Επεμβάσεις σε κτίρια Ο/Σ μεσύνθεταυλικά: Γενικές αρχές Κανονισμοί

Transcript

1 ΣΕΜΙΝΑΡΙΟ: ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΚΤΙΡΙΩΝ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Επεμβάσεις σε κτίρια Ο/Σ μεσύνθεταυλικά: Γενικές αρχές Κανονισμοί Καθηγητής Α.Ι. Κάππος Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών ΑΠΘ Θεσσαλονίκη,

2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Επισκευές και ενισχύσεις κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος μείωση της σεισμικής τρωτότητας αναβάθμιση κατασκευών λόγω παλαιότητας, φθοράς, αλλαγής χρήσης κλπ. Παγκόσμια χρήση συνθέτων υλικών το έτος 2002 [Τριανταφύλλου, 2003] Διάφορα Αεροναυπηγική Αυτοκινητοβιομηχανία Συσκεύες Καταναλωτικά είδη Ηλεκτρονικά μέρη Τεχνικά έργα Ναυσιπλοϊα Βασικά πλεονεκτήματα τωνσύνθετωνυλικών: η ανθεκτικότητα σε διάβρωση, το χαμηλό βάρος (περίπου 1/5 ως1/4 του χάλυβα ), η εξαιρετικά υψηλή (εφελκυστική) αντοχή (πολλαπλάσια του κοινού χάλυβα), η διαθεσιμότητα των υλικών σε πολύ μεγάλα μήκη και η μεγάλη «ευελιξία» τους, (ευκολία και ταχύτητα εφαρμογής) Μειονεκτήματα των σύνθετων υλικών : η πτωχή συμπεριφορά σε υψηλές θερμοκρασίες, το σχετικά υψηλό κόστος, ηέλλειψηπλαστιμότητας(όμως έχουν μεγάλη ανηγμένη παραμόρφωση αστοχίας) 1

3 Τα σύνθετα υλικά αποτελούνται από: ίνες (fiber) υάλου (Gla) ήαραμιδίου(aramid) ήάνθρακα(carbon) συρραμμένες ή πλεγμένες σε μορφή υφάσματος. Τα ινοϋφάσματα, αφού εμποτιστούν με ειδικές εποξειδικές ρητίνες (epoxy rein), σχηματίζουν ένα σύνθετο υλικό υψηλής αντοχής το οποίο επικολλάται στις κατάλληλα προετοιμασμένες επιφάνειες του δομικού στοιχείου, αποτελώντας μόνιμη επένδυση επισκευής και ενίσχυσής του. υαλοΰφασμα Μηχανικά Χαρακτηριστικά Σύνθετων Υλικών τάση (MPa) Carbon FRP Aramid FRP 3000 Gla FRP Χάλυβας S παραμόρφωση (%) *Παρατήρηση: όχι για ανάληψη θλιπτικών δυνάμεων Δρίτσος,,

4 Ενισχύσεις με σύνθετα υλικά Μόνο σε συνδυασμό με υφιστάμενο οπλισμό Π.χ. προϋπόθεση (ACI 440-2R): Ανάληψη φορτίων από την υπάρχουσα κατασκευή: 1.2G Q Μεγιστοποίηση ταχύτητας εκτέλεσης εργασίας Ελαχιστοποίηση αναστάτωσης Δεν προσφέροναται για καμπτική ενίσχυση κατακόρυφων στοιχείων... Υφάσματα Ελάσματα Φύλλα Λωρίδες Πλέγματα Δρίτσος,, 2008 Μείωση Αντοχής Μειωτικός συντελεστής C Ε για διάφορες συνθήκες περιβάλλοντος (ACI- 440) Συνθήκες Περιβάλλοντος ΙΟΠ Άνθρακας Εσ. οπλισμός ενίσχυση ΙΟΠ - Αραμίδιο Εσ. οπλισμός ενίσχυση ΙΟΠ - Γυαλί Εσ. οπλισμός ενίσχυση Εσωτερικοί χώροι Εξωτερικοί χώροι Ιδιαίτερα διαβρωτικό περιβάλλον n/ 0.85 n/ 0.70 n/ 0.50 f fk =C Ε f fk Επιρροή μόνιμης σταθερής τάσης (ερπυσμός) Στατική κόπωση - Creep Rapture Stre (ACI- 440) ΙΟΠ Άνθρακας ΙΟΠ - Αραμίδιο ΙΟΠ - Γυαλί όριο αντοχής 0.55 f fκ 0.3 f fκ 0.20 f fκ προβληματική η ανάληψη μονίμων φορτίων Δρίτσος,

5 Διαστασιολόγηση επεμβάσεων Γενικές Απαιτήσεις Οι απαιτούµενες συνδέσεις παλαιών/νέων υλικών οφείλουν να ελέγχονται ώστε στη διεπιφάνεια: R d S d Έλεγχοι διεπιφάνειας σε θλίψη, διάτμηση, εφελκυσμό Επιτρέπεται προσεγγιστική διαδικασία, με υπόθεση μονολιθικής συμπεριφοράς αλλά αυξημένη δράση S d /k, όπου k ο αντίστοιχος συντελεστής μονολιθικότητας Επεμβάσεις σε Κρίσιμες Περιοχές Ραβδωτών Δομικών Στοιχείων (δοκοί, στύλοι) Επεμβάσεις με στόχο την ικανότητα σε ορθή ένταση Επεμβάσεις με στόχο την ικανότητα σε τέμνουσα Επεμβάσεις με στόχο την τοπική πλαστιμότητα Επεμβάσεις με στόχο την δυσκαμψία όχι ΙΟΠ... Περιεχόμενα Κανονισμού Επεμβάσεων (ΚΑΝΕΠΕ) 1. Σκοπός Πεδίο εφαρμογής Υποχρεώσεις και ευθύνες 2. Βασικές αρχές, κριτήρια και διαδικασίες 3. Διερεύνηση, τεκμηρίωση φέροντος οργανισμού υφισταμένου δομήματος 4. Βασικά δεδομένα αποτίμησης και ανασχεδιασμού 5. Ανάλυση πριν και μετά την επέμβαση 6. Βασικά προσομοιώματα συμπεριφοράς 7. Προσδιορισμός συμπεριφοράς δομικών στοιχείων 8. Διαστασιολόγηση επεμβάσεων 9. Έλεγχοι ασφαλείας 10. Απαιτούμενα περιεχόμενα μελέτης 11. Κατασκευή-διασφάλιση ποιότητας-συντήρηση 4

6 Τα προσχέδια των ΠΕΤΕΠ είναι διαθέσιμα στη διεύθυνση iok.gr k k Κεφ.. 8 (ΚΑΝΕΠΕ( ΚΑΝΕΠΕ): Συντελεστές μονολιθικότητας Δυσκαμψία πραγματικού σύνθετου στοιχείου = Δυσκαμψία μονολιθικού στοιχείου k r Αντοχή πραγματικού σύνθετου στοιχείου = Αντοχή μονολιθικού στοιχείου kδ u k k k r 1,0 Οριακή παραμόρφωση πραγματικού σύνθετου στοιχείου = Οριακή παραμόρφωση μονολιθικού στοιχείου 5

7 Επεμβάσεις σε Κόμβους Πλαισίων Επεμβάσεις σε Τοιχώματα Επεμβάσεις με στόχο την ικανότητα σε ορθή ένταση Επεμβάσεις με στόχο την ικανότητα σε τέμνουσα Επεμβάσεις με στόχο την τοπική πλαστιμότητα Επεμβάσεις με στόχο την δυσκαμψία Εμφάτνωση Πλαισίων Προσθήκη απλού γεμίσματος Τοιχωματοποίηση πλαισίων Ενίσχυση υφιστάμενων τοίχων πληρώσεως Ενίσχυση με μεταλλικούς δικτυωτούς συνδέσμους Προσθήκη Νέων Παράπλευρων Τοιχωμάτων Επεμβάσεις σε Στοιχεία Θεμελίωσης Θα αναφερθούν μόνο οι επεμβάσεις όπου μπορεί να γίνει χρήση ινοπλισμένων πολυμερών (ΙΟΠ) 6

8 Αποκατάσταση Ανεπαρκών Αναμονών Όταν το διατιθέμενο μήκος μάτισης (l ) ράβδων δεν είναι επαρκές, επιτρέπεται η βελτίωση των συνθηκών μεταφοράς δυνάμεων μεταξύ ράβδων με τις εξής μεθόδους: Ηλεκτροσυγκόλληση των αναμονών με τις νέες ράβδους, ή επέκταση των υφισταμένων αναμονών με πρόσθετες ράβδους μέσω ηλεκτροσυγκόλλησης (βλ. και ΚΤΧ) Εφαρμογή εξωτερικής περίσφιγξης στο στοιχείο (παρεμπόδιση πρόωρης αστοχίας της περιοχής μάτισης από διάρρηξη του περιβάλλοντος τη ράβδο σκυροδέματος) απαιτούμενος οπλισμός περίσφιγξης: A (1 λ ) 1 yk b / = γ Rd λ β μ σ d l = f A l l o 1 π.χ. 15Φ για λείες ράβδους με ημικυκλικά άγγιστρα στα άκρα (AB)=2(c+d ) 2 F =σ *A * l 2 B σ d c w 2:3 D w ρωγμή ολίσθησης w l σ N r(~3c) w A d συνδετήρας C d κέντρο στρογγύλευσης γωνιών (CD)~2d, ζώνη επιρροής της ολίσθησης A b σ d Ενεργοποίηση εξωτερικής περίσφιγξης στην περιοχή γωνιακής ματιζόμενης ράβδου (παρ. 6.3) Απαιτούμενο ποσοστό εξωτερικής περίσφιγξης: 3 7 f 3 yk ( A / ) απ = [(1 λ ) d / ] b( c d ) ( N, mm) 5 / 3 l + 2 δ E f ck 7

9 Ενίσχυση της Εφελκυόμενης Ζώνης Προσθήκη Χαλύβδινων Ελασμάτων ή Υφασμάτων από Ινοπλισμένα Πολυμερή (ΙΟΠ) εφαρμόζεταικυρίωςσεπλάκεςκαιδοκούς, σπανίως σε υποστυλώματα ή τοιχώματα τα ελάσματα ή τα υφάσματα επικολλώνται στο εφελκυόμενο πέλμα με χρήση ρητίνης (+βλήτρα στα χαλύβδινα ελάσματα) στα ΙΟΠ επιτρέπεται η χρήση ειδικών αγκυρίων-βλήτρων, αν είναι τεκμηριωμένη από βιβλιογραφία / πειραματικές δοκιμές επιτρέπεται εφόσον το υφιστάμενο στοιχείο πριν από την ενίσχυση μπορεί να αναλάβει την ένταση από μόνιμα φορτία (ακεραιότητα μετά την καταστροφή ΙΟΠ π.χ. από πυρκαγιά) αποφεύγεται η τοποθέτηση υπερβολικά μεγάλης ποσότητας υλικού ενίσχυσης που οδηγεί σε ψαθυρή αστοχία θλιβόμ. ζώνης εφόσον πληρούνται όλες αυτές οι προϋποθέσεις, το ενισχυμένο στοιχείο θεωρείται μονολιθικό (με εξωτερικό οπλισμό) Ο νέος οπλισμός υπολογίζεται έτσι ώστε σε συνεργασία με τον υφιστάμενο παλαιό να αναλαμβάνονται οι εφελκυστικές δυνάμεις λόγω της συνολικής καμπτικής έντασης στην περιοχή ενίσχυσης. Προσεγγιστικά, για τον υπολογισμό της απαιτούμενης διατομής του οπλισμού ενίσχυσης, σε βαθμό προμελέτης ΔM do A = z σ d 8

10 0.6mm GFRP κλειστός μανδύας (1 στρώση) 3 λωρίδες GFRP 1.30mm (πριν τοποθετηθεί ο μανδύας) λωρίδα τύπου Π (για αγκύρωση) Kαμπτική + διατμητική ενίσχυση τοιχωμάτων (Antoniade et al. 2003, 2005) αγκύρια CFRP ( φούντες σε οπή πλήρη ρητίνης) στη μέση και κοντά στην περιοχή αναδίπλωσης + λωρίδα τύπου Π Διάταξη οπλισμού ΙΟΠ στο δοκίμιο FRPLSW5 Ενίσχυση Οπλισμού Διάτμησης Ενίσχυση στοιχείου Ο/Σ που απαιτείται λόγω ανεπάρκειας τουοπλισμούδιάτμησης(v d > V Rdr3 ), μπορεί να γίνει: είτε με μανδύες οπλισμένου σκυροδέματος, είτε με εξωτερικά στοιχεία από χάλυβα ή ινοπλισμένα πολυμερή τα οποία επικολλώνται πλήρως επί του στοιχείου, μορφής επικολλητών φύλλων ή κολλάρων (εξωτ. συνδετήρες) χάλυβας: κολλάρα μορφής ράβδων ή ελασμάτων ΙΟΠ: κολλάρα μορφής λωρίδων ανοικτές ενισχύσεις επιτρέπονται μόνο υπό μορφή συνεχούς U προϋποθέσεις για ανοικτές ενισχύσεις με αγκύρωση μόνο μέσω ρητίνης: (α) ποιοτικός έλεγχος υψηλής στάθμης, (β) ικανότητα αρχικού στοιχείου επαρκής για συνδυασμό G+Q, (γ) ύψος αρχικού στοιχείου που διατίθεται για επικόλληση του στοιχείου ενίσχυσης επαρκές για την εξασφάλιση της δύναμης που ζητείται να αναληφθεί από τους νέους συνδετήρες h h 2L e 9

11 δεν είναι όλοι εφικτοί στην περίπτωση των ΙΟΠ!.. Τρόποι ενίσχυσης σε διάτμηση: (α, β) κλειστή ενίσχυση (γ, δ, ε, στ) ανοικτή ενίσχυση με αγκυρωμένα άκρα (ζ) ανοικτή ενίσχυση (αποδεκτή κατά παρέκκλιση, υπό προϋποθέσεις) Ενίσχυση Οπλισμού Διάτμησης (συνέχ.) Ενίσχυση με εξωτερικά στοιχεία από χάλυβα ή ΙΟΠ: V = V + V + V V Rd 3 cd wd h ef d = σ ρ b (cot θ d d w, + cot a) η τιμή σχεδιασμού της ενεργού τάσεως σ d, τουνέουοπλισμού διάτμησης εξαρτάται από την μορφή αστοχίας: αστοχία του ιδίου του υλικού ενίσχυσης 1 σ d = f k γm σημαντική διεύρυνση ανοίγματος κρίσιμης λοξής ρωγμής 1 σ d = σ,crit : γrd σ,crit = E ε για ΙΟΠ:, crit γm ε,crit = kν ε,max in πρόωρη αποκόλληση του υλικού ενίσχυσης σ 2 a 2A ρ = b in α w 1 d = σ,crit : γrd γm 10

12 Η πρόωρη αποκόλληση του υλικού ενίσχυσης πρέπει να ελέγχεται στην περίπτωση που η αγκύρωση των άκρων τους εξασφαλίζεται μόνο με πρόσφυση μέσω ρητίνης L σ,crit = k ν σ,max k ν = 0, 525 για λ = av < 0,5 L λ = διατιθέμενο μήκος e μ ή κος αγκ ύ ρωσης k v = 0,40 + 0,25λ 0,8 για λ > 0,5 ενεργό μήκος αγκύρωσης: E t f Le = (MPa, mm) ctm σ 2 f,max = β Le ctm t β = βο β w β L διορθωτικός συντελεστής β ο 0, 30, αρχικός διορθωτικός συντελεστής του προσομοιώματος, η τιμή του οποίου έχει προκύψει ως η βέλτιστη για την προσαρμογή της σχέσης (Σ8.13) στα μέχρι σήμερα διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα. w 2 in a 1 β w = συντελεστής επιρροής πλάτους οπλισμού ενίσχυσης, ίσος με για w 1+ 2 in a ενίσχυση με συνεχή φύλλα ή υφάσματα πλ β L = in λ (2 λ), συντελεστής επιρροής διατιθέμενου μήκους αγκύρωσης 2 = 1 αν λ 1,0 β L Ενίσχυση κόμβων Προσθήκη επικολλητών ελασμάτων (από χάλυβα ή ΙΟΠ) ή υφασμάτων ΙΟΠ Ελάσματα από χάλυβα: V V h v t max, ελ h h σ σ b d c d Ελάσματα ή Υφάσματα από ΙΟΠ: Απαιτούνται ίνες καί προς τις δύο διευθύνσεις. Ίνες // άξονα δοκού Ίνες // άξονα υποστυλώματος t h Vh = h σ d d t v Vv = h σ c d 11

13 Επεμβάσεις με Στόχο την Αύξηση της Τοπικής Πλαστιμότητας Αύξηση της τοπικής πλαστιμότητας στοιχείων Ο/Σ επιτυγχάνεται με την επιβολή εξωτερικής περίσφιγξης Εφαρμόζεται κυρίως σε υποστυλώματα, είναι ευχερής σε στοιχεία με κυκλική ή και ορθογωνική διατομή Πιθανοί τρόποι εφαρμογής: προσθήκη επικολλητών κολλάρων (χαλύβδινα ελάσματα συνήθους πάχους 1-2 mm, ή λωρίδεςαπόιοπ) χρήση προεντεταμένων κολλάρων (από χάλυβα ή ΙΟΠ) χρήση σπειροειδούς οπλισμού (από μεταλλικό έλασμα ή ΙΟΠ) προσθήκη ολόσωμου μανδύα (από φύλλα χαλύβδινων ελασμάτων ή από επικολλημένα ινοπλισμένα υφάσματα) χρήση μεταλλικού κλωβού (από κατακόρυφα γωνιακά ελάσματα + οριζόντια μεταλλικά κολλάρα, ή με πλήρη χαλύβδινα φύλλα) το απαιτούμενο μηχανικό ογκομετρικό ποσοστό οπλισμού περίσφιγξης (ω wd ) υπολογίζεται με βάση την απαιτούμενη ε cu του περισφιγμένου σκυροδέματος για στοχευόμενη πλαστιμότητα καμπυλοτήτων ε cu, c μ = 1/ r 3ε ( ν + ω )( b / b ) y, d d vd o ποσοστό κατακορύφων οπλισμών στον κορμό μεταξύ εφελκυόμενου και θλιβόμενου πέλματος για χαλύβδινες περισφίγξεις: α ω = 30 μ ε ( ν + ω ) wd 1/r y,d d νd b b o 0,035 α = α α η για μεταλλικό κλωβό: 2b p 2d p β =, γ = b d c c [ b (1 β ) + d (1 ) ] 1 α = 0.9, αη = 1 C C γ 3A C για μανδύεςήλωρίδεςιοπ: ίδια σχέση για α n (όπως για κλωβό) 12

14 πλήρη χαλύβδινα φύλλα περίσφιξη με μεταλλικό κλωβό ή μεταλλικό μανδύα ηλεκτροσυγκόλληση περίσφιξη με κολλάρα από χάλυβα ή ΙΟΠ περίσφιξη με σπειροειδή οπλισμό ηλεκτροσυγκόλληση σπιράλ b p b p b p b p b p b p d p d o d c d p d c d p b c b c d p d p (α) (β) Περισφιγμένο σκυρόδεμα (α) Περίσφιγξη με μεταλλικό κλωβό (β) Περίσφιγξη με ινοπλισμένα πολυμερή 13