ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΠΛΑΚΟΔΟΚΩΝ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΕΝΑΝΤΙ ΑΝΑΚΥΚΛΙΖΟΜΕΝΗΣ ΤΕΜΝΟΥΣΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΤΥΠΟΥ ΙΝΟΠΛΕΓΜΑΤΟΣ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟΥ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΣ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΚΑΤΣΑΠΗ ΑΘ. ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ Πολιτικού Μηχανικού ΠΑΤΡΑ 2014

2

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια της λήψης του Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης (κατεύθυνση Αντισεισμικού Σχεδιασμού Κατασκευών) του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αντικείμενο της εργασίας αποτελεί η πειραματική διερεύνηση της ενίσχυσης σε διάτμηση πλακοδοκών οπλισμένου σκυροδέματος με μανδύες ινοπλεγμάτων σε ανόργανη μήτρα. Η πειραματική δοκιμή διεξήχθη σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση σταθερού βήματος. Επιβλέπων της εργασίας διετέλεσε ο Καθηγητής κος Τριανταφύλλου Αθανάσιος, μέλος Δ.Ε.Π. του Τμήματος και Διευθυντής του Εργαστηρίου Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών, όπου και έλαβε χώρα το πειραματικό μέρος της εργασίας από τον Απρίλιο έως το Φεβρουάριο του Προτού λοιπόν παρουσιάσω στα κάτωθι κεφάλαια το έργο μου, θα ήθελα να εκφράσω τις θερμότατες ευχαριστίες μου, πρωτίστως, στον κο Τριανταφύλλου Αθανάσιο, Καθηγητή του Πανεπιστημίου Πατρών, ο οποίος με περιέλαβε από την πρώτη στιγμή με εμπιστοσύνη, και παράλληλα με την ανάθεση του παρόντος θέματος για την εκπόνηση της μεταπτυχιακής μου διατριβής, μου παραχώρησε ό,τι ήταν αναγκαίο για τη διεκπεραίωσή της και, το σημαντικότερο, με καθοδήγησε ουσιαστικά στις δύσκολες φάσεις του εγχειρήματος. Έντονα αισθάνομαι ακόμη την ανάγκη να ευχαριστήσω τους ανθρώπους που με υποστήριξαν είτε έμπρακτα είτε ηθικά στην εκπόνηση της παρούσας εργασίας. Ειδικότερα: Την Επίκουρη Καθηγήτρια, κα Παπανικολάου Αικατερίνη για την ουσιαστική συμβολή της στο κομμάτι της πειραματικής διαδικασίας, για τη γενικότερη αρωγή της και για το χρόνο που αφιέρωσε στη μελέτη και εξέταση της παρούσας εργασίας. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Αναπληρωτή Καθηγητή κο Μπούσια Ευστάθιο, μέλος της Τριμελούς Επιτροπής Εξέτασης, για τη διάθεση συμβουλευτικής συζήτησης, καθώς επίσης και για το χρόνο που αφιέρωσε στη μελέτη και εξέταση της παρούσας εργασίας. Τις ευχαριστίες μου θέλω επίσης να εκφράσω στην υποψήφια διδάκτορα του τμήματος, κα Τζουρά Ευφροσύνη, στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής της οποίας συνεγράφη και η παρούσα εργασία για τη αγαστή συνεργασία και την i

4 γενικότερη βοήθεια της σε κάθε επίπεδο. Ευχαριστίες οφείλω και στους κκ. Καφφετζάκη Μιχαήλ και Κούτα Λάμπρο, υποψήφιους διδάκτορες του Τμήματος, για την βοήθεια τους σε θέματα τεχνικής φύσεως αλλά και για τη γενικότερη συμπαράστασή τους. Προσέτι, μεγάλη υπήρξε η αρωγή που προσέφερε στο πειραματικό μέρος της εργασίας, ο κος Κάρλος Κυριάκος, μέλος του Εργαστηρίου Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών, τον οποίο ευχαριστώ και για τις εν γένει συμβουλές του. Τέλος, ένα μεγάλο ευχαριστώ οφείλω για την άριστη συνεργασία μας, καθώς και τη δημιουργία και διατήρηση ενός ευχάριστου κλίματος κατά το στάδιο της πειραματικής διαδικασίας στη μεταπτυχιακή φοιτήτρια, κα Σαρδέλη Δήμητρα και τους προπτυχιακούς φοιτητές, κκ. Μαρούδα Σπυρίδωνα, Μιχαήλ Αντωνία και Μαραμπέα Ιωάννη. Η συμμετοχή τους στο πειραματικό μέρος της παρούσας εργασίας υπήρξε για την ευδόκιμη ολοκλήρωσή της πολύτιμη και ουσιαστική. Με εκτίμηση. Κατσάπης Αθ. Παναγιώτης ii

5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η πειραματική διερεύνηση της συμπεριφοράς διατάξεων ενίσχυσης πλακοδοκών (Τ-δοκοί) οπλισμένου σκυροδέματος, σε τέμνουσα δύναμη με χρήση πλεγμάτων συνεχών ινών άνθρακα δύο διευθύνσεων 0 /90, σε ανόργανη μήτρα κονιάματος με βάση το τσιμέντο (Ινοπλέγματα Ανόργανης Μήτρας). Η διεξαγωγή των πειραματικών δοκιμών γίνεται σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση σταθερού βήματος (κύκλοι φόρτισης). Ζητούμενο της πειραματικής διαδικασίας είναι η διερεύνηση της αποτελεσματικότητας ανοικτών μανδύων από ινοπλέγματα σε ανόργανη μήτρα στην αύξηση της ικανότητας ανάληψης τέμνουσας δύναμης από το στοιχείο. Ειδικότερα, διερευνάται η σχέση του αριθμού των στρώσεων σε μια πιθανή αύξηση καθώς και η τυχόν ευεργετική επίδραση μίας ειδικής τεχνικής για την αγκύρωση των άκρων του μανδύα. Η εξεταζόμενη τεχνική αγκύρωσης αποτελείται από καμπύλα μεταλλικά ελάσματα, μικρού σχετικά πάχους, που τοποθετούνται στα άκρα του μανδύα συγκρατώντας τον, ενώ μηχανικά αγκύρια αναλαμβάνουν να μεταφέρουν τις αναπτυσσόμενες δυνάμεις στη θλιβόμενη ζώνη του στοιχείου, στην πλάκα της δοκού. Από τις πειραματικές δοκιμές εξήχθησαν σημαντικά αποτελέσματα αναφορικά με την αποτελεσματικότητα της μελετηθείσας τεχνικής ενίσχυσης σε τέμνουσα δύναμη πλακοδοκών οπλισμένου σκυροδέματος με χρήση ινοπλεγματών ανόργανης μήτρας (ΙΑΜ), αγκυρωμένων ή μη. Η συνοπτική παρουσίαση των κεφαλαίων της παρούσας διατριβής έχει ως εξής: Στο Κεφάλαιο 1, που φέρει τον τίτλο «Εισαγωγή», γίνεται σύντομη αναφορά στη γένεση της ανάγκης επεμβάσεων, στις βλάβες των δοκών από Ο.Σ, στα αίτια και στη μορφή της αστοχίας τους, ενώ παρουσιάζονται και οι χρησιμοποιούμενες σήμερα τεχνικές ενίσχυσης έναντι τέμνουσας των δοκών. Στο Κεφάλαιο 2, που φέρει τον τίτλο «Σύνθετα Υλικά», γίνεται μία παρουσίαση των σύνθετων υλικών και ειδικότερα των ινοπλεγμάτων ανόργανης μήτρας. Παρουσιάζονται πληροφορίες από την διεθνή βιβλιογραφία, στοιχεία για τις ίνες που απαρτίζουν τα πλέγματα, τους τύπους των πλεγμάτων σύνθετων υλικών, τους τύπους ανόργανης μήτρας και τη συνάφεια μεταξύ πλεγμάτων και μητρικού υλικού. Ακολούθως, γίνεται αναφορά στην εφαρμογή στοιχείων από ινοπλέγματα σε ανόργανη μήτρα σε διάφορες κατασκευές πέρα των κτιριακών. Τέλος, επιχειρείται μια ανασκόπηση στην παγκόσμια βιβλιογραφία στις ερευνητικές εργασίες που iii

6 αφορούν στην εφαρμογή ινοπλεγμάτων σε ανόργανη μήτρα στο πεδίο των ενισχύσεων των κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα, ενώ επιπροσθέτως παρουσιάζονται και δύο τεχνικές αγκύρωσης των άκρων τρίπλευρων μανδυών ινοπλισμένων πολυμερών. Από την παρουσίαση των δημοσιευμένων εργασιών αναφορικά με την ενίσχυση μελών σε τέμνουσα δύναμη καθίσταται εμφανές πως θα είναι η πρώτη φορά που θα εξεταστεί πειραματικά η αποτελεσματικότητα τρίπλευρων μανδυών ΙΑΜ, αγκυρωμένων ή όχι, σε πλακοδοκούς οπλισμένου σκυροδέματος. Στο Κεφάλαιο 3, με τίτλο «Πειραματική διαδικασία», παρουσιάζονται λεπτομερώς, όλα τα βήματα της πειραματικής διαδικασίας, όπως ο σχεδιασμός των πειραματικών δοκιμών, η διαδικασία κατασκευής των δοκιμίων, η διαδικασία ενίσχυσης, η πειραματική διάταξη και οι ιδιότητες των χρησιμοποιούμενων υλικών. Στο Κεφάλαιο 4, που φέρει τον τίτλο «Πειραματικά αποτελέσματα», παρουσιάζονται με τη μορφή διαγραμμάτων όλα τα αποτελέσματα των πειραματικά μετρημένων μεγεθών, όπως το φορτίο του εμβόλου και οι παραμορφώσεις των ηλεκτρομηκυνσιομέτρων. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται τόσο αυτοτελώς για κάθε δοκίμιο όσο και συγκριτικά. Επιπροσθέτως, παρουσιάζεται ο τρόπος ανάληψης τέμνουσας δύναμης από τα σύνθετα υλικά ΙΑΜ καθώς και οι υπολογισμοί, μέσω των οποίων ποσοτικοποιείται η αποδοτικότητα της κάθε διάταξης. Τέλος, στο Κεφάλαιο 5, με τίτλο «Σύνοψη - προτάσεις για μελλοντική έρευνα», εκτίθεται περιληπτικά το σύνολο της εργασίας, με την παράθεση των βασικότερων συμπερασμάτων που προκύπτουν και προτείνονται προς διερεύνηση περαιτέρω ερευνητικές εφαρμογές, σχετικές με το αντικείμενο της παρούσας. iv

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελίδα ΠΡΟΛΟΓΟΣ i ΠΕΡΙΛΗΨΗ ii ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ v ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ix ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ xiii ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ xvi 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΕΠΕΜΒΑΣΕΙΣ ΠΑΘΟΓΕΝΕΙΑ ΤΩΝ ΒΛΑΒΩΝ Η σύγχρονη φιλοσοφία του αντισεισμικού κανονισμού Στόχοι και αρχές των επεμβάσεων Έρευνα πάνω στην ενίσχυση των κατασκευών ΘΕΣΗ ΤΗΣ ΔΟΚΟΥ ΣΤΟ ΔΟΜΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Βλάβες στις δοκούς ΟΙ ΤΡΕΙΣ ΤΥΠΟΙ ΤΗΣ ΑΣΤΟΧΙΑΣ Πλάστιμη αστοχία Ψαθυρή αστοχία Καμπτοδιατμητική αστοχία ΓΕΝΕΣΗ ΤΗΣ ΑΝΑΓΚΗΣ ΔΙΑΤΜΗΤΙΚΗΣ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΔΟΚΩΝ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΔΟΚΩΝ Ενίσχυση δοκών σε κάμψη Ενίσχυση δοκών σε διάτμηση Ενίσχυση δοκών με εξωτερικά χαλύβδινα ελάσματα Ενίσχυση δοκών με εξωτερικά μεταλλικά στοιχεία Ενίσχυση δοκών με μανδύες από Ο.Σ Ενίσχυση δοκών με εξωτερικά επικολλούμενα σύνθετα υλικά ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ 23 v

8 2.1.1 Ινοπλέγματα ανόργανης μήτρας Ίνες και πλέγματα ινών ΚΛΩΝΟΙ ΙΝΩΝ Ίνες άνθρακα Ίνες υάλου Ίνες αραμιδίου Ίνες βασάλτη Σύγκρηση διαφόρων τύπων ινών Πλέγμα ινών ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ Γενικά Συνήθη κονιάματα ανόργανης μήτρας Σκυροδέματα με προσθήκη πολυμερών Σκυροδέματα μη συμβατικής κονίας ΣΥΝΑΦΕΙΑ ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΜΗΤΡΑΣ ΚΑΙ ΠΛΕΓΜΑΤΟΣ ΙΝΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΑΠΟ ΙΑΜ Γενικά ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΑΛΥΨΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ Στοιχεία κάλυψης απο ΙΑΜ Στοιχεία τύπου σάντουιτς από ΙΑΜ Παραπετάσματα από ΙΑΜ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΞΩΤΕΡΙΚΗΣ ΘΕΡΜΟΜΟΝΩΣΗΣ ΑΠΟ ΙΑΜ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ ΚΑΙ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΠΟ ΙΑΜ ΣΕ ΕΡΓΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Δεξαμενές επεξεργασίας υγρών λυμάτων Ηχοπετάσματα από ΙΑΜ Προστασία από πλημμυρικά φαινόμενα μέσω στοιχείων από ΙΑΜ Χρήση στοιχείων ΙΑΜ για την προστασία κατασκευών από υπόγεια ύδατα 51 vi

9 2.9 ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ ΚΑΙ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΙΑΜ ΓΙΑ ΠΑΡΑΛΑΒΗ ΦΟΡΤΙΩΝ Παραμένοντες τσιμεντότυποι για την κατασκευή δομικών στοιχείων σκυροδέματος Εξώστες Πλαίσιο από προκατασκευασμένα στοιχεία ΙΑΜ ρομβοειδούς διατομής Σύστημα πλευρικής κάλυψης και στέγασης με δομικά στοιχεία από ΙΑΜ Γέφυρα κατασκευασμένη από στοιχεία ΙΑΜ Αγωγοί από στοιχεία ΙΑΜ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΜΕ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΙΑΜ Γενικά Ενίσχυση κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος με ΙΑΜ Ενίσχυση έναντι κάμψης Αύξηση πλαστιμότητας σε υποστυλώματα Ενίσχυση έναντι τέμνουσας Ενίσχυση πλάκας οπλισμένου σκυροδέματος Ενίσχυση κατασκευών φέρουσας τοιχοποιίας με ΙΑΜ ΠΡΟΤΥΠΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΓΚΥΡΩΣΗΣ ΜΑΝΔΥΑ ΑΠΟ ΙΑΜ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΓΕΝΙΚΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΩΝ ΔΟΚΙΜΙΩΝ ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΔΟΚΙΜΙΩΝ Διαστασιολόγηση δοκιμίων Γεωμετρία και οπλισμός δοκιμίων Γεωμετρία και οπλισμός δοκιμίων Διατάξεις ενίσχυσης ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΟΚΙΜΙΩΝ Ονοματολογία δοκιμίων και διατάξεις ενίσχυσης Παράμετροι διερεύνησης 83 vii

10 3.5 ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΔΟΚΙΜΙΩΝ Γενικά Κατασκευή δοκιμίων Ενίσχυση δοκιμίων Προετοιμασία Επιφάνειας Εφαρμογής Ενίσχυσης Ενίσχυση με ΙΑΜ (TRM) Ενίσχυση δοκιμίων με αγκύρωση των άκρων του μανδύα U ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ Σκυρόδεμα Χάλυβας Ανόργανη μήτρα κονιάματος Ινοπλέγματα Ρητίνη πληρώσεως των οπών ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Πειραματική Διάταξη Πειραματική Δοκιμή Δευτερεύουσες Πειραματικές Διαδικασίες Πειραματικός Προσδιορισμός Θλιπτικής Αντοχής Σκυροδέματος Πειραματικός Προσδιορισμός Εφελκυστικής Αντοχής Χάλυβα Πειραματικός Προσδιορισμός Αντοχής Κονιάματος ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΕΝΙΚΑ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΚΑΘΕ ΔΟΚΙΜΙΟΥ Δοκίμιο αναφοράς Control Δοκίμιο 1L_NA Δοκίμιο 2L_NA Δοκίμιο 2L_A(10) Δοκίμιο 2L_A(15)* Δοκίμιο 2L_A(15) ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΔΕΥΤΕΡΕΥΟΥΣΩΝ ΔΟΚΙΜΩΝ Θλιπτική αντοχή σκυροδέματος 133 viii

11 4.3.2 Χάλυβας Ανόργανη μήτρα κονιάματος ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Αύξηση διατμητικής αντοχής των ενισχυμένων δοκιμίων Συγκριτική παρουσίαση των αποτελεσμάτων των δοκιμίων 2L_A(15) και 2L_A(15)* Αποδοτικότητα διατάξεων ενίσχυσης σε όρους εφελκυστικής παραμόρφωσης (εt) ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΕΡΕΥΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΕΡΕΥΝΑ 148 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 150 ix

12 Κατάλογος Σχημάτων Σελίδα 1.1 Καμπτικές ρωγμές στο άνοιγμα της δοκού Καμπτικές ρωγμές στο κάτω πέλμα της δοκού στη στήριξη Διατμητικές ρωγμές παρά τις στηρίξεις Διατμητική αστοχία στη θέση έμμεσης στηρίξεως Διατμητική αστοχία δοκού σύζευξης τοιχείων (α) Καμπτική ρηγμάτωση, (β) Καμπτική αστοχία (α, β): Διατμητική αστοχία Καμπτοδιατμητική αστοχία Προσθήκη πλευρικών μεταλλικών ελασμάτων για αύξηση της διατμητικής αντοχής της δοκού Διατμητική ενίσχυση δοκού με διαγώνιους εξωτερικούς συνδετήρες (αριστερά), αύξηση διατμητικής αντοχής δοκού με σοβαρές διατμητικές βλάβες 14 μέσω συσφιγμένων κοχλιών (δεξιά). 1.11(α,β) Ενίσχυση δοκού σε κάμψη και διάτμηση με μανδύα οπλισμένου σκυροδέματος Ενίσχυση δοκού με καθαίρεση και αποκατάσταση ίσης διατομής. (α) Ρηγματωμένη διατομή. (β) Προσθήκη νέου οπλισμού Ενδεικτικές διατάξεις ενίσχυσης σε τέμνουσα δοκών Ο.Σ Ειδικές διατάξεις αγκύρωσης τρίπλευρου μανδύα Τομή ελάσματος σύνθετου υλικού σε μεγέθυνση Κατηγοριοποίηση των ινών ανάλογα με την προέλευση του υλικού κατασκευής τους [ITP,TU Dresden]. 2.3 Τυπικές καμπύλες εφελκυστικής τάσης - παραμόρφωσης για διάφορους τύπους ινών και σύγκριση με απλοποιημένες καμπύλες για χάλυβα [Τριανταφύλλου 2006] α) Περιφερειακές ίνες και ίνες πυρήνα - ανομοιογένεια δεσμού μήτρας ινών, β) κλώνος ινών με ίνες πλήρως εμποτισμένες (εξωτερικός δεσμός < εσωτερικού) Εφαρμογή στοιχείων όψεως από ΙΑΜ στο κτίριο επέκτασης του Πολυτεχνείου του Aachen [RWTH Aachen University] Στοιχεία όψης ΙΑΜ: (α) λεπτομέρεια εξωτερικού κελύφους και (β)λεπτομέρεια εξωτερικού κελύφους για το κάτω μέρος του τμήματος της κατασκευής Στοιχεία όψης ΙΑΜ στο κτίριο του Πολυτεχνείου του Aachen [RWTH Aachen University]: (α) όψη, (β) λεπτομέρεια όψης, (γ) τομή Λεπτομέρεια όπλισης στοιχείων όψης ΙΑΜ [RWTH Aachen University] Πειραματική διάταξη για τη διερεύνηση της καμπτικής αντοχής [RWTH Aachen University] Στοιχεία τύπου σάντουιτς από ΙΑΜ: (α) Πλέγμα τριών διαστάσεων, (β) στοιχείο σάντουιτς [ΙΤΑ, ΙΜΒ RWTH Aachen University] Τομή συστήματος εξωτερικής θερμομόνωσης από ΙΑΜ. 48 x

13 2.12 Δεξαμενή επεξεργασίας υγρών λυμάτων από ΙΑΜ: α) Τομή και β) Τελική 49 εικόνα της δεξαμενής [RWTH Aachen University] Υδατοστεγάνωση και ενίσχυση φέρουσας τοιχοποιίας υπογείου [Brockmann et al. 2006] Τομή, κάτοψη και τελική μορφή παραμένοντων τσιμεντότυπων για την κατασκευή δομικών στοιχείων σκυροδέματος [Brameshuber et al. 2003] Εξώστης από ΙΑΜ α) Διατομή εξώστη ΙΑΜ και β) Ινόπλεγμα με ράβδους οπλισμού α) Ρομβοειδές δομικό στοιχείο ΙΑΜ, β) Ένωση δομικών στοιχείων μεταξύ τους [bauko2, RWTH Aachen, Germany] Ολοκληρωμένο σύστημα δόμησης με δομικά στοιχεία ΙΑΜ, μορφής σάντουιτς [bauko2, RWTH Aachen, Germany] (α) Πειραματική διάταξη δοκιμών, (β) Διατομή [Triantafillou et al. 2006] (α),(β) Γεωμετρία δοκιμίων, (γ) Ελικοειδής διάταξη λωρίδων μανδύα ενίσχυσης στο μήκος διάτμησης [Triantafillou et al. 2006] (α) Γεωμετρία και (β) λεπτομέρειες οπλισμού δοκιμίων [Papanicolaou et al. 2009] (α) Εφαρμογή ινοπλεγμάτων σε κονίαμα, (β) πειραματική διάταξη [Papanicolaou et al. 2007] (α) Σχηματική απεικόνιση της διάταξης μηχανικής αγκύρωσης του μανδύα ΙΟΠ (β) Διατμητικές τάσεις στις διεπιφάνειες κοχλίων-υφάσματος και υφάσματος- 65 σκυροδέματος Τέσσερις μέθοδοι μηχανικής αγκύρωσης του μανδύα ΙΟΠ, με χρήση κοχλιών, ελασμάτων ή και ήλων α) Διάγραμμα καμπτικών ροπών για τις δύο φορές της σεισμική δράσης σε τυπικό πλαίσιο οπλισμένου σκυροδέματος (ίδιας γεωμετρίας και οπλισμού υποστυλώματα), β) Διαγράμματα εντατικών μεγεθών δοκού-προβόλου, όπου ο κόμβος δοκού υποστυλώματος έχει προσομοιωθεί με ένα υπεροπλισμένο θεμέλιο (πάκτωση) (α) Διατομή πλακοδοκού, (β) Κάτοψη δοκιμίου, (γ) Τρισδιάστατη μορφή δοκιμίου (α) Όψη δοκιμίου, (β) Διατομή πλακοδοκού με διαμήκεις οπλισμούς (α) Κάτοψη θεμελίου, (β) Όψη μικρής πλευράς θεμελίου Κατασκευαστικές λεπτομέρειες αγκυρώσεων διαμήκων οπλισμών πλακοδοκού (α) Διάταξη ενίσχυσης για το δοκίμιο 2L_A(10), (β) Διάταξη ενίσχυσης για το δοκίμιο 2L_A(15)*, (γ) Διάταξη ενίσχυσης για το δοκίμιο 2L_A(15) Ιστορίας φόρτισης των δοκιμίων: στο δοκίμιο L_2L_A(15)* η αύξηση των ευρών πλάτους σε κάθε κύκλο ήταν 5 mm, ενώ σε όλα τα άλλα δοκίμια ήταν 2mm Διάγραμμα φορτίου εμβόλου σχετικής μετακίνησης, δοκιμίου αναφοράς 112 Control 2. xi

14 4.2 Διάγραμμα αισθητήρα φορτίου σχετικής μετακίνησης, δοκιμίου αναφοράς 112 Control Περιβάλλουσα βρόγχων υστέρησης, φορτίου εμβόλου σχετικής μετακίνησης, δοκιμίου αναφοράς Control Διάγραμμα φορτίου εμβόλου σχετικής μετακίνησης, δοκιμίου 1L_NA Διάγραμμα αισθητήρα φορτίου σχετικής μετακίνησης, δοκιμίου αναφοράς 1L_NA Περιβάλλουσα βρόγχων υστέρησης, φορτίου εμβόλου σχετικής μετακίνησης, δοκιμίου 1L_ΝΑ Διάγραμμα φορτίου εμβόλου σχετικής μετακίνησης, δοκιμίου 2L_NA Διάγραμμα αισθητήρα φορτίου σχετικής μετακίνησης, δοκιμίου αναφοράς 2L_NA Περιβάλλουσα βρόγχων υστέρησης, φορτίου εμβόλου σχετικής μετακίνησης, δοκιμίου 2L_ΝΑ Διάγραμμα φορτίου εμβόλου σχετικής μετακίνησης, δοκιμίου 2L_A(10) Διάγραμμα αισθητήρα φορτίου σχετικής μετακίνησης, δοκιμίου αναφοράς 2L_A(10) Περιβάλλουσα βρόγχων υστέρησης, φορτίου εμβόλου σχετικής μετακίνησης, δοκιμίου 2L_A(10) Διάγραμμα φορτίου εμβόλου σχετικής μετακίνησης, δοκιμίου 2L_A(15)* Διάγραμμα αισθητήρα φορτίου σχετικής μετακίνησης, δοκιμίου αναφοράς 2L_A(15)* Περιβάλλουσα βρόγχων υστέρησης, φορτίου εμβόλου σχετικής μετακίνησης, δοκιμίου 2L_A(15)* Διάγραμμα φορτίου-μετακίνησης, δοκιμίου 2L_A(15) Διάγραμμα αισθητήρα φορτίου σχετικής μετακίνησης, δοκιμίου αναφοράς 2L_A(15) Περιβάλλουσα βρόγχων υστέρησης, φορτίου εμβόλου σχετικής μετακίνησης, δοκιμίου 2L_A(15) Διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης πειραματικής δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού χάλυβα διαμέτρου 8 mm Συγκριτική παρουσίαση περιβάλλουσας βρόγχων υστέρησης δύναμης εμβόλου μετακίνησης των πέντε δοκιμίων με την ίδια ιστορία φόρτισης Συγκριτική παρουσίαση περιβάλλουσας βρόγχων υστέρησης δύναμης εμβόλου μετακίνησης των δοκιμίων 2L_A(15) και 2L_A(15)* Συμβολή ανάληψης τέμνουσας δύναμης από τα ινοπλέγματα με ίνες σε δύο ορθογωνικές διευθύνσεις (TriantafullouandPapanicolaou2006). 143 xii

