Σουζάνα ΤΑΣΤΑΝΗ 1, Σοφία ΔΟΛΙΑΝΙΤΟΥ 2, Σταυρούλα ΠΑΝΤΑΖΟΠΟΥΛΟΥ 3

Transcript

1 Πρότυπη Εφαρμογή Μεθοδολογίας Αποτίμησης / Ενίσχυσης Διαβρωμένων Κατασκευών Ο.Σ. Implementation of assessment / strengthening methodology of corrosion impaired R.C. structures: A case study Σουζάνα ΤΑΣΤΑΝΗ 1, Σοφία ΔΟΛΙΑΝΙΤΟΥ 2, Σταυρούλα ΠΑΝΤΑΖΟΠΟΥΛΟΥ 3 Λέξεις κλειδιά: αποτίμηση, διάβρωση, ενίσχυση / επισκευή, μανδύες ΙΟΠ ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Κατασκευές οπλισμένου σκυροδέματος που δομήθηκαν προ του 80 δεν συνάδουν με τις σύγχρονες προδιαγραφές αντισεισμικότητας. Συνήθης τύπος δομήματος της περιόδου είναι τα κτίσματα με pilotis, όπου στα υποστηλώματα του μαλακού ορόφου συγκεντρώνεται η μεγαλύτερη απαίτηση για ικανότητα σεισμικής παραμόρφωσης. Ωστόσο, λόγω ανεπαρκών συνδετήρων, τα κατακόρυφα στοιχεία αδυνατούν να παραλάβουν τέτοιου μεγέθους παραμορφώσεις με συνέπεια η κατασκευή να καθίσταται επισφαλής. Στην περίπτωση της δομημένης παράκτιας ελλαδικής ζώνης, τέτοιου τύπου ανεπάρκειες επιβαρύνονται και από την διάβρωση του μεταλλικού οπλισμού. Γι αυτήν την κατηγορία κατασκευών οι συγγραφείς έχουν αναπτύξει μεθοδολογία ποσοτικοποίησης / αποτίμησης των ε- πιπτώσεων της διάβρωσης στους διάφορους μηχανισμούς αστοχίας (κάμψη, διάτμηση και αγκύρωση) καθώς και σχεδιασμού της απαιτούμενης ενίσχυσης μέσω ΙΟΠ υλικών. Ως πρότυπο εφαρμογής η μεθοδολογία εφαρμόζεται στο Προσκοπείο της Σάμης (Κεφαλονιά), κτίριο που κατασκευάσθηκε στα μέσα της δεκαετίας του 60 και έχει υποστεί εκτεταμένη διάβρωση του οπλισμού. ABSTRACT: The paper presents practical implementation of a methodology developed by the authors for assessment of old-type lightly-reinforced r.c. members which present compounded deterioration owing to corrosion of the metallic reinforcement. The example case study is a structure constructed in the mid 1960s at Sami, Cephalonia. The process of assessment includes definition of strength values of certain failure mechanisms like as flexure, shear and anchorage as well as the associated deformation components in the intact state and after corrosion of reinforcement at a given level of metal mass loss. The second phase of the methodology includes redesign for recovery of the strength mechanisms through FRP longitudinal and transverse reinforcements. 1 Δρ. Πολ. Μηχ., ΠΔ/407 Λέκτορας Τμ. Αρχ. Μηχ., ΔΠΘ, stastani@civil.duth.gr 2 MSc Πολιτικός Μηχανικός ΔΠΘ 3 Καθηγήτρια, Τμ. Πολιτικών Μηχανικών ΔΠΘ, pantaz@civil.duth.gr 1

2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Μεγάλος αριθμός κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος που δομήθηκαν στην χώρα μας το διάστημα από την μεταπολεμική εποχή έως τα μέσα της δεκαετίας του 80, οπότε και τέθηκε σε ισχύ ο νέος Κανονισμός Οπλισμένου Σκυροδέματος, χαρακτηρίζονται αντισεισμικώς ανεπαρκείς έως και επισφαλείς. Η ανεπάρκεια έγκειται α) στην μορφολογία της κατασκευής (π.χ. στην ύπαρξη εκκεντροτήτων ή και ασυνέχειας μάζας/δυσκαμψίας καθ ύψος. Ειδικά εδώ αναφέρεται το σύστημα δόμησης pilotis όπου ο μαλακός όροφος έχει προδιαμορφωθεί, με τα κατακόρυφα στοιχεία να συγκεντρώνουν την μεγαλύτερη απαίτηση για ικανότητα σεισμικής παραμόρφωσης του συνόλου της κατασκευής), β) στα υλικά (χαμηλή α- ντοχή σκυροδέματος με ευπάθεια λόγω υψηλού πορώδους σε ενανθράκωση, λείοι χάλυβες περιορισμένης αντοχής και ολκιμότητας) και γ) στην περιορισμένη γνώση εκείνης της εποχής περί της διττής λειτουργίας των συνδετήρων ως οπλισμού περίσφιγξης του θλιβομένου σκυροδέματος και ανάληψης της διάτμησης. Η εγγενής ανεπάρκεια αυτών των κατασκευών εντείνεται από επιπτώσεις που έχει η διάβρωση του μεταλλικού οπλισμού στους διάφορους μηχανισμούς αντοχής των δομικών στοιχείων, με πρωταρχικό αυτόν της αγκύρωσης. Η διάβρωση, η οποία γίνεται αντιληπτή σε πρώιμο στάδιο από κηλίδες σκουριάς στις ελεύθερες επιφάνειες, σε προχωρημένο στάδιο προκαλεί ρηγμάτωση και τελικά εκτίναξη της επικάλυψης του οπλισμού, με συνέπεια την εξ ολοκλήρου απώλεια του μηχανισμού συνάφειας. Αυτό συμβαίνει διότι τα προϊόντα σκουριάς, έχοντας πολλαπλάσιο όγκο από αυτόν του καταναλωθέντος μετάλλου (π.