Γιώργος ΜΙΤΟΛΙΔΗΣ 1, Θωμάς ΣΑΛΟΝΙΚΙΟΣ 2, Ανδρέας ΚΑΠΠΟΣ 3

Transcript

1 Καμπτική και Διατμητική Ενίσχυση Δοκών Ο/Σ στις Στηρίξεις με Πολυμερή Οπλισμένα με Χάλυβα (SRP) και Άνθρακα (CFRP) Flexural and Shear Strengthening of Support Regions of R/C Beams using SRP and CFRP Γιώργος ΜΙΤΟΛΙΔΗΣ 1, Θωμάς ΣΑΛΟΝΙΚΙΟΣ 2, Ανδρέας ΚΑΠΠΟΣ 3 Λέξεις κλειδιά: Καμπτική Ενίσχυση, Διατμητική ενίσχυση, Στηρίξεις Δοκών, Χαλυβδοϋφάσματα, Ελάσματα και υφάσματα Άνθρακα ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από την συγκριτική δοκιμή στο εργαστήριο οκτώ δοκών από οπλισμένο σκυρόδεμα. Σε τρεις δοκούς έγινε καμπτική ενίσχυση ενώ δοκιμάσθηκε και μία όμοια δοκός χωρίς ενίσχυση. Επίσης σε άλλες τρεις δοκούς έγινε διατμητική ενίσχυση ενώ δοκιμάσθηκε και μία όμοια δοκός χωρίς ενίσχυση. Και στις δύο περιπτώσεις ενισχύσεων χρησιμοποιήθηκαν ινοπλισμένα πολυμερή από ίνες χάλυβα (SRP) και ελάσματα και υφάσματα από ίνες άνθρακα (CFRP). Τα δοκίμια κατασκευάστηκαν σε φυσική κλίμακα. Εκτός από τις παραπάνω παραμέτρους δοκιμάσθηκαν δύο τύποι χαλυβδοϋφασμάτων για την καμπτική και διατμητική ενίσχυση. Επίσης για την καμπτική ενίσχυση δοκιμάσθηκε η επιρροή του μήκους αγκύρωσης της ενίσχυσης με μήκη αρκετά μετά και λίγο πριν το σημείο μηδενισμού των ροπών αντίστοιχα. Από τις οκτώ δοκιμές προέκυψε ότι με την χρήση των πολυμερών από ίνες χάλυβα (SRP) επιτυγχάνεται σαφής καμπτική και διατμητική ενίσχυση των στηρίξεων δοκών από σκυρόδεμα εξίσου καλά με την χρήση ελασμάτων και υφασμάτων άνθρακα (CFRP) αντίστοιχα. Μέσω της ενίσχυσης περιοχών με μικρή διατμητική αντοχή είναι δυνατή η επίτευξη καμπτικού τύπου αστοχίας. Πλεονέκτημα αποτελεί το χαμηλό κόστος των πολυμερών από χάλυβα σε σχέση με τα ελάσματα άνθρακα. ABSTRACT : Results are presented from laboratory testing of eight full-scale R/C beams. Three beams were strengthened against flexure while three beams were strengthened against shear the remaining two beams were unstrengthened, one of them designed to fail in flexure and the other one in shear. In both series strengthening of the specimens was made using either Steel (SRP) or Carbon (CFRP) Reinforced Rolymers. Two different types of SRP were used for the 1 MSc Imperial College, Υπ. Διδάκτορας Α.Π.Θ, mitolgi@otenet.gr 2 Δρ Πολιτικός Μηχανικός Α.Π.Θ., Κύριος Ερευνητής, ΙΤΣΑΚ, salonikios@itsak.gr 3 Δρ Πολιτικός Μηχανικός Α.Π.Θ., Καθηγητής Α.Π.Θ., ajkap@civil.auth.gr 1

2 flexural and shear strengthening. Morever, the influence of the anchorage length was examined in the specimens that were flexurally strengthened. To this purpose the SRPs were cut into strips with length either significantly greater or slightly smaller than that between the contraflexure points. In either case no noticeable differences were observed in the response of the specimens. Results from the eight tests show that by the use of SRP and CFRP the flexural strength is significantly increased (up to %) compared to the strength of the pilot specimen. Also by strengthening against shear it is possible to obtain a flexural failure. Finally, an advantage of SRPs is the lower cost in relation to the cost of CFRPs. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Πολλές από τις κατασκευές Ο/Σ έχουν πλέον μεγάλη ηλικία. Για αυτές τις κατασκευές υπάρχει η ανάγκη χρήσης τους για λειτουργίες, όπου σύμφωνα με τους κανονισμούς, απαιτούν την ανάληψη σημαντικών φορτίων. Είναι πολλές οι περιπτώσεις κατά τις οποίες τα νέα φορτία είναι σημαντικά μεγαλύτερα από τα φορτία για τα οποία σχεδιάσθηκαν αυτές οι κατασκευές. Επιπλέον οι διατάξεις των σύγχρονων αντισεισμικών κανονισμών γίνονται ολοένα και αυστηρότερες για τον επανέλεγχο των υφισταμένων κατασκευών, την ενίσχυσή τους και για την επανάχρησή τους. Για την ενίσχυση των δομικών στοιχείων από σκυρόδεμα για την παραλαβή της έντασης που αναπτύσσεται από σεισμικά φορτία απαιτείται εκτενέστερη έρευνα. Για την περίπτωση των σεισμικών δράσεων τα ινοπλισμένα πολυμερή ενδείκνυνται για την ενίσχυση μηχανισμών που δεν είναι επιθυμητό να αστοχήσουν, Antoniades et al (3, 5). Για την ανάληψη της έντασης από τα κατακόρυφα μόνιμα φορτία η χρήση των ινοπλισμένων πολυμερών αποτελεί μία εύκολη λύση. Τα υλικά αυτά προτείνονται για την καμπτική και διατμητική ενίσχυση δοκών, υποστυλωμάτων και τοιχωμάτων καθώς επίσης και για την περίσφιξη υποστυλωμάτων. Ως ένα νέο ινοπλισμένο πολυμερές, από τα πρώτα χρόνια της τρίτης χιλιετίας, διερευνάται διεθνώς η χρήση των πολυμερών οπλισμένων με χαλύβδινες δέσμες συρμάτων (SRP). Οι δοκιμές που έχουν γίνει μέχρι σήμερα σχετίζονται κυρίως με την ενίσχυση δοκών Ο/Σ. Σημαντική παράμετρο σε αυτές τις εργασίες αποτελεί η διαφοροποίηση της ρητίνης συγκόλλησης. Έχουν γίνει δοκιμές με πολυμερή εποξειδική ρητίνη (SRP) και δοκιμές με τσιμεντοειδή (Grout) ρητίνη (SRG). Ως πρώτη πειραματική εργασία αναφέρονται τα πειράματα των Wobbe et al (4) όπου χρησιμοποιήθηκαν δύο τύπων χαλυβδοϋφάσματα για την ενίσχυση σε κάμψη τριών δοκών οπλισμένου σκυροδέματος. Η συγκόλληση του υλικού στην επιφάνεια σκυροδέματος έγινε με εποξειδική ρητίνη (SRP) και με τσιμεντοειδή ρητίνη (SRG). Η αύξηση της καμπτικής αντοχής των δοκιμίων ήταν μεταξύ 40% και 70%. Τα ενισχυμένα δοκίμια είχαν ψαθυρή αστοχία λόγω της αποκόλλησης του υλικού ενίσχυσης στις ζώνες αγκύρωσης. Τα ενισχυμένα δοκίμια επέδειξαν σαφώς μικρότερη ικανότητα παραμόρφωσης στο άνοιγμα σε σχέση με το δοκίμιο χωρίς ενίσχυση. Σε δοκιμές που έγιναν από τους Prota et al (4, 6), Pecce et al (6), ελέγχθηκαν ένδεκα δοκίμια δοκών. Τα δύο δοκίμια ελέγχθηκαν χωρίς ενίσχυση ενώ τα υπόλοιπα εννέα ενισχύθηκαν με CFRP, SRP και SRG. Τα υλικά αυτά 2

3 εφαρμόσθηκαν σε μία, δύο και τρεις στρώσεις. Σε δύο δοκίμια που ενισχύθηκαν με SRG το υλικό ενίσχυσης αγκυρώθηκε με την χρήση ειδικών καρφιών (nail anchors). Βρέθηκε ότι η αύξηση αντοχής στα δοκίμια που ενισχύθηκαν με SRG ήταν μικρότερη από την αύξηση αντοχής των δοκιμίων που ενισχύθηκαν με SRP. Τα δοκίμια που ενισχύθηκαν με CFRP επέδειξαν μεγαλύτερη αντοχή από τα δοκίμια που ενισχύθηκαν με SRP άλλα είχαν μικρότερη ικανότητα παραμόρφωσης. Επίσης από τις παραμορφώσεις που καταγράφηκαν για το υλικό ενίσχυσης στην διεπιφάνεια με το σκυρόδεμα προέκυψε ότι αυτές επηρεάζονται κυρίως από το υλικό συγκόλλησης και όχι από το υλικό ενίσχυσης. Επίσης σε εργασία της ίδιας ομάδας Pecce et al (6), τα πειραματικά αποτελέσματα προσεγγίσθηκαν ικανοποιητικά από αναλυτικά προσομοιώματα. Oι Casadei et al (5a, b, c) διερεύνησαν