15 Κατάλογος Εικόνων Σελίδα 1.1(α,β) Αποκόλληση διατμητικών οπλισμών από ΙΟΠ (α,β) Εφαρμογή διατμητικών οπλισμών από ΙΟΠ Φύλλο και ύφασμα ενίσχυσης από συνεχείς ίνες που χρησιμοποιούνται στα 26 συστήματα υγρής εφαρμογής Διάφορες μορφές όπλισης στοιχείων σκυροδέματος Διακριτές ίνες Κλώνοι ινών: α) ενός υλικού και β) συνδυασμός νημάτων ινών [ITP,TU 30 Dresden]. 2.5 Διάφορα είδη πλέξης υπό γωνία 0ο/90ο [ITA,RWTH Aachen University] Διάφορα είδη ινοπλεγμάτων [ITA,RWTH Aachen University] Πλέγματα ινών δύο διευθύνσεων με προσανατολισμό ινών α) συνδυασμού 0ο/90ο 37 και χιαστί 45ο/-45ο και β) κάθετο 0ο/90ο. 2.8 Πλέγμα ινών τριών διαστάσεων Κυκλικό πλέγμα ινών κατά τη φάση παραγωγής τους Παραπέτασμα από στοιχείο ΙΑΜ [Technical University Dresden] Πλέγμα οπλισμού ινών άνθρακα δύο επιπέδων [RWTH Aachen University] (αριστερά): Εφαρμογή στοιχείων ΙΑΜ στο σιδηροδρομικό δίκτυο Άμστερνταμ - Παρίσι, (δεξιά) Ηχοπετάσματα - ανακλαστήρες σε οδικό δίκτυο στην Ολλανδία Ηχοπετάσματα ανάκλασης και απορρόφησης κοντά στο αεροδρόμιο του Ντίσελντορφ της Γερμανίας Στοιχεία ΙΑΜ για προστασία όχθης στην Ολλανδία α) και β) Τελική μορφή κελύφους στο χώρο [bauko2, RWTH Aachen, Germany] α) Διάταξη πειραματικής διερεύνησης, β) Τελική μορφή γέφυρας [Technical University Dresden] α) Τομή αγωγού από ΙΑΜ (διακρίνεται στο εσωτερικό ο λεπτός σωλήνας PVC), β) Πειραματική διερεύνηση αντοχής σε εσωτερική πίεση [Technical University Dresden] (α) Άποψη της διάταξης οπλισμών του δοκιμίου, (β) Λεπτομέρεια όπλισης στο σημείο εφαρμογής του φορτίου του εμβόλου α) Μεταλλικός κλωβός δοκιμίου, β) Ο μεταλλικός κλωβός εντός των μεταλλότυπων, πριν τη σκυροδέτηση Πάνω: Η πρώτη φάση σκυροδέτησης του θεμελίου με ταυτόχρονη δόνηση. Κάτω: Η 88 δεύτερη φάση σκυροδέτησης της δοκού με ταυτόχρονη δόνηση. 3.4 Κάλυψη των δοκιμίων με λινάτσες για την εμπόδιση της εξάτμισης του νερού Τελική μορφή των δοκιμίων μετά το ξεκαλούπωμα α) Απομάκρυνση της επιφανειακής στρώσης του τσιμεντοπολτού του κορμού και καμπύλωση των ακμών. β) Απομάκρυνση της σκόνης με πεπιεσμένο αέρα. 90 xiii

16 3.7 α) Ζυγαριά ακριβείας. β) Μηχανικός αναδευτήρας. γ) Παρασκευή του μητρικού 91 υλικού με μηχανική ανάμιξη. 3.8 Παρασκευή πρισματικών δοκιμίων (α) Αρχική επίστρωση με κονίαμα, (β) Τέντωμα του πλέγματος και εμποτισμός του με κονίαμα, (γ) Ενδιάμεση φάση επάλειψης κονιάματος, (δ) Τελική μορφή δοκιμίου μετά την ενίσχυση α) Τελική μορφή του δοκιμίου μετά την ενίσχυση με δύο στρώσεις ΙΑΜ, β) Εφαρμογή μεταλλικής γωνιάς, γ) Διάνοιξη οπών για τη διέλευση ντιζών (α) Καθαρισμός οπών με ειδικό εργαλείο (βουρτσάκι), (β) Καθαρισμός οπών με χρήση συμπιεσμένου αέρα, (γ) Εφαρμογή ρητίνης πληρώσεως με την βοήθεια πιστολιού σιλικόνης α) Τελική μορφή του ενισχυμένου δοκιμίου με μανδύα πριν την τοποθέτηση των ντιζών. β) Εισαγωγή των μηχανικών αγκυρίων στις πληρωμένες με ρητίνη 96 οπές. γ) Εφαρμογή ροπόκλειδου στα μηχανικά αγκύρια για την προέντασή τους Πλέγμα ινών άνθρακα που χρησιμοποιήθηκε σε κάθε ενίσχυση Ρητίνη πληρώσεως των οπών των αγκυρίων Άποψη της πειραματικής διάταξης (χωρίς πρόσθετη διάταξη αγκύρωσης του 100 θεμελίου) Άποψη της πειραματικής διάταξης (με πρόσθετη διάταξη αγκύρωσης του θεμελίου) α)λεπτομέρειες της ένωσης του εμβόλου με το δοκίμιο, β) Λεπτομέρειες της 102 πάκτωσης του θεμελίου α) Αισθητήρας Μεταβλητής Αντίστασης (LVDT). β) Σχεδιάγραμμα της αρχής λειτουργίας του αισθητήρα μεταβλητής αντίστασης. γ) Εφαρμογή του αισθητήρα στην 104 πειραματική διάταξη α) Στοιχεία της μηχανής RMU για τον προσδιορισμό της θλιπτικής αντοχής του σκυροδέματος. β) Δοκιμή Θλίψης του κυβικού δοκιμίου σκυροδέματος α) Σύστημα πραγματοποίησης δοκιμών εφελκυσμού των χαλύβδινων ράβδων. β) Δοκιμή μονοαξονικού εφελκυσμού α) Δοκιμή κάμψης πρισματικών δοκιμίων, β) Τα τεμαχισμένα από τη δοκιμή κάμψης δοκίμια θα χρησιμοποιηθούν σε δοκιμή θλίψης, γ) Δοκιμή προσδιορισμού θλιπτικής αντοχής Άποψη του δοκιμίου Control 2 πριν την έναρξη της πειραματικής δοκιμής Άποψη του δοκιμίου Control 2 και τη διαδοχική εμφάνιση της πρώτης (αριστερά) δεύτερης (μέσον) διατμητικής ρωγμής και μετά το πέρας της πειραματικής δοκιμής Άποψη του δοκιμίου Control 2 πριν την έναρξη της πειραματικής δοκιμής Άποψη του δοκιμίου 1L_NA και τη διαδοχική εμφάνιση της πρώτης (αριστερά) 115 δεύτερης (μέσον) διατμητικής ρωγμής και μετά το πέρας της πειραματικής δοκιμής. 4.5 Εμφάνιση των βλαβών στις δύο όψεις του δοκιμίου 1L_NA μετά την 117 απομάκρυνση του μανδύα στο τέλος της πειραματικής διαδικασίας. 4.6 Άποψη του δοκιμίου 2L_NA πριν την έναρξη της πειραματικής δοκιμής xiv

17 4.7 Άποψη του δοκιμίου 2L_NA (αριστερά ) κατά την εμφάνιση της πρώτης διατμητικής ρωγμής, (μέσον) της δεύτερης διατμητικής ρωγμής κατά την αποκόλληση του μανδύα. 4.8 Άποψη του δοκιμίου 2L_NA μετά το πέρας της πειραματικής διαδικασίας, (αριστερά) κύρια όψη παρατήρησης, (δεξιά) δευτερεύουσα όψη παρατήρησης Αποκάλυψη των βλαβών του δοκιμίου 2L_NA έπειτα από την απομάκρυνση του μανδύα μετά το πέρας της πειραματικής διαδικασίας Άποψη του δοκιμίου 2L_A(10) πριν την έναρξη της πειραματικής δοκιμής Άποψη του δοκιμίου 2L_A(10) κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας, (αριστερά) έναρξη ρηγμάτωσης, (μέσο) ενδιάμεσο στάδιο (δεξιά) 124 μορφή δοκιμίου στο πέρας της πειραματικής διαδικασίας Εμφάνιση των βλαβών του δοκιμίου 2L_A(10) έπειτα από την απομάκρυνση του μανδύα μετά το πέρας της πειραματικής διαδικασίας Άποψη του δοκιμίου 2L_A(15)* πριν την έναρξη της πειραματικής δοκιμής Άποψη του δοκιμίου 2L_A(15)* (αριστερά) εμφάνιση πρώτης διατμητικής ρωγμής, (μέσο) ενδιάμεσο στάδιο, (δεξιά) τελική μορφή δοκιμίου στο τέλος του πειράματος Εμφάνιση των βλαβών στις δύο όψεις του δοκιμίου 2L_A(15)* μετά την απομάκρυνση του μανδύα στο τέλος της πειραματικής διαδικασίας Άποψη του δοκιμίου 2L_A(15) πριν την έναρξη της πειραματικής δοκιμής Άποψη του δοκιμίου 2L_A(15) (αριστερά) εμφάνιση πρώτης διατμητικής ρωγμής, (μέσο) ενδιάμεσο στάδιο, (δεξιά) τελική μορφή δοκιμίου στο τέλος του πειράματος Εμφάνιση των βλαβών στις δύο όψεις του δοκιμίου 2L_A(15) μετά την απομάκρυνση του μανδύα στο τέλος της πειραματικής διαδικασίας xv

18 Κατάλογος Πινάκων Σελίδα 2.1 Μηχανικές ιδιότητες ινών άνθρακα Μηχανικές ιδιότητες των τριών τύπων ινών υάλου Συντελεστές αποδοτικότητας πλεγμάτων σύμφωνα με τον Wiberg Γεωμετρικά μεγέθη πλακοδοκού και πεδίλου Τιμές σχεδιασμού αντοχής σε κάμψη και σε τέμνουσα για τα δοκίμια Control 1 και Control Συνοπτική παρουσίαση των διατάξεων όπλισης και ενίσχυσης για κάθε δοκίμιο Τιμές θλιπτικής αντοχής σκυροδέματος Μηχανικά χαρακτηριστικά χαλύβδινων ράβδων οπλισμού Εφελκυστική και θλιπτική αντοχή κονιάματος στις 10 ημέρες Συγκεντρωτικά αποτελεσμάτων των πέντε δοκιμίων με ίδια ιστορία φόρτισης (2mm/κύκλο) για την διεύθυνση ώθησης Συγκεντρωτικά αποτελέσματα των πέντε δοκιμίων με ίδια ιστορία φόρτισης (2mm/κύκλο) για την διεύθυνση έλξης Παρουσίαση της μορφής της αστοχίας κάθε δοκιμίου Παρουσίαση αποδοτικότητας κάθε διάταξης ενίσχυσης σε όρους ενεργούς παραμόρφωσης εte. 144 xvi

19 1 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΕΠΕΜΒΑΣΕΙΣ Η συντριπτική πλειονότητα των κατασκευών που έχουν ανεγερθεί στην Ελλάδα από τα τέλη της δεκαετίας του 1970 μέχρι σήμερα αποτελούνται από κτίρια με κυρίαρχο υλικό δόμησης το οπλισμένο σκυρόδεμα. Κάθε κτίριο αποτελεί ένα ενεργό σύστημα, που υφίσταται κατά την διάρκεια της ωφέλιμης ζωής του τις επιπτώσεις των περιβαλλοντικών δράσεων. Οι βλάβες αυτές, που συγκεντρώνονται στα μέλη του, καθιστούν απαραίτητη την εκπόνηση μελέτης επέμβασης για την αποκατάστασή του. 1.1 ΠΑΘΟΓΕΝΕΙΑ ΤΩΝ ΒΛΑΒΩΝ Φυσική φθορά λόγω γήρανσης & αμέλειας χρηστών. Φθορά από έκθεση σε επιθετικό περιβάλλον: o Κύκλοι ψύξης απόψυξης o Υγρασία o Διάβρωση χάλυβα & σκυροδέματος, Φθορά από προβλήματα στη θεμελίωση (διαφορικές καθιζήσεις). Ερπυσμός υλικών. Βλάβη από τυχηματικές φορτίσεις σε συνδυασμό με τυχόν αλλαγές χρήσης. Συσσωρευμένη βλάβη από άλλα αίτια. Τυχηματικές φορτίσεις: σεισμός, εκρήξεις, κλπ. Συχνά, παρ όλο που δεν υπάρχει τέτοιας έκτασης βλάβη που να απειλεί την ωφέλιμη διάρκεια ζωής του έργου, εντούτοις διαπιστώνεται ότι το κτίριο είναι ανεπαρκές, σύμφωνα με τα σημερινά δεδομένα ή τις γενικώς αποδεκτές προδιαγραφές. Εδώ ανακύπτει ένα φιλοσοφικό ζήτημα: τι θεωρούμε ικανοποιητική συμπεριφορά ενός κτιρίου; Αυτή, λοιπόν, σήμερα προσδιορίζεται από τους λεγόμενους Στόχους Επιτελεστικότητας 1. 1 Επιτελεστικότητα - Performance είναι ένας ποσοτικός δείκτης επιθυμητής συμπεριφοράς σε κάποια προεπιλεγμένη στάθμη σχεδιασμού.

20 2 Οι μεγαλύτερες σε έκταση βλάβες και αυτές που οδηγούν το μηχανικό στην επέμβαση είναι αυτές που προκαλούνται έπειτα από έναν ισχυρό σεισμό. Οι σεισμοί, προκαλώντας συχνά τεράστιες επιπτώσεις στο ανθρώπινο δυναμικό αλλά και στην οικονομική πραγματικότητα, αποτελούν τον κατ εξοχήν παράγοντα προώθησης της εξέλιξης των σύγχρονων κανονισμών σχεδιασμού, καθώς και των μεθοδολογιών επέμβασης στα βλαφθέντα στοιχεία των κατασκευών. Έπειτα από έναν ισχυρό σεισμό, λοιπόν, μόνο συμπτωματική δε χαρακτηρίζεται η ανάγκη βελτιώσεων ή και ριζικών αλλαγών σε κανονισμούς, καθώς και της αναθεώρησης μεθόδων υπολογισμού, ταυτόχρονα με την τόνωση του αισθήματος ευθύνης κατά την κατασκευή. Εφόσον ένας ισχυρός σεισμός θέτει σε δοκιμασία το σύνολο μιας κατασκευής, άμεση συνέπεια είναι να αποκαλύπτονται όλες οι αδυναμίες, που μπορεί να οφείλονται σε ατέλειες του κανονισμού, σχετικές με τα φορτία σχεδιασμού, τη διαστασιολόγηση και όπλιση των δομικών στοιχείων, σε σφάλματα υπολογισμού ή σε χωρίς επιμέλεια κατασκευή Η σύγχρονη φιλοσοφία του αντισεισμικού κανονισμού Η τεχνολογία σχεδιασμού δομικών έργων έναντι σεισμού αναπτύχθηκε μετά το Οι προδιαγραφές σχεδιασμού σήμερα έχουν προκύψει μετά από διαδοχικές αναθεωρήσεις, αναπροσαρμογές σεισμικότητας περιοχών, και αλλαγή προσέγγισης σχεδιασμού (από επιτρεπόμενες τάσεις σε ικανοτικούς ελέγχους). Επομένως, υπάρχουν 2 κατηγορίες κτιρίων: ΝΕΑ: στην κατασκευή τους έχουν υλοποιηθεί οι σημερινές προδιαγραφές και, επομένως, εξασφαλίζουν ικανοποιητική προστασία. ΥΦΙΣΤΑΜΕΝΑ: μπορεί να έχουν σχεδιαστεί σύμφωνα με οποιεσδήποτε από τις προηγούμενες γενιές κανονισμών.

21 3 Οι σύγχρονοι αντισεισμικοί κανονισμοί, στα πλαίσια της επίτευξης της μέγιστης οικονομικότητας 2, προβλέπουν ανελαστική απόκριση στη διέγερση σχεδιασμού αλλά ακόμα και σε μικρότερες διεγέρσεις. Επιτρέπουν, δηλαδή, η απορρόφηση της εισαγόμενης στο δομικό σύστημα σεισμικής ενέργειας να πραγματοποιείται μέσω μηχανισμών υστερητικής απόσβεσης. Η απόκριση πλέον της κατασκευής δεν παραμένει ελαστική, αλλά κάποια στοιχεία της εισέρχονται στην πλαστική περιοχή. Στα στοιχεία αυτά συγκεντρώνονται οι βλάβες με τη μορφή πλαστικών αρθρώσεων στα άκρα τους. Είναι, λοιπόν, απαραίτητο να δοθούν σε αυτά πλάστιμα χαρακτηριστικά, προκειμένου να μην αστοχήσουν από την αναπτυσσόμενη τέμνουσα, αλλά, σε περίπτωση αστοχίας τους, αυτή να είναι καμπτικής μορφής. Αξίζει να αναφερθεί ότι μια τυπική πλαισιωτή κατασκευή από οπλισμένο σκυρόδεμα δύναται να μελετηθεί με το μέγιστο συντελεστή ανελαστικής συμπεριφοράς( q=5.85). Αυτό σημαίνει πως από την εισερχόμενη ενέργεια το 82.9% οφείλει να καταναλωθεί μέσω των αποδεκτών πλαστικοποιήσεων (βλαβών). Οι βλάβες άρα, ακόμα και σε σύγχρονες κατασκευές που έχουν κατασκευαστεί με την προϋπόθεση να παρουσιάσουν μη ελαστική συμπεριφορά σε ισχυρούς σεισμούς, είναι αναπόφευκτες και συχνά μεγάλες Στόχοι και αρχές των επεμβάσεων Κύριοι στόχοι της επεμβάσεως σε μια οικοδομή που έπαθε βλάβες από σεισμό είναι η διασφάλιση της μη κατάρρευσης της κατασκευής σε ένα νέο ισχυρό σεισμό, ο περιορισμός των βλαβών σε ανεκτά επίπεδα σε σεισμούς μέσης έντασης και η μη επανεμφάνιση βλαβών σε σεισμούς με μικρό σχετικά χρόνο επαναλήψεως. Με άλλα λόγια, οι στόχοι της επεμβάσεως συμπίπτουν με αυτούς που τίθενται κατά το σχεδιασμό μιας νέας κατασκευής. 2 Οικονομικότητα υλικών κατασκευής, εργατικού κόστους και χώρου επιτυγχάνεται με μικρές διαστάσεις δομικών στοιχείων.

22 Έρευνα πάνω στην ενίσχυση των κατασκευών Η έρευνα στον τομέα της ενίσχυσης στοιχείων και κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα βρίσκεται στην αιχμή του ενδιαφέροντος από τον τεχνικό κόσμο. Παρ όλα αυτά, η επισκευή και η ενίσχυση στοιχείων από Ο.Σ. που έχουν υποστεί βλάβες από σεισμικές δράσεις αποτελεί σχετικά νέο πεδίο μελέτης με μεγάλες απαιτήσεις και ιδιαίτερο οικονομικό ενδιαφέρον. Μέχρι σήμερα, πολύ συχνά οι μηχανικοί αντιμετωπίζουν το πρόβλημα της ενίσχυσης κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα, χωρίς κανονισμούς ή έγκυρες οδηγίες ποσοτικού σχεδιασμού. Πρόσφατα μόλις, νομοθετήθηκε ο κανονισμός επεμβάσεων (ΚΑΝ.ΕΠΕ) με σκοπό τη θεσμοθέτηση κριτηρίων για την αποτίμηση της φέρουσας ικανότητας υφιστάμενων δομημάτων και κανόνων εφαρμογής για τον αντισεισμικό ανασχηματισμό τους, καθώς και για τις ενδεχόμενες επεμβάσεις, επισκευές ή ενισχύσεις. Η διαδικασία της ενίσχυσης κρίνεται ιδιαίτερα ευαίσθητη, αφού ο ανασχεδιασμός μεταβάλλει τα χαρακτηριστικά του ενισχυόμενου μέλους. Τα βασικά χαρακτηριστικά που καθορίζουν την απόκριση ενός στοιχείου ή ενός δομικού συστήματος είναι η αντοχή, η δυσκαμψία και η πλαστιμότητα. Κατά κανόνα, η ενίσχυση επηρεάζει και τα τρία, με όχι πάντα ευνοϊκά αποτελέσματα για το στοιχείο και, κατ επέκταση, το δομικό σύστημα. Καθόσον η διαδικασία της ενίσχυσης είναι αρκετά πιο απαιτητική από ότι αυτή του σχεδιασμού, καθίσταται αναγκαία τόσο η τεχνογνωσία σε θεωρητικό επίπεδο όσο και η πιστή εφαρμογή των οδηγιών - συστάσεων των κανονισμών επεμβάσεων σε πρακτικό επίπεδο. Ο μηχανικός που μελετά τον ανασχεδιασμό της κατασκευής, σε συνεννόηση με τον κύριο του έργου, πρέπει να καθορίσει το επιθυμητό αποτέλεσμα που προσδοκεί με τη διαδικασία της επέμβασης και έπειτα, με βάση την υπάρχουσα γνώση και την διαθέσιμη τεχνογνωσία των συνεργείων της περιοχής του έργου, να αποφασίσει ποια μέθοδος θα εφαρμοστεί και πώς αυτή θα υλοποιηθεί. Στόχος της επέμβασης είναι να προσδοθούν τα θεμιτά χαρακτηριστικά απόκρισης, καθώς επίσης και να αποκλειστεί η πιθανότητα αστοχίας του ενισχυμένου μέλους σε μελλοντικό σεισμό. Η παρατήρηση αυτή έχει ιδιαίτερη σημασία, διότι από την παρατήρηση αποτελεσμάτων σεισμικών διεγέρσεων του παρελθόντος προκύπτει ότι στην πλειονότητα των περιπτώσεων αστοχεί σχεδόν πάντα κάποιο ενισχυμένο μέλος. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι τα ενισχυμένα μέλη, τις περισσότερες φορές, έχουν μεγαλύτερες

23 5 διαστάσεις από τα αρχικά και, όπως είναι γνωστό, λόγω της αυξημένης δυσκαμψίας τους δέχονται το μεγαλύτερο μέρος της σεισμικής τέμνουσας. 1.2 ΘΕΣΗ ΤΗΣ ΔΟΚΟΥ ΣΤΟ ΔΟΜΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Η δοκός κατέχει περίοπτη θέση στο σχεδιασμό, καθώς είναι το δομικό στοιχείο που αναμένεται ότι θα συγκεντρώσει το μεγαλύτερο μέρος των βλαβών που θα υποστεί μια κατασκευή από Ο.Σ. Σε αυτή θα ανατεθεί το δύσκολο έργο της κατανάλωσης της σεισμικής ενέργειας που εισάγεται στο σύστημα. Η απορρόφηση της ενέργειας του σεισμού επιτυγχάνεται όπως επιτάσσουν οι σύγχρονοι κανονισμοί, με τη δημιουργία πλαστικών αρθρώσεων στα άκρα της, στις περιοχές ένωσης με τα υποστυλώματα. Θεωρείται, λοιπόν, βέβαιο πως σε σεισμική διέγερση οι δοκοί ενός κτιρίου θα αποτελέσουν τους υστερητικούς αποσβεστήρες και θα χρήζουν ανάγκης επισκευής. Άρα, ζητούμενο των κανονισμών διεθνώς είναι ο καλός σχεδιασμός της δοκού, ώστε να επιτευχθεί ο πιο επιθυμητός μηχανισμός απόκρισης, γνωστός και ως «μηχανισμός των δοκών» Βλάβες στις δοκούς Οι βλάβες που σημειώνονται στις δοκούς μιας κατασκευής είναι πολύ συχνές, συχνότερες μάλιστα και από αυτές που σημειώνονται στα υποστυλώματα, είναι όμως λιγότερο επικίνδυνες σε ό,τι αφορά την ευστάθεια της κατασκευής ως συνόλου. Οι βλάβες που εμφανίζονται από σεισμό στις δοκούς από Ο.Σ. είναι των εξής τύπων: Εγκάρσιες ρηγματώσεις στο εφελκυόμενο πέλμα του ανοίγματος. Διατμητική αστοχία παρά τις στηρίξεις. Καμπτικές ρηγματώσεις στο άνω ή κάτω πέλμα στις στηρίξεις. Διατμητική ή καμπτική αστοχία στις θέσεις εδράσεως δευτερευουσών δοκών ή φυτευτών υποστυλωμάτων. Χιαστί ρωγμές σε κοντές δοκούς που συνδέουν τοιχεία.

24 6 Μία πολύ συνηθισμένη μορφή βλαβών στις δοκούς είναι η εμφάνιση εγκάρσιων καμπτικών ρωγμών στο κάτω πέλμα, συνήθως μετά από ένα σεισμό. Ανάλογη εικόνα παρουσιάζεται και στην περίπτωση ανεπάρκειας, εξαιτίας της δράσης κατακόρυφων φορτίων. Σ αυτή την περίπτωση, παρατηρούνται αρκετές ρωγμές μεγάλου πλάτους στην περιοχή της μέγιστης ροπής κάμψης (Σχήμα 1.1). Σχήμα 1.1 Καμπτικές ρωγμές στο άνοιγμα της δοκού. Ακόμη, πολύ πιθανή είναι η εμφάνιση καμπτικών ρωγμών κοντά στις στηρίξεις, που, όταν εμφανίζονται στο πάνω πέλμα των δοκών, οφείλονται σε μακροχρόνιες ή σεισμικές δράσεις, ενώ, όταν εμφανίζονται στο κάτω πέλμα, οφείλονται συνήθως στην ανεπαρκή αγκύρωση και ολίσθηση του κάτω οπλισμού (Σχήμα 1.2). Σχήμα 1.2 Καμπτικές ρωγμές στο κάτω πέλμα της δοκού στη στήριξη. Οι πιο σοβαρές βλάβες που μπορούν να εμφανιστούν σε μία δοκό είναι διατμητικές βλάβες στις περιοχές στήριξης, οι οποίες εμφανίζονται συνήθως μετά από έναν πολύ ισχυρό σεισμό. Αποτελούν το δεύτερο σε συχνότητα τύπο βλάβης στις δοκούς. Αναντίρρητα είναι ο σοβαρότερος τύπος, λόγω του ψαθυρού χαρακτήρα του, λίγες όμως φορές καθίσταται επικίνδυνος για την γενική ευστάθεια του δομήματος (Σχήμα 1.3).

25 7 Σχήμα 1.3 Διατμητικές ρωγμές παρά τις στηρίξεις. Η διατμητική ή καμπτική αστοχία στις θέσεις εδράσεως δευτερευουσών δοκών ή φυτευτών υποστυλωμάτων εμφανίζεται αρκετά συχνά.οφείλεται στην κατακόρυφη εναλλασσόμενη συνιστώσα της σεισμικής δράσης επί του μοναχικού φορτίου (Σχήμα 1.4). Σχήμα 1.4 Διατμητική αστοχία στη θέση έμμεσης στηρίξεως. Χιαστί ρωγμές σε κοντές δοκούς που συνδέουν τοιχεία εμφανίζονται αρκετά συχνά. Πρόκειται για διατμητική αστοχία, ανάλογη αυτής που συμβαίνει στα κοντά υποστυλώματα (Σχήμα 1.5). Σχήμα 1.5 Διατμητική αστοχία δοκού σύζευξης τοιχείων. Αξίζει να γίνει μία ευρύτερη αναφορά στους μηχανισμούς που οδηγούν σε αστοχία το μέλος, καθώς και στα μορφολογικά χαρακτηριστικά που προσδίδουν στην αστοχία αυτή το χαρακτηρισμό ως καμπτικής, διατμητικής ή και καμπτοδιατμητικής.

