργανικές μήτρες (εποξειδικής ρητίνης), έχουν μεγαλύτερη δυστένια από το σκυρόδεμα. Επομένως, απαιτείται λιγότερη ενέργεια για να θραυτεί το σκυρόδεμα της επικάλυψης σε σχέση με την αντίστοιχη ενέργεια που απαιτείται για τη θραύση της διεπιφάνειας της οργανικής μήτρας με τα αδρανή του σκυροδέματος. Η σύνδεση ρητίνης αδρανών είναι τόσο ισχυρή που δε χάνεται ακόμα και σε μεγάλες παραμορφώσεις. Ως εκ τούτου και με δεδομένο τη μικρή 124

145 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ δυνατότητα παραμόρφωσης του σκυροδέματος, δημιουργούνται μικρές ρωγμές στο εξωτερικό σκυρόδεμα, οι οποίες μεγαλώνουν αρκετά μέχρι που διαπερνούν το στοιχείο διαλύοντας εντελώς την ένωση του σκυροδέματος με τα αδρανή. Μέχρι να εξαντληθεί η θλιπτική αντοχή του πυρήνα του σκυροδέματος, ο μανδύας δε συνείσφερε στην απόκριση των δοκιμίων. Η αστοχία του σκυροδέματος γινόταν αντιληπτή με τη σχεδόν σταθεροποιημένη τιμή του φορτίου που παρατηρούνταν στη μηχανή θλίψης που συνοδευόταν μόνο από αύξηση της μετατόπισης του εμβόλου. Τα περισφιγμένα δοκίμια έως τη στιγμή αυτή, συμπεριφέρονταν όπως και τα δοκίμια ελέγχου. Τη στιγμή όμως που εξαντλούνταν η θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος, αυξάνονταν μόνο η τιμή της μετακίνησης του εμβόλου, που είχε σαν αποτέλεσμα το σκυρόδεμα να άρχιζε να διογκώνεται εγκάρσια, με αποτέλεσμα την ενεργοποίηση του μανδύα σύνθετων υλικών, μέσω της ανάπτυξης εφελκυστικών παραμορφώσεων στις ίνες του μανδύα. Μετά την εξάντληση της αντοχής του σκυροδέματος, ο μανδύας αναλάμβανε όλο το φορτίο αντιστεκόμενος ταυτόχρονα στη διόγκωση του πυρήνα. Η ενεργοποίηση του μανδύα, επίφερε την επιβολή εγκάρσιων θλιπτικών τάσεων περίσφιγξης κάθετες στον άξονα του μέλους. Όταν εξαντλούνταν η εφελκυστική αντοχή του μανδύα στην εγκάρσια διεύθυνση, επέρχονταν η αστοχία του μανδύα, η οποία ήταν συνήθως ψαθυρή, εκρηκτική και συνοδεύονταν από απότομη πτώση του φορτίου. Η αστοχία του δοκιμίου επήλθε όταν λόγω διόγκωσης του πυρήνα του σκυροδέματος, οι μέγιστες τιμές της εφελκυστικής τάσης, έφτασαν την τάση αστοχίας. Στο σημείο αυτό έγινε η βίαιη θραύση του μανδύα και η ταυτόχρονη απελευθέρωση θραυσμάτων. Γενικότερη η αποκόλληση του μανδύα από το σκυρόδεμα εκφράζει τη μονολιθικότητα του υφάσματος με την εποξειδική ρητίνη και συνοδεύονταν από θρυμματισμένα και κολλημένα στο μανδύα αδρανή. Επίσης, στα ενισχυμένα δοκίμια ως επί το πλείστον, η αστοχία του μανδύα ξεκινούσε στις γωνίες και στη μικρή πλευρά, καθώς εκεί υπάρχει συγκέντρωση τάσεων. Ενώ στη μεγάλη πλευρά δεν αναπτύσσονταν μεγάλες εγκάρσιες τάσεις λόγω του μεγάλου μήκους της. Η απόκριση των ενισχυμένων δοκιμίων παρουσιάζεται στη μορφή της καμπύλης τάσης παραμόρφωσης. 125

146 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 6.3 ΓΕΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΩΝ ΔΟΚΙΜΙΩΝ ΜΕ TRM Η μήτρα ανόργανης σύστασης, έχει συγκρίσιμη δυστένια με το σκυρόδεμα και η σύνδεσή της με τα αδρανή δεν είναι τόσο ισχυρή, ώστε να εμποδίσει τη μεταφορά τάσεων στο γειτονικό σκυρόδεμα, κάτι που είναι απαραίτητο για τη περαιτέρω δημιουργία μικρορωγμών. Σε περιπτώσεις μεγάλων παραμορφώσεων το πιθανότερο είναι να αστοχήσει η μήτρα παρά το σκυρόδεμα. Αυτό, έχει σαν αποτέλεσμα την ύπαρξη διακεκριμένων ρωγμών ανά διαστήματα και τη δημιουργία τοπικών περιοχών συγκέντρωσης τάσεων στις ίνες άνθρακα. Η αστοχία επομένως, προκύπτει εξαιτίας της θραύσης των ινών, συνοδευόμενη από λίγες και αραιές ρωγμές στη τσιμεντοειδή μήτρα. Τέλος, παρατηρήθηκε πως όταν η συγκολλητική ουσία μεταξύ των ινών είναι το κονίαμα, οι ίνες ενεργούν ανεξάρτητα μεταξύ τους και όχι σαν ένα συμπαγές σώμα, με αποτέλεσμα να μειώνεται η πιθανότητα αποκόλλησης τους από το σκυρόδεμα. Οι πρώτες ρωγμές που παρατηρήθηκαν ήταν κατακόρυφες και εντοπίζονταν κοντά στις ακμές των δοκιμίων. Σε όλα τα δοκίμια άργησαν να εμφανιστούν οι πρώτες ρωγμές. Καθώς όμως αυξανόταν το φορτίο και έφτανε στο μέγιστο, εμφανίζονταν αρκετές ρωγμές που ξεκινούσαν κοντά στην πλάκα έδρασης και εκτείνονταν ως το κέντρο του δοκιμίου. Στην αστοχία μανδυών από πλέγματα ινών με ανόργανη μήτρα, η θραύση ξεκινά από ορισμένες ίνες και επεκτείνεται σταδιακά στις γειτονικές. Η αστοχία των μανδυών TRM λόγω εγκάρσιας διόγκωσης του περισφιγμένου σκυροδέματος οφείλεται επομένως στη σταδιακή θραύση των δεσμών των ινών. Η θραύση αυτή επεκτείνεται σχετικά αργά σε γειτονικές δέσμες. Έτσι η συμπεριφορά σκυροδέματος περισφιγμένου με TRM είναι πλάστιμη. Η αστοχία των μανδυών, συνοδευόταν από τοπικές ρηγματώσεις στις ακμές του δοκιμίου της κορυφής και της βάσης, συνοδευόμενες με καμπύλωση του μανδύα. Οι τοπικές αυτές αστοχίες εντοπίστηκαν στα γωνιακά σημεία του δοκιμίου, λόγω της συγκέντρωσης τάσεων σε αυτά καθώς επίσης και στη βάση ή την κορυφή του δοκιμίου, λόγω ασθενούς σύνδεσης του μανδύα με την ανόργανη μήτρα. 126

147 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 6.4 ΣΕΙΡΑ 1 Η Σειρά 1 των δοκιμίων, περιελάμβανε 7 δοκίμια με λόγο πλευρών 3:1. Το ένα από αυτά περισφίχτηκε με δύο στρώσεις υφασμάτων ινών άνθρακα εμποτισμένων με εποξειδική ρητίνη και δεν περιελάμβανε αγκύρια. Τρία από αυτά, περισφίχτηκαν με τρείς στρώσεις υφασμάτων ινών άνθρακα εμποτισμένων με εποξειδική ρητίνη και περιελάμβανε και αγκύρια. Τα άλλα δύο περισφίχτηκαν με τέσσερις στρώσεις πλέγματος ινών άνθρακα σε ανόργανη μήτρα το ένα χωρίς και το άλλο με τη χρήση αγκυρίων, ενώ το τελευταίο παρέμεινε απερίσφιγκτο προκειμένου να χρησιμοποιηθεί ως αναφορά για τη σύγκριση της αποτελεσματικότητας της περίσφιγξης των υπόλοιπων δοκιμίων που εξετάζονται Συμπεριφορά Δοκιμίου Ελέγχου Η παρουσίαση των αποτελεσμάτων των πειραματικών δοκιμών ξεκινάει με το δοκίμιο ελέγχου C3. Το δοκίμιο C3 είναι απερίσφιγκτο με αντοχή σκυροδέματος C12/15 και μελετήθηκε προκειμένου να είναι το μέτρο σύγκρισης για όλα τα περισφιγμένα δοκίμια. Με την επιβολή της φόρτισης, οι πρώτες ρωγμές εμφανίστηκαν στις γωνίες του δοκιμίου στις μικρές του πλευρές. Τελικώς, οι μεγαλύτερες ρωγμές που εμφανίζονται είναι παράλληλες στη διεύθυνση της φόρτισης. Η μεγαλύτερη ρωγμή που εμφανίζεται είναι οριζόντια στο μέσο της διατομής της μεγάλης πλευράς και λαμβάνει χώρα από τη μία άκρη της στην άλλη. Τα δοκίμια έφεραν αραιούς συνδετήρες και οπλισμούς μικρής διαμέτρου, σε μια προσπάθεια προσομοίωσης παλιάς κατασκευής, με αποτέλεσμα να παρατηρηθεί λυγισμός του διαμήκους οπλισμού, ο οποίος επέφερε και την εμφάνιση της οριζόντιας αυτής ρωγμής. Εικόνα 6.1: Δοκίμιο ελέγχου C3 μετά τη φόρτιση. 127

148 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Αποτελέσματα δοκιμίου C3 Τα αποτελέσματα της θλίψης του δοκιμίου C3, παρουσιάζονται στον Πίνακα 6.1. Μέγιστο Φορτίο Τάση Οριακή παραμόρφωση Δοκίμιο (kn) (Mpa) (%) C3 1124,3 16,68 0,38 Πίνακας 6.8: Αποτελέσματα δοκιμίου 2AhII4Ub. Παρακάτω, στο Σχήμα 6.1, παρουσιάζεται η καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων του δοκιμίου ελέγχου. 40 C' Stress (MPa) ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Strain (%) Σχήμα 6.1: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου C3. Εικόνα 6.2: Εμφάνιση ρωγμών δοκιμίου ελέγχου C3 μετά τη φόρτιση. 128

149 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Συμπεριφορά Δοκιμίου II3c Το δοκίμια II3c περισφίχθηκε με ύφασμα ινών άνθρακα εμποτισμένων με εποξειδική ρητίνη δύο στρώσεων, χωρίς τη χρήση αγκυρίων. Εικόνα 6.3: Δοκίμιο ΙΙ3c πριν τη φόρτιση. Η θραύση του μανδύα σημειώθηκε στις δύο αντικριστές ακμές του δοκιμίου (περιοχή συγκέντρωσης τάσεων). Η θραύση αυτή, ξεκινάει από μια άκρη και καταλήγει στην αντικριστή λόγω έλλειψης αγκυρίων. Η διόγκωση του μανδύα εμφανίζεται στη μέση της μεγάλης πλευράς, όσο μάλιστα πλησιάζουμε στην περιοχή θραύσης του μανδύα, γίνεται πιο αισθητή. Οι διογκώσεις αυτές προέρχονταν από τη σταδιακή ενεργοποίηση του μανδύα, λόγω της εκτεταμένης ρηγμάτωσης του πυρήνα του σκυροδέματος. Παρατηρείται, ότι στα σημεία αποκόλλησης ο μανδύας δέσμευσε με την αποκόλλησή του τμήματα αδρανών σκυροδέματος, επομένως η συνεργασία μανδύα σκυροδέματος ήταν επιτυχής. 129

150 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εικόνα 6.4: Διογκωμένο δοκίμιο ΙΙ3c μετά τη φόρτιση. Εικόνα 6.5: Θραύση μανδύα. 130

151 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Αποτελέσματα δοκιμίου ΙΙ3c Τα αποτελέσματα της θλίψης του δοκιμίου ΙΙ3c, παρουσιάζονται στον Πίνακα 6.2: Μέγιστο Φορτίο Τάση Οριακή παραμόρφωση Δοκίμιο (kn) (MPa) (%) II3c 1752,40 25,99 1,59 Πίνακας 6.2: Αποτελέσματα δοκιμίου ΙΙ3c. Σχήμα 6.2: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου II3c. Η καμπύλη τάσης παραμόρφωσης είναι περίπου διγραμμική. Η αλλαγή κλίσης σηματοδοτεί την εξάντληση της θλιπτικής αντοχής του πυρήνα σκυροδέματος και την έναρξη της λειτουργίας του μανδύα σύνθετων υλικών. Η καμπύλη χαρακτηρίζεται από έναν ανιόντα κλάδο με γραμμική συμπεριφορά μέχρι περίπου το 0.3% της παραμόρφωσης. Τελικώς, η οριακή παραμόρφωση του μανδύα είναι 1.59%, πέραν της τιμής αυτής, εμφανίζεται η τελική πτώση η οποία υποδηλώνει την αστοχία του σκυροδέματος και του μανδύα και την αδυναμία παραλαβής οποιασδήποτε τιμής φορτίου. 131

152 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Συμπεριφορά Δοκιμίου 1AhIII3 Τα δοκίμια 1AhIII3, ανήκουν στη Σειρά 1. Τρία δοκίμια με λόγο πλευρών 3:1, ενισχύθηκαν με τρεις στρώσεις FRP και μία σειρά αγκυρίων. Εικόνα 6.6: Ενισχυμένο δοκίμιο 1AhIII AhIII3a Στο συγκεκριμένο δοκίμιο η θραύση του μανδύα ξεκινάει από τη μία μικρή πλευρά του (περιοχή συγκέντρωσης μεγαλύτερων τάσεων). Η θραύση αυτή συνεχίζει και στη μεγάλη πλευρά όπου σταματάει περί το μέσο της. Την περαιτέρω εξάπλωσή της, περιορίζει η χρήση αγκυρίων ινών άνθρακα. Τα δύο αγκύρια, τα πρώτα από κάθε σειρά είχαν και τα δύο σπάσει. Η αστοχία του δοκιμίου υπήρξε αρκετά απότομη, εκτινάσσοντας μια ποσότητα θραυσμάτων από το ήδη κονιορτοποιημένο σκυρόδεμα. Εικόνα 6.7: Θραύση μανδύα στο δοκίμιο 1AhIII3a. 132