την βελτίωση της καμπτικής συμπεριφοράς δοκών, μορφής διπλού Τ, από προεντεταμένο σκυρόδεμα, οι οποίες ενισχύθηκαν με SRP στην περιοχή των θετικών ροπών. Αυτή η έρευνα αποτελεί την πρώτη διερεύνηση του υλικού ενίσχυσης σε πραγματική κατασκευή. Οι δοκοί που ενισχύθηκαν ήταν μέλος του δομικού συστήματος ενός διώροφου γκαράζ. Δοκιμάσθηκαν τρεις δοκοί: μία δοκός ελέγχου χωρίς ενίσχυση, μία δοκός η οποία ενισχύθηκε με μία στρώση SRP και μία δοκός η οποία ενισχύθηκε με δύο στρώσεις SRP και το υλικό ενίσχυσης αγκυρώθηκε με λωρίδες SRP μορφής U. Από τις δοκιμές προέκυψε ότι με την χρήση των SRP βελτιώνεται η καμπτική αντοχή και η πλαστιμότητα. Από προκαταρκτικές αναλύσεις προέκυψε ότι η μεθοδολογία υπολογισμού που εφαρμόζεται για τα FRP μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για τα SRP. Οι Kim et al (5) μέσω πειραματικών δοκιμών έλεγξαν την αποτελεσματικότητα των SRP στην καμπτική ενίσχυση δοκών. Δοκιμάσθηκαν έξι δοκοί μέσω της επιβολής κάμψης σε τρία σημεία. Οι κυριότερες παράμετροι ήταν το πλάτος του σύνθετου υλικού και η χρήση λωρίδων σχήματος U για αν αποτρέψουν την πρώιμη αποκόλληση των διαμήκων λωρίδων του υλικού ενίσχυσης. Κατά τις πειραματικές δοκιμές παρατηρήθηκε αύξηση της καμπτικής αντοχής μέχρι 53% και ψευδοπλάστιμη μορφή αστοχίας για τις ενισχυμένες δοκούς. Οι κυριότερες μορφές αστοχίας ήταν ο διαχωρισμός του υλικού ενίσχυσης στα άκρα του SRP. Μέσω της χρήσης εγκάρσιων λωρίδων σχήματος U βελτιώθηκε η καμπτική απόκριση λόγω του περιορισμού διαγώνιας ρηγμάτωσης και λόγω της βελτίωσης των συνθηκών αγκύρωσης των διαμήκων λωρίδων SRP. Η καμπτική αντοχή των ενισχυμένων δοκών εκτιμήθηκε μέσω της χρήσης αναλυτικών προσομοιωμάτων που έγιναν. Οι Figeys et al διερεύνησαν την δυνατότητα ενίσχυσης κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος μέσω της χρήσης SRP. Δοκιμάσθηκαν πέντε δοκοί σε καμπτική φόρτιση τεσσάρων σημείων. Στη μία δοκό δεν εφαρμόσθηκε ενίσχυση, σε τρεις δοκούς έγινε ενίσχυση με μία στρώση SRP και στην πέμπτη δοκό έγινε ενίσχυση με δύο στρώσεις SRP. Για τις ενισχυμένες δοκούς η κύρια μορφή αστοχίας που προέκυψε ήταν αυτή της αποκόλλησης στα άκρα του υλικού ενίσχυσης. Όπως προέκυψε τα μοντέλα που χρησιμοποιούνται προσεγγίζουν ικανοποιητικά τις πειραματικές αντοχές και τον τρόπο αστοχίας. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται οι πειραματικές δοκιμές που έγιναν σε οκτώ δοκούς από οπλισμένο σκυρόδεμα. Οι δοκοί αυτές ενισχύθηκαν με ελάσματα άνθρακα (CFRP) έναντι κάμψης (μία), με ανθρακοϋφάσματα έναντι διάτμησης (μία) και με χαλυβδοϋφάσματα έναντι κάμψης (δύο) και έναντι διάτμησης (δύο). Επίσης δοκιμάσθηκαν και δύο δοκίμια 3

4 αναφοράς χωρίς ενίσχυση, ένα με καμπτική και ένα με διατμητική αστοχία. Οι δοκοί αυτές αντιπροσωπεύουν τμήμα από συνεχή δοκό εκατέρωθεν της στήριξης. Περιγραφή Δοκιμίων ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Τα οκτώ δοκίμια, διατομής 400mm, που παρουσιάζονται χωρίζονται σε δύο ομάδες. Τα τέσσερα δοκίμια της μιας ομάδας έχουν καμπτικό τρόπο αστοχίας. Αστοχούν καμπτικά τόσο το ένα δοκίμιο χωρίς ενίσχυση όσο και τα υπόλοιπα τρία στα οποία ενισχύεται η εφελκυόμενη ίνα είτε με SRP είτε με ελάσματα άνθρακα (CFRP). Στα τέσσερα δοκίμια