Μ.Σ. Κώνστα-Γδούτου, Επίκουρη Καθηγήτρια, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, ηµοκρίτειο Πανεπιστήµιο Θράκης

Transcript

1 ιεθνής Συνεργασία για τη ιερεύνηση Συνάφειας Ράβδων από Σύνθετα Υλικά Οπλισµένων µε 'Iνες (FRPs): International Round Robin Tests (irrt) for the Evaluation of Bond Properties of FRP Bars in Concrete Μ.Σ. Κώνστα-Γδούτου, Επίκουρη Καθηγήτρια, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, ηµοκρίτειο Πανεπιστήµιο Θράκης Χρ. Κοντοµήτρος Μεταπτυχιακός Φοιτητής, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, ηµοκρίτειο Πανεπιστήµιο Θράκης Κ. Pilakoutas and M. Guadagnini Centre for Cement Concrete, Dept. of Civil and Structural Eng., University of Sheffield, UK Λέξεις Κλειδιά: Σύνθετα Υλικά Οπλισµένα µε Ίνες, (FRP), Συνάφεια, Εξόλκευση ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Η χρήση των συνθέτων υλικών υψηλής τεχνολογίας, σε κατασκευές Πολιτικού Μηχανικού, γνωστών στη διεθνή βιβλιογραφία ως Fiber Reinforced Plastics (FRPs), αυξάνεται σταθερά τα τελευταία χρόνια, καθώς η συνεχής έρευνα και ανάπτυξή τους έχει οδηγήσει σε µείωση του κόστους τους που µέχρι τελευταία αποτελούσε και το βασικό εµπόδιο στην είσοδό τους στην κατασκευαστική βιοµηχανία. Το Πανεπιστήµιο του Sheffield, υπό την αιγίδα του TMR Network "ConFibreCrete" (ConFiberCrete 2002), του Fib TG 9.3 (International Federation of Concrete) και του οργανισµού ISIS (Ιntelligent Sensing for Innovative Structures) του Καναδά, έχει ξεκινήσει µια διεθνή συνεργασία (irrt 2002), 13 Ευρωπαϊκών Πανεπιστηµίων και 7 εργοστασίων κατασκευής FRPs, µε απώτερο στόχο την ανάπτυξη κανονισµών, συγκεκριµένων µεθοδολογιών και διαδικασιών χρήσης και εφαρµογής των FRPs στο οπλισµένο σκυρόδεµα. Στην παρούσα εργασία αναλύεται η µεθοδολογία των πειραµάτων εξόλκευσης σε κύβους ακµής 20 cm και πρισµατικές δοκούς 20x10 cm, καθώς επίσης παρουσιάζονται αποτελέσµατα που πραγµατοποιήθηκαν από το Εργαστήριο Αντοχής του Τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών του ΠΘ κατά την διάρκεια της συµµετοχής του στο ερευνητική αυτή συνεργασία. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η συνεχής αυξανόµενη βιοµηχανική χρήση των συνθέτων υλικών οφείλεται στην µεγάλη τους αντοχή σε εφελκυσµό, στο µικρό βάρος τους, την ουδετερότητά τους σε ηλεκτροµαγνητικά ρεύµατα και την ανθεκτικότητά τους σε κόπωση και σε χηµικές προσβολές, για µεγάλο εύρος θερµοκρασιών. Τα σύνθετα υλικά έχουν χρησιµοποιηθεί ιδιαίτερα κατά τα τελευταία τριάντα χρόνια στην αεροναυπηγική βιοµηχανία σε αντικατάσταση των χρησιµοποιούµενων ακριβών µετάλλων και κραµάτων. Στην κατασκευαστική βιοµηχανία η χρήση τους αυξάνεται σταθερά κατά τα τελευταία χρόνια αφού ήδη έχουν δοκιµασθεί ιδιαίτερα σε χώρες όπως την Ιαπωνία, την Αµερική και τον Καναδά µε πολύ ενθαρρυντικά αποτελέσµατα (Κώνστα 1998). Για την ευρεία όµως εφαρµογή τους σε συµβατικές κατασκευές οπλισµένου σκυροδέµατος είναι απαραίτητη η ανάπτυξη αυστηρών προδιαγραφών παραγωγής, κανονισµών εργαστηριακού ελέγχου και η τεκµηριωµένη µεθοδολογία εφαρµογής τους.