153 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Μετά τη φόρτιση του δοκιμίου, έντονη διόγκωση παρατηρήθηκε στο μέσο της μίας μεγάλης πλευράς. Η διόγκωση μάλιστα αυτή οδήγησε και σε θραύση του μανδύα. Στην πλευρά αυτή παρατηρήθηκε ότι δύο αγκύρια έσπασαν. Τα δύο αγκύρια αυτά είναι το τρίτο και το τέταρτο αγκύριο της σειράς, από το πάνω σημείο θραύσης του μανδύα. Στην απέναντι μεγάλη πλευρά του δοκιμίου παρατηρείται πάλι στη μέση της πλευράς του (περιοχή τοποθέτησης αγκυρίων) μια διόγκωση, μικρότερη όμως από την πίσω πλευρά, η οποία συνοδεύεται από μια εξίσου μικρή θραύση του μανδύα. Η μικρή αυτή θραύση του μανδύα οφείλεται στη θραύση του αγκυρίου στη συγκεκριμένη θέση. Εικόνα 6.8: Δοκίμιο 1AhIII3a μετά τη φόρτιση. Εικόνα 6.9: Σημεία θραύσης αγκυρίων στο δοκίμιο 1AhIII3a. 133

154 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Προκειμένου να διαπιστωθεί αν όντως έχουν σπάσει τα αγκύρια, στα σημεία αυτά, με κατάλληλο τροχό, αφαιρέθηκε ο μανδύας σύνθετων υλικών και αποκαλύφθηκε το δοκίμιο. Παρατηρήθηκε λοιπόν στα σημεία εκείνα ότι όχι μόνο είχε επέλθει θραύση των αγκυρίων, αλλά και λυγισμός των διαμήκων οπλισμών. Εικόνα 6.10: Λυγισμός διαμήκους οπλισμού στο δοκίμιο 1AhIII3a. Αποτελέσματα δοκιμίου 1AhIII3a Σχήμα 6.3: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου 1AhIII3a. Τα αποτελέσματα της θλίψης του δοκιμίου 1AhIII3a, παρουσιάζονται στον Πίνακα 6.3. Μέγιστο Φορτίο Τάση Οριακή παραμόρφωση Δοκίμιο (kn) (MPa) (%) 1AhIII3a 2114,20 31,36 4,21 Πίνακας 6.3: Αποτελέσματα δοκιμίου 1AhIII3a. 134

155 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Η καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων όπως φαίνεται στο Σχήμα 6.3, είναι περίπου διγραμμική. Με την αύξηση του αριθμού των στρώσεων και την τοποθέτηση αγκυρίων, η οριακή παραμόρφωση του μανδύα αυξάνει στην τιμή του 4.21%. Όπως φαίνεται στην καμπύλη, παρατηρούνται τρείς βασικές απότομες πτώσεις, οι οποίες οφείλονται στην αστοχία των αγκυρίων. Πέραν των πτώσεων στην καμπύλη, η αστοχία των αγκυρίων γίνεται αντιληπτή κατά τη διάρκεια του πειράματος, καθώς συνοδεύονται από δυνατό κρότο και τοπικό φούσκωμα του μανδύα. Η τελική πτώση, υποδηλώνει την αστοχία του σκυροδέματος και του μανδύα AhIII3b Μετά τη φόρτιση του δοκιμίου, επήλθε θραύση όμοια με το δοκίμιο 1AhIII3a, η οποία ξεκινάει από τη μικρή πλευρά (μεγαλύτερη συγκέντρωση τάσεων). Η θραύση αυτή συνεχίζει στη μια μεγάλη πλευρά του δοκιμίου και φτάνει ως τη μέση της. Εικόνα 6.11: Θραύση του μανδύα στο δοκίμιο 1AhIII3b. Στη πλευρά αυτή, παρατηρείται επίσης και θραύση του πρώτου αγκυρίου. Από την άλλη όμως πλευρά, η θραύση του μανδύα δε συνεχίστηκε ως την περιοχή του αγκυρίου, με αποτέλεσμα το πρώτο αγκύριο να μην έχει σπάσει. Ακόμα και οι διογκώσεις είναι πολύ μικρές καθ όλο το ύψος του δοκιμίου. 135

156 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εικόνα 6.12: Δοκίμιο 1AhIII3a μετά τη φόρτιση. Εικόνα 6.13: Θραύση αγκυρίων δοκιμίου 1AhIII3b. 136

157 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Αποτελέσματα δοκιμίου 1AhIII3b Τα αποτελέσματα της θλίψης του δοκιμίου 1AhIII3b, παρουσιάζονται στον Πίνακα 6.4. Δοκίμιο Μέγιστο Φορτίο (kn) Τάση (MPa) Οριακή παραμόρφωση (%) 1AhIII3b 1881,30 27,90 2,98 Πίνακας 6.4: Αποτελέσματα δοκιμίου 1AhIII3b. Σχήμα 6.4: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου 1AhIII3b. Η καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων του Σχήματος 6.4, είναι περίπου διγραμμική. Η οριακή παραμόρφωση του μανδύα φτάνει στην τιμή του 2.98%. Όπως φαίνεται στην καμπύλη, εμφανίζεται μια απότομη πτώση, η οποία οφείλεται στην αστοχία του αγκυρίου. Πέραν της πτώσης αυτής, το πλατό της καμπύλης τάσης παραμόρφωσης του δοκιμίου είναι γενικώς ομαλό μόνο η τελική πτώση, η οποία υποδηλώνει και την αστοχία του σκυροδέματος και του μανδύα AhIII3c Μετά τη φόρτιση του δοκιμίου, παρατηρείται ότι η αστοχία ξεκίνησε στο μέσο της μεγάλης πλευράς του δοκιμίου, στο σημείο του πρώτου αγκυρίου. Η θραύση αυτή, 137

158 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ επήλθε λόγω θραύσης του αγκυρίου αυτού. Η θραύση συνεχίστηκε ως τη μικρή πλευρά του δοκιμίου, αλλά δε συνεχίστηκε στην απέναντι μεγάλη πλευρά. Παραπάνω θραύση του μανδύα σε κάποιο άλλο σημείο του δοκιμίου δε παρατηρήθηκε. Εικόνα 6.14: Δοκίμιο 1AhIII3 c μετά τη φόρτιση. Εικόνα 6.15: Δοκίμιο 1AhIII3 c μετά τη φόρτιση. 138

159 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Στη μεγάλη πλευρά όπου εμφανίστηκε η θραύση του μανδύα, δε παρατηρήθηκαν άλλες διογκώσεις. Στην αντικριστή πλευρά όμως, μικρές διογκώσεις έλαβαν χώρα, καθώς και τη θραύση ενός αγκυρίου. Εικόνα 6.16: Θραύση αγκυρίων δοκιμίου 1AhIII3c. Αποτελέσματα δοκιμίου 1AhIII3c Σχήμα 6.5: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου 1AhIII3c. 139

160 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Τα αποτελέσματα της θλίψης του δοκιμίου 1AhIII3c, παρουσιάζονται στον Πίνακα 6.5. Μέγιστο Φορτίο Τάση Οριακή παραμόρφωση Δοκίμιο (kn) (MPa) (%) 1AhIII3c 2135,90 31,68 1,98 Πίνακας 6.5: Αποτελέσματα δοκιμίου 1AhIII3c. Η καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων όπως παρατηρείται στο Σχήμα 6.5, είναι περίπου διγραμμική. Η οριακή παραμόρφωση του μανδύα φτάνει στην τιμή του 1.98%. Όπως φαίνεται στην καμπύλη, εμφανίζεται μια απότομη πτώση, η οποία οφείλεται στην αστοχία του αγκυρίου. Λίγο πριν την απότομη τελική πτώση που υποδηλώνει την αστοχία του σκυροδέματος, εμφανίζεται ακόμα μια μικρότερη πτώση, η οποία αναφέρεται στην αστοχία του δεύτερου αγκυρίου. Στο Σχήμα 6.6, απεικονίζονται συγκεντρωτικά οι καμπύλες τάσεις παραμόρφωσης για όλα τα ενισχυμένα δοκίμια της Σειράς 1 καθώς και για το δοκίμιο ελέγχου control C3. Σχήμα 6.6: Συγκριτικό διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης όλων των δοκιμίων της Σειράς

161 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Σε αυτό το συγκριτικό διάγραμμα παρατηρείται η ευνοϊκή επίδραση της ενίσχυσης για τα δοκίμια της Σειράς 1, σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου. Όλα τα ενισχυμένα δοκίμια εμφανίζουν μεγάλη αύξηση τόσο της θλιπτικής αντοχής όσο και της οριακής παραμόρφωσης συγκριτικά με το δοκίμιο ελέγχου. Την καλύτερη συμπεριφορά την εμφανίζει το δοκίμιο 1AhIII3a καθώς παρουσιάζει τη μέγιστη αντοχή και τη μέγιστη οριακή παραμόρφωση. Γενικότερα όλα τα δοκίμια 1AhIII3 έχουν μεγαλύτερη αντοχή και οριακή παραμόρφωση από το δοκίμιο ΙΙ3c. Γεγονός που αποδεικνύει ότι τόσο η αύξηση των στρώσεων όσο και η τοποθέτηση αγκυρίων αυξάνει την αντοχή και την παραμόρφωση αστοχίας. Παρατηρείται επίσης, ότι η κλίση της καμπύλης τάσης παραμόρφωσης για τα ενισχυμένα δοκίμια της Σειράς 1 είναι ίδια, αφού όλα τα δοκίμια ενισχύθηκαν με το ίδιο υλικό CFRP Τ_IV3 Το δοκίμιο Τ_IV3, που ανήκει στη Σειρά 1, ενισχύθηκε με τέσσερις στρώσεις πλέγματος συνεχών ινών άνθρακα εμποτισμένων με κονίαμα ανόργανης μήτρας. Εικόνα 6.17: Ενισχυμένο δοκίμιο Τ_ΙV3. Το ενισχυμένο δοκίμιο με ανόργανη μήτρα, μόλις τοποθετήθηκε στη μηχανή θλίψης, παρατηρήθηκε ότι είχε μικρές τριχοειδείς ρωγμές, οι οποίες οφείλονταν σε συστολή ξήρανσης. Με τη φόρτιση του δοκιμίου, η πρώτη ρωγμή παρατηρήθηκε κατακόρυφα στη μεγάλη πλευρά, πολύ κοντά στη μικρή. Με την αύξηση του φορτίου, η ρωγμή επεκτάθηκε σε διεύθυνση παράλληλη στο ύψος, στο εσωτερικό του δοκιμίου. Στη 141

162 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ συνέχεια, παρατηρηθήκαν νέες ρωγμές, όχι μόνο στις παράπλευρες επιφάνειες του δοκιμίου, αλλά και στις ακμές του. Οι μεγαλύτερες ρωγμές είχαν επικεντρωθεί στη βάση των ακμών του δοκιμίου όπου και παρουσιάστηκε τελικώς η αστοχία του κονιάματος. Η αστοχία αυτή συνοδεύεται από την αποτίναξη του κονιάματος, από το μανδύα και την πλήρη ενεργοποίηση των ινών σε εφελκυσμό. Σε όλη την περίμετρο των ακμών του δοκιμίου που ήταν σε επαφή με τις πλάκες φόρτισης, εμφανίστηκαν φαινόμενα τοπικού λυγισμού του μανδύα, δείχνοντας πως ο μανδύας λειτουργούσε μόνο σε θλίψη χωρίς να μεταβιβάζει φορτία στην εγκάρσια διεύθυνση, τα οποία ξεκίνησαν από τις καμπυλωμένες γωνίες, όπου υπήρχε μεγαλύτερη συγκέντρωση τάσεων. Η κάμψη προς τα έξω του μανδύα, είχε σαν αποτέλεσμα να επεκταθεί η ρηγμάτωση του κονιάματος, έως ότου να εκτιναχθεί. Η μεγαλύτερη διόγκωση εμφανίζεται ανάμεσα στους δύο πρώτους συνδετήρες που είναι μια πολύ ασθενής περιοχή. Όταν η καμπυλότητα των διογκώσεων μεγάλωνε, η ανόργανη μήτρα ξεπέρασε την εφελκυστική της αντοχή και αστοχούσε. Στην εικόνα 6.19, φαίνεται η αποκόλληση των κλώνων του πλέγματος της ανόργανης μήτρας στην ακμή του δοκιμίου. Με την αύξηση του φορτίου, αυξανόταν η διόγκωση της ανόργανης μήτρας τόσο στις πλευρικές πλευρές, όσο και στις γωνιακές και οδηγούσε σε εκτεταμένο δίκτυο ρωγμών με τοπικές αποκολλήσεις κονιάματος. Τελικώς, επήλθε ομαλή η αστοχία του δοκιμίου, με τη σταδιακή ολίσθηση των ινών στις υπερκαταπονούμενες περιοχές της ακμής. Η αστοχία της ανόργανης μήτρας δε ήταν απότομη και ψαθυρή αλλά αρκετά πλάστιμη, καθώς η ενέργεια παραμόρφωσης από νωρίς κατανεμήθηκε σε μεγάλο αριθμό μικρών ρωγμών, αυξάνοντας έτσι την παραμορφωσιμότητα του δοκιμίου. Εικόνα 6.18: Δοκίμιο Τ_ΙV3 μετά τη θραύση. 142

163 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εικόνα 6.19: Ορατές διογκώσεις στις ακμές του δοκιμίου Τ_ΙV3. Αποφλοίωση του κονιάματος στην ακμή και αποκάλυψη της πλήρους ενεργοποίησης των ινών. Εικόνα 6.20: Αστοχία ανόργανης μήτρας δοκιμίου Τ_IV3. Αποτελέσματα δοκιμίου Τ_IV3 Η καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων του δοκιμίου T_IV3, μπορεί να διαχωριστεί σε τρία στάδια. Το πρώτο στάδιο, απεικονίζεται από έναν γραμμικό ανιόντα κλάδο και βρίσκεται μεταξύ του σημείου έναρξης και της θλιπτικής καταπόνησης και του σημείου της πρώτης ρηγμάτωσης (ε=0.064%). Το δεύτερο στάδιο διαχωρίζεται μέσω μιας ομαλής καμπύλης από το πρώτο, με έναν ανιόντα κλάδο με μικρότερη κλίση μέχρι το σημείο της μέγιστης τάσης του δοκιμίου (ε=0.39%). Σε αυτό το μεταβατικό στάδιο, η αύξηση του φορτίου είναι της τάξης 47% και η αύξηση των 143

164 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ παραμορφώσεων αντοχής είναι 395%. Το τρίτο στάδιο, ξεκινάει με μια απότομη και μικρή πτώση του φορτίου την οποία διαδέχεται η καθολική αστοχία του δοκιμίου, η οποία θεωρείται ότι συμβαίνει στο σημείο εκείνο του κατιόντος κλάδου του οποίου η τάση αντιστοιχεί στο 80% της μέγιστης τάσης, δηλαδή: f ccu = 0.8*f cc f ccu = MPa. Στο στάδιο αυτό λαμβάνει χώρα μια ανακατανομή των τάσεων στο σύστημα ενίσχυσης λόγω της φύσης του τσιμεντοειδούς κονιάματος και του είδους της συνάφειας που αναπτύσσεται μεταξύ πλέγματος και ανόργανης μήτρας, με αποτέλεσμα το δοκίμιο να παρουσιάζει μια πλάστιμη συμπεριφορά. Σχήμα 6.7: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου Τ_VI3. Μέγιστο Φορτίο Τάση Οριακή παραμόρφωση Δοκίμιο (kn) (MPa) (%) T_IV3 1575,70 23,36 0,99 Πίνακας 6.6: Αποτελέσματα δοκιμίου T_IV3. Η απότομη πτώση του κλάδου στο τρίτο στάδιο, οφείλεται στη θραύση μεγάλου μέρους ινών στη βάση του δοκιμίου λόγω της διόγκωσης του κονιάματος στην περιοχή αυτή. 144

165 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Τ_1AhIV3 Το δοκίμιο Τ_1ΑhIV3, που ανήκει στη Σειρά 1, ενισχύθηκε με τέσσερις στρώσεις πλέγματος συνεχών ινών άνθρακα εμποτισμένων με κονίαμα ανόργανης μήτρας και μια σειρά αγκυρίων. Εικόνα 6.21: Ενισχυμένο δοκίμιο Τ_1AhΙV3. Εικόνα 6.22: Δοκίμιο Τ_1AhΙV3 μετά τη δοκιμή θλίψης. Οι πρώτες ρωγμές, ήταν κατακόρυφες και εμφανίστηκαν κοντά στις ακμές του δοκιμίου, όπου υπήρχε μεγαλύτερη συγκέντρωση τάσεων. Καθώς αυξανόταν το φορτίο, οι ρωγμές αυξάνονταν και σε πλήθος και σε μέγεθος. Οι περισσότερες λάμβαναν χώρα κοντά στην πλάκα έδρασης του δοκιμίου. Μαζί με τις πρώτες ρωγμές, εμφανίστηκαν και οι πρώτες αποκολλήσεις μερικών ινών του θυσάνου του αγκυρίου από την ανόργανη μήτρα. Καθώς αυξανόταν το φορτίο, μεγαλύτερο μέρος των ινών του θυσάνου αποκολλούνταν ώσπου τελικώς τα δύο πρώτα από τα έξι από 145

166 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ τη μια πλευρά έσπασαν. Η πλευρική παραμόρφωση του δοκιμίου κοντά στο μέσο, επέφερε την διόγκωση της ανόργανης μήτρας, την αποφλοίωσή της και την εμφάνιση μερικών ινών. Στην πλευρά που έσπασαν τα δύο αγκύρια, μετά τη δοκιμή, παρατηρήθηκε ότι μέρος της ανόργανης μήτρας αποκολλήθηκε από την πλευρά του δοκιμίου, παρασέρνοντας μαζί της και μέρος σκυροδέματος. Το δοκίμιο ανοίχθηκε και παρατηρήθηκε πως ο ενδιάμεσος διαμήκης οπλισμός, λύγισε προς τα έξω. Απόρροια αυτού ήταν ο μικρός λυγισμός του πρώτου συνδετήρα ανάμεσα στην περιοχή που έσπασαν τα δύο αγκύρια. Εικόνα 6.23: Διόγκωση και αποκόλληση της ανόργανης μήτρας. Είναι εμφανές ότι οι μεγαλύτερες και περισσότερες ρωγμές καθώς επίσης και η αποφλοίωση της ανόργανης μήτρας, εμφανίζονται κοντά στα άκρα του δοκιμίου όπου υπάρχει και η μεγαλύτερη συγκέντρωση τάσεων. Αποτελέσματα δοκιμίου Τ_1AhIV3 Μέγιστο Φορτίο Τάση Οριακή παραμόρφωση Δοκίμιο (kn) (MPa) (%) T_1AhIV3 1311,00 19,54 1,67 Πίνακας 6.7: Αποτελέσματα δοκιμίου T_IV3. Η καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων είναι κατά κάποιο τρόπο «τριγραμμική». Αποτελείται από έναν ανιόντα κλάδο με γραμμική συμπεριφορά, μέχρι παραμόρφωση % που αντιστοιχεί στη παραμόρφωση του απερίσφιγκτου δοκιμίου και είναι το σημείο της πρώτης ρηγμάτωσης. Ακολουθεί, ένας αύξοντας, γραμμικός κλάδος μικρότερης κλίσης από τον προηγούμενο, μέχρι τη μέγιστη αντοχή (ε=0.58%). Σε αυτό το διάστημα παραμορφώσεων, το σκυρόδεμα έχει εξαντλήσει τη παραμόρφωση αστοχίας του και η αύξηση του φορτίου είναι 179%. Το τρίτο στάδιο παρεμβάλλεται μεταξύ αντοχής του δοκιμίου και αστοχίας του. Το σημείο αστοχίας του ορίστηκε ως το 80% της μέγιστης τιμής της τάσης, f ccu = 0.8*f cc. Στο στάδιο αυτό, συνέβαινε 146

167 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ σταδιακή αστοχία των ινών του μανδύα, συνοδευόμενη από μικρή σταδιακή πτώση του φορτίου και όχι απότομη διάρρηξη, όπως στην περίπτωση των δοκιμίων ενισχυμένων με ίνες άνθρακα εμποτισμένες σε εποξειδική ρητίνη. Ο μανδύας συνεχίζει να λειτουργεί, με αποτέλεσμα το δοκίμιο να αναλαμβάνει επιπλέον φορτίο και να παρουσιάζει μια ψευδοπλάστιμη συμπεριφορά μέχρι την καθολική θραύση. Σχήμα 6.8: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου Τ_1ΑhVI ΣΕΙΡΑ 2 Η σειρά 2, περιελάμβανε 9 δοκίμια με λόγο πλευρών 4:1. Το πρώτο δοκίμιο ενισχύθηκε με δύο στρώσεις υφασμάτων ινών άνθρακα CFRP και χωρίς τη χρήση αγκυρίων. Τα επόμενα τρία δοκίμια ενισχύθηκαν με τρείς στρώσεις υφασμάτων ινών άνθρακα και τοποθετήθηκαν ακόμα και δύο σειρές αγκυρίων. Τα άλλα δύο ενισχύθηκαν με δύο στρώσεις υφάσματος και επιπροσθέτως τοποθετήθηκαν δύο στρώσεις υφάσματος μορφής U, στις δύο μικρές πλευρές (περιοχές συγκέντρωσης τάσεων) καθώς επίσης και δύο σειρές αγκυρίων. Τα επόμενα δύο δοκίμια ενισχύθηκαν με ίνες ανόργανης μήτρας (ΙΑΜ), το ένα ενισχύθηκε με τέσσερις στρώσεις υφάσματος και χωρίς τη χρήση αγκυρίων, ενώ το άλλο περιτυλίχθηκε με τέσσερις στρώσεις και δύο σειρές αγκυρίων. 147

168 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Συμπεριφορά Δοκιμίου Ελέγχου Η παρουσίαση των αποτελεσμάτων των πειραματικών δοκιμών της Σειράς 2 ξεκινάει με το δοκίμιο ελέγχου C4. Το δοκίμιο C4 είναι απερίσφιγκτο με αντοχή σκυροδέματος C12/15 και μελετήθηκε προκειμένου να είναι το μέτρο σύγκρισης για όλα τα περισφιγμένα δοκίμια. Εικόνα 6.24: Δοκίμιο ελέγχου C4 μετά τη φόρτιση. Εικόνα 6.25: Εμφάνιση ρωγμών δοκιμίου ελέγχου C4 μετά τη φόρτιση. Δοκίμιο Μέγιστο Τάση Οριακή παραμόρφωση Φορτίο (kn) (MPa) (%) C'4 1618,9 18 0,46 Πίνακας 6.8: Αποτελέσματα δοκιμίου C'4. Όπως και το δοκίμιο C3, κατά τη διάρκεια της φόρτισης, οι πρώτες ρωγμές εμφανίστηκαν στις ακμές του, με διεύθυνση παράλληλα στη φόρτισή του. Όσο αυξανόταν το φορτίο, τόσο αυξανόταν και το πλήθος των ρωγμών και το μέγεθός 148

169 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ τους. Τελικώς εμφανίστηκε μια εγκάρσια διόγκωση από τη μία άκρη ως την άλλη άκρη της μεγάλης πλευράς του δοκιμίου, η οποία ήταν απόρροια του λυγισμού του διαμήκους οπλισμού του. Σχήμα 6.9: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου C'4. Το δοκίμιο ελέγχου C4, παρουσιάζει περίπου τα ίδια χαρακτηριστικά με το δοκίμιο C3, δεδομένου ότι εμφανίζει μικρή πλαστιμότητα και την απότομη αστοχία αμέσως μετά τη μέγιστη αντοχή Συμπεριφορά Δοκιμίου II4c Μετά τη φόρτιση του δοκιμίου, παρατηρήθηκε μια θραύση του μανδύα που ξεκινάει από τη μια μικρή του πλευρά και φτάνει ως και την απέναντι μικρή πλευρά. Η θραύση ξεκινάει κοντά στην περιοχή επιβολής φόρτισης. Μικρές διογκώσεις παρατηρούνται στο δοκίμιο, οι οποίες γίνονται πιο αισθητές κοντά στην περιοχή θραύσης του μανδύα. 149

170 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εικόνα 6.26: Δοκίμιο ΙΙ4c, μετά τη φόρτιση. Εικόνα 6.27: Θραύση μανδύα. 150

171 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Αποτελέσματα δοκιμίου II4c Τα αποτελέσματα της θλίψης του δοκιμίου II4c, παρουσιάζονται στον Πίνακα 6.9. Μέγιστο Φορτίο Τάση Οριακή παραμόρφωση Δοκίμιο (kn) (MPa) (%) II4c 1910,4 21,25 2,09 Πίνακας 6.9: Αποτελέσματα δοκιμίου II4c. Η καμπύλη τάσης παραμόρφωσης του δοκιμίου II4c, είναι σχεδόν διγραμμική (Σχήμα 6.10). Στο ανώτατο σημείο του γραμμικού κλάδου ξεκινάει η ενεργοποίηση του μανδύα. Σχήμα 6.10: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου II4c. 151

172 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Συμπεριφορά Δοκιμίου 2AhIII4 Τα δοκίμια αυτά ενισχύθηκαν με τρείς στρώσεις υφάσματος CFRP και δύο σειρές αγκυρίων. Εικόνα 6.28: Δοκίμιο 2AhIII AhIII4a Η θραύση του μανδύα επέρχεται στην άκρη του δοκιμίου, στη γωνία του και συνεχίζει σε όλη τη μικρή του πλευρά. Ενώ στη μεγάλη πλευρά συνεχίζει πριν τη πρώτη σειρά αγκυρίων. Στη μια μεγάλη πλευρά κανένα αγκύριο δε σπάει, ενώ στην αντικριστή μεγάλη πλευρά σπάει ένα αγκύριο. Εικόνα 6.29: Θραύση μανδύα, δοκιμίου 2AhIII4a. 152

173 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εικόνα 6.30: Δοκίμιο 2AhIII4a μετά τη φόρτιση. Εικόνα 6.31: Θραύση αγκυρίων δοκιμίου 2AhIII4a. Αποτελέσματα δοκιμίου 2AhIII4a Τα αποτελέσματα της θλίψης του δοκιμίου 2AhIII4a, παρουσιάζονται στον Πίνακα Μέγιστο Φορτίο Τάση Οριακή παραμόρφωση Δοκίμιο (kn) (MPa) (%) 2AhIII4a 2708,30 30,12 1,27 Πίνακας 6.10: Αποτελέσματα δοκιμίου 2AhIII4a. 153

174 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Παρατηρώντας το διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων (Σχήμα 6.11), φαίνεται πως η οριακή παραμόρφωση του δοκιμίου είναι 1.27% δηλαδή παρουσιάζει αύξηση σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου της τάξης του 276%. Αύξηση εμφανίζει και η θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος, 167.9% σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου. Η θέση θραύσης του αγκυρίου, βρίσκεται στον κατιόντα κλάδο, όπου ξεκινάει και η απότομη πτώση του φορτίου. Σχήμα 6.11: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου 2AhIII4a AhIII4b Εκρηκτική θραύση του μανδύα παρατηρείται στο άκρο του δοκιμίου. Η θραύση ξεκινάει από την άκρη της μικρής πλευράς του δοκιμίου και επεκτείνεται έως και πριν τη πρώτη σειρά αγκυρίων και της δύο μεγάλες πλευρές. Στη μία μεγάλη πλευρά μετά τη φόρτιση δεν έχουν πραγματοποιηθεί διογκώσεις του μανδύα σε κανένα σημείο. Σε αντίθεση με την αντικριστή μεγάλη πλευρά, όπου κοντά στη θραύση του μανδύα παρατηρείται μια μεγάλη διόγκωση του μανδύα, που οφείλεται στη θραύση της αγκυρίου. 154

175 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Αποτελέσματα δοκιμίου 2AhIII4b Τα αποτελέσματα της θλίψης του δοκιμίου 2AhIII4b, παρουσιάζονται στον Πίνακα Μέγιστο Φορτίο Τάση Οριακή παραμόρφωση Δοκίμιο (kn) (Mpa) (%) 2AhIII4b 2410,00 26,80 1,23 Πίνακας 6.11: Αποτελέσματα δοκιμίου 2AhIII4b. Εικόνα 6.32: Θραύση του μανδύα, δοκιμίου 2AhIII4b. Εικόνα 6.33: Δοκίμιο 2AhIII4b μετά τη φόρτιση. Σύμφωνα με το Σχήμα 6.12, η οριακή παραμόρφωση του δοκιμίου είναι 1.23%, δηλαδή 367.4% μεγαλύτερη του δοκιμίου ελέγχου και σχεδόν ίδια με αυτή του δοκιμίου 2AhIII4a. Επίσης, αύξηση της θλιπτικής αντοχής του σκυροδέματος είναι της τάξης του 148.9%. Πολύ αργότερα από την εμφάνιση της οριακής 155