της δεύτερης ομάδας το δοκίμιο χωρίς ενίσχυση αστοχεί σε διαγώνιο εφελκυσμό. Στα υπόλοιπα τρία δοκίμια γίνεται ενίσχυση του μηχανισμού διαγώνιου εφελκυσμού είτε με (SRP) είτε με ελάσματα CFRP, τα οποία εφαρμόζονται σε όλο το μήκος των δοκιμίων. Στα τρία ενισχυμένα δοκίμια, λόγω της ενίσχυσης έναντι διαγώνιου εφελκυσμού, ο τρόπος αστοχίας αλλάζει από διατμητικό σε καμπτικό. IVM 12 4τμητοι Συνδ. Φ10/5 B Ποιότητα Χάλυβα Οπλισμού ΛΕΙΟΣ 12 4τμητοι Συνδ. Φ10/5 2Φ12 ΤΟΜΗ Β-Β O8/10 ΛΕΙΟΣ Φ8/10 εμπρός B 10 εμπρός 5Φ Φ12 ΛΕΙΟΣ ΛΕΙΟΣ Σχήμα 1. Τρόπος όπλισης και αναπτύγματα οπλισμών δοκιμίου IVM. Η ονοματολογία των δοκιμίων γίνεται ως εξής: Το πρώτο γράμμα I δηλώνει την στήριξη. Τα δοκίμια παρουσιάζονται και δοκιμάζονται ανεστραμμένα και αντιπροσωπεύουν τα δύο τμήματα μιας συνεχής δοκού εκατέρωθεν ενός υποστυλώματος (το υποστύλωμα παριστάνεται ως σημείο επιβολής φόρτισης), 4

5 Μιτολίδης κ.ά (9). Το τελευταίο γράμμα στην πρώτη ομάδα δοκιμίων M δηλώνει τον καμπτικό τύπο αστοχίας. Τα ενδιάμεδα γράμματα δηλώνουν, το δοκίμιο χωρίς ενίσχυση, Virgin (V) και τον τύπο της ενίσχυσης που χρησιμοποιήθηκε. Το C ελάσματα άνθρακα και τα S3X2 και S12X τους τύπους των SRP που χρησιμοποιήθηκαν. Ομοίως ορίζεται η ονοματολογία των δοκιμίων που ενισχύονται έναντι διάτμησης. Στο δοκίμιο χωρίς ενίσχυση το S δηλώνει την διατμητική αστοχία ενώ στα υπόλοιπα δοκίμια τα γράμματα S-M δηλώνουν την αλλαγή του τρόπου αστοχίας από διατμητικό σε καμπτικό. Η κλίμακα κατασκευής όλων των δοκιμίων είναι 1:1. Σχήμα 2. Ενίσχυση του μηχανισμού καμπτικού εφελκυσμού των δοκιμίων και θέσεις στηρίξεων των δοκιμίων. Στο σχήμα 2 παρουσιάζεται ο τρόπος ενίσχυσης του μηχανισμού καμπτικού εφελκυσμού. Ειδικότερα στο δοκίμιο ICM χρησιμοποιήθηκαν ελάσματα από πολυμερή από ίνες άνθρακα σε μία στρώση και συνολικού πλάτους 150mm. Στο δοκίμιο IS3X2M τοποθετήθηκαν δύο στρώσεις χαλυβδοϋφασμα, τύπου SRP3X2 και πλάτους 160mm. IVS 12 4τμητοι Συνδ. Φ10/5 B Ποιότητα Χάλυβα Οπλισμού ΛΕΙΟΣ S500 ΛΕΙΟΣ O8/20 4Φ16 S500 ΤΟΜΗ Α-Α 12 4τμητοι Συνδ. Φ10/5 S Φ8/20 εμπρός 60 B εμπρός 4Φ16 S500 S500 4Φ16 S Σχήμα 3. Τρόπος όπλισης και αναπτύγματα οπλισμών δοκιμίου IVS. Το υλικό ενίσχυσης σε αυτά τα δύο δοκίμια τοποθετήθηκε σύμφωνα με το σχήμα 2. Στο δοκίμιο IS12XM τοποθετήθηκαν δύο στρώσεις χαλυβδούφασμα τύπου SRP12X και πλάτους 160mm. Στο δοκίμιο αυτό το υλικό ενίσχυσης περιορίσθηκε 5

6 στο μήκος της δοκού και δεν συνεχίσθηκε στις διαπλατυμένες άκρες. Αυτό έγινε για την προσομοίωση του συνήθους τρόπου δοκιμής δοκών και για τον προσδιορισμό πιθανών διαφοροποιήσεων λόγω του καλύτερου τρόπου αγκύρωσης. Στο σχήμα 3 παρουσιάζονται οι οπλισμοί του δοκιμίου IVS το οποίο δοκιμάσθηκε χωρίς ενίσχυση και σχεδιάσθηκε να έχει διατμητική αστοχία. Στο δοκίμιο αυτό χρησιμοποιήθηκαν οπλισμοί με νευρώσεις με εξαίρεση τους συνδετήρες για τους οποίους χρησιμοποιήθηκε λείος χάλυβας. Τα άλλα τρία δοκίμια αυτής της ομάδας ενισχύθηκαν έναντι διάτμησης σύμφωνα με το σχήμα 4. Σε δύο δοκίμια τυλίγονται, σε όλο το μήκος, στο δοκιμίου τρεις στρώσεις ανθρακοϋφάσματος πάχους 0.12mm ICS-M και μία στρώση χαλυβδοϋφάσματος IS3X2S-M αντίστοιχα. Στο τέταρτο δοκίμιο αυτής της ομάδας έγινε ενίσχυση με λωρίδες χαλυβδοϋφάσματος, σε μία στρώση, πάχους 50mm, οι οποίες τοποθετήθηκαν ανά 50mm σύμφωνα με το σχήμα 4. Σχήμα 4. Ενίσχυση δοκιμίων έναντι διάτμησης. ICS-M, IS3X2S-M αριστερά και IS12XS-M δεξιά. Η περιγραφή των υλικών ενίσχυσης γίνεται στην εργασία των Μιτολίδη κ. ά. (9α) και δίνονται αποτελέσματα από τις δοκιμές των σύνθετων υλικών με ρητίνη και από τις δοκιμές συνάφειας των υλικών αυτών με το σκυρόδεμα. f(mpa) Διάγραμμα Τάσης - Παραμόρφωσης Λείων χαλύβων Συνεχής Γραμμή Φ8, Διακεκομένη Γραμμή Φ ε(%) f(mpa) Διάγραμμα Τάσης - Παραμόρφωσης Χαλύβων με Νευρώσεις Φ12, Φ16, Φ ε(%) Σχήμα 5. Διαγράμματα τάσης παραμόρφωσης χαλύβων των δοκιμίων. 6

7 Οι δύο καμπύλες των νόμων τάσης παραμόρφωσης των λείων χαλύβων αφορούν διαφορετικές ποιότητες οπλισμών. Το μόνο κοινό στοιχείο των δύο αυτών χαλύβων είναι η λεία επιφάνειά τους. Σκυρόδεμα Η ποιότητα σκυροδέματος που χρησιμοποιήθηκε κατασκευάσθηκε βάσει της λογικής ότι για τα πολυώροφα κτίρια που κατασκευάζονταν πριν έτη χρησιμοποιούνταν ποιότητα σκυροδέματος Β225. Το σκυρόδεμα, αυτό, που παράχθηκε στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας είχε μέση κυλινδρική θλιπτική αντοχή 21.98MPa, μέση κυβική αντοχή MPa και εφελκυστική αντοχή 2.42MPa. Χάλυβας Οπλισμών Για την όπλιση των δοκιμίων χρησιμοποιήθηκαν οι ποιότητες οπλισμών που παρουσιάζονται λεπτομερώς στο σχήμα 5. Στην μία περίπτωση περιλαμβάνονται λείοι οπλισμοί χαμηλότερης αντοχής ενώ στην δεύτερη περίπτωση περιλαμβάνονται οπλισμοί με νευρώσεις υψηλότερης αντοχής. Για τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών αντοχής και παραμόρφωσης των οπλισμών έγιναν δοκιμές εφελκυσμού στο εργαστήριο. Όπου χρησιμοποιείται οπλισμός χωρίς νευρώσεις αυτός χαρακτηρίζεται με το όνομα ΛΕΙΟΣ. Δοκιμές Δοκών Για την καταγραφή της απόκρισης των δοκιμίων κατά τις δοκιμές χρησιμοποιήθηκαν 8 αισθητήρες μετατοπίσεων και παραμορφώσεων σύμφωνα με το σχήμα 6. Οι αισθητήρες αυτοί τοποθετήθηκαν στις δύο πλευρές του δοκιμίου (διαφορετικοί σε κάθε πλευρά). Οι δοκιμές έγιναν στην πειραματική διάταξη του σχήματος 6, με φόρτιση του δοκιμίου σε δύο σημεία εκατέρωθεν του μέσου του. Τα δοκίμια επέδειξαν καμπτική αστοχία τα επτά και διατμητική αστοχία το ένα χωρίς ενίσχυση. DL HL HMC HMT DR HR MD SD Σχήμα 6. Διάταξη των LVDTs και Πειραματική διάταξη. 7

8 Από τα επτά αυτά δοκίμια τα τέσσερα πρώτα, με καμπτική ενίσχυση και χωρίς ενίσχυση, αστόχησαν καμπτικά και τα τρία που ενισχύθηκαν έναντι διάτμησης αστόχησαν ομοίως καμπτικά. Τα δοκίμια με την καμπτική αστοχία επέδειξαν σαφή αύξηση της καμπτικής αντοχής με την χρήση των υλικών ενίσχυσης που εφαρμόσθηκαν. Η αύξηση αντοχής σε όλες τις περιπτώσεις ήταν παρόμοια καθώς καθοριστική για την ενίσχυση ήταν η αντοχή της ρητίνης που χρησιμοποιήθηκε. Τα δοκίμια που ενισχύθηκαν έναντι διάτμησης επέδειξαν καμπτική αστοχία και σαφώς μεγαλύτερη αντοχή από το δοκίμιο χωρίς ενίσχυση που αστόχησε διατμητικά. IVM ICM IS3X2M IS12XM Σχήμα 7. Εικόνες των δοκιμίων στηρίξεων δοκών, χωρίς ενίσχυση και με καμπτική αστοχία (το πρώτο) και με καμπτική ενίσχυση και καμπτική αστοχία (τα τρία επόμενα), μετά την δοκιμή. 8

9 IVS ICS-M IS3X2S-M IS12XS-M Σχήμα 8. Εικόνες των δοκιμίων στηρίξεων δοκών, χωρίς ενίσχυση, με διατμητική αστοχία (το πρώτο) και με διατμητική ενίσχυση και καμπτική αστοχία (τα τρία επόμενα), μετά την δοκιμή. Αποτελέσματα και Σχολιασμός Από τις εικόνες αστοχίας των δοκών και από τα Σχήματα 9 και 10 προκύπτει ότι στα δοκίμια επήλθε ο τρόπος αστοχίας που προβλέφθηκε. Από τις αντοχές που αναπτύχθηκαν από τα δοκίμια με ενισχύσεις και χωρίς ενισχύσεις προκύπτει ότι τα χαλυβδοϋφάσματα ενδείκνυνται για την καμπτική και διατμητική ενίσχυση δοκών. Τα υλικά αυτά είναι εξίσου αποτελεσματικά με τα ΙΟΠ από ίνες άνθρακα στην ενίσχυση δοκών Ο/Σ. Στην παρούσα εργασία η ενίσχυση έγινε σε δοκίμια δοκών που αντιπροσωπεύουν τμήματα δοκού δεξιά και αριστερά της στήριξης. Μία σημαντική παράμετρος που διερευνήθηκε στα δοκίμια αυτά ήταν η αγκύρωση του σύνθετου υλικού σε περιοχή χωρίς ένταση, μετά τις στηρίξεις, και σε περιοχή με εφελκυστική ένταση, πριν τις στηρίξεις. Δεν παρατηρήθηκε σημαντική διαφοροποίηση στην αντοχή και παραμόρφωση των δοκίμίων λόγω αυτής της παραμέτρου. Αντιθέτως το δοκίμιο με περιορισμένο μήκος αγκύρωσης 9

10 του χαλυβδοϋφάσματος επέδειξε υψηλότερη αντοχή από το όμοιό του με καλύτερο μήκος αγκύρωσης. Από την παρατήρηση του σχήματος 9β, προκύπτει ότι στο δοκίμιο με αυξημένο μήκος αγκύρωσης το χαλυβδοϋφασμα αποκολλήθηκε σημαντικά νωρίτερα από ότι στα άλλα δύο δοκίμια. Στα δοκίμια με καμπτική ενίσχυση παρατηρήθηκε αύξηση της δυσκαμψίας σε σχέση με το δοκίμιο χωρίς ενίσχυση. Επίσης τα δοκίμια που ενισχύθηκαν έναντι κάμψης με χαλυβδοϋφάσματα επέδειξαν ελαφρώς μεγαλύτερη ικανότητα παραμόρφωσης από το δοκίμιο που ενισχύθηκε με ελάσματα άνθρακα, Σχήμα 9α. Όλα τα δοκίμια που ενισχύθηκαν καμπτικά μετά την αποκόλληση της ενίσχυσης η αντοχή ήταν χαμηλότερη από την αντοχή του δοκιμίου χωρίς ενίσχυση. Αυτό αιτιολογείται από το γεγονός ότι στα ενισχυμένα δοκίμια αναπτύσσονταν περισσότερα κατανεμημένα καμπτικά ρήγματα από ότι στα δοκίμια χωρίς ενίσχυση. Μετά την αποκόλληση της ενίσχυσης η δοκός είχε ελαφρά μεγαλύτερη ευκαμψία σε σχέση με το δοκίμιο χωρίς ενίσχυση. (α) kn M.D.DISP. - APPL.FORCE IS3X2M IVM IS12XM ICM mm (β) kn H.M.T.DISP. - APPL.FORCE IVM IS3X2M ICM IS12XM mm Σχήμα 9. (α) Διαγράμματα δύναμης βύθισης δοκιμίων και (β) διαγράμματα εφελκυστικής παραμόρφωσης μεσαίου τρίτου δοκιμίων δύναμης (L 0 =0.30m). (α) kn M.D.DISP. - APPL.FORCE IS3X2S-M IVS ICS-M IS12XS-M mm (β) kn D.R.DISP. - APPL.FORCE IS3X2S-M IVS ICS-M IS12XS-M mm Σχήμα 10. (α) Διαγράμματα δύναμης βύθισης δοκιμίων και (β) διαγράμματα διαγώνιας παραμόρφωσης ακραίου τρίτου δοκιμίων δύναμης (L 0 =0.85m). 10

11 Στα δοκίμια που ενισχύθηκαν έναντι διάτμησης παραλήφθηκε σημαντική τέμνουσα δύναμη από τις ενισχύσεις και τα δοκίμια επέδειξαν καμπτικό τρόπο αστοχίας. Αυτό επαληθεύεται από το γεγονός ότι το δοκίμιο χωρίς ενίσχυση αστόχησε σε διάτμηση. Δοκιμάσθηκαν δύο δοκίμια ενισχυμένα σε διάτμηση με χαλυβδοϋφάσματα. Ένα με πλήρη κάλυψη με μία στρώση υλικού ενίσχυσης IS3X2S-M και ένα με την μισή ποσότητα υλικού ενίσχυσης σε λωρίδες των πέντε εκατοστών ανά πέντε εκατοστά (μία στρώση επίσης). Και στις δύο αυτές περιπτώσεις επιτεύχθηκε ενίσχυση των στηρίξεων των δοκών εξίσου καλά με τα ΙΟΠ από ίνες άνθρακα Σχήμα 10α. Σύμφωνα με το σχήμα 10β στα δοκίμια που ενισχύθηκαν έναντι διάτμησης η αδιόρθωτη διαγώνια παραμόρφωση περιορίσθηκε από τα οκτώ χιλιοστά στα τρία χιλιοστά. Αυτό συνέβη παρά την σημαντική αύξηση της αναπτυσσόμενης έντασης στις ενισχυμένες δοκούς. Διαπιστώθηκε ότι κατά την εφαρμογή σύνθετων υλικών με ίνες σε μία διεύθυνση για την διατμητική ενίσχυση δοκών δεν επηρεάζεται η καμπτική παραμόρφωση καθώς παρατηρήθηκε εκτενής καμπτική ρηγμάτωση μετξύ των ινών των ΙΟΠ που χρησιμοποιήθηκαν. Τα δοκίμια που ενισχύθηκαν έναντι διάτμησης επέδειξαν πλάστιμη συμπεριφορά καθώς η ικανότητα παραμόρφωσης επεκτάθηκε από τα 17mm στα 35mm. Αυτή η βύθιση αναπτύχθηκε στο ένα μέτρο μήκους του κάθε άκρου. Στα δοκίμια με καμπτική ενίσχυση τα ΙΟΠ αποκολλήθηκαν για βύθιση 12-13mm δείχνοντας ότι η αποκόλληση της ενίσχυσης επέρχεται για μικρή μετακίνηση. Από αυτές τις παρατηρήσεις προκύπτει ότι με την ενίσχυση του μηχανισμού διάτμησης, του οποίου η αστοχία είναι ανεπιθύμητη, βελτιώνονται τα χαρακτηριστικά ανελαστικής παραμόρφωσης και αντοχής των δοκιμίων. Αντιθέτως με την καμπτική ενίσχυση των στηρίξεων δοκών δεν είναι βέβαιο ότι επέρχεται σαφής βελτίωση των ανελαστικών χαρακτηριστικών των δοκών λόγω της αποκόλλησης των ΙΟΠ για μικρή παραμόρφωση. Παρόμοιο συμπέρασμα διατυπώθηκε για την χρήση των ΙΟΠ σε περιοχή που αναμένονται καμπτικές ανελαστικές παραμορφώσεις στις κρίσιμες περιοχές τοιχωμάτων, Αντωνιάδης, 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Με την χρήση των SRP ενισχύεται η φέρουσα ικανότητα των δοκών στις στηρίξεις κατά 80%, εξίσου καλά όπως με την χρήση των ελασμάτων CFRP. Μετά την αστοχία της ενίσχυσης (αποκόλληση) βρέθηκε ότι η αντοχή των δοκιμίων ήταν χαμηλότερη από την αντοχή του δοκιμίου χωρίς ενίσχυση. Αυτό αιτιολογείται από το γεγονός ότι στα ενισχυμένα δοκίμια αναπτύσσονταν περισσότερα κατανεμημένα καμπτικά ρήγματα από ότι στα δοκίμια χωρίς ενίσχυση. Σε όλα τα καμπτικά ενισχυμένα δοκίμια η αστοχία προήλθε από αποκόλληση των συνθετών υλικών. Η αποκόλληση αυτή είχε ως σημείο έναρξης την περιοχή μεταξύ του μέσου του δοκιμίου και της περιοχής αγκύρωσης. Επίσης η αστοχία στα δοκίμια των ανοιγμάτων επήλθε για μεγαλύτερη παραμόρφωση απ ότι στα δοκίμια των στηρίξεων. Στο δοκίμιο της στήριξης δοκού χωρίς ενίσχυση με διατμητική αστοχία επιτεύχθηκε η αλλαγή του τρόπου αστοχίας από τη ανεπιθύμητη διατμητική αστοχία στην επιθυμητή καμπτική αστοχία. Αυτό 11

12 έγινε μέσω της ενίσχυσης των δοκιμίων, που αντιπροσωπεύουν τμήμα δοκού κοντά στις στηρίξεις, έναντι διάτμησης με ΙΟΠ σε όλο το μήκος και με λωρίδες ΙΟΠ. Για τον λόγο αυτό παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση της αντοχής και της ικανότητας παραμόρφωσης των ενισχυμένων δοκιμίων έναντι τέμνουσας. Η αγκύρωση του ΙΟΠ σε περιοχές όπου το οπλισμένο σκυρόδεμα δεν εφελκύεται (πέρα από τις στηρίξεις) δεν επηρεάζει την ικανότητα αντοχής και παραμόρφωσης των δοκιμίων σε σχέση με την περίπτωση αγκύρωσης των ΙΟΠ στην εφελκυόμενη ίνα της δοκού πριν τις στηρίξεις. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Το παρόν ερευνητικό πρόγραμμα συγχρηματοδοτείται κατά 67.5% από το Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο, κατά 22.5% από την Γ.Γ.Ε.Τ. στο πλαίσιο του Μέτρου 8.3 του Ε.Π.ΑΝ.- Γ Κ.Π.Σ. και κατά 10% από την εταιρεία Sika Hellas. Τους οπλισμούς που χρησιμοποιήθηκαν στα δοκίμια των δοκών τους χορήγησε η εταιρία ΣΙΔΕΝΟΡ ΑΒΕΕ. Η ερευνητική ομάδα εκφράζει τις ευχαριστίες της στους προαναφερθέντες φορείς και εταιρείες. ΑΝΑΦΟΡΕΣ Antoniades, K., Salonikios, T., Kappos, A., Cyclic tests on seismically damaged R/C walls strengthened using FRP reinforcement, ACI Structural Journal, Vol., No. 4, July August (3), Antoniades, K., Salonikios, T., Kappos, A., Tests on Seismically Damaged R/C Walls Repaired and Strengthened Using FiberReinforced Polymers Journal of Composites for Construction, ASCE, Vol 9, No 3, May June (5), Αντωνιάδης, Κ., Εργαστηριακή και Υπολογιστική Μελέτη της Σεισμικής Συμπεριφοράς Τοιχωμάτων από Οπλισμένο Σκυρόδεμα Επισκευασμένων και Ενισχυμένων με Ινοπλισμένα Πολυμερή. Διδακτορική Διατριβή (υπό την επίβλεψη του Καθ. Α. Κάππου), Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη, 5. Casadei, P., Nanni, A., Alkhrdaji, T. and Thomas, J., Performance of Double- T Prestressed Concrete Beams Strengthened with Steel Reinforced Polymer, 7 th Int. Symp. FRP Reinforcement for Concrete Structures, SP-230, ACI Vol. 1, Farmington Hills, USA (5), Paper # 44, Casadei, P., Nanni, T., Alkhrdaji, T. and Thomas, J. Performance of Double- T Prestressed Concrete Beams Strengthened with Steel Reinforced Polymer, 12

13 Advances in Structural Engineering - An International Journal, Vol.8, No4, (5) Casadei, P., Nanni, A. and Alkhrdaji, T. Steel Reinforced Polymer: an Innovative and Promising Material for Strengthening the Infrastractures. Concrete Engineering International, UK, Vol. 9 No.1, (5), p 54. Figeys, W., Schueremans, L., Brosens, K. and Van Gemert, D., Strengthening of Concrete Structures using Steel Wire Reinforcement Polymer, 7 th Int. Symp. FRP Reinforcement for Concrete Structures, SP-230, ACI Vol. 1, Farmington Hills, USA (5), Paper # 43, Kim, J.Y., Fam, A., Kong, A. and El-Hacha, R., Flexural Strengthening of RG Beams Using Steel Reinforced Polymer (SRP) Composites, 7 th Int. Symp. FRP Reinforcement for Concrete Structures, SP-230, ACI Vol. 1, Farmington Hills, USA (5), Paper # 93, Μιτολίδης, Γ., Σαλονικιός, Θ., Κάππος, Α., Καμπτική Ενίσχυση Ανοιγμάτων Δοκών Ο/Σ με Πολυμερή Οπλισμένα με Χάλυβα (SRP) και Άνθρακα (CFRP), 16 ο Συνέδριο Σκυροδέματος, Πάφος, Κύπρος, (9), υποβλήθηκε για δημοσίευση. Pecce, M., Ceroni, F., Prota, A. and Manfredi, G. Response Prediction of RC Beams Externally Bonded with Steel Reinforced Polymers, Journal of Composites for Construction, ASCE, Vol.10, No. 3 (6), Prota, A., Manfredi, G., Nanni, A., Cosenza, E. and Pecce, M. Flexural Strengthening of RC Beams using Emerging Materials: Ultimate Behavior, 2 nd Int. Conf. on FRP Composites in Civil Engineering, CICE 4, Adelaide, Australia (4), Prota, A., Tan Yong, K., Nanni, A., Pecce, M. and Manfredi, G. Performance of Shallow RC Beams with Externally Bonded Steel-Reinforced Polymer, ACI Structural Journal, Vol.103, No2 (6), Wobbe, E., Silva, P.F., Barton, B.L., Dharani, L.R., Birman, V., Nanni, A., Alkhrdaji, T., Thomas, J. and Tunis, T. Flexural Capacity of RC Beams Externally Bonded with SRP and SRG, Proceedings of Society for the Advancement of Material and Process Engineering, Symposium, Long Beach, Ca, USA (4),