2 2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ Στο Σχήµα 1 παρουσιάζονται τα 9 είδη συνθέτων υλικών που χρησιµοποιήθηκαν από τα 13 εργαστήρια ΑΕΙ στην Ευρώπη, Βόρειο Αµερική και Μέση Ανατολή που συµµετέχουν στην ερευνητική συνεργασία. Οι ράβδοι προµηθεύτηκαν από έξι διαφορετικούς κατασκευαστές και διέφεραν ως προς τη διατοµή, το είδος των ινών (ίνες άνθρακα, γυαλιού και αραµιδίου), το είδος της ρητίνης που αποτελεί τη µήτρα του σύνθετου υλικού και τα χαρακτηριστικά υφής της επιφάνειάς τους. Στον Πίνακα 1 παρουσιάζονται οι κατασκευαστές, το είδος καθώς και η εφελκυστική αντοχή και το µέτρο ελαστικότητας των ράβδων FRP που χρησιµοποίησε στα πειράµατά του το ΠΘ. Σχήµα 1: Ράβδοι FRP που χρησιµοποιήθηκαν στην συνεργασία irrt. Από αριστερά προς τα δεξιά: GFRP rebar (Chile S.A.), #3 C-BAR Carbon and #3 C-BAR Glass (Marshall Industries Composites Inc.), ISOROD-Glass (Pultrall, Inc.), GFRP rebar (Eurocrete Ltd.), #2 GFRP, #3 GFRP and #5 GFRP bars (Hughes Brothers), Carbopree and Arapree (Sireg Spa) Πίνακας 1: Κατασκευαστές και µηχανικές ιδιότητες ράβδων FRP που χρησιµοποιήθηκαν από το ΠΘ α/α Κατασκευαστής Τύπος δοκιµίων Nominal diameter (mm) Tensile strength (MPa) 1 Marshall Industries # 3 Carbon C-bar Composites, Inc. 2 Sireg Spa 10mm Carbopree rebars Hughes Brothers GFRP rods with surface ,8 texture and helical groove 4 Eurocrete Ltd 8mm square GFRP bars τετράγωνες 5 Pultrall Inc. 10mm GFRP rebars Sireg Spa 10mm Arapree rebars Re-Bars Chile S.A. 10mm GFRP rebars Hughes Brothers 9mm GFRP rebars ,8 9 Marshall Industries Composites, Inc. # 3 Glass C-bar Elastic modulus (GPa) Ο πρωταρχικός στόχος της συνεργασίας αυτής είναι η διερεύνηση της επιρροής διαφόρων παραµέτρων στη συνάφεια που αναπτύσσουν ράβδοι FRP µε το σκυρόδεµα. Η µεταφορά του επιβαλλόµενου φορτίου από τον οπλισµό στη µάζα του σκυροδέµατος επιτυγχάνεται µέσω του µηχανισµού της συνάφειας ο οποίος καθορίζεται από τρεις παραµέτρους: πρόσφυση, τριβή και διατµητική συνεργασία. Η τάση συνάφειας των FRPs αναπτύσσεται µε διαφορετικό τρόπο από ότι

3 στον συµβατικό χάλυβα µε νευρώσεις εξ αιτίας της διαφορετικής φύσης του υλικού και της διαφορετικής υφής της εξωτερικής τους επιφάνειας. Για τον λόγο αυτό και µε βάση προηγούµενη εµπειρία (Αχιλλίδης, 1996) σχεδιάστηκαν δύο απλές δοκιµές. η δοκιµή της εξόλκευσης από κύβους σκυροδέµατος (pull out test) έτσι ώστε να παρατηρηθεί αστοχία στην επιφάνεια της ράβδου και όχι απόσχιση του σκυροδέµατος. Στη δοκιµή