Λέξεις κλειδιά: Αγκύρωση CFRP, καµπτική ενίσχυση κατακόρυφων στοιχείων Ο/Σ, καµπτική συµπεριφορά οµοιωµάτων πυλώνων γεφυρών Ο/Σ

Transcript

1 ιερεύνηση της Αγκύρωσης Ινοϋφασµάτων από Άνθρακα για την Καµπτική Ενίσχυση Κατακόρυφων Στοιχείων από Οπλισµένο Σκυρόδεµα (Ο/Σ) Anchorage of CFRP Sheets for Upgrading the Flexural Capacity of R/C Vertical Members Γεώργιος Χ. ΜΑΝΟΣ 1, Κων/τίνος ΚΑΤΑΚΑΛΟΣ 2, Βλαδίµηρος ΚΟΥΡΤΙ ΗΣ 3 Λέξεις κλειδιά: Αγκύρωση CFRP, καµπτική ενίσχυση κατακόρυφων στοιχείων Ο/Σ, καµπτική συµπεριφορά οµοιωµάτων πυλώνων γεφυρών Ο/Σ ΠΕΡΙΛΗΨΗ : ιερευνάται η εφαρµογή ανθρακο-ινοϋφασµάτων (CFRP) για την βελτίωση της καµπτικής συµπεριφοράς κατακόρυφων δοµικών στοιχείων από Ο/Σ µε επιµήκη διατοµή (µεσόβαθρα) µέσω της βελτίωση δύο επί-µέρους µηχανισµών. ηλαδή της θλιπτικής αστοχίας του σκυροδέµατος λόγω συγκέντρωση θλιπτικής έντασης στην άκρη της διατοµής και της εφελκυστικής αστοχίας των διαµήκων οπλισµών. Η βελτίωση και των δύο αυτών µηχανισµών επιχειρήθηκε µε την εξωτερική επικόλληση και αγκύρωση οριζόντιων και κατακόρυφων λωρίδων CFRP. Κρίσιµο στοιχείο µιας τέτοιας επισκευής/ενίσχυσης αποτελεί η αγκύρωση των αντίστοιχων λωρίδων CFRP. Κατασκευάστηκαν και ελέγχθηκαν στο εργαστήριο φυσικά οµοιώµατα ώστε να εξετασθεί η βελτίωση του ενός ή του άλλου µηχανισµού ξεχωριστά. Αναδείχθηκε ότι κρίσιµο σηµείο της επιδιωκόµενης βελτίωσης και για τους δύο µηχανισµούς αποτελεί η αποτελεσµατικότητα της αγκύρωσης των λωρίδων CFRP. ABSTRACT: The upgrading of the flexural capacity of reinforced concrete (R/C) vertical members having relatively long cross-sections is examined by externally applying CFRP sheets. The aim is to improve both the compressive behavior at the edges of such cross-sections as well as the tensile capacity of the longitudinal reinforcement. Horizontal and vertical CFRP layers were applied externally to meet both requirements; that is to improve the compressive behavior by means of confinement and to act as external longitudinal reinforcement. For both cases it is critical to apply the CFRP sheets effectively so that they can perform in the desired capacity. The current experimental investigation is focusing on the effective anchoring of the CFRP sheets, which is shown to be critical for both cases. 1 Καθηγητής, Τµήµα Πολ. Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, gcmanos@civil.auth.gr 2 Πολιτικός Μηχανικός, Υποψήφιος ιδάκτορας, Τµήµα Πολ. Μηχανικών, Α.Π.Θ. 3 ρ. Πολιτικός Μηχανικός, Επ. Συνεργάτης, Τµήµα Πολ. Μηχανικών, Α.Π.Θ. 1

2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η χρησιµοποίηση ινοϋφασµάτων που επικολλώνται εξωτερικά για την βελτίωση της συµπεριφοράς δοµικών στοιχείων Ο/Σ προτείνεται ως µια πρακτική µε πολλαπλές εφαρµογές µε κύρια πλεονεκτήµατα την ευκολία της εφαρµογής τους και τις δυνατότητες που παρέχουν. Σηµαντικό παράγοντα για την ορθή εκµετάλλευση των ιδιοτήτων του υλικού αυτού αποτελεί ο σχεδιασµός και η υλοποίηση κατάλληλων µέσων αγκύρωσης. Επιτρέπει, επίσης, την αξιοποίηση των λωρίδων CFRP και σε άλλες εφαρµογές πέραν αυτής της πλήρους περιτύλιξης ενός τµήµατος δοµικού στοιχείου από µία συνεχή λωρίδα υφάσµατος. (Kawashima, 2000) Η εξέταση κατάλληλων µέσων αγκύρωσης στην παρούσα εργασία