26 8 1.3 ΟΙ ΤΡΕΙΣ ΤΥΠΟΙ ΤΗΣ ΑΣΤΟΧΙΑΣ Πλάστιμη αστοχία Αν η συμπεριφορά του φορέα είναι αυτή στο Σχήμα 1.6, η αστοχία αποκαλείται πλάστιμη (καμπτική). Σχήμα 1.6 (α) Καμπτική ρηγμάτωση, (β) Καμπτική αστοχία. Χαρακτηρίζεται από εκτεταμένη (καμπτική) ρηγμάτωση (περισσότερες από μία ρωγμές μικρού ανοίγματος) και σημαντικό βέλος. Στην περίπτωση αυτή, μπορεί να αποφευχθεί η κατάρρευση του φορέα, διότι: 1. Εμφανίζονται ενδείξεις της επαπειλούμενης κατάρρευσης με τη μορφή σημαντικής ρηγμάτωσης και βέλους του φορέα. 2. Συνήθως, υπάρχει χρονικό περιθώριο για αποφόρτιση του φορέα. Η καμπτική αστοχία είναι, εν γένει, πλάστιμη. Οι καμπτικές ρωγμές: Δεν οδηγούν σε αστοχία της αγκύρωσης του διαμήκους εφελκυόμενου οπλισμού, γιατί δεν τον συναντούν σε θέση κοντά στην αγκύρωσή του. Η ράβδος του οπλισμού εκτείνεται σημαντικά πέρα από τη θέση της καμπτικής ρηγμάτωσης, τουλάχιστον κατά το απαιτούμενο μήκος αγκύρωσης. Δε συναντούν το θλιβόμενο οπλισμό και δεν οδηγούν σε πρόωρο λυγισμό του. Λόγω της βραδύτερης, πιο παρατεταμένης εξέλιξης της καμπτικής αστοχίας των φορέων από Ο.Σ., ο φορέας μπορεί να αστοχήσει σε περισσότερες από μία καμπτικές ρωγμές σε κάθε θέση, όπως φαίνεται στο Σχ.1.6(β).

27 Ψαθυρή αστοχία Αν η συμπεριφορά του φορέα είναι σαν αυτή στο Σχήμα 1.7, η αστοχία του αποκαλείται ψαθυρή και χαρακτηρίζεται από εντοπισμένη ρηγμάτωση (μία ή δύο μόνον ρωγμές μεγάλου εύρους) και μικρό βέλος. Σχήμα 1.7 (α, β): Διατμητική αστοχία. Η αστοχία αυτή δεν είναι επιθυμητή γιατί: 1. Δεν εμφανίζονται αρκετές ενδείξεις της επερχόμενης κατάρρευσης. 2. Δεν υπάρχει αρκετό χρονικό περιθώριο για την αποφόρτιση του φορέα, ώστε να αποφευχθεί η κατάρρευση. Η διατμητική αστοχία εμφανίζεται με τη μορφή: Λοξής σύνθλιψης του σκυροδέματος, λόγω ανεπάρκειας του λοξού θλιπτήρα του φορέα (περίπτωση φορέων με ανεπαρκές πλάτος), ή Μεμονωμένης λοξής ρωγμής με διακριτά χείλη, λόγω ανεπάρκειας του λοξού ή εγκάρσιου ελκυστήρα του φορέα. Η περίπτωση της σύνθλιψης του σκυροδέματος είναι σαφώς ψαθυρή αστοχία, καθώς η συμπεριφορά του σκυροδέματος σε θλίψη είναι ψαθυρή. Η δεύτερη περίπτωση αστοχίας λοξής ρηγμάτωσης θα ανεμένετο να είναι πιο πλάστιμη, καθώς η παρουσία των εγκάρσιων ελκυστήρων του οπλισμού (των συνδετήρων) παρεμποδίζει την ανεξέλεγκτη εξέλιξη της ρηγμάτωσης αυτής. Εντούτοις, και αυτή η περίπτωση αστοχίας είναι ψαθυρή, γιατί όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.7(α, β), οι διατμητικές ρωγμές: 1. Συναντούν τον διαμήκη εφελκυόμενο οπλισμό σε θέση κοντά στην αγκύρωσή του και, καταστρέφοντας τη συνάφεια οπλισμού και

28 10 σκυροδέματος στη θέση αυτή, οδηγούν σε καταστροφή της αγκύρωσης του διαμήκους εφελκυόμενου οπλισμού. 2. Συναντούν τον διαμήκη θλιβόμενο οπλισμό σε θέση κοντά στη μέγιστη καμπτική επιπόνηση και, καταστρέφοντας τοπικά τη συνάφεια του θλιβόμενου οπλισμού, οδηγούν σε πρόωρο λυγισμό του, με αποτέλεσμα εκτίναξη του σκυροδέματος της επικάλυψης, αποδιοργάνωση του διαμήκους θλιπτήρα και απότομη αστοχία. Σημειώνεται ότι: Λόγω της ταχείας εξέλιξης της διατμητικής αστοχίας, διατμητική ρηγμάτωση εμφανίζεται συνήθως στο ένα μόνο διατμητικό μήκος του φορέα (κι ας είναι ίδια η τιμή της τέμνουσας και, άρα, και η ένταση των λοξών ράβδων και στα δύο διατμητικά μήκη) Καμπτοδιατμητική αστοχία Στην περίπτωση ταυτόχρονης καμπτικής και διατμητικής αστοχίας, δηλαδή στην περίπτωση καμπτοδιατμητικής αστοχίας (Σχήμα 1.8), αποφεύγονται οι δυσμενείς παρενέργειες του λυγισμού του θλιβόμενου οπλισμού και της ολίσθησης του εφελκυόμενου οπλισμού που παρατηρείται στην περίπτωση της καθαρά διατμητικής αστοχίας. Σχήμα 1.8 Καμπτοδιατμητική αστοχία. Οι λοξές ρωγμές εδώ εμφανίζονται στην περιοχή του φορέα μεταξύ της μέγιστης τέμνουσας και της μέγιστης ροπής. Οι λοξές ρωγμές, λόγω των σημαντικών καμπτικών εφελκυστικών τάσεων στη θέση του διατμητικού ελκυστήρα, πλησιάζοντας στο εφελκυόμενο πέλμα του φορέα κατακορυφώνονται, όπως εκτίθεται στο Σχήμα 1.8, με αποτέλεσμα οι λοξές ρωγμές να μη συναντούν τον διαμήκη εφελκυόμενο οπλισμό κοντά στην αγκύρωσή του και να αποφεύγεται η ολίσθησή του και η ψαθυρότητα που αυτό θα συνεπαγόταν. Η αστοχία είναι περισσότερο

29 11 παρατεταμένη και, γι αυτό, εμφανίζονται περισσότερες από μία καμπτοδιατμητικές ρωγμές. 1.4 ΓΕΝΕΣΗ ΤΗΣ ΑΝΑΓΚΗΣ ΔΙΑΤΜΗΤΙΚΗΣ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΔΟΚΩΝ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ Την ψαθυρότητα της αστοχίας από διάτμηση, με ό,τι αυτό συνεπάγεται για την ευστάθεια του κτιρίου και την προστασία της ζωής των ενοίκων του, λαμβάνει υπ όψιν του τόσο ο Ελληνικός Αντισεισμικός Κανονισμός (Ε.Α.Κ.), όσο και ο πρόσφατα εφαρμοζόμενος Ευρωκώδικας 8. Με τη διαδικασία του ικανοτικού ελέγχου εισάγονται και νέα μεγέθη διατμητικής έντασης, οι τέμνουσες ικανοτικού σχεδιασμού. Με τα νέα αυτά μεγέθη, που προκύπτουν από τις υπεραντοχές των περιοχών των πλαστικών αρθρώσεων (κρίσιμων διατομών) επιτυγχάνεται να εξασφαλιστούν περαιτέρω τα στοιχεία της κατασκευής έναντι διατμητικών βλαβών. Με άλλα λόγια, ο έλεγχος ικανοτικής τέμνουσας που εισάγει ο κανονισμός επιβάλει την πύκνωση των εγκάρσιων οπλισμών στις κρίσιμες περιοχές των στοιχείων, εξασφαλίζοντας έτσι ότι η μορφή της πιθανής αστοχίας τους θα είναι πλάστιμηκαμπτική. Και ενώ όλες οι παράμετροι, υπολογιστικά τουλάχιστον, επαληθεύονται χωρίς ουσιαστικά προβλήματα για τις νέες κατασκευές από Ο.Σ., ανακύπτει το εύλογο ερώτημα τι γίνεται με τις παλιές και μη αντισεισμικές ή πλημμελώς κατασκευαθείσες κατασκευές. Είναι όλες ανεπαρκείς ή επικίνδυνες; Στο ερώτημα αυτό δε δύναται να δοθεί ανεπιφύλακτη απάντηση. Σύμφωνα με τη γνώμη των ειδικών σε θέματα αντισεισμικού σχεδιασμού, οι κατασκευές που χρήζουν ανάγκης διατμητικής ενίσχυσης είναι κατά βάση αυτές που αναλύθηκαν προ του Ο λόγος είναι πως από τον κανονισμό του 1985 και μετά επισημάνθηκε η σπουδαιότητα της αυστηρής τήρησης των κατασκευαστικών λεπτομερειών όπλισης. Η μεγαλύτερη ανεπάρκεια που εμφανίζουν οι κτιριακές κατασκευές αυτής της ηλικίας είναι έναντι διάτμησης. Το πρόβλημα υφίσταται τόσο στα υποστυλώματα όσο και στις δοκούς. Οι ανεπάρκειες είναι τόσο υπολογιστικές για τα σημερινά δεδομένα σχεδιασμού ή αποτίμησης, όσο και κατασκευαστικές. Οι πρώτες προέρχονται από το χαμηλό ποσοστό εγκάρσιου οπλισμού (ρ w ) και οι δεύτερες από την μεγάλη (S w ) και τη μη σταθερή απόσταση μεταξύ των συνδετήρων. Ειδικότερα, οι εγκάρσιοι οπλισμοί εκείνης της εποχής αποτελούνταν συνήθως από συνδετήρες διαμορφωμένους από λείες ράβδους χάλυβα διαμέτρου της τάξης των 6mm, τοποθετημένους ανά 300mm ή

30 12 και περισσότερο. Mάλιστα, εξαιτίας της μη ύπαρξης έτοιμων πλεγμάτων, μέσω των οποίων σήμερα μορφώνονται οι κλωβοί των συνδετήρων, η τοποθέτηση του εγκάρσιου οπλισμού γινόταν με ένα-ένα τσέρκι ξεχωριστά, με αποτέλεσμα η συγκράτησή τους σε σταθερές μεταξύ τους αποστάσεις να είναι σχεδόν αδύνατη κατά τη διαδικασία δόνησης του σκυροδέματος. Για τους προεκτιθέντες λόγους, η φέρουσα ικανότητα έναντι διάτμησης των τυπικών δοκών Ο.Σ. συνήθως, υπολογίζεται μικρότερη από τις απαιτήσεις των σύγχρονων κανονισμών σχεδιασμού, οδηγώντας συχνά το μελετητή, μετά το στάδιο της αποτίμησης, στην εκπόνηση λύσεων για τη διατμητική αναβάθμιση ορισμένων ή και του συνόλου των μελών της κατασκευής. Σε κάθε περίπτωση, προστασία έναντι διάτμησης προσφέρει η τοποθέτηση πυκνών συνδετήρων και η επιμελής κατασκευή των κρίσιμων περιοχών. 1.5 ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΔΟΚΩΝ Οι τεχνικές ενίσχυσης των δοκών στοχεύουν σε: Αύξηση της καμπτικής αντοχής, Αύξηση της διατμητικής αντοχής ή Και στα δύο Ενίσχυση δοκών σε κάμψη Δύο είναι οι πλέον διαδεδομένοι τρόποι καμπτικής ενίσχυσης των δοκών. Ο πρώτος είναι η εφαρμογή επικολλητών μεταλλικών ελασμάτων ή επικολλητών φύλλων από ινοπλισμένα πολυμερή και ο δεύτερος είναι η προσθήκη νέων στρώσεων σκυροδέματος οπλισμένου ή μη Ενίσχυση δοκών σε διάτμηση Καθώς στόχος της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη της διατμητικής συμπεριφοράς δοκών από οπλισμένο σκυρόδεμα, κρίνεται απαραίτητο να γίνει μια περιληπτική αναφορά στις κυριότερες μεθόδους ενίσχυσής τους έναντι διάτμησης.

31 Ενίσχυση δοκών με εξωτερικά χαλύβδινα ελάσματα Η πιο συχνά εφαρμοζόμενη τεχνική είναι η χρήση δύο μεταλλικών ελασμάτων, που τοποθετούνται στις δύο πλευρικές παρειές της δοκού και συνδέονται μεταξύ τους μέσω κοχλιών που διαπερνούν το σώμα της σε δύο τουλάχιστον θέσεις. Είναι δυνατό, ανάλογα με τις απαιτήσεις της μελέτης ενίσχυσης, να χρησιμοποιηθούν ελάσματα για την ενίσχυση της δοκού τόσο σε κάμψη, όσο και σε διάτμηση, τοποθετούμενα σε διαφορετικές θέσεις κατά μήκος της δοκού. Σχήμα 1.9 Προσθήκη πλευρικών μεταλλικών ελασμάτων για αύξηση της διατμητικής αντοχής της δοκού. Μία παραλλαγή της παραπάνω μεθόδου είναι, αντί της εφαρμογής των ελασμάτων με χρήση κοχλιών στον κορμό της δοκού, η επικόλληση αυτών με χρήση ειδικής πολυμερικής κόλλας. Τα χαλύβδινα ελάσματα που θα επικολληθούν θα πρέπει να είναι σχετικά μικρού πάχους (μερικά χιλιοστά), μεγάλου μήκους και με πλάτος ίσο με το ύψος της κρέμασης της δοκού. Η ενίσχυση τέτοιου τύπου, που ονομάζεται δίπλευρη ενίσχυση, ανήκει στην κατηγορία των ανοικτών ενισχύσεων. Αυτής της μορφής η ενίσχυση χαρακτηρίζεται μεν από γρήγορη ταχύτητα εφαρμογής, εντούτοις προσφέρει μειωμένη αποδοτικότητα έναντι των άλλων ενισχύσεων κλειστού τύπου. Βασικές της αδυναμίες είναι η εμφάνιση τοπικών συγκεντρώσεων στις γωνίες των ελασμάτων με ενδεχόμενο τοπικού λυγισμού, το ενδεχόμενο διάβρωσης του χάλυβα, καθώς και η ανάγκη επικάλυψης της περιοχής της ενίσχυσης για το επιθυμητό αισθητικό αποτέλεσμα.

32 Ενίσχυση δοκών με εξωτερικά μεταλλικά στοιχεία Μία άλλη μέθοδος για την αύξηση της διατμητικής αντοχής δοκού από οπλισμένο σκυρόδεμα είναι η προσθήκη νέων χαλύβδινων συνδετήρων που περισφίγγουν εξωτερικά τη δοκό. Οι συνδετήρες μπορούν να είναι είτε κατακόρυφοι, είτε υπό γωνία 45º (Σχήμα 1.10α). Οι δοκοί από σκυρόδεμα με ανεπαρκή διατμητική αντοχή ενδέχεται να παρουσιάζουν διαγώνιες ρωγμές που ξεκινούν από την εσωτερική παρειά των στηρίξεων με κατεύθυνση προς το μέσον της δοκού. Εάν οι ρωγμές είναι μεγάλου εύρους (> 0.5 mm), ο μηχανισμός αλληλεμπλοκής αδρανών ενδέχεται να μην είναι σε θέση να αποτρέψει τη σχετική ολίσθηση μεταξύ των παρειών των ρωγμών. Σε αυτή την περίπτωση σοβαρών διατμητικών βλαβών, η προσθήκη είτε πλευρικών ελασμάτων, είτε εξωτερικών συνδετήρων δεν επαρκεί για την επισκευή - ενίσχυση της δοκού, αλλά απαιτείται επιπλέον η σύσφιγξη των στοιχείων ενίσχυσης μέχρι αρνήσεως. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.10β, ζεύγη κοχλιών τοποθετούνται σε κάθε πλευρά της ρηγματωμένης δοκού και εντείνονται, αποτρέποντας τη διάρρηξη του σκυροδέματος κατά μήκος της ρωγμής. Η λειτουργία του μηχανισμού αλληλεμπλοκής αδρανών μπορεί να αποκατασταθεί σημαντικά και με ρητινενέσεις μέσα στις ρωγμές. Σχήμα 1.10 Διατμητική ενίσχυση δοκού με διαγώνιους εξωτερικούς συνδετήρες (αριστερά), αύξηση διατμητικής αντοχής δοκού με σοβαρές διατμητικές βλάβες μέσω συσφιγμένων κοχλιών (δεξιά). Η ως άνω, θεωρητικά καλή από άποψης αποδοτικότητας και με μικρό κόστος, τεχνική ενίσχυσης εμφανίζει τα παρακάτω μειονεκτήματα: Η ανάγκη για κοχλίωση των μεταλλικών στοιχείων στο άνω μέρος της πλάκας, απαιτεί καταστροφή μέρους της επικάλυψης της υπερκείμενης πλάκας, προκαλώντας

33 15 ανάγκη περαιτέρω επισκευών. Παρουσιάζονται επιπλέον και προβλήματα ανθεκτικότητας σε διάρκεια, λόγω της διάβρωσης του χάλυβα, ενώ η έκθεση των στοιχείων της ενίσχυσης στο χώρο διαταράσσει την αισθητική του χώρου Ενίσχυση δοκών με μανδύες από Ο.Σ Η εφαρμογή μανδυών οπλισμένου σκυροδέματος μετά από έναν καταστροφικό σεισμό, ή ακόμα και προσεισμικά για την ενίσχυση των κτιρίων, είναι μια μέθοδος επέμβασης που συναντάται συχνότατα σε διεθνές επίπεδο. Σημαντικό πλεονέκτημα της τεχνικής της κατασκευής μανδυών σε δοκούς από οπλισμένο σκυρόδεμα είναι η δυνατότητα βελτίωσης: της καμπτικής αντοχής του μέλους της δυσκαμψίας του της διατμητικής αντοχής του, και της πλαστιμότητάς του. Οι παραπάνω μεταβολές στα χαρακτηριστικά αυτά είναι το αποτέλεσμα της αύξησης της διατομής της δοκού με νέο σκυρόδεμα και νέους διαμήκεις και εγκάρσιους οπλισμούς. Πριν την κατασκευή του μανδύα, απαιτείται θραύση της πλάκας στην περιοχή που θα τοποθετηθεί ο μανδύας και εκτράχυνση της εξωτερικής επιφάνειας της δοκού που θα συνδεθεί με αυτόν. Στη συνέχεια, τοποθετούνται κατά μήκος οπλισμοί και συνδετήρες (Σχήμα 1.11). Ένα σημαντικό πρόβλημα, που αντιμετωπίζεται συνήθως κατά την κατασκευή του μανδύα, είναι η συστολή ξηράνσεως του νέου σκυροδέματος. Το πρόβλημα αυτό εξαλείφεται με τη χρήση σκυροδέματος με κατάλληλα χημικά πρόσθετα ή με την αντικατάσταση του τσιμέντου από μη συρρικνούμενη κονία, ενώ οι κόκκοι του αδρανούς πρέπει να είναι μικρότεροι ή ίσοι με τους κόκκους του υπάρχοντος σκυροδέματος. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι τύποι σκυροδέματος που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του μανδύα είναι: α) το έγχυτο σκυρόδεμα σταθερού όγκου, β) το πολυμερικό σκυρόδεμα, γ) το σκυροτσιμεντόπηγμα και δ) το εκτοξευόμενο σκυρόδεμα, που μερικές φορές χρησιμοποιείται με προσθήκη ινών.

34 16 Σχήμα 1.11(α,β) σκυροδέματος. Ενίσχυση δοκού σε κάμψη και διάτμηση με μανδύα οπλισμένου Εάν οι βλάβες της δοκού οφείλονται σε κάμψη, πριν τη διάστρωση του σκυροδέματος για τη δημιουργία του μανδύα, γίνεται αποκάλυψη του υπάρχοντος οπλισμού της δοκού σε ορισμένες θέσεις και συγκόλληση νέου οπλισμού κάμψης πάνω στον παλαιό μέσω παρεμβλημάτων (Σχήμα 1.11). Η σύνδεση του μανδύα με την υφιστάμενη διατομή από σκυρόδεμα γίνεται είτε με συνδετήρες, οι οποίοι αγκυρώνονται σε οριζόντιες οπές που διανοίγονται στον κορμό της δοκού που ενισχύεται, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.11β, είτε με χημικώς πακτωμένα βλήτρα. Όταν η ενίσχυση της δοκού συνοδεύεται από αύξηση του πάχους της υπερκείμενης πλάκας, οι συνδετήρες για τη σύνδεση παλαιού και νέου στοιχείου περικλείουν ολόκληρη την ενισχυόμενη δοκό. Όταν εμφανίζεται πλήρης αποδιοργάνωση του σκυροδέματος τμήματος της δοκού που συνοδεύεται από βλάβες τόσο του διαμήκους, όσο και του εγκάρσιου οπλισμού, η τεχνική που εφαρμόζεται είναι η εξής: 1. Υποστύλωση της δοκού. 2. Καθαίρεση του αποδιοργανωμένου σκυροδέματος από ολόκληρο το βλαφθέν τμήμα της δοκού και προσεκτικός καθαρισμός της εναπομένουσας διατομής. 3. Έλεγχος του υπάρχοντος διαμήκους και εγκάρσιου οπλισμού και ενίσχυση αυτού, με ηλεκτροσυγκόλληση νέων ράβδων. 4. Απομάκρυνση των διαρρηγμένων και τοποθέτηση νέων πυκνών συνδετήρων. 5. Διαμόρφωση των παρειών του παλαιού σκυροδέματος. 6. Τοποθέτηση ξυλότυπου. 7. Σκυροδέτηση του καθαιρεθέντος τμήματος με έγχυτο σκυρόδεμα ή διάστρωση εγκιβωτισμένου σκυροδέματος (pre packed concrete).

35 17 Σχήμα 1.12 Ενίσχυση δοκού με καθαίρεση και αποκατάσταση ίσης διατομής. (α) Ρηγματωμένη διατομή. (β) Προσθήκη νέου οπλισμού. Συνοψίζοντας, η τεχνικής της εφαρμογής μανδυών οπλισμένου σκυροδέματος προσφέρει εξαιρετικά πλεονεκτήματα και μεγάλη ελευθερία στο μελετητή. Ειδικότερα, με τη χρήση μανδυών η αύξηση της ικανότητας ανάληψης καμπτικών και διατμητικών δράσεων είναι θεωρητικά απεριόριστη, η διαστασιολόγηση καθίσταται εύκολη, ενώ το γεγονός της μονολιθικότητας (κατ ελάχιστον οπτικής) τονώνει το αίσθημα βεβαιότητας του μηχανικού για την επιλογή της συγκεκριμένης τεχνικής για την ενίσχυση. Για τους ως άνω λόγους, η μέθοδος του μανδύα από Ο.Σ είναι συχνά προτιμητέα και ιδιαίτερα προσφιλής στο μέσο μηχανικό. Ωστόσο, παρά τη μεγάλη συνεισφορά της δεν είναι λίγες οι περιπτώσεις που απορρίπτεται εν τη γενέσει της, η ιδέα της εφαρμογής μανδυών από οπλισμένο σκυρόδεμα. Οι λόγοι είναι λίγο- πολύ πρόδηλοι. Ειδικότερα, η εφαρμογή μανδυών Ο.Σ. οδηγεί σε μεγάλες διαφοροποιήσεις ως προς τις διαστάσεις των νέων διατομών σε σχέση με τις παλαιές, με αποτέλεσμα τη σημαντική αύξηση της σχετικής δυσκαμψίας των επισκευασμένων στοιχείων καθώς και της συνολικής μάζας του ορόφου. Άμεση συνέπεια αυτού είναι η διαφορετική κατανομή των σεισμικών φορτίων στον όροφο. Η μεγάλη κατασκευαστική δυσκολία της δημιουργίας του κλειστού μανδύα, στο πάνω μέρος της δοκού, εξαιτίας της ύπαρξης της πλάκας. Αυτή η δυσκολία, οδηγεί τις περισσότερες φορές στην κατασκευή ανοικτού μανδύα, ο οποίος φτάνει μέχρι το ύψος των πλακών, και εφαρμόζεται περιμετρικά των τριών πλευρών του κορμού της δοκού. Η αποτελεσματικότητα όμως του ανοικτού μανδύα είναι σημαντικά μικρότερη και παρουσιάζει κατασκευαστικές δυσκολίες στην εξασφάλιση της αγκύρωσης των

36 18 συνδετήρων. Δε θα πρέπει, ωστόσο, να λησμονηθεί η όχληση που προκαλείται στους διαμένοντες των άλλων ορόφων της επισκευαζόμενης κατοικίας από το θόρυβο, την σκόνη και γενικά όλη την αναστάτωση που θα προκληθεί, αφού η οικοδομή θα θυμίζει εργοτάξιο. Επίσης, η αύξηση των διαστάσεων της δοκού ενδέχεται να προκαλέσει ατέλειες στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό του χώρου. Οι βασικότερες αδυναμίες που προκύπτουν από την εφαρμογή μανδυών οπλισμένου σκυροδέματος εντοπίζονται τόσο στην αύξηση των διαστάσεων των προς ενίσχυση υποστυλωμάτων, με άμεση συνέπεια την αλλαγή της γεωμετρίας και στατικότητας του συνολικού φορέα, όσο και στις κατασκευαστικές δυσκολίες που αναφέρθηκαν παραπάνω. Όσον αφορά τις επεμβάσεις ενισχύσεων με μεταλλικούς μανδύες, το σημαντικότερο πρόβλημα σχετίζεται με την έλλειψη ανθεκτικότητας του απροστάτευτου μεταλλικού οπλισμού ενίσχυσης έναντι διάβρωσης. Συμπερασματικά, όλες οι μέθοδοι παρουσιάζουν τόσο πλεονεκτήματα εφαρμογής όσο και μειονεκτήματα ικανά ώστε να απορριφθούν από το μελετητή. Προς την κατεύθυνση να μειωθεί η όχληση στους ενοίκους, να αυξηθεί η ταχύτητα εφαρμογής της ενίσχυσης, να αντιμετωπιστούν προβλήματα ανθεκτικότητας στο χρόνο (ενίσχυση με μεταλλικά στοιχεία) και να αποτραπεί η σπουδαία μεταβολή των αρχικών διαστάσεων με την αύξηση της μάζας και δυσκαμψίας των στοιχείων προτάθηκε από τη διεθνή επιστημονική κοινότητα η χρήση μανδυών από προηγμένα σύνθετα υλικά. Ακολούθως, γίνεται μία ιστορική αναδρομή της χρήσης των υλικών αυτών στο πεδίο των ενισχύσεων Ενίσχυση δοκών με εξωτερικά επικολλούμενα σύνθετα υλικά Η ενίσχυση στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος σε διάτμηση με τη χρήση σύνθετων υλικών επιτυγχάνεται μέσω της επικόλλησης υφασμάτων ή πιο σπάνια ελασμάτων, τα οποία επικολλούνται στις εξωτερικές επιφάνειες των δομικών μελών (δοκών εν προκειμένω) με τις ίνες όσο γίνεται κάθετα στις πιθανές ρωγμές. Η επικόλληση των συνθέτων υλικών στο σώμα του δομικού μέλους επιτυγχάνεται με τη χρήση εποξειδικών ρητινών. Ωστόσο, καθότι οι διατμητικές ρωγμές είναι λοξές, η τοποθέτηση του υφάσματος ή των λωρίδων κάθετα σε αυτές δεν είναι εύκολη. Έτσι, κατά κανόνα αυτά εφαρμόζονται με γωνία 90 ο, κάθετα στον άξονα του μέλους με κάπως μικρότερη αποτελεσματικότητα. Η ενεργοποίησή τους, συμβαίνει κατά την

37 19 στιγμή της διατμητικής αστοχίας, παραλαμβάνοντας ένα ποσοστό της αναπτυσσόμενης τέμνουσας. Η τεχνική μπορεί να εφαρμόζεται είτε με επικόλληση των φύλλων στις δύο απέναντι παρειές τις δοκού, όπως φαίνεται παρακάτω στα σχήματα 1 και 2, είτε ακόμη καλύτερα με τη μορφή μανδυών που είναι συνήθως ανοικτής μορφής. Η διαστασιολόγηση του δομικού μέλους σε διάτμηση γίνεται με τις ίδιες διαδικασίες που χρησιμοποιούνται και σε δοκούς με συμβατικό οπλισμό διάτμησης. Δηλαδή: V Rd =V cd + V wd + V fd (όπου V fd η τέμνουσα που αναλαμβάνεται από το μανδύα των σύνθετων υλικών). Η μόνη ιδιαιτερότητα της μεθόδου έναντι των άλλων προαναφερθέντων είναι ότι απαιτείται η προς ενίσχυση δοκός να μπορεί να παραλάβει ασφαλώς των συνδυασμό των οιονεί μόνιμων φορτίων (G+Ψ 2 Q). Eιδικότερα, οι μανδύες από σύνθετα υλικά εμφανίζονται με τις εξής δύο μορφές (θεωρούνται ανοικτές ενισχύσεις): 1. Δίπλευρη ενίσχυση με λωρίδες συγκεκριμένου πλάτους, τοποθετημένες ανά συγκεκριμένες αποστάσεις, ή υφάσματα συγκεκριμένου πλάτους, τοποθετημένα στο ζητούμενο μήκος της δοκού. 2. Τρίπλευρη ενίσχυση με μανδύα είτε από υφάσματα ινών μορφής U (εφαρμόζεται περιμετρικά του κορμού της δοκού), είτε από προκατασκευασμένα ελάσματα μορφής L, που τοποθετούνται στις δύο πλευρές του κορμού, συνθέτοντας έτσι την τρίπλευρη ενίσχυση. Σχήμα 1.13 Ενδεικτικές διατάξεις ενίσχυσης σε τέμνουσα δοκών Ο.Σ.