εξόλκευσης από δοκούς (splitting test) επέρχεται αστοχία από απόσχιση του σκυροδέµατος. Η αναπτυσσόµενη τάση συνάφειας µπορεί να θεωρηθεί ως αντιπροσωπευτική της τάσης συνάφειας που αναπτύσσεται στην περιοχή της επικάλυψης. Εδώ θα πρέπει να σηµειωθεί όµως ότι καµία από τις δύο αναπτυσσόµενες τάσεις συνάφειας δεν αντιπροσωπεύει τη την τιµή που µπορεί να εφαρµοσθεί στο στάδιο του σχεδιασµού δοµικών στοιχείων από οπλισµένο σκυρόδεµα. 2.1 Παρασκευή οκιµίων Στα FRP έχει παρατηρηθεί ότι η τάση συνάφειας αυξάνεται για αντοχές σκυροδέµατος µέχρι C30. Για µεγαλύτερες τιµές όµως θλιπτικής αντοχής η τάση συνάφειας παραµένει πρακτικά σταθερή όπου και παρατηρείται αστοχία στην επιφάνεια της ράβδου λόγω ρήξης ρητίνης-ινών. Για το λόγο αυτό για τα πειράµατα επιλέχτηκε σκυρόδεµα θλιπτικής αντοχής τουλάχιστον 40 MPa µε µέγιστο κόκκο αδρανών 14 mm και ελάχιστο χρόνο συντήρησης την ηλικία των 14 ηµερών. Για τον προσδιορισµό της θλιπτικής αντοχής θα πρέπει να χρησιµοποιηθούν τουλάχιστον 6 κύλινδροι 150x30 mm. H εφελκυστική αντοχή µπορεί να υπολογισθεί σύµφωνα µε την δοκιµή Brazilian Splitting Test. Λεπτοµέρειες των κυβικών δοκιµίων που χρησιµοποιήθηκαν για την δοκιµή εξόλκευσης βρίσκονται στο Σχήµα 2 και των πρισµατικών στο Σχήµα 3. Οι διαστάσεις των ξυλοτύπων 20x20x20 cm επιλέχτηκαν για να αποφευχθεί αστοχία του πειράµατος λόγω απόσχισης του σκυροδέµατος σύµφωνα µε αποτελέσµατα βασιµένα σε προηγούµενη εµπειρία των µελετητών, κατασκευάστηκαν δε από ειδική ξυλεία ώστε τα δοκίµια να έχουν άριστη επιφάνεια και ακρίβεια στις διαστάσεις τους. Για τον ίδιο λόγο η διάµετρος των ράβδων δεν µπορούσε να ξεπερνά τα 20 mm. Η σωστή τοποθέτηση των οπλισµών FRP εξασφαλίστηκε µε ένα σύστηµα από νήµατα τα οποία καθόριζαν ακριβώς το κέντρο κάθε κύβου και συγκρατούσαν στην κατάλληλη θέση την κάθε ράβδο. Το συνεργαζόµενο µήκος FRP-σκυροδέµατος επιλέχτηκε για λόγους συγκρίσεως να αποτελεί ακέραιο πολλαπλάσιο της διαµέτρου της ράβδου. Πλαστικό φίλµ Ø Σχήµα 2 : Κύβοι σκυροδέµατος για την δοκιµή της εξόλκευσης (Pull Out Test) 200

4 5Ø 1 0 2Ø Σχήµα 3 : Πρισµατικά δοκίµια σκυροδέµατος για την δοκιµή της εξόλκευσης (Splitting Test) 2.3 Πειραµατική διάταξη Για τα πειράµατα χρησιµοποιήθηκε η ηλεκτρονικά ελεγχόµενη µηχανή καταπόνησης MTS δυναµικότητας 250 ΚΝ του εργαστηρίου Μηχανικής του ΠΘ.