Διεπιφάνειες σκυροδέματος - Συντελεστές μονολιθικότητας

Transcript

1 «ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΤΟΥ ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΥ ΕΠΕΜΒΑΣΕΩΝ (ΚΑΝ.ΕΠΕ.) - ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ» Τρίτη 21 Ιουνίου 2016 Διεπιφάνειες σκυροδέματος - Συντελεστές μονολιθικότητας Γεωργία Ε. Θερμού Επίκουρη Καθηγήτρια Εργαστήριο Κατασκευών Οπλισμένου Σκυροδέματος και Φέρουσας Τοιχοποιίας Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

2 Επιπτώσεις από την προσθήκη νέων στρώσεων σκυροδέματος Προφίλ παραμορφώσεων Μερική σύνδεση Καμία σύνδεση Μερική σύνδεση Διατμητική ροή Μονολιθική σύνδεση Μερική σύνδεση: σχετική ολίσθηση, διατμητική ροή στη διεπιφάνεια Πολύπλοκο ζήτημα μηχανικής: μηχανισμοί μεταφοράς τέμνουσας - αλληλεπίδραση

3 Μηχανισμοί μεταφοράς τέμνουσας σε διεπιφάνειες σκυροδέματος Αλληλεμπλοκή αδρανών Δράση σφικτήρα Δράση βλήτρου τ agr F D F D F D τ agr Συνολική διατμητική τάση: τ σ tot τ σ lat σ agr τ f όπου: σ τ N D σ τ F D F D F D Α=l b J (διατμητική επιφάνεια) c agr ρσ μσ νf N c τ ρσ D l b J Δράση σφικτήρα Αλληλεμπλοκή των αδρανών Δράση βλήτρου

4 Κεφάλαιο 6 ΚΑΝ.ΕΠΕ.

5 Κεφάλαιο 6 ΚΑΝ.ΕΠΕ. Βασικά Προσομοιώματα Συμπεριφοράς Θλίψη στη διεπιφάνεια μεταξύ παλαιού και νέου σκυροδέματος Η θλιπτική αντοχή κάθετα προς τη διεπιφάνεια μεταξύ παλαιού και νέου σκυροδέματος θα λαμβάνεται ίση με f c,old (ασθενέστερο σκυρόδεμα) Θλίψη προρηγματωμένου σκυροδέματος Συντηρητικά μπορούν να αμελούνται οι θλιπτικές τάσεις πριν από το πλήρες κλείσιμο μιας ρωγμής Συνοχή μεταξύ παλαιού και νέου σκυροδέματος Ορισμός: συνοχή είναι η μέγιστη διατμητική τάση, η οποία μπορεί να μεταφερθεί κατά μήκος μιας διεπιφάνειας, όταν η ορθή θλιπτική τάση στη διεπιφάνεια είναι μηδενική και όταν δεν υπάρχουν βλήτρα (δράση σφικτήρα) καλά αγκυρωμένα. Οφείλεται στο χημικό δεσμό του νέου με το παλιό σκυρόδεμα. Μπορεί να λαμβάνεται υπόψη η μέγιστη τιμή συνοχής για πολύ μικρές τιμές σχετικής ολίσθησης κατά μήκος της διεπιφάνεις 0.01mm έως 0.02mm - Λείες διεπιφάνειες: 0.25f ct - Εκτραχυμένες διεπιφάνειες: 0.75f ct (π.χ. αμμοβολή, υδροβολή) - Εφαρμογή με εκτόξευση ή υπό πίεση ή χρήση συνδετικού υλικού: 0.75f ct ΔΕΝ θα προστίθεται στην επιστρατευόμενη κατά την ολίσθηση τριβή σε περίπτωση που ασκείται θλιπτική τάση (αξονικό φορτίο ή δράση σφικτήρα) κάθετα στη διεπιφάνεια

6 Κεφάλαιο 6 ΚΑΝ.ΕΠΕ. Βασικά Προσομοιώματα Συμπεριφοράς Τριβή μεταξύ παλαιού και νέου σκυροδέματος - Λεία διεπιφάνεια f,u 0.4 c f,u 0.15 c - Τραχειά διεπιφάνεια 2 1/ 3 f,u 0.4 fc c f,u μ=0.6 για δυσμενή επιρροή της τριβής 2mm Τριβή λόγω λειτουργίας σφικτήρα του οπλισμού - Τραχειά διεπιφάνεια 1/ f 0.3 f 2 f,u c c c f,u 2mm