38 20 Η δεύτερη μορφή πλεονεκτεί έναντι της πρώτης ως προς την αποδοτικότητα, λόγω της συνέχειας του υλικού περί της περιμέτρου της δοκού. Ωστόσο, και οι δύο δεν μπορούν να εκμεταλλευτούν πλήρως τις δυνατότητες του σύνθετου υλικού ως προς την παραλαβή εφελκυστικών δυνάμεων. Η βασικότερη αδυναμία τους προκύπτει από τον τρόπο εφαρμογής του υλικού λόγω της δέσμευσης που επιβάλλει η υπερκείμενη πλάκα. Συγκεκριμένα, η ύπαρξη της πλάκας εμποδίζει τη δημιουργία κλειστής περιμέτρου ενίσχυσης περιμετρικά του κορμού, οδηγώντας το μανδύα σε αστοχία λόγω αποκόλλησης (συνέπεια της ανεπαρκούς αγκύρωσης των άκρων) αντί της επιθυμητής αστοχίας λόγω θραύσης των ινών. Η αστοχία λόγω αποκόλλησης συμβαίνει σε χαμηλές τιμές εφελκυστικού φορτίου του μανδύα και είναι απότομη και ψαθυρή. Εικόνα 1.1(α,β) Αποκόλληση διατμητικών οπλισμών από ΙΟΠ. Το πρόβλημα αυτό μπορεί να ξεπεραστεί μέσω της κατάλληλης αγκύρωσης των άκρων των εφαρμοζόμενων ελασμάτων ή υφασμάτων, ώστε αυτά να μπορούν να αναπτύξουν μεγαλύτερες εφελκυστικές τάσεις η ακόμα και να αστοχήσουν από θραύση των ινών τους (πλήρης εκμετάλλευση του υλικού) και όχι από αποκόλληση. Η λύση της αγκύρωσης των άκρων του μανδύα (από υφάσματα ή ελάσματα) από λιγοστά πειράματα που έχουν γίνει φαίνεται να απομακρύνει το ενδεχόμενο αστοχίας από αποκόλληση, ωστόσο η σχετικά πτωχή έως σήμερα πειραματική γνώση δεν είναι σε θέση να δώσει ασφαλείς ποσοτικές οδηγίες σχεδιασμού συστημάτων αγκύρωσης. Γενικά, οι συστάσεις των κανονισμών ανά τον κόσμο θέλουν η αγκύρωση των άκρων του μανδύα να πραγματοποιείται στην περιοχή της θλιβόμενης ζώνης του σκυροδέματος.

39 21 Σχήμα 1.14 Ειδικές διατάξεις αγκύρωσης τρίπλευρου μανδύα. Ενδεικτικά, αναφέρεται πως ο ΚΑΝ.ΕΠΕ επιβάλλει, σε περίπτωση ανοικτής ενίσχυσης σε πλακοδοκούς από οπλισμένο σκυρόδεμα, την πλήρη αγκύρωση του διατμητικού οπλισμού στο υφιστάμενο σκυρόδεμα με πρόσθετα στοιχεία σύνδεσης, τα οποία έχουν επαρκή ικανότητα για τη μεταφορά δυνάμεων στο αρχικό στοιχείο. Αυτονόητα επίσης επιβάλλει τον έλεγχο των στοιχείων αγκύρωσης έναντι όλων των μορφών πιθανής αστοχίας, προκειμένου να αποδεχθεί την εφαρμογή ενίσχυσης ως κλειστού τύπου (αυξημένης αποδοτικότητας έναντι των ανοικτού τύπου). Ως ένα γενικό συμπέρασμα θα μπορούσε να εξαχθεί πως η αγκύρωση αυξάνει σημαντικά τη φέρουσα ικανότητα της ενίσχυσης (μέγιστη εκμετάλλευση ιδιοτήτων υλικού, οικονομία υλικών) από σύνθετα υλικά, αποτρέποντας την πρόωρη αστοχία από αποκόλληση Τέλος, πρέπει να αναγνωριστεί η αυξημένη δυσκολία της εφαρμογής ενίσχυσης καθώς και η απαιτητικότερη διαστασιολόγηση του όλου συστήματος. Εικόνα 1.2(α,β) Εφαρμογή διατμητικών οπλισμών από ΙΟΠ.

40 22 Σκοπίμως δεν έχει γίνει έως τώρα αναφορά στα σύνθετα υλικά γύρω από τις κατηγορίες, τις ιδιότητες, τα πλεονεκτήματα και τις αδυναμίες τους έναντι των άλλων συμβατικών υλικών. Καθόσον όμως αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η διερεύνηση της αποτελεσματικότητας μανδυών από σύνθετα υλικά σε εφαρμογές διατμητικής ενίσχυσης δοκών από οπλισμένο σκυρόδεμα, θεωρείται αναγκαία μία ευρύτερη αναφορά σε αυτά. Προς το σκοπό αυτό, η συγγραφή του ακόλουθου 2 ου κεφαλαίου αφιερώνεται στα σύνθετα υλικά.

41 23 2. ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία 25 χρόνια έχει αναπτυχθεί μία νέα τεχνική ενίσχυσης, η οποία βασίζεται στη χρήση προηγμένων υλικών που αποτελούνται από το συνδυασμό ινών (π.χ. άνθρακα, γυαλιού, αραμιδίου, βασάλτη) σε μήτρα εποξειδικής ρητίνης. Τα υλικά αυτά, γνωστά ως ινοπλισμένα πολυμερή (Fibre Reinforced Polymers - FRP) ή απλώς σύνθετα υλικά, χαρακτηρίζονται από εξαιρετικές ιδιότητες, που κάνουν την εφαρμογή τους στα τεχνικά έργα, και ιδιαίτερα στο πεδίο των ενισχύσεων/επισκευών, ιδιαίτερα ελκυστική. Η εφαρμογή τους ως οπλισμός ενίσχυσης στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος ή φέρουσας τοιχοποιίας συνίσταται στη μέσω εποξειδικών ρητινών επικόλλησή τους σε εξωτερικές επιφάνειες δομικών μελών, με τέτοιο τον προσανατολισμό των ινών, ώστε να παραλαμβάνουν εφελκυστικές δυνάμεις. Τα σύνθετα υλικά προκύπτουν από τον συνδυασμό συνεχών ινών, συνήθως μίας διεύθυνσης, και πολυμερικής μήτρας (γι'αυτό ονομάζονται και ινοπλισμένα πολυμερή). Ακολουθεί μια εκτενής αναφορά στα συστατικά στοιχεία που αποτελούν τα επονομαζόμενα σύνθετα υλικά και στις μορφές που αυτά συναντιούνται στην πράξη. Οι ίνες, διαμέτρου 5-25mm, αποτελούν τον φορέα ανάληψης δυνάμεων (κυρίως εφελκυστικών), παράλληλα στη διεύθυνσή τους. Κύριο χαρακτηριστικό τους αποτελεί η εξαιρετικά υψηλή εφελκυστική αντοχή και η γραμμικά ελαστική συμπεριφορά μέχρι τη θραύση τους. Οι κυριότεροι τύποι ινών που χρησιμοποιούνται στο πεδίο των ενισχύσεων είναι οι ίνες άνθρακα (ανθρακονήματα), οι ίνες γυαλιού (υαλονήματα) και οι ίνες αραμιδίου. Η μήτρα στα σύνθετα υλικά αποτελεί τη συγκολλητή ύλη μεταξύ των ινών. Συνήθως είναι ένα θερμοσκληρυνόμενο πολυμερές, το οποίο συνδέει τις ίνες μεταξύ τους, τις προστατεύει, εξασφαλίζει την μεταφορά δυνάμεων σε αυτές, αλλά καθορίζει και αρκετές μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών, όπως είναι η αντοχή κάθετα στην διεύθυνση των ινών, η διατμητική και η θλιπτική αντοχή. Οι ρητίνες χρησιμοποιούνται συνήθως ως μήτρες για την παραγωγή των σύνθετων υλικών. Προκειμένου να αναπτυχθεί ισχυρή μηχανική και χημική σύνδεση μεταξύ ινών και ρητίνης, είναι απαραίτητη η ύπαρξη συνάφειας μεταξύ τους. Επιπλέον, θα πρέπει να υπάρχει χημική συμβατότητα έτσι ώστε να αποτραπούν τυχόν ανεπιθύμητες αντιδράσεις κατά τη σύνδεσή τους.

42 24 Οι ρητίνες από την φύση τους είναι ασθενέστερες από τις ίνες στις οποίες εμποτίζονται. Είναι περισσότερο ευπαθείς στη θερμότητα και στην πυρκαγιά, εμφανίζουν μεγαλύτερη ευαισθησία στους χημικούς διαλύτες, στα οξέα, στις βάσεις και στο νερό σε σχέση με τις ίνες και παρουσιάζουν σημαντικές ερπυστικές παραμορφώσεις σε σχέση με τα παραδοσιακά δομικά υλικά. Παρ' όλα αυτά, τα ΙΟΠ δε θα μπορούσαν να υπάρξουν χωρίς τις ρητίνες, καθώς αυτές είναι που μεταφέρουν τα φορτία και κατανέμουν τις τάσεις στις ίνες της κάθε στρώσης του πολυμερούς κάνοντάς το να συμπεριφέρεται σαν ομοιογενές υλικό. Οι ρητίνες που χρησιμοποιούνται κυρίως για την δημιουργία των ΙΟΠ είναι οι εποξειδικές, ενώ σπανιότερα χρησιμοποιείται πολυεστέρας ή βινυλοεστέρας. Λόγω της μεγάλης αντοχής τους, της συγκολλητικής ικανότητάς τους, της ανθεκτικότητάς τους σε κόπωση και σε διάβρωση, καθώς και της χαμηλής συστολής ξήρανσής τους, οι εποξειδικές ρητίνες αποτελούν, κατά γενική θεώρηση, τις αρτιότερες μήτρες σε ινοπλισμένα πολυμερή. Εντούτοις, χρειάζονται περισσότερο χρόνο για να αναπτύξουν πλήρως τις μηχανικές τους ιδιότητες και έχουν υψηλότερο κόστος συγκριτικά με τις άλλες δύο κατηγορίες ρητινών. Στην περίπτωση ελασμάτων σύνθετων υλικών οι ίνες καταλαμβάνουν περίπου το 50-70% του συνολικού όγκου του υλικού, ενώ το αντίστοιχο ποσοστό για μανδύες που κατασκευάζονται με επί τόπου εφαρμογή της ρητίνης είναι 20-35%. Σχήμα 2.1 Τομή ελάσματος σύνθετου υλικού σε μεγέθυνση. Τέλος, η κόλλα (κατά κανόνα εποξειδική ρητίνη δύο συστατικών) εφαρμόζεται μεταξύ του σκυροδέματος και του σύνθετου υλικού, εξασφαλίζοντας έτσι τη συνεργασία τους και τη μεταφορά τάσεων από το πρώτο στο δεύτερο.

43 25 Η εφαρμογή των εποξειδικών ρητινών πρέπει να γίνεται σε σύντομο χρονικό διάστημα, αναλόγως σε κάθε περίπτωση με την επικρατούσα εξωτερική θερμοκρασία, προκειμένου το υλικό να μην απωλέσει μέρος από τις συγκολλητικές ιδιότητές του. Τα συστήματα ενίσχυσης στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος είναι γενικά δύο τύπων: (α) «υγρής εφαρμογής» (ή «επί τόπου σκλήρυνσης» της μήτρας) και (β) «προκατασκευασμένα» (η σκλήρυνση της μήτρας έχει προηγηθεί της εφαρμογής). Στα συστήματα υγρής εφαρμογής, ανήκουν κυρίως φύλλα (sheets) ή υφάσματα (fabrics) αποτελούμενα από συνεχόμενες ίνες μίας ή περισσοτέρων διευθύνσεων σε ξηρή κατάσταση, τα οποία εμποτίζονται με ρητίνη λίγο πριν την εφαρμογή τους. Στα προκατασκευασμένα υλικά ανήκουν ευθύγραμμα (και σχετικά δύσκαμπτα) ελάσματα (strips), κελύφη (shells), μανδύες (jackets) ή γωνιές (angles), τα οποία επικολλούνται μέσω ρητίνης. Γενικά μπορεί να διατυπωθεί το συμπέρασμα ότι τα προκατασκευασμένα ελάσματα προτιμούνται έναντι των υφασμάτων (ή φύλλων) όταν η εφαρμογή γίνεται σε επίπεδες επιφάνειες (π.χ. καμπτική ενίσχυση δοκών ή πλακών), ενώ σε άλλες περιπτώσεις (π.χ. μανδύες υποστυλωμάτων, διατμητική ενίσχυση δοκών) η εφαρμογή υφασμάτων μέσω της υγρής μεθόδου είναι προτιμητέα. Συνοψίζοντας, τα κύρια πλεονεκτήματα των σύνθετων υλικών στον τομέα των ενισχύσεων είναι: η ανθεκτικότητα σε διάβρωση. το χαμηλό βάρους (περίπου 1/4-1/5 του χάλυβα). η εξαιρετικά υψηλή εφελκυστική αντοχή (πολλαπλάσια του κοινού χάλυβα). η διαθεσιμότητα των υλικών σε πολύ μεγάλα μήκη. η εύκολη και ταχεία εφαρμογή σε δύσκολα προσβάσιμα τμήματα της κατασκευής. Στα μειονεκτήματα της εφαρμογής τους συγκαταλέγονται: η χαμηλή αντοχή των εποξειδικών ρητινών σε υψηλές θερμοκρασίες (πάνω από την θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης Τg υφίστανται ραγδαία απομείωση του μέτρου ελαστικότητας και άρα παρουσιάζουν περιορισμένη πλέον ικανότητα μεταφοράς δυνάμεων). Το υψηλό κόστος των ρητινών. Η ευαισθησία του υλικού σε περίπτωση πυρκαγιάς. Η δύσκολη εφαρμογή σε υγρές επιφάνειες ή σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η ελλιπής τεχνογνωσία που δυσχεραίνει την εφαρμογή τους. Ο περιορισμός στην ικανότητα «αναπνοής» των δομικών μελών από ΙΟΠ.

44 26 Η ασυμβατότητα με υλικά ιστορικών κατασκευών. Η δυσκολία διεξαγωγής μη καταστροφικής αποτίμησης βλαβών «πίσω» από τον μανδύα μετά από σεισμό. Εικόνα 2.1 Φύλλο και ύφασμα ενίσχυσης από συνεχείς ίνες που χρησιμοποιούνται στα συστήματα υγρής εφαρμογής. Κλείνοντας την αναφορά στη χρησιμοποίηση των ΙΟΠ στον τομέα των ενισχύσεων, το σημαντικότερο πλεονέκτημα από τη χρήση τους παρουσιάζεται η μη μεταβολή των δυναμικών χαρακτηριστικών του δομικού συστήματος, καθώς η αύξηση των διαστάσεων του ενισχυμένου μέλους είναι μηδαμινή (της τάξεως χιλιοστών), με αποτέλεσμα να μην επηρεάζεται η δυσκαμψία και κατ' επέκταση να επέρχεται αύξηση των εντατικών μεγεθών. Από την παραπάνω παρουσίαση των ΙΟΠ γίνονται αυτονόητοι οι λόγοι που οδήγησαν σε ραγδαία αύξηση της χρήσης τους στον τομέα των ενισχύσεων, ωστόσο η αδυναμία που παρουσιάζει η ρητίνη ως συνδετικό υλικό αποτέλεσε τον παράγοντα που ώθησε την επιστημονική κοινότητα σε εξεύρεση και άλλων λύσεων. Ειδικότερα, μια λογικοφανής λύση στα παραπάνω προβλήματα θα μπορούσε να είναι η αντικατάσταση της ρητίνης, η οποία αποτελεί το συνδετικό υλικό μεταξύ των συνεχών ινών, δηλαδή τη "μήτρα", με πολύ λεπτόκοκκο υλικό ανόργανης σύστασης, π.χ. τύπου κονιάματος με βάση το τσιμέντο. Τέτοιες λύσεις έχουν δοκιμασθεί τα τελευταία χρόνια χωρίς ιδιαίτερη επιτυχία, διότι η κοκκομετρία των κονιαμάτων, ακόμα και των εξαιρετικά λεπτόκοκκων, δεν επιτρέπει τον πλήρη εμποτισμό των ινών, με αποτέλεσμα την εμφάνιση πτωχών χαρακτηριστικών συνάφειας μεταξύ των ινών και του μητρικού υλικού (κονίαμα). Μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική πρόταση, η οποία αναπτύσσεται και μελετάται στην παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή, είναι αυτή της αντικατάστασης των "συμβατικών" υφασμάτων

45 27 συνεχών ινών (συνήθως) μίας διεύθυνσης με υφάσματα ινών σε μορφή πλέγματος (textile) με βροχίδες. Τα πλέγματα αυτά μπορούν να κατασκευάζονται από δέσμες ινών ανά αποστάσεις σε δύο ή περισσότερες διευθύνσεις, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η καλή συνεργασία ινών - μητρικού υλικού (δηλαδή κονιάματος) κυρίως μέσω μηχανικής εμπλοκής του κονιάματος στα κενά μεταξύ των δεσμών. Ο όρος που έχει προταθεί από τους Triantafillou et al. (2006) στη διεθνή βιβλιογραφία για τα "νέα" αυτά σύνθετα υλικά μανδυών ενίσχυσης είναι Textile - Reinforced Mortars (TRM), ενώ στην Ελληνική γλώσσα θα μπορούσε να αποδοθεί ως Ινοπλέγματα σε Ανόργανη Μήτρα (ΙΑΜ) Ινοπλέγματα ανόργανης μήτρας Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται λεπτομερώς τα υλικά που απαιτούνται για την παραγωγή των ΙΑΜ. Αρχικά, θα παρουσιαστούν πληροφορίες σχετιζόμενες με τα είδη των ινών, τις μεθόδους παραγωγής τους και τη μετατροπή των κλώνων σε πλέγματα. Θα γίνει ακόμη αναφορά στα είδη μήτρας κονιάματος που χρησιμοποιούνται καθώς και σε παραμέτρους που τυχόν επηρεάζουν τη συνάφεια μεταξύ μήτρας και πλέγματος. Αφού ολοκληρωθεί η παρουσίαση των υλικών που αφορούν την παρασκευή ΙΑΜ, θα γίνει μια σύντομη αναφορά στις μεθόδους παρασκευής σύνθετων υλικών από ΙΑΜ Ίνες και πλέγματα ινών 1. Είδη ινών Οι ίνες αποτελούν τον φορέα ανάληψης των εφελκυστικών δυνάμεων στα σύνθετα υλικά από ΙΑΜ. Για την αποτελεσματική εκμετάλλευση των μηχανικών ιδιοτήτων των ινοπλεγμάτων απαιτείται να τοποθετούνται παράλληλα στη διεύθυνση των κυρίων τάσεων. Η αποδοτικότητα του σύνθετου υλικού σχετικά με τη δυνατότητα ανάληψης φορτίων επηρεάζεται σημαντικό βαθμό από τις μηχανικές ιδιότητες των ινών. Κύριο χαρακτηριστικό των ινών είναι η υψηλή εφελκυστική αντοχή τους, καθώς και η γραμμικά ελαστική συμπεριφορά τους μέχρι το σημείο της θραύσης τους. Οι ίνες κατατάσσονται ανάλογα με τη μορφή και τη διάταξή τους σε : Διακριτές ίνες Συνεχείς ίνες

46 28 Πλέγματα ινών Εικόνα 2.2 Διάφορες μορφές όπλισης στοιχείων σκυροδέματος. Οι διακριτές ίνες ενίσχυσης έχουν μικρό μήκος και χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση ψαθυρών υλικών, λ.χ του σκυροδέματος. Ειδικότερα, προσθέτοντας στον συνολικό όγκο του σκυροδέματος ίνες μικρού μήκους παράγεται το ινοπλισμένο σκυρόδεμα, το οποίο διαθέτει βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες. Ουσιαστικά, το ινοπλισμένο σκυρόδεμα είναι ένα σύνθετο υλικό με υψηλά επίπεδα ακαμψίας και αντοχής. Η προσθήκη ινών στο σκυρόδεμα αυξάνει την παραμορφωσιμότητα του υλικού και συμβάλλει στον περιορισμό της ρηγμάτωσης. Απόρροια αυτών αποτελεί η αύξηση της δυσθραυστότητας του υλικού, δηλαδή της ικανότητας να απορροφά ενέργεια κατά την παραμόρφωση, πράγμα που εκφράζεται από το εμβαδόν που περικλύεται από την καμπύλη φορτίου - παραμόρφωσης. Εικόνα 2.3 Διακριτές ίνες.

47 29 Οι ίνες που χρησιμοποιούνται κυρίως στα ΙΑΜ είναι από υλικά όπως ο άνθρακας, το γυαλί και το αραμίδιο. Υπάρχουν όμως και ίνες από άλλα υλικά, όπως το πολυπροπυλένιο και το πολυαιθυλένιο, που χρησιμοποιούνται στα ινοπλισμένα σκυροδέματα. Κριτήριο για τον χαρακτηρισμό των ινών ως διακριτών ή συνεχών αποτελεί ο συντελεστής σχήματος της ίνας που εκφράζεται από τον λόγο του μήκους l προς την διάμετρο των ινών d. Όπως είναι φυσικό οι συνεχείς ίνες προσδίδουν μεγαλύτερη αντοχή από τις διακριτές, καθόσον η τυχαία διεύθυνση των ινών (για τις διακριτές ίνες) δεν επιτρέπει την πλήρη εκμετάλλευση των μηχανικών ιδιοτήτων τους. Γενικά, η αύξηση του μήκους των ινών συνεπάγεται και αύξηση της αντοχής. Επίσης, οι ίνες κατηγοριοποιούνται ανάλογα με την προέλευση του υλικού από το οποίο παράγονται. Στο ακόλουθο Σχήμα 2.2 παρουσιάζεται διαγραμματικά αυτή η ταξινόμηση των ινών. Σχήμα 2.2 Κατηγοριοποίηση των ινών ανάλογα με την προέλευση του υλικού κατασκευής τους [ITP,TU Dresden].

48 ΚΛΩΝΟΙ ΙΝΩΝ Ένας κλώνος μπορεί να αποτελείται από χιλιάδες νήματα ινών. Η λεπτότητα του κλώνου μετράται με τη μονάδα tex που δηλώνει το βάρος του κλώνου (gr) ανά μονάδα μήκους (1000m). Ουσιαστικά, η λεπτότητα του κλώνου εξαρτάται από τον αριθμό των ινών, την πυκνότητα και τη διάμετρό τους. Τα πλέγματα ινών αποτελούνται από ευθύγραμμους κλώνους (yarns) νημάτων ινών (filaments) σε δύο ή και περισσότερες διευθύνσεις. Οι ίνες έχουν συνήθως μεγάλο μήκος και διατίθενται σε μορφή νημάτων (τυλιγμένων σε κουβάρια), σε μορφή υφάσματος (ίνες σε δυο συνήθως διευθύνσεις) ή σε μορφή ταινιών με πλάτος μερικών εκατοστών. Εικόνα 2.4 Κλώνοι ινών: α) ενός υλικού και β) συνδυασμός νημάτων ινών [ITP,TU Dresden] Ίνες άνθρακα Οι ίνες άνθρακα παρασκευάζονται είτε από θερμική κατεργασία ινών πολυακρυλονιτριλίου (PAN), είτε μέσω απόσταξης κάρβουνου (pitch). Οι πρώτες χαρακτηρίζονται γενικά από μεγαλύτερες αντοχές και μέτρα ελαστικότητας σε σχέση με τις δεύτερες. Για την παραγωγή ινών άνθρακα ενίσχυσης από ίνες πολυακρυλονιτριλίου (PAN) ακολουθούνται τρία στάδια:

49 31 1 ο στάδιο: πραγματοποιείται η οξείδωση των ινών PAN στον αέρα και σε χαμηλή θερμοκρασία της τάξης των C με παράλληλη εφαρμογή τάσης για την ευθυγράμμιση των αλυσίδων του πολυμερούς. 2 ο στάδιο: συντελείται η πυρόλυση υπό τάση σε ουδέτερη ή αναγωγική ατμόσφαιρα και σε θερμοκρασία C. Οι ίνες που παράγονται σε αυτό το στάδιο χαρακτηρίζονται από υψηλή εφελκυστική αντοχή (HT-fibres) που κυμαίνεται από MPa, ενώ το μέτρο ελαστικότητάς τους κυμαίνεται μεταξύ GPa. 3 ο στάδιο: συνεχίζεται η θέρμανση σε υψηλές θερμοκρασίες της τάξης των C και πραγματοποιείται η πυράκτωση του γραφίτη. Από το στάδιο αυτό παράγονται ίνες άνθρακα με υψηλό μέτρο ελαστικότητας (HM-fibres) που κυμαίνεται από 350 μέχρι 450 GPa και εφελκυστική αντοχή από 2000 έως 4500 MPa. Στον Πιν. 2.1 που ακολουθεί, παρουσιάζονται περιληπτικά οι μηχανικές ιδιότητες των δύο ειδών ινών άνθρακα. Πίνακας 2.1 Μηχανικές ιδιότητες ινών άνθρακα. Τα χαρακτηριστικά που καθιστούν τις ίνες άνθρακα ως το κατάλληλο υλικό για την παρασκευή στοιχείων ΙΑΜ είναι η υψηλή ανθεκτικότητα έναντι όξινων, οργανικών και αλκαλικών διαλυμάτων καθώς και η καλή συμπεριφορά έναντι μόνιμων φορτίων. Γενικά, όταν απαιτείται ο βέλτιστος συνδυασμός μηχανικής συμπεριφοράς και ελάττωσης του βάρους, οι χρησιμοποιούμενες ίνες είναι συνήθως από άνθρακα. Βασικό μειονέκτημα αποτελεί το υψηλό κόστος των ανθρακονημάτων, το οποίο, ωστόσο με την αυξανόμενη παραγωγή ινών άνθρακα παγκοσμίως και τις συνεχόμενες βελτιώσεις στην τεχνολογία παραγωγής τους, αναμένεται να μειωθεί σημαντικά στο μέλλον. Ένα άλλο σημαντικό μειονέκτημα είναι ότι οι ίνες άνθρακα είναι ευαίσθητες σε μικρο-κρούσεις και γενικώς σε πλευρικά φορτία.