µε την οποία είναι δυνατή η επιβολή ρυθµού µετακίνησης (Displacement control) του εµβόλου. Για την επιτυχή εξόλκευση των ράβδων FRP από τους κύβους σκυροδέµατος σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε µια ιδιοκατασκευή αποτελούµενη από ένα σύστηµα παράλληλων µεταλλικών πλακών µεταξύ των οποίων τοποθετούνταν οι κύβοι και από ένα σύστηµα συγκράτησης του ελεύθερου άκρου στο κινούµενο έµβολο της µηχανής. Αναλυτικότερα, το υποσύστηµα έδρασης των κύβων αποτελούνταν από δυο µεταλλικές πλάκες η µια εκ των οποίων αρθρωνόταν στην ακίνητη δυναµοκυψέλη (load cell) της µηχανής και η δεύτερη µε την βοήθεια τεσσάρων κοχλιών µεγάλου µήκους συνδεόταν µε την πρώτη. Η δεύτερη πλάκα. έφερε κυκλική οπή στο κέντρο της, διαµέσου της οποίας οι κύβοι τοποθετούνταν µε την προεξέχουσα ράβδο προς το κινούµενο έµβολο. Το σύστηµα αυτό εξασφάλιζε δυο σηµαντικές παραµέτρους, το ίδιο βάρος των κύβων δεν επηρέαζε την µετρούµενη δύναµη εξόλκευσης και επιπλέον τυχόν µικροανωµαλίες της επιφάνειας των κύβων από την σκυροδέτηση δεν επηρέαζαν την αξονική επιβολή φορτίου δεδοµένου ότι το όλο σύστηµα µε την έναρξη επιβολής φορτίου είχε την δυνατότητα οριζόντιων µικροµετατοπίσεων και στροφών περί το κατακόρυφο επίπεδο. Το δεύτερο υποσύστηµα της ιδιοκατασκευής προέκυψε από την εµπειρία παλαιότερων πειραµάτων κατά τα οποία οι ράβδοι FRP συνθλίβονται τοπικά από τις δυνάµεις που ασκούσαν οι κλασσικές µηχανικές αρπάγες κατάλληλες για επίπεδες διατοµές. Για το λόγο αυτό πριν την έναρξη της πειραµατικής διαδικασίας είχαν τοποθετηθεί σε κάθε ράβδο από µια σωληνωτή µεταλλική διατοµή µε την βοήθεια εποξειδικής κόλλας υψηλής διατµητικής αντοχής. Οι διαστάσεις (µήκος) της παραπάνω σωληνωτής διατοµής είχαν υπολογιστεί προσεκτικά ώστε να αποκλειστεί η περίπτωση διατµητικής αστοχία µεταξύ σωληνωτής διατοµής και επιφάνειας ράβδων. Σηµειώνεται ότι δόθηκε ιδιαίτερη προσοχή στην σωστή τοποθέτηση των µεταλλικών αυτών στοιχείων ενώ παράλληλα εφαρµόστηκαν πιστά οι οδηγίες του κατασκευαστή για τον πλήρη πολυµερισµό του εποξειδικού υλικού σε περιβάλλον δωµατίου. Στο κινούµενο έµβολο της µηχανής εφελκυσµού είχε τοποθετηθεί διαιρούµενη σωληνωτή διάταξη το άνω τµήµα της οποίας έφερε ειδικό δακτύλιο ώστε να κινείται µέσα του ελεύθερα η ράβδος όχι όµως και το άκρο της µε την σωληνωτή διατοµή. Για την συλλογή των απαραίτητων µετρήσεων κατά την διάρκεια εξέλιξης των πειραµάτων χρησιµοποιήθηκαν αφενός το µυκηνσιόµετρο και η δυναµοκυψέλη της µηχανής και αφετέρου τρία εξωτερικά µυκηνσιόµετρα, δύο στο φορτιζόµενο άκρο και ένα στο αφόρτιστο για να µετρούν την ολίσθηση της ράβδου στα δύο άκρα. Η πειραµατική διάταξη φαίνεται στο Σχήµα 4.

5 Σχήµα 4: Πλαίσιο Καταπόνησης του Εργαστηρίου Αντοχής των Υλικών του ΠΘ που χρησιµοποιήθηκε για τις δοκιµές εξόλκευσης 2.4 Αποτελέσµατα Για τον υπολογισµό της µέσης τάσης συνάφειας που αναπτύσσεται µεταξύ σκυροδέµατος και επιφάνειας της ράβδου, απαιτούνται οι καταγραφές της δύναµης εξόλκευσης (P), οπότε µε την βοήθεια της σχέσης P τ αω = π φ L Όπου τ= Μέση τάση συνάφειας (MPa) P= ύναµη εξόλκευσης ф= ιάµετρος ράβδου (mm) L= Συνεργαζόµενο µήκος ράβδου-σκυροδέµατος (5 )

6 υπολογίζεται η µέση τάση συνάφειας κάθε χρονική στιγµή του πειράµατος. Εδώ θα πρέπει να τονιστεί ότι από τις καταγραφόµενες τιµές ολίσθησης που παρουσιάζει η ράβδος, πρέπει για µεγαλύτερη αξιοπιστία να αφαιρείται η εφελκυστική επιµήκυνση που παρουσιάζει το ελεύθερο άκρο της, όπως και έγινε στο αντιπροσωπευτικό διάγραµµα τάσης συνάφειας-ολίσθησης που ακολουθεί στο Σχήµα 5. Bond stress (MPa) Bond stress - Slip Slip test 3 (mm) Slip test 2 (mm) Slip test 1 (mm) Slip (mm) Σχήµα 5: ιάγραµµα τάσης συνάφειας-ολίσθησης ράβδων #3 Carbon C-Bar, Marshall Industries Composites, Inc. 2.5 Συµπεράσµατα Η συγκεκριµένη διεθνής συνεργασία αφορά την ανάπτυξη κανονισµών, συγκεκριµένων µεθοδολογιών και διαδικασιών χρήσης και εφαρµογής των FRPs στο οπλισµένο σκυρόδεµα, µέσω απλών και κυρίως αξιόπιστων πειραµάτων. Από την παρούσα πειραµατική εργασία αποδεικνύεται κατά πρώτο λόγο η σηµαντικότητα σχεδιασµού µιας άρτιας και συνάµα λειτουργικής πειραµατικής διάταξης. Σε µια δοκιµή εξόλκευσης οι ανεπιθύµητοι παράγοντες αλλοίωσης των καταγραφών είναι πολλοί και πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή. Από την σειρά των δοκιµίων που εξετάστηκαν στο.π.θ., δεν παρουσιάστηκε καµία αστοχία που να οφειλόταν στο σχεδιασµό των πειραµατικών διατάξεων (εκκεντρότητες, αθέλητες καµπτικές καταπονήσεις, κ.λ.π.) ενώ ταυτόχρονα σε κανένα δοκίµιο δεν εµφανίστηκε κώνος εξόλκευσης ή απόσχιση σκυροδέµατος, αποτέλεσµα το οποίο ήταν αναµενόµενο άλλωστε από τις διαστάσεις των κύβων και την ποιότητα του σκυροδέµατος. Όλοι οι τύποι ράβδων ανέπτυξαν την µέγιστη δυνατή τάση συνάφειας εκτός από µια οµάδα τριών ράβδων GFRP που αστόχησαν σε αξονικό εφελκυσµό. Οι ράβδοι διατήρησαν σηµαντικό ποσοστό της µέγιστης τάσης συνάφειας της τάξεως του 35%-40% ακόµα και για µεγάλες τιµές ολίσθησης. ΑΝΑΦΟΡΕΣ IRRT 2002, International Round Robin Test for FRP reinforcement, Sheffield, 18/10/2002. International Federation of Concrete, fib Task Group 9.3 (2002), FRP Reinforcement for Concrete Structures, International Federation for Structural Concrete, 18/10/2002

7 ISIS Canada (2002), Intelligent Sensing for Innovative Structures, ConFibreCrete 2002, Development of Guidelines for the Design of Concrete Structures, Reinforced, Prestressed or Strengthened with Advanced Composites, Training and Mobility of Researchers, Research Network TMR ConFibreCrete, 18/10/2002 Αχιλλίδης Ζ. & Πηλακούτας, Κ.(1996). Τάση συνάφειας Ράβδων Όπλισης από FRP µε το Σκυρόδεµα. 12 ο Ελληνικό Συνέδριο σκυροδέµατος, Λεµεσός, Κύπρος, Τόµος Ι, σελ Κώνστα-Γδούτου, Μ.Σ. & Σίδερης, Κ.Κ., Β/1998. Ενίσχυση Σκυροδέµατος µε Ράβδους από σύνθετα Υλικά. Επιστηµονική Έκδοση Κτίριο, σελ