Λέξεις κλειδιά: Υφιστάμενα τοιχία, Λυγισμός θλιβόμενων ράβδων, Ρηγμάτωση κορμού, Μεταλλικά ελάσματα και γωνίες

Transcript

1 Ενίσχυση Υφιστάμενων Υπό-ωπλισμένων Τοιχίων από Σκυρόδεμα με Χρήση Μεταλλικών Στοιχείων Strengthening of Existing Non-conforming RC Shear Walls Using Steel Elements Κωνσταντίνος Ι. ΧΡΙΣΤΙΔΗΣ 1, Κωνσταντίνος Γ. ΤΡΕΖΟΣ 2 Λέξεις κλειδιά: Υφιστάμενα τοιχία, Λυγισμός θλιβόμενων ράβδων, Ρηγμάτωση κορμού, Μεταλλικά ελάσματα και γωνίες ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η πειραματική μελέτη της συμπεριφοράς υφιστάμενων υπό-ωπλισμένων τοιχίων από σκυρόδεμα ενισχυμένων με χρήση μεταλλικών στοιχείων. Η πειραματική διαδικασία περιελάμβανε την διερεύνηση της συμπεριφοράς συνολικά 6 τοιχίων-δοκιμίων με λόγο διάτμησης ίσο με 2, τα οποία καταπονήθηκαν ως πρόβολοι υπό στατική ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Τα δύο ήταν μη ενισχυμένα τοιχία και αποτέλεσαν τα δοκίμια αναφοράς το πρώτο τυπικό υπό-ωπλισμένο τοιχίο και το δεύτερο σχεδιασμένο σύμφωνα με τους Ευρωκώδικες 2 και 8 ενώ τα υπόλοιπα τέσσερα δοκίμια αποτέλεσαν τα ενισχυμένα τοιχία. Η πειραματική δοκιμή των συγκεκριμένων δοκιμίων έδειξε ότι η ενίσχυση με μεταλλικά στοιχεία οδήγησε σε βελτιωμένη συμπεριφορά σε σχέση με το τυπικό υπό-ωπλισμένο τοιχίο και, σε κάποιες περιπτώσεις, αντίστοιχη με αυτού σχεδιασμένου σύμφωνα με τους Ευρωκώδικες. Η χρήση των μεταλλικών στοιχείων περιόρισε αφενός τον λυγισμό των ακραίων θλιβόμενων διαμήκων ράβδων και, επομένως, την αποδιοργάνωση της θλιβόμενης ζώνης και, αφετέρου, την ανάπτυξη διαγώνιων διατμητικών ρωγμών στον κορμό των τοιχίων οδηγώντας έτσι σε ικανοποιητικές τιμές πλαστιμότητας και απορρόφησης ενέργειας. ABSTRACT : The scope of the present paper is the experimental study of the behavior of existing non-conforming reinforced concrete shear walls strengthened using steel elements. The experimental procedure involved the investigation of 6 walls with a shear ratio equal to 2, studied as cantilevers under static cyclic loading. Two of them were non-strengthened and were the reference specimens - the first one a typical con-conforming wall and the second one designed according to Eurocodes 2 and 8 - while the other four were strengthened using different configurations. As concluded from the experimental results, all the steel configurations seemed to improve the behavior of the non-conforming shear wall 1 Διδάκτορας ΕΜΠ, Εργαστήριο Ωπλισμένου Σκυροδέματος, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, kwstas_chr@hotmail.com 2 Αναπληρωτής Καθηγητής ΕΜΠ, Εργαστήριο Ωπλισμένου Σκυροδέματος, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, ctrezos@central.ntua.gr 1

2 and, in some cases, to lead to similar behavior with the one designed according to the Eurocodes provisions. The use of the steel elements limited the buckling of compressive longitudinal rebars and the degradation of the compressive zone, while, at the same time, controlled the development of diagonal shear cracks at the wall web, leading to adequate ductility and energy dissipation values. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο σύγχρονος αντισεισμικός σχεδιασμός βασίζεται στην πλάστιμη συμπεριφορά των στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος (Ο/Σ). Για τον λόγο αυτό οι σύγχρονοι αντισεισμικοί κανονισμοί περιλαμβάνουν μία σειρά από υπολογιστικούς και εμπειρικούς κανόνες όπλισης που θα επιτρέψουν την ανάπτυξη πλάστιμης συμπεριφοράς την ώρα του σεισμού. Οι κανόνες αυτοί για τα τοιχία συνοψίζονται, κυρίως, στην διαμόρφωση περισφιγμένων άκρων (κρυφοϋποστυλώματα) που στοχεύουν στην αύξηση της τοπικής πλαστιμότητας αλλά και σε συγκεκριμένα ποσοστά οπλισμού διάτμησης που θα αποτρέψουν την πρόωρη διατμητική (ψαθυρή) αστοχία. Εντούτοις, σε πολλές χώρες με υψηλή σεισμική έκθεση, μεταξύ αυτών και η Ελλάδα, υπάρχει ένας σημαντικός αριθμός κατασκευών σχεδιασμένων σύμφωνα με παλαιότερους κανονισμούς (στον Ελλαδικό χώρο προ του 1985) οι οποίες περιλαμβάνουν τοιχία των οποίων η όπλιση δεν συμβαδίζει με την σύγχρονη λογική περί αντισεισμικού σχεδιασμού. Τα υπό-ωπλισμένα αυτά τοιχία χαρακτηρίζονται από την απουσία περισφιγμένων άκρων και από μικρά ποσοστά διατμητικού οπλισμού. Η ενίσχυση των τοίχων Ο/Σ περιλαμβάνει διάφορες μεθόδους παρέμβασης, από τις λεγόμενες κλασικές μεθόδους, όπως η διαμόρφωση νέων περισφιγμένων άκρων με χρήση συνδετήρων περίσφιγξης και πρόσθετου διατμητικού οπλισμού (μανδύας) έως και τις λεγόμενες σύγχρονες μεθόδους, όπως είναι χρήση Ινοπλισμένων Πολυμερών (ΙΟΠ) (π.χ. Antoniades et al., 25; Altin et al., 213b). Η χρήση εξωτερικών μεταλλικών στοιχείων (π.χ. Elnashai and Pinho, 1998; Altin et al., 213a) είναι μια μέθοδος ενίσχυσης που περιλαμβάνεται σε σύγχρονους αντισεισμικούς κανονισμούς (π.χ. ΚΑΝ.ΕΠΕ, Ευρωκώδικα 8-Μέρος 3), ωστόσο μέχρι στιγμής έχει εφαρμογή κυρίως σε υποστυλώματα Ο/Σ και λιγότερο σε τοιχία. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η πειραματική αξιολόγηση της εφαρμογής μεταλλικών στοιχείων ως μεθόδου ενίσχυσης υφιστάμενων τοιχίων Ο/Σ. Σχεδιασμός δοκιμίων ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Η πειραματική διαδικασία περιελάμβανε την διερεύνηση της συμπεριφοράς μιας σειράς 6 τοιχίων-δοκιμίων μεσαίας λυγηρότητας με λόγο διάτμησης ίσο με 2

3 L V /h=1.5/.75=2, όπου L V είναι το διατμητικό μήκος και h το ύψος της διατομής. Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά τους φαίνονται στο Σχήμα Σχήμα 1. Γεωμετρικά χαρακτηριστικά δοκιμίων (διαστάσεις σε m) Από τα έξι δοκίμια, τα δύο ήταν μη ενισχυμένα το πρώτο, W 7, σχεδιασμένο σύμφωνα με τους Ευρωκώδικες 2 και 8 και το δεύτερο, W 13, τυπικό υπόωπλισμένο τοιχίο ενώ τα υπόλοιπα τέσσερα δοκίμια, W 1 -SS, W 12 -SS, W 14 -SS και W 15 -SS αποτέλεσαν τα ενισχυμένα τοιχία έχοντας ως δοκίμιο αναφοράς το τοιχίο W 13. Η όπλιση για όλα τα τοιχία φαίνεται στο Σχήμα 2. Η ενίσχυση με μεταλλικά στοιχεία περιελάμβανε τέσσερις διαφορετικές διαμορφώσεις: α) εφαρμογή μόνο οριζόντιων μεταλλικών ελασμάτων σε όλο το ύψος (W 1 -SS), β) εφαρμογή οριζόντιων μεταλλικών ελασμάτων και κατακόρυφων μεταλλικών γωνιών σε όλο το ύψος (W 14 -SS), γ) εφαρμογή οριζόντιων μεταλλικών ελασμάτων και κατακόρυφων μεταλλικών γωνιών αλλά μόνο στο κατώτατο 1/4 του τοιχίου (W 12 -SS) και δ) εφαρμογή οριζόντιων μεταλλικών λωρίδων και κατακόρυφων μεταλλικών γωνιών στο κατώτατο 1/4 του τοιχίου και δισδιαγώνιων μεταλλικών γωνιών στο υπόλοιπο ύψος (W 15 -SS). Οι συνδέσεις ελάσματος-ελάσματος ή ελάσματος-γωνίας πραγματοποιήθηκαν με συγκόλληση ενώ σε όλες τις περιπτώσεις τα χαλύβδινα στοιχεία (λωρίδες και γωνίες) συνδέθηκαν με το υφιστάμενο σκυρόδεμα χρησιμοποιώντας ειδική εποξειδική ρητίνη κατάλληλη για συνδέσεις χάλυβα-σκυροδέματος. Επιπλέον, αφενός για να επιτευχθεί η καλύτερη εφαρμογή της ρητίνης και αφετέρου για να ενισχυθεί ο μηχανισμός μεταφοράς δύναμης στην διεπιφάνεια χάλυβασκυροδέματος, χρησιμοποιήθηκαν μεταλλικές βίδες-βλήτρα μικρής διαμέτρου d=6mm (προκειμένου να μην αλλοιωθεί σε μεγάλο βαθμό ο κορμός των τοιχίων) 3

4 αμέσως μετά την εφαρμογή της ρητίνης σε συγκεκριμένες προ-διατρημένες θέσεις. Επομένως, η διαδικασία μεταφοράς της δύναμης μεταξύ του υφιστάμενου στοιχείου και της ενίσχυσης επιτεύχθηκε με τρεις ταυτόχρονους μηχανισμούς: (α) την παρουσία της ειδικής ρητίνης για συνδέσεις χάλυβα-σκυροδέματος, (β) με τις μεταλλικές βίδες (δράση βλήτρου) και (γ) τη συγκόλληση των μεταλλικών στοιχείων (ελάσματος-ελάσματος και ελάσματος-γωνίας). Ωστόσο, όπως φάνηκε από τα πειραματικά αποτελέσματα, η αντοχή της ρητίνης έπαιξε δευτερεύοντα ρόλο (η εφελκυστική αντοχή του σκυροδέματος είναι σημαντικά χαμηλότερη από την αντίστοιχη αντοχή της διεπιφάνειας ρητίνης-σκυροδέματος) ενώ καθοριστική αποδείχτηκε η συγκόλληση των μεταλλικών στοιχείων. Η διάταξη των ενισχύσεων φαίνεται στο Σχήμα 3. Στο ίδιο σχήμα επίσης περιλαμβάνονται και οι θέσεις των stain-gages, τα οποία τοποθετήθηκαν προκειμένου να μετρηθούν αν αναπτυσσόμενες παραμορφώσεις στα μεταλλικά ελάσματα. 3x2Φ1 4x2Φ8 3x2Φ1 5x2Φ12 Φ8/5 Φ8/12 Φ6/4 Φ8/4 (W 1-SS ) A A' A A' 3Φ1 Φ8/12 4Φ8 3Φ1 Φ6/4 5Φ ΑΑ 3Φ1 2x8 Φ8/5 4Φ8 5x (α) Φ8/5 3Φ1 2x8 5Φ12 4x Σχήμα 2. Όπλιση δοκιμίων (α) Δοκίμιο W 7 (β) Δοκίμια W 13, W 1 -SS, W 12 -SS, W 14 -SS και W 15 -SS (διαστάσεις σε χιλιοστά). ΑΑ (β) 4

5 SG1 SG2 SG3 3x5/15 15 SG4 SG5 SG6 1 1 SG7 SG1 SG8 SG11 SG9 SG12 3x5/ x5/1 L5x5x5 L5x5x5 3x5/1 (α) W 1 -SS (β) W 12 -SS 1 SG1 SG3 SG2 SG4 L5x5x5 3x5/2 L5x5x5 3x5/2 L5x5x5 SG1 SG2 L5x5x5 SG5 SG6 SG3 SG4 2 1 SG7 SG8 38 L5x5x5 3x5/1 L5x5x5 3x5/1 Strain-gauge βίδα αγκύρωσης (γ) W 14 -SS (δ) Wall W 15 -SS Σχήμα 3. Διάταξη ενισχύσεων δοκιμίων W 1 -SS, W 12 -SS, W 14 -SS και W 15 -SS (διαστάσεις σε mm). Τα δοκίμια καταπονήθηκαν ως πρόβολοι υπό στατική ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Η επιβολή της φόρτισης έγινε με την μέθοδο των μετατοπίσεων. Επιλέχθηκε να επιβάλλονται μετατοπίσεις στην κορυφή των τοιχίων (στο μέσο του πρίσματος κεφαλής) οι οποίες ξεκινώντας από το μηδέν αυξάνονταν σταδιακά προς τα θετικά και τα αρνητικά με μέγιστες τιμές αρχικά αυτές των ±1 mm ενώ, στη συνέχεια, οι μέγιστες αυτές τιμές αυξάνονταν ανά ±1 mm. Για κάθε τέτοια μέγιστη τιμή επιλέχθηκαν να πραγματοποιηθούν στην γενική περίπτωση τρείς ανακυκλήσεις (τρείς κύκλοι). Η χρονοϊστορία μετακινήσεων των δοκιμίων φαίνεται στο Σχήμα 4. 5

6 (-) (+) L V -1 κύκλοι Σχήμα 4. Χρονοϊστορία φόρτισης. Χρησιμοποιούμενα υλικά αντοχή δοκιμίων Η θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος προσδιορίστηκε με δοκιμή σε μονοαξονική θλίψη ως η μέση τιμή τουλάχιστον έξι δοκιμίων και αντιστοιχεί στην αντοχή κυλινδρικού δοκιμίου 15x3. Τα μηχανικά χαρακτηριστικά σε εφελκυσμό τόσο των ράβδων οπλισμού όσο και των μεταλλικών ελασμάτων προσδιορίστηκαν με δοκιμή σε μονοαξονικό εφελκυσμό ως η μέση τιμή τουλάχιστον έξι δοκιμίων ανά διάμετρο και έλασμα. Οι βασικές τιμές των αντοχών των παραπάνω υλικών συνοψίζονται στον Πίνακα 1. Πίνακας 1. Αντοχές χρησιμοποιούμενων υλικών Θλιπτική αντοχή σκυροδέματος f c (MPa) Οπλισμός και μεταλλικά ελάσματα διαρροή/αστοχία f y /f u (MPa) Κατακόρυφος οπλισμός Συνδετήρες Μεταλλικά ελάσματα W Φ1: 64/75 Φ8:588/ /681 - W / /654 - W 1- SS / / /728 W 12- SS / / /728 W 14- SS / / /728 W 15- SS / / /728 Η αποτίμηση της συμπεριφοράς των δύο υφιστάμενων τοιχίων σε επίπεδο παραμόρφωσης και καμπτικής και διατμητικής αντοχής πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με τις διατάξεις του Ευρωκώδικα 8 Μέρος 3 (EC8-3) (Παράρτημα Α, Α.3) (CEN, 25,21). Η συνεισφορά των μεταλλικών ελασμάτων στην διατμητική αντοχή των ενισχυμένων τοιχίων υπολογίστηκε με βάση τις διατάξεις της Α του EC8-3. Οι βασικές τιμές των αντοχών συνοψίζονται στον 6

7 Πίνακα 2. Λεπτομερής παρουσίαση των υλικών, των νόμων τάσεωνπαραμορφώσεων που χρησιμοποιήθηκαν και γενικά όλων των παραδοχών υπολογισμού των παραμορφώσεων και των αντοχών για κάθε τοιχίο περιλαμβάνονται στο Χριστίδης (217). Καμπτική αντοχή M f (knm) Πίνακας 2. Αντοχές δοκιμίων κατά EC8-3 Φορτίο που αντιστοιχεί στην καμπτική αντοχή P f (kn) Διατμητική αντοχή (kn) Μη ενισχυμένα: V R (Εξ.Α.12 με γ el =1., μ Δ,pl =.) Ενισχυμένα: V w +V j (Εξ.Α.13+Εξ.Α.21) W W W 1 -SS W 12- SS * (572.36)** W 14- SS W 15- SS (572.36)** * Η τιμή αντιστοιχεί στην τιμή διατμητική αντοχή V w (EC8-3, Εξ.A.13). Η εφαρμογή της V R (EC8-3, Εξ.Α.12) θα έδινε V R =116.72kN. ** Οι τιμές εντός παρένθεσης αφορούν το κατώτατο τμήμα των τοιχίων. Μη ενισχυμένα τοιχία ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Τα διαγράμματα δύναμη-μετατόπισης των δύο μη ενισχυμένων τοιχίων W 7 και W 13 φαίνονται Σχήμα 5. Μαζί εμφανίζονται και οι καμπύλες καμπτικής και διατμητικής αντοχής κατά EC8-3. Η ρηγμάτωση των τοιχίων, μετά το τέλος της πειραματικής διαδικασίας, φαίνεται στο Σχήμα 6. Από την σύγκριση των δύο τοιχίων φαίνεται ότι το υπό-ωπλισμένο τοιχίο W 13 ανέπτυξε χειρότερη συμπεριφορά σε σχέση με το τοιχίο W 7, η οποία χαρακτηρίστηκε από την αποδιοργάνωση της θλιβόμενης ζώνης αλλά και από τον σχηματισμό κύριων διατμητικών δισδιαγώνιων ρωγμών στον κορμό, ενώ συνοδεύτηκε και από έντονα φθιτό μετελαστικό κλάδο. Όσον αφορά τους παράγοντες που επηρεάζουν την συμπεριφορά των τοιχίων ο διατμητικός οπλισμός δεν φαίνεται να καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την φέρουσα ικανότητα των τοιχίων, αφού όπως έχει προκύψει και από άλλα πειραματικά αποτελέσματα (π.χ. Lefas and Kotsovos, 199; Lefas et al., 199; Pilakoutas and Elnashai, 1995a; Pilakoutas and Elnashai 1995b; Christidis and Trezos, 217; Χριστίδης, 217) τοιχία που περιελάμβαναν μικρότερο ποσοστό διατμητικού οπλισμού από τον απαιτούμενο από τους κανονισμούς ανέπτυξαν την καμπτική τους αντοχή ανεξάρτητα της υπολογιστικής αντοχής τους σε διάτμηση. Ωστόσο, ο 7

8 Δύναμη (kn) Δύναμη (kn) διατμητικός οπλισμός φαίνεται να ελέγχει σε μεγάλο βαθμό το εύρος της ρηγμάτωσης του κορμού καθορίζοντας το εύρος των διατμητικών παραμορφώσεων και τα επίπεδα διάχυσης της ενέργειας (μορφή των καμπυλών υστέρησης). Αντίθετα, κύριο ρόλο στην φέρουσα ικανότητα έχει η θλιβόμενη ζώνη αφού, σε όλες τις περιπτώσεις, η πτώση του φορτίου συνδέθηκε με την αποδιοργάνωση της θλιβόμενης ζώνης. Σημαντική παράμετρος στην αποδιοργάνωση της θλιβόμενης ζώνης είναι ο λυγισμός των θλιβόμενων ράβδων ο οποίος καθορίζεται από την παρουσία συνδετήρων ικανών να μειώσουν το μήκος λυγισμού των ράβδων. Όπως διαπιστώθηκε πειραματικά στο Χριστίδης (217), λόγοι L/D>1 (όπου L είναι η από κέντρο σε κέντρο απόσταση δύο διαδοχικών συνδετήρων και D η διάμετρος της διαμήκους ράβδου) κρίνονται ως ανεπαρκείς στο να ελέγξουν τον λυγισμό των ράβδων και οδηγούν στην πρόωρη αποδιοργάνωση της θλιβόμενης ζώνης Πειραματική καμπύλη EC8-3-Εμπειρικές σχέσεις -15 EC8-3-Αναλυτικές σχέσεις -2 (α) Πειραματική καμπύλη EC8-3-Εμπειρικές σχέσεις -15 EC8-3-Αναλυτικές σχέσεις -2 Σχήμα 5. Διαγράμματα Δύναμης-Μετατόπισης μη ενισχυμένων τοιχίων (α) Τοιχίο W 7 (β) Τοιχίο W (β) (α) Σχήμα 6. Ρηγμάτωση μετά το τέλος του πειράματος (α) Τοιχίο W 7 (β) Τοιχίο W 13. (β) 8

9 Τα παραπάνω συμπεράσματα είναι εμφανή και στα δύο μη ενισχυμένα τοιχία. Το τοιχίο W13, με λόγο L/D=33.33, χαρακτηρίστηκε από τον έντονο λυγισμό των θλιβόμενων διαμήκων ράβδων (για μετατόπιση περίπου στα +2mm) που οδήγησε στην αποδιοργάνωση της θλιβόμενης ζώνης και την άμεση πτώση του φορτίου (βλ. Σχήμα 5β). Το μικρό ποσοστό του διατμητικού οπλισμού δεν επηρέασε την φέρουσα ικανότητα του, ωστόσο οδήγησε στον σχηματισμό κύριων δισαδιαγώνιων διατμητικών ρωγμών (Σχήμα 6β) που συνοδεύτηκαν από την θραύση ενός εκ των συνδετήρων στην μέση περίπου του ύψους του κορμού του τοιχίου. Ενισχυμένα τοιχία Δύναμη (kn) Δύναμη (kn) Με βάση τις παραπάνω παρατηρήσεις αποφασίστηκαν οι διάφορες διατάξεις ενίσχυσης (βλ. και Σχήμα 3). Τα διαγράμματα δύναμη-μετατόπισης των δύο τοιχίων φαίνονται στο Σχήμα 7. Η ρηγμάτωση των τοιχίων, μετά το τέλος της πειραματικής διαδικασίας, φαίνεται στο Σχήμα Δύναμη (kn) Δύναμη (kn) (β) (α) (γ) (δ) Σχήμα 7. Διαγράμματα Δύναμης-Μετατόπισης ενισχυμένων τοιχίων (α) Τοιχίο W1-SS (β) Τοιχίο W12-SS (γ) Τοιχίο W14-SS (δ) Τοιχίο W15-SS. Όπως αναμενόταν καμία από τις διαμορφώσεις δεν φάνηκε να επηρεάζει την μέγιστη φέρουσα ικανότητα των τοιχίων αφού σε όλες τις περιπτώσεις τα δοκίμια ανέπτυξαν περίπου τα ίδια επίπεδα φέρουσας ικανότητας με το αντίστοιχο μηενισχυμένο τοιχίο W13, η οποία αντιστοιχεί στην καμπτική αντοχή τους. 9

10 (α) (β) (γ) Σχήμα 8. Ρηγμάτωση μετά το τέλος του πειράματος (α) Τοιχίο W 1 -SS (β) Τοιχίο W 12 - SS (γ) Τοιχίο W 14 -SS (δ) Τοιχίο W 15 -SS (δ) Όσον αφορά την αποδοτικότητα των μεταλλικών στοιχείων στον περιορισμό του λυγισμού των ράβδων, άμεση σύγκριση μπορεί να γίνει μεταξύ των τοιχίων W 12 - SS και W 13. Πάρα το γεγονός ότι κατά τους κύκλους των ±3mm και ±4mm αστόχησαν πολλές από τις συγκολλήσεις ελάσματος-γωνίας, οι γωνίες στον βαθμό που λειτούργησαν ήταν ικανές να περιορίσουν τον λυγισμό και να βελτιώσουν την συμπεριφορά του τοιχίου (βλ. και Σχήμα 9). Η αστοχία των συγκολλήσεων καταδεικνύει την σημασία που έχει για την αποδοτικότητα της ενίσχυσης η σύνδεση μεταξύ ελάσματος και γωνίας. Στα τοιχία W 14 -SS και W 15 - SS χρησιμοποιήθηκε επιπλέον μεταλλικό επίθεμα για την αύξηση της φέρουσας 1

11 Δύναμη (kn) ικανότητας της συγκόλλησης. Ωστόσο, η ενίσχυση με μεταλλικές λάμες μόνο στο κατώτατο τμήμα, αν και φαίνεται να βελτιώνει την συμπεριφορά του τοιχίου, σίγουρα δεν συμβάλλει στον περιορισμό της ρηγμάτωσης του κορμού, αφού, στο δοκίμιο W 12 -SS παρατηρήθηκε ο σχηματισμός κύριας διαγώνιας ρωγμής στον κορμό του, η οποία ξεκινούσε σχεδόν από την κορυφή του τοιχίου και κατέληγε μέσα στην περιοχή εφαρμογής των ελασμάτων επιτείνοντας έτσι και την αστοχία των συνδέσεων. Ο περιορισμός ταυτόχρονα τόσο του λυγισμού των ράβδων όσο και της ρηγμάτωσης του κορμού επιδιώχθηκε στα δοκίμια W 1 -SS, W 14 -SS και W 15 -SS. Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως στα μη-ενισχυμένα τοιχία, μία τιμή του λόγου L/D<1 είναι ικανή να μεταθέσει την εμφάνιση του λυγισμού σε μεγαλύτερες μετατοπίσεις (Χριστίδης, 217). Η τιμή αυτή υιοθετήθηκε και στην εφαρμογή της ενίσχυσης του τοιχίου W 1 -SS με την τοποθέτηση ελασμάτων ανά 1cm στο κατώτατο τμήμα του (L/D=8.33). Όπως φάνηκε πειραματικά η διάταξη αυτή περιόρισε τον λυγισμό ενώ, επιπρόσθετα, η ρηγμάτωση του κορμού του ήταν σχεδόν αμελητέα (μόνο τριχοειδείς ρωγμές μεταξύ των ελασμάτων). Αντίστοιχα, στα τοιχία W 14 -SS και W 15 -SS με την χρήση των ελασμάτων και των κατακόρυφων γωνιών περιορίστηκε ο λυγισμός των θλιβόμενων ράβδων ενώ περιορίστηκε σε μεγάλο βαθμό και η ρηγμάτωση στο κορμό (ανέπαφος στην περίπτωση του τοιχίου W 14 -SS και μικρές τριχοειδείς ρωγμές στο τοιχίο W 15 -SS). Ωστόσο, και στα δύο τοιχία η αστοχία συγκεντρώθηκε στο κατώτατο τμήμα κάτω από το τελευταίο έλασμα, με τον σχηματισμό μίας οριζόντιας ρωγμής κατά μήκος της βάσης, που είχε περισσότερο την μορφή ανασηκώματος από το θεμέλιο. Τονίζεται ότι αντίστοιχη συμπεριφορά παρουσίασε και το τοιχίο W 12 -SS (σε μικρότερο βαθμό αφού αστόχησαν πρόωρα οι συνδέσεις). Κοινό χαρακτηριστικό των τριών δοκιμίων είναι η χρήση των μεταλλικών γωνιών. Αντίθετα, στο τοιχίο W 1 -SS (μόνο οριζόντια ελάσματα) η αποδιοργάνωση στην βάση του τοιχίου εκδηλώθηκε περισσότερο με την αποκόλληση της επικάλυψης και την αποδιοργάνωση της θλιβόμενης ζώνης. 2 W7 15 W1-SS W15-SS 1 W13 W12-SS W14-SS Σχήμα 9. Περιβάλλουσες διαγραμμάτων Δύναμης-Μετατόπισης τοιχίων. 11

12 Πλαστιμότητα Διάχυση ενέργειας Τα παραπάνω συμπεράσματα μπορούν να ποσοτικοποιηθούν με τον υπολογισμό κάποιων χαρακτηριστικών μεγεθών όπως η πλαστιμότητα και η διάχυση ενέργειας. Η πλαστιμότητα έχει υπολογιστεί μέσω της διαδικασίας της διγραμμικοποίησης της περιβάλλουσας του διαγράμματος Δύναμης-Μετατόπισης σύμφωνα με την μεθοδολογία που προτείνεται από τους Paulay and Priestley (1992). Ως μετατόπιση αστοχίας έχει ληφθεί η μετατόπιση που αντιστοιχεί σε πτώση του πειραματικού φορτίου κατά 2% σε σχέση με το μέγιστο μετρούμενο φορτίο. Οι τιμές πλαστιμότητας συνοψίζονται στον Πίνακα 3. Όπως διαπιστώνεται τα ενισχυμένα τοιχία ανέπτυξαν έως και περίπου 2.5 φορές μεγαλύτερη πλαστιμότητα (τοιχίο W 14 -SS) σε σχέση με το υπό-ωπλισμένο τοιχίο W 13 ενώ ακόμα και το τοιχίο W 12 -SS ανέπτυξε μεγαλύτερη πλαστιμότητα παρόλο που τα μεταλλικά ελάσματα σταμάτησαν να λειτουργούν πρόωρα. Πίνακας 3. Πειραματικές τιμές πλαστιμότητας Θετικές μετατοπίσεις μ δ + Αρνητικές μετατοπίσεις μ δ - W W W 1 -SS W 12- SS W 14- SS W 15- SS Η αξιολόγηση της δυνατότητας απορρόφησης ενέργειας έγινε σε όρους αθροιστικής ανηγμένης ενέργειας του 1 ου κύκλου κάθε ομάδας μετατοπίσεων. Η ανηγμένη ενέργεια ορίζεται ως το εμβαδόν του κάθε βρόχου υστέρησης διαιρεμένο με το εμβαδόν του ορθογωνίου παραλληλογράμμου που περιβάλλει τον βρόχο αυτόν. Στο Σχήμα 1 φαίνεται η αθροιστική καμπύλη ανηγμένης ενέργειας για όλα τα δοκίμια. Τόσο οι κατακόρυφες γωνίες και τα οριζόντια ελάσματα (W 14 -SS) όσο και οι διαγώνιες γωνίες (W 15 -SS) φάνηκαν να ελέγχουν την ρηγμάτωση στον κορμό των τοιχίων. Κυριότερα, όμως, η ταυτόχρονη παρουσία κατακόρυφων γωνιών και οριζόντιων ελασμάτων περιόρισε στο ελάχιστο την ρηγμάτωση εντός της πλαστικής περιοχής (πρακτικά αρηγμάτωτα). Αυτό είχε ως αποτέλεσμα τα τοιχία αυτά να αναπτύξουν, κυρίως στις μικρές μετατοπίσεις, κύκλους υστέρησης με μικρότερο στένωμα (pinching effects) και επομένως μεγαλύτερη διάχυση ενέργειας της τάξης του 3 με 4% ακόμα και από το δοκίμιο W 1 -SS, στο οποίο σχηματίστηκαν ρωγμές εντός της πλαστικής περιοχής, έστω και μικρού εύρους. Πρέπει να σημειωθεί ότι το τοιχίο W 12 -SS, παρόλο που περιελάμβανε κατακόρυφες γωνίες εντός της πλαστικής περιοχής, ανέπτυξε μικρότερα επίπεδα διάχυσης ενέργειας λόγω της ανάπτυξης σημαντικών διατμητικών ρωγμών στον κορμό, ήδη από τις μικρές μετατοπίσεις, οι οποίες σταδιακά επεκτάθηκαν και εντός της ενισχυμένης περιοχής. 12

13 Ανηγμένη Ενέργεια W7 W13 W1-SS W12-SS W14-SS W15-SS Σχήμα 1. Αθροιστική καμπύλη ανηγμένης ενέργειας (1 ος κύκλος μετατοπίσεων). ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η πειραματική μελέτη της συμπεριφοράς υφιστάμενων υπό-ωπλισμένων τοιχίων από σκυρόδεμα ενισχυμένων με χρήση μεταλλικών στοιχείων. Η πειραματική διαδικασία περιελάμβανε την διερεύνηση της συμπεριφοράς συνολικά 6 τοιχίων-δοκιμίων (δύο μη-ενισχυμένων και τεσσάρων ενισχυμένων) μεσαίας λυγηρότητας, τα οποία καταπονήθηκαν ως πρόβολοι υπό στατική ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Όπως προκύπτει από την πειραματική μελέτη του υφιστάμενου υπό-ωπλισμένου τοιχίου της συγκεκριμένης εργασίας αλλά και από άλλα πειραματικά αποτελέσματα της βιβλιογραφίας ο σημαντικότερος παράγοντας που καθορίζει την φέρουσα ικανότητα και την μετελαστική απόκριση των τοιχίων είναι ο λυγισμός των θλιβόμενων ράβδων ο οποίος επιτείνει σε μεγάλο βαθμό της αποδιοργάνωση της θλιβόμενης ζώνης. Αντίθετα, ο διατμητικός οπλισμός επηρεάζει περισσότερο την ρηγμάτωση των τοιχίων και επομένως την μορφή των κύκλων υστέρησης (διάχυση ενέργειας) και λιγότερο την δυνατότητα παραμόρφωσης (πλαστιμότητα) σε επίπεδο περιβάλλουσας, ενώ δεν φαίνεται να επηρεάζει κατά πολύ την φέρουσα ικανότητα. Με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα της παρούσας εργασίας, η ενίσχυση με μεταλλικά στοιχεία, κυρίως λόγω του περιορισμού του λυγισμού των θλιβόμενων διαμήκων ράβδων, φάνηκε να οδηγεί σε βελτιωμένη συμπεριφορά όσον αφορά την δυνατότητα ανάπτυξης μεγαλύτερων μετατοπίσεων και, επομένως, υψηλότερων τιμών πλαστιμότητας περίπου διπλάσιων σε σχέση με αυτή του υπόωπλισμένου τοιχίου και αντίστοιχες με αυτή του τοιχίου σχεδιασμένου σύμφωνα με τους Ευρωκώδικες. Δευτερευόντως, χωρίς ωστόσο αυτό να κρίνεται ως καθοριστικό για την συμπεριφορά των τοιχίων, ο περιορισμός των ρωγμών εντός πλαστικής περιοχής (με χρήση κατακόρυφων γωνιών και οριζόντιων ελασμάτων) αλλά και του κορμού (είτε με οριζόντια ελάσματα είτε με χιαστί γωνίες) φάνηκε, 13

14 γενικά, να οδηγεί σε κύκλους υστέρησης με μικρότερο στένωμα και επομένως σε μεγαλύτερες τιμές απορρόφησης ενέργειας. ΑΝΑΦΟΡΕΣ Altin, S., Anil, Ö., Kopraman, Y. & Kara, M.E., Hysteretic behavior of RC shear walls strengthened with CFRP strips, Composites Part B: Engineering, Vol. 44, No 1 (213a) Altin, S., Kopraman, Y. & Baran M., Strengthening of RC walls using externally bonding of steel strips, Engineering Structures, Vol. 49 (213b) Antoniades, K.K., Salonikios, T.N. & Kappos A.J., Tests on Seismically Damaged Reinforced Concrete Walls Repaired and Strengthened Using Fiber- Reinforced Polymers, Journal of Composites for Construction, ASCE, Vol. 9, No 3 (25) Christidis, K.I. & Trezos, K.G., Experimental investigation of existing nonconforming RC shear walls, Engineering Structures, Vol. 14 (217) Elnashai, A.S. & Pinho. R., Repair and Retrofitting of RC Walls using Selective Techniques, Journal of Earthquake Engineering, Vol. 2, No 4 (1998) CEN, Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance - Part 3: Assessment and retrofitting of buildings (EN :25) (25) CEN, Eurocode 8: Design of Structures for Earthquake Resistance - Part 3: Assessment and Retrofitting of Buildings (EN : 25/AC) (21) Lefas, I.D. & Kotsovos, M.D., Strength and Deformation Characteristics of Reinforced Concrete Walls under Load Reversals, ACI Structural Journal, Vol. 87, No 6 (199) Lefas, I.D., Kotsovos, M.D. & Ambraseys, N.N., Behavior of Reinforced Concrete Structural Walls: Strength, Deformation Characteristics, and Failure Mechanism, ACI Structural Journal, Vol. 87, No 1 (199) Paulay, T. & Priestley, M.J.N., Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings, John Wiley & Sons, New York (1992) Pilakoutas, K. & Elnashai, A., Cyclic Behavior of Reinforced Concrete Cantilever Walls, Part I: Experimental Results, ACI Structural Journal, Vol. 92, No 3 (1995a) Pilakoutas, K. & Elnashai, A.S., Cyclic Behavior of Reinforced Concrete Cantilever Walls, Part II: Discussions and Theoretical Comparisons, ACI Structural Journal, Vol. 92, No 4 (1995b) ΚΑΝ.ΕΠΕ, Κανονισμός Επεμβάσεων (2 η Αναθεώρηση), ΟΑΣΠ (217) Χριστίδης Κ., Συμπεριφορά και Ενίσχυση Υποωπλισμένων Τοιχωμάτων από Σκυρόδεμα, Διδακτορική Διατριβή (υπό την επίβλεψη του Αν. Καθηγητή Κ. Τρέζου), Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Αθήνα (217) 14