7 Κεφάλαιο 6 ΚΑΝ.ΕΠΕ. Βασικά Προσομοιώματα Συμπεριφοράς Ανακυκλιζόμενη φόρτιση Τριβή 1/ 3 f ( ) 1.14 f,u f,u f,u 0.5 f ( ) f,u f,u f,u 0.5 f,u 2mm τ f,n τ f,1 τ deg τ f, n 1 1/ 2 f σ c N 1/ 2 u 1/ Δράση βλήτρου των ράβδων οπλισμού - Αντοχή βλήτρου (τέμνουσα) 12 2 f yd FD,u 1.3Db fcd f yd ; u 0.05Db 3 - Αντοχή βλήτρου σε ανακυκλιζόμενη δράση: 12 2 f yd FD,u 0.65Db fcd f yd ; u 0.05Db 3

8 Κεφάλαιο 6 ΚΑΝ.ΕΠΕ. Βασικά Προσομοιώματα Συμπεριφοράς Ανακυκλιζόμενη φόρτιση Δράση βλήτρου F D( ) F D,u 6 D 0.5 ; b el el 6D F ( ) F ( ) 4 3 D D 1.76 f,u 0.5 ; FD,u FD,u FD,n FD,1 Ddeg FD, b n 1 FD ( ) F D,u Απλοποιημένος υπολογισμός μεταφοράς διατμητικών δυνάμεων μέσω οπλισμένων διεπιφανειών F( ) ( )A kf ( ) F f int D D β F, β D : συντελεστές συμμετοχής του μηχανισμού τριβής και του μηχανισμού βλήτρου, αντίστοιχα (β F =0.4, β D =0.7 για f,u =1mm; β F =β D =0.5 αβέβαιη τιμή σχετικής ολίσθησης ή σ c =0) Α int : εμβαδόν διεπιφάνειας k: αριθμός βλήτρων

9 Ποια η συνήθης πρακτική που ακολουθείται από τους κανονισμούς; Προσεγγιστική μέθοδος της μονολιθικής συμπεριφοράς: S Ri =K i S Mi Τα μηχανικά χαρακτηριστικά του ενισχυμένου δομικού στοιχείου λαμβάνονται με τη χρήση κατάλληλων τροποποιητικών συντελεστών στις ιδιότητες του μονολιθικού στοιχείου με την ίδια γεωμετρία και οπλισμό K i : συντελεστές μονολιθικότητας (εμπειρικοί συντελεστές)

10 Ορισμός των συντελεστών μονολιθικότητας K Δείκτης απόκρισης σύνθετης διατομής Δείκτης απόκρισης "ίδιας" μονολιθικής διατομής - Μονολιθικοί συντελεστές για δείκτες παραμορφωσιμότητας Στροφή χορδής διαρροής: K θy θ θ y,j y,m Στροφή χορδής αστοχίας: K θu θ θ u,j u,m - Μονολιθικοί συντελεστές αντοχής Διατμητική αντοχή: K v V V J,max M,max Ροπής διαρροής: K My M M y,j y,m - Μονολιθικοί συντελεστές δυσκαμψίας Δυσκαμψία στη διαρροή: K k K K y,j y,m

11 Κεφάλαιο 8 ΚΑΝ.ΕΠΕ. Διαστασιολόγηση επεμβάσεων Eνίσχυση είτε της εφελκυόμενης είτε της θλιβόμενης ζώνης έναντι ορθής έντασης Προσθήκη νέας στρώσης οπλισμένου σκυροδέματος [ β (ii) ; (β) (ii)] Μανδύες υποστυλωμάτων με στόχο τη σύγχρονη ενίσχυση της εφελκυόμενης και θλιβόμενης ζώνης [ ] «Για τον υπολογισμό της καμπτικής αντίστασης και των άλλων χαρακτηριστικών του ενισχυμένου στοιχείου, όταν δεν διατίθενται αξιόπιστες μέθοδοι για την εκτίμηση της σχετικής ολίσθησης κατά μήκος της διεπιφάνειας/διεπιφανειών μεταξύ υφισταμένου στοιχείου και προστιθέμενης στρώσης, επιτρέπεται υπό προϋποθέσεις να χρησιμοποιηθεί προσεγγιστική μέθοδος με επιλογή καταλλήλων συντελεστών μονολιθικότητας.» Πλάκες: k k =0.85, k V =0.95, k θy =1.15, k θu =0.85 Δοκοί και στοιχεία θεμελιώσεως: k k =0.80, k V =0.85, k θy =1.25, k θu =0.75 Υποστυλώματα: k k =0.80, k V =0.90, k θy =1.25, k θu =0.80 Προϋποθέσεις εφαρμογής: (α) η επιδιωκόμενη αύξηση της καμπτικής αντίστασης του στοιχείου δεν υπερβαίνει το διπλάσιο της αρχικής, (β) απαιτούνται κατασκευαστικά μέτρα σύνδεσης στην διεπιφάνεια του μανδύα και του υφιστάμενου στοιχείου (εκτράχυνση και χρήση βλήτρων, ή/και αναρτήρων)