θα επιχειρηθεί στο πλαίσιο της ενίσχυσης της καµπτικής φέρουσας ικανότητας κατακόρυφων φερόντων στοιχείων από Ο/Σ µε επιµήκη διατοµή που χρησιµοποιούνται µεταξύ των άλλων ως µεσόβαθρα γεφυρών (σχήµα1 και 2). Σχήµα 1. Καµπτική απόκριση µεσόβαθρου Σχήµα 2. Φυσικό οµοίωµα µεσόβαθρου Στο πρώτο µέρος παρουσιάζονται συνοπτικά τα πλέον ενδιαφέροντα αποτελέσµατα και συµπεράσµατα µιας πειραµατικής εξέτασης όπου επιχειρήθηκε να βελτιωθεί ως έναν βαθµό η θλιπτική συµπεριφορά τµηµάτων τέτοιας µορφής διατοµών σε κατακόρυφα δοµικά στοιχεία µέσω ενός συστήµατος «µερικής περίσφιγξης». Το σύστηµα αυτό των οριζόντιων λωρίδων CFRP εφαρµόστηκε σε µια σειρά δοκιµίων που στην συνέχεια φορτίστηκαν µέχρις αστοχίας στο εργαστήριο Πειραµατικής Αντοχής των Υλικών και των Κατασκευών του Α.Π.Θ. (Μanos and Kourtides 2007). Στο δεύτερο µέρος της παρούσης εργασίας εξετάζεται η δυνατότητα βελτίωσης της καµπτικής φέρουσας ικανότητας κατακόρυφων φερόντων στοιχείων Ο/Σ και πάλι επιµήκους διατοµής µε την προσθήκη στις εξωτερικές παρειές του δοµικού στοιχείου λωρίδων CFRP που να µπορούν να ενεργήσουν εν είδει διαµήκων οπλισµών (Paterson and Mitchell, 2003). Και στις δύο περιπτώσεις θα παρουσιαστεί και θα συζητηθεί η 2

3 σπουδαιότητα της αγκύρωσης για την µεταφορά των δυνάµεων που οι διατοµές των λωρίδων CFRP µπορούν να παραλάβουν. ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΘΛΙΠΤΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΜΕΣΩ ΜΕΡΙΚΗΣ ΠΕΡΙΣΦΙΞΗΣ Παρουσιάζεται εδώ η δυνατότητα βελτίωσης της θλιπτικής συµπεριφοράς του ακραίου τµήµατος µιας επιµήκους διατοµής, µε λόγο ύψους προς πλάτος µεγαλύτερο του 1.5 (h/b > 1.5), ενός κατακόρυφου δοµικού στοιχείου Ο/Σ. Η συµπεριφορά τέτοιου τύπου δοµικών στοιχείων εξετάσθηκε διεξοδικά από τον Pinto (Pinto, 1996). Για διατοµές µε λόγο ύψους προς πλάτος µικρότερο του 1.5 (h/b < 1.5) προτάθηκαν κανονιστικές οδηγίες για την κατασκευή ορθογωνικών µανδυών µε την χρήση ινοϋφασµάτων-cfrp (Tsonis, 2004). Στην παρούσα διερεύνηση εξετάζεται η δυνατότητα να χρησιµοποιηθεί ως εναλλακτική λύση ένα σύστηµα εξωτερικής «µερικής περίσφιγξης» µε λωρίδες ανθρακοινοϋφασµάτων (CFRP), αντί της εφαρµογής ενός πλήρους µανδύα που να περιβάλλει ολόκληρη την διατοµή, όπως φαίνεται ενδεικτικά στο σχήµα 3. Λόγω του γεγονότος ότι τα ινοϋφάσµατα (σχήµα 3) δεν περιτυλίγουν τη διατοµή ολοκληρωτικά χρησιµοποιήθηκε στα πλαίσια της εν λόγω διερεύνησης ο όρος «µερική περίσφιγξη». Όπως θα παρουσιασθεί στη συνέχεια η αγκύρωση των ινοϋφασµάτων αποτελεί κοµβικό στοιχείο της αποτελεσµατικότητας της «µερικής περίσφιγξης». Με σκοπό να εξετασθεί πειραµατικά η αποτελεσµατικότητα ενός τέτοιου συστήµατος µερικής περίσφιγξης κατασκευάστηκε ένας αριθµός από δοκίµια Ο/Σ. Στην παρούσα φάση η φόρτιση που επιβλήθηκε στα δοκίµια αυτά ήταν κατακόρυφη θλίψη, χωρίς την ταυτόχρονη παρουσία καµπτικής ροπής, που θα προέκυπτε από την επιβολή οριζόντιων σεισµικών φορτίων. Επιλέχτηκε να φορτιστούν δοκίµια που θα µπορούσε να θεωρηθεί ότι αντιπροσωπεύουν κατά προσέγγιση το ½ µιας επιµήκους συνολικής διατοµής διαστάσεων 500mm x 200mm (h/b= 2.5). Κατασκευαστική λεπτοµέρεια της διατοµής αυτών των δοκιµίων απεικονίζεται στο σχήµα 4. Στο αριστερό και δεξιό µέρος του σχήµατος 4 απεικονίζεται