6 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ: ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ, ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ

Transcript

1 ΣΧΟΛΗ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΜΠ ΤΕΧΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ 6 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ: ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ, ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Ε. Βιντζηλαίου (Συντονιστής), Ε. Βουγιούκας, Ε. Μπαδογιάννης

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες Χρήσης Creative Commons. για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 Aντοχή: η μέγιστη τάση που μπορεί να αναλάβει το υλικό, πρίν τη θραύση 3

4 S k x 3 S: αντοχή, k = 235 MPa, x = Vστ/(Vκεν+Vστ) = 1 α, α = Vκεν/(Vκεν+Vστ), πορώδες n f f x f (1 a ),0,0 cp cp cp n f cp : θλιπτική αντοχή τσιμεντοπολτού, f cp,0 : θλιπτική αντοχή τσιμεντοπολτού με μηδενικό πορώδες, n 3 4

5 Αντοχ/η θλίψης (MPa) δοκίμια σκυροδέματος Φ150x300 mm, με τσιμέντο Portland 28 ημέρες f c k k 1 N/ T 2 1 ημέρα k 1, k 2, εμπειρικές σταθερές λόγος Ν/Τ Σχέση θλιπτικής αντοχής και λόγου Ν/T για διαφορετικούς βαθμούς ενυδάτωσης 5

6 Εγκλωβισμένος αέρας: αυξάνεται πορώδες => μειώνεται η αντοχή βελτιώνει η εργασιμότητα => αυξάνεται η αντοχή της μεταβατικής ζώνης (ιδιαίτερα σε σκυροδέματα πτωχά σε νερό και τσιμέντο). Επιρροή εγκλωβισμένου αέρα στην αντοχή του σκυροδέματος συναρτήσει (α) του λόγου Ν/Τ και (β) της περιεκτικότητας του αναμίγματος σε τσιμέντο. 6

7 Τσιμέντο: Μεγάλη συσχέτιση αντοχής 28 ημερών σκυροδέματος, με την αντοχή του τσιμέντου Αδρανή: μέγεθος σχήμα επιφανειακή υφή διαβάθμιση (κατανομή μεγέθους) ορυκτολογική σύσταση Ο ρόλος του μεγέθους μέγιστου κόκκου αδρανών στην αντοχή του σκυροδέματος για διάφορους λόγους Ν/Τ 7

8 Νερό ανάμιξης: επίδραση κυρίως ως προς την ποσότητα του (Ν/Τ) νερό βιολογικού αλμυρό/υφάλμυρο περιορισμοί Πρόσμικτα-Πρόσθετα: αερακτικά ρευστοποιητικά/υπερρευστοποιητικά: θετική επίδραση στα αρχικά στάδια της ενυδάτωσης επιταχυντικά ή επιβραδυντικά: αρχικές αντοχές (τις αυξάνουν ή τις μειώνουν, αντίστοιχα) όχι όμως και τις τελικές πρόσθετα: βελτίωση 8

9 Χρόνος: αυξάνεται με το χρόνο 28 { s[1 ]} t cm( ) cc( ) cm cm f t t x f e x f οι συντελεστές β cc, s, σχετίζονται με την ποιότητα του τσιμέντου-σκυροδέματος Υγρασία Θερμοκρασία: αύξηση ταχύτητας αντιδράσεων ενυδάτωσης αύξηση του ρυθμού ανάπτυξης αντοχής αύξηση θερμότητας ενυδάτωσης Επίδραση του χρόνου υγρής συντήρησης στην αντοχή του σκυροδέματος 9

10 ΣΧΗΜΑ τριαξονικό φαινόμενο - λόγος 2:1 θλιπτική αντοχή κυλίνδρου < αντοχή κύβου (150x300 mm/150 mm, 75-85%) ΜΕΓΕΘΟΣ: η αντοχή μειώνεται με το μέγεθος Επίδραση του σχήματος του δοκιμίου στη μορφή αστοχίας: (α) κύβος, (β) κύλινδρος. ΥΓΡΑΣΙΑ: μεγαλύτερη αντοχή τα ξηρά δοκίμια (20% περίπου μεγαλύτερη) ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΦΟΡΤΙΣΗΣ: η αντοχή γενικά εκτιμάται μεγαλύτερη, με γρήγορη φόρτιση 10

11 σ < 0.3 f c : γραμμικά ελαστική συμπεριφορά/αναδιάταξη υπαρχουσών ρωγμών ΜΖ 0.3 f c < σ < 0.5 f c : μη γραμμική συμπεριφορά/αύξηση υπαρχουσών ρωγμών ΜΖ σ < 0.75 f c (κρίσιμη τάση): διάδοση ρωγμών στον τσιμεντοπολτό Τυπικά διαγράμματα θλιπτικής τάσης συναρτήσει (α) αξονικής και εγκάρσιας παραμόρφωσης, και (β) παραμόρφωσης όγκου. 11