12 Μανδύες οπλισμένου σκυροδέματος Απλοποιητικές παραδοχές κατά ΕΚ8-ΙΙΙ (2005) για την εκτίμηση της αντοχής και παραμορφωσιμότητας: 1) υπάρχει πλήρης σύνδεση μεταξύ μανδύα και υφιστάμενου στοιχείου, ώστε το στοιχείο να συμπεριφέρεται μονολιθικά, 2) το αξονικό φορτίο ασκείται στην ενισχυμένη διατομή, 3) οι ιδιότητες του σκυροδέματος του μανδύα εφαρμόζονται σε όλη τη διατομή. Προτεινόμενοι συντελεστές μονολιθικότητας κατά ΚΑΝ.ΕΠΕ. (2013) και ΕΚ8-ΙΙΙ (2005) K i K V K My K K K θy K θu EΚ8-ΙΙΙ (2005) * or 1.20 ** ΚΑΝ.ΕΠΕ. (2013) 0.90 # # 1.25 # 0.80 # S Ri =K i S Mi * Εκτράχυνση, ** επιπλέον μέτρα ή καθόλου μέτρα, # εκτράχυνση και μέσα σύνδεσης

13 Πειραματική βάση Εξαγωγή συντελεστών μονολιθικότητας Διακύμανση παραμέτρων 44 δοκίμια από 11 Υφιστάμενη διατομή Μανδύας b c (mm) 200~350 b J (mm) 260~550 h c (mm) 200~500 h J (mm) 260~650 d b,c (mm) 10~20 t J (mm) 30~100 ρ c (%) 0.81~2.05 d b,j (mm) 10~20 d b,c (mm) 6~8 ρ J (%) 0.75~1.64 c (mm) 50~265 d b,j (mm) 6~10 ρ lc (%) 0.12~0.57 J (mm) 50~100 f c,c (MPa) 22.9~58.2 ρ lj (%) 0.20~0.79 f y,c (MPa) 313~550 f c,j (MPa) 7~68.7 f yw,c (MPa) 350~520 f y,j (MPa) 400~520 L V /h c 3.2~11.7 f yw,j (MPa) 330~599 Lap (d b,c ) 15~45 L V /h J 2.5~7.0 L V (mm) 1000~3500 ν (%) 0~23 πειραματικές μελέτες (Thermou et al. 2011) Vandoro & Drito (2008)

14 Πειραματικές τιμές των συντελεστών μονολιθικότητας Κ θy Κ My Κ k % 10% 15% 0% 10% 20% 10% 25% 20% 30% 30% Ανηγμένο αξονικό φορτίο, ν Κ θu Κ v Ανηγμένο αξονικό φορτίο, ν Gomez Gome & Appleton (1998) Gomez Ilky Ilki et & al. Appleton (1998) Ilky Vandoro et al & Drito (2006a, 2006b, 2008) Vandoro Julio et al & Drito Júlio et al. (2005) Bouia et al Bouia et al. (2007a, 2007b) Jluio et al (2008) Julio Júlio et & al Branco (2008) Serie6 (2008) Serie7 Serie8 Eurocode 8 Part 3 (2005) Serie8 Serie9 ΚΑΝΕΠΕ (2013) Παρατηρήσεις: - Μεγάλη διασπορά των συντελεστών μονολιθικότητας K θ y, K θ u and K k περαιτέρω αποτίμηση λαμβάνοντας υπόψη το περιορισμένο εύρος των παραμέτρων της πειραματικής βάσης - Σημείωση: η παραμόρφωση και η δυσκαμψία είναι δύσκολο να μετρηθούν πειραματικά και οι συνθήκες «μεγίστου» δεν ορίζονται ομοιόμορφα σε όλα τα πειράματα.