η διατοµή των δοκιµίων πριν και µετά την εφαρµογή της µερικής περίσφιγξης. Με στόχο να οδηγηθεί η θλιπτική αστοχία των εν λόγω δοκιµίων στην περιοχή της διατοµής τους, που υποτίθεται ότι αντιστοιχεί στο ακραίο τµήµα της συνολικής επιµήκους διατοµής, τα εν λόγω δοκίµια κατασκευάστηκαν ώστε η διατοµή τους να αποτελείται από δύο διακριτά υποσύνολα (σχήµα 4) εκ των οποίων το ένα χαρακτηρίζεται ασθενές (µε εγκάρσιο οπλισµό Φ6/10cm) ενώ το άλλο ισχυρό (µε εγκάρσιο οπλισµό Φ6/5cm ). Τα σχήµατα 5α και 6α είναι ενδεικτικά των δοκιµίων και της περιοχής που ελέγχεται. Η ασθενής περιοχή της διατοµής του σχήµατος 4 (άκρο της συνολικής διατοµής) είναι σχετικά µικρής θλιπτικής αντοχής σε σχέση µε την υπόλοιπη περιοχή που χαρακτηρίζεται ισχυρή. Η διαφοροποίηση της θλιπτικής συµπεριφοράς των δύο αυτών περιοχών της διατοµής των δοκιµίων που εξετάσθηκαν επιτεύχθηκε µέσω της αύξησης του ποσοστού του εγκάρσιου οπλισµού περίσφιγξης της ισχυρής περιοχής της διατοµής σε σχέση µε αυτό της ασθενούς (σχήµα 4). Με αυτόν τον σχετικά απλό 3

4 υποκατάστατο τρόπο έγινε προσπάθεια να προσοµοιωθεί η κατάσταση της θλιπτικής αστοχίας που θα προέκυπτε στο ακραίο τµήµα της συνολικής διατοµής από αυξηµένες απαιτήσεις λόγω ταυτόχρονης θλίψης και κάµψης. Η εξαγωγή τελικών συµπερασµάτων για την αποτελεσµατικότητα της προτεινόµενης µερικής περίσφιγξης θα προκύψει από την εφαρµογή ταυτόχρονης θλίψης και κάµψης σε κατάλληλα δοκίµια που δεν έγινε προς το παρόν. Σχήµα 3. ιατοµή Ο/Σ µε λόγο πλευρών h/b>1.5 Σχήµα 4. ιατοµή των δοκιµίων µε η χωρίς µερική περίσφιγξη Την θλιπτική αυτή αστοχία στο ακραίο τµήµα προτίθεται να αποτρέψει το σύστηµα της εξωτερικής «µερικής περίσφιγξης» µε λωρίδες ανθρακοινοϋφασµάτων (CFRP), βελτιώνοντας µε τον τρόπο αυτό την συµπεριφορά των δοκιµίων. Η αγκύρωση των λωρίδων CFRP γίνεται µε διαφόρων τύπων αγκύρια (πίνακας 1) στο τµήµα που το ινοϋφασµα καλύπτει τις πλευρές του ισχυρού τµήµατος της διατοµής. Στο σχήµα 5α απεικονίζεται ένα τέτοιο δοκίµιο πριν υποβληθεί στην φορτιστική διαδικασία που περιγράφηκε. Στο σχήµα αυτό φαίνονται τα πάνω και κάτω τµήµατα του δοκιµίου ενισχυµένα µε τις χαλύβδινες πλάκες καθώς και το µεσαίο του τµήµα µε την µερική περίσφιγξη από ανθρακοϋφάσµατα σε µορφή Π καθώς και η αγκύρωσή τους στην ισχυρή περιοχή της διατοµής (σχήµα 5β). Πέραν της συνεχούς καταγραφής της µεταβολής του θλιπτικού φορτίου, καταγράφονταν ταυτόχρονα και η αντίστοιχη µεταβολή της γεωµετρίας του µεσαίου τµήµατος κατά την έννοια του ύψους του δοκιµίου µε την βοήθεια µετρητών µετατόπισης. Είναι προφανές ότι στην παρούσα εξέταση σηµασία έχει η σύγκριση της συµπεριφοράς µεταξύ των δοκιµίων που γίνεται τόσο µέσα από την σύγκριση των αντίστοιχων καµπύλων µέσης θλιπτικής τάσης µέσης βράχυνσης και του µέγιστου φορτίου (µέγιστης µέσης θλιπτικής τάσης) που παραλαµβάνουν όσο και µέσα από τις µορφές αστοχίας που εµφανίστηκαν στο µεσαίο τµήµα των δοκιµίων και στα επί µέρους συστατικά που τα αποτελούν. Έτσι, ο βαθµός της βελτίωσης της θλιπτικής συµπεριφοράς των δοκιµίων προκύπτει από τα συµπεράσµατα των προαναφερθέντων συγκρίσεων. Στο σχήµα 6α φαίνεται η αστοχία ενός δοκιµίου χωρίς µερική περίσφιγξη. Στο σχήµα 6β φαίνεται η αστοχία ενός δοκιµίου µε µερική περίσφιγξη, που εκδηλώθηκε λόγω της αστοχίας των αγκυρίων, ενώ στο 4