50 Ίνες υάλου Οι ίνες υάλου μπορεί να είναι : Τύπου Ε (E-glass) Είναι ο κοινός και πλέον συνηθισμένος τύπος γυαλιού για την παρασκευή σύνθετων υλικών ΙΑΜ. Το βασικό μειονέκτημα των ινών αυτού του τύπου είναι ότι η χημική τους δομή αποδείχθηκε ασταθής έναντι αλκαλικού περιβάλλοντος, όπως αυτό του σκυροδέματος. Συνεπώς, αυτός ο τύπος ινών δεν συνιστάται για χρήση σε πλέγματα που προορίζονται να χρησιμοποιηθούν ως εφελκυόμενος οπλισμός. Τύπου Ζ ή AR (AR-glass) Αναπτύχθηκε το 1970 και παρουσιάζει μεγάλη αντοχή σε αλκαλικό περιβάλλον. Η ανθεκτικότητά του έναντι του αλκαλικού περιβάλλοντος οφείλεται στην προσθήκη ζιρκονίου σε ποσοστό 15% κατά βάρος. Η χρησιμοποίηση πλεγμάτων ινών AR ως εφελκυόμενου οπλισμού ενδείκνυται, διότι οι συνθήκες συνάφειας μεταξύ πλέγματος ινών AR και μήτρας είναι πολύ ικανοποιητικές. Τύπου S Κύρια χαρακτηριστικά αυτού του τύπου ινών υάλου είναι η υψηλή αντοχή και το υψηλό μέτρο ελαστικότητας. Οι πρώτες ύλες για την παρασκευή ινών υάλου είναι ο ασβεστόλιθος, η πυριτική άμμος και ο πηλός. Τα υλικά αυτά τήκονται στους 1350 o C και το προιόν της τήξεως εκτοξεύεται με ταχύτητα από ένα περιστρεφόμενο στόμιο μεταβλητής διαμέτρου, έτσι ώστε να παραχθούν νήματα ινών μεγάλου μήκους. Εν συνεχεία, τα νήματα επικαλύπτονται με μια κόλλα οργανικών πολυμερών διαλυμένη σε νερό και συντίθενται σε κλώνους. Το κυριότερο πλεονέκτημα όλων των τύπων ινών υάλου έναντι των υπολοίπων είναι το αρκετά χαμηλότερο κόστος, σχεδόν πέντε φορές κάτω του κόστους ινών άνθρακα, και η υψηλή αντοχή. Στα μειονεκτήματα συγκαταλέγονται το χαμηλό μέτρο ελαστικότητας και η χαμηλή αντοχή έναντι φθοράς εκτριβής. Επίσης, η πυκνότητα των κλώνων ινών υάλου (2.8 kgr/dm 3 ) είναι υψηλότερη από αυτή των ινών άνθρακα ( kgr/dm 3 ) και αραμιδίου. Η παραμόρφωση αστοχίας είναι της τάξης του 2%.

51 33 Πίνακας 2.2 Μηχανικές ιδιότητες των τριών τύπων ινών υάλου Ίνες αραμιδίου Οι ίνες αραμιδίου παράγονται μέσω συμπύκνωσης διχλωριδίων δικαρβονικών οξέων με αρωματικές διαμίνες. Το πολυμερές που προκύπτει απομονώνεται με ιζηματοποίηση σε νερό. Εν συνεχεία, το ίζημα ξηραίνεται και αναμειγνύεται σε διάλυμα θειικού οξέος, ενώ με την μέθοδο του περιστρεφόμενου ακροφυσίου το διάλυμα μετατρέπεται σε νήμα. Κύριο χαρακτηριστικό των μηχανικών ιδιοτήτων των ινών αραμιδίου είναι η υψηλή εφελκυστική αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας. Εν συγκρίσει, με τις ίνες άνθρακα και υάλου έχουν μικρότερη πυκνότητα (1.4 kgr/dm 3 ), μικρότερη ψαθυρότητα και καλύτερη συμπεριφορά σε κρουστικά φορτία. Το τελευταίο καθιστά τις ίνες αραμιδίου κατάλληλες για την ενίσχυση βάθρων γεφυρών, όπου ο κίνδυνος πρόσκρουσης οχημάτων είναι πιθανός. Το κύριο μειονέκτημα των ινών αραμιδίου είναι πως ο συντελεστής θερμικής διαστολής των ινών δεν είναι συμβατός με αυτόν του σκυροδέματος και κατά συνέπεια δημιουργούνται ανεπιθύμητες τάσεις στη διεπιφάνεια μήτρας - σκυροδέματος. Επιπροσθέτως, η συμπεριφορά των ινών αραμιδίου σε αλκαλικό περιβάλλον δεν είναι ιδιαίτερα ικανοποιητική Ίνες βασάλτη Οι ίνες βασάλτη έχουν παρόμοιες μηχανικές ιδιότητες με αυτές των ινών υάλου, αλλά έχουν υψηλή ανθεκτικότητα έναντι υψηλών θερμοκρασιών. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο βασάλτης είναι πέτρωμα πυριγενούς προελεύσεως (συναντώνται ορυκτά όπως το πυροξένιο, ο πλαγιόκλαστος, ο ολιβίτης, ο βωξίτης). Οι ίνες βασάλτη παράγονται από μια απλή διαδικασία τήξης του πετρώματος σε θερμοκρασία 1400 o C. Δεδομένου ότι συναντάται σε μεγάλες ποσότητες στη φύση και λόγω της απλής διαδικασίας παραγωγής τους, οι ίνες βασάλτη είναι φιλικές προς το περιβάλλον, μη τοξικές, ανθεκτικές σε διάβρωση και με ικανοποιητικές θερμομονωτικές ιδιότητες.

52 34 Η εφελκυστική αντοχή των συνεχών ινών βασάλτη είναι σχεδόν διπλάσια της αντίστοιχης αντοχής των ινών υάλου τύπου Ε και το μέτρο ελαστικότητας αυξημένο κατά 15-30%. Το βασικό πλεονέκτημα των ινών βασάλτη είναι ο συνδυασμός της ιδιαίτερα χαμηλής τιμής τους συγκριτικά με τα άλλα είδη ινών και οι καλές μηχανικές τους ιδιότητες. Παρ όλα αυτά, εξαιτίας του γεγονότος ότι η παραγωγή των ινών βασίζεται στην τήξη των πετρωμάτων βασάλτη είναι δύσκολο να παραχθούν παρτίδες με την ίδια σύσταση και κατ' επέκταση με τα ίδια μηχανικά χαρακτηριστικά Σύγκριση διαφόρων τύπων ινών Όπως προαναφέρθηκε, οι ίνες στα σύνθετα υλικά, διαμέτρου 5-25 μm, αποτελούν τον φορέα ανάληψης δυνάμεων κατά κανόνα εφελκυστικών παράλληλα στη διεύθυνσή τους. Κύριο χαρακτηριστικό τους είναι η εξαιρετικά υψηλή εφελκυστική αντοχή και η γραμμικά ελαστική συμπεριφορά μέχρι τη θραύση τους, εν αντιθέσει με το χάλυβα ή τον χάλυβα προέντασης που παρουσιάζουν σχεδόν διγραμμική συμπεριφορά και αυξημένη πλαστιμότητα. Όπως φαίνεται και από το Σχ. 2.3 που ακολουθεί ορισμένοι τύποι ινών, όπως για παράδειγμα οι ίνες υάλου S, έχουν εξαιρετικά υψηλή αντοχή και παραμόρφωση εφελκυστικής αστοχίας.

53 35 Σχήμα 2.3 Τυπικές καμπύλες εφελκυστικής τάσης - παραμόρφωσης για διάφορους τύπους ινών και σύγκριση με απλοποιημένες καμπύλες για χάλυβα [Τριανταφύλλου 2006] Πλέγματα ινών Η σύνθεση των κλώνων ινών σε πλέγματα επιτρέπει την καλύτερη εκμετάλλευση των μηχανικών ιδιοτήτων των ινών, διότι είναι δυνατή η παρασκευή πλεγμάτων με τους κλώνους σε διάφορες διευθύνσεις. Συνήθως, οι ίνες έχουν προσανατολισμό κάθετο 0 ο /90 ο ή χιαστί 45 ο /-45 ο ή συνδυασμό και των δύο. Ο τρόπος πλέξης επηρεάζει το τελικό αποτέλεσμα στο σύνθετο υλικό, καθώς αλλάζει το μηχανισμό διάδοσης τάσεων μέσα σε αυτό. Στην Εικ. 2.5 φαίνονται μερικά είδη πλέξης υπό γωνία 0 ο /90 ο. Ένα πλέγμα ινών πρέπει να είναι κατασκευασμένο, έτσι ώστε οι κλώνοι να απέχουν σταθερή απόσταση μεταξύ τους. Επίσης, ανάλογα με την κάθε περίπτωση θα πρέπει να εξασφαλίζεται η επαρκής εισχώρηση μητρικού υλικού μεταξύ των κλώνων.

54 36 Εικόνα 2.5 Διάφορα είδη πλέξης υπό γωνία 0 ο /90 ο [ITA,RWTH Aachen University]. Από κατασκευαστικής άποψης, είναι σημαντικό ότι τα ινοπλέγματα είναι κατάλληλα για εφαρμογή τόσο σε επίπεδες επιφάνειες όσο και σε επιφάνειες με καμπύλη γεωμετρία. Η εφαρμογή τους γίνεται κοντά στην επιφάνεια του υπό ενίσχυση στοιχείου και υπάρχει η δυνατότητα ενίσχυσης για διάφορες διευθύνσεις φόρτισης λόγω των διαφορετικών τρόπων πλέξης του πλέγματος. Εικόνα 2.6 Διάφορα είδη ινοπλεγμάτων [ITA,RWTH Aachen University]. Τα πλέγματα είναι δυνατόν να είναι επίπεδα ή τριών διαστάσεων, ενώ είναι δυνατή και η σύνθεση οκτώ επίπεδων πλεγμάτων σε ένα. Πλέγματα δύο διαστάσεων Η συνήθης διάταξη πλέγματος είναι αυτή των δύο διαστάσεων.

55 37 Εικόνα 2.7 Πλέγματα ινών δύο διευθύνσεων με προσανατολισμό ινών α) συνδυασμού 0 ο /90 ο και χιαστί 45 ο /-45 ο και β) κάθετο 0 ο /90 ο. Πλέγματα τριών διαστάσεων Τα πλέγματα αυτά χρησιμοποιούνται κυρίως για την ενίσχυση λεπτότοιχων στοιχείων σκυροδέματος. Τα δύο επίπεδα οπλισμού είναι δυνατόν να έχουν διαφορετική διάταξη ινών. Εικόνα 2.8 Πλέγμα ινών τριών διαστάσεων. Κυκλικά πλέγματα Τα πλέγματα αυτά χρησιμοποιούνται για την κατασκευή κοίλων κυλινδρικών στοιχείων από ΙΑΜ υψηλών προδιαγραφών, όπως είναι οι δεξαμενές καυσίμων και χημικών ή οι αγωγοί υψηλής πίεσης.

56 38 Εικόνα 2.9 Κυκλικό πλέγμα ινών κατά τη φάση παραγωγής τους. 2.3 ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ Γενικά Η ανόργανη μήτρα σκυροδέματος, που χρησιμοποιείται για την παρασκευή στοιχείων ΙΑΜ αποτελεί την συγκολλητική ύλη των ινών μεταξύ τους όταν οι κλώνοι του πλέγματος δεν είναι εμποτισμένοι με πολυμερή. Η συμπεριφορά του σύνθετου υλικού ΙΑΜ, όσον αφορά τη δυνατότητα ανάληψης φορτίων και την ανθεκτικότητα σε διάρκεια, εξαρτάται σε σημαντικό βαθμό από τη σύσταση της μήτρας (μηχανικές, χημικές και ρεολογικές ιδιότητες του υλικού). Το μητρικό υλικό είναι αυτό που εξασφαλίζει τη μεταβίβαση των ασκούμενων δυνάμεων από το σύνθετο υλικό προς τις ίνες. Πέρα όμως από αυτό, η μήτρα προστατεύει τις ίνες από διάφορες περιβαλλοντικές προσβολές και προσδίδει στο στοιχείο τα επιθυμητά γεωμετρικά χαρακτηριστικά. Η βασικότερη απαίτηση που πρέπει να πληροί η ανόργανη μήτρα είναι η όσο το δυνατόν καλύτερη διείσδυση του κονιάματος στο πλέγμα ινών, προκειμένου να επιτευχθούν καλές συνθήκες συνάφειας μεταξύ πλέγματος και μήτρας. Για το λόγο αυτό, το σκυρόδεμα πρέπει να διαθέτει ικανοποιητική ρευστότητα με το μέγιστο κόκκο αδρανών να μην ξεπερνά, συνήθως, τα 2 mm. Επιπρόσθετα, η σύσταση της μήτρας πρέπει να προσδιορίζεται με βάση τις ιδιότητες του χρησιμοποιούμενου πλέγματος και να είναι χημικά συμβατή με τη χημική δομή του. Προκειμένου να είναι δυνατή η γρήγορη αποδέσμευση του στοιχείου από τους τύπους, η μήτρα πρέπει να εμφανίζει υψηλή πρώιμη θλιπτική αντοχή. Τα διάφορα είδη σκυροδέματος που χρησιμοποιούνται μπορούν να διακριθούν σε τρεις κατηγορίες ανάλογα με την σύσταση της βασικής τους κονίας, και πιο συγκεκριμένα στα

57 39 συνήθη κονιάματα ανόργανης μήτρας, στα κονιάματα με προσθήκη πολυμερών και στα μη τσιμεντοειδή κονιάματα Συνήθη κονιάματα ανόργανης μήτρας Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα συμβατικά κονιάματα, όπου η βασική κονία αποτελείται από τσιμέντο τύπου Portland με κάποιες πρόσθετες ειδικές απαιτήσεις: Επαρκής ρευστότητα στο μίγμα Η επίτευξη επαρκούς ρευστότητας του μίγματος απαιτείται για τη δυνατότητα διείσδυσης του κονιάματος στο πλέγμα, ώστε να υπάρξει ικανοποιητική συνάφεια μεταξύ τους. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται αδρανή με μέγιστο κόκκο αδρανών τα 0,6 mm. Μείωση ποσότητας υδρασβέστου (Ca(Offb) στον τσιμεντοπολτό Η μείωση της υδρασβέστου αποσκοπεί στη μείωση του αλκαλικού περιβάλλοντος της μήτρας, με αποτέλεσμα τη μείωση του κινδύνου προσβολής των ινών υάλου. Για το λόγο αυτό προστίθενται λεπτόκοκκα υλικά με μεγάλη περιεκτικότητα σε οξείδια πυριτίου, όπως η ιπτάμενη τέφρα, η πυριτική παιπάλη και, σπανιότερα, ο καολινίτης. Περιορισμός ποσοστού πυριτικής παιπάλης στο μίγμα Το ποσοστό της πυριτικής παιπάλης δεν πρέπει να ξεπερνά το 10% της συνολικής ποσότητας λεπτών υλικών, έτσι ώστε να διατηρηθεί η εργασιμότητα του μίγματος Σκυροδέματα με προσθήκη πολυμερών Η προσθήκη πολυμερών κλασμάτων πολυμερών διαμέτρου μm επιφέρει σημαντική βελτίωση στις συνθήκες συνάφειας μεταξύ μήτρας και πλέγματος. Τα μόρια του πολυμερούς λόγω της μικρής διαμέτρου τους εισχωρούν στα κενά των κλώνων μεταξύ μεμονωμένων ινών με αποτέλεσμα τον καλύτερο εμποτισμό των ινών. Επίσης, με την προσθήκη πολυμερών στο κονίαμα αυξάνεται και η καμπτική αντοχή της ανόργανης μήτρας. Οι ιδιότητες των κονιαμάτων που περιέχουν πολυμερή καθορίζονται από παράγοντες όπως: Ο τύπος του χρησιμοποιούμενου πολυμερούς. Ο λόγος πολυμερούς προς τσιμέντο (5-20%).

58 40 Ο λόγος νερού προς τσιμέντο ( ). Η ύπαρξη ή όχι αέρα και γενικότερα οι συνθήκες συντήρησης Σκυροδέματα μη συμβατικής κονίας Στα σκυροδέματα αυτής της κατηγορίας, το μεγαλύτερο ποσοστό της βασικής κονίας αποτελείται από τσιμέντα με βάση το φώσφορο και το αλουμίνιο. Τα τσιμέντα αυτά βρίσκονται σε ερευνητικό στάδιο. Το βασικό μειονέκτημα των σκυροδεμάτων αυτών είναι ότι δεν προσφέρουν ικανοποιητικό χρόνο εργασιμότητας. 2.4 ΣΥΝΑΦΕΙΑ ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΜΗΤΡΑΣ ΚΑΙ ΠΛΕΓΜΑΤΟΣ ΙΝΩΝ Ένα στοιχείο ΙΑΜ είναι ουσιαστικά ένα σύνθετο υλικό που αποτελείται από δυο διαφορετικά υλικά και τη μεταξύ τους διεπιφάνεια. Από την διεπιφάνεια ινών και μητρικού υλικού εξαρτάται η εν γένει συμπεριφορά του σύνθετου υλικού. Σε περίπτωση καλής διεπιφάνειας, το προκύπτον υλικό χαρακτηρίζεται από υψηλή αντοχή αλλά ψαθυρότητα, ενώ, εάν η διεπιφάνεια είναι ασθενής, προκύπτει ένα υλικό όλκιμο. Ένας κλώνος ινών αποτελείται από πλήθος ινών. Οι ίνες του κλώνου, αναλόγως της θέσεώς τους, διακρίνονται σε περιφερειακές (sleeve filaments) και σε ίνες πυρήνα (core filaments). Οι περιφερειακές ίνες έρχονται σε άμεση επαφή με την ανόργανη μήτρα, με αποτέλεσμα να διαθέτουν πολύ καλή συνάφεια με το μητρικό υλικό. Έτσι, αποφεύγεται η ολίσθησή τους και συμμετέχουν με υψηλό βαθμό αποδοτικότητας στην μεταφορά φορτίων. Εν αντιθέσει με τις περιφερειακές ίνες, οι ίνες του πυρήνα παρουσιάζουν μικρή συνάφεια με το μητρικό υλικό, διότι μικρή ποσότητα ανόργανης μήτρας εισχωρεί στον πυρήνα του κλώνου. Η ολίσθηση των ινών αυξάνει όσο η απόστασή τους από την περιφέρεια του κλώνου αυξάνεται. Η μοναδική αντίσταση στην ολίσθηση προέρχεται από την μεταξύ τους τριβή. Για να επιτευχθεί μεγαλύτερη συνάφεια μεταξύ των ινών του πυρήνα και της μήτρας, οι κλώνοι θα πρέπει να είναι προεμποτισμένοι με πολυμερή (εποξειδική ρητίνη ή συνθετική ρητίνη βινυλίου). Η ρητίνη εισχωρεί στο εσωτερικό (πυρήνα) του κλώνου και, έτσι, αποφεύγεται η ολίσθηση των εσωτερικών ινών και το επίπεδο έντασης είναι ίδιο για όλες τις ίνες.

59 41 Σχήμα 2.4 α) Περιφερειακές ίνες και ίνες πυρήνα - ανομοιογένεια δεσμού μήτρας ινών, β) κλώνος ινών με ίνες πλήρως εμποτισμένες (εξωτερικός δεσμός < εσωτερικού). Στο παρελθόν έχουν γίνει αρκετές ερευνητικές προσπάθειες, προκειμένου να χαρακτηριστεί ο μηχανισμός συνάφειας των ινών με το πλέγμα [Nammur and Naaman 1989, Ohno and Hannant 1994, Brameshuber et al 2000, Xu et al.2006]. Χαρακτηριστικά, ο Βartos (1987), προκειμένου να περιγράψει τον τρόπο αστοχίας των μερικώς εμποτισμένων κλώνων, πρότεινε ένα σύνθετο μηχανισμό συνάφειας μεταξύ κλώνων ινών - μητρικού υλικού, ο οποίος περιλαμβάνει "τηλεσκοπικού" τύπου ολίσθηση μεταξύ των ινών του κλώνου κατά την αστοχία. Σύμφωνα με αυτό το μηχανισμό, οι περιφερειακές ίνες που είναι επαρκώς εμποτισμένες με το μητρικό υλικό μπορεί να αστοχήσουν, ενώ οι εσωτερικές ολισθαίνουν. Επισημαίνεται ότι, όταν η ολίσθηση των εσωτερικών ινών είναι ελεγχόμενη, ο εν λόγω μηχανισμός συνάφειας είναι εξαιρετικά ευνοϊκός, καθώς συνδυάζει υψηλές τάσεις συνάφειας που εξασφαλίζονται από τις περιφερειακές ίνες και αυξημένη απορρόφηση ενέργειας, που εξασφαλίζεται από την ολίσθηση των ινών του πυρήνα. Τέλος, οι [Xu et al] (2006) διερεύνησαν την επίδραση διαφόρων παραγόντων στην αποτελεσματικότητα της διεπιφάνειας μήτρας - ινοπλέγματος και πρότειναν: Τον προεμποτισμό των ινών με πολυμερή. Την επικάλυψη με άμμο προεμποτισμένων με ρητίνη πλεγμάτων για την περαιτέρω ενίσχυση της διεπιφάνειας. Την χρησιμοποίηση κονιαμάτων με υψηλή εργασιμότητα. Ωστόσο, ο μηχανισμός αυτός προσφέρεται για περαιτέρω έρευνα.

60 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΑΠΟ ΙΑΜ ΓΕΝΙΚΑ Τα ινοπλέγματα ανόργανης μήτρας παρουσιάζουν ορισμένα συγκριτικά πλεονεκτήματα έναντι ενός συμβατικά οπλισμένου στοιχείου με αποτέλεσμα την ολοένα και αυξανόμενη χρήση τους στην κατασκευή. Στα ΙΑΜ υπάρχει η δυνατότητα τοποθέτησης των πλεγμάτων οπλισμού υπό οποιαδήποτε διεύθυνση, αναλαμβάνοντας τις αντίστοιχες τάσεις και διευρύνοντας το πεδίο εφαρμογής τους σε νέους τομείς. Η ενίσχυση των κατασκευών, η προκατασκευή αλλά και η εφαρμογή των ΙΑΜ για καθαρά αρχιτεκτονικούς λόγους είναι μερικά από τα πεδία ανάπτυξης και εφαρμογής των ΙΑΜ. Σε αρχιτεκτονικές εφαρμογές, όπως σε επιφάνειες εμφανούς σκυροδέματος, χρησιμοποιείται μητρικό υλικό από λεπτόκοκκο τσιμέντο και αδρανή, που συντελεί στην δημιουργία λείων επιφανειών. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα των ΙΑΜ είναι ότι δεν απαιτείται μεγάλο πάχος σε κελύφη και στοιχεία κάλυψη. Επομένως, είναι δυνατή η κατασκευή στοιχείων με εξαιρετικά μικρό πάχος - έως και 10 mm - εν αντιθέσει με ένα συμβατικά οπλισμένο δομικό στοιχείο, στο οποίο το ελάχιστο πάχος είναι γύρω στα 80 mm. Στο συμβατικά οπλισμένο στοιχείο υπάρχει η απαίτηση για προστασία του χάλυβα έναντι διάβρωσης. 2.6 ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΑΛΥΨΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ Στοιχεία κάλυψης από ΙΑΜ Στην περίπτωση που χρησιμοποιούνται ΙΑΜ ως στοιχεία κάλυψης (π.χ. όψεων) πρέπει να πληρούν κάποιες προδιαγραφές που διασφαλίζουν την ποιότητα του τοποθετούμενου στοιχείου. Οι προδιαγραφές αυτές έχουν να κάνουν με την αντοχή στις εφελκυστικές δυνάμεις αλλά και την ταυτόχρονη αντοχή σε φορτία ανεμοπίεσης. Η ανάληψη των εφελκυστικών δυνάμεων γίνεται μέσω των ινοπλεγμάτων, ενώ για την αντοχή των ΙΑΜ σε φορτία ανέμου χρησιμοποιείται σκυρόδεμα υψηλής αντοχής. Όπως αναφέρεται ανωτέρω, τα στοιχεία ΙΑΜ χαρακτηρίζονται από ιδιαίτερα μικρό πάχος, πράγμα που συνεπάγεται ότι και το βάρος τους είναι αντίστοιχα μικρό. Αυτό καθιστά τα στοιχεία ΙΑΜ ιδιαιτέρως οικονομικά

61 43 από πλευράς χρησιμοποίησης υλικών κατά την παρασκευή τους, αλλά και λόγω του γεγονότος ότι δεν απαιτούνται περίπλοκα συστήματα αγκύρωσής τους. Στη Βόρεια και Δυτική Ευρώπη και σε χώρες όπως η Γερμανία, η Ελβετία και η Αυστρία χρησιμοποιούνται ευρέως στοιχεία κάλυψης όψης από ΙΑΜ. Η πρώτη εφαρμογή στοιχείων όψης ΙΑΜ έγινε σε κτίριο επέκτασης του Πολυτεχνείου του Aachen (RWTH Aachen University, Germany). Το κτίριο επέκτασης αποτελείται από 4 ανοίγματα των 5,4 m. Σχήμα 2.5 Εφαρμογή στοιχείων όψεως από ΙΑΜ στο κτίριο επέκτασης του Πολυτεχνείου του Aachen [RWTH Aachen University]. Στο Σχ. 2.5 απεικονίζεται η διατομή του εξωτερικού κελύφους του άνω μέρους της κατασκευής. Ο φωτισμός του κτιρίου ρυθμίζεται μέσω περσίδων που είναι κατασκευασμένες από λεπτότοιχα στοιχεία ΙΑΜ. Για το τμήμα της κατασκευής που έρχεται σε επαφή με το έδαφος χρησιμοποιούνται στοιχεία σάντουιτς, των οποίων η εξωτερική πλευρά αποτελείται από ένα επιφανειακό λεπτότοιχο στοιχείο ΙΑΜ. Για τα στοιχεία τύπου σάντουιτς από ΙΑΜ θα γίνει εκτενέστερη αναφορά στην υποενότητα Στο Σχ. 2.6 που ακολουθεί παρουσιάζονται οι όψεις του κτιρίου καθώς και η τομή του εξωτερικού στοιχείου. Διακρίνονται οι περσίδες από στοιχεία ΙΑΜ για την επιθυμητή ρύθμιση του φωτισμού του χώρου. Τα στοιχεία ΙΑΜ που παρασκευάστηκαν για την κάλυψη των επιφανειών των όψεων του ανωτέρω κτιρίου έχουν διαστάσεις 2685 x 325 x 25 mm 3. Τυπική επιλογή υλικού για την κάλυψη όψεων των κτιρίων μέχρι τότε ήταν η χρήση φυσικών πετρωμάτων. Μια κλασσική επιλογή που όμως κοστίζει αρκετά και που, πολλές φορές, κατασκευαστικοί περιορισμοί δεν επιτρέπουν την χρήση τέτοιων υλικών. Έτσι, τα ΙΑΜ, ως στοιχεία όψης, αποτελούν μια εναλλακτική λύση με χαμηλότερο κόστος και με ιδιαίτερο αρχιτεκτονικό αποτέλεσμα.

62 44 Σχήμα 2.6 Στοιχεία όψης ΙΑΜ: (α) λεπτομέρεια εξωτερικού κελύφους και (β)λεπτομέρεια εξωτερικού κελύφους για το κάτω μέρος του τμήματος της κατασκευής. Σχήμα 2.7 Στοιχεία όψης ΙΑΜ στο κτίριο του Πολυτεχνείου του Aachen [RWTH Aachen University]: (α) όψη, (β) λεπτομέρεια όψης, (γ) τομή. Ως οπλισμός για την ανάληψη των δυνάμεων που ασκούνται στα στοιχεία ΙΑΜ χρησιμοποιήθηκε πλέγμα με διεύθυνση ινών κάθετα και παράλληλα στην διαμήκη διεύθυνση του στοιχείου. Στα άκρα του στοιχείου υπάρχουν οπές, προκειμένου να περάσουν οι πείροι μέσω των οποίων γίνεται η στερέωση στην κατασκευή. Για την αποφυγή ρηγματώσεων γύρω από την περιοχή των οπών, τοποθετήθηκαν επιπλέον στρώσεις πλέγματος οπλισμού. Στο Σχ. 2.6 απεικονίζονται οι λεπτομέρειες όπλισης του στοιχείου και στο Σχ. 2.7 η πειραματική διάταξη για τη διερεύνηση της καμπτικής συμπεριφοράς του στοιχείου.

63 45 Για την παραγωγή των στοιχείων ΙΑΜ του κτιρίου επέκτασης του Πολυτεχνείου του Aachen, χρησιμοποιήθηκε αυτοσυμπυκνούμενο σκυρόδεμα με μέγιστο κόκκο αδρανών τα 2 mm. Με τον τρόπο αυτό επιτεύχθηκε η όσο το δυνατόν καλύτερη διείσδυση της μήτρας στο πλέγμα ινών και παράλληλα η δημιουργία λείων επιφανειών υψηλής αισθητικής. Σχήμα 2.8 Λεπτομέρεια όπλισης στοιχείων όψης ΙΑΜ [RWTH Aachen University]. Σχήμα 2.9 Πειραματική διάταξη για τη διερεύνηση της καμπτικής αντοχής [RWTH Aachen University] Στοιχεία τύπου σάντουιτς από ΙΑΜ Τα στοιχεία σάντουιτς από ΙΑΜ αποτελούν έναν άλλο τύπο στοιχείων για την κάλυψη επιφανειών των κτιρίων. Η σκυροδέτηση των στοιχείων αυτών είναι ανάλογη με τη

64 46 διαδικασία κατασκευής συμβατικά οπλισμένων στοιχείων σκυροδέματος. Στο Σχ απεικονίζεται ένα στοιχείο τύπου σάντουιτς και ο οπλισμός που χρησιμοποιήθηκε. Σχήμα 2.10 Στοιχεία τύπου σάντουιτς από ΙΑΜ: (α) Πλέγμα τριών διαστάσεων, (β) στοιχείο σάντουιτς [ΙΤΑ, ΙΜΒ RWTH Aachen University]. Ο οπλισμός, στην συγκεκριμένη περίπτωση, αποτελείται από πλέγμα υάλου τριών διαστάσεων. Συγκεκριμένα, υπάρχουν στο πλέγμα δύο επίπεδα οπλισμού, τα οποία απέχουν σταθερή απόσταση μεταξύ τους. Η διατήρηση σταθερής απόστασης των δύο επιπέδων επιτυγχάνεται μέσω αποστατήρων. Το στοιχείο σάντουιτς αποτελείται από δύο κελύφη και, ειδικότερα, το ένα κέλυφος είναι το στοιχείο ΙΑΜ και το δεύτερο ένα στοιχείο από σύνηθες σκυρόδεμα. Μεταξύ των δύο κελυφών παρεμβάλλεται στρώση θερμομονωτικού υλικού. Αρχικά παρασκευάζεται το στοιχείο ΙΑΜ. Τοποθετείται το πλέγμα στο καλούπι και διοχετεύεται λεπτόκοκκο σκυρόδεμα υψηλής ρευστότητας ανάμεσα στα δύο επίπεδα οπλισμού. Μετά την σκλήρυνση του σκυροδέματος του στοιχείου ΙΑΜ, ακολουθεί η σκυροδέτηση του κελύφους με το συμβατικό σκυρόδεμα. Τα δύο κελύφη συνδέονται μέσω αγκυρίων που έχουν τοποθετηθεί προηγουμένως στο στοιχείο ΙΑΜ Παραπετάσματα από ΙΑΜ Σε προκατασκευασμένα στοιχεία από συμβατικά οπλισμένο σκυρόδεμα για την κάλυψη επιφανειών (παραπετάσματα) το πάχος φτάνει τα 100 mm λόγω της απαίτησης για προστασία του οπλισμού (χάλυβα) από τη διάβρωση. Αυτό, όμως, οδηγεί σε στοιχεία μεγάλων διαστάσεων με πολλούς περιορισμούς στο σχεδιασμό. Το πανεπιστήμιο της Δρέσδης κατασκεύασε ένα πρότυπο στοιχείο παραπετάσματος με διαστάσεις 1,5x2,5 m 2 και

65 47 πάχος 20 mm, όπως φαίνεται και στο Σχ Ο οπλισμός από χάλυβα αντικαταστάθηκε από πλέγμα ινών υάλου τύπου AR (AR-glass) δύο διαστάσεων. Τα άκρα του στοιχείου κατασκευάσθηκαν με μεγαλύτερη δυσκαμψία, ενώ για την όπλιση των άκρων χρησιμοποιήθηκαν ράβδοι οπλισμού ινών. Με τον τρόπο αυτό μειώθηκε στο ελάχιστο το βάρος του στοιχείου και οι διαστάσεις του. Εικόνα 2.10 Παραπέτασμα από στοιχείο ΙΑΜ [Technical University Dresden]. 2.7 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΞΩΤΕΡΙΚΗΣ ΘΕΡΜΟΜΟΝΩΣΗΣ ΑΠΟ ΙΑΜ Τα στοιχεία αυτού του τύπου είναι μη φέροντα και χρησιμοποιούνται για να περιορίσουν τις θερμικές απώλειες ενός κτιρίου, που προκαλούνται από τη μετάδοση θερμότητας του αέρα ενός εσωτερικού χώρου προς την ατμόσφαιρα ή και αντίστροφα. Πρόκειται ουσιαστικά για ένα σύστημα εξωτερικής θερμομόνωσης του κτιρίου με εφαρμογή σε κτίρια κατοικιών, γραφείων, σχολείων και δημόσιων οργανισμών. Ο σχεδιασμός ενός κτιρίου οφείλει να επιδιώκει την παροχή συνθηκών άνεσης στους ενοίκους ανεξάρτητα από τις επικρατούσες εξωτερικές καιρικές συνθήκες. Λόγω ελλιπούς δε θερμομόνωσης ενός τοίχου είναι συχνή η εμφάνιση φαινομένων επιφανειακής συμπύκνωσης υδρατμών στο εσωτερικό του. Για το λόγο αυτό κρίνεται απαραίτητη η θερμομόνωση ενός κτιρίου.

66 48 Σχήμα 2.11 Τομή συστήματος εξωτερικής θερμομόνωσης από ΙΑΜ. Το σύστημα εξωτερικής θερμομόνωσης από ΙΑΜ αποτελεί μια σχετικά οικονομική λύση σε σύγκριση με τα οφέλη που προσφέρει, καθώς κρίνεται αποδοτικότερη σε σχέση με την παραδοσιακή ενδιάμεση μόνωση και δικέλυφη κατασκευή. Επίσης, με το σύστημα εξωτερικής θερμομόνωσης υπάρχει καλύτερη εκμετάλλευση της θερμοχωρητικότητας της τοιχοποιίας. Προσέτι, τα στοιχεία αυτού του τύπου είναι ελαφροβαρή, ώστε να μην επιβαρύνουν με μόνιμα φορτία την κατασκευή, χαμηλού κόστους και προσφέρουν ικανοποιητική ευελιξία στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό. 2.8 ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ ΚΑΙ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΠΟ ΙΑΜ ΣΕ ΕΡΓΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Δεξαμενές επεξεργασίας υγρών λυμάτων Στις δεξαμενές επεξεργασίας υγρών λυμάτων λαμβάνουν χώρα διάφορες φυσικοχημικές διεργασίες κατά τη διάσπαση των λυμάτων με την παρουσία μικροοργανισμών. Απόρροια αυτού είναι η παραγωγή χημικών στοιχείων και ενώσεων, όπως είναι το θειικό και χλωριούχο άλας, που είναι εξαιρετικά επιβλαβές για τον συμβατικό οπλισμό από χάλυβα, καθώς συμβάλλει στην έντονη διάβρωσή του. Για τον λόγο αυτό, κατά τον σχεδιασμό δεξαμενών επεξεργασίας υγρών λυμάτων επιλέγονται μεγάλα πάχη επικάλυψης. Αυτό όμως έχει σαν συνέπεια τη δημιουργία δεξαμενών με μεγάλο κόστος κατασκευής. Έτσι, η χρήση πλεγμάτων μη μεταλλικών ινών είναι η πιο ενδεδειγμένη λύση, δεδομένου ότι οι ίνες αυτές δεν είναι ευαίσθητες σε φαινόμενα διάβρωσης.

67 49 Σχήμα 2.12 Δεξαμενή επεξεργασίας υγρών λυμάτων από ΙΑΜ: α) Τομή και β) Τελική εικόνα της δεξαμενής [RWTH Aachen University]. Το Πολυτεχνείο του Aachen σε συνεργασία με την γερμανική εταιρία παραγωγής δεξαμενών Mall GmbH παρασκεύασαν μια πρότυπη εφαρμογή δεξαμενής, όπως φαίνεται στο Σχ Το πλέγμα οπλισμού που χρησιμοποιήθηκε (Εικ. 2.11) αποτελείται από δύο στρώσεις ινών άνθρακα (δύο επίπεδα) οπλισμού που απέχουν σταθερή απόσταση μέσω αποστατήρων. Για να εξασφαλιστεί επικάλυψη 5 mm από τους εξωτερικούς μεταλλότυπους έγινε επικόλληση των αποστατήρων σκυροδέματος πάνω στο πλέγμα. Έτσι, το πάχος των τοιχωμάτων της δεξαμενής είναι 40 mm. Εάν η δεξαμενή ιδίων διαστάσεων είχε κατασκευαστεί από συμβατικό οπλισμό χάλυβα, το πάχος των τοιχωμάτων θα ήταν αυξημένο κατά mm. Εικόνα 2.11 Πλέγμα οπλισμού ινών άνθρακα δύο επιπέδων [RWTH Aachen University].

68 Ηχοπετάσματα από ΙΑΜ Τα στοιχεία από ΙΑΜ λόγω του μικρού τους βάρους είναι ευέλικτα στην ανύψωση και τοποθέτησή τους. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ηχοπετάσματα σε κατοικημένες περιοχές πλησίον μεγάλων αυτοκινητοδρόμων. Τα στοιχεία αυτά μπορούν να διακριθούν σε δύο κατηγορίες: Επίπεδα στοιχεία ΙΑΜ που λειτουργούν ως ανακλαστήρες ήχου (Εικ. 2.12). Στοιχεία σάντουιτς που στο εσωτερικό τους έχουν ηχομονωτικό υλικό (Εικ.2.13). Στη δεύτερη κατηγορία, τα στοιχεία σάντουιτς απορροφούν ένα σημαντικό ποσοστό του ήχου και το υπόλοιπο το ανακλούν. Εικόνα 2.12 (αριστερά): Εφαρμογή στοιχείων ΙΑΜ στο σιδηροδρομικό δίκτυο Άμστερνταμ - Παρίσι, (δεξιά) Ηχοπετάσματα - ανακλαστήρες σε οδικό δίκτυο στην Ολλανδία. Εικόνα 2.13 Ηχοπετάσματα ανάκλασης και απορρόφησης κοντά στο αεροδρόμιο του Ντίσελντορφ της Γερμανίας.

69 Προστασία από πλημμυρικά φαινόμενα μέσω στοιχείων από ΙΑΜ Πολλές φορές απαιτούνται αντιπλημμυρικά έργα για την προστασία των παρόχθιων περιοχών ποταμών και χειμάρρων. Οι έντονες βροχοπτώσεις, σε συνδυασμό με μια στενή διατομή στην κοίτη ενός ποταμού, οδηγούν αναπόφευκτα στην αύξηση της πλημμυρικής επικινδυνότητας (άνοδος στάθμης υδάτων) των παραπάνω περιοχών. Για το λόγο αυτό, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στοιχεία ΙΑΜ κατάλληλης γεωμετρίας κατά μήκος της όχθης. Ένα έργο αντιπλημμυρικής προστασίας απεικονίζεται στην Εικ Εικόνα 2.14 Στοιχεία ΙΑΜ για προστασία όχθης στην Ολλανδία Χρήση στοιχείων ΙΑΜ για την προστασία κατασκευών από υπόγεια ύδατα Κατά τη χειμερινή περίοδο που οι βροχοπτώσεις είναι συχνές και έντονες παρατηρείται το φαινόμενο της ανόδου της στάθμης του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα. Το φαινόμενο είναι πιο έντονο σε περιοχές της βορείου Ευρώπης, όπως η Γερμανία. Η άνοδος της στάθμης των υπόγειων υδάτων έχει ως συνέπεια την εισχώρηση υγρασίας στις κατασκευές και ιδίως στις παλαιές. Η υγρασία δημιουργεί προβλήματα που σχετίζονται τόσο με την αισθητική όσο και με τις συνθήκες υγιεινής. Το πρόβλημα είναι πιο έντονο σε κατασκευές φέρουσας τοιχοποιίας, καθώς αυτές δεν είναι ικανές να παραλάβουν τις υδροστατικές πιέσεις. Το Πολυτεχνείο του Aachen σε συνεργασία με κατασκευαστικές εταιρίες μελέτησε την εφαρμογή στοιχείων ΙΑΜ για τη στεγανοποίηση και ενίσχυση υπόγειων παλαιών κατασκευών. Οι υπόγειοι αυτοί χώροι, συνήθως, απαρτίζονται από μία πλάκα οπλισμένου

70 52 σκυροδέματος και φέρουσα τοιχοποιία. Η εφαρμογή που προτείνει το Πολυτεχνείο του Aachen περιλαμβάνει λεπτότοιχα στοιχεία ΙΑΜ με πάχος περίπου στα 20 mm. Το καλά διαβαθμισμένο σκυρόδεμα του στοιχείου του ΙΑΜ παρουσιάζει μικρή διαπερατότητα και πορώδες με επακόλουθο την είσοδο μικρότερων ποσοτήτων υδάτων. Ο δε οπλισμός από πλέγματα ινών ενισχύει στατικά τον τοίχο. Έτσι η χρήση αυτών των στοιχείων ΙΑΜ έχει διττό σκοπό. Στο κάτωθι Σχ παρουσιάζονται οι λεπτομέρειες όπλισης. Σχήμα 2.13 Υδατοστεγάνωση και ενίσχυση φέρουσας τοιχοποιίας υπογείου [Brockmann et al. 2006]. 2.9 ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ ΚΑΙ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΙΑΜ ΓΙΑ ΠΑΡΑΛΑΒΗ ΦΟΡΤΙΩΝ Παραμένοντες τσιμεντότυποι για την κατασκευή δομικών στοιχείων σκυροδέματος Η κατασκευή δομικών στοιχείων σκυροδέματος επί τόπου στο εργοτάξιο γίνεται με την εντύπιση του σκυροδέματος σε μεταλλικούς ή ξύλινους τύπους. Η χρήση ξυλοτύπων απαιτεί σημαντικό αριθμό εργατικού προσωπικού, αυξάνοντας έτσι το κόστος, ενώ δεν ενδείκνυται για τη δημιουργία καμπύλων επιφανειών. Οι μεταλλότυποι εφαρμόζονται κυρίως στο τυποποιημένο σύστημα δόμησης, ωστόσο το βάρος και το κόστος τους αποτελούν αποτρεπτικό παράγοντα για τη χρήση τους.

71 53 Σχήμα 2.14 Τομή, κάτοψη και τελική μορφή παραμένοντων τσιμεντότυπων για την κατασκευή δομικών στοιχείων σκυροδέματος [Brameshuber et al. 2003]. Το Πολυτεχνείο του Aachen σε συνεργασία με το Πολυτεχνείο της Στουτγκάρδης παρασκεύασαν στοιχεία ΙΑΜ που λειτουργούν ως τύποι και μπορούν να παραλάβουν φορτία αναπτυσσόμενα κατά τη σκυροδέτηση. Στο Σχ απεικονίζεται ένα στοιχείο ΙΑΜ που χρησιμοποιείται ως τύπος για πλάκες οπλισμένου σκυροδέματος (παραμένων τσιμεντότυπος) Εξώστες Η επέκταση των εξωστών σε παλιά κτίρια γίνεται με τη χρήση ελαφρών μεταλλικών κατασκευών. Το αποτέλεσμα από αισθητικής άποψης δεν είναι πάντα αποδεκτό. Το Πολυτεχνείο της Δρέσδης σε συνεργασία με το ερευνητικό ίδρυμα Τσέμιτζ πρότεινε την αντικατάσταση της μεταλλικής κατασκευής με μια απλή κατασκευή από ΙΑΜ. Το στοιχείο ΙΑΜ που παρασκευάστηκε έχει διαστάσεις 2,75 x 1,60 m 2 και πάχος πλάκας 20 mm. Για τον οπλισμό του στοιχείου ΙΑΜ χρησιμοποιήθηκε πλέγμα ινών υάλου δύο διευθύνσεων, ανθεκτικού σε αλκαλικό περιβάλλον. Τα άκρα του στοιχείου, ύψους 70mm, έχουν ενισχυμένη δυσκαμψία και οπλίζονται με ράβδους ινών υάλου.

72 54 Σχήμα 2.15 Εξώστης από ΙΑΜ α) Διατομή εξώστη ΙΑΜ και β) Ινόπλεγμα με ράβδους οπλισμού Πλαίσιο από προκατασκευασμένα στοιχεία ΙΑΜ ρομβοειδούς διατομής Από το Πολυτεχνείο του Aachen προτάθηκε μια καινοτόμα εφαρμογή στοιχείων ΙΑΜ, της οποίας η διαφορά από τις αντίστοιχες εφαρμογές έγκειται στο έντονο ενδιαφέρον από αρχιτεκτονικής πλευράς που αυτή παρουσιάζει. Πρόκειται για στοιχεία ρομβοειδούς διατομής με εξωτερικές διαστάσεις 1000 x 600 mm 2, ενώ το ύψος και το πάχος τους είναι ίσο με 160 mm και 25 mm αντίστοιχα. Τα στοιχεία αυτά συνδέονται μέσω πείρων με μια απλή διαδικασία και με κλίση 5 ο το ένα ως προς το άλλο, ώστε το τελικό αποτέλεσμα να έχει την προβλεπόμενη καμπυλότητα. Έτσι προκύπτει μια αρχιτεκτονική σύνθεση, η οποία είχε χρησιμοποιηθεί και παλιότερα το 1950 μέχρι το 1960 σε βιομηχανικές κατασκευές αλλά ως προκατασκευασμένο στοιχείο οπλισμένου σκυροδέματος. Σχήμα 2.16 α) Ρομβοειδές δομικό στοιχείο ΙΑΜ, β) Ένωση δομικών στοιχείων μεταξύ τους [bauko2, RWTH Aachen, Germany].

73 55 Εικόνα 2.15 α) και β) Τελική μορφή κελύφους στο χώρο [bauko2, RWTH Aachen, Germany]. Η κατασκευή καταπονείται από πλευρικές πιέσεις και η στατική λειτουργία της είναι όμοια με αυτή ενός δικτυώματος. Σε περίπτωση ανεμοπίεσης καταπονείται και λόγω ροπών κάμψης κατά μήκος των μεγάλων πλευρών Σύστημα πλευρικής κάλυψης και στέγασης με δομικά στοιχεία από ΙΑΜ Στο Πολυτεχνείο του Aachen παρασκευάστηκε ένα κτίριο, όπου τα δομικά του στοιχεία είναι παρασκευασμένα από ΙΑΜ. Ειδικότερα, τα τοιχώματα του κτιρίου και η πλάκα του δώματος έχουν τη μορφή στοιχείων σάντουιτς. Υπάρχουν δύο κελύφη επιφανειακών στοιχείων ΙΑΜ πάχους 30 mm και ανάμεσα στα δύο κελύφη τοποθετείται αφρώδες συμπαγές υλικό. Ως οπλισμός σε κάθε στοιχείο ΙΑΜ τοποθετήθηκαν πέντε στρώσεις πλέγματος ινών υάλου τύπου AR (AR-glass) δύο διευθύνσεων. Σχήμα 2.17 Ολοκληρωμένο σύστημα δόμησης με δομικά στοιχεία ΙΑΜ, μορφής σάντουιτς [bauko2, RWTH Aachen, Germany].

74 Γέφυρα κατασκευασμένη από στοιχεία ΙΑΜ Στο Πολυτεχνείο της Δρέσδης κατασκευάστηκε μια πεζογέφυρα με χρήση στοιχείων ΙΑΜ. Το άνοιγμα της γέφυρας είναι 9 m και αποτελείται από 10 προκατασκευασμένα τμήματα, μήκους 0,90 m. Το κατάστρωμα έχει πάχος 30 mm και στα σημεία όπου ενώνονται τα προκατασκευασμένα στοιχεία το πάχος αυξάνεται στα 40 mm. Το βάρος του κάθε τμήματος είναι 500 kg. Ως οπλισμός χρησιμοποιήθηκε πλέγμα ινών. Εάν είχε κατασκευαστεί με το συμβατικό τρόπο οπλισμού και δόμησης, το βάρος του θα ήταν τέσσερις με πέντε φορές μεγαλύτερο. Στα άκρα της κατασκευής ανοίχθηκαν τρύπες από τις οποίες διέρχονται τένοντες προέντασης χάλυβα για την ένωση των τμημάτων. Στην Εικ.2.16 που ακολουθεί απεικονίζεται η διάταξη για την πειραματική διερεύνηση της κατασκευής. Εικόνα 2.16 α) Διάταξη πειραματικής διερεύνησης, β) Τελική μορφή γέφυρας [Technical University Dresden] Αγωγοί από στοιχεία ΙΑΜ Στο Πολυτεχνείο της Δρέσδης ακόμη παρασκευάστηκαν για πειραματική διερεύνηση σωλήνες από ΙΑΜ. Συγκεκριμένα, στο εσωτερικό του αγωγού που παρασκευάστηκε υπάρχει λεπτός σωλήνας από PVC, που διευκολύνει την ομαλή και χωρίς τριβές ροή των υγρών. Έτσι οι ενισχυμένες αυτές σωληνώσεις με στοιχεία ΙΑΜ συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα των σωληνώσεων από πολυμερή με τις υψηλές αντοχές των στρώσεων από στοιχεία ινοπλεγμάτων επικαλυμμένων με λεπτόκοκκο τσιμεντοκονίαμα. Τα στοιχεία αυτά περιβάλλονται με πλέγματα ινών υάλου τύπου AR (AR-glass). Η πειραματική διερεύνηση

75 57 έδειξε ότι η αντοχή του σωλήνα σε εσωτερικές πιέσεις και σε εξωτερικά φορτία είναι ικανοποιητική. Εικόνα 2.17 α) Τομή αγωγού από ΙΑΜ (διακρίνεται στο εσωτερικό ο λεπτός σωλήνας PVC), β) Πειραματική διερεύνηση αντοχής σε εσωτερική πίεση [Technical University Dresden] ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΜΕ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΙΑΜ Γενικά Τα ινοπλέγματα ινών σε ανόργανη μήτρα αποτελούν μια καινοτόμα λύση ενίσχυσης μεμονωμένων στοιχείων ή ακόμη και του συνόλου της κατασκευής. Στις παραγράφους που ακολουθούν παρουσιάζεται η πειραματική διερεύνηση και εφαρμογή των ΙΑΜ στην ενίσχυση κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα και φέρουσα τοιχοποιία σε ελληνικό και διεθνές επίπεδο. Όσον αφορά την Ελλάδα, η τεχνική ενίσχυσης με ΙΑΜ αναπτύσσεται και μελετάται συστηματικά τα τελευταία χρόνια από το Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του Πανεπιστημίου Πατρών υπό την επιστημονική επίβλεψη του κου Καθηγητή, Τριανταφύλλου Αθανάσιου, και της κας Επίκουρης Καθηγήτριας, Παπανικολάου Αικατερίνης Ενίσχυση κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος με ΙΑΜ Σε μία χώρα όπως η Ελλάδα το μεγαλύτερο ποσοστό βλαβών και, επομένως απαιτήσεων για ενίσχυση, σε μια κατασκευή οπλισμένου σκυροδέματος οφείλεται στους σεισμούς. Επίσης, η προσεισμική ενίσχυση, η γήρανση και φθορά της κατασκευής (π.χ. λόγω