15 Εκφράσεις βασιζόμενες στις πειραματικές τιμές των συντελεστών μονολιθικότητας Κ θy Κ My Κ k y = x R² = y = x R² = y = x R² = Ανηγμένο αξονικό φορτίο, ν Κ θu Κ v y = x R² = y = x R² = Ανηγμένο αξονικό φορτίο, ν Εξαιρέθηκαν οι τιμές: K θy <1, K θu <1, K My >1, K V >1, K k >1

16 h J 1 ο επίπεδο ρ J,b J,h J ρ c,b c,h c 2 ο επίπεδο ρ c,b c,h c ρ 3 ο επίπεδο,b,h J J J b J core interface d c Άνω διεπιφάνεια ε J3 -ε c2 Αναλυτικό προσομοίωμα x Κάτω διεπιφάνεια φ ε c2 ε J4 σ,el c ε c1 ε J1 ε c1 -ε J2 1 =(ε c1 - ε J2 ) r /2 Εκτίμηση ολίσθησης 2 =(ε J3 - ε c2 ) r /2 S r : απόσταστη ρωγμών Διάγραμμα ελευθέρου σώματος στην εφελκυόμενη ζώνη της σύνθετης διατομής jacket σ,el J mid-crack f ctm c J r f ctm ri/2 Απόσταση ρηγμών, r τ crack N.A. σ,cr c σ,cr J (Thermou et al. 2007, 2014) Κύριες παραδοχές: - η διατομή χωρίζεται σε τρία επίπεδα τα οποία παραμορφώνονται με την ίδια καμπυλότητα - η ολίσθηση λαμβάνει χώρα στην άνω και κάτω διεπιφάνεια - Η απαίτηση σε διατμητική ροή εκτιμάται με ανάλυση διπλής διατομής Στοιχείο κλείδί: η μεταφορά διατμητικών τάσεων στη διεπιφάνεια λαμβάνει χώρα στο μεσοδιάστημα μεταξύ των ρωγμών Στόχος ισορροπία διατομής - ισορροπία στις διεπιφάνειες Πρόγραμμα: Καμπύλες απόκρισης ροπών καμπυλοτήτων (μονότονη & ανακυκλιζόμενη φόρτιση) Thermou, G.E., Pantazopoulou, S.J., and Elnahai, A.S. (2007) Flexural behavior of brittle RC member rehabilitated with concrete jacketing. Journal of Structural Engineering, ASCE, 133(10), Thermou, G.Ε., Papanikolaou, V.K., and Kappo A.J. (2014). Flexural behaviour of reinforced concrete jacketed column under revered cyclic loading. Engineering Structure, 76,

17 Εκτεταμένη παραμετρική διερεύνηση Εξαγωγή των συντελεστών μονολιθικότητας: - Αναλυτικό προσομοίωμα που λαμβάνει υπόψη την ολίσθηση στη διεπιφάνεια μεταξύ της υφιστάμενης διατομής και του μανδύα. - Εκτεταμένη παραμετρική διερεύνηση ευαισθησία των συντελεστών μονολιθικότητας στις διάφορες παραμέτρους σχεδιασμού Παράμετροι διερεύνησης Διατομή πυρήνα 250x250, 300x300, 400x400, 500x500, 200x400, 250x500 (διαστάσεις σε mm) Πάχος μανδύα 75, 100, 125mm Υλικά Πυρήνας χάλυβας: StI, StIII, σκυρόδεμα: B160, B225, C20/25, C30/37 Μανδύας χάλυβας: B500C, concrete: C20/25, C25/30, C50/60 Οπλισμός Πυρήνας ρ c =1%, 6/300 Jacket ρ J =A J /(b J h J -b c h c )=1%~4%, 8/100 Αξονικό φορτίο ν=n/[(b J h J -b c h c ) f c,j + b c h c f c,c ]=0% ~ 30% 9 ομάδες για τετραγωνικές διατομές και 7 ομάδες για ορθογωνικές διατομές

18 Επεξεργασία αποτελεσμάτων παραμετρικής Κθy Κθu 2.0 ΚMy % % 20% 30% % % 20% 30% 0.8 Κv % % 20% 30% Ανηγμένο Dimenionle αξονικό axial φορτίο, load, ν ν * 2.0 Παράμετροι Β160 (f cm =10 MPa) C25/30 (f cm =33 Mpa) St I (f y =250 MPa) B500C (f y =500 MPa) ρ c =1% ρ J =1%~4% t r = 75 mm Κk Ανηγμένο Dimenionle αξονικό axial φορτίο, load, ν ν * 1.0 pj*=1% ρ pj*=2% ρ pj*=3% ρ pj*=4% ρ 0.0