5 σχήµα 6γ τα αγκύρια δεν αστόχησαν και η αστοχία εκδηλώθηκε µε θραύση των ανθρακο-ινοϋφασµάτων CFRP, που υποδεικνύει, ικανοποιητική εκµετάλλευση του υλικού των ανθρακο-υφασµάτων και µάλλον αποτελεσµατική µερική περίσφιγξη. Αριθµός οκιµίου και οκιµής 1 οκιµή 1 1 οκιµή 2 Πίνακας 1. Συνοπτικά αποτελέσµατα δοκιµών µερικής περίσφιγξης Παρθένο Επισκευασµένο Αριθµός στρώσεων CFRP τύπου 1** Αγκύρια τύπου 2*** Όχι No Όχι Όχι Όχι / EMACO 3 (+2) 1a οκιµή 1 Όχι 3 Όχι 3 οκιµή 1 3 οκιµή 2 Όχι No Όχι Όχι No Όχι 3 (+2) 3a οκιµή 1 Όχι 5 3a οκιµή 2 4 οκιµή 1 No / EMACO 5 Όχι 5 4a οκιµή 1 Όχι 5 Όχι 5 οκιµή 1 5 οκιµή 2 5 οκιµή 3 5 οκιµή 4 Όχι 5 (+2) Όχι - 5 (+2) Όχι - No Top / EMAKO / EMAKO 5 (+2) Όχι 7 Όχι ασθενή ασθενή ισχυρά ισχυρά ισχυρά ισχυρά 5a οκιµή 1 Όχι No Όχι Όχι 5a οκιµή 2 No 7 Όχι 5a οκιµή 3 No 7 +4 Όχι ισχυρά ισχυρά Μέγιστη µέση τάση θλίψης (MPa) (146.9%)* (148.9%) (177.4%) (147.7%) (165.9%) (170.6%) (154.0%) (168.2%) (164.4%) (195.5%) (200.2%) (195.5%) (213.3) (158.4%) (221.8%) (233.2%) Μορφή Αστοχίας Ασθενής περιοχή Εξόλκευση αγκυρίων 1 Εξόλκευση αγκυρίων 1 Ασθενής περιοχή αγκύρωση αγκύρωση αγκύρωση αγκύρωση αγκύρωση χαλύβδινες πλάκες χαλύβδινες πλάκες CFRP στο µεσαίο τµήµα Συνδετήρες Ασθενής περιοχή CFRP στο µεσαίο τµήµα Ισχυρή περιοχή * Ως ποσοστό (%) της απερίσφιχτης αντοχής κυλινδρικών δοκιµίων που λήφθηκαν στο στάδιο της κατασκευής. ** Αγκύρια (Hildi) d=7mm σε βάθος 60mm εντός του όγκου του σκυροδέµατος *** Αγκύρια d=10 mm που διέρχονται διαµπερώς µέσα από τον όγκο του σκυροδέµατος Στον πίνακα 1 περιλαµβάνεται µια σύνοψη όλης της πειραµατικής ακολουθίας µε την συνοπτική περιγραφή των δοκιµίων που εξετάσθηκαν καθώς και την ύπαρξη ή µη µερικής περίσφιγξης µε τα συστατικά της (ανθρακο-υφάσµατα και χαρακτηριστικά της αγκύρωσής τους). Στον ίδιο πίνακα αναγράφεται επίσης η φέρουσα ικανότητα κάθε δοκιµίου µε όρους µέγιστης µέσης θλιπτικής τάσης. Η 5

6 µέγιστη µέση θλιπτική τάση κυµαίνεται για τα δοκίµια αυτά στο επίπεδο των 42MPa ( οκίµιο 1 δοκιµές 1 και 2). Σχήµα 5α. οκίµιο ενισχυµένο µε µερική περίσφιγξη. Σχήµα 5β. Αγκύρωση µερικής περίσφιγξης. Σχήµα 6α, Αστοχία χωρίς µερική περίσφιγξη. Σχήµατα 6β, 6γ. Μορφή αστοχίας δοκιµίων µε µερική περίσφιγξη. Βελτίωση του συστήµατος αγκύρωσης συνεπάγεται µια αύξηση της φέρουσας ικανότητας. Αν, παρά την βελτίωση, εξακολουθεί η αστοχία να εµφανίζεται στο σύστηµα αγκύρωσης η αύξηση αυτή δεν είναι πολύ σηµαντική, µε την µέγιστη µέση θλιπτική τάση να κυµαίνεται στο επίπεδο των 46MPa ( οκίµια 3, 3a, 4 και 4a). Περαιτέρω βελτίωση του συστήµατος αγκύρωσης συνεπάγεται µια αξιοσηµείωτη αύξηση της φέρουσας ικανότητας που φθάνει µέχρι και 60MPa ( οκίµια 5 και 5α). Επιπλέον, αξίζει να σηµειωθεί ότι η αστοχία των δoκιµίων εκδηλώνεται µέσω της εφελκυστικής αστοχίας κατά την εγκάρσια έννοια των λωρίδων των ανθρακο-ινουφασµάτων της µερικής περίσφιγξης, γεγονός που υποδηλώνει την αποτελεσµατικότητα της µερικής περίσφιγξης, µέσω µιας αύξησης της φέρουσας ικανότητας περισσότερο από 50% σε σχέση µε το απερίσφιχτο δοκίµιο. Στο σχήµα 7 περιλαµβάνεται η περιγραφή της συµπεριφοράς τεσσάρων δοκιµίων µε όρους µέσης θλιπτικής τάσης µέσης βράχυνσης. Είναι σηµαντικό να σηµειωθεί ότι το σύστηµα αγκυρίων και στα τρία αυτά επισκευασµένα δοκίµια βελτιώθηκε σε τέτοιο βαθµό ώστε η αστοχία τους να εκδηλωθεί στην υποτιθέµενη ισχυρή περιοχή της διατοµής (σχήµα 4). Μπορεί λοιπόν να διατυπωθεί το συµπέρασµα ότι ένα τέτοιο σύστηµα µερικής περίσφιγξης στα δοκίµια που εξετάσθηκαν ήταν αρκετά αποτελεσµατικό ώστε να αυξήσει την φέρουσα ικανότητα κατά 50% και να προσδώσει πολύ µεγάλη αύξηση σε όρους παραµορφωσιµότητας στα εν λόγω δοκίµια κατά τρόπο ώστε το µέγιστο φορτίο να µπορεί να διατηρείται επί µακρόν χωρίς την απότοµη πτώση που παρατηρείται στο δοκίµιο χωρίς περίσφιγξη. Επιπρόσθετα, θα πρέπει να τονισθεί ότι, όπως αναµένονταν, ένα τέτοιο σχήµα µερικής περίσφιγξης είναι αποτελεσµατικό εφόσον επιτευχθεί η κατάλληλη αγκύρωση των λωρίδων των ανθρακο-ινοϋφασµάτων στον όγκο του 6

7 σκυροδέµατος µε την χρήση της κατάλληλης κατασκευαστικής διάταξης. Στην διερεύνηση που παρουσιάστηκε η κατάλληλη αυτή αγκύρωση έγινε εφικτή σε βαθµό που να µην εξαντληθεί η φέρουσα ικανότητα της (δες πίνακα 1, δοκίµιο 5α δοκιµή 3). Συνεπώς τεκµαίρεται ότι το σύστηµα αγκύρωσης των ινοϋφασµάτων αποτελεί κοµβικό στοιχείο της αποτελεσµατικότητας της «µερικής περίσφιγξης» και η εφαρµογή του σε πρωτότυπα δοµικά στοιχεία απαιτεί την ειδική µελέτη του αντίστοιχου συστήµατος αγκύρωσης που θα χρησιµοποιηθεί κατά περίπτωση. Σχήµα 7. Σύγκριση της συµπεριφοράς δοκιµίων χωρίς και µε µερική περίσφιγξη. ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΚΑΜΠΤΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΜΕΣΩ ΤΗΣ ΕΠΙΚΟΛΛΗΣΗΣ ΕΞΩΤΕΡΙΚΩΝ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΩΝ ΛΩΡΙ ΩΝ ΑΝΘΡΑΚΟΥΦΑΣΜΑΤΩΝ ΕΝ ΕΙ ΕΙ ΙΑΜΗΚΟΥΣ ΟΠΛΙΣΜΟΥ Στην περίπτωση αυτή τα κύρια προβλήµατα που θα πρέπει να αντιµετωπισθούν για αυτή την µορφή βελτίωσης της καµπτικής φέρουσας ικανότητας ενός κατακόρυφου δοµικού στοιχείου Ο/Σ επιµήκους διατοµής του τύπου του µεσόβαθρου είναι τα εξής: Α) Επάρκεια της λεπτοµέρειας επικόλλησης της λωρίδας του CFRP στην παρειά του δοµικού στοιχείου ώστε να µπορεί να ανταποκριθεί στο επίπεδο της έντασης που θα αναπτυχθεί. Β) Επάρκεια της κατασκευαστικής λεπτοµέρειας µεταφοράς των δυνάµεων ελκυσµού που θα αναπτυχθούν στην λωρίδα του CFRP στην θεµελίωσή του κατά τη διάρκεια της καµπτικής απόκρισης του δοµικού στοιχείου. Μια σχετικά µικρού εµβαδού διατοµή λωρίδας CFRP µπορεί να αναπτύξει σχετικά µεγάλα επίπεδα δυνάµεων ελκυσµού εφόσον θα ήταν δυνατό να οδηγηθεί 7

8 σε εφελκυστική αστοχία η ίδια η διατοµή του CFRP χωρίς την εκδήλωση των µορφών αστοχίας, που αναφέρθηκαν στα Α και Β προηγουµένως ,500 m Φ Φ6/100 (mm) Σχήµα 8. Η γεωµετρία του δοκιµίου Σχήµα 9. Λεπτοµέρεια της διατοµής Συνεπώς σηµαντική βελτίωση της καµπτικής φέρουσας ικανότητας τέτοιου τύπου δοµικών στοιχείων θα µπορούσε να προκύψει από ένα σύστηµα ενίσχυσης µε κατακόρυφες λωρίδες CFRP που θα συνοδεύονταν από κατάλληλες τεχνικές λεπτοµέρειες που θα ήταν σε θέση να προσδώσουν επαρκή πλευρική επικόλληση και επαρκή αγκύρωσή των λωρίδων CFRP στη θεµελίωση. Ένα τέτοιο σύστηµα διερευνήθηκε στο εργαστήριο Πειραµατικής Αντοχής των Υλικών και των Κατασκευών του Α.Π.Θ. όπως θα περιγραφεί συνοπτικά κατωτέρω. Για την διερεύνηση αυτή χρησιµοποιήθηκε ως φυσικό οµοίωµα µεσόβαθρου το δοκίµιο που απεικονίζεται στο σχήµα 2 και στο σχήµα 8. (Manos et.al., 2004 and 2007). Περιγραφή δοκιµής. Οι διαστάσεις του δοκιµίου απεικονίζονται στο σχήµα 8 ενώ το σχήµα 9 αποτελεί την κατασκευαστική λεπτοµέρεια µιας τυπικής οριζόντιας διατοµής του δοκιµίου που παρέµεινε σταθερή σε όλο το ύψος του. Η θεµελίωση του δοκιµίου πακτώνεται σε ένα πλαίσιο αντίδρασης, όπως φαίνεται στο σχήµατα 10. Στο πλαίσιο αυτό αντίδρασης το δοκίµιο υποβλήθηκε σε ανακυκλιζόµενη οριζόντια καταπόνηση, µέσω του οριζόντιου εµβόλου, ταυτόχρονα µε την επιβολή κατακόρυφου φορτίου σταθερής έντασης ίσης µε 95KN (κατακόρυφο έµβολο). Η χρονική εξέλιξη της οριζόντιας καταπόνησης µε την µορφή του ιστορικού των καταναγκασµένων οριζόντιων µετατοπίσεων του δοκιµίου, σε ένα ύψος περίπου 1.40m. Καθ όλη την διάρκεια του πειράµατος γινόταν η αυτόµατη καταγραφή της µεταβολής τόσο των µεγεθών φόρτισης (οριζόντιο και κατακόρυφο φορτίο) όσο και των µεγεθών απόκρισης µετατόπισης µέσω της οριζόντιας µετατόπισης του δοκιµίου στο επίπεδο της επιβολής της φόρτισης καθώς και των τυχόν σχετικών κατακόρυφων µετατοπίσεων µεταξύ της αριστερής και της δεξιάς παρειάς του δοκιµίου και της άνω επιφάνειας της θεµελίωσης. Πειραµατικά αποτελέσµατα 8

9 Το αρχικό δοκίµιο (Wall_A) υποβλήθηκε στη φορτιστική διαδικασία που περιγράφηκε προηγουµένως. Η απόκρισή του σε όρους ροπών στροφών απεικονίζεται στο σχήµα 11. Η βλάβη εµφανίστηκε στη βάση του πυλώνα, µε τη Σχήµα 10. Φορτιστική ιάταξη. µορφή ρηγµατώσεων εκεί που γίνεται η ένωση µε τη θεµελίωση και όπου αναπτύσσεται η µέγιστη καµπτική ροπή. Η παραλαµβανόµενη µέγιστη ροπή µένει περίπου σταθερή και είναι της τάξεως των 50KNm (σχήµα 11). Το δοκίµιο επισκευάστηκε µε την επικόλληση στις δύο απέναντι κατακόρυφες παρειές του λωρίδων CFRP (δύο στρώσεων ως προς το πάχος). Οι λωρίδες αυτές είχαν το πλάτος της παρειάς του πυλώνα (200mm) και µήκος επικόλλησης στην κάθε παρειά ίσο µε 1.10m (σχήµα 12). Η κάθε λωρίδα του CFRP επεκτείνονταν στη επιφάνεια της θεµελίωσης. Με τον τρόπο αυτό έγινε η προσπάθεια να εφαρµοσθεί ένταση κάθετα προς την επιφάνεια επικόλλησης του CFRP µε την θεµελίωση για να προκύψει αύξηση της τάσης συνάφειας. Το δοκίµιο αυτό υποβλήθηκε στην ίδια φορτιστική διαδικασία, όπως το «παρθένο» δοκίµιο. Η καµπτική του συµπεριφορά ήταν σχεδόν ταυτόσηµη ως προς την φέρουσα ικανότητα χωρίς σχεδόν καµιά βελτίωση. Αντίθετα, σηµειώθηκε µια αξιοσηµείωτη επαύξηση της δυσκαµψίας. Η µη βελτίωση της φέρουσας ικανότητας οφείλεται στο ότι για απαιτήσεις καµπτικής ροπής της τάξεως των 50KNm αποκολλήθηκαν οι λωρίδες CFRP από τις κατακόρυφες παρειές του δοκιµίου. Το γεγονός αυτό υπογραµµίζει την µεγάλη σηµασία της κατάλληλης αγκύρωσης των λωρίδων των ινοϋφασµάτων για να είναι αποτελεσµατικά, όπως ήδη σχολιάστηκε στο πρώτο µέρος της παρούσης εργασίας. Σχήµα 11. Απόκριση «Παρθένου» δοκιµίου Σχήµα 12. Αγκύρωση των λωρίδων CFRP στη θεµελίωση Στην 2 η προσπάθεια επισκευής του δοκιµίου, χρησιµοποιήθηκαν µηχανικά µέσα για την επικόλληση των λωρίδων CFRP στις κατακόρυφες παρειές των δοκιµίων πέραν της ρητίνης επικόλλησης. Έγινε τοποθέτηση µεταλλικών βυσµάτων οπών 9