76 58 διάβρωσης του οπλισμού) και η ανάγκη για αλλαγή χρήσης ενός κτιρίου οδηγούν ολοένα και περισσότερο στην αναζήτηση νέων υλικών και τεχνικών επεμβάσεων. Οι νέες προτάσεις για την ενίσχυση κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος θα πρέπει να εξασφαλίζουν αποτελεσματικότητα, ταχύτητα και ευκολία στην εφαρμογή, διατήρηση της γεωμετρίας των δομικών στοιχείων, καθώς επίσης και διατήρηση του κόστους σε χαμηλά επίπεδα. Τα τελευταία 20 και πλέον έτη αναπτύχθηκε προς την κατεύθυνση αυτή η τεχνική επεμβάσεων με Ινοπλισμένα Πολυμερή (ΙΟΠ) η οποία αξιοποιεί πλεονεκτήματα των υλικών αυτών, όπως είναι η εξαιρετικά υψηλή εφελκυστική αντοχή, η ανθεκτικότητα στο χρόνο, το χαμηλό βάρος και ικανοποιητική παραμορφωσιμότητα. Παρ όλα τα πλεονεκτήματά της, η τεχνική των ινοπλισμένων πολυμερών έχει ορισμένες αδυναμίες που ουσιαστικά οφείλονται στη χρήση ρητινών (κυρίως εποξειδικών). Οι ρητίνες παρουσιάζουν απώλεια της αντοχής σε θερμοκρασίες ανώτερες αυτής της υαλώδους μετάπτωσης, σχετικά υψηλό κόστος, ενώ δεν ενδείκνυται η εφαρμογή τους σε υγρές επιφάνειες (εκτός αν γίνει χρήση ρητινών ειδικού τύπου). Ακόμη, περιορίζεται η ικανότητα "αναπνοής" των δομικών στοιχείων, ενώ σημειωτέον είναι ότι υπάρχει ασυμβατότητα των ρητινών με τα υλικά των ιστορικών κατασκευών και δυσκολία διαξαγωγής μη καταστροφικής αποτίμησης πιθανών βλαβών "πίσω" από μανδύες ΙΟΠ. Μια εναλλακτική προσέγγιση για την επίλυση των παραπάνω αδυναμιών, η οποία αναπτύσσεται και μελετάται συστηματικά από το Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του Πανεπιστημίου Πατρών, είναι αυτή της αντικατάστασης των "συμβατικών" υφασμάτων συνεχών ινών μίας διεύθυνσης με υφάσματα ινών σε μορφή πλέγματος (textile) με βροχίδες και εφαρμογή λεπτόκοκκου υλικού ανόργανης σύστασης ως μήτρα. Τα πλέγματα αυτά μπορούν να κατασκευάζονται από δέσμες ινών ανά αποστάσεις σε δύο ή περισσότερες διευθύνσεις, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η καλή συνεργασία ινών - μητρικού υλικού (δηλαδή του κονιάματος). Στη διεθνή βιβλιογραφία χρησιμοποιείται ο όρος Textile Reinforced Concrete (TRM), ενώ η απόδοση στα ελληνικά είναι Ινοπλέγματα Ανόργανης Μήτρας (ΙΑΜ) Ενίσχυση έναντι κάμψης Ο Wiberg (1999) στα πλαίσια της διδακτορικής του διατριβής διερεύνησε πειραματικά δοκούς ενισχυμένες με ίνες άνθρακα σε ανόργανη μήτρα. Ο Wiberg επικεντρώθηκε πρωτίστως στην ανομοιογένεια του δεσμού ανόργανης μήτρας - ινών άνθρακα και στην

77 59 επακόλουθη μείωση της αποδοτικότητας των πλεγμάτων. Μέσω πειραματικής διερεύνησης δοκών μικρής και μεγάλης κλίμακας, πρότεινε συντελεστές αποτελεσματικότητας του δεσμού. Σύμφωνα με τον Wiberg, η μείωση της αποτελεσματικότητας οφείλεται και στην πρόσθετη καμπυλότητα που είναι δυνατόν να υπάρξει στο πλέγμα εξαιτίας της πλέξης του ή και τις μεθόδους εφαρμογής του. Επίσης, η μείωση οφείλεται και στη διεύθυνση των ινών στο στοιχείο. Αν η διεύθυνση των ινών δεν είναι παράλληλη με τη διεύθυνση των κυρίων τάσεων, η αποτελεσματικότητα τους μειώνεται σημαντικά. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι συντελεστές αποδοτικότητας που εξήχθησαν από την πειραματική διερεύνηση του Wiberg. Ειδικότερα, παρουσιάζονται οι δοκοί που ενισχύθηκαν από μια έως πέντε στρώσεις πλέγματος ινών άνθρακα. Επίσης παρουσιάζεται ο συντελεστής αποδοτικότητας στην περίπτωση που το ύφασμα είναι προεμποτισμένο με εποξειδική ρητίνη. Ο συντελεστής αποδοτικότητας προέκυψε από το λόγο της εφελκυστικής δύναμης του πειράματος προς το γινόμενο του εμβαδού των ινών A f επί την εφελκυστική αντοχή των ινών f fu. Πίνακας 2.3 Συντελεστές αποδοτικότητας πλεγμάτων σύμφωνα με τον Wiberg. Αριθμός Επιφανειακή μάζα Προεμποτισμένο ή Af n στρώσεων πλέγματος (gr/m2) Μη (mm 2 ) Μη Μη Μη Μη προεμποτισμένο Μη προεμποτισμένο Όπως αναμενόταν, ο συντελεστής αποδοτικότητας για τα προεμποτισμένα υφάσματα με εποξειδική ρητίνη είναι πολύ μεγαλύτερος. Οι Triantafillou et al. (2006) διερεύνησαν πειραματικά την χρήση μανδυών ΙΑΜ ως μέσο ενίσχυσης στοιχείων τύπου δοκού έναντι κάμψης. Η διερεύνηση έγινε μέσω δοκιμών μονοτονικής κάμψης τεσσάρων σημείων επί τριών αμφιέρειστων δοκών οπλισμένου σκυροδέματος ορθογωνικής διατομής 150 x 250 mm και συνολικού μήκους 2.30 m. Τα στοιχεία ήταν σκοπίμως υπερδιαστασιολογημένα έναντι τέμνουσας και

78 60 υποδιαστασιολογημένα έναντι κάμψης, ώστε η αστοχία πριν την ενίσχυση να είναι καμπτικού τύπου. Η πρώτη δοκός ήταν δοκός αναφοράς, η δεύτερη ήταν ενισχυμένη με τέσσερις στρώσεις πλέγματος ινών σε ανόργανη μήτρα και η τρίτη είχε τον ίδιο οπλισμό ενίσχυσης, αλλά η μήτρα του συστήματος ήταν οργανική. Από την πειραματική διερεύνηση των παραπάνω δοκιμίων προέκυψαν ορισμένα συμπεράσματα, τα οποία συνοψίζονται ως εξής: Η αστοχία στην δοκό με οργανική μήτρα προήλθε από θραύση των ινών του σύνθετου υλικού, ενώ η αστοχία της δοκού με την ανόργανη μήτρα προήλθε από τη διαστρωματική απόσχιση του πλέγματος ινών από τη μήτρα στο άκρο του στοιχείου. Το δοκίμιο με την ανόργανη μήτρα είχε μικρότερο φορτίο διαρροής, μεγαλύτερη παραμορφωσιμότητα κατά την αστοχία και μικρότερη δυσκαμψία μετά τη διαρροή. Συγκριτικά με τη δοκό με την οργανική μήτρα το σύστημα με την ανόργανη μήτρα είχε 30% μικρότερη αποτελεσματικότητα σε όρους δύναμης και 30% καλύτερη αποτελεσματικότητα σε όρους παραμόρφωσης Αύξηση πλαστιμότητας σε υποστυλώματα Διερευνήθηκε πειραματικά η δυνατότητα αύξησης της πλαστιμότητας υποστυλωμάτων μη σχεδιασμένων με τους σύγχρονους αντισεισμικούς κανονισμούς. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν πειραματικές δοκιμές ανακυκλιζόμενης φόρτισης σε τρία στοιχεία τύπου προβόλου και εξετάστηκε η δυνατότητα χρήσης μανδυών ΙΑΜ, ως μέσο περίσφιξης στις κρίσιμες περιοχές (πόδας και κεφαλή) υποστυλωμάτων μη σεισμικά σχεδιασμένων και σύγκριση με μανδύες ινοπλισμένα πολυμερή (ΙΟΠ). Οι δυο μανδύες (ΙΑΜ και ΙΟΠ) αποτελούνταν από ίνες άνθρακα ίδιου τύπου και είχαν ίση δυστένεια. Η γεωμετρία της διατομής καθώς και η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε απεικονίζονται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 2.18 (α) Πειραματική διάταξη δοκιμών, (β) Διατομή [Triantafillou et al. 2006].

79 61 Από τη συγκεκριμένη πειραματική διερεύνηση συμπεραίνουμε ότι η αποτελεσματικότητα του μανδύα ινοπλεγμάτων σε ανόργανη μήτρα ως προς την καθυστέρηση των δυσμενών συνεπειών του λυγισμού των ράβδων ήταν τουλάχιστον ίση, αν όχι μεγαλύτερη, από αυτήν του μανδύα ινοπλισμένων πολυμερών ίσης δυστένειας Ενίσχυση έναντι τέμνουσας Διερευνήθηκε η χρήση μανδυών ΙΑΜ ως μέσο ενίσχυσης κρίσιμων έναντι τέμνουσας περιοχών σε στοιχεία οπλισμένου σκυροδέματος. Η διερεύνηση έγινε μέσω δοκιμών μονοτονικής και ανακυκλιζόμενης κάμψης τεσσάρων σημείων επί έξι αμφιερείστων στοιχείων ορθογωνικής διατομής 150 x 300 mm και συνολικού μήκους 2.60 m. Τα στοιχεία ήταν σκοπίμως υπερδιαστασιολογημένα έναντι κάμψης και υποδιαστασιολογημένα έναντι τέμνουσας, ώστε η αστοχία πριν την ενίσχυση να οφείλεται σε διάτμηση. \ Σχήμα 2.19 (α),(β) Γεωμετρία δοκιμίων, (γ) Ελικοειδής διάταξη λωρίδων μανδύα ενίσχυσης στο μήκος διάτμησης [Triantafillou et al. 2006]. Το βασικό συμπέρασμα που προέκυψε από τα πειραματικά αποτελέσματα είναι ότι οι μανδύες ινοπλεγμάτων σε ανόργανη μήτρα αποτελούν μία εξαιρετικά ενδιαφέρουσα πρόταση διατμητικής ενίσχυσης στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος, με αποτελεσματικότητα ενδεχομένως μικρότερη σε σχέση με τους μανδύες ινοπλισμένων πολυμερών, κάτι όμως που μπορεί να αντισταθμιστεί μέσω της κατάλληλης επιλογής του αριθμού των στρώσεων.

80 Ενίσχυση πλάκας οπλισμένου σκυροδέματος Στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του Πανεπιστημίου Πατρών διερευνήθηκε πειραματικά μια νέα τεχνική καμπτικής ενίσχυσης πλακών δυο διευθύνσεων από οπλισμένο σκυρόδεμα [Papanicolaou et al. 2009]. Κατασκευάστηκαν τέσσερα δοκίμια τύπου πλάκας επί τεσσάρων περιμετρικών δοκών (μονολιθική σκυροδέτηση πλάκας - δοκών). Οι πλάκες σε κάτοψη ήταν διαστάσεων 2000 x 2000 mm. Οι δοκοί είχαν διαστάσεις διατομής 300 x 150 mm (ύψος x πλάτος). Το πάχος της πλάκας ήταν 120 mm και η απόσταση μεταξύ των εσωτερικών παρειών των πλακών ήταν 1700 mm. Οι δοκοί είχαν υπερδιαστασιολογηθεί έναντι κάμψης και διάτμησης, έτσι ώστε η αστοχία των δοκιμίων να μην προκληθεί από αστοχία των περιμετρικών στοιχείων έδρασης. Στο Σχ απεικονίζεται η γεωμετρία των δοκιμίων. Τρία δοκίμια ενισχύθηκαν με επικολλητά ΙΑΜ (ανοιχτοί μανδύες) και το τέταρτο δοκίμιο αποτέλεσε το δοκίμιο ελέγχου (χωρίς ενίσχυση). Η πρώτη πλάκα ενισχύθηκε με μια στρώση πλέγματος ινών άνθρακα, η δεύτερη με δύο στρώσεις και η τρίτη με τρεις στρώσεις πλέγματος ινών υάλου. Σχήμα 2.20 (α) Γεωμετρία και (β) λεπτομέρειες οπλισμού δοκιμίων [Papanicolaou et al. 2009]. Μετά το πέρας των πειραματικών δοκιμών και την ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων, διαπιστώθηκε αύξηση της φέρουσας ικανότητας των πλακών κατά 26%, 53% και 20% αντίστοιχα (σύμφωνα με τη σειρά των δοκιμίων, όπως αναφέρεται ως άνω) σε σύγκριση με την πλάκα ελέγχου και αύξηση δυσκαμψίας και της ικανότητας απορρόφησης ενέργειας Ενίσχυση κατασκευών φέρουσας τοιχοποιίας με ΙΑΜ Τα κτίρια από φέρουσα τοιχοποιία χαρακτηρίζονται από αυξημένης σεισμική τρωτότητα. Είναι, επομένως, αναγκαία η άμεση αποκατάσταση αυτών των κτιρίων με

81 63 τεχνικές που να συνδυάζουν την αποτελεσματικότητα, την οικονομία και τη φιλικότητα προς το περιβάλλον. Η εφαρμογή ινοπλεγμάτων σε ανόργανη μήτρα για την ενίσχυση φέρουσας τοιχοποιίας μελετάται για πρώτη φορά στις πειραματικές εργασίες των Papanicolaou et al. (2006α,β). Στα πλαίσια αυτής της πειραματικής διερεύνησης έγινε χρήση μανδυών από ΙΑΜ, αλλά και σύγκριση αυτών με ισοδύναμους μανδύες ΙΟΠ. Όπως έχει αναφερθεί και προηγούμενα, οι μανδύες ΙΟΠ παρουσιάζουν αδυναμίες, οι οποίες έχουν να κάνουν με τη χρήση εποξειδικών ρητινών. Πιο συγκεκριμένα, το πειραματικό πρόγραμμα περιελάμβανε δοκιμές επί 41 δρομικών τοιχίσκων οπτοπλινθοδομής, η πλειονότητα των οποίων ενισχύθηκε με αμφίπλευρους μανδύες ΙΑΜ. Τα δοκίμια ελέγχθησαν υπό συνθήκες ανακυκλιζόμενης φόρτισης σε εντός επιπέδου κάμψη με παράλληλη επιβολή αξονικού φορτίου, εκτός επιπέδου κάμψη και εντός επιπέδου διάτμηση με ή χωρίς αξονικό φορτίο. Εκ των πειραματικών αποτελεσμάτων, φαίνεται πως οι μανδύες ΙΑΜ παρέχουν μεγάλη αύξηση στην αντοχή και την παραμορφωσιμότητα των τοιχίσκων. Μάλιστα, στην εκτός επιπέδου φόρτιση, η ενίσχυση με μανδύες ΙΑΜ ήταν περισσότερο αποδοτική σε σύγκριση με τους μανδύες ΙΟΠ ίσης δυστένειας. Σχήμα 2.21 (α) Εφαρμογή ινοπλεγμάτων σε κονίαμα, (β) πειραματική διάταξη [Papanicolaou et al. 2007] ΠΡΟΤΥΠΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΓΚΥΡΩΣΗΣ ΜΑΝΔΥΑ ΑΠΟ ΙΑΜ Η πρόωρη αποκόλληση (debonding) είναι το μεγαλύτερο πρόβλημα που αντιμετωπίζουν οι ενισχύσεις με σύνθετα υλικά είτε οργανικής είτε ανόργανης μήτρας. To

82 64 φαινόμενο αυτό μειώνει την αποδοτικότητα των ανοικτών ενισχύσεων. Προς την κατεύθυνση αυτή οι ερευνητές στράφηκαν προς την αναζήτηση τεχνικών αγκύρωσης των άκρων του μανδύα, με στόχο την αύξηση της αποδοτικότητας της ενίσχυσης σε διάτμηση στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος. Παρουσιάζονται στις επόμενες παραγράφους δύο τεχνικές αγκύρωσης των άκρων του μανδύα, που εφαρμόστηκαν στην απόληξη μανδυών ινοπλισμένων πολυμερών, οι οποίες μοιάζουν με τις τεχνικές αγκύρωσης που εφαρμόστηκαν και στην παρούσα διατριβή. Στο 3 διεθνές συνέδριο FRPRCS που πραγματοποιήθηκε στο Sapporo της Ιαπωνίας το 1997 οι Sato et al παρουσίασαν τα αποτελέσματα από πειράματα κάμψης τεσσάρων σημείων αμφιερείστων τριών δοκών διατομής Τ, οι οποίες ήταν υπεροπλισμένες σε κάμψη, ενώ σε διάτμηση ήταν οπλισμένες με συνδετήρες Φ6/100 στις περιοχές των δύο διατμητικών ανοιγμάτων. Όλες οι δοκοί Τ είχαν ύψος 300 mm, πάχος πλάκας 100mm, πλάτος κορμού 150 mm, πλάτος πλάκας 400 mm και α/d=2), ενώ διέφεραν μεταξύ τους στα εξής: Η πρώτη δοκός ήταν το δοκίμιο αναφοράς και δεν είχε καμμία εξωτερική ενίσχυση, η δεύτερη δοκός ήταν ενισχυμένη στις δύο περιοχές των διατμητικών ανοιγμάτων με μανδύα FRP μορφής U μίας στρώσης άνθρακας και, τέλος, η τρίτη δοκός είχε την ίδια εξωτερική ενίσχυση με τη δεύτερη, με τη διαφορά της πρόσθετης αγκύρωσης του μανδύα U στα άκρα του με μηχανικό τρόπο. Η διάταξη αγκύρωσης (Σχ. 2.22) περιλαμβάνει ένα χαλύβδινο έλασμα που τοποθετείται στην απόληξη του μανδύα και αγκυρώνεται στη μάζα του σκυροδέματος με μηχανικά αγκύρια (κοχλίες). Από τις πειραματικές δοκιμές προέκυψαν τα εξής αποτελέσματα: Για τη δεύτερη ενισχυμένη δοκό προέκυψε αύξηση της ικανότητας ανάληψης τέμνουσας δύναμης κατά 12.1% σε σχέση με τη δοκό αναφοράς, ενώ για την τρίτη με την πρόσθετη αγκύρωση των άκρων η αύξηση έφτασε το 32.7% αντίστοιχα. Ωστόσο, το πιο σημαντικό εξαγόμενο συμπέρασμα ήταν πως η αντοχή του μανδύα που αντιστοιχεί σε αποκόλληση είναι αυξημένη στην περίπτωση εφαρμογής της προτεινόμενης μηχανικής αγκύρωσης. Αυτό δικαιολογείται σύμφωνα με τους ερευνητές από την μεταφορά διατμητικών τάσεων όχι μόνο μέσω διεπιφάνειας σκυροδέματος και ρητίνης, αλλά και μέσω της διεπιφάνειας της ρητίνης και πλάκας αγκύρωσης (Σχ. 2.22).

83 65 (α) (β) Σχήμα 2.22 (α) Σχηματική απεικόνιση της διάταξης μηχανικής αγκύρωσης του μανδύα ΙΟΠ (β) Διατμητικές τάσεις στις διεπιφάνειες κοχλίων-υφάσματος και υφάσματος- σκυροδέματος. Οι Sato et al παρουσίασαν ακόμα μια εργασία στο συνέδριο FRPRCS με θέμα τη διατμητική ενίσχυση δοκών οπλισμένου σκυροδέματος, με εξωτερικώς επικολλώμενα FRP, εμβαθύνοντας στην αντιμετώπιση του προβλήματος της αγκύρωσης των άκρων του μανδύα τύπου U. Το πειραματικό τους πρόγραμμα περιελάμβανε 12 δοκίμια δοκών οπλισμένου σκυροδέματος διατομής Τ (ύψος 500 mm, πάχος πλάκας 100mm, πλάτος κορμού 350 mm, πλάτος πλάκας 800 mm), τα οποία υποβλήθηκαν είτε σε μονοτονική φόρτιση με διάταξη τριών σημείων, είτε σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση με διάταξη κάμψης τεσσάρων σημείων αλλά με επιβολή μετακινήσεων αντίθετης φοράς, ώστε να είναι δυνατή η ανάπτυξη διπλής καμπυλότητας (για προσομοίωση σεισμικής δράσης, δηλαδή δύο επιβαλλόμενων ίδιας φοράς ροπών στα άκρα της δοκού). Οι προτεινόμενες αυτή τη φορά διατάξεις αγκύρωσης ήταν τέσσερις (Σχ. 2.23). Η διάταξη με αριθμό 4 (σύμφωνα με το Σχήμα 2.23) εντάσσεται στην κατηγορία των «κλειστών ενισχύσεων», καθώς τα μεταλλικά αγκύρια διαπερνούν την πλάκα και συνδέουν το μεταλλικό έλασμα στην κάτω πλευρά της πλάκας με τη μεταλλική πλάκα στο άνω μέρος της πλάκας. Η δυσκολία στην εφαρμογή της διάταξης αυτής έγκειται στο γεγονός της ταυτόχρονης εργασίας σε δύο ορόφους. Οι διατάξεις με αριθμό 3 και 2 ανήκουν στις «ημικλειστές» ενισχύσεις, καθώς, ενώ δεν εξασφαλίζεται η περιμετρική συνέχεια της ενίσχυσης, οι συνθήκες που επικρατούν στις απολήξεις του μανδύα, δεν αντιστοιχούν σε αυτές των ελευθέρων άκρων. Η διαφορά μεταξύ της διάταξης 3 και 2 εντοπίζεται μόνο στο βάθος έμπηξης των αγκυρίων στον κορμό. Τέλος, η διάταξη 1 χαρακτηρίζεται από την

84 66 κατανεμημένη καθ ύψος ύπαρξη καρφιών, που μέσω λεπτής μεταλλικής πλάκας «δένουν» το μανδύα στην επιφάνεια του σκυροδέματος. Σχήμα 2.23 Τέσσερις μέθοδοι μηχανικής αγκύρωσης του μανδύα ΙΟΠ, με χρήση κοχλιών, ελασμάτων ή και ήλων. Τα πειραματικά αποτελέσματα που από τις σειρές δοκιμών συνοψίζονται ως εξής: Στη σειρά δοκιμίων αντισυμμετρικής κάμψης τεσσάρων σημείων, μονοτονικής φόρτισης, όπου εξετάσθηκε η συμπεριφορά των διατάξεων 1, 2 και 3, παρατηρήθηκε πως η αποδοτικότητα των διατάξεων 1 και 2 ήταν περίπου ίση, οδηγώντας σε αύξηση φορτίου κατά 15%, ενώ η διάταξη 3 οδήγησε σε αύξηση φορτίου κατά 33%. Στα δοκίμια με την διάταξη 1 ή 2, το ύφασμα αποκολλήθηκε από τα αγκύρια ή τα καρφιά εξολκεύθηκαν από τη μάζα του σκυροδέματος, ενώ στο δοκίμιο με τη διάταξη 3, παρά την ρηγμάτωση του σκυροδέματος στις περιοχές περιμετρικά των αγκυρίων, δεν παρατηρήθηκε αποκόλληση του υφάσματος ή εξέλευση των αγκυρίων. Στην τελευταία σειρά δοκιμών αντισυμμετρικής κάμψης τεσσάρων σημείων, ανακυκλιζόμενης φόρτισης, η διάταξη 1 οδήγησε σε αύξηση φορτίου κατά 23%, ποσοστό ίδιο με αυτό στο οποίο οδήγησε και η διάταξη 3. Τέλος, το αντίστοιχο ποσοστό αύξησης για την διάταξη 4, ήταν 44.7%. Εξαιτίας του μεγαλύτερου ανοίγματος στην πειραματική διάταξη της τελευταίας σειράς δοκιμίων, σε όλα τα δοκίμια που ήταν ενισχυμένα, σημειώθηκε καμπτική διαρροή. Στη σειρά δοκιμών κάμψης τριών σημείων μονοτονικής φόρτισης, η διάταξη 4 οδήγησε σε αύξηση φορτίου κατά 119% (σε σύγκριση με το δοκίμιο αναφοράς-χωρίς ενίσχυση), ενώ η διάταξη 3 σε αύξηση κατά 99%. Θέτοντας ως βάση σύγκρισης το δοκίμιο που ήταν ενισχυμένο με μανδύα τύπου U, αλλά χωρίς κάποια διάταξη αγκύρωσης, τα

85 67 ποσοστά αύξησης του φορτίου είναι 105% και 86% για την διάταξη 3 και 4, αντίστοιχα. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι η αστοχία της ενίσχυσης για το δοκίμιο με την διάταξη 4, επήλθε λόγω θραύσης των ινών υφάσματος και όχι λόγω αποκόλλησης, όπως συνέβη σε όλες τις άλλες περιπτώσεις ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Τα τελευταία χρόνια αναπτύχθηκε μία νέα τεχνική ενίσχυσης δομικών στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος και φέρουσας τοιχοποιίας που βασίζεται στη χρήση σύνθετων υλικών, τα οποία αποτελούνται από ινοπλέγματα σε ανόργανη μήτρα (π.χ. κονίαμα με βάση το τσιμέντο). Η γένεση αυτής της μεθόδου ενίσχυσης προήλθε από την προσπάθεια να υπερκεραστούν οι προαναφερθείσες αδυναμίες που παρουσιάζουν οι ενισχύσεις με ινοπλισμένα πολυμερή (ΙΟΠ) με έναν ενδεχομένως πιο απλοϊκό μα εξίσου αποτελεσματικό τρόπο. Μέχρι σήμερα τα ινοπλέγματα σε ανόργανη μήτρα (ΙΑΜ), πέρα των άλλων χρήσεων τους, εφαρμόστηκαν με τη μορφή μανδύα για την ενίσχυση μελών οπλισμένου σκυροδέματος με στόχο την περίσφιγξη, τη διατμητική ενίσχυση και την αύξηση της πλαστιμότητας υποστυλωμάτων και φέρουσας τοιχοποιίας σε εντός και εκτός επιπέδου ανακυκλιζόμενη φόρτιση καθώς και την καμπτική ενίσχυση πλάκας οπλισμένου σκυροδέματος. Κρίνεται λοιπόν αναγκαία η μελέτη της εφαρμογής τους για τη διατμητική ενίσχυση δοκών μέσω της πειραματικής διερεύνησης της αποτελεσματικότητας μανδυών από ΙΑΜ. Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία εφαρμόστηκε η τεχνική της ενίσχυσης με τρίπλευρο μανδύα μορφής U από ΙΑΜ σε πέντε δοκίμια διατομής πλακοδοκού με σκοπό την μελέτη: Της αποδοτικότητας αυτής τεχνικής ενίσχυσης στην αναβάθμιση της διατμητικής αντοχής του μέλους. Της επιρροής του ρόλου του αριθμού των στρώσεων ΙΑΜ σε πιθανή αύξηση. Της αποδοτικότητας μιας νέας τεχνικής αγκύρωσης των άκρων του μανδύα (προσπάθεια δημιουργίας συνθηκών κλειστής ενίσχυσης) συγκριτικά με ενίσχυση ανοικτού μανδύα. Της επιρροής της μορφής της πρόσθετης διάταξης αγκύρωσης (αριθμός αγκυρίων, διεύθυνση εισαγωγής, πάχος ελάσματος). Της επίδρασης του βήματος μετατόπισης του κύκλου στην ιστορία της ανακυκλιζόμενης φόρτισης.

86 68 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 3.1 ΓΕΝΙΚΑ Aπό την παρατήρηση των καταστροφικών ζημιών που προκάλεσαν οι σεισμοί τα τελευταία χρόνια γίνεται παραδεκτό από την επιστημονική κοινότητα ότι η δοκός κατέχει περίοπτη θέση στο δομικό σύστημα και εκτεταμένες βλάβες σε μεγάλο αριθμό αυτών είναι ικανές να οδηγήσουν στην κατάρρευση της κατασκευής. Ταυτόχρονα έχουν αναθεωρηθεί αρκετά τελευταία οι αντισεισμικοί κανονισμοί, επιβάλλοντας πλέον αυστηρότερες κατασκευαστικές διατάξεις και λεπτομέρειες όπλισης για όλα τα δομικά στοιχεία και ειδικότερα για τις δοκούς. Τα οριζόντια δε αυτά μέλη επιθυμούμε να αναλώσουν τη σεισμική ενέργεια που εισέρχεται στο δομικό σύστημα κατά τη σεισμική διέγερση. Εργαλείο για την επίτευξη αυτού του στόχου είναι ο ικανοτικός σχεδιασμός που οδηγεί την δημιουργία πλαστικών αρθρώσεων στα άκρα των δοκών. Οι αστοχίες αυτές, που αποκαλούνται πλαστικές αρθρώσεις, είναι επιθυμητές σε μια μορφή μόνο, την καμπτική, διότι έτσι συνοδεύεται από μεγάλη απορρόφηση ενέργειας, εκτονώνοντας εύκολα τη σεισμική δράση μέσω μεγάλων ανελαστικών παραμορφώσεων σε επίπεδο μέλους. Αντίθετα, ανεπιθύμητες για την ασφάλεια του δομικού στοιχείου είναι οι ψαθυρής φύσεως, διατμητικές αστοχίες, καθόσον αυτές δεν απορροφούν σεισμική ενέργεια και πολλές φορές οδηγούν το δόμημα σε κατάρρευση. Αυτό οδήγησε την επιστημονική κοινότητα να ρίξει σήμερα το βάρος/ επιστήσει την προσοχή της στην δημιουργία του επιθυμητού μοντέλου αντίδρασης μίας κατασκευής στο σεισμό. Σύμφωνα με αυτό, από το δομικό σύστημα θα διαρρεύσουν οι δοκοί και τα υποστυλώματα στους κόμβους πάκτωσης τους στη θεμελίωση και με τον τρόπο αυτό θα δημιουργηθεί ο επονομαζόμενος μηχανισμός δοκών. Ωστόσο, κατά το παρελθόν δε δινόταν τόση σημασία κατά το σχεδιασμό στα δυναμικά φαινόμενα, όπως ο σεισμός, με αποτέλεσμα οι παλιότερες κατασκευές να παρουσιάζουν σημαντικές ανεπάρκειες. Αυτές είναι κατά βάση ανεπάρκειες σε διάτμηση που οφείλονται στο ότι κατά τις κατασκευαστικές πρακτικές του παρελθόντος οι συνδετήρες τοποθετούνταν ένας-ένας σε σχετικά μεγάλες αποστάσεις, της τάξεως των 30 cm ακόμα, και στις κρίσιμες περιοχές των δομικών στοιχείων. Μια τέτοια κατάσταση σίγουρα

87 69 χαρακτηρίζεται επικίνδυνη έναντι ενός μελλοντικού σεισμού και οδηγεί το μελετητή στη σύνταξη μελέτης για την ενίσχυσή του. Όπως έχει ήδη εκτεθεί στο Κεφάλαιο 1, ο προσφιλέστερος τρόπος ενίσχυσης κατασκευών που έχουν υποστεί βλάβες από σεισμό είναι η μέθοδος του μανδύα oπλισμένου σκυροδέματος. Σε σύγκριση με τις άλλες μεθόδους, στην πράξη επιλέγεται συχνότερα η εφαρμογή του μανδύα O.Σ., διότι οδηγεί σε γενικότερη αναβάθμιση της ικανότητας του στοιχείου μέσω της μεταβολής που επιφέρει στα χαρακτηριστικά του, δηλαδή την αντοχή, καμπτική και διατμητική, τη δυσκαμψία και την πλαστιμότητά του. Για τους ως άνω λόγους, η μέθοδος του μανδύα από Ο.Σ. είναι ιδιαίτερα προσφιλής και συχνά χρησιμοποιούμενη από τον μέσο μηχανικό. Εντούτοις, η εφαρμογή μανδυών O.Σ. οδηγεί σε μεγάλες διαφοροποιήσεις ως προς τις διαστάσεις των νέων διατομών σε σχέση με τις παλιές, με αποτέλεσμα τη σημαντική αύξηση της σχετικής δυσκαμψίας των επισκευασμένων στοιχείων. Η αύξηση των διαστάσεων των μελών μιας κατασκευής αυξάνει τόσο τη δυσκαμψία τους, όσο και το βάρος τους, με αποτέλεσμα τα αυξημένα σεισμικά μεγέθη. Ζητούμενο λοιπόν είναι, όταν χρησιμοποιείται η μέθοδος αυτή, να διατηρούνται κατά το μέτρο του δυνατού μικρές οι διαστάσεις των ενισχυμένων μελών, με σκοπό την αποφυγή της μεγάλης αύξησης των σεισμικών φορτίων που θα δεχθεί το ενισχυμένο. Για όλους τους προεκτιθέντες λόγους, το ενδιαφέρον του τεχνικού κόσμου έχει στραφεί σε νέες τεχνικές ενίσχυσης. Στις πρωτοπόρες αυτές μεθόδους συγκαταλέγονται και οι ενισχύσεις με σύνθετα υλικά. Στην παρούσα διατριβή θα διερευνηθεί η αποτελεσματικότητα στην ανάληψη τέμνουσας δύναμης σύνθετων υλικών και ειδικότερα εξωτερικά επικολλούμενων ινοπλεγμάτων σε ανόργανη μήτρα με βάση το τσιμέντο. Μέσω των πειραμάτων στα οποία θα υποβληθούν δοκίμια μορφής πλακοδοκού ενισχυμένα με αυτά τα υλικά επιχειρείται να διερευνηθούν κάποιες παράμετροι και να εξαχθούν κάποια ασφαλή συμπεράσματα ως προς την αποδοτικότητά τους. Κρίνεται σκόπιμο εδώ να γίνει μια επιπλέον αναφορά στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που παρουσιάζει η ακόλουθη μέθοδος ενίσχυσης έναντι της συμβατικής με χρήση εποξειδικής ρητίνης. Επιγραμματικά αυτά είναι: Απαιτεί λιγότερο χρόνο και κόπο, ενώ επιτρέπει μια πλημμελέστερη προετοιμασία του δομικού στοιχείου. Η εφαρμογή είναι πιο εύκολη και το κόστος αντίστοιχα πιο μικρό.

88 70 Η ενίσχυση χάριν του κονιάματος έναντι της ρητίνης εμφανίζει πλάστιμη αστοχία. Η πλαστιμότητα γίνεται σημαντική αν ο μανδύας αγκυρωθεί επαρκώς. Τα ανωτέρω δεν αποτελούν εξαγόμενα μόνο της παρούσας διατριβής, καθώς έχουν επιβεβαιωθεί διεθνώς ακόμη από πληθώρα ερευνητών. Ειδικότερα, το πειραματικό πρόγραμμα το οποίο διεξήχθη στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών, το διάστημα Απρίλιος Φεβρουάριος 2013, περιελάμβανε την κατασκευή έξι δοκών οπλισμένου σκυροδέματος διατομής Τ (πλακοδοκός), με σκοπό την ενίσχυση πέντε εξ αυτών σε τέμνουσα δύναμη με χρήση εξωτερικά επικολλούμενων ινοπλεγμάτων ανόργανης μήτρας. Η χρήση ινοπλεγμάτων σε ανόργανη μήτρα στην ενίσχυση πλακοδοκών οπλισμένου σκυροδέματος, αν και αποτελεί μία πρωτοπόρα τεχνική, δεν έχει διερευνηθεί αρκετά. Έτσι, έναν από τους στόχους της παρούσας αποτελεί η διερεύνηση του ρόλου του αριθμού των στρώσεων των ΙΑΜ στην αύξηση της διατμητικής αντοχής. Επιπλέον, επιχειρείται η διερεύνηση της συμπεριφοράς μιας νέας τεχνικής αγκύρωσης των άκρων του μανδύα με μηχανικά αγκύρια, προκειμένου να αντιμετωπιστεί το βασικό πρόβλημα της ενίσχυσης δοκών έναντι τέμνουσας με χρήση ανοικτού μανδύα U (τρίπλευρος) από σύνθετα υλικά, που εντοπίζεται στην πρόωρη αποκόλληση (debonding) του μανδύα κυρίως λόγω ανεπαρκούς αγκύρωσης. Στις ενότητες που ακολουθούν πραγματοποιείται μία εμβριθής περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας, η οποία περιλαμβάνει τον σχεδιασμό των δοκιμίων, τα χαρακτηριστικά και τις ιδιότητες των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν, την προετοιμασία των δοκιμίων και την πειραματική διάταξη. 3.2 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΩΝ ΔΟΚΙΜΙΩΝ Το μοναδικό δεδομένο στον σχεδιασμό των δοκιμίων είναι η μορφή τους. Εν προκειμένω, επιλέχθηκε οι προς μελέτη δοκοί να είναι μορφής Τ (ταφ), κοινώς πλακοδοκοί, καθόσον είναι και οι πλέον συνήθεις στα κτήρια οπλισμένου σκυροδέματος. Οι διαστάσεις της διατομής της πλακοδοκού, το μήκος της και ο τρόπος που θα εξεταστεί πειραματικά προέκυψαν από τους περιορισμούς που επέβαλλε το πλαίσιο δοκιμών του εργαστηρίου Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών.

89 71 Ακολούθως παρουσιάζονται οι λόγοι που οδήγησαν στην επιλογή των διαστάσεων των πειραματικών δοκών και της μεθόδου καταπόνησής τους. 3.3 ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΔΟΚΙΜΙΩΝ Η γεωμετρία όλων των δοκιμίων προέκυψε μετά από μια επαναληπτική διαδικασία δοκιμών, προκειμένου να ικανοποιηθούν όλοι οι περιορισμοί που επιβάλλουν, κατά κύριο λόγο, οι εγκαταστάσεις του εργαστηρίου, ο διαθέσιμος οικονομικός προϋπολογισμός καθώς και η ταχύτητα στη διενέργεια των πειραμάτων. Ο σχεδιασμός, λοιπόν, ξεκινά με δεδομένες διαστάσεις διατομής Τ (ταφ) σταθερών διαστάσεων κατά μήκος της και συγκεκριμένα με πλάτος κορμού (b w ) 150mm, πλάτος πλάκας (b) 350mm, ύψος (h) 350mm και πάχος πλάκας (h f ) 100mm. Οι βασικότεροι περιορισμοί που οδήγησαν στη συγκεκριμένη γεωμετρία είναι: η φόρτιση να είναι ανακυκλιζόμενη και όχι μονοτονική, προκειμένου να προσομοιώνεται ρεαλιστικά η επίδραση της σεισμικής δράσης επί της δοκού. Το καθαρό ύψος του πλαισίου φόρτισης ισούται με 2.55m και το καθαρό οριζόντιο άνοιγμα ισούται με 2.90m. Επομένως, εάν το δοκίμιο (ήτοι η πλακοδοκός) τοποθετηθεί οριζόντια, για να χρησιμοποιηθεί το κατακόρυφο έμβολο, θα πρέπει να είναι μικρότερο των 2.70m, και εάν τοποθετηθεί κατακόρυφα, για να χρησιμοποιηθεί το οριζόντιο έμβολο, θα πρέπει να είναι μικρότερο των 2.30m. το δοκίμιο προαπαιτείται να αστοχήσει διατμητικά. Ως γνωστό, η τέμνουσα δύναμη με την καμπτική ροπή συνδέονται με τη σχέση Μ=V*H όπου Η= διατμητικό άνοιγμα της δοκού (προσεγγιστικά L δοκού /2). Από την απλή παρατήρηση της παραπάνω σχέσης γίνεται φανερό πως η αναπτυσσόμενη τέμνουσα δύναμη γίνεται μεγαλύτερη για μικρό μήκος δοκού. Επιδιώκεται λοιπόν για τις ανάγκες των πειραματικών δοκιμών τα δοκίμια να είναι μικρού μήκους (διατμητικά), ώστε η αστοχία να προέλθει μόνο από διάτμηση. Υποτιθέμενη επιλογή διαστάσεων που να προσεγγίζουν πλήρη κλίμακα, είναι σίγουρο πως θα οδηγήσει σε εξάντληση της φορτοϊκανότητας του εμβόλου και αστοχία της πειραματικής διάταξης.

90 72 Για τους ως άνω λόγους επιλέχθηκε η πλακοδοκός να είναι κατασκευασμένη σε κλίμακα 2:3 ως προς τις πραγματικές δοκούς. Το άγνωστο μέγεθος για την ολοκλήρωση του σχεδιασμού της γεωμετρίας του δοκιμίου είναι το μήκος του (l). Η διάσταση αυτή προέρχεται από το γεγονός ότι κατά τη σεισμική δράση (ανακυκλιζόμενη ένταση) το διάγραμμα ροπών της δοκού μηδενίζει περίπου στο μέσο και αντιστρέφεται για κάθε φορά έντασης, όταν η δοκός αποτελεί μέρος ενός πλαισίου. Ακολούθως παρουσιάζεται η μορφή του διαγράμματος των καμπτικών ροπών ενός πλαισίου και ενός προβόλου σε σεισμική φόρτιση. (α) (β) Σχήμα 3.1 α) Διάγραμμα καμπτικών ροπών για τις δύο φορές της σεισμική δράσης σε τυπικό πλαίσιο οπλισμένου σκυροδέματος (ίδιας γεωμετρίας και οπλισμού υποστυλώματα), β) Διαγράμματα εντατικών μεγεθών δοκού-προβόλου, όπου ο κόμβος δοκού υποστυλώματος έχει προσομοιωθεί με ένα υπεροπλισμένο θεμέλιο (πάκτωση).

91 73 Η ομοιότητα αυτή των δύο διαγραμμάτων μας οδηγεί στην έλλειψη ανάγκης δημιουργίας ενός ολοκλήρου πλαισίου δοκού-υποστυλωμάτων, καθώς και ό,τι αυτό θα συνεπαγόταν για την εκτέλεση του πειράματός μας. Αντιθέτως, προτιμητέα κρίθηκε εν προκειμένω η απλούστερη λύση της δοκού-προβόλου που είναι πακτωμένη στον κόμβο υποστυλώματος-δοκού. Την πάκτωση της δοκού αναλαμβάνει υπεροπλισμένο θεμέλιο σχετικά μεγάλων διαστάσεων. Η δοκός λοιπόν θα τοποθετηθεί κατακόρυφα και το ένα της άκρο θα είναι πακτωμένο στο θεμέλιο, ενώ στο άλλο το έμβολο θα επιβάλλει ανακυκλιζόμενες μετακινήσεις, όπως συμβαίνει κατά την σεισμική δράση. Το μήκος των δοκιμίων επιλέχθηκε τελικά να είναι και αυτό σε κλίμακα 2:3 σε σχέση με την πραγματικότητα, ήτοι 1.00m, με την απόσταση μεταξύ του πεδίλου και του σημείου εφαρμογής της δύναμης να ισούται με 0.80m, έτσι ώστε να ικανοποιούνται όλοι οι παραπάνω περιορισμοί. Η ως άνω γεωμετρία δοκού, αν αναχθεί σε κανονική κλίμακα (0.80x2x3/2=2.40m), συναντάται σε κατασκευές του παρελθόντος, που, σήμερα υπολογιστικά τουλάχιστον, παρουσιάζουν διατμητικές ανεπάρκειες και χρήζουν ενισχύσεως. Τέλος, οι διαστάσεις του θεμελίου ελήφθησαν αυθαίρετα μεγάλες και έχουν ως εξής: μήκος 1.50m, πλάτος 0.50m και ύψος 0.50m. Πίνακας 3.1 Γεωμετρικά μεγέθη πλακοδοκού και πεδίλου. Πλακοδοκός Γεωμετρικό μέγεθος Πλάτος κορμού bw Πλάτος πλάκας bf Πάχος πλάκας hf Ύψος δοκού h Μήκος δοκού l Πέδιλο Γεωμετρικό μέγεθος Μήκος l π Πλάτος w π Ύψος h π Διάσταση 150mm 350mm 100mm 350mm 1000mm Διάσταση 1500mm 150mm 350mm

92 74 (α) (β) (γ) Σχήμα 3.2 (α) Διατομή πλακοδοκού, (β) Κάτοψη δοκιμίου, (γ) Τρισδιάστατη μορφή δοκιμίου.

93 Διαστασιολόγηση δοκιμίων Η πορεία διαστασιολόγησης των δοκιμίων έγινε με γνώμονα τα εξής δύο κριτήρια: Η ροπή αντοχής της διατομής παρειάς πρέπει να είναι σχεδόν η ίδια και για τις δύο δυνατές φορές φόρτισης (εναλλασσόμενη). Η αστοχία πρέπει να είναι πάντοτε διατμητικού τύπου σε όλα τα δοκίμια, σε όλες τις περιπτώσεις ενίσχυσης ή μη, με προτίμηση την αστοχία των εφελκυόμενων διαγωνίων του σκυροδέματος (tensile splitting). Βασική προϋπόθεση είναι τα δοκίμια που θα κατασκευαστούν να είναι διατμητικά, να αστοχούν σε διάτμηση ακόμα και πιο ενισχυμένα με ΙΑΜ. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτό, θα πρέπει να υπερδιαστασιολογηθούν καμπτικά, ωστόσο αυτό πρέπει να γίνει σε βαθμό τέτοιο, ώστε να μην αυξάνει υπερβολικά την διατμητική αντοχή τους η δράση βλήτρου των οπλισμών. Η ροπή αντοχής της διατομής της πλακοδοκού προέκυψε από ανάλυση της διατομής. Για λόγους διευκόλυνσης της υπολογιστικής διαδικασίας έγινε η θεώρηση της ορθογωνικής κατανομής των τάσεων στην θλιβόμενη ζώνη και θλιπτική τάση σκυροδέματος ως ίσης με την μέση θλιπτική τάση για κατηγορία αντοχής σκυροδέματος C12/15(f cm =18 MPa). Από την ανάλυση προέκυψαν αρχικά οι εξής οπλισμοί: για το κάτω πέλμα 3Φ20 και για το άνω πέλμα 2Φ20 τοποθετημένα στον κορμό και 2Φ18 τοποθετημένα στο συνεργαζόμενο πλάτος της πλακοδοκού (b eff ). O χάλυβας είναι κατηγορίας Β500C. Εφόσον επιθυμούμε διατμητική αστοχία των δοκιμίων, δεν θα τοποθετηθεί εγκάρσιος οπλισμός (συνδετήρες), εκτός από τρεις δίτμητους συνδετήρες διαμέτρου Φ8 με τον πρώτο να τοποθετείται στα 80mm, το δεύτερο στα 190mm και τον τελευταίο στα 300mm. H τοποθέτηση αυτών γίνεται, για να αποφευχθεί τοπική αστοχία λόγω θλίψης του σκυροδέματος στο ανώτερο τμήμα της δοκού, όπου εφαρμόζεται το οριζόντιο έμβολο και το αξονικό φορτίο. Ο υπολογισμός της διατμητικής αντοχής V R του δοκιμίου έγινε με χρήση των σχέσεων του Ευρωκώδικα 2, του πρότυπου Κανονισμού 1990 των C.E.B/FIP και της πρότασης του Remmel. Το τυπολόγιο και οι παράμετροι που εξετάζονται παρουσιάζονται σε επόμενη παράγραφο.

94 76 Το θεμέλιο, το οποίο προσομοιάζει την περιοχή του κόμβου ενός συμβατικού πλαισίου δοκών υποστυλωμάτων και στο οποίο θα πακτώνεται η πλακοδοκός, υπεροπλίστηκε άνευ αναλυτικού υπολογισμού με εσχάρες Φ16/12 στην οριζόντια και Φ16/9.5 στην κατακόρυφη διεύθυνση. Προκειμένου να εξαχθούν κάποια συμπεράσματα ως προς την καταλληλότητα ή όχι της συγκεκριμένης γεωμετρίας και όπλισης για περαιτέρω πειραματικές δοκιμές, δεν κατασκευάστηκε σειρά δοκιμίων, αλλά προτιμήθηκε να σκυροδετηθεί μόνο ένα τέτοιο, το οποίο και έλαβε την ονομασία Control 1. Το δοκίμιο συντηρήθηκε επαρκώς και σε ηλικία μεγαλύτερη των 28 ημερών υποβλήθηκε σε πειραματική δοκιμή, όπου και παρουσίασε διατμητική αστοχία στα kn, τιμή απροσδόκητα υψηλή βάσει των θεωρητικών εκτιμήσεων της V R. Αυτή η διαπίστωση οδήγησε σε νέο σχεδιασμό με μικρότερα ποσοστά διαμήκους οπλισμού. Έτσι, επιλέχθηκαν να τοποθετηθούν διαμήκεις οπλισμοί 3Φ18 στο κάτω πέλμα της δοκού και 2Φ18 στον κορμό και 2Φ16 στο συνεργαζόμενο πλάτος της πλάκας, στο άνω πέλμα της δοκού. Έπειτα, σκυροδετήθηκε νέο δοκίμιο (Control 2) με τους προαναφερθέντες οπλισμούς, το οποίο μετά την απόκτηση των ονομαστικών αντοχών του σε ηλικία 28 ημερών εξετάστηκε πειραματικά και παρουσίασε διατμητική αστοχία στα 66.41kN, ήτοι αρκετά χαμηλότερα από το αρχικό. σχέση: Ο Ευρωκώδικας 2 για την διατμητική αντοχή έχει υιοθετήσει την παρακάτω V R = cmax(1, 1.6-d) min(2, ρ 1 ) f c 2/3 b w d (3.1) Ο πρότυπος Κανονισμός 1990 των C.E.B/FIP χρησιμοποιεί την εξής: V R = c( ) ρ 1 f c ) 1/3 b w d (3.2) Ενώ, ο Remmel προτείνει την κάτωθι σχέση για την διατμητική αντοχή: V R = cf ct ( ) b w d (3.3)

95 77 Όπου, f ct =2.12 l (1+0.1f ) και l ch = (3.4) & (3.5) Από την παρατήρηση των ανωτέρω σχέσεων συνάγεται πως ως πλάτος της θλιβόμενης διαγωνίου λαμβάνεται μόνο το πλάτος του κορμού, κάτι το οποίο στην περίπτωση δοκού διατομής Τ (πλακοδοκού) μπορεί να θεωρηθεί συντηρητικό, καθώς βρίσκεται υπό θλίψη και μέρος της πλάκας. Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται οι αντοχές που προέκυψαν από την αναλυτική διαδικασία τόσο σε κάμψη όσο και σε διάτμηση. Πίνακας 3.2 Τιμές σχεδιασμού αντοχής σε κάμψη και σε τέμνουσα για τα δοκίμια Control 1 και Control 2. Δοκίμιο ΜR (kνm) VR (kν) Ονομασία Οπλισμός Aνάλυση διατομής CEB EC-2 Remmel Πειραματική 3Φ20 κάτω Control 1 2Φ20 +2Φ18 πάνω Φ18 κάτω Control 2 2Φ18 +2Φ16 πάνω Από την παρατήρηση των τιμών του ανωτέρω πίνακα διαπιστώνουμε τη συντηρητική προσέγγιση του θέματος της διατμητικής αντοχής των στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος από τους Κανονισμούς Γεωμετρία και οπλισμός δοκιμίων Τα 6 δοκίμια που κατασκευάστηκαν ήταν στοιχεία δοκού οπλισμένου σκυροδέματος διατομής Τ σταθερών διαστάσεων κατά μήκος της δοκού, αναπαριστώντας δοκούς σε κλίμακα 2/3, ενώ έχουν μήκος 1.00m. Οι δοκοί-πρόβολοι πακτώνονται σε ένα υπεροπλισμένο πέδιλο μήκους 1.20m, πλάτους 0.50m σε κάτοψη και ύψους 0.50m, μέσα στο οποίο αγκυρώνονται οι διαμήκεις οπλισμοί. Το πέδιλο

96 78 του δοκιμίου λειτουργεί σαν πάκτωση για τις δοκούς και αποτελεί την προσομοίωση του κόμβου υποστυλώματος-δοκού, όπου εμφανίζεται και η μέγιστη ροπή. Αναφορικά με τους συμβατικούς οπλισμούς κάθε δοκιμίου, αυτοί έχουν αναλυτικά ως εξής: Στο κάτω πέλμα της πλακοδοκού Τ τοποθετήθηκαν 3 διαμήκεις ράβδοι Φ18 με κατηγορίας B500C και με κάμψη των δύο άκρων κατά 90 ο. Στο άνω πέλμα (πλάκα) της διατομής επιλέχτηκαν 2 διαμήκεις ράβδοι Φ18 με νευρώσεις, κατηγορίας B500C, με κάμψη των δύο άκρων κατά 90 ο, οι οποίες τοποθετήθηκαν μέσα στο πλάτος του κορμού, και άλλες 2 διαμήκεις ράβδοι Φ16 με νευρώσεις, κατηγορίας B500C, με κάμψη των δύο άκρων κατά 90 ο στην διεύθυνση της πλάκας, οι οποίες τοποθετήθηκαν εκατέρωθεν του κορμού, προσομοιώνοντας κατά κάποιον τρόπο το συνεργαζόμενο πλάτος της πλάκας. Για την αποφυγή τοπικής αστοχίας λόγω της θλίψης του σκυροδέματος στο ανώτερο τμήμα της δοκού, όπου εφαρμόζεται το οριζόντιο έμβολο, σε κάθε δοκίμιο τοποθετήθηκαν αναγκαστικά δίτμητοι συνδετήρες στο υπ' όψιν τμήμα, διαμέτρου Φ8, κατηγορίας B500C, σε αποστάσεις των 80mm, ξεκινώντας από το πάνω μέρος της δοκού. Στο υπόλοιπο ύψος της δοκού δεν τοποθετήθηκαν άλλοι εγκάρσιοι οπλισμοί, για να υπάρξει σίγουρα διατμητική αστοχία, όπως στις δοκούς των παλαιοτέρων κατασκευών λόγω έλλειψης εγκάρσιου οπλισμού. Τέλος, το θεμέλιο οπλίστηκε με πλέγμα Φ16 και στις δύο διευθύνσεις, κατηγορίας B500C, σε αποστάσεις των περίπου 120mm οριζόντια και των περίπου 95mm κατακόρυφα. Παρακάτω παρουσιάζεται σε σχήματα και εικόνες η τοποθέτηση των οπλισμών στα δοκίμια. (α) Σχήμα 3.3 (α) Όψη δοκιμίου, (β) Διατομή πλακοδοκού με διαμήκεις οπλισμούς. (β)

97 79 (α) Σχήμα 3.4 (α) Κάτοψη θεμελίου, (β) Όψη μικρής πλευράς θεμελίου. (β) Σχήμα 3.5 Κατασκευαστικές λεπτομέρειες αγκυρώσεων διαμήκων οπλισμών πλακοδοκού.. (α) (β) Εικόνα 3.1 (α) Άποψη της διάταξης οπλισμών του δοκιμίου, (β) Λεπτομέρεια όπλισης στο σημείο εφαρμογής του φορτίου του εμβόλου.