19 Προτεινόμενοι συντελεστές μονολιθικότητας f c,j >30 MPa, ρ J μέχρι 2% Πάχος μανδύα t J =75mm t J =125mm Θλιπτική αντοχή πυρήνα f c,o <20MPa f c,o >20MPa f c,o <20MPa Διαμήκης οπλισμός μανδύα ρ J =1% ρ J =2% ρ J =1% ρ J =2% ρ J =1% ρ J =2% K My v v v v v Πάχος μανδύα t J =75mm t J =125mm Θλιπτική αντοχή πυρήνα f c,o <20MPa f c,o >20MPa f c,o <20MPa Διαμήκης οπλισμός μανδύα ρ J =1% ρ J =2% ρ J =1% ρ J =2% ρ J =1% ρ J =2% K k v v v v v

20 Προτεινόμενοι συντελεστές μονολιθικότητας f c,j >30 MPa, ρ J μέχρι 2% Πάχος μανδύα t J =75mm t J =125mm Θλιπτική αντοχή πυρήνα f c,o <20MPa f c,o >20MPa f c,o <20MPa Διαμήκης οπλισμός μανδύα K θy ρ J =1% v ρ J =2% 1.16 ρ J =1% v ρ J =2% v ρ J =1% ρ J =2% v Πάχος μανδύα t J =75mm t J =125mm Θλιπτική αντοχή πυρήνα f c,o <20MPa f c,o >20MPa f c,o <20MPa Διαμήκης οπλισμός μανδύα ρ J =1% ρ J =2% ρ J =1% ρ J =2% ρ J =1% ρ J =2% K θu v v v v

21 Σύγκριση προτεινόμενων εκφράσεων με πειραματικά δεδομένα K My = v; K k = v; K θy = v; K θu =+7.20 v Κ Κ My θy % 30% % 10% 30% Ανηγμένο αξονικό φορτίο, ν Serie1 t J =75mm, f c,o >20 MPa και ρ J =1%, Κ k Κ θu % 10% 30% Serie1 Ανημγένο αξονικό φορτίο, ν Serie2 Πειραματικά Serie1 δεδομένα Εκφράσεις Serie2 που βασίζονται στα πειραματικά δεδομένα Εκφράσεις Serie3 που βασίζονται στο αναλυτικό προσομοίωμα

22 Πειραματικές δοκιμές στο ΕΚΟΣΦΤ, ΑΠΘ Δύναμη (kn) Παράμετροι μελέτης - Αριθμός βλήτρων - Τραχύτητα διεπιφάνειας - Θλιπτική αντοχή σκυροδέματος Papanikolaou, V.K., and Thermou, G.Ε. (2015) Concrete-to-concrete interface under cyclic loading: finite element analyi toward experimental verification Proc., ECCOMAS Thematic Conference Computational Method in Structural Dynamic and Earthquake Engineering (COMPDYN 2015), Crete, Greece, Paper No Ολίσθηση (mm)

23 Συμπεράσματα Διαφάνηκε η ευαισθησία των συντελεστών μονολιθικότητας στη θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος του πυρήνα και του μανδύα, καθώς και στο διαμήκη οπλισμό του μανδύα για αυξανόμενο αξονικό φορτίο. Χρειάζεται περαιτέρω πειραματική διερεύνηση της απόκρισης στοιχείων Ο/Σ που ενισχύονται με μανδύες Ο/Σ και έχουν χαμηλή θλιπτική αντοχή πυρήνα. Η απόκριση διεπιφανειών με σημαντική διαφορά στη θλιπτική αντοχή μεταξύ παλαιού και νέου σκυροδέματος, το οποίο είναι σύνηθες στην πράξη, πρέπει να διερευνηθεί περαιτέρω. Οι προτεινόμενες τιμές των συντελεστών μονολιθικότητας κατά ΕΚ8-ΙΙΙ (2005) και ΚΑΝ.ΕΠΕ. (2013) μπορούν να εφαρμοστούν για συγκεκριμένες ποιότητες των υλικών κατασκευής πυρήνα και μανδύα και επίπεδο αξονικού φορτίου. Αυτά τα όρια καθορίζονται από τα πειραματικά δεδομένα ως εξής: ρ c =0.81 ~ 2.01%; ρ J =0.75 to 1.64%; core f c =22.9~58.2 MPa; jacket f c =7~68.7 MPa; ν=0~0.23

24 «ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΤΟΥ ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΥ ΕΠΕΜΒΑΣΕΩΝ (ΚΑΝ.ΕΠΕ.) - ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ» Τρίτη 21 Ιουνίου 2016 Διεπιφάνειες σκυροδέματος - Συντελεστές μονολιθικότητας Γεωργία Ε. Θερμού Επίκουρη Καθηγήτρια Εργαστήριο Κατασκευών Οπλισμένου Σκυροδέματος και Φέρουσας Τοιχοποιίας Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης