Acoustic Emission Monitoring of Reinforced Concrete Columns during Earthquake Simulation

Transcript

1 οκιµή Ακουστικών Εκποµπών σε Υποστυλώµατα Ο.Σ. κατά τη διάρκεια Φόρτισης που προσοµοιώνει Σεισµικό Φορτίο Acoustic Emission Monitoring of Reinforced Concrete Columns during Earthquake Simulation Αθανάσιος Α. ΑΝΑΣΤΑΣΟΠΟΥΛΟΣ 1, Τιµόθεος Χ. ΤΟΥΤΟΥΝΤΖΑΚΗΣ 1, έσποινα Β. ΣΥΝΤΖΙΡΜΑ 2, Γεωργία Ε. ΘΕΡΜΟΥ 3, Σταυρούλα Ι. ΠΑΝΤΑΖΟΠΟΥΛΟΥ 4 Λέξεις κλειδιά: Ακουστικές Εκποµπές, Σεισµικό Φορτίο, Οπλισµένο Σκυρόδεµα, Σύνθετοι Μανδύες, Επισκευή ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Η καταγραφή ακουστικών εκποµπών σε πραγµατικό χρόνο και η επεξεργασία αυτών πραγµατοποιήθηκαν για έναν αριθµό πρισµατικών στοιχείων οπλισµένου σκυροδέµατος που αντιπροσωπεύουν υποστύλωµα κτιρίου σχεδιασµένου µε παλαιότερες κανονιστικές διατάξεις. Εξαιτίας της έλλειψης λεπτοµερειών όπλισης τα δοκίµια ήταν επιρρεπή σε διάφορες µορφές αστοχίας. Τα δοκίµια αρχικά υποβλήθηκαν σε ανακυκλιζόµενη φόρτιση που προσοµοίωνε σεισµικό φορτίο παρουσία αξονικής δύναµης µέχρι αστοχίας. Στην επόµενη φάση τα δοκίµια επισκευάστηκαν µε µανδύες από σύνθετα υλικά και επαναφορτίστηκαν µε το ίδιο ιστορικό φόρτισης. Μια παράµετρος διερεύνησης ήταν ο τύπος του ιστορικού φόρτισης. Η αξιολόγηση των ακουστικών εκποµπών σε πραγµατικό χρόνο βασίστηκε σε διαγράµµατα συσσώρευσης γεγονότων και σε εντοπισµό θέσης εκποµπών µε 3D αλγόριθµους επιτρέποντας το συσχετισµό των ακουστικών εκποµπών µε τις οπτικές ενδείξεις. Τα αποτελέσµατα ακουστικής εκποµπής, συµφωνούν µε την οπτική παρατήρηση, όπου αυτή ήταν εφικτή, τεκµηριώνοντας έτσι την χρησιµότητα της µη καταστροφικής αυτής µεθόδου για την καταγραφή και τον χαρακτηρισµό της βλάβης σε στοιχεία σκυροδέµατος ακόµη και µετά τον εγκιβωτισµό τους σε µανδύες ΙΟΠ. ABSTRACT : Real time Acoustic Emission (AE) monitoring and post test analyses were carried out on a number of substandard reinforced concrete 1 Envirocoustics SA, Ελ. Βενιζέλου 7 & ελφών, Μεταµόρφωση, Αθήνα, s: nassos@envirocoustics.gr, tct@envirocoustics.gr 2 Πολιτικός Μηχανικός, Υποψήφια ιδάκτωρ, Τµ. Πολ. Μηχ/κών.Π.Θ., dsyntz@civil.duth.gr 3 ρ. Πολιτικός Μηχανικός, Εκλεγείσα Λέκτορας, Τµ. Πολ. Μηχ/κών Α.Π.Θ., gthermou@otenet.gr 4 Καθηγήτρια, Τµ. Πολ. Μηχ/κών.Π.Θ., pantaz@civil.duth.gr 1

2 prismatic specimens representing columns of a typical building detailed according with older practices. Due to lack of adequate seismic detailing the specimens were susceptible to various modes of failure. The as-built specimens were first tested to failure under a combination of cyclic lateral displacement reversals and constant axial load. In the next phase, specimens were retrofitted with composite jackets and then loaded again under the same loading history. A parameter of investigation was the type of displacement history applied. Real time AE monitoring focused on assessment of cumulative and history plots, events located with 3D location algorithm in order to correlate AE with visual indications. The results obtained during both real time and post-test processing were found to be in agreement with visual observation. Overall, AE proved a useful tool for monitoring and characterizing the onset of damage from the early loading stages. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η Ακουστική Εκποµπή (ΑΕ) ως µέθοδος Μη Καταστροφικού Ελέγχου (ΜΚΕ) οδηγεί σε διάγνωση και χαρακτηρισµό της συσσώρευσης βλάβης σε µια κατασκευή πολύ πριν τη τελική θραύση και πριν γίνουν αντιληπτά ακουστικά γεγονότα. Με βάση τον ορισµό της ASTM, ως ακουστική εκποµπή ορίζονται µεταβατικά τασικά κύµατα, παραγόµενα από το ίδιο το υλικό/κατασκευή κατά την απότοµη απελευθέρωση ενέργειας, είτε λόγω έναρξης της αστοχίας, είτε λόγω διάδοσης προϋπάρχουσας βλάβης στο µέσο, είτε τέλος λόγω αλλαγής φάσεως. Συνεπώς, κατά τον Μη Καταστροφικό Έλεγχο (ΜΚΕ) µε τη µέθοδο της ακουστικής εκποµπής (ΑΕ) το σήµα προέρχεται από το ίδιο το υλικό και όχι από εξωτερική πηγή. Για το λόγο αυτό είναι απαραίτητη προϋπόθεση η εφαρµογή φορτίου ελέγχου, που όµως δεν ξεπερνά τα φορτία σχεδιασµού της κατασκευής. Η µέθοδος της Ακουστικής Εκποµπής (ΑΕ) ή αλλιώς «Μικροσεισµική ραστηριότητα του Υλικού» χρησιµοποιείται ως µέθοδος µη καταστροφικών δοκιµών τόσο σε εργαστηριακό περιβάλλον όσο και σε δοκιµές πεδίου, µεγάλων κατασκευών σε πραγµατικές συνθήκες φόρτισης (Pollock, 1989, ASNT, 1987, Vahaviolos, 1996, ASTM 1997). Οι αισθητήρες ΑΕ τοποθετούνται στην επιφάνεια της υπό έλεγχο κατασκευής και µετατρέπουν τα τασικά κύµατα από µικρό-αστοχίες σε ηλεκτρικά σήµατα που στη συνέχεια ενισχύονται και γίνεται η επεξεργασία τους από ειδικά σχεδιασµένα για το σκοπό αυτό συστήµατα ΑΕ. Σε αντίθεση µε αυτό που δηλώνει το όνοµα της µεθόδου, ο έλεγχος γίνεται στο υπέρηχο πεδίο και στο εύρος συχνοτήτων από 20KHz-1.2ΜHz. Τα σύγχρονα συστήµατα ΑΕ, βασίζονται σε αρχιτεκτονική παράλληλης επεξεργασίας, είναι πολυκάναλα µε ισχυρούς επεξεργαστές ανάλυσης σήµατος που καταγράφουν σε πραγµατικό χρόνο χαρακτηριστικές παραµέτρους του σήµατος για ποσοτικό προσδιορισµό της συσσώρευσης βλάβης στο υλικό. Τα κανάλια ΑΕ είναι ταυτοχρονισµένα ώστε να είναι δυνατή η µέτρηση της διαφοράς του χρόνου άφιξης του σήµατος σε δύο ή περισσότερους αισθητήρες και στη συνέχεια ο υπολογισµός της θέσης της πηγής. Για την εφαρµογή της Ακουστικής Εκποµπής σε σκυρόδεµα έχουν δηµοσιευτεί µελέτες που κυρίως εστιάζουν σε δοκούς (Yuyama et al., 1994, 1995, 1999, Ohtsu 2

3 et al., 2002, Ohsawa et al., 1996, Matsuyama et al., 1993, Anastasopoulos και Συνεργάτες, 2005). Στην παρούσα µελέτη η ΑΕ χρησιµοποιήθηκε για την παρακολούθηση-εξέλιξη αστοχιών υποστυλωµάτων οπλισµένου σκυροδέµατος κατά την διάρκεια φόρτισης προσοµοίωσης σεισµικού φορτίου. Συνολικά έγινε καταγραφή ΑΕ σε πραγµατικό χρόνο κατά τη διάρκεια φόρτισης δύο (2) υποστυλωµάτων. Αρχικά η δοκιµή έγινε στα ασθενή υποστυλώµατα αντιπροσωπευτικά παλαιότερης τεχνολογίας όπλισης σκυροδέµατος στα οποία λόγο ανεπαρκούς αντοχής αναπτύχθηκαν έντονες βλάβες. Μετά το πέρας της πρώτης φάσης τα δύο δοκίµια, τα οποία και είχαν αστοχήσει, επισκευάστηκαν µε µανδύες από σύνθετα υλικά και επαναϋποβλήθηκαν σε φόρτιση ενώ ταυτόχρονα γινόταν καταγραφή των ΑΕ. Τα δοκίµια και στις δύο φάσεις υποβλήθηκαν σε ανακυκλιζόµενη φόρτιση (προσοµοίωση σεισµικού φορτίου) παρουσία αξονικής δύναµης µέχρι αστοχίας. Ακολούθησε επεξεργασία δεδοµένων ΑΕ και αξιολόγηση επιτρέποντας το συσχετισµό των ΑΕ µε την συσσώρευση βλάβης και την ανάπτυξη ρωγµών τεκµηριώνοντας έτσι την χρησιµότητα της µη καταστροφικής αυτής µεθόδου για την καταγραφή και τον χαρακτηρισµό της βλάβης σε στοιχεία σκυροδέµατος ακόµη και µετά τον εγκιβωτισµό τους σε µανδύες ΙΟΠ. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΙΑΤΑΞΗΣ ΚΑΙ ΟΚΙΜΙΩΝ Η πειραµατική διάταξη που χρησιµοποιήθηκε παρουσιάζεται στο Σχήµα 1, όπου το υπό µελέτη δοκίµιο ήταν συνδεδεµένο (πλάτη µε πλάτη) µε το βοηθητικό δοκίµιο στήριξης ίδιας γεωµετρίας συµπεριλαµβανοµένου και του θεµελίου, αλλά πολύ ισχυρότερου από το δοκίµιο µελέτης (Syntzirma et al., 2006, Thermou et al. 2007). Το ισχυρό δοκίµιο της διάταξης, δηλαδή το βοηθητικό δοκίµιο στήριξης, επαναχρησιµοποιούνταν σε κάθε νέο πείραµα και υπέστη αµελητέα βλάβη καθ όλη τη διάρκεια των δοκιµών. Η πειραµατική διάταξη προσοµοιώνει το στατικό σύστηµα µιας αµφιέρειστης δοκού µε συγκεντρωµένο φορτίο στο µέσο του ανοίγµατός της (δηλ. στο σηµείο ένωσης των δύο θεµελίων), ώστε να είναι στατικά προσδιορίσιµη η ένταση στο υπό µελέτη δοκίµιο. Όλες οι πειραµατικές διατάξεις είχαν αρθρώσεις στα άκρα τους και το εγκάρσιο φορτίο ασκούνταν στο σηµείο σύνδεσης των θεµελίων στο κέντρο του ανοίγµατος του συστήµατος των δυο δοκιµίων - µε έλεγχο των µετατοπίσεων βάσει προκαθορισµένου ιστορικού εναλλασσόµενων µετακινήσεων. Το αξονικό φορτίο που εφαρµόστηκε ήταν της τάξης του 8% του φορτίου αντοχής (τάξη µεγέθους 6.5 τόνων) και διατηρήθηκε σταθερό καθ όλη τη διάρκεια του πειράµατος, ενώ το σύστηµα µετακινούνταν στην εγκάρσια κατεύθυνση. Η τοποθέτηση πέντε ηλεκτρονικών µηκηνσιοµέτρων σε συγκεκριµένες θέσεις αναφοράς επέτρεψε την καταγραφή των σχετικών µετακινήσεων του δοκιµίου µελέτης, καθώς και του δοκιµίου στήριξης. Ο σχεδιασµός των δοκιµίων έγινε βάσει παλαιότερων κανονιστικών διατάξεων (δεκαετίας του 70) χωρίς αντισεισµικές λεπτοµέρειες όπλισης. Τα υπό µελέτη δοκίµια τετραγωνικής διατοµής ήταν µορφής προβόλου αντιπροσωπευτικά ενός τυπικού υποστυλώµατος που εκτείνεται από το µέσο ύψος του υποστυλώµατος µεταξύ ορόφων µέχρι τη σύνδεση δοκού υποστυλώµατος σε κλίµακα 1:2. Τα 3

4 δοκίµια που χρησιµοποιήθηκαν στις δοκιµές µε Ακουστικές Εκποµπές στόχευαν στην πρώιµη καµπτική µορφή αστοχίας ακολουθούµενη από λυγισµό του διαµήκους οπλισµού. Η διατοµή όλων των δοκιµίων ήταν τετραγωνική διαστάσεων 200mm και διατµητικού ανοίγµατος, L s =900mm (λόγος διατµητικού ανοίγµατος ίσος µε 5.5). Το βοηθητικό δοκίµιο στήριξης είχε τις ίδιες εξωτερικά διαστάσεις µε το δοκίµιο µελέτης, αλλά διέφερε ως προς τις λεπτοµέρειες όπλισης. Συγκεκριµένα ο διαµήκης οπλισµός αποτελούνταν από 4Ø25, ενώ ο εγκάρσιος οπλισµός από κλειστούς συνδετήρες διαµέτρου Ø10 τοποθετηµένους ανά 80mm. Τα υπό µελέτη δοκίµια είχαν διαµήκη οπλισµό ίσο µε 4Ø12, ενώ τοποθετήθηκαν κλειστοί συνδετήρες διαµέτρου Ø6 σε απόσταση 110mm. Ο σχεδιασµός των δοκιµίων έγινε µε βάση τις ονοµαστικές τιµές αντοχής του χάλυβα και του σκυροδέµατος. Η ονοµαστική τιµή αντοχής διαρροής του διαµήκους οπλισµού, καθώς και των συνδετήρων του δοκιµίου στήριξης, ήταν 500 MPa (S500). Ο εγκάρσιος οπλισµός του δοκιµίου µελέτης αποτελούνταν από λείο χάλυβα ονοµαστικής αντοχής διαρροής 220MPa (S220). H ονοµαστική θλιπτική αντοχή του σκυροδέµατος ήταν f c / =20MPa. Εναλλασσόµενο φορτίο Αξονικό φορτίου οκίµιο µελέτης οκίµιο στήριξης Σχήµα 1. Πειραµατική διάταξη υο εναλλακτικοί τύποι ιστορικών φόρτισης µε βάση τις µετακινήσεις, a και b, υιοθετήθηκαν στις δοκιµές. Τρεις κύκλοι εφαρµόστηκαν για κάθε επίπεδο µετατόπισης που διδόταν ως ποσοστό της µετακίνησης διαρροής της κορυφής, y (=12.9 mm), και στις δυο κατευθύνσεις. Ιδιαίτερα για το ιστορικό µετατοπίσεων τύπου a, η αύξηση της µετατόπισης ανά κύκλο γινόταν ως εξής: 0.25 y, 0.50 y, 0.75 y, 1.00 y, 1.50 y, 2.00 y, 2.50 y, συνεχίζοντας µέχρι το 4.0 y. Το ιστορικό τύπου b προσοµοίαζε σεισµούς κοντινού πεδίου (near field) και η µετατόπιση αυξανόταν σηµαντικά από κύκλο σε κύκλο µε ένα ξαφνικό µεγάλο παλµό στον κύκλο µε 2 y. Οι ίδιο τύποι ιστορικών φόρτισης χρησιµοποιήθηκαν και στις δύο οµάδες δοκιµίων στην αρχική φόρτιση πριν την επισκευή / ενίσχυση και στη φόρτιση µετά την επισκευή / ενίσχυση. 4

5 Σύστηµα ΑΕ και Πειραµατική ιαδικασία Για την καταγραφή των ΑΕ χρησιµοποιήθηκε το ψηφικό σύστηµα DiSP της Physical Acoustics. Βάση του συστήµατος είναι οι ψηφιακές κάρτες PSI/DSP-4 (DiSP, 2001). Οι αισθητήρες είχαν συχνότητα συντονισµού στα 150 KHz (PAC R15Ι), και ενσωµατωµένο προενισχυτή (προ-ενίσχυση 40dB). Ο Χρόνος Ορισµού Κορυφής (PDT), Χρόνος Ορισµού Σήµατος (HDT) και Χρόνος Κλειδώµατος Σήµατος (HLT), ορίστηκαν σε 200µsec, 400µsec και 200µsec, αντίστοιχα. Πριν από την έναρξη των δοκιµών µετρήθηκε η αποδυνάµωση του σήµατος ΑΕ ώστε να υπολογισθεί η µέγιστη επιτρεπτή απόσταση µεταξύ των αισθητήρων. Επίσης υπολογίστηκε η ταχύτητα διάδοσης των σηµάτων ΑΕ ούτως ώστε να µπορεί να επιτευχθεί µε την µεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια ο εντοπισµός των σηµάτων. Η απόσταση µεταξύ των αισθητήρων εξασφάλισε πλήρη κάλυψη όλων των περιοχών του δοκιµίου και ιδιαίτερα των περιοχών όπου και αναµενόταν να εµφανιστούν ρωγµές κατά την διάρκεια των δοκιµών. Για κάθε δοκίµιο χρησιµοποιήθηκαν δέκα (10) συνολικά αισθητήρες, τοποθετηµένοι όπως παρουσιάζεται στο Σχήµα 2. Η διάταξη των αισθητήρων επιλέχθηκε έτσι ώστε να υπάρχει η καλλίτερη δυνατή καταγραφή των σηµάτων ΑΕ κατά την διάρκεια των δοκιµών, παίρνοντας υπ όψιν τις µετρήσεις αποδυνάµωσης των σηµάτων ΑΕ, που πραγµατοποιήθηκαν πριν την έναρξη των δοκιµών καθώς και τις απαιτήσεις για δυσδιάστατο και τρισδιάστατο εντοπισµό των σηµάτων. Επιπλέον χρησιµοποιήθηκαν τέσσερις (4) αισθητήρες, τοποθετηµένοι στο δοκίµιο στήριξης, ώστε να µπορεί να γίνει εντοπισµός των σηµάτων που δεν προέρχονταν από το δοκίµιο δοκιµής αλλά από άλλες πηγές. Τέλος έγινε βαθµονόµηση ως έλεγχος ευαισθησίας στους αισθητήρες ΑΕ, κατά την τοποθέτηση τους στο δοκίµιο, ώστε να εξασφαλισθεί οµοιοµορφία στην ευαισθησία τους. 400 mm 160 mm mm mm 130 mm 100 mm 100 mm 900 mm Σχήµα 2. Θέσεις αισθητήρων ΑΕ στα δοκίµια. 5

6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Αποτελέσµατα ΑΕ Στα Σχήµατα 3 και 4 παρουσιάζονται τα εντοπισµένα σήµατα ΑΕ για τα δοκίµια 8α και 8β πριν και µετά την ενίσχυση αντίστοιχα. Ο εντοπισµός καθώς και η συγκέντρωση των σηµάτων ΑΕ στις δύο διαφορετικές φάσεις των δοκιµών έδωσαν σηµαντικές πληροφορίες για τον µηχανισµό αστοχίας για τα δύο δοκίµια. Είναι εµφανές πως στην 2 η φάση των δοκιµών και λόγω της παρουσίας του µανδύα ενίσχυσης, παρουσιάζεται αυξηµένη συγκέντρωση εντοπισµένων σηµάτων στην βάση του δοκιµίου, στην περιοχή όπου και τελικά αστόχησε το δοκίµιο. Επίσης τα συνολικά σήµατα ΑΕ µειώθηκαν περίπου κατά 60% και 25% για το δοκίµιο 8α και 8β αντίστοιχα, από την πρώτη στην δεύτερη φάση της δοκιµής. Πιθανότατα αυτή η µείωση να οφείλεται στην παρουσία του µανδύα σύνθετων υλικών και στον σχηµατισµό λιγότερων µικρορωγµών κατά την δεύτερη φάση των δοκιµών. (α) (β) Σχήµα 3. Εντοπισµένα σήµατα στο χώρο για τα δοκίµια α) 8α και β) 8β (Οι άξονες X, Y και Ζ, αντιπροσωπεύουν τις τρεις διαστάσεις των δοκιµίων στο χώρο). Τα γραφήµατα του Σχήµατος 4α παρουσιάζουν την αθροιζόµενη ενέργεια των εντοπισµένων σηµάτων ανά κανάλι κατά την διάρκεια της αρχικής καταπόνησης του δοκιµίου 8α. Τα Κανάλια 2 και 5 παρουσιάζουν παρόµοια συµπεριφορά έως 6

7 το 6000 ο δευτερόλεπτο, µε κάποια απότοµη αύξηση στην περίοδο µεταξύ 2000 ου και 4000 ου δευτερόλεπτου. Ο αισθητήρας 8 παρουσιάζει ενέργεια της ίδιας τάξης µεγέθους µε τον αισθητήρα 2 µε διαφορετική όµως συµπεριφορά καθώς ανά τακτά χρονικά διαστήµατα υπάρχουν αυξήσεις στο µεγαλύτερο µέρος της δοκιµής. Οι ανωτέρω ενδείξεις έντονης δραστηριότητας στις περιοχές των αισθητήρων 2, 5 και 8 προηγήθηκαν χρονικά της εµφάνισης των ορατών ρωγµών και µικρορωγµών, οι οποίες και εµφανίστηκαν λίγο µετά και σε χρόνους 3300 και 6500 δευτερόλεπτο, όπως πιστοποιήθηκε από τις σχετικές φωτογραφίες µέρος των οποίων παρουσιάζονται στο Σχήµα 5. Τα γραφήµατα του Σχήµατος 4β παρουσιάζουν την αθροιζόµενη ενέργεια των εντοπισµένων σηµάτων ανά κανάλι κατά την διάρκεια της δοκιµής του επισκευασµένου δοκιµίου R8α. Όλα τα κανάλια παρουσιάζουν οµαλή εξέλιξη και µόνο οι Αισθητήρες 2 και 8 να έχουν την µεγαλύτερη συνολική ενέργεια. Και οι δύο αισθητήρες παρουσιάζουν µια µικρή αλλά απότοµη αύξηση σε χρόνο 1500 δευτ. το οποίο συµπίπτει µε την εµφάνιση ρωγµής στη βάση του δοκιµίου. Η επόµενη µεγάλη αύξηση στην ενέργεια παρατηρείται µόνο στον Αισθητήρα 8 προς το τέλος της δοκιµής ( ο δευτ.). Σε αυτό το χρονικό σηµείο επήλθε και η τελική αστοχία του δοκιµίου. Είναι άξιο αναφοράς το ότι και στην αρχική δοκιµή (Σχήµα 4(α)) οι Αισθητήρες 2 και 8 είχαν επίσης την µεγαλύτερη δραστηριότητα. Στατιστικά στοιχεία (µέγιστα φορτία, χρόνος δοκιµής, κτλ) για τα δύο δοκίµια στις δύο φάσεις παρουσιάζονται στον Πίνακα 1. Με βάση τα παραπάνω, η παρακολούθηση της εξέλιξης των βλαβών/αστοχιών µπορεί να χαρακτηριστεί επιτυχής καθώς και για τα δύο δοκίµια και στις δύο φάσεις δοκιµών η µέθοδος ΑΕ εντόπισε τις περιοχές αστοχίας µε αρκετή ακρίβεια και ουσιαστικά σε πραγµατικό χρόνο. Επιπροσθέτως κατάφερε να εντοπίσει µικρορωγµές πολύ πριν αυτές γίνουν ορατές µε το µάτι, ειδικά στα αρχικά δοκίµια στα οποία υπήρχε και η δυνατότητα επιβεβαίωσης των ρωγµών αυτών, λόγο απουσίας του µανδύα ενίσχυσης. Οι µετακινήσεις που επιβλήθηκαν τόσο στο υπό µελέτη δοκίµιο όσο και στο δοκίµιο στήριξης µετρήθηκαν σε συγκεκριµένες θέσεις αναφοράς χρησιµοποιώντας ηλεκτρονικά µηκηνσιόµετρα (LVDTs). Τα δεδοµένα λαµβάνονταν από σύστηµα απόληψης δεδοµένων και αποθηκεύονταν σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Η επεξεργασία των δεδοµένων που καταγράφηκαν επέτρεψε την κατασκευή διαγραµµάτων δύναµης µετακίνησης στην κρίσιµη διατοµή για τα δοκίµια. Στο Σχήµα 5, η απόκριση των επισκευασµένων / επισκευασµένων δοκιµιων συγκρίνεται µε αυτή των αντίστοιχων αρχικών. Η καµπύλη µαύρου χρώµατος περιγράφει την απόκριση των επισκευασµένων δοκιµίων, ενώ η καµπύλη γκρι χρώµατος αντιστοιχεί στην απόκριση των υφιστάµενων δοκιµίων. Οι δείκτες απόκρισης που επιλέγονται να συγκριθούν υπολογίστηκαν βάσει των υστερητικών καµπυλών απόκρισης των επισκευασµένων δοκιµίων και αναφέρονται στην αντίσταση του στοιχείου σε θετική και αρνητική κατεύθυνση φόρτισης. Οι τιµές του µεγίστου φορτίου στη θετική και αρνητική φόρτιση, καθώς και η µέγιστη στροφή στην κρίσιµη διατοµή που αντιστοιχεί σε φορτίο ίσο µε το 80% του µεγίστου ανά κατεύθυνση φόρτισης. 7

8 (α) (β) Σχήµα 4 Αθροιστική ενέργεια εντοπισµένων σηµάτων ανά κανάλι κατά την διάρκεια (α) της αρχικής φόρτισης του δοκιµίου 8 α και (β) της δοκιµής για το επισκευασµένο δοκίµιο R8α. 8

9 Αρχικά δοκίµια: Στο δοκίµιο 8a οι διατµητικές ρωγµές άρχισαν να σχηµατίζονται στον πρώτο κύκλο πλαστιµότητας µετατοπίσεων µ =2.00. Στον επόµενο κύκλο του ίδιου επιπέδου πλαστιµότητας η επικάλυψη του σκυροδέµατος άρχισε να αποσαθρώνεται µε γρήγορους ρυθµούς. Στο τέλος λυγισµός του θλιβόµενου οπλισµού συνέβη σε επίπεδο πλαστιµότητας µετατοπίσεων µ =3.00 (στον πρώτο κύκλο) (Σχήµα 5). Το δοκίµιο 8b εµφάνισε επίσης µια ελεγχόµενη διατµητική συµπεριφορά. Οι πρώτες διαγώνιες ρωγµές σχηµατίστηκαν σε πλαστιµότητα µετακινήσεων µ =2.00. ιατµητική αστοχία σε συνδυασµό µε λυγισµό του διαµήκους οπλισµού οδήγησε σε σοβαρή ρηγµάτωση και αστοχία στον πρώτο κύκλο πλαστιµότητας µετακινήσεων µ =5.00 (Σχήµα 5). Επισκευασµένa δοκίµια: Τα δοκίµια του πειραµατικού προγράµµατος επισκευάστηκαν µε την εφαρµογή µανδύα από ύφασµα γυαλιού και σχεδιάστηκαν ώστε να διευθετηθεί κάθε µικτού τύπου µορφή αστοχίας που παρατηρήθηκε στην αρχική φόρτιση (Thermou et al. 2006, Thermou 2007). Στα δοκίµια τα οποία χρησιµοποιήθηκαν για δοκιµές Ακουστικής Εκποµπής, τοποθετήθηκε µια µονή στρώση υφάσµατος άνθρακα σύµφωνα µε τις απαιτήσεις του σχεδιασµού (ύψος µανδύα 0.4m); δηλαδή, από αναλυτικούς υπολογισµούς αποδείχτηκε ότι η εφαρµογή µιας µονής στρώσης υφάσµατος θα παρεµπόδιζε τη δηµιουργία διατµητικών ρωγµών, καθώς και τη σύνθλιψη της θλιβόµενης ζώνης (αποδιοργάνωση της επικάλυψης του σκυροδέµατος και κατόπιν εγκάρσια διόγκωση και σύνθλιψη του πυρήνα) και εποµένως έναρξη του λυγισµού του διαµήκους οπλισµού. Η διαδικασία της επισκευής και τα υλικά που χρησιµοποιήθηκαν περιγράφονται µε λεπτοµέρεια από τους Thermou and Pantazopoulou (2007) και Θερµού (2007). Επισηµαίνεται ότι σε περιπτώσεις που ο διαµήκης οπλισµός είχε λυγίσει, όπως στο δοκίµια 8b, τα λυγισµένα τµήµατα αφαιρέθηκαν και αντικαταστήθηκαν από τµήµατα νέων ράβδων ίδιας γεωµετρίας και µηχανικών χαρακτηριστικών (τρεις ράβδοι αντικαταστάθηκαν στην περίπτωση του δοκιµίου 8b). Η βλάβη συγκεντρώθηκε στη σύνδεση µεταξύ του επισκευασµένου δοκιµίου και του θεµελίου και για τα δυο δοκίµια, ενώ καµιά βλάβη δεν παρατηρήθηκε στο ύφασµα γυαλιού. Η περιέλιξη µε σύνθετα υφάσµατα εµπόδισε τη δηµιουργία διαγώνιων ρωγµών στην περιοχή του µανδύα, έτσι ώστε να µην είναι ορατή η πλαστική άρθρωση, ενώ η εξόλκευση του διαµήκους οπλισµού από το θεµέλιο επικράτησε ως µορφή αστοχίας. Η περιέλιξη µε µια στρώση υφάσµατος γυαλιού επανέφερε το δοκίµιο στην αρχική του κατάσταση, χωρίς την βελτίωση της διατµητικής του αντίστασης ή της ικανότητας παραµόρφωσης (Σχήµα 5). Στην περίπτωση του δοκιµίου R8a, το πείραµα διακόπηκε κατά τη διάρκεια του τρίτου κύκλου πλαστιµότητας µετατοπίσεων µ =3.0 (Σχήµα 5). Όπως παρατηρείται στο Σχήµα 5β, η απόκριση του δοκιµίου R8b είναι συγκρίσιµη µε αυτή του δοκιµίου 8b µέχρι το κύκλο πλαστιµότητας µετακινήσεων µ =2.0. Η αστοχία των συγκολλήσεων των τριών διαµήκων ράβδων συνέβη στον πρώτο κύκλο πλαστιµότητας µετατοπίσεων µ =5.0 (Σχήµα 5). Η υποδεέστερη συµπεριφορά στους δυο τελευταίους κύκλους πλαστιµότητας µετατοπίσεων µ =5.0 οφείλεται σε αστοχία των συγκολήσεων. 9

10 Πίνακας 1: Συγκεντρωτικά στοιχεία ΑΕ των δύο δοκιµίων στις δύο φάσεις δοκιµών. οκίµιο 8α 8β 1 η Φάση 2 η Φάση 1 η Φάση 2 η Φάση Αισθητήρες µε αυξηµένη 2,3,5,6,7,8,1 δραστηριότητα 0 2,6,7,8,10 3,5,6,7,8,9 2,5,7,8,10 Αισθητήρες µε µέγιστη δραστηριότητα 2,8 2,8 3,5,6 2,5 Αριθµός σηµάτων ΑΕ ανά ώρα Μέγιστη Μετακίνηση [mm] ±35 ±40 ±55 ±55 Μέγιστο Καµπτικό Φορτίο [KN] ±75 ±75 ±75 ±75 Αξονικό φορτίο [KN] 44 έως έως έως έως 79 Χρόνος οκιµής [min] Περιοχή Αστοχίας Κορµός και Κορµός και Βάση Βάση Βάση Βάση δοκιµίου δοκιµίου δοκιµίου δοκιµίου Εντοπισµός της περιοχής αστοχίας πριν αυτή γίνει Ναι Ναι Ναι Ναι ορατή οπτικά *Προ-εντοπισµός µικρορωγµών µε ΑΕ Ναι -** Ναι -** * Ως προ-εντοπισµός θεωρείται ο εντοπισµός ρωγµών πριν αυτές γίνουν ορατές µε γυµνό µάτι. **Στα επιδιορθωµένα δοκίµια ήταν αδύνατη η εµφάνιση µικρορωγµών λόγω της ενίσχυσης. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Για τα δοκίµια στην αρχική φάση ο µηχανισµός αστοχίας ήταν προοδευτικός, όπως φάνηκε και από την ανάπτυξη και εξέλιξη των µικρορωγµών, ενώ για τα επισκευασµένα δοκίµια, και λόγω της παρουσίας του µανδύα, η αστοχία ήταν πιο απότοµη. Και για τις δύο φάσεις των δοκιµών η παρακολούθηση της εξέλιξης του µηχανισµού αστοχίας των δοκιµίων ήταν επιτυχής. Τα αποτελέσµατα ακουστικής εκποµπής, συµφωνούν µε την οπτική παρατήρηση, όπου αυτή ήταν εφικτή, τεκµηριώνοντας έτσι την χρησιµότητα της µη καταστροφικής αυτής µεθόδου για την καταγραφή και τον χαρακτηρισµό της βλάβης σε στοιχεία σκυροδέµατος ακόµη και µετά τον εγκιβωτισµό τους σε µανδύες ΙΟΠ. 10

11 ύναµη, Force, F(kN) F(kN) ύναµη, F(kN) R8a RgBSN1_a 8a BSN1_a (α) (c) (γ) (δ) RgBSN1_b 45 R8b R8a R8b 8b BSN1_b a (β) (d) -60 (ε) Στροφή στην κρίσιµη διατοµή, Drift, θ (%) θ(%) Σχήµα 5. Σύγκριση ύναµης Στροφής στην κρίσιµη διατοµή για τα δοκίµια (α) 8α και R8a, και (β) 8b και R8b, (γ), (δ), (ε), (στ) οκίµια 8α, 8b, R8a και R8b στο στάδιο της αστοχίας. 8b (στ) Αρχικά δοκίµια: Τα δοκίµια δεν ήταν επαρκώς περισφιγµένα καθώς ο εγκάρσιος οπλισµός αποτελούνταν από λείους συνδετήρες διαµέτρου Ø6 σε απόσταση 110mm. Παρότι οι συνδετήρες είχαν αραιή διάταξη, η απαίτηση σε διάτµηση διατηρήθηκε χαµηλά λόγω του αρχικού σχεδιασµού έτσι ώστε να αποκλείσει την πρώιµη διατµητική αστοχία, προκειµένου να παρατηρηθεί πρώιµη διακοπή της καµπτικής απόκρισης λόγω λυγισµού του διαµήκους οπλισµού. Εξαιτίας της αραιής διάταξης των συνδετήρων, το µη στηριζόµενο µήκος των ράβδων που βρισκόταν σε θλίψη ήταν σηµαντικό (αναλογία s/ø σχεδόν 9), εποµένως η δύναµη περίσφιξης που παρέχονταν από τους συνδετήρες δεν µπορούσε να υποστηρίξει τις ράβδους που βρίσκονταν σε θλίψη. Ο λυγισµός συνέβη σε όλες τις περιπτώσεις δοκιµών. Το αξονικό φορτίο προκάλεσε σηµαντική µείωση της αντοχής των δοκιµίων. Τα δοκίµια της µελέτης είχαν έναν εξαιρετικά σαθρό τρόπο αστοχίας. Επισκευασµένα δοκίµια: Η κύρια µορφή αστοχίας ήταν η εξόλκευση του διαµήκους οπλισµού. Η περιέλιξη µε το ύφασµα γυαλιού εµπόδισε τη δηµιουργία διαγώνιων ρωγµών και η αστοχία επικεντρώθηκε στη σύνδεση υποστυλώµατος µε θεµέλιο. Η αγκύρωση του διαµήκους οπλισµού στο θεµέλιο αποδείχτηκε ο πιο αδύναµος κρίκος των επισκευασµένων δοκιµίων, γεγονός που ήταν αναµενόµενο λόγω της αρχικής βλάβης που υπέστη η περιοχή της αγκύρωσης κατά την αρχική φόρτιση του δοκιµίου (πριν την επισκευή). Είναι πιθανόν, ότι µια διαφορετική ιεράρχηση των αντοχών θα επικρατούσε σε περίπτωση που η βλάβη στις περιοχές αγκύρωσης είχε αναιρεθεί (µια πιθανή λύση θα ήταν η εφαρµογή ρητινενέσεων). Παρά ταύτα, η επισκευή της αγκύρωσης των οπλισµών µέσα στο θεµέλιο σε πραγµατικές συνθήκες αποτελεί µη ρεαλιστικό σενάριο, λόγω της δυσκολίας 11

12 προσέγγισης των στοιχείων της θεµελίωσης, και για το λόγο αυτό δεν ελήφθησαν µέτρα για το σύνολο των δοκιµίων προς αυτή την κατεύθυνση. Εποµένως, ενώ η επισκευή / ενίσχυση χρησιµοποιήθηκε επιτυχώς για να διευθετήσει τις αδυναµίες των στοιχείων που σχετίζονταν µε λυγισµό ράβδων του διαµήκους οπλισµού από την άλλη αναδείχθηκαν οι αδυναµίες που σχετίζονταν µε τις συνθήκες αγκύρωσης του διαµήκους οπλισµού µέσα στο θεµέλιο. O σχεδιασµός της επισκευής / ενίσχυσης µε µανδύες Ι.Ο.Π. επηρεάζεται σηµαντικά από τις συνθήκες αγκύρωσης του διαµήκους οπλισµού του υφιστάµενου στοιχείου ιδιαίτερα αν αυτό έχει υποβληθεί σε σεισµική διέγερση πριν τη φάση της επισκευής / ενίσχυσης. Στο σχεδιασµό του µανδύα Ι.Ο.Π. πρέπει να λαµβάνεται υπόψη το ενδεχόµενο η επισκευή / ενίσχυση της πλαστικής άρθρωσης να αναδεικνύει τις ανεπάρκειες των αγκυρώσεων. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η έρευνα που διεξήχθη χρηµατοδοτήθηκε από την Γενική Γραµµατεία Έρευνας και Τεχνολογίας µέσω του Προγράµµατος «ΑΡΙΣΤΙΩΝ». Όλες οι δοκιµές πραγµατοποιήθηκαν στις εγκαταστάσεις του Εργαστηρίου Οπλισµένου Σκυροδέµατος του Τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών του ηµοκρίτειου Πανεπιστηµίου Θράκης, στην Ξάνθη. ΑΝΑΦΟΡΕΣ Anastasopoulos, A., Tsimogiannis, A., Toutountzakis, T., Papanicolaou, C. and Triantafillou, T., Non Destructive Testing of Reinforced Concrete Beams Using Acoustic Emission, 5 th National Conference of the Hellenic Society for Non-Destructive Testing Non-Destructive Testing: Certification, Applications, New Developments November 18-19, 2005, Athens, Greece. ASTM E , Standard Practice for Acoustic Emission Monitoring of Structures During Controlled Stimulation. DiSP User s Manual Rev 1 & AEWin User s Manual Rev. 2, Physical Acoustics Corp, Sept Matsuyama, K., Fujiwara, T., Ishibashi, A., and Ohtsu, M, Field Application of Acoustic Emission for the Diagnosis of Structural Deterioration of Concrete, Journal of Acoustic Emission, Vol. 11, No 4, 1993, pp Non Destructive Testing Handbook, Vol. 5, Acoustic Emission Testing, Tech. Edt. Ronnie Miller, ASNT Ohsawa, I., Kimpara, I., Kageyama, K., Suzuki, T., AE Characterization of failure process of concrete beams reinforced with CFRP sheets, Progress in Acoustic Emission VIII, 1996, pp Ohtsu, M., Uchida, M., Okamoto, T. and Yuyama, S., Damage Assessment of Reinforced Concrete Beams Qualified by Acoustic Emission ACI Structural Journal Vol.99, No. 4, July-August 2002, pp Pollock, A., Acoustic Emission Inspection, Metals Handbook, 9th Edition, Vol. 17, ASM International, 1989, pp

13 Syntzirma, D. V., Thermou, G. E., Pantazopoulou, S. J., and Chalkitis, G. C. (2006) Experimental research of R.C. elements with substandard details. Proc., 1 st European Conference on Earthquake Engineering and Seismology, Geneva, Switzerland, Paper No 819. Thermou, G. E. (2007). Design and assessment models and spectra for repaired reinforced concrete structures. PhD thesis, Civil Engineering Department, Demokritus University of Thrace (in English), 378. Thermou, G. E., and Pantazopoulou, S. J. (2007). Seismic retrofit of square reinforced concrete columns using composite jacketing. Proc., 8th International Symposium on Fiber Reinforced Polymer Reinforcement for Concrete Structures, Patras, Greece, Paper No 123. Thermou, G. E., Syntzirma D. V., and Pantazopoulou, S. J. (2006). Seismic retrofitting of substandard reinforced concrete prismatic members using composite jackets. Proc., 1 st European Conference on Earthquake Engineering and Seismology, Geneva, Switzerland, Paper No 451. Vahaviolos, S.J., Acoustic Emission: A new but sound NDE technique and not a panacea in NDT, eds. D. Van Hemelrijck & A. Anastassopoulos, 1996, Balkema, pp Yuyama, S. Okamoto, T. and Nagataki, S. Acoustic Emission Evaluation of Structural Integrity in Repaired Reinforced Concrete Beams, Materials Evaluation, Vol.52, No 1, January 1994, pp Yuyama, S., Okamoto, T., Shigeishi, M. and Ohtsu, M., Acoustic Emission Generated in Corners of Reinforced Concrete Rigid Frame Under Cyclic Loading, Materials Evaluation, Vol.53, No 3, March 1995, pp Yuyama, S., Okamoto, T., Shigeishi, M., Ohtsu, M. and Kishi, T. A proposed standard for evaluating structural integrity of reinforced concrete beams by acoustic emission, ASTM STP 1353, 1999, pp