176 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ παραμόρφωσης, λαμβάνει χώρα η εκρηκτική αστοχία των αγκυρίων, όπως φαίνεται και από την παραπάνω καμπύλη. Λίγο αργότερα από την αστοχία των αγκυρίων συμβαίνει και η αστοχία του σκυροδέματος. Εικόνα 6.34: Θραύση αγκυρίων δοκιμίου 2AhIII4b. Σχήμα 6.12: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου 2AhIII4b. 156

177 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ AhIII4c Στο δοκίμιο αυτό, μετά τη φόρτισή του, παρατηρείται μια μόνο θραύση του μανδύα, στην άκρη του δοκιμίου, η οποία ξεκινάει από τη μικρή πλευρά, αλλά δε συνεχίζει στις δύο μεγάλες πλευρές. Στη μια μεγάλη πλευρά, δε παρατηρείται καμία διόγκωσή του μανδύα, ενώ στην αντικριστή λόγω λυγισμού του διαμήκους οπλισμού εμφανίζεται διόγκωση του μανδύα. Παρ όλα αυτά, κανένα αγκύριο σε καμία μεγάλη πλευρά δεν έχει σπάσει. Αποτελέσματα δοκιμίου 2AhIII4c Τα αποτελέσματα της θλίψης του δοκιμίου 2AhIII4c, παρουσιάζονται στον Πίνακα Μέγιστο Φορτίο Τάση Οριακή παραμόρφωση Δοκίμιο (kn) (MPa) (%) 2AhIII4c 2775,60 30,87 1,25 Πίνακας 6.12: Αποτελέσματα δοκιμίου 2AhIII4c. Εικόνα 6.35: Δοκίμιο 2AhIII4c μετά τη φόρτιση. Η θλιπτική αντοχή του δοκιμίου 2AhIII4c καθώς και η οριακή του παραμόρφωση πλησιάζει ακόμα πιο πολύ τις αντίστοιχες τιμές του δοκιμίου 2AhIII4a. Επομένως και 157

178 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ η αύξηση τους σε σχέση με τις αντίστοιχες του δοκιμίου ελέγχου είναι πρακτικά ίδιες. Η μόνη διαφορά του δοκιμίου αυτού με τα άλλα δύο είναι ότι στην προκειμένη περίπτωση δεν εμφανίζεται θραύση κανενός αγκυρίου. Εικόνα 6.36: Τρόχισμα διογκώσεων μανδύα στο δοκίμιο 2AhIII4c. Σχήμα 6.13: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου 2AhIII4c. 158

179 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Συμπεριφορά δοκιμίου 2AhII4U Τα δοκίμια αυτό ενισχύθηκαν με δύο στρώσεις υφάσματος ινών άνθρακα, δύο επιπλέον στρώσεις ινών διαστάσεων 150x770 (τύπου U) που τοποθετείται στις δύο μικρές πλευρές, καθώς και δύο σειρές αγκυρίων. Εικόνα 6.37: Δοκίμιο 2AhII4U AhII4Ua Μετά τη φόρτιση του δοκιμίου, εμφανίζεται θραύση του μανδύα στο μέσο του ύψους της μιας μεγάλης πλευράς. Παρατηρείται ότι τα δύο αγκύρια στην περιοχή που εκτείνεται η θραύση έχουν σπάσει. Επίσης, έντονος τοπικός λυγισμός εμφανίζεται στην περιοχή αυτή. Εικόνα 6.38: Θραύση μανδύα δοκιμίου 2AhII4Ua. 159

180 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Αποτελέσματα δοκιμίου 2AhII4Ua Τα αποτελέσματα της θλίψης του δοκιμίου 2AhII4Ua, παρουσιάζονται στον Πίνακα Μέγιστο Φορτίο Τάση Οριακή παραμόρφωση Δοκίμιο (kn) (MPa) (%) 2AhII4Ua 2457,10 27,33 1,42 Πίνακας 6.13: Αποτελέσματα δοκιμίου 2AhII4Ua. Εικόνα 6.39: Δοκίμιο 2AhII4Ua μετά τη φόρτιση. Εικόνα 6.40: Θραύση αγκυρίων δοκιμίου 2AhII4Ua. 160

181 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Σύμφωνα με το παραπάνω διάγραμμα, υπήρξε σημαντική αύξηση της οριακής παραμόρφωσης (κατά 308,7%) σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου καθώς και της θλιπτικής αντοχής (κατά 151.8%). Η θραύση των αγκυρίων σημειώνεται πολύ αργότερα από την εμφάνιση της οριακής παραμόρφωσης όπως φαίνεται στην παραπάνω καμπύλη. Σχήμα 6.14: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου 2AhII4Ua AhII4Ub Το δοκίμιο αυτό συμπεριφέρεται ακριβώς με τον ίδιο τρόπο της και το 2AhII4Ua. Εμφανίζεται θραύση του μανδύα στο μέσο του ύψους του δοκιμίου και θραύση των δύο αγκυρίων στο σημείο αυτό. Αποτελέσματα δοκιμίου 2AhII4Ub Τα αποτελέσματα της θλίψης του δοκιμίου 2AhII4Ub, παρουσιάζονται στον Πίνακα Μέγιστο Φορτίο Τάση Οριακή παραμόρφωση Δοκίμιο (kn) (MPa) (%) 2AhII4Ub 2631,80 29,27 1,24 Πίνακας 6.14: Αποτελέσματα δοκιμίου 2AhII4Ub. 161

182 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εικόνα 6.41: Θραύση μανδύα δοκιμίου 2AhII4Ub. Εικόνα 6.42: Δοκίμιο 2AhII4Ub μετά τη φόρτιση. Σχήμα 6.15: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου 2AhII4Ub. 162

183 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα των φορτίσεων στα δοκίμια 2AhII4Ua και 2AhII4Ub, παρατηρείται ότι τα αντίστοιχα αποτελέσματα είναι πρακτικά ίδια. Η αύξηση της οριακής παραμόρφωσης και της θλιπτικής αντοχής του δοκιμίου 2AhII4Ub είναι της ίδιας τάξης με του δοκιμίου 2AhII4Ua (269.6% και 162.6% αντίστοιχα). Η αστοχία των αγκυρίων εμφανίζεται εκρηκτικά περί το τέλος της φόρτισης και εμφανίζεται ταυτόχρονα με την αστοχία του σκυροδέματος και του μανδύα. Στο Σχήμα 6.16, απεικονίζονται συγκεντρωτικά οι καμπύλες τάσεις παραμόρφωσης για όλα τα ενισχυμένα δοκίμια της Σειράς 2 καθώς και για το δοκίμιο ελέγχου control C4. Σχήμα 6.16: Συγκριτικό διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης όλων των δοκιμίων της Σειράς 2. Στο Σχήμα 6.16, παρατηρείται η ευνοϊκή επίδραση της περίσφιγξης των δοκιμίων της Σειράς 2 τόσο στην αύξηση της αντοχής όσο και στην αύξηση της πλαστιμότητας. Η ύπαρξη αγκυρίων αυξάνει κατά πολύ την αντοχή των δοκιμίων συγκριτικά με αυτό που δεν έχει αγκύρια. Παρατηρείται επίσης, ότι η κλίση της καμπύλης τάσης παραμόρφωσης για τα ενισχυμένα δοκίμια της Σειράς 2 είναι ίδια, αφού όλα τα δοκίμια ενισχύθηκαν με το ίδιο υλικό CFRP. 163

184 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Τ_IV4 Το δοκίμιο T_IV4, ενισχύθηκε με τέσσερις στρώσεις πλέγματος συνεχών ινών άνθρακα, εμποτισμένων με κονίαμα ανόργανης μήτρας και είχε λόγο πλευρών 4:1. Η πρώτη ρωγμή που εμφανίστηκε ήταν κατακόρυφη, στη μεγάλη πλευρά, κοντά στην καμπυλωμένη γωνία. Με την αύξηση του φορτίου, σε όλη την περίμετρο εμφανίστηκαν ρωγμές σε διεύθυνση παράλληλη με τη διεύθυνση θλίψης του δοκιμίου. Ιδιαίτερα αισθητά φαινόμενα τοπικού λυγισμού του μανδύα, δεν παρουσιάσθηκαν. Στην κορυφή όμως του δοκιμίου, παρουσιάσθηκε μια προς τα έξω κάμψη του μανδύα, ή οποία είχε ως επακόλουθο την εκτεταμένη ρηγμάτωση του κονιάματος έως την τοπική εκτίναξή του όπως φαίνεται στην εικόνα. Η κάμψη του μανδύα προς τα έξω, πιθανόν να οφείλεται σε ασθενή σύνδεση του μανδύα με την ανόργανη μήτρα. Κατά τη διάρκεια της ενίσχυσης, οι ίνες δεν είχαν ίδια τάνυση, καθώς στο μέσο η πίεση που ασκούνταν ήταν μεγαλύτερη σε σχέση με τα άκρα. Όταν η ανόργανη μήτρα ξεπέρασε το όριο της εφελκυστικής της αντοχής, αστόχησε. Η αστοχία επήλθε ομαλά και πλάστιμα. Εικόνα 6.43: Δοκίμιο Τ_IV4. Μετά τη φόρτιση, το δοκίμιο ανοίχθηκε για να διαπιστωθεί αν οι ίνες στο εσωτερικό είχαν κοπεί ή ολισθήσει. Αυτό που παρατηρήθηκε είναι ότι οι ίνες έμειναν ανέγγιχτες σε όλο το ύψος του δοκιμίου. Δε διαπιστώθηκε να υπήρχε κάποιος τοπικός λυγισμός 164

185 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ των οπλισμών. Εντούτοις, στο σημείο που εκτινάχθηκε ο μανδύας, το κονίαμα του μανδύα αποκολλήθηκε, με κομμάτια σκυροδέματος πάνω στην επιφάνεια του. Εικόνα 6.14: Δοκίμιο Τ_IV4, μετά τη φόρτιση. Εικόνα 6.45: Τοπική εκτίναξη μανδύα στην κορυφή του δοκιμίου. Αποτελέσματα δοκιμίου Τ_IV4 Τα αποτελέσματα της θλίψης του δοκιμίου Τ_IV4, παρουσιάζονται στον Πίνακα Μέγιστο Φορτίο Τάση Οριακή παραμόρφωση Δοκίμιο (kn) (MPa) (%) Τ_IV4 1734,9 19,29 0,52 Πίνακας 6.15: Αποτελέσματα δοκιμίου Τ_IV4. 165

186 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εικόνα 6.46: Δοκίμιο Τ_IV4, μετά τη φόρτιση. Εικόνα 6.47: Δοκίμιο Τ_IV4, μετά τη φόρτιση. Σχήμα 6.17: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου Τ_IV4. 166

187 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Η καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων, αποτελείται από έναν ανιόντα, γραμμικό κλάδο που καταλήγει στην πρώτη μέγιστη τιμή της τάσης, με παραμόρφωση 0,032%, η οποία αντιπροσωπεύει την παραμόρφωση του απερίσφιγκτου δοκιμίου. Έπειτα, ενεργοποιούνται οι ίνες του μανδύα και αντιστέκονται στην καταπόνηση του δοκιμίου. Αντιπροσωπεύεται με έναν αύξοντα, γραμμικό κλάδο, μικρής κλίσης που φτάνει ως την αντοχή του περισφιγμένου δοκιμίου (με παραμόρφωση ε co = 0.34%). Στο διάστημα παραμορφώσεων 0,032% - 0,34%, το σκυρόδεμα εξαντλεί τη παραμόρφωση αστοχίας του και η εγκάρσια παραμόρφωση του δοκιμίου αυξάνεται μέχρι τη μέγιστη δυνατή ενεργοποίηση των ινών του μανδύα. Τέλος, ακολουθεί ένας κατιόντας κλάδος που πέφτει ομαλά. Το σημείο θραύσης των ινών του μανδύα είναι ε cu = 0.52% Τ_2ΑhIV4 Το δοκίμιο T_2ΑhIV4, ενισχύθηκε με τέσσερις στρώσεις πλέγματος συνεχών ινών άνθρακα καθώς και δύο σειρές αγκυρίων, εμποτισμένων με κονίαμα ανόργανης μήτρας και είχε λόγο πλευρών 4:1. Η πρώτη ρωγμή στο κονίαμα, εμφανίστηκε σε μια από τις μικρές πλευρές του δοκιμίου με διεύθυνση παράλληλη στη διεύθυνση θλίψης του δοκιμίου. Καθώς αυξανόταν το φορτίο, σχηματίζονταν τοπικές ρηγματώσεις στις ακμές του δοκιμίου στην κορυφή και τη βάση του. Τις ρηγματώσεις διαδέχτηκαν το σπάσιμο των ινών δέκα από τους εικοσιτέσσερις θυσάνους, κανένα όμως αγκύριο δεν έσπασε εντελώς. Με την περαιτέρω αύξηση του φορτίου, όλες οι ρηγματωμένες επιφάνειες του δοκιμίου υπέστησαν τοπικές διογκώσεις και αποκολλήσεις του κονιάματος. Εικόνα 6.48: Δοκίμιο T_2AhIV4. 167

188 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Οι περισσότερες ρηγματώσεις εμφανίστηκαν κοντά στις καμπύλες επιφάνειες και στις μικρές πλευρές. Τελικώς, η αστοχία του δοκιμίου, επήλθε ομαλά λόγω της φύσης της ανόργανης μήτρας. Εικόνα 6.49: Δοκίμιο T_2AhIV4 μετά τη φόρτιση. Εικόνα 6.50: Δοκίμιο T_2AhIV4 μετά τη φόρτιση. 168

189 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Αποτελέσματα δοκιμίου Τ_2AhIV4 Τα αποτελέσματα της θλίψης του δοκιμίου Τ_2AhIV4, παρουσιάζονται στον Πίνακα Μέγιστο Φορτίο Τάση Οριακή παραμόρφωση Δοκίμιο (kn) (MPa) (%) Τ_2AhIV4 2091,54 23,26 1,05 Πίνακας 6.16: Αποτελέσματα δοκιμίου Τ_2AhIV4. Η καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων του δοκιμίου Τ_2ΑIV4 (Σχήμα 6.18), αποτελείται από τρία στάδια. Το πρώτο στάδιο βρίσκεται μεταξύ του σημείου έναρξης της θλίψης του δοκιμίου και του σημείου της πρώτης ρηγμάτωσης, που αντιστοιχεί σε παραμόρφωση όμοια με απερίσφιγκτου δοκιμίου (ε = 0,07327%). Το δοκίμιο μεταβαίνει στο δεύτερο στάδιο με έναν ανιόντα κλάδο μικρότερης κλίσης από το προηγούμενο, μέχρι τη μέγιστη αντοχή (ε co = 0,56%). Σε αυτό το διάστημα παραμορφώσεων, το σκυρόδεμα έχει εξαντλήσει την παραμόρφωση αστοχίας του. Το σημείο αντοχής του δοκιμίου, διαδέχεται το τρίτο στάδιο, έως και το σημείο 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, f ccu = 0.8*f cc. Σχήμα 6.18: Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίου Τ_2ΑIV4. 169

190 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΩΝ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΩΝ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 7.1 ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ Η περίσφιγξη με μανδύες FRP είναι πιο αποδοτική σε κυκλικά παρά σε τετραγωνικά ή ορθογωνικά υποστυλώματα, καθώς στα τελευταία η δράση της περίσφιγξης είναι κυρίως συγκεντρωμένη στις γωνίες. Στα κυκλικά υποστυλώματα, οι δυνάμεις περίσφιγξης ασκούνται από τους μανδύες στο σκυρόδεμα, μέσω του συνόλου της περιμέτρου τους, δηλαδή συνεχώς. Αντίθετα, στα ορθογωνικά υποστυλώματα, οι μανδύες FRP, ασκούν στο σκυρόδεμα εγκάρσιες δυνάμεις μόνο στις γωνίες τους. Έχει επικρατήσει ότι οι δυνάμεις διαχέονται στο εσωτερικό του σκυροδέματος αρχικά υπό γωνία ±45 ο ως προς το επίπεδο του μανδύα. Στην περίπτωση που υπάρχουν αγκύρια οι δυνάμεις εν συνεχεία διαχέονται στο εσωτερικό παραβολικών τόξων που εκτείνονται κατά τη διεύθυνση του άξονα του μέλους του υποστυλώματος μεταξύ των διαδοχικών αγκυρίων, με εφαπτόμενη που σχηματίζει γωνία 45 ο ως προς τα επίπεδα των αγκυρίων. Εικόνα 7.1: Ενίσχυση υποστυλωμάτων κυκλικής διατομής, έναντι υποστυλωμάτων ορθογωνικής διατομής. Μόνο το σκυρόδεμα που βρίσκεται προς το 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 170

191 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΩΝ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ την εξωτερική επιφάνεια, δε θεωρείται περισφιγμένο. Η κορυφή δε του κάθε παραβολικού τόξου απέχει από τη μέση γραμμή του περιμετρικού μανδύα απόσταση ίση με 0,5*(b i /2)*tanφ=b i /4. Η βελτίωση της αντοχής μπορεί να επιτευχθεί εξομαλύνοντας τις γωνίες στις ορθογωνικές διατομές. Επομένως, στα ορθογωνικά υποστυλώματα η περίσφιγξη ασκείται μέσω των τεσσάρων γωνιών της διατομής, οι οποίες διαμορφώνονται σε τεταρτοκύκλια ακτίνας R, εν μέρει για προσαύξηση της περισφιγμένης περιοχής και εν μέρει για λόγους προστασίας του ψαθυρού ινοπλισμένου πολυμερούς από υψηλές τοπικές παραμορφώσεις (υπενθυμίζεται ότι η κάμψη του φύλλου του FRP σε ακτίνα R εισάγει σ αυτό πρόσθετη εφελκυστική μήκυνση ε=t/2*r, όπου t το πάχος του φύλλου του FRP). Εικόνα 7.2: Ενεργός περισφιγμένη περιοχή σε τετραγωνικό υποστύλωμα. Όσο μάλιστα αυξάνει η ακτίνα εξομάλυνσης των γωνιών τόσο αυξάνει και η αποδοτικότητα της περίσφιγξης. Εικόνα 7.3: Επίδραση των γωνιών καμπυλότητας στην αποτελεσματικότητα της περίσφιγξης. 171

192 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΩΝ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Επομένως, λαμβάνοντας τα προαναφερθέντα υπόψη η ενεργός περισφιγμένη περιοχή των δοκιμίων που ενισχύθηκαν, παρουσιάζεται παρακάτω. Εικόνα 7.4: Ενεργός περισφιγμένη περιοχή ενισχυμένου δοκιμίου ΙΙ3c, T_IV3. Εικόνα 7.5: Ενεργός περισφιγμένη περιοχή ενισχυμένου δοκιμίου ΙΙ4c, T_IV4. Εικόνα 7.6: Ενεργός περισφιγμένη περιοχή ενισχυμένου δοκιμίου 1AhIΙΙ3, T_1AhIV3. Εικόνα 7.7: Ενεργός περισφιγμένη περιοχή ενισχυμένου δοκιμίου 2AhIΙΙ4, 2AhIΙ4U, T_1AhIV3. 172

193 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΩΝ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 7.2 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗΣ ΣΕ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΑ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΑ Για υποστυλώματα ορθογωνικής διατομής με διαστάσεις h και b (h b), το μοντέλο περίσφιγξης είναι το ακόλουθο: f ck,c f ck = ( b h )2 α f 2 t f D f fk,h για ( b f ck h )2 α f 2 t f f fk,h 0.07 (1) D f ck f ck,c = 1 για ( b f ck h )2 α f 2 t f f fk,h < 0.07 (2) D f ck ε cu,c ε c2 = h b a f 2 t f D f fk,h f ck ( ε fu,h ε c2 ) 0.45 (3) όπου, α f = συντελεστής αποδοτικότητας της περίσφιγξης, που εξαρτάται, από (α) τη γεωμετρία της διατομής (λόγος πλευρών, ακτίνα καμπυλότητας στις γωνίες), (β) από το βαθμό περιτύλιξης (κάλυψης του σκυροδέματος) και (γ) από τη διεύθυνση των ινών σε σχέση με τον άξονα του περισφιγμένου μέλους. Εικόνα 7.8: Ενεργά περισφιγμένη ορθογωνική διατομή. Στις περισσότερες περιπτώσεις που υπάρχει πλήρης περίσφιγξη με τις ίνες κάθετες στον άξονα του μέλους, α f = α n (4) όπου, α n = Α e = 1 (b 2 R)2 +(h 2 R) 2 A g 3 b h (5) 173

194 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΩΝ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Στις περιπτώσεις μελών που δεν είναι πλήρως καλυμμένα με FRPs και/ή ελικοειδής καλυμμένα, το α f ορίζεται ως: α f = α n α s α a (6) Όπου α s = (1 s f 2 b ) (1 s f 2 h ) (7) α a = 1 1+(tanβ f ) 2 (8) Εικόνα 7.9: Περισφιγμένο ορθογωνικό υποστύλωμα, (α) όχι πλήρως καλυμμένου με FRP, (β) ελικοειδής καλυμμένο με FRP. Σχήμα 7.1: Διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης περισφιγμένου και απερίσφιγκτου σκυροδέματος, L. Lam and J.G. Teng. 174

195 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΩΝ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Οι Lam and Teng (2003b) προτείνουν το D να ορίζεται ως εξής: D = h 2 + b 2 (9) πράγμα που σημαίνει ότι η αντίστοιχη κυκλική διατομή περιβάλλει το αντίστοιχο ορθογώνιο. Όμως για να έχει η αντίστοιχη κυκλική διατομή το ίδιο ογκομετρικό ποσοστό FRPs, με την αρχική ορθογωνική διατομή το D ορίζεται από την παρακάτω εξίσωση (Triantafillou et al.2006): D = 2 b h b+h (10) Η οριακή παραμόρφωση του μανδύα σύνθετων υλικών FRP, στην κατεύθυνση της στεφάνης των ινών ε fu,h, ορίζεται ως: f fk,h = E f ε fu,h (11) Η οριακή παραμόρφωση μανδυών FRPs, εξαρτάται από πλήθος παραγόντων, συμπεριλαμβανομένου της ακτίνας του μανδύα, τη διάρκεια της φόρτισης, πιθανές επιδράσεις ερπυσμού στο σκυρόδεμα, επίδρασης του λυγισμού του διαμήκους οπλισμού, καθώς επίσης και περιβαλλοντικές επιπτώσεις (όπως θερμοκρασία, υγρασία), όταν ο μανδύας είναι απροστάτευτος. Επομένως, η ε fu,h ορίζεται ως: ε fu,h = k h ε fu (12) Ο συντελεστής μείωσης, k h ορίζεται ως: k h = { 1,00 R (2 R ) R < 60 mm ,00 R 60mm (13) Ερμηνεία συμβόλων προσομοιώματος των Lam and Teng (2003) για περισφιγμένο σκυρόδεμα με FRP: h b D α f μήκος μεγάλης πλευράς της διατομής μήκος μικρής πλευράς της διατομής διάμετρος αντίστοιχης κυκλικής διατομής συντελεστής αποδοτικότητας περίσφιγξης 175

196 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΩΝ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ t f f ck f ck,c f fk,h στεφάνης των ινών ε c2 ε cu,c ε fu,h πάχος στρώσης μανδύα FRP χαρακτηριστική θλιπτική αντοχή απερίσφιγκτου σκυροδέματος χαρακτηριστική θλιπτική αντοχή περισφιγμένου σκυροδέματος χαρακτηριστική αντοχή του μανδύα FRP, στην κατεύθυνση της οριακή παραμόρφωση απερίσφιγκτου σκυροδέματος οριακή παραμόρφωση περισφιγμένου σκυροδέματος οριακή παραμόρφωση του μανδύα σύνθετων υλικών FRP, στην κατεύθυνση της στεφάνης των ινών k h συντελεστής μείωσης Το προσομοίωμα Lam and Teng (2003), χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της χαρακτηριστικής θλιπτικής αντοχής και της οριακής παραμόρφωσης αστοχίας που αναμένεται να έχουν τα υπό εξέταση δοκίμια της παρούσας διατριβής. Η εφαρμογή επομένως του προσομοιώματος, γίνεται προκειμένου να διερευνηθεί αν τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την πειραματική διαδικασία είναι αξιόπιστα σε σχέση με τα αντίστοιχα αναλυτικά. Αριθμητική εφαρμογή Τα υπό εξέταση δοκίμια της παρούσας διατριβής είναι υποστυλώματα με μεγάλο λόγο πλευρών και ανήκουν σε δύο κατηγορίες. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν τα υποστυλώματα από οπλισμένο σκυρόδεμα με λόγο πλευρών 3:1 και διαστάσεις διατομή 450mm 150mm. Στη δεύτερη κατηγορία ανήκουν τα υποστυλώματα από οπλισμένο σκυρόδεμα με λόγο πλευρών 4:1 και διαστάσεις διατομής 600mm 150mm. Τα δοκίμια της πρώτης κατηγορίας περιλαμβάνουν διαμήκεις οπλισμούς 6Φ12 και συνδετήρες Φ8/150mm, ενώ οι διαμήκεις στη δεύτερη κατηγορία είναι 8Φ12 και οι συνδετήρες όμοιοι με την πρώτη. Η ακτίνα καμπυλότητας είναι όμοια και στις δύο κατηγορίες και ισούται με R=20mm. Τα δοκίμια της πρώτης κατηγορίας ενισχυμένα με μανδύες FRP, απαρτίζονται από: Δοκίμια περισφιγμένα με δύο στρώσεις μανδύα CFRP. Δοκίμια περισφιγμένα με τρείς στρώσεις μανδύα CFRP, και μια σειρά διαμπερών αγκυρίων από ίνες άνθρακα. Τα δοκίμια της δεύτερης κατηγορίας ενισχυμένα με μανδύες FRP, απαρτίζονται από: 176

197 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΩΝ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δοκίμια περισφιγμένα με δύο στρώσεις μανδύα CFRP. Δοκίμια περισφιγμένα με τρείς στρώσεις μανδύα CFRP, και δύο σειρές διαμπερών αγκυρίων από ίνες άνθρακα. Δοκίμια περισφιγμένα με δύο στρώσεις μανδύα, επιπλέον περίσφιγξη της μικρότερης πλευράς με μανδύα CFRP, διαστάσεων 450mm 600mm 1mm, και δύο σειρές διαμπερών αγκυρίων από ίνες άνθρακα. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται συνοπτικά τα αριθμητικά αποτελέσματα του παραπάνω προσομοιώματος για τα ενισχυμένα δοκίμια με μανδύες FRP και των δύο Σειρών. Δοκίμια ενισχυμένα με FRP α f f c,c (MPa) εcu,c προς.(%) ε cu,c πειρ.(%) Pπροσ. (kn) Pπειρ. (kn) Ratio (Pπροσ. /Pπειρ.) II3c 0,11 17,00 0,39 1, , ,40 0,87 1AhIII3 0,28 17,00 1,55 3, , ,80 0,75 II4c 0,00 17,00 0,35 2, , ,40 1,07 2AhIII4 0,24 17,00 1,43 1, , ,30 0,78 2AhII4U 0,24 17,00 1,07 1, , ,45 0,80 Πίνακας 7.1: Αριθμητική εφαρμογή προσομοιώματος όλων των ενισχυμένων δοκιμίων με υφάσματα FRPs. Στον παραπάνω λοιπόν πίνακα παρατηρείται ότι ο λόγος θλιπτικού φορτίου του προσομοιώματος προς τον αντίστοιχο της πειραματικής διαδικασίας, πλησιάζει τη μονάδα. Το προσομοίωμα όσον αφορά το θλιπτικό φορτίο αντιπροσωπεύει καλύτερα το δοκίμιο II4c ενώ στα άλλα δοκίμια υπάρχει μια μικρή απόκλιση (το μέγιστο κατά 26%). Η ακρίβεια του προσομοιώματος όσον αφορά την προβλεπόμενη παραμόρφωση είναι κατά πολύ μικρότερη. Ο λόγος των τιμών της παραμόρφωσης του προσομοιώματος προς αυτών του πειραματικού, είναι σχεδόν μονάδα στην περίπτωση του 2ΑhII4U και μεγαλύτερη απόκλιση παρουσιάζει το δοκίμιο 2ΑhIIΙ4. Στα υπόλοιπα δοκίμια ο λόγος αυτός παρουσιάζει αρκετά μεγαλύτερη απόκλιση από τη μονάδα που φτάνει έως και το 0.83%. Τα δοκίμια της πρώτης κατηγορίας ενισχυμένα με πλέγματα TRM, απαρτίζονται από: Δοκίμια περισφιγμένα με τέσσερις στρώσεις πλέγματος TRΜ. Δοκίμια περισφιγμένα με τέσσερις στρώσεις πλέγματος TRΜ και μια σειρά διαμπερών αγκυρίων από ίνες άνθρακα. 177

198 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΩΝ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Τα δοκίμια της δεύτερης κατηγορίας ενισχυμένα με μανδύες TRM, απαρτίζονται από: Δοκίμια περισφιγμένα με τέσσερις στρώσεις πλέγματος TRΜ. Δοκίμια περισφιγμένα με τέσσερις στρώσεις πλέγματος TRΜ και μια σειρά διαμπερών αγκυρίων από ίνες άνθρακα. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται συνοπτικά τα αριθμητικά αποτελέσματα του παραπάνω προσομοιώματος για τα ενισχυμένα δοκίμια με μανδύες TRM και των δύο Σειρών. Δοκίμια ενισχυμένα με TRM α f f c,c (MPa) εcu,c προς.(%) ε cu,c πειρ.(%) Pπροσ. (kn) Pπειρ. (kn) Ratio (Pπροσ. /Pπειρ.) T_IV3 0,11 17,00 0,35 0, , ,70 0,97 T_IV4 0,00 17,00 0,35 0, , ,90 1,18 T_1AhIV3 0,28 17,00 0,36 1, , ,00 1,17 T_2AhIV4 0,24 17,00 0,36 1, , ,54 0,98 Πίνακας 7.2: Αριθμητική εφαρμογή προσομοιώματος όλων των ενισχυμένων δοκιμίων με πλέγματα TRM. Είναι λοιπόν εμφανές ότι ο λόγος θλιπτικού φορτίου του προσομοιώματος προς τον αντίστοιχο της πειραματικής διαδικασίας, πλησιάζει τη μονάδα. Το προσομοίωμα αντιπροσωπεύει καλύτερα το δοκίμιο T_2AhIV4, ενώ στα άλλα δοκίμια η απόκλιση από τη μονάδα είναι πολύ μικρή. Όσον αφορά όμως την ακρίβεια του προσομοιώματος ως προς την προβλεπόμενη παραμόρφωση υπάρχει μεγαλύτερη απόκλιση. Σημείωση: Στα συγκεκριμένα δοκίμια, πέραν της ύπαρξης των αγκυρίων, υπάρχουν και οι συνδετήρες, οι οποίοι θα μπορούσε να θεωρηθεί ότι συνεισφέρουν και αυτοί στην περίσφιγξη. Λαμβάνοντας υπόψη και τους συνδετήρες, η ενεργός περισφιγμένη περιοχή αυξάνει. 178

199 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΩΝ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Τα αριθμητικά αποτελέσματα του προσομοιώματος με την αυξημένη ενεργός περισφιγμένη περιοχή παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα. Δοκίμια α f f c,c (MPa) εcu,c προς.(%) ε cu,c πειρ.(%) Pπροσ. (kn) Pπειρ. (kn) Ratio (Pπροσ. /Pπειρ.) II3c 0,11 17,00 0,39 1, , ,40 0,87 1AhIII3 0,61 17,00 2,95 3, , ,80 0,75 II4c 0,00 17,00 0,35 2, , ,40 1,07 2AhIII4 0,64 17,00 3,25 1, , ,30 0,78 2AhII4U 0,64 17,00 2,28 1, , ,45 0,80 Πίνακας 7.3: Αριθμητική εφαρμογή προσομοιώματος όλων των ενισχυμένων δοκιμίων με υφάσματα FRPs. Εικόνα 7.10: Ενεργός περισφιγμένη περιοχή δοκιμίου 3:1, λαμβάνοντας υπόψη και την περίσφιγξη από τους συνδετήρες. Εικόνα 7.11: Ενεργός περισφιγμένη περιοχή δοκιμίου 4:1, λαμβάνοντας υπόψη και την περίσφιγξη από τους συνδετήρες. Στον παραπάνω πίνακα, παρατηρείται όπως είναι αναμενόμενο ότι ο συντελεστής αποδοτικότητας α f της περίσφιγξης, έχει αυξηθεί, αφού έχει αυξηθεί και η ενεργός περισφιγμένη περιοχή. Αξιοσημείωτο όμως είναι ότι αυτή η αύξηση του συντελεστή αποδοτικότητας δεν προσδίδει αύξηση στο λόγο θλιπτικού φορτίου του προσομοιώματος προς τον αντίστοιχο της πειραματικής διαδικασίας, ο οποίος μένει 179

200 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΩΝ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ αμετάβλητος. Προκειμένου λοιπόν να ληφθεί υπόψη μόνο η περίσφιγξη των αγκυρίων και εφόσον οι συνδετήρες δεν προσδίδουν καλύτερα αποτελέσματα στο προσομοιώμα, τελικώς, δε θα ληφθεί υπόψη η επίδραση των συνδετήρων. 7.3 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΜΕ ΤΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑΤΟΣ Παρακάτω, απεικονίζονται γραφικά και υπό μορφή πινάκων τα συγκριτικά αποτελέσματα των πειραμάτων με τα αποτελέσματα του προσομοιώματος και των δύο Σειρών. Σειρά 1 Ενισχυμένα δοκίμια με μανδύες FRPs Στη Σειρά αυτή παρατηρείται ότι το θλιπτικό φορτίο που προέκυψε από την πειραματική διαδικασία είναι μεγαλύτερο από το αντίστοιχο του αναλυτικού προσομοιώματος. Πιο συγκεκριμένα, για το δοκίμιο ΙΙ3c, το θλιπτικό φορτίο παρουσιάζει μείωση 13% ενώ το δοκίμιο 1ΑhIIΙ3 μείωση 25%. Οι μεγαλύτερες όμως αποκλίσεις παρουσιάζονται στην παραμόρφωση αστοχίας, όπου τα πειραματικά αποτελέσματα εμφανίζονται κατά πολύ μεγαλύτερα από τα αντίστοιχα αποτελέσματα του αναλυτικού προσομοιώματος. Τη μεγαλύτερη διαφορά την εμφανίζει το δοκίμιο ΙΙ3c, όπου παρατηρείται μείωση κατά 75% ενώ το δοκίμιο 1ΑhIIΙ3 παρουσιάζει μικρότερη μείωση της τάξης του 57%. Συνοψίζοντας για όλα τα δοκίμια της Σειράς 1 τόσο το θλιπτικό φορτίο όσο και η παραμόρφωση αστοχίας έχει μεγαλύτερες τιμές στα πειραματικά αποτελέσματα από τις αντίστοιχες του αναλυτικού προσομοιώματος. Η % αύξηση των τιμών παρουσιάζεται συνοπτικά στον Πίνακα 7.4. Δοκίμια % αύξηση θλιπτικού φορτίου % αύξηση παραμόρφωσης αστοχίας II3c AhIII Πίνακας 7.4: % Αύξηση Θλιπτικού φορτίου και παραμόρφωσης αστοχίας των πειραματικών αποτελεσμάτων σε σύγκριση με τα αναλυτικά αποτελέσματα της Σειράς 1 ενισχυμένα με μανδύες FRPs. 180

201 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΩΝ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Θλιπτικό Φορτίο (kn) Pπροσ. (kn) Pπειρ. (kn) II3c 1AhIII3 Ενισχυμένα Δοκίμια (3:1) Σχήμα 7.2: Θλιπτικό φορτίο δοκιμίων Σειράς 1 ενισχυμένα με μανδύες FRPs με βάση το αναλυτικό προσομοίωμα και την πειραματική διαδικασία. 4 εcu,c προς.(%) εcu,c πειρ.(%) Παραμόρφωση Αστοχίας (%) II3c 1AhIII3 Ενισχυμένα Δοκίμια (3:1) Σχήμα 7.3: Παραμόρφωση αστοχίας δοκιμίων Σειράς 1 ενισχυμένα με μανδύες FRPs με βάση το αναλυτικό προσομοίωμα και την πειραματική διαδικασία. Σειρά 1 Ενισχυμένα δοκίμια με πλέγματα TRM Στη Σειρά αυτή παρατηρείται ότι το θλιπτικό φορτίο που προέκυψε από την πειραματική διαδικασία είναι μεγαλύτερο από το αντίστοιχο του αναλυτικού προσομοιώματος. Πιο συγκεκριμένα, για το δοκίμιο Τ_ΙV3, το θλιπτικό φορτίο παρουσιάζει μείωση 3% ενώ το δοκίμιο T_1ΑhIV3 αύξηση 17%. Οι μεγαλύτερες όμως αποκλίσεις παρουσιάζονται στην παραμόρφωση αστοχίας, όπου τα πειραματικά αποτελέσματα εμφανίζονται κατά πολύ μεγαλύτερα από τα αντίστοιχα αποτελέσματα του αναλυτικού προσομοιώματος. Τη μεγαλύτερη διαφορά την εμφανίζει το δοκίμιο T_1ΑhIV3, όπου παρατηρείται μείωση κατά 78,84% ενώ το 181

202 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΩΝ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ δοκίμιο Τ_ΙV3 παρουσιάζει μικρότερη μείωση της τάξης του 64,43%. Η % αύξηση των τιμών παρουσιάζεται συνοπτικά στον Πίνακα 7.5. Δοκίμια % αύξηση θλιπτικού φορτίου % αύξηση παραμόρφωσης αστοχίας Τ_ΙV3 3 78,84 T_1ΑhIV ,43 Πίνακας 7.5: % Αύξηση Θλιπτικού φορτίου και παραμόρφωσης αστοχίας των πειραματικών αποτελεσμάτων σε σύγκριση με τα αναλυτικά αποτελέσματα της Σειράς 1 ενισχυμένα με πλέγματα TRM. Θλιπτικό Φορτίο (kn) Pπροσ. (kn) Pπειρ. (kn) T_IV3 T_1AhIV3 Ενισχυμένα Δοκίμια (3:1) Σχήμα 7.4: Θλιπτικό φορτίο δοκιμίων Σειράς 1 ενισχυμένα με πλέγματα TRM, με βάση το αναλυτικό προσομοίωμα και την πειραματική διαδικασία. 4 εcu,c προς.(%) εcu,c πειρ.(%) Παραμόρφωση Αστοχίας (%) T_IV Σχήμα 7.5: Παραμόρφωση αστοχίας δοκιμίων Σειράς 1 ενισχυμένα με πλέγματα TRM, με βάση το αναλυτικό προσομοίωμα και την πειραματική διαδικασία T_1AhIV3 Ενισχυμένα Δοκίμια (3:1) 182

203 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΩΝ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Σειρά 2 Ενισχυμένα δοκίμια με μανδύες FRPs Το θλιπτικό φορτίο των δοκιμίων της Σειράς 2 που προέκυψε από την πειραματική διαδικασία παρουσιάζει μεγαλύτερες τιμές συγκριτικά με το αντίστοιχο του αναλυτικού προσομοιώματος. Εξαίρεση αποτελεί το δοκίμιο ΙΙ4c, όπου το θλιπτικό φορτίο της πειραματικής διαδικασίας έχει 7% μικρότερη τιμή από το αντίστοιχο του αναλυτικού προσομοιώματος. Εν αντιθέσει το δοκίμιο 2AhIII4 εμφανίζει αύξηση θλιπτικού φορτίου της πειραματικής διαδικασίας συγκριτικά με το αναλυτικό προσομοίωμα κατά 22%, ενώ για το δοκίμιο 2AhII4U η αντίστοιχη αύξηση είναι 20%. Αναφορικά με την παραμόρφωση αστοχίας οι μεταβολές των τιμών της παραμόρφωσης αστοχίας είναι μεγαλύτερης τάξης συγκριτικά με αυτές που εμφανίζει το θλιπτικό φορτίο. Στο δοκίμιο 2AhIIΙ4 η τιμή της παραμόρφωσης αστοχίας τόσο του αναλυτικού προσομοιώματος όσο και της πειραματικής διαδικασίας είναι σχεδόν ίδια με μικρή αύξηση της τιμής του προσομοιώματος κατά 14,49%. Μείωση 20% της τιμής της παραμόρφωσης αστοχίας του αναλυτικού προσομοιώματος παρουσιάζει το πειραματικό αποτέλεσμα του δοκιμίου 2AhII4U. Ενώ μεγάλη αύξηση της τιμής παρουσιάζει η πειραματική διαδικασία κατά 83,3% για το δοκίμιο ΙΙ4c, συγκριτικά με το αναλυτικό προσομοίωμα. Δοκίμια % μεταβολή θλιπτικού φορτίου % μεταβολή παραμόρφωσης αστοχίας II4c -7 83,3 2AhIII AhII4U 20 83,3 Πίνακας 7.6: % Aύξηση Θλιπτικού φορτίου και παραμόρφωσης αστοχίας των πειραματικών αποτελεσμάτων σε σύγκριση με τα αναλυτικά αποτελέσματα της Σειράς 2 ενισχυμένα με μανδύες FRPs. 183

204 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΩΝ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 3000 Pπροσ. (kn) Pπειρ. (kn) Θλιπτικό Φορτίο (kn) II4c 2AhIII4 2AhII4U Ενισχυμένα Δοκίμια (4:1) Σχήμα 7.6: Θλιπτικό φορτίο δοκιμίων Σειράς 2 ενισχυμένα με μανδύες FRPs,με βάση το αναλυτικό προσομοίωμα και την πειραματική διαδικασία. 4 εcu,c προς.(%) εcu,c πειρ.(%) Παραμόρφωση Αστοχίας (%) II4c 2AhIII4 2AhII4U Ενισχυμένα Δοκίμια (4:1) Σχήμα 7.7: Παραμόρφωση αστοχίας δοκιμίων Σειράς 2 ενισχυμένα με μανδύες FRPs, με βάση το αναλυτικό προσομοίωμα και την πειραματική διαδικασία. Σειρά 2 Ενισχυμένα δοκίμια με πλέγματα TRM Το θλιπτικό φορτίο των δοκιμίων της Σειράς 2 που προέκυψε από την πειραματική διαδικασία παρουσιάζει μεγαλύτερες τιμές συγκριτικά με το αντίστοιχο του αναλυτικού προσομοιώματος. Εξαίρεση αποτελεί το δοκίμιο T_IV4, όπου το θλιπτικό φορτίο της πειραματικής διαδικασίας έχει 18% μικρότερη τιμή από το αντίστοιχο του αναλυτικού προσομοιώματος. Εν αντιθέσει το δοκίμιο T_2AhIV4 εμφανίζει αύξηση θλιπτικού φορτίου της πειραματικής διαδικασίας συγκριτικά με το αναλυτικό προσομοίωμα κατά 2%. 184

205 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΩΝ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Αναφορικά με την παραμόρφωση αστοχίας οι μεταβολές των τιμών της παραμόρφωσης αστοχίας είναι μεγαλύτερης τάξης συγκριτικά με αυτές που εμφανίζει το θλιπτικό φορτίο. Στο δοκίμιο T_IV4 η τιμή της παραμόρφωσης αστοχίας της πειραματικής διαδικασίας παρουσιάζει μικρή αύξηση συγκριτικά με την τιμή του προσομοιώματος, της τάξης 33%. Αύξηση 76% της τιμής της παραμόρφωσης αστοχίας του αναλυτικού προσομοιώματος παρουσιάζει το πειραματικό αποτέλεσμα του δοκιμίου T_2AhIV4. Η % αύξηση των τιμών παρουσιάζεται συνοπτικά στον Πίνακα 7.7. Δοκίμια % αύξηση θλιπτικού φορτίου % αύξηση παραμόρφωσης αστοχίας Τ_ΙV T_2ΑhIV Πίνακας 7.7: % Αύξηση Θλιπτικού φορτίου και παραμόρφωσης αστοχίας των πειραματικών αποτελεσμάτων σε σύγκριση με τα αναλυτικά αποτελέσματα της Σειράς 2 ενισχυμένα με πλέγματα TRM. Θλιπτικό Φορτίο (kn) Pπροσ. (kn) Pπειρ. (kn) T_IV4 T_2AhIV4 Ενισχυμένα Δοκίμια (4:1) Σχήμα 7.8: Θλιπτικό φορτίο δοκιμίων Σειράς 2 ενισχυμένα με πλέγματα TRM, με βάση το αναλυτικό προσομοίωμα και την πειραματική διαδικασία. 4 εcu,c προς.(%) εcu,c πειρ.(%) 3 Παραμόρφωση Αστοχίας (%) T_IV Σχήμα 7.9: Παραμόρφωση αστοχίας δοκιμίων Σειράς 2 ενισχυμένα με πλέγματα TRM, με βάση το αναλυτικό προσομοίωμα και την πειραματική διαδικασία T_2AhIV4 Ενισχυμένα Δοκίμια (4:1) 185

206 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΜΕΝΩΝ ΜΕ ΜΑΝΔΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 7.4 ΣΧΟΛΙΑΣΜΟΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Τα αποτελέσματα του προσομοιώματος, Lam and Teng, με τη διόρθωση του D * από τους Triantafillou et al που χρησιμοποιήθηκε, πλησίαζαν αρκετά αυτά της πειραματικής διαδικασίας. Συγκρίνοντας του συντελεστές αποδοτικότητας περίσφιγξης, προκύπτει ότι η αύξηση του λόγου των πλευρών, οδηγεί σε μείωση της περισφιγμένης επιφάνειας. Αξιοσημείωτο είναι ότι σε όλα τα δοκίμια χρησιμοποιήθηκε αποκλειστικά ο δεύτερος τύπος: f ck,c = 1 για ( b f ck h )2 α f 2 t f f fk,h < 0.07 (2) D f ck Εντούτοις, η τιμή του θλιπτικού φορτίου που υπολογίσθηκε, πλησίαζε το θλιπτικό φορτίο που προέκυψε από την πειραματική διαδικασία. Γενικά, στη Σειρά 1 η απόκλιση κυμαίνεται από 3% έως και 17%, ενώ στη Σειρά 2 από 2% έως και 22%. Η καλύτερη προσομοίωση έγινε για το δοκίμιο T_2AhIV4 (με απόκλιση 2%), ενώ τη μεγαλύτερη διαφορά (25%) παρουσίασε το δοκίμιο 1AhIII3. Παρόλα αυτά, η διαφορά αυτή δε θεωρείται μεγάλη. Όμως το προσομοίωμα, δεν ενδείκνυται για τον υπολογισμό της παραμόρφωσης αστοχίας των δοκιμίων, καθώς τα αριθμητικά αποτελέσματα του προσομοιώματος, ως επί το πλείστον εμφανίζουν μεγάλες αποκλίσεις από τα αντίστοιχα πειραματικά. Το προσομοίωμα, εκφράζει καλύτερα όσον αφορά το θλιπτικό φορτίο, τα δοκίμια που είναι ενισχυμένα με πλέγματα TRM σε σχέση με αυτά που είναι ενισχυμένα με μανδύες FRPs. Τέλος, το συγκεκριμένο προσομοίωμα δεν μπορεί να εφαρμοστεί στα δοκίμια ελέγχου (μη ενισχυμένα δοκίμια). 186

207 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο παρόν κεφάλαιο παρατίθεται η σύγκριση των αποτελεσμάτων των πειραμάτων που διεξήχθησαν. Ακολουθούν συγκεντρωτικοί πίνακες αποτελεσμάτων, συγκριτικά γραφήματα καθώς και συγκεντρωτικά διαγράμματα τάσεων παραμορφώσεων ξεχωριστά για τις δύο σειρές καθώς επίσης και συγκριτικά των δύο σειρών. 8.2 ΣΕΙΡΑ 1 η Σειρά 1 η Δοκίμια ενισχυμένα με μανδύες FRP Στον Πίνακα 8.1, παρουσιάζονται συγκεντρωτικά τα πειραματικά αποτελέσματα των δοκιμίων της Σειράς 1, που είναι ενισχυμένα με μανδύες από FRP. Δοκίμιο Μέγιστο Φορτίο (kn) Τάση (MPa) Οριακή Παραμόρφωση (%) C'3 1124,3 16,68 0,38 ΙΙ3c 1752,40 25,99 1,59 1AhIII3a 2114,2 31,36 4,21 1AhIII3b 1881,3 27,9 2,98 1AhIII3c 2135,90 31,68 1,98 Πίνακας 8.1: Συγκεντρωτικός πίνακας πειραματικών αποτελεσμάτων Σειράς 1 ενισχυμένα με μανδύες FRP. Παρατηρείται ότι η αντοχή του δοκιμίου ελέγχου C3, είναι μικρότερη από την αντοχή των κύβων των 28 ημερών (20.9 MPa), παρά την ηλικία του δοκιμίου που τη μέρα της δοκιμής είναι μεγαλύτερη από αυτή των 28 ημερών. Η διαφορά αυτή έγκειται στο μέγεθος του δοκιμίου που είναι πολύ μεγαλύτερο από αυτό των 28 ημερών, από την ταχύτητα φόρτισης ή τη συντήρηση του καθώς τα δοκίμια ήταν σε εξωτερικό χώρο. 187

208 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Στον Πίνακα 8.2, παρουσιάζονται η αύξηση του θλιπτικού φορτίου και η αύξηση της παραμόρφωσης αστοχίας σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου για όλα τα ενισχυμένα δοκίμια της Σειράς 1 με μανδύες FRP (Πίνακας 8.2) Μέγιστο φορτίο (kn) 2500 Μέγιστο Φορτίο (kn) C'3 ΙΙ3c 1AhIII3a 1AhIII3b 1AhIII3c Όνομασία Δοκιμίου Σχήμα 8.1: Μέγιστο Θλιπτικό φορτίο δοκιμίου ελέγχου και ενισχυμένων δοκιμίων Σειράς 1. Δοκίμιο % Αύξηση Θλιπτικού Φορτίου % Αύξηση Παραμόρφωσης Αστοχίας ΙΙ3c 55,87 318,42 1AhIII3a 88, ,89 1AhIII3b 67,33 684,21 1AhIII3c 89,98 421,05 Πίνακας 8.2: % Αύξηση του Θλιπτικού φορτίου και της Παραμόρφωσης Αστοχίας ενισχυμένων δοκιμίων με μανδύες FRP σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου. 188

209 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Όλα τα ενισχυμένα δοκίμια παρουσιάζουν αύξηση τόσο του θλιπτικού φορτίου όσο και της οριακής παραμόρφωσης σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου. Το μέγιστο θλιπτικό φορτίο το παραλαμβάνει το δοκίμιο 1AhIII3c (αύξηση 89.98% σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου). Ενώ πολύ μεγάλη αύξηση στην οριακή παραμόρφωση εμφανίζει το δοκίμιο 1AhIII3a, της τάξης του %. 200 C'3 Ενισχυμένα Δοκίμια (3:1) % Αύξηση Θλιπτικού Φορτίου , ,97 0 C'3-ΙΙ3c C'3-1AhIII3a C'3-1AhIII3b C'3-1AhIII3c C'3 - Ενισχυμένα Δοκίμια (3:1) Σχήμα 8.2: % Αύξηση του θλιπτικού φορτίου ενισχυμένων δοκιμίων με μανδύες FRP (3:1), σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου C'3 Ενισχυμένα Δοκίμια (3:1) % Αύξηση Παραμόρφωσης Αστοχίας , ,05 C'3-ΙΙ3c C'3-1AhIII3a C'3-1AhIII3b C'3-1AhIII3c C'3 - Ενισχυμένα Δοκίμια (3:1) Σχήμα 8.3: % Αύξηση της Παραμόρφωσης αστοχίας ενισχυμένων δοκιμίων με μανδύες FRP (3:1), σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου. 189

210 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Η μικρότερη αύξηση της τιμής του θλιπτικού φορτίου, εντοπίζεται στο δοκίμιο ΙΙ3c (55.87% αύξηση σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου), η μικρότερη αύξηση της παραμόρφωσης αστοχίας εμφανίζεται επίσης στο ίδιο δοκίμιο (318.42% σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου). Επομένως, η ενίσχυση με στρώσεις υφάσματος ινών άνθρακα εμποτισμένων με εποξειδική ρητίνη έπαιξε ευεργετικό ρόλο στη συμπεριφορά του δοκιμίου. Θεωρητικά τα δοκίμια 1AhIII3a, 1AhIII3b και 1AhIII3c, θα έπρεπε να φέρουν τις ίδιες τιμές μέγιστου φορτίου και οριακής παραμόρφωσης, ωστόσο διαφέρουν. Η μέθοδος ενίσχυσης των δοκιμίων ήταν ίδια, εντούτοις οι ενισχύσεις πραγματοποιήθηκαν σε διαφορετικές χρονικές στιγμές (διαφορετικές θερμοκρασίες περιβάλλοντος), γεγονός που ίσως επηρέασε τη συμπεριφορά των ενισχυμένων δοκιμίων. Εντούτοις οι διαφορές στις τιμές τους δεν είναι μεγάλες. Τη μεγαλύτερη απόκλιση την εμφανίζουν τα δοκίμια 1AhIII3a και 1AhIII3c ενώ παραλαμβάνουν σχεδόν το ίδιο θλιπτικό φορτίο, διαφέρουν κατά πολύ στην οριακή παραμόρφωση. Η εκρηκτική θραύση του μανδύα και του σκυροδέματος έγινε νωρίτερα από ότι στα υπόλοιπα. Παρακάτω παρουσιάζεται το συγκριτικό διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων των ενισχυμένων δοκιμίων με μανδύες FRP, της Σειράς 1 και του δοκιμίου ελέγχου (Σχήμα 8.1). Σχήμα 8.4: Διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίων της Σειράς 1, ενισχυμένων με μανδύες FRP, συγκριτικά με το δοκίμιο ελέγχου. 190

211 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Σε αυτό το συγκριτικό διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων παρατηρείται η ευνοϊκή επίδραση της ενίσχυσης σε σχέση με το αρχικό δοκίμιο. Μεγάλη αύξηση τόσο της παραμόρφωσης όσο και της τάσης εμφανίζουν όλα τα ενισχυμένα δοκίμια. Καθώς το ύφασμα ενίσχυσης είναι ίδιο σε όλα η κλίση του διαγράμματος τάσης παραμόρφωσης είναι σχεδόν ίδια. Συγκρίνοντας τις μεθόδους ενίσχυσης μεταξύ τους, η ενίσχυση με τρείς στρώσεις υφάσματος και μια στρώση αγκυρίων είχε καλύτερα αποτελέσματα δίνοντας τόσο μεγαλύτερη αντοχή όσο και μεγαλύτερη παραμόρφωση αστοχίας. Ο Πίνακας 8.3, παρουσιάζει τους μέσους όρους των πειραματικών αποτελεσμάτων όλων των δοκιμίων της Σειράς 1. Δοκίμιο Μέγιστο Φορτίο (kn) Τάση (MPa) Οριακή Παραμόρφωση (%) C'3 1124,3 16,68 0,38 ΙΙ3c 1752,40 25,99 1,59 1AhIII3 2043,80 30,31 3,06 Πίνακας 8.3: Συγκεντρωτικός πίνακας μέσων όρων πειραματικών αποτελεσμάτων Σειράς 1. Το δοκίμιο ΙΙ3c είχε φορές αυξημένη ικανότητα ανάληψης φορτίου και 318 φορές αυξημένη πλαστιμότητα σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου. Το δοκίμιο 1AhIII3 ως προς την ικανότητα ανάληψης φορτίου, αύξησε την αντοχή του κατά φορές και την πλαστιμότητά του κατά φορές συγκριτικά με το δοκίμιο ελέγχου. Τα δοκίμια 1AhIII3, έχουν μια στρώση υφάσματος περισσότερη από το II3c, καθώς και μια σειρά αγκυρίων, ενώ το II3c καμία. Συγκρίνοντας την απόκριση των δοκιμίων στη δοκιμή θλίψης, τα δοκίμια 1AhIII3 παρουσιάζουν καλύτερη συμπεριφορά. Το θλιπτικό φορτίο που παραλαμβάνουν είναι 16.63% μεγαλύτερο από αυτό του II3c και η οριακή παραμόρφωση που παρουσιάζουν 92.24% μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του II3c. Επομένως η πλαστιμότητά τους είναι κατά πολύ μεγαλύτερη. 191

212 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΙΙ3c 1AhIII3 % Αύξηση Θλιπτικού Φορτίου ,63 ΙΙ3c - 1AhIII3 ΙΙ3c - 1AhIII3 Σχήμα 8.5: % Αύξηση του θλιπτικού φορτίου ενισχυμένου δοκιμίου 1AhIII3, σε σχέση με το δοκίμιο II3c. % Αύξηση Παραμόρφωση Αστοχίας ΙΙ3c ,24 1AhIII3 ΙΙ3c - 1AhIII3 ΙΙ3c - 1AhIII3 Σχήμα 8.6: % Αύξηση της παραμόρφωσης αστοχίας του ενισχυμένου δοκιμίου 1AhIII3, σε σχέση με το δοκίμιο II3c. Συνοψίζοντας: Τα ενισχυμένα δοκίμια παραλαμβάνουν μεγαλύτερα θλιπτικά φορτία και αναπτύσσουν μεγαλύτερη παραμόρφωση αστοχίας σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου. Συγκρίνοντας τα δύο ενισχυμένα δοκίμια, όσο αυξάνει ο αριθμός στρώσεων του υφάσματος από ίνες άνθρακα καθώς επίσης και η χρήση αγκυρίων μορφής θυσάνου, αυξάνει και η αποδοτικότητα της ενίσχυσης. 192

213 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Σειρά 1 η Δοκίμια ενισχυμένα με πλέγματα TRM Στον Πίνακα 8.4, παρουσιάζονται συγκεντρωτικά τα πειραματικά αποτελέσματα των δοκιμίων της Σειράς 1, που είναι ενισχυμένα με πλέγματα TRM. Μέγιστο Φορτίο (kn) Τάση (MPa) Οριακή Παραμόρφωση (%) C'3 1124,30 16,68 0,38 T_IV3 1575,70 23,37 0,99 T_1AhIV3 1311,00 19,45 1,68 Πίνακας 8.4: Συγκεντρωτικός πίνακας πειραματικών αποτελεσμάτων Σειράς 1 ενισχυμένα με πλέγματα TRM Μέγιστο φορτίο (kn) Μέγιστο Φορτίο (kn) Σχήμα 8.7: Μέγιστο Θλιπτικό φορτίο δοκιμίου ελέγχου και ενισχυμένων δοκιμίων με πλέγματα TRM Σειράς 1. Στον Πίνακα 8.5, παρουσιάζονται η αύξηση του θλιπτικού φορτίου και η αύξηση της παραμόρφωσης αστοχίας σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου για όλα τα ενισχυμένα δοκίμια της Σειράς 1 με πλέγματα TRM C'3 T_IV3 T_1AhIV3 Όνομασία Δοκιμίου Δοκίμιο % Αύξηση Θλιπτικού Φορτίου % Αύξηση Παραμόρφωσης Αστοχίας T_IV3 40,15 160,53 T_1AhIV3 16,61 342,11 Πίνακας 8.5: % Αύξηση του Θλιπτικού φορτίου και της Παραμόρφωσης Αστοχίας ενισχυμένων δοκιμίων με πλέγματα TRM Σειράς 1σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου. 193

214 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 160 C'3 Ενισχυμένα Δοκίμια (3:1) % Αύξηση Θλιπτικού Φορτίου C'3-T_IV3 C'3-T_1AhIV3 C'3 - Ενισχυμένα Δοκίμια (3:1) Σχήμα 8.8: % Αύξηση του θλιπτικού φορτίου ενισχυμένων δοκιμίων με πλέγματα TRM (3:1), σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου. 500 C'3 Ενισχυμένα Δοκίμια (3:1) 450 % Αύξηση Παραμόρφωσης Αστοχίας C'3-T_IV3 C'3 - Ενισχυμένα Δοκίμια (3:1) C'3-T_1AhIV3 Σχήμα 8.9: % Αύξηση της Παραμόρφωσης αστοχίας ενισχυμένων δοκιμίων με πλέγματα TRM (3:1), σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου. Παρατηρείται λοιπόν, πως η χρήση ανόργανης μήτρας στα δοκίμια με λόγο πλευρών 3:1, αύξησε την αντοχή των δοκιμίων. Στο δοκίμιο που χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις στρώσεις πλέγματος TRΜ, παρουσιάσθηκε αύξηση του θλιπτικού φορτίου κατά 194

215 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 40,15%. Ενώ το δοκίμιο που ενισχύθηκε με τέσσερις στρώσεις πλέγματος TRΜ και μια στρώση αγκυρίων παρουσίασε αύξηση του θλιπτικού φορτίου συγκριτικά με το συμβατικό 16,61%. Είναι λοιπόν εμφανές ότι η προσθήκη αγκυρίων σε ενισχυμένο δοκίμιο με πλέγματα ΙΑΜ παρουσιάζει μικρότερη αύξηση του θλιπτικού φορτίου σε σχέση με το ενισχυμένο δοκίμιο χωρίς αγκύρια. Το δοκίμιο Τ_IV3, παρουσίασε αύξηση της παραμορφωσιμότητας 160,53% και το δοκίμιο Τ_ 1AhIV3 342,11% σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου. Προκύπτει λοιπόν, πως η ύπαρξη αγκυρίων στο ενισχυμένο δοκίμιο, αυξάνει την παραμορφωσιμότητά του. 120 T_IV3 T_1AhIV3 % Αύξηση Θλιπτικού Φορτίου T_IV3 - T_1AhIV3 T_IV3 - T_1AhIV3 Σχήμα 8.10: % Αύξηση του θλιπτικού φορτίου δοκιμίου Τ_1AhIV3, σε σχέση με το δοκίμιο T_IV3. % Αύξηση Παραμόρφωσης Αστοχίας T_IV3 100 T_1AhIV3 Σχήμα 8.11: % Αύξηση του θλιπτικού φορτίου δοκιμίου Τ_1AhIV3, σε σχέση με το δοκίμιο T_IV T_IV3 - T_1AhIV3 T_IV3 - T_1AhIV3 195

216 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Παρακάτω παρουσιάζεται το συγκριτικό διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων των ενισχυμένων δοκιμίων με πλέγματα TRM, της Σειράς 1 και του δοκιμίου ελέγχου. Σχήμα 8.12: Διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίων της Σειράς 1, ενισχυμένων με πλέγματα TRM, συγκριτικά με το δοκίμιο ελέγχου. Στο παραπάνω διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων, η πλάστιμη συμπεριφορά των δοκιμίων που είναι ενισχυμένα με πλέγματα TRM, είναι εμφανής. Συνοψίζοντας: Τα ενισχυμένα δοκίμια παραλαμβάνουν μεγαλύτερα θλιπτικά φορτία και μεγαλύτερη παραμόρφωση αστοχίας σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου. Συγκρίνοντας τα δύο ενισχυμένα δοκίμια με ανόργανη μήτρα, το δοκίμιο Τ_IV3, παρουσιάζει μεγαλύτερη αύξηση του θλιπτικού φορτίου (κατά 16,8%), ενώ μικρότερη αύξηση της παραμόρφωσης αστοχίας (κατά 69,7%), σε σχέση με το δοκίμιο Τ_ 1AhIV Σειρά 1 η Δοκίμια ενισχυμένα με μανδύες FRP συγκρίσιμα με δοκίμια ενισχυμένα με πλέγματα TRM Η ενίσχυση του υποστυλώματος με τέσσερις στρώσεις πλεγμάτων ανόργανης μήτρας, αντιπροσωπεύει την ενίσχυση του υποστυλώματος με δύο στρώσεις ινοπλισμένων 196

217 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ πολυμερών. Επομένως η θλιπτική αντοχή και η παραμόρφωση αστοχίας του δοκιμίου II3c, είναι συγκρίσιμα με τα αντίστοιχα του δοκιμίου Τ_IV3. Δοκίμια II3c - T_IV3 % Αύξηση Θλιπτικού Φορτίου % Αύξηση Παραμόρφωσης Αστοχίας 11,21 60,61 Πίνακας 8.6: % Αύξηση του θλιπτικού φορτίου και της παραμόρφωσης αστοχίας του ΙΙ3c, συγκριτικά με το δοκίμιο T_IV3. % Αύξηση Θλιπτικού Φορτίου Σχήμα 8.13: % Αύξηση θλιπτικού φορτίου δοκιμίου ΙΙ3c, συγκριτικά με το δοκίμιο T_IV3. % Αύξηση Παραμόρφωσης Αστοχίας II3c II3c Σχήμα 8.14: % Αύξηση παραμόρφωσης αστοχίας δοκιμίου ΙΙ3c, συγκριτικά με το δοκίμιο T_IV T_IV3 100 II3c - T_IV3 II3c - T_IV T_IV3 100 II3c - T_IV3 II3c - T_IV3 197

218 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Στο Σχήμα 8.16, παρουσιάζεται το συγκριτικό διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων του ενισχυμένου δοκιμίου με τέσσερις στρώσεις πλέγματος TRM, του ενισχυμένου δοκιμίου με δύο στρώσεις μανδύα FRP, της Σειράς 1 και του δοκιμίου ελέγχου. Σχήμα 8.15: Συγκριτικό γράφημα τάσεων παραμορφώσεων δοκιμίων Τ_IV3, II3c και δοκιμίου ελέγχου της Σειράς 1. Συνοψίζοντας: Τα βασικά συμπεράσματα που προκύπτουν από τους παραπάνω πίνακες και τα σχήματα είναι ότι το δοκίμιο που ενισχύθηκε με ανόργανη μήτρα, επέδειξε μικρότερη αντοχή (κατά 11,21%) και παραμορφωσιμότητα (κατά 60,61%) σε σχέση με εκείνα που ενισχύθηκαν με εποξειδική ρητίνη. 198

219 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 8.3 ΣΕΙΡΑ 2 η Σειρά 2 η Δοκίμια ενισχυμένα με μανδύες FRP Στον Πίνακα 8.6, παρουσιάζονται συγκεντρωτικά τα πειραματικά αποτελέσματα των δοκιμίων της Σειράς 2, που είναι ενισχυμένα με μανδύες από FRP. Δοκίμια Μέγιστο Φορτίο (kn) Τάση (MPa) Οριακή Παραμόρφωση (%) C'4 1618,9 18 0,46 ΙΙ4c 1910,4 21,25 2,09 2AhIII4a 2708,3 30,12 1,27 2AhIII4b ,8 1,23 2AhIII4c 2775,60 30,87 1,25 2AhII4Ua 2457,1 27,33 1,42 2AhII4Ub 2631,8 29,27 1,24 Πίνακας 8.7: Συγκεντρωτικός πίνακας πειραματικών αποτελεσμάτων Σειράς 2. Παρατηρείται ότι η αντοχή του δοκιμίου ελέγχου C4, είναι μικρότερη από την αντοχή των κύβων των 28 ημερών (20.9 MPa), παρά την ηλικία του δοκιμίου που τη μέρα της δοκιμής είναι μεγαλύτερη από αυτή των 28 ημερών. Η διαφορά αυτή έγκειται στο μέγεθος του δοκιμίου που είναι πολύ μεγαλύτερο από αυτό των 28 ημερών, από την ταχύτητα φόρτισης ή τη συντήρηση του καθώς τα δοκίμια ήταν σε εξωτερικό χώρο Μέγιστο φορτίο (kn) Μέγιστο Φορτίο (kn) , , , , , ,80 0 C'4 ΙΙ4c 2AhIII4a 2AhIII4b 2AhIII4c 2AhII4Ua 2AhII4Ub Όνομασία Δοκιμίου Σχήμα 8.16: Μέγιστο Θλιπτικό φορτίο δοκιμίου ελέγχου και ενισχυμένων δοκιμίων Σειράς

220 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Στον Πίνακα 8.7, παρουσιάζονται η αύξηση του θλιπτικού φορτίου και η αύξηση της παραμόρφωσης αστοχίας σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου για όλα τα ενισχυμένα δοκίμια της Σειράς 2. Δοκίμιο % Αύξηση Θλιπτικού Φορτίου % Αύξηση Παραμόρφωσης Αστοχίας ΙΙ4c 18,01 354,35 2AhIII4a 67,29 176,09 2AhIII4b 48,87 167,39 2AhIII4c 71,45 171,74 2AhII4Ua 51,78 208,70 2AhII4Ub 62,57 169,57 Πίνακας 8.8: % Αύξηση του Θλιπτικού φορτίου και της Παραμόρφωσης Αστοχίας ενισχυμένων δοκιμίων σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου. 200 C'4 Ενισχυμένα Δοκίμια (4:1) % Αύξηση Θλιπτικού Φορτίου , , C'4-ΙΙ4c C'4-2AhIII4a C'4-2AhIII4b C'4-2AhIII4c C'4-2AhII4Ua C'4-2AhII4Ub C'4 - Ενισχυμένα Δοκίμια (4:1) Σχήμα 8.17: % Αύξηση του θλιπτικού φορτίου ενισχυμένων δοκιμίων (4:1), σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου. Όλα τα ενισχυμένα δοκίμια, παρουσιάζουν αύξηση του θλιπτικού φορτίου σε σύγκριση με το δοκίμιο ελέγχου. Τη μεγαλύτερη όμως αύξηση την παρουσιάζει το δοκίμιο 2AhIIΙ4c (71.45%). Όσον αφορά την παραμόρφωση αστοχίας, τη μεγαλύτερη αύξηση την παρουσιάζει το δοκίμιο ΙΙ4c που είναι %. Το δοκίμιο αυτό αν και παρουσιάζει τη μικρότερη αύξηση θλιπτικού φορτίου (18.01%), εντούτοις παρουσιάζει τη μεγαλύτερη αύξηση στην παραμόρφωση αστοχίας. 200

221 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Θεωρητικά τα δοκίμια 2AhIII4a, 2AhIII4b και 2AhIII4c, και τα 2AhII4Ua, 2AhII4Ub, θα έπρεπε να φέρουν τις ίδιες τιμές μέγιστου φορτίου και οριακής παραμόρφωσης, ωστόσο διαφέρουν. Η μέθοδος ενίσχυσης των δοκιμίων ήταν ίδια, εντούτοις οι ενισχύσεις πραγματοποιήθηκαν σε διαφορετικές χρονικές στιγμές (διαφορετικές θερμοκρασίες περιβάλλοντος), γεγονός που ίσως επηρέασε τη συμπεριφορά των ενισχυμένων δοκιμίων. Εντούτοις οι διαφορές στις τιμές τους δεν είναι μεγάλες C'4 Ενισχυμένα Δοκίμια (4:1) % Αύξηση Παραμόρφωσης Αστοχίας C'4-ΙΙ4c C'4-2AhIII4a C'4-2AhIII4b C'4-2AhIII4c C'4-2AhII4Ua C'4-2AhII4Ub C'4 - Ενισχυμένα Δοκίμια (4:1) Σχήμα 8.18: % Αύξηση της Παραμόρφωσης αστοχίας ενισχυμένων δοκιμίων (4:1), σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου. Στον Πίνακα 8.8, παρουσιάζονται η αύξηση του θλιπτικού φορτίου και η αύξηση της παραμόρφωσης αστοχίας σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου για όλα τα ενισχυμένα δοκίμια της Σειράς 2. Δοκίμιο % Αύξηση Θλιπτικού Φορτίου % Αύξηση Παραμόρφωσης Αστοχίας ΙΙ4c 18,01 354,35 2AhIII4 62,54 171,74 2AhII4U 57,17 189,13 Πίνακας 8.9: Μέσες τιμές της % Αύξηση του Θλιπτικού φορτίου και της Παραμόρφωσης Αστοχίας ενισχυμένων δοκιμίων σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου. 201