10 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος και µε αυτόν τον τρόπο αγκυρώθηκαν οι λωρίδες CFRP σε κάθε παρειά. Το δοκίµιο φορτίστηκε µε την ίδια φορτιστική διαδικασία. Το σχήµα 13 απεικονίζει την απόκρισή του. Όπως φαίνεται από την σύγκριση των αποκρίσεων επήλθε µια αξιοσηµείωτη επαύξηση της φέρουσας ικανότητας κατά 50% (από 50KNm σε 75KNm). Στην κατάσταση της µέγιστης ροπής απαίτησης για το δοκίµιο αυτό παρατηρήθηκε η αστοχία των λωρίδων CFRP στη θέση κοντά στη ένωση του δοκιµίου µε την θεµελίωση όπου δηµιουργείται η απότοµη αλλαγή κλίσης και όπου η λωρίδα CFRP που επικολλάται στην παρειά συνεχίζει χωρίς διακοπή στην επιφάνεια της θεµελίωσης. Τέλος στα πλαίσια της παρούσας µελέτης προτείνεται ένα βελτιωµένο σύστηµα αγκύρωσης των λωρίδων CFRP στη θεµελίωση που απεικονίζεται στο σχήµα 14, όπου οι λωρίδες CFRP τυλίγονται γύρω από µια χαλύβδινη διάταξη αγκύρωσης µε οριζόντιο κυλινδρικό τµήµα και δύο ακραία κατακόρυφα αγκύρια. Το σύστηµα αυτό εφαρµόστηκε σε δοκίµιο που είχε ήδη υποβληθεί σε φορτιστική ακολουθία µέχρι την οριακή του φέρουσα ικανότητα. Σχήµα 13. Απόκριση επισκευασµένου δοκιµίου Rep-2 Wall A Σχήµα 14. Βύσµατα Σχήµα 14. Σύστηµα αγκύρωσης των Σχήµα 15. Απόκριση ροπών στροφών του λωρίδων CFRP στη θεµελίωση. βελτιωµένου συστήµατος αγκύρωσης Στο σχήµα 15 παρουσιάζεται η µετρηθείσα απόκριση του δοκιµίου αυτού σε όρους ροπών-στροφών της διατοµής όπου ο πυλώνας ενώνεται µε τη θεµελίωση. Στο σχετικό διάγραµµα σηµειώνονται ταυτόχρονα τα αντίστοιχα επίπεδα της µέγιστης καταναγκασµένης οριζόντιας µετατόπισης (δ) που µεταβλήθηκε από 2mm έως 24mm στη θέση όπου µετράται το αντίστοιχο οριζόντιο φορτίο. Τέλος στο σχήµα 16 γίνεται η σύγκριση της φέρουσας ικανότητας όλων των προηγούµενων µεθοδολογιών. Η σύγκριση αυτή γίνεται µέσω των αντίστοιχων περιβαλλουσών καµπύλων της απόκρισης ροπών-στροφών για κάθε δοκίµιο που καταγράφηκαν κατά την διάρκεια του αντίστοιχου πειράµατος. 10

11 Σχήµα 16. Περιβάλλουσες ροπών στροφών του παρθένου δοκιµίου, της 2 ης επισκευής, και του βελτιωµένου τρόπου αγκύρωσης Όπως φαίνεται από την σύγκριση αυτή το βελτιωµένο σύστηµα της αγκύρωσης των λωρίδων CFRP µε την θεµελίωση είχε σαν αποτέλεσµα αφενός την περαιτέρω επαύξηση της καµπτικής φέρουσας ικανότητας (100% αύξηση σε σχέση µε το παρθένο δοκίµιο) αφετέρου την διατήρηση της φέρουσας αυτής ικανότητας χωρίς πτωτικές τάσεις για πολλαπλάσια επίπεδα στροφών από ότι τα άλλα δοκίµια, µε ότι αυτό συνεπάγεται σε όρους απορρόφησης ενέργειας. Όπως ήδη αναφέρθηκε, η βελτίωση αυτού του συστήµατος αγκύρωσης µελετάται περαιτέρω ώστε να µπορούν να γενικευθούν οι σχετικές παρατηρήσεις και να µπορεί να υποστηριχθεί η εφαρµοσιµότητα του εν λόγω συστήµατος αγκύρωσης σε πρωτότυπες περιπτώσεις. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 1. Εξετάσθηκαν τρόποι βελτίωσης της καµπτικής συµπεριφοράς κατακόρυφων στοιχείων Ο/Σ (µεσόβαθρο) µε διατοµές επιµήκους µορφής. Εξετάσθηκε αφενός η βελτίωση της θλιπτικής του συµπεριφοράς και αφετέρου η προσθήκη στις εξωτερικές παρειές του δοµικού στοιχείου λωρίδων από CFRP που να ενεργήσουν κατά την κατακόρυφη έννοια εν είδει διαµήκων οπλισµών. 2. Εφαρµόστηκε ένα σύστηµα «µερικής περίσφιγξης» µέσω οριζόντιων λωρίδων CFRP. Κρίσιµο στοιχείο αποτελεί η αποτελεσµατική αγκύρωση των οριζόντιων λωρίδων των CFRP στον όγκο του. Παρατηρήθηκε σηµαντική επαύξηση της θλιπτικής φέρουσας ικανότητας και διατήρηση της µέγιστης φέρουσας ικανότητας για σχετικά µεγάλα επίπεδα αξονικών βραχύνσεων. 3. Οι κρίσιµοι µηχανισµοί που υπεισέρχονται είναι αφενός η επάρκεια της επικόλλησης των λωρίδων CFRP στις κατακόρυφες παρειές του δοµικού στοιχείου αφετέρου η επάρκεια της αγκύρωσης των λωρίδων αυτών στη θεµελίωση για την ικανοποιητική µεταφορά των ελκυστικών δυνάµεων που παραλαµβάνουν. 4. Χρησιµοποίηση βυσµάτων κατάλληλα διανεµηµένων στις κατακόρυφες παρειές του δοµικού στοιχείου που αποδείχθηκαν ικανά να αποτρέψουν την αποκόλληση των κατακόρυφων λωρίδων CFRP, για επίπεδο ροπών διπλάσιο αυτού που αναπτύχθηκε στο «παρθένο» δοκίµιο. 11

12 5. ιερεύνηση βελτιωµένου συστήµατος αγκύρωσης λωρίδων CFRP στη θεµελίωση. Επέτρεψε την ικανοποιητική µεταφορά των ελκυστικών δυνάµεων που αναπτύχθηκαν στις λωρίδες CFRP στη θεµελίωση, βελτιώνοντας µε τον τρόπο αυτό κατά 100% την καµπτική φέρουσα ικανότητα του υπό εξέταση δοµικού στοιχείου σε σχέση µε αυτή του «παρθένου» δοκιµίου. Η βελτίωση αυτή επιτεύχθηκε µέσω του τρόπου αγκύρωσης που εξετάσθηκε και το κόστος που αυτός ο τρόπος αγκύρωσης συνεπάγεται. 6. Μέσω του κατάλληλου συστήµατος αγκύρωσης µπορεί να επιτευχθεί η µεταφορά των δυνάµεων που οι διατοµές από ανθρακο-ινοϋφάσµατα µπορούν να παραλάβουν στις θέσεις που αυτές πρακτικά διακόπτονται ώστε να καταστεί η πρακτική εφαρµογής αυτών των υλικών, στην κάθε περίπτωση αποτελεσµατική. Και στις δύο διερευνηθείσες εφαρµογές υπογραµµίσθηκε η µεγάλη σηµασία της κατάλληλης αγκύρωσης των λωρίδων των ινουφασµάτων. 7. Ως αποτέλεσµα όλων των προηγουµένων συµπερασµάτων µπορεί να διατυπωθεί ότι η εφαρµογή σε πρωτότυπα δοµικά στοιχεία τόσο του συστήµατος της «µερικής περίσφιγξης» όσο και του «βελτιωµένου συστήµατος αγκύρωσης» των κατακόρυφων λωρίδων CFRP στην θεµελίωση που εξετάσθηκαν εδώ απαιτεί την ειδική µελέτη του αντίστοιχου συστήµατος αγκύρωσης που θα χρησιµοποιηθεί κατά περίπτωση. ΑΝΑΦΟΡΕΣ Kawashima, K. (2000), Seismic performance of RC bridge piers in Japan: an evaluation after the 1995 Hyogo-ken Νanbu earthquake, Prog. Struct. Engng. Mater. 2000; 2: Paterson, J. Mitchell D. (2003), Seismic Retrofit of Shear Walls with Headed Bars and Carbon Fiber Wrap ; Journal of Structural Engineering, ASCE, May 2003, pp Pinto A. V., editor (1996). Pseudodynamic and Shaking Table Tests on R.C. Bridges. ECOEST PREC*8 Report No. 8, November Manos, G.A., et.al (2004) Dynamic and Earthquake Response of Model Structures at the Volvi Greece European Test Site, Proceedings of the 13 th World Conference of Earthquake Engineering, Vancouver, B.C., Canada, August 1-6, Paper No Manos, G.A., et.al (2007) Study of the Dynamic Soil-Structure Interaction of a Bridge Pier Model Based on Structure and Soil Measurements, 9 th Canadian Conference on Earthquake Engineering, Ottawa, Canada, June. Manos, G.A., Kourtides V. (2007) Retrofitting R/C Bridge Pier Type Cross- Sections with Partial Confinement Employing Carbon Fiber Reinforcing Plastics, 9 th Canadian Conference on Earthquake Engineering, Ottawa, Canada, June. Tsonis, G (2004) Seismic Assessment and Retrofit of Existing Reinforced Concrete Bridges, Ph.D. Thesis, Politecnico di Milanο. 12