χ. V Fe(OH)3 = 4V Fe ), ασκούν ακτινικές -στην περιφέρεια της ράβδου- αποσχιστικές τάσεις στην επικάλυψη σκυροδέματος. Ανάλογα το βάθος διείσδυσης της διάβρωσης (δηλ. την καταναλωθείσα ακτίνα της ράβδου), οι αναπτυσσόμενες τάσεις καταναλώνουν από το απόθεμα σε εφελκυστική αντοχή του σκυροδέματος της επικάλυψης. Στο απόθεμα αυτό ωστόσο βασίζεται και ο μηχανισμός της συνάφειας διότι αναπτύσσει ίδιας φύσης αποσχιστικές πιέσεις. Το φαινόμενο αυτό επιδεινώνεται λόγω των ανεπαρκών λεπτομερειών όπλισης εκείνης της εποχής, όπως είναι τα μικρά πάχη επικαλύψεων καθώς και η έλλειψη συνδετήρων στο μήκος αγκύρωσης / υπερκάλυψης. Η εγγύτητα του οπλισμού στις ελεύθερες επιφάνειες των δομικών στοιχείων επιφέρει επίσης τον ταχύ εκφυλισμό και της διατμητικής αντοχής, διότι οι συνδετήρες αφενός περιβάλλουν τις διαμήκεις ράβδους και αφετέρου διαβρώνονται ταχύτερα λόγω της μικρής διαμέτρου τους. Ως προς τον μηχανισμό της κάμψης, η απώλεια σε εμβαδόν οπλισμού σε συνδυασμό με την απώλεια από ρηγμάτωση της επικάλυψης του θλιβομένου οπλισμού προκαλεί ανάλογη μείωση της φέρουσας ικανότητας του δομικού στοιχείου. Προγενέστερη έρευνα (Ταστάνη και Πανταζοπούλου, 2007) έχει οδηγήσει στην διατύπωση μεθοδολογίας για α) την ποσοτικοποίηση της επίπτωσης της διάβρωσης στους διάφορους δείκτες αντοχής και παραμορφωσιμότητας των επιμέρους δομικών στοιχείων μιας κατασκευής, καθώς και για β) την ανάκτηση ή/και ενίσχυση της σεισμικής τους αντίστασης μέσω εξωτερικώς επικολλούμενων ινοπλισμένων πολυμερών (Ε-ΙΟΠ). Σημειώνεται ότι η ενίσχυση των δομικών στοιχείων μέσω Ε-ΙΟΠ κρίνεται επαρκής με αποκατάσταση των διαφόρων δεικτών συμπεριφοράς εφόσον ο βαθμός διάβρωσης είναι περιορισμένος, όχι μεγαλύτερος από 10% σε απώλεια μάζας μετάλλου. 2

3 Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η αποτίμηση της διαθέσιμης αντοχής και παραμορφωσιμότητας με την προτεινόμενη μεθοδολογία ενός κτιρίου παλαιάς τεχνολογίας σχεδιασμένο με προ του 70 κανονιστικές διατάξεις, το οποίο έχει υποστεί εκτεταμένη διάβρωση οπλισμού, καθώς και η εφαρμογή αντισεισμικής ενίσχυσης του δομήματος. Πρόκειται για κτίριο δημόσιας χρήσης (Προσκοπείο) που βρίσκεται στην παραθαλάσσια περιοχή Σάμη στην Κεφαλονιά. Η αποτίμηση γίνεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο εκτιμάται η διαθέσιμη αντοχή και παραμορφωσιμότητα της κατασκευής λαμβανομένων υπόψη των παλαιού τύπου χαρακτηριστικών της. Μελετώνται όλοι οι μηχανισμοί αστοχίας (π.χ. κάμψη, διάτμηση και αγκύρωση) των επιμέρους δομικών στοιχείων, δοκών και υποστυλωμάτων, υπό την θεώρηση ότι δεν υφίσταται διάβρωση και των εξ αυτής συνακόλουθων μορφών αστοχίας των δομικών στοιχείων του κτιρίου. Στο δεύτερο στάδιο εκτιμώνται οι δείκτες απομένουσας αντοχής και παραμορφωσιμότητας όλων των μηχανισμών αστοχίας λαμβανομένων υπόψη των επιπτώσεων της διάβρωσης. Τέλος ακολουθεί η εφαρμογή μεθοδολογίας που αφορά την ανάκτηση αντοχών όλων των μηχανισμών αστοχίας μέσω εφαρμογής συνθέτων υλικών (υπό μορφή μανδύα ή / και διαμήκους οπλισμού) ώστε επιπλέον, μετά την επισκευή, η κατασκευή να διαθέτει πλαστιμότητα μετατοπίσεων μ Δ =2.5. Ν. ΚΕΦΑΛΛΗΝΙΑ Σάμη Εσοχή ισογείου σε σχέση με τον 1 ο όροφο Σχήμα 1 α) Γεωγραφική θέση Σάμης και β) Διαγώνια λήψη Προσκοπείου ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΚΤΙΡΙΟΥ: ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ, ΥΛΙΚΑ, ΒΛΑΒΕΣ Το κτίριο που θα αναλυθεί βρίσκεται στην παραθαλάσσια περιοχή Σάμη της Κεφαλληνίας, στο ανατολικό τμήμα του νησιού (Σχ. 1α). Σύμφωνα με τον Αντισεισμικό Κανονισμό του 59 η Σάμη εντάσσεται σε περιοχή σεισμικότητας ΙΙΙ με συντελεστή σεισμικής επιβάρυνσης ε=0.16 για έδαφος κατηγορίας γ, το οποίο αφορά σε παραλιακές προσχώσεις. Χτίστηκε τον Οκτώβριο του 64 σύμφωνα με τους Κανονισμούς των Β.Δ 45 & 59. Πρόκειται για διώροφη πλαισιωτή κατασκευή από οπλισμένο σκυρόδεμα χωρίς υπόγειο, με τοιχοποιίες πλήρωσης των ανοιγμάτων (Σχ. 1β). Το κτίριο είναι πανταχόθεν ελεύθερο. 3

4 Το κτίριο κατασκευάσθηκε για να καλύψει ανάγκες σχολείου προσκόπων. Το ιδιαίτερο αρχιτεκτονικό γνώρισμα του ισογείου είναι ότι η δομημένη επιφάνεια χρήσης, εμβαδού m 2, δεν περικλείεται από τον εξωτερικό φέροντα οργανισμό (Σχ. 1β, 2). Η οροφή του ισογείου βρίσκεται σε υψόμετρο 3.50m από την στάθμη του δρόμου όπου ορίζεται το σχετικό ±0.00. Από την διαθέσιμη στατική μελέτη προκύπτει ότι στην στάθμη αυτή, λόγω σπουδαιότητας του κτιρίου, τα κινητά φορτία ελήφθησαν ως 5.5kN/m 2 (αυξημένα κατά 0.5kN/m 2 της τιμής που όριζε ο Κανονισμός Φορτίσεων, Β.Δ. 10/1945). ± 0.00 ΥΠΑΡΧΩΝ ΠΟΡΤΟΝΙ ΗΜΙΥΠΑΙΘΡΙΟΣ ± 0.00 ΗΜΙΥΠΑΙΘΡΙΟΣ ± Ο υπερκείμενος όροφος συνολικού εμβαδού m 2 είναι ενιαίος χώρος (αίθουσα διαλέξεων), η οροφή του ο- ποίου βρίσκεται σε υψόμετρο 8.50m από την στάθμη του x δρόμου. Οι δύο απέναντι ό- y ψεις του ορόφου καλύπτονται ΑΙΘΟΥΣΑ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΧΡΗΣΕΩΝ από υαλοστάσια ενώ οι υπόλοιπες είναι «τυφλές», δηλαδή ΘΕΣΕΙΣ Ε = τ.μ μεταξύ των ανοιγμάτων των Διάδρομος Ε=1,36 τ.μ πλαισίων έχει δομηθεί συνεχής μπατική τοιχοποιία (Σχ β, 2). Από την στατική μελέτη προκύπτει ότι δεν υφίστα- Διάδρομος Ε = 5,49 τ.μ. 12 νται εσωτερικά υποστυλώματα, ενώ ισχυρές εγκάρσιες δο Αποθήκη κοί συνδέουν τα εξωτερικά υποστυλώματα για την εξασφάλιση της πλαισιακής λει τουργίας. Τα υποστηλώματα αρθρώνονται μέσω μεταλλικής πλάκας μολύβδου στο δά- Σχήμα 2 Κατόψεις ισογείου και ορόφου πεδο του ορόφου (οι διαμήκεις οπλισμοί κάμπτονται ώστε να διέρχονται από το κ.β. της διατομής προκειμένου να λειτουργούν ως αρθρώσεις διατομές με μηδενική καμπτική αντοχή). Στην περιοχή σύνδεσης δοκών υποστυλωμάτων οι πρώτες έχουν αυξημένη δυσκαμψία λόγω της σταδιακής αύξησης του ύψους της δια- 4

5 τομής για ένα μήκος πλησίον του κόμβου σύνδεσης 1m. Προκειμένου να εξυπηρετηθούν λόγοι αρχιτεκτονικής αισθητικής, οι δοκοί της κάτοψης του ορόφου είναι ανεστραμμένες, δεδομένου ότι το ισόγειο εισέχει περιμετρικά του εξωτερικού φέροντα οργανισμού κατά πλάτος 1.40m περίπου. Σχήμα 3 Διάβρωση οπλισμών σκάλας, δοκού ορόφου και υποστυλωμάτων ισογείου Ο φέροντας οργανισμός κατασκευάσθηκε με σκυρόδεμα κατηγορίας Β160 (C12 κατά ΕΚΟΣ). Η τιμή του ιδίου βάρους του Ο.Σ. που χρησιμοποιήθηκε στους υπολογισμούς ορίσθηκε σε 24kN/m 3 (αντιστοιχεί στο φαινόμενο βάρος άοπλου σκυροδέματος κατά ΕΚΟΣ 2000). Ως διαμήκης και εγκάρσιος οπλισμός χρησιμοποιήθηκε νευροχάλυβας κατηγορίας St I, ο οποίος αντιστοιχεί σε S220 βάσει των σημερινών δεδομένων. Οι διατομές των διαμηκών ράβδων ήταν: για τις δοκούς Φ14, Φ16, Φ18, Φ20, για τα υποστυλώματα Φ16 και Φ20, για τους οπλισμούς των πεδίλων Φ10, Φ12 και Φ14, ενώ για τις συνδετήριες δοκούς Φ10. Σύμφωνα με την στατική μελέτη, οι πλάκες οροφής ισογείου πάχους 0.19m, και οροφής ο- ρόφου πάχους 0.15m, σχεδιάσθηκαν με φορτίο επικάλυψης 0.80 kν/m 2 και

6 kν/m 2 αντίστοιχα. Οι ανωτέρω τιμές είναι μικρότερες των προβλεπόμενων από τον Κανονισμού Φορτίσεων Δομικών Έργων (Β.Δ. 10/1945). Η θεμελίωση, το βάθος της οποίας δεν αναφέρεται στην στατική μελέτη (συνήθως για διώροφη κατασκευή και για συνεκτικό έδαφος το βάθος του σκάμματος λαμβάνεται περί το 1.00m), έγινε με σύνδεση των υποστυλωμάτων με ανεξάρτητα πέδιλα, τα οποία με την σειρά τους συνδέθηκαν με συνδετήριες δοκούς. Η επιτρεπόμενη τάση εδάφους ορίζεται στην στατική μελέτη ως 150kN/m 2, οπότε το έδαφος θεμελίωσης θεωρήθηκε συνεκτικό (π.χ. άργιλος, πηλός κλπ.). Η διάταξη της θεμελίωσης προσδιορίζεται από την διάρθρωση της κάτοψης του ισογείου. Τα θεμέλια στα οποία εδράζονται τα εξωτερικά υποστυλώματα διαστάσεων 0.50 x 0.80 (m) έχουν διαστάσεις 3.00 x 2.00 x 1.00 (m) (μήκος x πλάτος x ύψος), ενώ τα θεμέλια στα οποία εδράζονται τα υποστυλώματα 0.45 x 0.45 (m) έχουν διαστάσεις 2.00 x 2.00 x 0.80 (m). Τα ανεξάρτητα πέδιλα συνδέονται μεταξύ τους με συνδετήριες δοκούς διαστάσεων 0.20x0.80(m). Το κτίριο, έχοντας κτισθεί σε παραθαλάσσια περιοχή με σκυρόδεμα χαμηλής α- ντοχής και άρα υψηλού πορώδους, υπέστη σε διάστημα 40 χρόνων ζωής σημαντικές φυσικές βλάβες που κυρίως αφορούν την συσσωρευμένη διάβρωση των οπλισμών στα διάφορα δομικά στοιχεία. Ειδικότερα, στην σκάλα παρατηρείται έντονη διάβρωση των οπλισμών της με βλάβη που έχει οδηγήσει σε σημαντική απομείωση της διατομής τους, αλλά και σε αποφλοίωση της επικάλυψης σε μεγάλη έκταση, εκθέτοντας τους οπλισμούς σε περαιτέρω ανεμπόδιστη διάβρωση καθώς και σε φαινόμενα τοπικής διάβρωσης (pitting corrosion) με επίπτωση στην απομείωση της παραμορφωσιμότητας του χάλυβα (Σχ. 3). Σε περιοχές δοκών ε- ντοπίζονται διαμήκεις ρωγμές μεγάλου εύρους και τοπικός θρυμματισμός της ε- πικάλυψης. Στα υποστυλώματα παρατηρείται ηπιότερη βλάβη, η οποία αποκαλύφθηκε έπειτα από αφαίρεση τμήματος επικάλυψης σκυροδέματος. Η περιορισμένη βλάβη οφείλεται στο επαρκές πάχος της επικάλυψης, το οποίο απέτρεψε την ενεργοποίηση της διάβρωσης, οπότε και δεν παρατηρήθηκαν ούτε κηλίδες σκουριάς ούτε και ρωγμές (Σχ. 3). Από το διαθέσιμο φωτογραφικό υλικό προκύπτει επιπλέον η ανεπάρκεια των υποστυλωμάτων έναντι τέμνουσας λόγω της αραιής διάταξης των συνδετήρων. ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑΣ Για την αποτίμηση / ενίσχυση του κτιρίου, λαμβάνοντας υπόψη την δυσμενή ε- πιρροή της διάβρωσης, έχει αναπτυχθεί λογιστικός αλγόριθμος. Έγινε η υπόθεση ότι το βάθος διείσδυσης της διάβρωσης για όλους τους οπλισμούς (διαμήκεις και εγκάρσιους) είναι 5% (=ΔD b /D b, όπου D b η διάμετρος της ράβδου). Η ανάλυση αφορά τις διατομές γραμμικών δομικών στοιχείων Ο.Σ. Εκτιμάται η αντοχή της κάθε κρίσιμης διατομής σε κάμψη, διάτμηση και η αποτελεσματικότητα της συνάφειας σκυροδέματος - οπλισμού, κατά συνέπεια και η αντοχή της αγκύρωσης. Για την κάμψη υιοθετείται αναλυτικός υπολογισμός με διακριτοποίηση της διατομής σε στρώσεις. Πέραν των δεικτών αντοχής, υπολογίζονται και οι μετακινήσεις κορυφής με την βοήθεια του προσομοιώματος προβόλου. Με γνωστές τις ανωτέρω τιμές, κατασκευάζεται το διάγραμμα τέμνουσας - πλαστιμότητας μετατοπίσεων, από όπου προκύπτει η κυρίαρχη μορφή αστοχίας του κάθε δομικού στοι- 6

7 χείου χωρίς, και με την επιρροή της διάβρωσης. Το τελευταίο τμήμα της μεθοδολογίας αφορά την διαστασιολόγηση της ενίσχυσης με στόχο την αντισεισμική α- ναβάθμιση των επιμέρους στοιχείων ώστε τελικώς η κατασκευή πέραν της αντοχής να διαθέτει και πλαστιμότητα μετατοπίσεων μ Δ =2.5. Η ενίσχυση επικεντρώνεται στην εφαρμογή μανδυών σύνθετων υλικών. Στην επόμενη ενότητα παρουσιάζονται βασικά βήματα της ανάλυσης, τα οποία συμπληρώνουν την προτεινόμενη μεθοδολογία (Ταστάνη και Πανταζοπούλου 2007). Βασικά Βήματα Ανάλυσης Τα όσα αναλύονται κάτωθι αφορούν την αποτίμηση των δομικών στοιχείων του κτιρίου στην αδιάβρωτη κατάσταση. Ωστόσο ανάλογες εκφράσεις υιοθετούνται και κατά την αποτίμηση της διαβρωμένης κατάστασης, τροποποιημένες ώστε να λαμβάνεται υπόψη το βάθος διείσδυσης της διάβρωσης στις ράβδους οπλισμού. Για τον προσδιορισμό των δεικτών δύναμης και μετατόπισης, έκαστο δομικό στοιχείο προσομοιώνεται ως πρόβολος μήκους ίσου με το διατμητικό άνοιγμα L s, στην κορυφή του οποίου ασκείται η τέμνουσα δύναμη (για τα υποστηλώματα του ισογείου και του ορόφου είναι αντίστοιχα L s =0.5H και L s =H, Η= ύψος ορόφου). Κατά την καμπτική ανάλυση των δοκών και των υποστηλωμάτων, λαμβάνονται υπόψη οι χαρακτηριστικές αντοχές των υλικών, χωρίς Poisson δηλαδή την χρήση συντελεστών Διαρροή Θραύση ασφαλείας. Ως προς τον χάλυβα, θεωρήθηκε διγραμμικός νόμος τάσεων παραμορφώσεων, χωρίς ο- Ρηγμάτωση ριζόντιο κλάδο διαρροής, με μέτρο ελαστικότητας στην κράτυνση Καμπυλότητα, φ (1/mm) 5%E s, όπου E s =200GPa. Για το σκυρόδεμα υπό θλίψη υιοθετήθηκε Σχήμα 4 Στάδια καμπτικής ανάλυσης διατομής η παραβολική εξάρτηση τάσεων παραμορφώσεων του Hognestad, ενώ για τον εφελκυσμό οι σχετικές διατάξεις του FIB/CEB Model Code 90. Σε λογιστικό φύλλο υπολογισμού η διατομή διακριτοποιείται σε περισφιγμένες και απερίσφικτες ζώνες σκυροδέματος, όπου και εφαρμόζεται ο ανάλογος νόμος τάσεων - παραμορφώσεων (για το περισφιγμένο σκυρόδεμα βλ. Ταστανη και Πανταζοπούλου, 2007). Περισφιγμένη ζώνη είναι η περιοχή εντός των συνδετήρων, ενώ απερίσφικτη είναι η περιμετρική περιοχή της επικάλυψης. Η διαδικασία της ανάλυσης περιλαμβάνει τον προσδιορισμό της καμπτικής ροπής Μ i (και κατά συνέπεια της καμπτικής τέμνουσας με διαίρεση της M i με το διατμητικό άνοιγμα του δομικού στοιχείου L s, δηλ. V i =M i /L s ) σε τέσσερα στάδια συμπεριφοράς (Σχ. 4): Στάδιο ρηγμάτωσης του σκυροδέματος με παραμόρφωση εφελκυόμενης παρειάς ε cr =0.0001, Στάδιο διαρροής του εφελκυόμενου χάλυβα, Στάδιο επιρροής φαινομένου Poisson, όπου η παραμόρφωση του σκυροδέματος στην ακραία θλιβόμενη ίνα είναι 2. Σε αυτό το στάδιο, λόγω εγκάρσιας διαστολής (για v = ), σε κατεύθυνση κάθετη προς την θλιπτική, η εφελκυστική παραμόρφωση υπερβαίνει την τιμή ρηγμάτωσης (δηλ. 2 v = Ροπή, M (knm) 7

8 ). Συνέπεια είναι η έναρξη αποφλοίωσης της επικάλυψης των θλιβόμενων ράβδων και η κατά συνέπεια απώλεια της συμβολής της επικάλυψης στην συνάφεια των θλιβομένων ράβδων. Μετά από αυτό το σημείο η αντοχή σε συνάφεια των οπλισμών θεωρείται ότι έχει απομειωθεί στο μερίδιο εκείνο που παρέχεται μόνο από τους συνδετήρες. Με την αντιστροφή της φοράς της σεισμικής δύναμης οι θλιβόμενοι οπλισμοί καθίστανται εφελκυόμενοι που πλέον όμως δεν είναι δυνατόν να αγκυρώσουν την δύναμή τους διότι η συμμετοχή του σκυροδέματος έχει απωλεσθεί. Άρα από το σημείο αυτό και για μεγαλύτερη παραμόρφωση, η φέρουσα ικανότητα των εφελκυόμενων ράβδων είναι μειωμένη, μειώνοντας αντίστοιχα την αντοχή του στοιχείου σε κάμψη. Στάδιο θραύσης του θλιβομένου σκυροδέματος σε παραμόρφωση ε cu =4. Η διατμητική αντοχή της κρίσιμης διατομής (η οποία λόγω στατικού προσομοιώματος προβόλου ισούται με την τέμνουσα δύναμη στην κορυφή του) ορίζεται ως η συμβολή των συνδετήρων V w και του σκυροδέματος V c, οι οποίες απομειώνονται συναρτήσει της πλαστιμότητας μετατοπίσεων μ Δ. Για τον προσδιορισμό της V c υιοθετούνται διερευνητικά δύο εκφράσεις, του Κανονισμού (δηλ. V Rd1 κατά ΕΚΟΣ 2000) καθώς και των Syntzirma & Pantazopoulou (2007): N f yk axial 0.5 d N axial Αν: ( ρ s1 ρ s2 ) Vc = 0.5 f ck 1 + A 0.5 c (1) Ac fck f ck Ls 0.5 fck A c αλλιώς V c =0. Στην Εξ. (1), Ν axial είναι το θλιπτικό αξονικό φορτίο επί της διατομής εμβαδού Α c και ρ s1, ρ s2 τα ποσοστά του εφελκυόμενου και του θλιβόμενου οπλισμού. Η συμμετοχή των συνδετήρων V w λαμβάνεται κατά ΕΚΟΣ (2000). Η αντοχή των αγκυρώσεων προσδιορίσθηκε θεωρώντας ομοιόμορφη κατανομή των διατμητικών τάσεων συνάφειας στο μήκος αγκύρωσης L b με εκτίμηση της αντοχής σε συνάφεια ως συμβολή της επικάλυψης και των υφιστάμενων συνδετήρων. Έτσι στην Εξ. (2), οι τιμές των διαφόρων συντελεστών έχουν ληφθεί ως: συντελεστής τριβής μ=1, συντελεστής εφελκυστικής απόκρισης της επικάλυψης ζ=2, εφελκυστική αντοχή σκυροδέματος f ct = 0.5f c 0.5, ισότροπη συστολή ξήρανσης σ shr =3f ct και συντελεστής διάταξης των συνδετήρων α=0.33. f b ' ( c ζ f + σ + A f /( N s )) = 2 μ /( πd ) α (2) b t Για Ν b αριθμό εφελκυόμενων ράβδων, η συνολική αντοχή της αγκύρωσης είναι F tot,b =N b πd b L b f b ενώ η συνολική εφελκυστική δύναμή τους είναι F tot =f s πd b 2 /4, όπου f s η τάση του οπλισμού. Θεωρείται ότι αν η δύναμη F tot,b είναι μεγαλύτερη της δύναμης διαρροής των ράβδων F,tot,y, τότε οι ράβδοι θα διαρρεύσουν με την καμπτική αστοχία να προηγείται της αστοχίας της αγκύρωσης. Αν, αντιθέτως, ι- σχύει F tot,b < F tot,y, τότε οι ράβδοι δεν θα προλάβουν να διαρρεύσουν και το στοιχείο θα αστοχήσει λόγω ανεπαρκούς αγκύρωσης. Σημειώνεται ότι, Αν F tot,b F tot,y, τότε υπολογίζεται ο μοχλοβραχίονας των εσωτερικών δυνάμεων ως jd=d-0.4ε c /φ, όπου οι τιμές των ε c και φ λαμβάνονται από την ανάλυση σε κάμψη στο σημείο της θραύσης. Στην συνέχεια υπολογίζεται η ροπή από την σχέση M anch =jd F tot,b. Αν F tot,b < F tot,y υπολογίζεται η παραμόρφωση του οπλισμού (θεωρώντας ο- μοιόμορφη κατανομή τάσεων συνάφειας) από τη σχέση: ε s =(4L b f b /D b )/E s και shr sw yw b 8

9 από καμπτική ισορροπία διατομής προκύπτει η παραμόρφωση του σκυροδέματος ε c. Έτσι εξάγονται η καμπυλότητα φ και η αντίστοιχη ροπή Μ αnch, καθώς και η ικανοτική τέμνουσα ως V anch = Μ αnch / L s, όπου L s το διατμητικό άνοιγμα του στοιχείου. Σε αυτό το στάδιο επαναπροσδιορίζεται η απομένουσα αντοχή συνάφειας f b res (από Εξ. (3) με μηδενισμό του 1 ου και 2 ου όρου) για την περίπτωση αντιστροφής της σεισμικής δράσης. Με δεδομένη την f b res, επαναϋπολογίζεται η F tot,b res και από καμπτική ανάλυση για παραμόρφωση ε c =0.002 προκύπτει η απομένουσα τέμνουσα δύναμη Διατμητική αντοχή (ΕΚΟΣ) Διατμητική αντοχή (Εξ. (1)) Διατμητική αντοχή (EKOΣ) Καμπτική τέμνουσα Τέμνουσα αγκύρωσης Διατμητική αντοχή (FIB 24) Καμπτική τέμνουσα Τέμνουσα αγκύρωσης Κ 16 (εφελκ.) Τέμνουσα, kn Κ 16 (θλίψη) α) β) Τέμνουσα, kn πλαστιμότητα μετατοπίσεων, μ πλαστιμότητα μετατοπίσεων, μ Δ Πλαστιμότητα Δ μετατοπίσεων, μ Δ Κ 4 (θλίψη) γ) Κ 4 (εφελκ.) δ) Πλαστιμότητα μετατοπίσεων, μ Δ Σχήμα 5 Γωνιακά υποστηλώματα ισογείου σε θλίψη με α) διατμητική αστοχία σε μ Δ =2.8 (Κ 16 ), β) αστοχία λόγω επίπτωσης φαιν. Poisson στην αγκύρωση σε μ Δ =2.1 (Κ 4 ) και γ) & δ) σε εφελκυσμό με ψαθυρή διατμητική αστοχία σε μ Δ <1 (Κ 16 & Κ 4 ). Αποτελέσματα Ανάλυσης: Αδιάβρωτη και Διαβρωμένη Κατάσταση Τα αποτελέσματα της διττής ανάλυσης σχετικώς με την συμπεριφορά των υποστηλωμάτων του κτιρίου δηλώνουν σαφώς ότι ο κυρίαρχος μηχανισμός αστοχίας των στοιχείων στην αδιάβρωτη κατάσταση είναι από διάτμηση. Η αστοχία στην πλειονότητα των περιπτώσεων (αδιάβρωτη κατάσταση) επέρχεται από διάτμηση έπειτα από σαφή διαρροή του διαμήκους οπλισμού προσδίδοντας στο στοιχείο πλαστιμότητα μετατοπίσεων της τάξης μ Δ =2-3,5. Στο Σχήμα 5 απεικονίζονται εν- 9

10 δεικτικά διαγράμματα τέμνουσας πλαστιμότητας μετατοπίσεων υποστηλωμάτων του ισογείου. Σημειώνεται ότι η συμπεριφορά αυτή ανατρέπεται όταν ληφθεί υπόψη η ανακύκλιση της έντασης (όπου εκτιμάται είτε ταχεία επιδείνωση της διατμητικής αντοχής είτε της αντοχής της αγκύρωσης λόγω δράσης του φαινομένου Poisson στην επικάλυψη του οπλισμού). Στις δοκούς της κατασκευής υπερτερεί η αστοχία αγκύρωσης κατόπιν όμως από εκτεταμένη διαρροή του εφελκυόμενου οπλισμού (μ Δ = 2-5). Εξαίρεση αποτελούν δύο δοκοί μεσαίου φατνώματος του ισογείου καθώς και η πλειονότητα των δοκών του ορόφου με αυξανόμενο ύψος στην περιοχή των κόμβων (διατομή ανάλυσης 500x1000mm και συνδετήρες Φ10/200), οι οποίες εκδηλώνουν αστοχία από διάτμηση σε μ Δ < 1. Κατά την αντίστοιχη ανάλυση των δομικών στοιχείων υπό καθεστώς διάβρωσης σε ποσοστό 5% απώλειας διατομής διαμήκους και εγκάρσιου οπλισμού προέκυψε ότι τα υποστηλώματα του ισογείου υφίστανται σφοδρή επιδείνωση του μηχανισμού αγκύρωσης με συνέπεια την πρόωρη αστοχία σε μ Δ < 1. Στο Σχήμα 6 για παράδειγμα, απεικονίζονται οι διάφοροι μηχανισμοί αστοχίας (συναρτήσεις τέμνουσας δύναμης πλαστιμότητας μετατοπίσεων): με συνεχείς γραμμές υπό την θεώρηση της διάβρωσης ενώ με διακεκομμένες γραμμές στην άθικτη κατάσταση. Όπως προκύπτει από την τομή των τεθλασμένων γραμμών, στην αδιάβρωτη κατάσταση οι μηχανισμοί οι οποίοι οδηγούν το στοιχείο σε ταυτόχρονη αστοχία είναι αυτοί της διάτμησης και της αγκύρωσης αφού προηγουμένως επιτευχθεί η α- ντοχή καθώς και σημαντική παραμόρφωση (μ Δ =2.8). Ωστόσο στην διαβρωμένη κατάσταση το στοιχείο αστοχεί πρόωρα με σημαντική απώλεια αντοχής και σε μ Δ <1. Η αστοχία συμβαίνει πολύ νωρίτερα όταν το στοιχείο τίθεται σε εφελκυσμό. Τέμνουσα, kn Κ 1 (θλίψη) Διατμητική αντοχή (ΕΚΟΣ) Διατμητική αντοχή (Εξ. (1)) Καμπτική τέμνουσα Τέμνουσα αγκύρωσης Διαβρωμένη κατάσταση Αδιάβρωτη κατάσταση Πλαστιμότητα πλαστιμότητα μετατοπίσεων, μ Δ μ Δ Σχήμα 5 Συγκριτική αντιπαράθεση μηχανισμών αστοχίας σε αδιάβρωτη και διαβρωμένη κατάσταση υποστηλώματος ισογείου υπό θλίψη (Κ 1 ). ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΜΕ ΙΟΠ ΥΛΙΚΑ Από τις προηγούμενες ενότητες καταδεικνύεται ότι η διάβρωση του χαλύβδινου οπλισμού επιφέρει μείωση στα μεγέθη αντοχής και παραμορφωσιμότητας των δομικών στοιχείων Ο.Σ. Σε ένα γενικότερο πλαίσιο ενίσχυσης, η ανάκτηση των μεγεθών αυτών είναι δυνατόν να συμβεί με χρήση μανδυών Ε-ΙΟΠ δεδομένου ότι 10

11 έχει ήδη τεκμηριωθεί από προηγούμενες έρευνες ότι, ως μέσο περίσφιγξης και διαμήκους ενίσχυσης, τα υλικά αυτά συμβάλλουν στην ανθεκτικότητα και την βελτίωση των αντοχών των διαφόρων μηχανισμών αστοχίας. Κατά την υιοθέτηση των μανδυών Ε-ΙΟΠ στο πλαίσιο αναβάθμισης θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι α) δεν επηρεάζουν την πλευρική δυσκαμψία των μελών Ο.Σ., β) καθώς περιορίζουν την ρηγμάτωση λόγω διάτμησης στην περιοχή της πλαστικής άρθρωσης, όλη η βλάβη συγκεντρώνεται σε λίγες και μεγάλου εύρους καμπτικές ρωγμές. Στη συγκεκριμένη πρόταση επιλέγεται αποκλειστικά η χρήση Ε-ΙΟΠ ώστε να μην αλλάξει το σχήμα απόκρισης της κατασκευής. Κατά την ενίσχυση των υποστυλωμάτων, τα οποία κυρίως παραλαμβάνουν την σεισμική τέμνουσα, επιλέγεται ανθρακόνημα με μηχανικές ιδιότητες: μεγέθη στην θραύση f fu =3500MPa, ε fu =0.015, μέτρο ελαστικότητας E f =230GPa και πάχος στρώσης t f =0.13mm. Για τον προσδιορισμό της βέλτιστης τιμής σκοπούμενης πλαστιμότητας μετατοπίσεων, η οποία θα προκύψει ως το πηλίκο της ελαστικής τέμνουσας βάσης V o el προς την αθροιστική πλευρική δύναμη διαρροής των υποστηλωμάτων του ισογείου απαιτείται ο προσδιορισμός των δυναμικών χαρακτηριστικών της κατασκευής σε συνδυασμό με το ισχύον φάσμα σχεδιασμού. Η μεθοδολογία ενίσχυσης αποσκοπεί στην ανάκτηση των επιμέρους αντοχών σε τέτοιο επίπεδο ώστε να εξασφαλισθεί η καμπτική απόκριση έπειτα από διαρροή του διαμήκους οπλισμού. Για να είναι αυτό ε- φικτό η επιδιωκόμενη τιμή της διατμητικής τέμνουσας επιλέγεται να είναι V shear enh =1.2V u,flex in και η τέμνουσα αγκύρωσης V anch enh =1.3V u,flex in, όπου V u,flex in η καμπτική αντοχή στην επιθυμητή πλαστιμότητα μετατοπίσεων (Σχ. 6α). Δυναμικά Χαρακτηριστικά Κτιρίου Για τον υπολογισμό των δυναμικών χαρακτηριστικών του κτιρίου υιοθετείται η επαναληπτική μέθοδος Rayleigh με δεδομένα τις τιμές μαζών και δυσκαμψιών των ορόφων. Η ανάλυση έγινε κατά την κατεύθυνση x-x. Η δυσκαμψία των ορόφων οφείλεται κυρίως στην συμβολή των υποστηλωμάτων (διαφραγματική λειτουργία λόγω πλακών Ο.Σ.). Για την δυσκαμψία των στοιχείων, k=α κ ΕΙ/h 3, (α κ =12 και 3 για τα υποστυλώματα του ισογείου και του ορόφου αντίστοιχα), ο όρος ΕΙ προκύπτει από την κλίση του διαγράμματος ροπών καμπυλοτήτων (Μ - φ) της κρίσιμης διατομής στην διαρροή. Για τον προσδιορισμό του διαγράμματος Μ φ απαιτείται η γνώση των δυσμενέστερων θλιπτικών ή εφελκυστικών αξονικών φορτίων που ασκούνται στην κρίσιμη διατομή, τα οποία ελήφθησαν από ελαστική ανάλυση. Η κατασκευή φορτίσθηκε με τα μόνιμα και τα κινητά φορτία καθώς και με σεισμό (φάσμα σχεδιασμού ΕΑΚ 2000 με q=3.5). Οι σχετικές συνολικές δυσκαμψίες και μάζες προσδιορίσθηκαν ως (Σχ. 6β): Σk 1 = kΝ/m - α) V anch enh V shear enh β) m V u,flex in k 2,i Σk 2 m μ Δ =2.5 k 1,i Σk Σχήμα 6 α) Σκοπούμενες αντοχές κατά την ενίσχυση και β) ιδιομορφή κτιρίου 11

12 m 1 =249,27kNsec 2 /m για το ισόγειο και Σk 2 = kΝ/m - m 2 =200,42kNsec 2 /m για τον όροφο, οπότε τα δυναμικά χαρακτηριστικά της κατασκευής ορίζονται ως: Τ=0.445sec και Φ={0.073, 1}. Με χρήση του φάσματος σχεδιασμού (γ 1 =1.20, θ=1, ΕΑΚ 2000) υπολογίζεται η ελαστική τέμνουσα βάσης ως V o el =4765kN. Συσχέτιση Σεισμικής Απαίτησης με την Διαθέσιμη Ικανότητα του Κτιρίου Η συνολική διαθέσιμη ικανότητα του κτιρίου είναι το άθροισμα των επιμέρους αντοχών των υποστυλωμάτων, με την αντοχή να λαμβάνει την τιμή της τέμνουσας του μηχανισμού αστοχίας που θα εκδηλωθεί πρώτος. Η διερεύνηση στην α- διάβρωτη κατάσταση έδειξε ότι V u in =2155kN ενώ στην διαβρωμένη κατάσταση V u corr =515kN. Ο λόγος V o el /V u είναι η απαιτούμενη πλαστιμότητα του συστήματος λαμβάνοντας θεώρηση ίσων μετακινήσεων: μ in 2.2 και μ corr 9.2. Η δεύτερη τιμή είναι μεγάλη δηλώνοντας ότι το σύστημα θα πρέπει να διαθέτει την ικανότητα μεγάλης ανελαστικής παραμόρφωσης μετά την διαρροή. Όμως, όπως έχει ήδη προκύψει από την αποτίμηση των επιμέρους δομικών στοιχείων στην διαβρωμένη κατάσταση, η πλειονότητα των υποστυλωμάτων έδειξε διατμητική αστοχία πριν την καμπτική διαρροή. Για την επισκευή επιλέχθηκε μ =2.5 (παραπλήσια της διαθέσιμης στην αδιάβρωτη κατάσταση) και εφαρμόσθηκαν οι σχετικές εκφράσεις της μεθοδολογίας για όλα τα δομικά στοιχεία. Για παράδειγμα, η ενίσχυση του υποστηλώματος ισογείου Κ 1 περιλαμβάνει 2 διαμήκεις στρώσεις για την ανάκτηση της κάμψης, 2 εγκάρσιες στρώσεις για την ανάκτηση της διάτμησης και 3 στρώσεις για την ανάκτηση της αντοχής της αγκύρωσης. Σημειώνεται ότι για τον προσδιορισμό των απαιτούμενων στρώσεων λεπτομερέστεροι υπολογισμοί αναπτύσσονται σε εφαρμογή στην σχετική εργασία των Ταστάνη και Πανταζοπούλου, ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θερμές ευχαριστίες εκφράζονται στον Καθηγητή Στέφανο Δρίτσο (Τμ. Πολ. Μηχ. - Πανεπιστήμιο Πατρών) για την παραχώρηση της αρχιτεκτονικής / στατικής μελέτης του κτιρίου καθώς και του φωτογραφικού υλικού των βλαβών. ΑΝΑΦΟΡΕΣ Ελληνικός Αντισεισμικός Κανονισμός-ΕΑΚ 2000, Έκδ. ΟΑΣΠ-ΣΠΜΕ (2001). Ελληνικός Κανονισμός Οπλισμένου Σκυροδέματος-ΕΚΟΣ 2000, Έκδ. ΟΑΣΠ- ΣΠΜΕ (2001). CEB-FIP. Model code for structural concrete. Thomas Telford Pubs., London (1993). Syntzirma D.V. and Pantazopoulou S.J., Deformation Capacity of RC Members with Brittle Details Under Cyclic Loads, ACI SP (2006) Αντισεισμικός Κανονισμός ΒΔ /2/1959 (ΦΕΚ 36Α ) Ταστάνη Σ. Π. και Πανταζοπούλου Σ.Ι., Αποτίμηση & Αναβάθμιση Διαβρωμένων Κατασκευών ΟΣ με Σύνθετα Υλικά ΙΟΠ, Τεχνικά Χρονικά Ι (Επιστ. Έκδ.) ΤΕΕ, τεύχος 1-2 (2007)