3 o Πανελλήνιο Συνέδριο Αντισεισμικής Μηχανικής & Τεχνικής Σεισμολογίας 5 7 Νοεμβρίου, 2008 Άρθρο 1969 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Transcript

1 3 o Πανελλήνιο Συνέδριο Αντισεισμικής Μηχανικής & Τεχνικής Σεισμολογίας 5 7 Νοεμβρίου, 2008 Άρθρο 1969 Πειραματική Μελέτη Συμπεριφοράς Δοκών Ινοπλισμένου Σκυροδέματος υπό Στατική Μονοτονική και Ανακυκλιζόμενη Φόρτιση Κάμψης Experimental Study of the Response of Fiber-Reinforced Beams Subjected to Static Monotonic and Cyclic Bending Θεοχάρης ΠΑΠΑΘΕΟΧΑΡΗΣ 1, Φίλιππος Κ. ΠΕΡΔΙΚΑΡΗΣ 2, Κωνσταντίνος ΤΖΑΡΟΣ 3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Σκοπός της εργασίας είναι η πειραματική διερεύνηση της συμπεριφοράς σε κάμψη δοκών από ινοπλισμένο σκυρόδεμα. Τα δοκίμια περιλαμβάνουν δοκούς από ινοπλισμένο σκυρόδεμα, ινοπλισμένο σκυρόδεμα με διαμήκη και εγκάρσιο οπλισμό και συμβατικά οπλισμένες δοκούς ενισχυμένες με μανδύα ινοπλισμένου σκυροδέματος και συμβατικό οπλισμό ή μεταλλικό πλέγμα. Για το ινοπλισμένο σκυρόδεμα χρησιμοποιήθηκε τσιμεντοκονίαμα υψηλής αντοχής και ίνες χάλυβα σε ογκομετρικό ποσοστό V f =0,8% με μήκος/διάμετρο=71. Οι δοκοί υπεβλήθησαν σε στατική μονοτονική και ανακυκλιζόμενη φόρτιση κάμψης 3 ή 4 σημείων. Για τον προσδιορισμό της θλιπτικής και εφελκυστικής αντοχής του ινοπλισμένου σκυροδέματος κυβικά και κυλινδρικά δοκίμια δοκιμάσθηκαν σε μονοαξονική θλίψη και έμμεσο εφελκυσμό (διάρρηξη). ABSTRACT: The overall objective of this research is the experimental study of bending response of fiber-reinforced beams. The 180x15x20 (Lxbxh) cm specimens include fiberreinforced beams, fiber-reinforced beams with conventional steel reinforcement (longitudinal bars and stirrups) and conventional R/C beams strengthened with cast in-place fiber-reinforced jackets with longitudinal and transverse steel reinforcement or wire mesh. For the high-strength fiber concrete mix 0,8% by volume hooked-end steel fibers were used with an aspect ratio of 71. The beam specimens were subjected to displacement-control static monotonic and cyclic loading of 3- or 4-point bending. Α series of cubic and cylinder specimens were tested under uniaxial compression and splitting tension to determine the compressive and tensile strength of the fiber-reinforced concrete mix. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το συμβατικό σκυρόδεμα παρά τη σχετικά υψηλή θλιπτική αντοχή εμφανίζει χαμηλή σχετικά πλαστιμότητα. Η προσθήκη των ινών αποσκοπεί κυρίως στην αύξηση της ενέργειας παραμόρφωσης, στον αποτελεσματικότερο έλεγχο της ρηγμάτωσης και στη βελτίωση της συμπεριφοράς του σκυροδέματος σε εφελκυσμό και αύξησης της πλαστιμότητας. Παρά τα πλεονεκτήματα που έχουν διαφανεί από την προσθήκη ινών στο σκυρόδεμα δεν έχει καταστεί ακόμα δυνατή η πλήρης και συστηματική του εφαρμογή. Η συμπεριφορά του ινοπλισμένου σκυροδέματος εξαρτάται από διάφορες παραμέτρους που καθιστούν σχετικά δύσκολη την 1 Ερευνητής, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πολυτεχνική Σχολή, Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας, th_papath@yahoo.gr 2 Καθηγητής, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας, filperd@uth.gr 3 Υποψήφιος Διδάκτωρ, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας, ktzaros@uth.gr

2 εκτίμησή της και γι αυτό το λόγο είναι αναγκαία η περαιτέρω μελέτη της συμπεριφοράς του με συστηματικές πειραματικές δοκιμές. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται μέρος των πειραματικών αποτελεσμάτων ενός ερευνητικού προγράμματος που περιλαμβάνει την πειραματική μελέτη της συμπεριφοράς συνολικά είκοσι-τεσσάρων (24) δοκών από ινοπλισμένο σκυρόδεμα. Οι πειραματικές δοκιμές σε στατική μονοτονική και ανακυκλιζόμενη φόρτιση (μιας ή δύο κατευθύνσεων) κάμψης τριών (3) ή τεσσάρων (4) σημείων πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Τεχνολογίας και Κατασκευών Οπλισμένου Σκυροδέματος του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας (βλέπε Πίνακα 1). Επιπλέον, εβδομήντα-τρία (73) κυβικά και κυλινδρικά δοκίμια συμβατικού και ινοπλισμένου σκυροδέματος υπεβλήθησαν σε δοκιμές μονοαξονικής θλίψης και έμμεσου εφελκυσμού. Πίνακας 1. Πρόγραμμα δοκιμών κάμψης δοκών συμβατικού και ινοπλισμένου σκυροδέματος. κωδικός δοκών RC FRC-1 FRC-2 FRRC CFRT Οπλισμός Συμβατικός οπλισμός (διαμήκεις ράβδοι χάλυβα και συνδετήρες) ίνες χάλυβα (V f = 0,8%) (1 η σειρά) ίνες χάλυβα (V f = 0,8%) (2 η σειρά) αριθμός δοκιμίων 3 ινοπλισμένο σκυρόδεμα (V f = 0,8%) με συμβατικό οπλισμό (διαμήκεις ράβδοι χάλυβα και συνδετήρες) 3 μανδύας ινοπλισμένου σκυροδέματος (V f = 0,8%) με διαμήκεις ράβδους ή μεταλλικό πλέγμα σε δοκούς με συμβατικό οπλισμό (διαμήκεις ράβδοι χάλυβα και συνδετήρες) είδος φόρτισης μονοτονική φόρτιση κάμψης 3 και 4 σημείων πλήρως ανακυκλιζόμενη φόρτιση κάμψης 4 σημείων μονοτονική φόρτιση κάμψης 3 και 4 σημείων μονοτονική φόρτιση κάμψης 3 και 4 σημείων ανακυκλιζόμενη (πλήρης και μιας κατεύθυνσης) φόρτιση κάμψης 4 σημείων μονοτονική φόρτιση κάμψης 3 και 4 σημείων ανακυκλιζόμενη (πλήρης και μιας κατεύθυνσης) φόρτιση κάμψης 4 σημείων μονοτονική φόρτιση κάμψης 4 σημείων πλήρως ανακυκλιζόμενη φόρτιση κάμψης 4 σημείων Οι δοκιμές σε κάμψη (3 ή 4 σημείων) πλήρως ανακυκλιζόμενη (0 +δ 0 -δ 0) ή ανακυκλιζόμενη μιας κατεύθυνσης (0 +δ 0) πραγματοποιήθηκε με επιβολή της μετακίνησης του εμβόλου επιβολής φορτίου ή βέλους κάμψης της δοκού στο μέσον του ανοίγματος για δύο (2) κύκλους φόρτισης σε κάθε τιμή παραμόρφωσης με βάση ένα προκαθορισμένο ιστορικό φόρτισης (βλέπε Σχήμα 1). 2

3 Μετακίνηση εμβόλου (mm) ή μέγιστο βέλος κάμψης (mm) (-4) (-8) (-12) (-16) (-20) 30 Αριθμός κύκλων Σχήμα 1. Ιστορικό φόρτισης για την πλήρως ανακυκλιζόμενη φόρτιση κάμψης (επιβολή προκαθορισμένης μετακίνησης για 2 πλήρεις κύκλους φόρτισης). ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΔΟΚΙΜΙΩΝ Σκυροδετήθηκαν δοκοί (μήκoς x πλάτος x ύψος=180x15x20 cm), με συμβατικά οπλισμένο (RC) (Σχήμα 2α), ινοπλισμένο (FRC) (Σχήμα 2γ) και ινοπλισμένο σκυρόδεμα με συμβατικό οπλισμό (FRRC) (Σχήμα 2β). Οι συμβατικά οπλισμένες και οι ινοπλισμένες δοκοί είχαν διαμήκη οπλισμό 3Φ10 πάνω και κάτω και εγκάρσιο οπλισμό κατακόρυφων συνδετήρων Φ8/10 με περιμετρική επικάλυψη σκυροδέματος 3,0 cm. Στις δοκούς με την ενίσχυση μανδύα από ινοπλισμένο σκυρόδεμα (CFRT) μετά από 28 ημέρες συντήρησης της συμβατικά οπλισμένης δοκού (3Φ10 πάνω/κάτω και συνδετήρες Φ8/10) τοποθετήθηκε περιμετρικά ο οπλισμός της ενίσχυσης (διαμήκεις ράβδοι με συνδετήρες ή μεταλλικό πλέγμα) και σκυροδετήθηκε μανδύας ινοπλισμένου σκυροδέματος σε πάχος 3,5 cm (βλέπε Σχήμα 3). (α) (β) (γ) Σχήμα 2. Ονομαστικές διαστάσεις διατομής δοκών (α) συμβατικά οπλισμένων, (β) ινοπλισμένων με διαμήκη και εγκάρσιο οπλισμό και (γ) ινοπλισμένων χωρίς συμβατικό οπλισμό. (α) β) Σχήμα 3. Ονομαστικές διαστάσεις διατομής δοκών Ο/Σ ενισχυμένων με μανδύα ινοπλισμένου σκυροδέματος με (α) διαμήκεις ράβδους και συνδετήρες ή (β) πλέγμα χάλυβα Τ131. 3

4 Κατά τη σκυροδέτηση των δοκών ελήφθησαν και τα αντίστοιχα δοκίμια για τον έλεγχο της θλιπτικής και εφελκυστικής αντοχής του αντίστοιχου μίγματος σκυροδέματος σύμφωνα με τις διατάξεις του Ελληνικού Κανονισμού Τεχνολογίας Σκυροδέματος. Τα κυλινδρικά (διάμετρος x ύψος=15,2x30,5 cm) και κυβικά δοκίμια (15x15x15 cm) παρασκευάστηκαν και συντηρήθηκαν για 28 ημέρες σε θάλαμο συντήρησης μαζί με τις δοκούς σε χώρο της ΕΒΕΤΑΜ. ΥΛΙΚΑ Ο διαμήκης και εγκάρσιος οπλισμός που χρησιμοποιήθηκε στις συμβατικά οπλισμένες (RC) και ινοπλισμένες δοκούς (FRRC) είναι ποιότητας S500. Στην παρασκευή των ινοπλισμένων (FRC) και ινοπλισμένων με συμβατικό οπλισμό (FRRC) δοκών χρησιμοποιήθηκαν λείες ίνες χάλυβα, κυκλικής διατομής, με κεκαμμένα άκρα (βλέπε Σχήμα 4) και μέση εφελκυστική αντοχή μεγαλύτερη από 1400 MPa. Η ονομαστική τιμή του μήκους των ινών είναι 28,4 mm, της διαμέτρου 0,4 mm και ο λόγος μήκος/διάμετρο, l/d=71. Το ογκομετρικό ποσοστό των μεταλλικών ινών στο μίγμα του ινοπλισμένου σκυροδέματος είναι V f =0,8% που αντιστοιχεί σε βάρος ινών 63,1 gr ανά lt μίγματος Σχήμα 4. Μορφή και διαστάσεις (σε mm) των χαλύβδινων ινών. Η μέση θλιπτική αντοχή κυλίνδρου/κύβου για το συμβατικό και ινοπλισμένο σκυρόδεμα που χρησιμοποιήθηκε είναι 28,1/32,1 ΜPa και 69,2/82,2 ΜPa, αντίστοιχα, ενώ η μέση εφελκυστική αντοχή διάρρηξης 2,6 και 8,4 ΜPa. Οι τιμές της μέσης θλιπτικής και έμμεσης εφελκυστικής αντοχής του συμβατικού και ινοπλισμένου σκυροδέματος παρουσιάζονται στον Πίνακα 2. Η αστοχία αντιπροσωπευτικών δοκιμίων του συμβατικού και ινοπλισμένου σκυροδέματος σε μονοαξονική θλίψη κυβικών και έμμεσο εφελκυσμό κυλινδρικών δοκιμίων, παρουσιάζεται στα Σχήματα 5 και 6, αντίστοιχα. Επίσης, αντιπροσωπευτικά διαγράμματα τάσης-μετακίνησης εμβόλου για το συμβατικό και ινοπλισμένο σκυρόδεμα για τη δοκιμή μονοαξονικής θλίψης και έμμεσου εφελκυσμού παρουσιάζονται στα Σχήματα 7 και 8, αντίστοιχα. 4

5 Πίνακας 2. Θλιπτική και έμμεση εφελκυστική (διάρρηξη) αντοχή σκυροδέματος. κυβικά κυλινδρικά κυβικά κυλινδρικά δοκίμια RC-1(C) (*) (συμβατικό) RC-1(C) (*) (συμβατικό) FRC-1(C) (*) FRC-1(C) (*) Είδος δοκιμής μονοαξονική θλίψη μονοαξονική θλίψη μονοαξονική θλίψη μονοαξονική θλίψη αριθμός δοκιμίων ηλικία δοκιμίων (ημέρες) μέση θλιπτική ή εφελκυστική αντοχή, f cm ή f ctm (MPa) , , , ,14 κυβικά RC-1(C) (συμβατικό) μονοαξονική θλίψη ,14 κυβικά FRC-1(C) μονοαξονική θλίψη ,72 κυβικά FRC-2(C) μονοαξονική θλίψη ,80 κυλινδρικά FRC-3(C) μονοαξονική θλίψη ,30 κυλινδρικά RC-1(T) Έμμεσος εφελκυσμός ,58 κυλινδρικά FRC-1(T) Έμμεσος εφελκυσμός ,10 κυλινδρικά FRC-2(T) Έμμεσος εφελκυσμός ,02 κυλινδρικά FRC-3(T) Έμμεσος εφελκυσμός ,95 (*) οι δοκιμές έγιναν στο ΕΚΕΤ (α) (β) Σχήμα 5. Αστοχία σε μονοαξονική θλίψη κυβικών δοκιμίων: (α) ινοπλισμένου σκυροδέματος (FRC-2C2) και (β) συμβατικού σκυροδέματος (RC-1C3). 5

6 (α) (β) Σχήμα 6. Αστοχία σε έμμεσο εφελκυσμό κυλινδρικών δοκιμίων: (α) ινοπλισμένου σκυροδέματος (FRC- 2T1) και (β) συμβατικού σκυροδέματος (RC-1T3). Σχήμα 7. Αντιπροσωπευτικά διαγράμματα τάσης μετακίνησης κυβικού δοκιμίου ινοπλισμένου και συμβατικού σκυροδέματος σε μονοαξονική θλίψη. Σχήμα 8. Αντιπροσωπευτικά διαγράμματα τάσης μετακίνησης κυλινδρικού δοκιμίου ινοπλισμένου και συμβατικού σκυροδέματος σε έμμεσο εφελκυσμό (διάρρηξη). ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Οι δοκιμές κάμψης των δοκών πραγματοποιήθηκαν με σερβοϋδραυλικό σύστημα MTS ±250 kn σε ειδικά διαμορφωμένο μεταλλικό πλαίσιο αντίδρασης στο Εργαστήριο Τεχνολογίας και 6

7 Κατασκευών Οπλισμένου Σκυροδέματος (βλέπε Σχήμα 9α). Για τις δοκιμές μονοαξονικής θλιπτικής και έμμεσης εφελκυστικής αντοχής του συμβατικού και ινοπλισμένου σκυροδέματος χρησιμοποιήθηκε πρέσα μονοαξονικής θλίψης DMG 3000 kn (βλέπε Σχήμα 9β). Για την καταγραφή του βέλους κάμψης στο μέσο του ανοίγματος των δοκών χρησιμοποιήθηκαν δύο (2) μηκυνσιόμετρα (DCDT) σε κάθε πλευρά της δοκού (Α και Β) καταγράφοντας τη σχετική μετακίνηση του μέσου του ανοίγματος σε σχέση με το μέσον του ύψους της διατομής στις στηρίξεις (βλέπε Σχήμα 11). (α) (β) Σχήμα 9. Εξοπλισμός Εργαστηρίου Τεχνολογίας και Κατασκευών Οπλισμένου Σκυροδέματος: (α) σερβοϋδραυλικό σύστημα MTS (±250 kn) και (β) πρέσα μονοαξονικής θλίψης DMG 3000 kν. Πειραματική διάταξη για μονοτονική φόρτιση κάμψης 3 ή 4 σημείων Οι δοκοί ανοίγματος 160 cm (μήκους 180 cm) με ινοπλισμένο σκυρόδεμα (FRC-3S-4Β και FRC- 5S-4Β της 1 ης σειράς και FRC-2.1S-4Β, FRC-2.2S-4Β της 2 ης σειράς) και οι ινοπλισμένες δοκοί της 2 ης σειράς με εγκάρσιο και διαμήκη οπλισμό (FRRC-2.1S-4B, FRRC-2.5S-4B) υπεβλήθησαν σε μονοτονική φόρτιση κάμψης 4 σημείων (βλέπε Σχήματα 10 και 11). Το φορτίο εφαρμόστηκε σε 2 σημεία εκατέρωθεν του μέσου του ανοίγματος της δοκού μέσω μιας ειδικής διάταξης δοκών και πλακών, όπως φαίνεται στα Σχ. 10 και 11. Οι συμβατικά οπλισμένες (RC-1S, RC-2S, RC-3S) και οι ινοπλισμένες δοκοί (FRC-1S, FRC-2S, FRC-2.2S) καθώς και η ινοπλισμένη δοκός με διαμήκη και εγκάρσιο οπλισμό (FRRC-2S) υπεβλήθησαν σε μονοτονική φόρτιση κάμψης 3 σημείων (βλέπε Σχήμα. 12). Η τελευταία διάταξη είναι παρόμοια με την πρώτη, με μόνη διαφορά το σημείο επιβολής του φορτίου. Και στις δύο περιπτώσεις, το φορτίο ασκήθηκε με σταθερή ταχύτητα επιβολής της μετατόπισης του εμβόλου. Η καταγραφή των μετρήσεων περιλαμβάνει την μετατόπιση του εμβόλου της μηχανής, το επιβαλλόμενο φορτίο και το μέγιστο βέλος κάμψης της δοκού (σύστημα καταγραφής National Instruments-SCXI). Το μέγιστο βέλος κάμψης κατεγράφη ως η μέση τιμή των μετρήσεων δύο μηκυνσιομέτρων DCDT τοποθετημένων ένα σε κάθε πλευρά της δοκού στο μέσο του ανοίγματος (βλέπε Σχήμα 11). Τα μηκυνσιόμετρα αναρτήθηκαν σε κοιλοδοκούς αλουμινίου αμφιέρειστα εδρασμένες μέσω άρθρωσης-κύλισης σε μεταλλικές ράβδους Φ8 πακτωμένες στις στηρίξεις στο μέσο του ύψους της δοκού (βλέπε Σχήμα 11). 7

8 P/2 P/2 800 mm 800 mm 190 mm 190 mm HEB mm 1600 mm 1800 mm Σχήμα 10. Πειραματική διάταξη για μονοτονική φόρτιση κάμψης 4 σημείων. Σχήμα 11. Ινοπλισμένη δοκός με συμβατικό οπλισμό (FRRC-1S) σε μονοτονική κάμψη 4 σημείων. Σχήμα 12. Δοκός FRC-2.2S (ινοπλισμένη) σε μονοτονική φόρτιση κάμψης 3 σημείων. 8

9 Πειραματική διάταξη για ανακυκλιζόμενη φόρτιση κάμψης 3 ή 4 σημείων Οι δοκοί ανοίγματος 160 cm (μήκους 180 cm) με συμβατικά οπλισμένο (RC-5C, RC-6C) και ινοπλισμένο σκυρόδεμα (FRC-2.3C-4B, FRC-2.4C-4B και FRC-2.5C-4B -2 η σειρά) και οι ινοπλισμένες δοκοί με διαμήκη και εγκάρσιο οπλισμό (FRRC-2.3C-4B, FRRC-2.4C-4B και FRRC- 2.6C-4B) υπεβλήθησαν σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση κάμψης 4 σημείων (Σχήματα 13 και 14). Η επιβολή του φορτίου για την πλήρως ανακυκλιζόμενη φόρτιση πραγματοποιήθηκε μέσω ειδικής διάταξης που επέτρεπε άρθρωση και κύλιση στα σημεία φόρτισης και τις στηρίξεις (Σχήματα 13 και 14). Ειδικά στις θέσεις των στηρίξεων της δοκού η παραπάνω διάταξη συνδέθηκε με τη μεταλλική δοκό της βάσης του πλαισίου, ώστε να παραμείνουν οι στηρίξεις σταθερές και για την προς τα πάνω φόρτιση. Το μέγιστο βέλος κάμψης μετρήθηκε με παρόμοιο τρόπο όπως στην πειραματική διάταξη για τη μονοτονική φόρτιση. P/2 P/2 800 mm 800 mm 190 mm 190 mm HEB mm 1600 mm 1800 mm Σχήμα 13. Πειραματική διάταξη για πλήρως ανακυκλιζόμενη κάμψη 4 σημείων. Σχήμα 14. ΔοκόςFRC-5C-4B (ινοπλισμένη) σε ανακυκλιζόμενη κάμψη 4 σημείων. Η δοκός με συμβατικά οπλισμένο σκυρόδεμα (RC-4C) υποβλήθηκε σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση κάμψης 3 σημείων (Σχήματα 15 και 16). Η διάταξη είναι παρόμοια με εκείνη της ανακυκλιζόμενης 9

10 κάμψης 4 σημείων, με μόνη διαφορά ότι το σημείο επιβολής του φορτίου είναι στο μέσο του ανοίγματος. Μηκυνσιόμετρα για τη μέτρηση του μέγιστου βέλους κάμψης δεν χρησιμοποιήθηκαν διότι ήταν αδύνατη η τοποθέτησή τους με το δεδομένο σύστημα επιβολής της ανακυκλιζόμενης φόρτισης. Έγινε βέβαια καταγραφή της επιβαλλόμενης μετακίνησης του εμβόλου στο μέσον του ανοίγματος. P 800 mm 800 mm 150 mm 1600 mm 1800 mm Σχήμα 15. Πειραματική διάταξη για ανακυκλιζόμενη κάμψη 3 σημείων. Σχήμα 16. Δοκός συμβατικά οπλισμένου σκυροδέματος (RC-4C) σε ανακυκλιζόμενη κάμψη 3 σημείων. Στατική φόρτιση ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Τα διαγράμματα μέγιστης ροπής κάμψης συναρτήσει του βέλους κάμψης στο μέσον του ανοίγματος και για τα 4 είδη των δοκών (FRC, RC, FRRC, CFRT) που υποβλήθηκαν σε στατική μονοτονική φόρτιση κάμψης 3 ή 4 σημείων παρουσιάζονται στο Σχήμα 17. Από την καταγραφή αυτή της συμπεριφοράς των δοκών διαφαίνεται ότι η παρουσία των διαμήκων ράβδων οπλισμού 10

11 για την ανάληψη του εφελκυσμού είναι ευεργετική για την πλαστιμότητα της δοκού και δεν μπορεί να αντικατασταθεί μόνο με τη χρήση ινών (FRC-2.1S-4B). Σχήμα 17. Διαγράμματα μέγιστης ροπής-βέλους κάμψης δοκών RC, FRC, FRRC και δοκών Ο/Σ ενισχυμένων με μανδύα ινοπλισμένου σκυροδέματος (CFRT) για στατική μονοτονική κάμψη 3 ή 4 σημείων. Οι ροπή ρηγμάτωσης του σκυροδέματος, αρχικής διαρροής του διαμήκους εφελκυόμενου οπλισμού και η μέγιστη ροπή αντοχής για τις δοκούς που μελετήθηκαν με τα αντίστοιχα βέλη κάμψης στο μέσον του ανοίγματος περιλαμβάνονται στον Πίνακα 3. Μετά την επίτευξη της μέγιστης καμπτικής αντοχής στις δοκούς μόνο με ινοπλισμένο σκυρόδεμα (FRC), η φέρουσα ικανότητα μειώνεται γρήγορα χωρίς καμία περαιτέρω δυνατότητα ανάληψης φορτίου και παραμόρφωσης. Λόγω της παρουσίας του διαμήκων ράβδων οπλισμού, η παραμορφωσιμότητα των συμβατικά οπλισμένων δοκών είναι κατά πολύ υψηλότερη από αυτή των ινοπλισμένων, ενδεικτικό της πολύ μεγαλύτερης δυνατότητας απορρόφησης ενέργειας (πλαστιμότητα). Οπωσδήποτε, παρότι η φέρουσα ικανότητα των συμβατικών δοκών Ο/Σ (RC) είναι σχεδόν διπλάσια αυτής των ινοπλισμένων δοκών (FRC) λόγω της ύπαρξης των διαμήκων ράβδων, η αντοχή σε ρηγμάτωση στις ινοπλισμένες δοκούς είναι περίπου 15% μεγαλύτερη από αυτή των συμβατικών δοκών λόγω της ευεργετικής παρουσίας των μεταλλικών ινών που σχεδόν τετραπλασιάζει την εφελκυστική αντοχή του σκυροδέματος (βλέπε Πίνακες 2 και 3). Η αποτελεσματικότητα των ινών στην αύξηση αφ ενός της αντοχής σε θλίψη και έμμεσο εφελκυσμό και αφ ετέρου στην αύξηση της πλαστιμότητας του σκυροδέματος διαφαίνεται στη σύγκριση της καμπτικής συμπεριφοράς των δοκών RC και FRRC. Στο Σχήμα 17 φαίνεται ότι οι δοκοί FRRC με συμβατικό οπλισμό έχουν αυξημένη ροπή ρηγμάτωσης, ροπή αρχικής διαρροής του διαμήκους οπλισμού και φέρουσα ικανότητα από την αντίστοιχη των συμβατικά οπλισμένων, αλλά διατηρούν συγχρόνως ικανότητα παραμορφωσιμότητας σε παρόμοια επίπεδα. 11

12 Πίνακας 3. Πειραματικά αποτελέσματα των δοκών από συμβατικό και ινοπλισμένο σκυρόδεμα για τις δοκιμές σε στατική μονοτονική φόρτιση κάμψης 3 ή 4 σημείων. κωδικός δοκού (1) M cr (knm) δ cr (mm) (2) M y (knm) δ y (mm) M u (knm) δ u (mm) RC-1s-3B 3,8 0,26 22,2 6,1 23,9 37,4 RC-2s-3B 3,9 0,39 21,8 6,4 23,5 31,8 RC-3s-3B 3,9 0,36 20,5 5,9 23,2 36,5 RC-4c-3B 3,7 - (3) 25,6 - (3) 26,5 - (3) RC-5c-4B 2,9 0,67 22,5 6,9 24,9 42,0 RC-6c-4B 3,1 0,41 20,8 6,8 23,2 41,7 FRC-1.1s-3B 5,5 0,36 - (4) - (4) 11,4 3,4 FRC-1.2s-3B 5,2 0,35 - (4) - (4) 13,5 4,1 FRC-1.3s-4B 4,7 0,32 - (4) - (4) 10,8 2,8 FRC-1.5s-4B 4,3 0,3 - (4) - (4) 11,4 3,9 FRC-2.1s-4B 4,3 0,37 - (4) - (4) 10,9 6,3 FRC-2.2s-3B 4,2 0,36 - (4) - (4) 10,9 3,5 FRC-2.3c-4B 4,5 0,3 - (4) - (4) 9,6 2,0 FRC-2.4c-4B 4,3 0,35 - (4) - (4) 12,8 6,0 FRC-2.5c-4B 4,3 0,30 - (4) - (4) 10,5 3,0 FRRC-1s-4B 7,5 0,65 30,7 8,3 34,9 27,9 FRRC-2s-3B 6,1 0,50 30,4 8,1 34,7 20,6 FRRC-3c-4B 6,0 0,62 30,0 6,9 30,7 9,4 FRRC-4c-4B 6,6 0,60 31,4 12,2 35,1 25,8 FRRC-5s-4B 6,1 0,70 29,4 8,4 33,1 23,1 FRRC-6c-4B 6,2 0,65 29,6 9,6 30,9 12,7 CFRT-1s-4B (6) 13,7 0,41 56,3 5,1 67,0 20,0 CFRT-2s-4B (5) 9,1 0,28 40,9 4,5 45,2 20,5 CFRT-3s-4B (5) 9,3 0,22 46,8 5,6 49,9 27,4 CFRT-4s-4B (6) 12,1 0,37 61,4 5,7 70,5 24,6 (1) ροπή ρηγμάτωσης (2) ροπή αρχικής διαρροής διαμήκους οπλισμού (3) δεν ήταν δυνατή η μέτρηση του βέλους κάμψης (4) απουσία διαμήκους οπλισμού (5) μεταλλικό πλέγμα Τ131 (6) με διαμήκη/εγκάρσιο οπλισμό Επίσης, στις δοκούς FRRC ενώ αρχικά δημιουργείται πολύ μεγαλύτερος αριθμός ρωγμών με μικρό σχετικά άνοιγμα απ ότι στην περίπτωση των συμβατικών δοκών RC (βλέπε Σχήματα 18 και 19), τελικά η αντοχή τους καθορίζεται ουσιαστικά από τη συγκέντρωση των παραμορφώσεων σε μια ουσιαστικά ρωγμή της οποίας το άνοιγμα αυξάνεται έντονα με αύξηση του φορτίου. Η μέγιστη ροπή αντοχής των δοκών FRRC είναι κατά μέσο όρο 45% υψηλότερη από την αντίστοιχη των συμβατικά οπλισμένων. Οι δυσκαμψίες επίσης των ινοπλισμένων δοκών με συμβατικό οπλισμό είναι υψηλότερες από αυτές των συμβατικά οπλισμένων. 12

13 Σχήμα 18. Αστοχία συμβατικά οπλισμένη δοκού για μονοτονική φόρτιση κάμψης 3 σημείων. Σχήμα 19. Περιοχή αστοχίας ινοπλισμένης δοκού με διαμήκη οπλισμό για μονοτονική φόρτιση κάμψης 4 σημείων. Οι δοκοί με μανδύα ινοπλισμένου σκυροδέματος (CFRT), όπως φαίνεται στο Σχήμα 17 και στον Πίνακα 3, παρουσίασαν από 67 έως 77% αύξηση σε φέρουσα καμπτική ικανότητα συγκριτικά με αυτήν των ενισχυμένων δοκών Ο/Σ, ανάλογα εάν ο μανδύας πάχους 3.5 cm ήταν οπλισμένος με διαμήκη/εγκάρσιο οπλισμό ή μεταλλικό πλέγμα, αντίστοιχα. Όπως, αναμένεται, η δυσκαμψία και η καμπτική αντοχή σε αρχική διαρροή του οπλισμού των παραπάνω δοκών με μεταλλικό πλέγμα είναι μειωμένη σε σχέση με τις αντίστοιχες τιμές για τις δοκούς με μανδύα στον οποίο έχει τοποθετηθεί διαμήκης και εγκάρσιος οπλισμός. Ανακυκλιζόμενη φόρτιση H ικανότητα ανάληψης της ανακυκλιζόμενης καμπτικής έντασης από ινοπλισμένο σκυρόδεμα με συμβατικό διαμήκη/εγκάρσιο οπλισμό (δοκοί FRRC) δύναται να αξιολογηθεί σε σχέση με αυτήν των δοκών από Ο/Σ (RC) στο Σχήμα 20. Οι δοκοί FRRC μέχρι την αρχική διαρροή των διαμήκων ράβδων (βέλος κάμψης περίπου 6 mm) παρουσιάζουν μεγαλύτερη απομείωση απόκρισης (50%-65%) στην αρνητική φορά φόρτισης (φορτίο προς τα πάνω) σε σχέση με αυτή στην θετική φορά από την αντίστοιχη των δοκών RC (30-35%), παρότι η φέρουσα ικανότητά 13

14 τους είναι αυξημένη κατά 20%-25% αυτής των δοκών RC στην ίδια επιβαλλόμενη μετατόπιση. Η μεγαλύτερη αυτή διαφορά στην ικανότητα ανάληψης της έντασης των δοκών FRRC στις δύο κατευθύνσεις φόρτισης οφείλεται στην ισχυρή επιρροή του πιθανότατα μειωμένου ποσοστού των ινών προς το πάνω μέρος της δοκού στην εφελκυστική και θλιπτική αντοχή του ινοπλισμένου σκυροδέματος που συνεισφέρουν στην καμπτική φέρουσα ικανότητα της δοκού. Η καταγραφή βέβαια της υστερητικής συμπεριφοράς των δοκών δείχνει ότι οι δοκοί FRRC πλεονεκτούν των δοκών RC μετά την αρχική διαρροή των ράβδων οπλισμού στο ότι παρουσιάζουν 2%-8% μεγαλύτερη ικανότητα απορρόφησης ενέργειας και κατά περίπου 50% μειωμένη απομείωση στην απόκρισή τους κατά το 2 ο κύκλο φόρτισης για τη δεδομένη επιβαλλόμενη μετατόπιση. Κατά την επιβολή αρνητικής ροπής (φορτίο προς τα πάνω) η απόκριση καθόσον αφορά στην καμπτική αντοχή είναι παρόμοια με αμυδρώς καλύτερη συμπεριφορά για τις δοκούς FRRC, ενώ οι ινοπλισμένες δοκοί FRRC παρουσιάζουν υψηλότερη ικανότητα απορρόφησης ενέργειας. 35 FRRC-3C-4B RC-5C-4B Μέγιστη ροπή κάμψης, Μmax (knm) Μέγιστο βέλος κάμψης, δ (mm) Σχήμα 20. Υστερητικοί βρόχοι μέγιστης ροπής-βέλους κάμψης ινοπλισμένων δοκού με συμβατικό οπλισμό (FRRC) και δοκού Ο/Σ (RC) για πλήρως ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Η σημαντική επιρροή της καθ ύψος κατανομής των ινών στο μέσον του ανοίγματος στην εφελκυστική και θλιπτική αντοχή του ινοπλισμένου σκυροδέματος φαίνεται και στα διαγράμματα των βρόχων υστέρησης μέγιστης ροπής συναρτήσει του βέλους κάμψης για πλήρως ανακυκλιζόμενη φόρτιση των δοκών FRRC και FRC (βλέπε Σχήμα 21) και των δοκών FRRC στην περίπτωση φόρτισης σε μόνο μία (θετική φορά) ή και τις δύο κατευθύνσεις (βλέπε Σχήμα 22). Ιδιαίτερα στην τελευταία περίπτωση των δοκών FRRC είναι σημαντική η αύξηση της ικανότητας απόκρισης σε αντοχή και απορρόφηση ενέργειας για βέλη κάμψης τουλάχιστον 3 φορές της τιμής στην αρχική διαρροή. 14

15 35 FRRC-3C-4B FRC-2.3C-4B Μέγιστη ροπή κάμψης, Μmax (knm) Μέγιστο βέλος κάμψης, δ (mm) Σχήμα 21. Υστερητικοί βρόχοι μέγιστης ροπής-βέλους κάμψης ινοπλισμένων δοκού FRC (χωρίς ράβδους οπλισμού) και FRRC (με ράβδους οπλισμού) για πλήρως ανακυκλιζόμενη φόρτιση. 35 FRRC-3C-4B FRRC-4C-4B Μέγιστη ροπή κάμψης, Μmax (knm) Μέγιστο βέλος κάμψης, δ (mm Σχήμα 22. Υστερητικοί βρόχοι μέγιστης ροπής-βέλους κάμψης δοκών από ινοπλισμένο σκυρόδεμα με συμβατικό οπλισμό (FRRC) για ανακυκλιζόμενη φόρτιση σε μια (4C) ή δύο (3C) κατευθύνσεις. Η συμπεριφορά των δοκών με ενίσχυση μανδύα ινοπλισμένου σκυροδέματος (CFRT) σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση κάμψης δεν είναι αντικείμενο της παρούσας εργασίας. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Με βάση την καταγραφείσα καμπτική συμπεριφορά των δοκών ινοπλισμένου σκυροδέματος σε στατική μονοτονική και ανακυκλιζόμενη φόρτιση για το είδος και ποσοστό των χαλύβδινων ινών που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα έρευνα, προέκυψαν τα ακόλουθα συμπεράσματα: 1. Το ινοπλισμένο σκυρόδεμα προσφέρει σημαντική αύξηση στην αντοχή σε κάμψη (αύξηση της εφελκυστικής και θλιπτικής αντοχής), στην παραμορφωσιμότητα και ικανότητα 15

16 απορρόφησης ενέργειας και σημαντική μείωση της ρηγμάτωσης και αποφλοίωσης του σκυροδέματος. Η παρουσία διαμήκων ράβδων οπλισμού για την ανάληψη του εφελκυσμού είναι ευεργετική για την πλαστιμότητα της δοκού και δεν μπορεί να αντικατασταθεί μόνο με τη χρήση ινών. 2. Η καθ ύψος άνιση κατανομή των ινών στη δοκό επηρεάζει άμεσα τη συμπεριφορά της δοκού σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση ανάλογα με την φορά φόρτισης, με σαφώς μειωμένη δυνατότητα ανάληψης φορτίων και σαφώς μικρότερους βρόχους υστέρησης στην αρνητική φορά φόρτισης (φορτίο προς τα πάνω) απ ότι στη θετική φορά (φορτίο προς τα κάτω). Αυτό οφείλεται στο αναμενόμενο αυξανόμενο ποσοστό των ινών προς το κάτω μέρος της διατομής της δοκού λόγω της σκυροδέτησης. Η ανομοιόμορφη αυτή κατανομή των ινών παρατηρήθηκε στη επιφάνεια θραύσης της διατομής μετά την αστοχία. Εφ όσον γίνει χρήση ινοπλισμένου σκυροδέματος η σκυροδέτησή του θα πρέπει να γίνει προσεκτικά με ελάχιστη δόνηση και προτιμητέο είναι το μίγμα του ινοπλισμένου σκυροδέματος να συμπεριφέρεται σαν αυτοσυμπυκνούμενο σκυρόδεμα. 3. Η προσθήκη συμβατικού οπλισμού (διαμήκης και εγκάρσιος) στο ινοπλισμένο σκυρόδεμα επιπρόσθετα της αυξημένης καμπτικής αντοχής που προσφέρουν οι ίνες, έχει σαν αποτέλεσμα δυνατότητα παραμορφώσεων σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση τουλάχιστον εφάμιλλη με αυτή των συμβατικά οπλισμένων δοκών και με υψηλότερη ικανότητα απορρόφησης ενέργειας. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η έρευνα που παρουσιάζεται σε αυτή την εργασία έχει γίνει στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος «Ανάπτυξη, πιλοτική παραγωγή και δοκιμαστική εφαρμογή νέας γενιάς σύνθετων υλικών με βάση το τσιμέντο για τη βελτίωση της αντισεισμικής συμπεριφοράς των κατασκευών» της Γενικής Γραμματείας Έρευνας και Τεχνολογίας. Η εταιρεία ΑΓΕΤ-Ηρακλής διέθεσε τα απαραίτητα υλικά (ινοπλισμένο σκυρόδεμα, ξυλότυποι) και προσέφερε οικονομική υποστήριξη του πειραματικού προγράμματος και στην ΕΒΕΤΑΜ (βιομηχανική περιοχή Βόλου) έγινε η παρασκευή και συντήρηση των δοκιμίων. Εκφράζονται ευχαριστίες στο τεχνικό προσωπικό του Εργαστηρίου Τεχνολογίας και Κατασκευών Οπλισμένου Σκυροδέματος, Α. Κουτσελίνη και Δ. Καραμπερόπουλο, για τη συμβολή τους στην προετοιμασία της πειραματικής διάταξης και του συστήματος καταγραφής των πειραματικών μετρήσεων. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ashour A. Samir, and Wafa F. Faisal, (1993), «Flexural Behavior of High-Strength Fiber- Reinforced Concrete Beams», ACI Structural Journal, May-June, pp Balaguru P., Narahari R., and Mahedra P., (1992), «Flexural Toughness of Steel Fiber- Reinforced Concrete», ACI Materials Journal, November-December, pp Banthia N., Trottier J. F., (1995), «Concrete Reinforced with deformed Steel Fibers -Part II: Toughness Characterization», ACI Materials Journal, March-April, pp

17 Casanova P., Rossi P., Schaller I., (1997), «Can Steel Fibers Replace Transverse Reinforcement in Reinforced Concrete Beams», ACI Materials Journal, September-October, pp Jindal L. R., (1984), «Shear and Moment Capacities of Steel Fiber-Reinforced Concrete Beams», SP-81-1, ACI. Leung K. Y. C., (1996), «Design Criteria for Pseudo-ductile Fiber-Reinforced Concrete», Journal of Engineering Mechanics, ASCE, January, pp Maalej M., Li C. V., Hashida T., (1995), «Effect of Fiber Rupture on Tensile Properties of Short Fiber Composites», Journal of Engineering Mechanics, ASCE, August, pp Padmarajaiah K. S., Ramaswamy A., (2002), «Comparative Study on Flexural Response of Full and Partial Depth Fiber-Reinforced High-Strength Concrete», Journal of Materials in Civil Engineering, March-April, pp SP-81, (1984), Fiber-Reinforced Concrete, ACI. SP-155, (1995), Testing of Fiber-Reinforced Concrete, ACI. Taerwe L., Van Gysel A., (1996), «Influence of Steel Fibers on Design Stress-Strain Curve for High-Strength Concrete», Journal of Engineering Mechanics, ASCE, August, pp Trottier J. F., Mahoney M., (2001), «Innovative Synthetic Fibers», Concrete International of ACI, June, pp Visalvanich K., Naaman E. A., (1983), «Fracture Model for Fiber-Reinforced Concrete», ACI Materials Journal, March-April, pp Xi Y., (1996), «Representative Volumes of Composite Materials», Journal of Engineering Mechanics, ASCE, December, pp