12 Σχηματική απεικόνιση της συμπεριφοράς του σκυροδέματος σε μονοαξονική θλίψη 12

13 Επίδραση βραχυχρόνιας και μακροχρόνιας φόρτισης σε μονοαξονική θλίψη, στην αντοχή και στην παραμόρφωση Ταχύτητα φόρτισης: η αντοχή του σκυροδέματος αυξάνεται με το ρυθμό επιβολής του φορτίου MPa/sec ( MPa/sec) 13

14 Θλιπτική αντοχή f c : τυχαία μεταβλητή κανονικής κατανομής, μέσης τιμής f cm και τυπικής απόκλισης, s f f s Χαρακτηριστική αντοχή, f ck : υποθετικά, αν ολόκληρη η ποσότητα του σκυροδέματος μετατρέπεται σε δοκίμια, το 5% αυτών θα είχαν αντοχή μικρότερη της f ck Συμβατική αντοχή, f 28 : δοκίμια τυποποιημένης μορφής και διαστάσεων κύλινδρος διαμέτρου 150 mm και ύψους 300 mm κύβος πλευράς 150 mm παρασκευάζονται από νωπό σκυρόδεμα, κατά τη διάστρωση συντηρούνται με καθορισμένο τρόπο δοκιμάζονται σε θλίψη με τυποποιημένο τρόπο ck cm Αντιστοιχία συμβατικών αντοχών κυλινδρικών και κυβικών δοκιμίων Αντοχή κυλίνδρου 150x300 mm (MPa) Αντοχή κύβου 150 mm (MPa) Αντοχή κύβου 200 mm (MPa)

15 Κρούση: η αντοχή του σκυροδέματος αυξάνεται με την αύξηση του ρυθμού επιβολής του κρουστικού φορτίου με το βαθμό τραχύτητας χονδρόκοκκων αδρανών με τη μείωση του μεγέθους των αδρανών f c, imp f cm ( ) s 0 για σ 10 6 ΜPa/sec f ( ) s c, imp 1/ 3 f cm 0 για σ >10 6 ΜPa/sec f cm = θλιπτική αντοχή σε ταχύτητα σ 0 = 1 MPa/sec σ = ρυθμός επιβολής θλιπτικής τάσης a s = 1/( f cm ) ( f cm σε MPa) logβ s = 6a s

16 Αστοχία, για ανώτατη τάση > 60% περίπου της θλιπτικής αντοχής προοδευτική μικρορηγμάτωση της ΜΖ και τσιμεντοπολτού μη-γραμμικότητα βρόγχοι υστέρησης περιβάλλουσα καμπύλη καμπύλη σ-ε μονοτονική φόρτιση Συμπεριφορά σκυροδέματος σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση 16

17 Αστοχία λόγω απότομης επέκτασης λίγων ρωγμών, κάθετα στη διεύθυνση της φόρτισης μείωση διατομής δοκιμίων συγκέντρωση τάσεων επέκταση λίγων σχετικά ρωγμών, αβεβαιότητα στα αποτελέσματα f ctm 7 13 % f ck f ctm 0.3 f ck 2/3, ΕΚΩΣ (2000) 17

18 Αστοχία λόγω απότομης επέκτασης λίγων ρωγμών, κάθετα στη διεύθυνση της φόρτισης f ctm 7 13 % f ck f ctm 0.3 f ck 2/3, ΕΚΩΣ (2000) Πειραματικές διατάξεις άμεσων πειραματικών ελέγχων εφελκυστικής αντοχής 18

19 f ct, sp h 2P LD Ρ = μέγιστη δύναμη L = 300 mm, μήκος κυλινδρικού δοκιμίου D = 150 mm, διάμετρος κυλινδρικού δοκιμίου υπερεκτίμηση 10-15%, f ct,sp f ctm Δοκιμή διάρρηξης και διάγραμμα κατανομής τάσεων 19

20 f M W 6M bd max max ct, fl max 2 Κάμψη αμφιέρειστης δοκού Κάμψη πρισματικού δοκιμίου για τον έμμεσο προσδιορισμό της εφελκυστικής αντοχής - "μέτρο θραύσης" ή "αντοχή σε εφελκυσμό από κάμψη b=150 d=150 L=600 ή 750 mm f ct, fl f ctm μη-γραμμικότητα καμπύλης τάσεων-παραμορφώσεων μέγιστη εφελκυστική τάση μόνο στην ακραία ίνα του δοκιμίου γενικά, μεγάλη διασπορά, 90% των τιμών μεταξύ 0.7 f ctm και 1.3 f ctm 20

21 αρχικό μέτρο ελαστικότητας, E co εφαπτομενικό (ή στιγμιαίο) μέτρο ελαστικότητας, E ct επιβατικό (ή τέμνον) μέτρο ελαστικότητας, E cs, (σημείο αναφοράς, 40% σ max ) 40% fc δυναμικό μέτρο ελαστικότητας, E cd (E cd E co ) Ορισμός μέτρων ελαστικότητας για το σκυρόδεμα E cm 9500( f 8) ck 1/ 3 E cm και f ck σε MPa 21

22 Διάφοροι παράγοντες που επηρεάζουν το μέτρο ελαστικότητας του σκυροδέματος υγρασία ταχύτητα φόρτισης πορώδες Ν/Τ % αέρα, πρόσθετα βαθμός ενυδάτωσης κενά μικρορωγμές κρύστάλλοι Ca(OH) 2 πορώδες ασβεστολιθικά: GPa>>5-10 Gpa (τσιμεντοπολτού), ελαφροαδρανή 22

23 ΣΥΣΤΟΛH ΞHΡΑΝΣΗΣ συστολή, εξαιτίας της απώλειας νερού του τσιμεντοπολτού ομοιόμορφη κατανομή τάσεων προς όλες τις διευθύνσεις ΕΡΠΥΣΜΟΣ επίδραση μόνιμης τάσης => συμπίεση φυσικά προσροφώμενου νερού στο C-S-H => ανάπτυξη ερπυστικών παραμορφώσεων παραμόρφωση παράλληλη στη διεύθυνση της τάσης ΒΑΣΙΚΟΣ ΕΡΠΥΣΜΟΣ αύξηση της παραμόρφωσης με το χρόνο, υπό τη δράση σταθερής τάσης σε συνθήκες 100% σχετικής υγρασίας 23

24 υστέρηση: ανάπτυξη χημικών δεσμών στη δομή του C-S-H υστέρηση: καθυστερημένη ελαστική αποφόρτιση των αδρανών μικρορηγμάτωση της ΜΖ Αναστρεψιμότητα (α) συστολής ξήρανσης και (β) ερπυσμού 24

25 S S c p C (1 g) n c (1 )a C g p g = κατ' όγκον αναλογία των αδρανών n, α = εκθέτες c: cement p: paste Ο ρόλος των αδρανών (α) στη συστολή ξήρανσης και (β) στον ερπυσμό 25

26 fc => c Ν/Τ (τσιμέντο, σταθερό) => c, s τσιμέντο (Ν/Τ, σταθερό) => c, s 26

27 Χρονική εξάρτηση (α) της συστολής ξήρανσης και (β) του ερπυσμού 27

28 Επίδραση της σχετικής υγρασίας (α) στη συστολή ξήρανσης και (β) στον ερπυσμό 28

29 μήκος της διαδρομής που διανύει το νερό h:λόγος επιφάνειας διατομής ενός στοιχείου, A c, προς την ημιπερίμετρο, u/2 Επίδραση του ιδεατού μεγέθους (α) στη συστολή ξήρανσης και (β) στον ερπυσμό 29

30 Εναλλαγές ξήρανσης-ύγρανσης: αυξάνουν τον ερπυσμό λόγω μικρορηγμάτωσης στη μεταβατική ζώνη Θερμοκρασία: υψηλές θερμοκρασίες κατά τη συντήρηση του σκυροδέματος αυξάνουν την αντοχή και μειώνουν τον ερπυσμό, κατά τη διάρκεια της φόρτισης ο ερπυσμός αυξάνεται Μέγεθος των τάσεων: οι ερπυστικές παραμορφώσεις αυξάνονται αναλογικά με τις τάσεις στη γραμμική περιοχή του διαγράμματος σ-ε (δηλαδή μέχρι το 40% περίπου της αντοχής, για θλιπτικές τάσεις), εντονότερη αύξηση για μεγαλύτερες τάσεις (περίπου 35% μεγαλύτερες παραμορφώσεις για τάση ίση με 60% της θλιπτικής αντοχής). 30

31 Φαινόμενο υψηλές θερμοκρασίες κατά τη ενυδάτωση του τσιμέντου ανάπτυξη εφελκυστικών παραμορφώσεων ρηγμάτωση (θερμική ρηγμάτωση) λόγω διαφοράς θερμοκρασίας των εξωτερικών επιφανειών (ψυχρότερες) με το εσωτερικό (θερμότερο) των στοιχείων Παράγοντες βαθμός περιορισμού των παραμορφώσεων μέτρο ελαστικότητας του σκυροδέματος συντελεστής θερμικής διαστολής αύξηση της θερμοκρασίας λόγω ενυδάτωσης χαλάρωση των τάσεων λόγω ερπυσμού. Μέτρα: περιορισμός της θερμοκρασιακής μεταβολής (βάθμωσης) μερική αντικατάσταση τσιμέντου με ποζολάνες (έλεγχος θερμότητας ενυδάτωσης) 31

32 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα Πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοιχτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση.