15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

Transcript

1 Επισκευή/ενίσχυση πρισµατικών στοιχείων Ο.Σ. παλαιάς τεχνολογίας µε µανδύες Ι.Ο.Π. Γ.Ε. Θερµού MSc-DIC Πολιτικός Μηχανικός - Υποψήφια ιδάκτωρ, Τµ. Πολ. Μηχ., ΠΘ, gthermou@civil.duth.gr Σ.Ι. Πανταζοπούλου Πολιτικός Μηχανικός (PhD) Καθηγήτρια, Τµ. Πολ. Μηχ., ΠΘ, Ξάνθη 67100, , pantaz@civil.duth.gr Α. Αλληλόµη, Π. Βαλανίδης και Γ. Χαλκίτης Πολιτικοί Μηχανικοί, Τµ. Πολ. Μηχ., ΠΘ Λέξεις κλειδιά: Επισκευή, ενίσχυση, µανδύες, σύνθετα υλικά, ινοπλισµένα πολυµερή, µεταλλικά υφάσµατα ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Μια νέα τεχνική που υπάγεται στη γενικότερη κατηγορία των επισκευών/ενισχύσεων µε µανδύες παρουσιάζεται στην εργασία αυτή. Η νέα εκδοχή µανδυών υιοθετεί µεταλλικά ινουφάσµατα τα οποία συνδυαζόµενα µε κονίαµα το οποίο χρησιµεύει ως συνδετικό υλικό, δηµιουργούν ένα σύνθετο σύστηµα το οποίο διατηρεί όλα τα πλεονεκτήµατα των µανδυών από σύνθετα υλικά. Για τον έλεγχο της αποτελεσµατικότητας της καινοτόµου αυτής τεχνικής διεξήχθησαν πειραµατικές δοκιµές στο εργαστήριο οπλισµένου σκυροδέµατος του.π.θ. Τα δοκίµια µορφής προβόλου υπεβλήθησαν αρχικά σε ανακυκλιζόµενη καµπτο-διατµητική ένταση παρουσία αξονικού φορτίου που προσοµοίωνε την επίδραση των σεισµικών φορτίων. Μανδύες από µεταλλικά υφάσµατα καθώς και για λόγους σύγκρισης µανδύες από σύνθετα υλικά εφαρµόστηκαν στην επισκευή/ενίσχυση των δοκιµίων, τα οποία υπεβλήθησαν εκ νέου στο ίδιο ιστορικό φόρτισης. Τα αποτελέσµατα του πειραµατικού προγράµµατος είναι ιδιαίτερα ενθαρρυντικά υπογραµµίζοντας τις εξαιρετικές δυνατότητες των µανδυών από µεταλλικά υφάσµατα. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι µανδύες από σύνθετα υλικά έχουν τύχει ευρείας εφαρµογής ως µια γρήγορη, εύκολη και αποτελεσµατική µέθοδος για την επισκευή/ενίσχυση στοιχείων µε λεπτοµέρειες όπλισης που συναντούµε στο σχεδιασµό µε βάση παλαιότερης γενιάς κανονισµούς. Ένα εναλλακτικό σύστηµα σύνθετου µανδύα, οι µανδύες από µεταλλικά υφάσµατα, προτείνεται στην παρούσα εργασία. Τα µεταλλικά ινο-υφάσµατα αποτελούνται από µεταλλικές ίνες υψηλής αντοχής που σε συνδυασµό µε κονίαµα που παίζει το ρόλο του συνδετικού υλικού συνθέτουν τους µανδύες από µεταλλικά υφάσµατα. Η αποτελεσµατικότητα της νέας αυτής εκδοχής σύνθετων µανδυών τεκµηριώθηκε µέσα από σειρά δοκιµών που διεξήχθησαν στο εργαστήριο οπλισµένου σκυροδέµατος του.π.θ. Συνολικά επτά δοκίµια µορφής προβόλου, που προσοµοιώνουν υποστύλωµα σε κλίµακα 1:2 µε 1:3, υπεβλήθησαν σε συνδυασµό αξονικού φορτίου και εναλλασσόµενης καµπτοδιατµητικής φόρτισης. Τα δοκίµια πριν επισκευασθούν δοκιµάστηκαν µέχρι αστοχίας. Τα δοκίµια σχεδιάστηκαν έτσι ώστε να παρουσιάζουν χαρακτηριστικές ανεπάρκειες όπλισης, όπως ανεπαρκείς αγκυρώσεις εγκάρσιου και διαµήκους, αραιούς και λείους συνδετήρες, και µατίσεις στην περιοχή της πλαστικής άρθρωσης. Τα βήµατα εφαρµογής της προτεινόµενης µεθόδου επισκευή/ενίσχυσης παρουσιάζονται στις επόµενες ενότητες. Η µέθοδος εφαρµόστηκε σε τρία από τα επτά δοκίµια, ενώ στα υπόλοιπα για συγκριτικούς λόγους εφαρµόστηκαν µανδύες από ινοπλισµένα πολυµερή 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 1

2 (υφάσµατα γυαλιού και άνθρακα). Τα πειραµατικά αποτελέσµατα καταδεικνύουν την αποτελεσµατικότητα των µανδυών από µεταλλικά υφάσµατα. Τα µηχανικά χαρακτηριστικά των δοκιµίων βελτιώθηκαν σηµαντικά συγκρινόµενα µε αυτά των µανδυών από σύνθετα υφάσµατα. Εγκάρσιο φορτίο Αξονικό φορτίο οκίµιο µελέτης Βοηθητικό δοκίµιο Εικόνα 1. Πειραµατική διάταξη 2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΜΕΛΕΤΗΣ Τα υπό µελέτη δοκίµια είναι µορφής προβόλου αντιπροσωπευτικά ενός τυπικού υποστυλώµατος που εκτείνεται από το µέσο ύψος του υποστυλώµατος µεταξύ ορόφων µέχρι τη σύνδεση δοκού υποστυλώµατος. Το πειραµατικό πρόγραµµα αποτελείτο από επτά συνολικά διατάξεις στις οποίες τα δοκίµια µελέτης φορτίσθηκαν σε ανακυκλιζόµενη ένταση πριν και µετά την επισκευή µε µανδύες. Ο σχεδιασµός των δοκιµίων έγινε βάσει παλαιότερων κανονιστικών διατάξεων (δεκαετίας του 70) χωρίς αντισεισµικές λεπτοµέρειες όπλισης. Η διατοµή είναι τετραγωνική διαστάσεων mm και διατµητικού ανοίγµατος, L s, 900 mm. Οι λεπτοµέρειες όπλισης για το σύνολο των δοκιµίων παρουσιάζονται στο Πίνακα 1. Η ποιότητα χάλυβα ήταν S500 και η ονοµαστική θλιπτική αντοχή του σκυροδέµατος ήταν f ck =20MPa. Ο εγκάρσιος οπλισµός αποτελείτο από λείους χάλυβες διαµέτρου Ø6, και ποιότητας χάλυβα S220. Τα άκρα των συνδετήρων ήταν κλεισµένα µε απλή παράθεση (ανοικτοί συνδετήρες). Το αξονικό φορτίο που εφαρµόστηκε ήταν της τάξης του 8% του φορτίου αντοχής (τάξη µεγέθους 6 τόνων). Η ονοµασία των δοκιµίων έγινε µε βάση την στοχευόµενη µορφή αστοχίας: F για καµπτική αστοχία, L για αστοχία µατίσεων, 36D b, 25D b είναι το µήκος της µάτισης που δίδεται σαν πολλαπλάσιο της διαµέτρου του διαµήκους οπλισµού, D b, και N η ύπαρξη αξονικού φορτίο, ενώ ο δείκτης a ή b δηλώνει τον τύπο του ιστορικού φόρτισης που ασκείται (Πιν. 1). Η διάταξη που χρησιµοποιήθηκε παρουσιάζεται στην Εικόνα 1, όπου το υπό µελέτη δοκίµιο ήταν συνδεδεµένο (πλάτη µε πλάτη) µε το βοηθητικό δοκίµιο στήριξης ίδιας γεωµετρίας συµπεριλαµβανοµένου και του θεµελίου, αλλά πολύ ισχυρότερου από το δοκίµιο µελέτης. Το ισχυρό δοκίµιο της διάταξης, δηλαδή το βοηθητικό δοκίµιο στήριξης, επαναχρησιµοποιείτο σε κάθε νέο πείραµα και υπέστη αµελητέα βλάβη καθ όλη τη διάρκεια των δοκιµών. Η πειραµατική διάταξη προσοµοιώνει το στατικό σύστηµα µιας αµφιέρειστη δοκού µε συγκεντρωµένο φορτίο στο µέσο του ανοίγµατός της (δηλαδή στο σηµείο ένωσης των δύο θεµελίων), ώστε να είναι στατικά προσδιορίσιµη η ένταση στο υπό µελέτη δοκίµιο. Όλες οι πειραµατικές διατάξεις είχαν αρθρώσεις στα άκρα τους και το εγκάρσιο φορτίο ασκούνταν στο σηµείο σύνδεσης των θεµελίων στο κέντρο του ανοίγµατος του συστήµατος των δυο δοκιµίων - µε έλεγχο των µετατοπίσεων βάσει προκαθορισµένου ιστορικού εναλλασσόµενων µετακινήσεων. Το αξονικό φορτίο διατηρήθηκε σταθερό καθ όλη τη διάρκεια του πειράµατος, ενώ το σύστηµα µετακινούνταν στην εγκάρσια 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 2

3 διεύθυνση. Οι σχετικές µετακινήσεις µετρήθηκαν από συγκεκριµένες θέσεις αναφοράς κάνοντας χρήση βελοµέτρων (LVDTs) τόσο για το δοκίµιο µελέτης όσο και για το βοηθητικό δοκίµιο. Λεπτοµέρεια FN_a; FN_b B οκίµιο Μελέτης A-A 8Ø12 Ø6/50 Βοηθητικό οκίµιο B-B B 4Ø25 Ø10/80 Σχήµα 1. Γεωµετρία και λεπτοµέρειες όπλισης (διαστάσεις σε mm). Σε πρώτη φάση, τα αρχικά δοκίµια υποβλήθηκαν σε προσοµοιωµένο σεισµικό φορτίο µέχρι αστοχίας. Στην επόµενη φάση, τα δοκίµια επισκευάστηκαν και επαναφορτίστηκαν σε ανακυκλιζόµενη φόρτιση προσοµοιώνοντας σεισµικό φορτίο µε σταθερό αξονικό φορτίο. υο εναλλακτικοί τύποι ιστορικών φόρτισης µε βάση τις µετακινήσεις, a και b, υιοθετήθηκαν στις δοκιµές. Τρεις κύκλοι εφαρµόστηκαν για κάθε επίπεδο µετατόπισης που διδόταν ως ποσοστό της µετακίνησης διαρροής της κορυφής, y (=14mm), και στις δυο κατευθύνσεις. Ιδιαίτερα για το ιστορικό µετατοπίσεων τύπου a, η αύξηση της µετατόπισης ανά κύκλο γινόταν ως εξής: 0.25 y, 0.50 y, 0.75 y, 1.00 y, 1.50 y, 2.00 y, 2.50 y, συνεχίζοντας µέχρι το 4.0 y. Το ιστορικό τύπου b προσοµοίαζε κοντινούς σεισµούς (near field earthquake) και η µετατόπιση αυξανόταν σηµαντικά από κύκλο σε κύκλο µε ένα ξαφνικό µεγάλο παλµό στον κύκλο µε 2 y (0.50 y, 1.00 y, 2.00 y -ένας κύκλος, 5.00 y ). Οι ίδιο τύποι ιστορικών φόρτισης χρησιµοποιήθηκαν για την δοκιµή τόσο των αρχικών όσο και των επισκευασµένων δοκιµίων. Η αντοχή των µετατοπίσεων συνδέθηκε µε µια πτώση της τάξης του 20% της µέγιστης τιµής που προκύπτει από την περιβάλλουσα των αντοχών που σχηµατίζεται από την ένωση των κορυφών των υστερητικών κύκλων. Πίνακας 1. Λεπτοµέρειες όπλισης αρχικών και επισκευασµένων δοκιµίων Υπάρχοντα δοκίµια Επισκευασµένα δοκίµια Όνοµα * ιαµήκης Εγκάρσιος Όνοµα * Εξωτερικός Αριθµός οπλισµός οπλισµός οπλισµός στρώσεων FN_a 8Ø12 Ø6/50 RmFN_a 3Χ FN_b 8Ø12 Ø6/50 RmFN_b 3Χ LN25D b _a 8Ø12 Ø6/70 RgLN25D b _b Glass-100G LN25D b _b 8Ø12 Ø6/70 RcLN25D b _b Carbon-C L36D b _a 8Ø12 Ø6/70 RgLN36D b _b Glass-100G L36D b _b 8Ø12 Ø6/70 RcLN36D b _b Carbon-C Ύψος µανδύα (m) LN36D b _a 8Ø12 Ø6/70 RmLN36D b _b 12X * R: επισκευή/ενίσχυση, F: καµπτική αστοχία, L: για αστοχία της µάτισης; 25D b or 36D b το µήκος της µάτισης, N: εφαρµοσµένο αξονικό φορτίο, R: επισκευασµένο δοκίµιο, c:.ανθρακας, g: γυαλί, m: µεταλλικό ύφασµα, a ή b το ιστορικό φόρτισης Τα δοκίµια χωρίστηκαν σε δυο οµάδες ανάλογα µε τη παράµετρο µελέτης. Στην περίπτωση των δοκιµίων µε τις µατίσεις (RgLN36D b _b, RcLN36D b _b, RgLN25D b _b, RcLN25D b _b, 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 3

4 RmLN36D b _b) στόχος ήταν η σύγκριση της αποτελεσµατικότητας των µανδυών από µεταλλικά υφασµάτα (µεταλλικές ίνες υψηλής αντοχής) έναντι µανδυών από σύνθετα υφάσµατα όπως υάλου και άνθρακα. Για το λόγο αυτό τα δοκίµια υποβλήθηκαν στο ίδιο ιστορικό φόρτιση b, το οποίο προσοµοιάζει κοντινούς σεισµούς και είναι δυσµενέστερο. Η επιρροή του τύπου του ιστορικού φόρτισης µελετήθηκε στην περίπτωση των δοκιµίων RmFN_a και RmFN_b. Τα αρχικά δοκίµια FN_a και FN_b επισκευάστηκαν µε ακριβώς τον ίδιο τύπο µεταλλικού υφάσµατος, προκειµένου να διερευνηθεί η απόκριση του καινοτόµου αυτού συστήµατος ενίσχυσης σε διαφορετικά ιστορικά µετατοπίσεων. 3 ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΑΡΧΙΚΩΝ ΟΚΙΜΙΩΝ Η συµπεριφορά των αρχικών δοκιµίων έπαιξε καταλυτικό ρόλο στον σχεδιασµό της επισκευής/ ενίσχυσης µε µανδύες από σύνθετα υλικά και µεταλλικά υφάσµατα. Η απόφαση για τον τελικό αριθµό των στρώσεων που τοποθετήθηκαν ήταν άµεση συνάρτηση της κρίσιµης µορφής αστοχίας. FN_a: Το δοκίµιο αρχικά εµφάνισε µια καµπτική συµπεριφορά µέχρι τον πρώτο κύκλο πλαστιµότητας µ =1.5. Σε µετέπειτα κύκλους, η συµπεριφορά ελεγχόταν κυρίως από διάτµηση, µε την εµφάνιση διαγώνιων ρωγµών και συγκέντρωση βλάβης στην πλαστική περιοχή. Στο τέλος του πρώτου κύκλου πλαστιµότητας µ =2.5, η ονοµαστική αντοχή σε παραµόρφωση του δοκιµίου είχε εξαντληθεί (σηµειώθηκε 20% πτώση αντοχής σε σχέση µε τη µέγιστη τιµή της περιβάλλουσας). Σε αυτό το σηµείο το πείραµα ολοκληρώθηκε έτσι ώστε να είναι δυνατή η επισκευή. FN_b: Η συµπεριφορά του δοκιµίου µέχρι το πρώτο κύκλο πλαστιµότητας µ =1.0 ήταν καµπτική. Στους επόµενους κύκλους, η διάτµηση κυριάρχησε στη συµπεριφορά του δοκιµίου (διαγώνιες ρωγµές και θρυµµατισµός σκυροδέµατος). Η αστοχία πραγµατοποιήθηκε στο τέλος του πρώτου κύκλου πλαστιµότητας µ =5.0. L36D b _a, L36D b _b, LΝ36D b _a: Στα δοκίµια L36D b _a, L36D b _b η φόρτιση έγινε χωρίς την παρουσία αξονικού θλιπτικού φορτίου. Παρατηρήθηκε αστοχία των µατίσεων που συνοδεύτηκε από εκτεταµένες ρωγµές κατά µήκος των µατίσεων του στοιχείου µε την πραγµατοποίηση πλαστιµότητας µετατοπίσεων µ =2. Το δοκίµιο L36D b _b συµπλήρωσε 3 κύκλους σε πλαστιµότητα µ =2.0, ενώ το δοκίµιο L36D b _b συµπλήρωσε 1 κύκλο σε πλαστιµότητα µ =5.0 (. Ο τρόπος αστοχίας του δοκιµίου LN36D b _a ήταν αρκετά διαφορετικός από αυτόν που παρατηρήθηκε στα άλλα δοκίµια µε µατίσεις εξαιτίας της επιρροής του αξονικού φορτίου. Κατά την διάρκεια των αρχικών κύκλων φόρτισης (µέχρι και πλαστιµότητα µ =1.5), καµπτικές ρωγµές παρατηρήθηκαν, µε µια επικρατούσα ρωγµή να σχηµατίζεται γύρω από την περίµετρο του υποστυλώµατος στο ύψος της σύνδεσης µε το θεµέλιο. Με αυξανόµενη την απαίτηση σε πλαστιµότητα η βλάβη συγκεντρώθηκε στην περιοχή της πλαστικής άρθρωσης. Με το πέρας του πειράµατος (έχοντας συµπληρώσει 3 κύκλους σε πλαστιµότητα µ =2.5) οι διαµήκεις ράβδοι της κάτω σειράς λύγισαν µέσα στο πρώτο διάστηµα των συνδετήρων. LN25D b _a, LN25D b _b:. Οι µατίσεις έπαιξαν σηµαντικό ρόλο και στον τρόπο αστοχίας που παρατηρήθηκε στα δοκίµια µε την µικρή µάτιση (25D b ). Παρατηρήθηκαν ρωγµές κατά µήκος της περιοχής της µάτισης τόσο στη θλιβόµενη όσο και στην εφελκυόµενη πλευρά των δοκιµίων. Το δοκίµιο LN25D b _b συµπλήρωσε ένα κύκλο σε πλαστιµότητα µ =2.0, ενώ το δοκίµιο LN25D b _b συµπλήρωσε ένα κύκλο σε πλαστιµότητα µ = ΕΠΙΣΚΕΥΗ/ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΟΚΙΜΙΩΝ 4.1 Προετοιµασία αρχικών δοκιµίων Το δοκίµια µετά την πρώτη φάση της φόρτισης υπέστησαν περαιτέρω επεξεργασία προκειµένου να είναι δυνατή η εφαρµογή των µανδυών. Το πρώτο στάδιο περιελάµβανε την αποµάκρυνση των χαλαρών θραυσµάτων σκυροδέµατος. Η διαδικασία πραγµατοποιήθηκε χειρωνακτικά χρησιµοποιώντας καλέµι και σφυρί. Σε ορισµένα δοκίµια και συγκεκριµένα στην περίπτωση των 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 4

5 δοκιµίων µε τις µατίσεις ο πυρήνας του σκυροδέµατος διατηρήθηκε. Το ίδιο δεν κατέστη δυνατό για τα δοκίµια FN_a και FN_b που όπως φαίνεται στην Εικόνα 4 το σκυρόδεµα είχε ρηγµατωθεί και αποδιοργανωθεί πλήρως στην περιοχή που εντοπίστηκε η βλάβη εξαιτίας των εκτεταµένων ρωγµών. Κατά τη φάση αυτή απαιτήθηκε προσοχή για την αποφυγή πρόκλησης βλάβης σε υγιή τµήµατα σκυροδέµατος και στον διαµήκη οπλισµό καθώς και επιµονή στο να διεισδύσει κανείς συστηµατικά στο πολύπλοκο σύστηµα ρωγµών. Τα κενά που είχαν δηµιουργηθεί από την αποµάκρυνση των χαλαρών θραυσµάτων σκυροδέµατος καλύφθηκαν µε την τοποθέτηση κονιάµατος χυτού τύπου EMACO S88 σε κατάλληλα κατασκευασµένα καλούπια. Το γεγονός ότι ο συγκεκριµένος τύπος κονιάµατος είναι ευρέως γνωστός και χρησιµοποιείται συχνά στην κατασκευή οδήγησε και στην επιλογή του (Πίνακας 2). Τα δοκίµια παρέµειναν στα καλούπια για 48 ώρες. Μετά την αποµάκρυνση των καλουπιών, χρησιµοποιήθηκε ηλεκτρικός τροχός προκειµένου να στρογγυλευθούν οι γωνίες του δοκιµίου για την αποφυγή πρώιµης αστοχίας των µανδυών Ι.Ο.Π. εξαιτίας της συγκέντρωσης τάσεων. Η ακτίνα καµπυλότητας ήταν της τάξης των 25mm. Πριν την εφαρµογή των µανδυών Ι.Ο.Π., οι επιφάνειες των επισκευασµένων δοκιµίων καθαρίστηκαν σχολαστικά µε πεπιεσµένο αέρα. Πίνακας 2. Χαρακτηριστικά τσιµεντοκονιάµατος. Καµπτική Θλιπτική Περιγραφή αντοχή (MPa) αντοχή * (MPa) Αντοχή συνάφειας µε χάλυβα (MPa) Emaco S88 (έγχυτο) Emaco S88c (µυστρί ή εκτοξευόµενο) * στις 7 µέρες 4.2 Μανδύες από σύνθετα υλικά Σύνθετα υφάσµατα από ίνες γυαλιού και άνθρακα µιας κατεύθυνσης χρησιµοποιήθηκαν στην διαδικασία της επισκευής/ενίσχυσης. Στους Πίνακες 3 και 4 παρουσιάζονται οι ιδιότητες των συστηµάτων που χρησιµοποιήθηκαν. Στην περίπτωση των µανδυών από ύφασµα γυαλιού (100G) υιοθετήθηκε η υγρή εφαρµογή, δηλαδή το ύφασµα είχε εµποτιστεί µε εποξειδική ρητίνη (Sikadur 300) πριν την τοποθέτηση. Η επιφάνεια του σκυροδέµατος σφραγίστηκε χρησιµοποιώντας αστάρι (Sikadur 330). Μετά την διαδικασία του εµποτισµού, το ύφασµα τυλίχθηκε απευθείας στο δοκίµιο σκυροδέµατος. Επιπλέον στρώσεις τοποθετήθηκαν, ενώ η ρητίνη ήταν ακόµη κολλώδης. Η ξηρή µέθοδος εφαρµογής επιλέχθηκε στην περίπτωση των υφασµάτων από άνθρακα (C). Η εποξειδική ρητίνη (Sikadur 330) εφαρµόστηκε στο υπόστρωµα για προεπάλειψη (αστάρωµα) και το ύφασµα τυλίχθηκε γύρω από το δοκίµιο χρησιµοποιώντας ρολό προκειµένου να διαποτιστεί το ύφασµα και να απεγκλωβιστούν οι ενδεχόµενες φυσαλίδες αέρα. Επιπλέον στρώσεις από ύφασµα άνθρακα τοποθετήθηκαν στο δοκίµιο εφαρµόζοντας πρώτα εποξειδική ρητίνη (Sikadur 330). Οι διαδικασίες που ακολουθήθηκαν για την εφαρµογή των µανδυών Ι.Ο.Π. ήταν σύµφωνες µε τις οδηγίες των κατασκευαστών. Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στην εξασφάλιση οµοιόµορφου εµποτισµού των ινών µε την ρητίνη, ώστε να εξουδετερωθούν τα κενά αέρος χωρίς να δηµιουργηθούν πτυχώσεις και τοποθέτηση των ινών σε λάθος κατεύθυνση. Το ύφασµα (και του υάλου και του άνθρακα) ήταν συνεχόµενο και η τελευταία στρώση αγκυρώθηκε σε µήκος ίσο µε µια πλευρά της διατοµής (υπερκάλυψη µιας πλευράς). Πίνακας 3. Ονοµαστικές ιδιότητες σύνθετων υφασµάτων. Πάχος t Περιγραφή f Πυκνότητα Εφελκυστική Εφελκυστικό µέτρο Μέγιστη (mm) (gr/m 2 ) αντοχή f fu (MPa) ελαστικότητας E f (MPa) παραµόρφωση, ε fu 100G C ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 5

6 Πίνακας 4. Ιδιότητες ρητινών για την εφαρµογή σε µανδύες από σύνθετα υλικά. Εφελκυστική Μέτρο Επιµήκυνση *, % Περιγραφή αντοχή * (MPa) ελαστικότητας * (MPa) (Παραµόρφωση θραύσης) Sikadur Sikadur * στις 7 µέρες, 23 0 C, DIN Μανδύες από µεταλλικά υφάσµατα Οι δύο τύποι µεταλλικών ινών υψηλής αντοχής που χρησιµοποιήθηκαν παρουσιάζονται στην Εικόνα 2. Ο τύπος καλωδίου χορδής (wire cord) 12X φτιάχνεται τυλίγοντας 12 καλώδια δύο διαφορετικών διαµέτρων µεταξύ τους και τυλίγοντας ένα ακόµη καλώδιο εξωτερικά της δέσµης (Εικ. 2α). Ο τύπος καλωδίου χορδής 3X2 φτιάχνεται τυλίγοντας 5 καλώδια µεταξύ τους 3 ευθύγραµµες ίνες τυλιγµένες υπό γωνία µε 2 ίνες (Εικ. 2β). Οι µεταλλικές ίνες περιβάλλονται από µια επίστρωση χαλκού (AO-brass, Adhesion Optimized). Σύµφωνα µε το Πίνακα 5 που αναφέρεται στις µηχανικές ιδιότητες των καλωδίων χορδής, και στους δυο τύπους (3X2 και 12X) η πυκνότητα είναι 9.06 ίνες ανά εκατοστό, που χαρακτηρίζεται υψηλής πυκνότητας. (α) Εικόνα 2. Τύποι µεταλλικών ινών υψηλής αντοχής: (α)12χ και (β) 3Χ2. (β) Πίνακας 5. Μηχανικές ιδιότητες καλωδίου χορδής Περιγραφή ιάµετρος (mm) ιάµετρος Εφελκυσιτκή Παραµόρφωση αστοχίας καλωδίου (mm) αντοχή f fu (MPa) ε fu (mm/mm) 12X τρία 0.22, εννέα X Η τεχνική των µανδυών από µεταλλικά υφάσµατα στηρίχθηκε στη χρήση υλικών ευρείας εφαρµογής και διατήρησε την απλότητα στη διαδικασία εφαρµογής που έχουν οι µανδύες από σύνθετα υλικά. Η δοµή των µεταλλικών υφασµάτων τύπου 3Χ2 και 12Χ χρειάστηκε να τροποποιηθεί µε στόχο την µείωση της αξονικής δυσκαµψίας του µεταλλικού υφάσµατος στο επίπεδο του φύλλου άνθρακα καθώς και την διευκόλυνση του εµποτισµού των µεταλλικών ινών στην υπόψη µήτρα. Το τελευταίο ήταν µια σηµαντική απαίτηση για την επιτυχία της µεθόδου, εφόσον τα κονιάµατα είναι πιο ρεοπλαστικά από τις ρητίνες, ενώ η µικρή αντίσταση των ρητινών στη φωτιά και σε άλλους απειλητικούς παράγοντες καθιστά την αντικατάστασή τους µε συνήθη τσιµεντοκονιάµατα επιθυµητό στόχο. Πριν την τοποθέτηση το µεταλλικό ύφασµα κυρτώθηκε µε σχετική ευκολία όπως φαίνεται στην Εικόνα 3γ προκειµένου να διευκολυνθεί η εφαρµογή του µανδύα. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 6

7 Στο πρώτο βήµα της µεθόδου το υποστύλωµα (υπόστρωµα) διαβρέχτηκε µε νερό πριν την τοποθέτηση του κονιάµατος. Ένα επισκευαστικό κονίαµα υψηλής αντοχής ειδικό για χειρωνακτική διαµόρφωση τοποθετήθηκε απευθείας πάνω στο υπόστρωµα, δηλαδή την παράπλευρη επιφάνεια του υποστυλώµατος. (Η εµπορική ονοµασία του προϊόντος ήταν EMACO S88c βλ. αναφορά στον Πίνακα 2). Το µεταλλικό ύφασµα τοποθετήθηκε αµέσως µετά αφού στην κάθε πλευρά του δοκιµίου το κονίαµα διαµορφώθηκε σε οµοιόµορφη στρώση χρησιµοποιώντας µυστρί. Κατά την τοποθέτηση του µεταλλικού υφάσµατος, επεβλήθη πίεση χειρωνακτικά µε τη βοήθεια ρολού βαφής µέχρις ότου το κονίαµα διείσδυσε µέσα από τα κενά των ινών του υφάσµατος. Η τελευταία στρώση αγκυρώθηκε σε µήκος ίσο µε µια πλευρά της διατοµής (υπερκάλυψη µιας πλευράς). Η κατασκευή του µανδύα ολοκληρώθηκε µε µια τελική στρώση κονιάµατος που τοποθετήθηκε πάνω από την εκτεθειµένη επιφάνεια του µεταλλικού υφάσµατος. Η επίπτωση στη γεωµετρία των διαστάσεων του δοκιµίου λόγω του µανδύα από µεταλλικό ύφασµα ήταν πολύ µικρή. Το συνολικό πάχος του µεταλλικού µανδύα µαζί µε την επικάλυψη ήταν 10mm, έτσι ώστε η τελική διατοµή µετά την επισκευή ήταν τετραγωνική µε πλευρά 220mm. (α) (β) (γ) Εικόνα 3. Μεταλλικό ύφασµα: (α) σε αρχική µορφή, (β) τροποποιηµένο και (γ) µανδύας. 4.4 Υπολογισµός απαιτούµενων στρώσεων Ο σχεδιασµός της επισκευής/ενίσχυσης στην περίπτωση των δοκιµίων LΝ25D b _a, LΝ25D b _b και L36D b _a, L36D b _b στόχευε στην διόρθωση της βλάβης στην περιοχή της µάτισης. Tα δοκίµια LΝ25D b _a και L36D b _a επισκευάστηκαν χρησιµοποιώντας σύνθετους µανδύες από ύφασµα γυαλιού µιας κατεύθυνσης και ονοµάστηκαν RgLN36D b _b και RgLN25D b _b (R σηµαίνει επισκευή, g: ύφασµα από γυαλί, _b αναφέρεται στο ιστορικό φόρτισης που επιβλήθηκε στο επισκευασµένο δοκίµιο). Τα δοκίµιο LΝ25D b _b και L36D b _b επισκευάστηκαν µε σύνθετους µανδύες από ύφασµα άνθρακα και ονοµάστηκαν σε RcLN25D b _b και RcLN36D b _b (c: άνθρακας). Οι µανδύες τυλίχτηκαν εξωτερικά ώστε οι ίνες να είναι κάθετες στις αναµενόµενες ρωγµές σε µήκος 400mm από την στήριξη (αυτό το µήκος θεωρήθηκε ικανοποιητικό για την κάλυψη της περιοχής της µάτισης). Ο αριθµός των στρώσεων Ι.Ο.Π. καθορίστηκε βάσει της µεθοδολογίας που αναπτύχθηκε από τις Tastani & Pantazopoulou (6) για την επισκευή/ενίσχυση αγκυρώσεων/µατίσεων στο οπλισµένο σκυρόδεµα µε τη χρήση εξωτερικά επικολλούµενων µανδυών από Ι.Ο.Π.. Ακολουθώντας την προτεινόµενη µεθοδολογία προέκυψε ότι τρεις στρώσεις σύνθετου υφάσµατος από γυαλί και άνθρακα απαιτούνταν για τα δοκίµια RgLN36D b _b και RcLN36D b _b, αντίστοιχα. Στην περίπτωση των δοκιµίων RgLN25D b _b και RgLN25D b _b απαιτούνταν πέντε στρώσεις γυαλιού και πέντε στρώσεις άνθρακα, αντίστοιχα Η έλλειψη συγκεκριµένων οδηγιών ή κατευθύνσεων σε ότι αφορά στον σχεδιασµό µανδυών Ι.Ο.Π. καθιστά την παρούσα εφαρµογή πρωτότυπη. Με στόχο να διατηρηθεί η ίδια δυσκαµψία κατά την κατεύθυνση των κυρίων ινών µε 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 7

8 αυτή του µανδύα από ύφασµα άνθρακα, µια µόνο στρώση µεταλλικού υφάσµατος χρησιµοποιήθηκε για τα δοκίµια LN36D b _b, FN_a και FN_b. 5 ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΕΠΙΣΚΕΥΑΣΜΕΝΩΝ ΟΚΙΜΙΩΝ Τα κυριότερα αποτελέσµατα του πειραµατικού προγράµµατος συνοψίζονται στην παρούσα ενότητα, περιέχοντας παρατηρήσεις σχετικά µε τον τρόπο αστοχίας και την τυπολογία της βλάβης σε συνάρτηση µε τον τύπο του µανδύα. RmFN_a: Η πρώτη ρωγµή σχηµατίστηκε στη παρειά της σύνδεσης του δοκιµίου RmFN_a µε το θεµέλιο κατά τη διάρκεια του πρώτου κύκλου σε πλαστιµότητα µ =0.5. Καµπτικές ρωγµές σχηµατίστηκαν καθώς η µετατόπιση µεγάλωνε µέχρι τον δεύτερο κύκλο πλαστιµότητας µ =2.5. Από αυτό το σηµείο και µετά, οι ρωγµές σταθεροποιήθηκαν και η βλάβη συγκεντρώθηκε στην ρωγµή που είχε αρχικά δηµιουργηθεί στην σύνδεση µε το θεµέλιο. Το πείραµα σταµάτησε µετά την ολοκλήρωση και του τρίτου κύκλου πλαστιµότητας µ =4.0. εν δηµιουργήθηκε εκτεταµένη πλαστική άρθρωση, ενώ η ολίσθηση των ράβδων επικράτησε ως µηχανισµός αστοχίας (Εικ. 3). Είναι σηµαντικό να σηµειωθεί ότι χάρη στην σηµαντική αύξηση της αντοχής του δοκιµίου λόγω της ύπαρξης του µανδύα από µεταλλικό ύφασµα, το άνω όριο σε φορτίο της διαθέσιµης υδραυλικής πρέσας ξεπεράστηκε κατά την φόρτιση µε κατεύθυνση προς τα πάνω, περιορίζοντας έτσι την εγκάρσια µετακίνηση που µπορούσε επιπλέον να επιβληθεί προς την κατεύθυνση αυτή ( ιαγρ. 1α). Γενικά ο µανδύας από µεταλλικό ύφασµα ενίσχυσε σηµαντικά την συµπεριφορά του συστήµατος προσδίδοντας επιπλέον αντοχή, και επιτρέποντας στο επισκευασµένο στοιχείο να διατηρήσει την αντοχή του για µια µεγάλη περιοχή µετακινήσεων (δηλ. αύξησε την ικανότητα παραµόρφωσης). 1 # (3X2) FN_a RmFN_a 1 # (3X2) FN_b RmFN_b Εικόνα 4. οκίµια FN_a, _b και RmFN_a, _b στο στάδιο της αστοχίας. RmFN_b: Καµπτικές ρωγµές σχηµατίστηκαν µέχρι το πρώτο κύκλο για µ =1.0. Σε πλαστιµότητα µ =2.0 µερικές ρωγµές σχηµατίστηκαν κατά µήκος της επικάλυψης του σκυροδέµατος. Η βλάβη 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 8

9 εντοπίστηκε σε µια περιοχή που οριοθετήθηκε από µια βαθιά καµπτική ρωγµή που σχηµατίστηκε στο δεύτερο διάστηµα των συνδετήρων και από µια ρωγµή στην παρειά της σύνδεσης του προβόλου µε το θεµέλιο. Κατά την διάρκεια του τέταρτου κύκλου σε πλαστιµότητα µ =5.0, το µεταλλικό ύφασµα που βρισκόταν στην περιοχή όπου εντοπίστηκε η βλάβη διερράγη. Η συµπεριφορά του επισκευασµένου δοκιµίου βελτιώθηκε σηµαντικά σε σχέση µε τις αρχικές ιδιότητες αλλά και σε σύγκριση µε την αντοχή και ικανότητα παραµόρφωσης των δοκιµίων που επισκευάστηκαν µε µανδύες από σύνθετα υλικά ( ιαγρ. 1β). Για ακόµη µια φορά µια και µόνο στρώση µανδύα από µεταλλικό ύφασµα αποδείχτηκε αρκετή για να βελτιώσει την αντοχή και την ικανότητα παραµόρφωσης του αρχικού δοκιµίου. 5 # 100G LN25D b _a RgLN25D b _b 5 # C LN25D b _b RcLN25D b _b Εικόνα 5. οκίµια µε τη µικρή µάτιση (25D b ) στο στάδιο της αστοχίας. RgLN25D b _b, RcLN25D b _b, RgLN36D b _b, RcLN36D b _a: Στα αρχικά στάδια φόρτισης (µ =0.5), ρωγµές σχηµατίστηκαν στη σύνδεση µεταξύ του επισκευασµένου δοκιµίου και του θεµελίου οι οποίες συνεχίζονταν στην περίµετρο της διατοµής του προβόλου. Στους επόµενους κύκλους µετατοπίσεων η βλάβη εντοπίστηκε σε αυτή την περιοχή µε αυξανόµενη µετατόπιση. Καµιά βλάβη δεν παρατηρήθηκε στο ινοπλισµένο ύφασµα γυαλιού. Για την ακρίβεια, ο µανδύας από ίνες γυαλιού περιόρισε τη δηµιουργία διαγώνιων ρωγµών στην περιοχή του µανδύα, έτσι ώστε να µην είναι δυνατός ο σχηµατισµός πλαστικής άρθρωσης, ενώ ο µηχανισµός που υπερίσχυσε ήταν η εξόλκευση των ράβδων. Τα διαγράµµατα δύναµης µετατόπισης για τα συστήµατα των δύο LN25D (επισκευασµένου b _b και βοηθητικού) δοκιµίων φαίνονται στα ιαγράµµατα 1γ, -δ, -ε, -στ. Η περιέλιξη µε το ινοπλισµένο ύφασµα γυαλιού και άνθρακα αύξησε σηµαντικά την αντοχή και ικανότητα παραµόρφωσης ολόκληρου του συστήµατος. Το πείραµα στην περίπτωση των δοκιµίων RcLN25D b _b, RgLN36D b _b, RcLN36D b _a τερµατίστηκε στο τέλος του δεύτερου κύκλου πλαστιµότητας µ =5.0 (εφόσον παρατηρήθηκε πτώση αντοχής κατά 20%), ενώ στην περίπτωση των δοκιµίων RgLN25D b _b στο πέµπτο κύκλο πλαστιµότητας µ =5.0 χωρίς πτώση της αντοχής στην κατεύθυνση του φορτίου προς τα πάνω. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 9

10 3 # 100G L36D b _a RgLN36D b _b 3 # C L36D b _b RcLN36D b _b 1 # 12X LN36D b _b RmLN36D b _b Εικόνα 6. οκίµια µε τη µεγάλη µάτιση (36D b ) στο στάδιο της αστοχίας. RmN36D b _b: Κατά την διάρκεια του πρώτου κύκλου σε πλαστιµότητα µετακινήσεων µ =1.0 δηµιουργήθηκαν καµπτοδιατµητικές ρωγµές κατά µήκος του RmLN36D b _b. Επιπλέον ρωγµές δηµιουργήθηκαν κατά µήκος της επικάλυψης του σκυροδέµατος και στην σύνδεση του προβόλου µε το θεµέλιο σε πλαστιµότητα µ =2.0. Σε αυτό το επίπεδο παραµόρφωσης, το σύστηµα του επισκευασµένου και του βοηθητικού δοκιµίου έφτασαν την αντοχή τους (δηλ. το µέγιστο φορτίο). Οι υπάρχουσες ρωγµές διευρύνθηκαν ακόµη περισσότερο και έλαβε χώρα λυγισµός της κάτω στρώσης των ράβδων στον πρώτο κύκλο πλαστιµότητας µ =5.0 ( ιαγρ. 1ζ). Με αναστροφή της φόρτισης σηµειώθηκε θραύση της κάτω γωνιακής ράβδου. Παρότι δεν ελήφθησαν ειδικά µέτρα για βελτίωση της σύνδεσης της εξωτερικής στρώσης του κονιάµατος (η οποία λειτούργησε σαν µήτρα για τους µανδύες από µεταλλικά υφάσµατα) µε το δοκίµιο, δεν παρατηρήθηκε σχετική ολίσθηση στην διεπιφάνεια. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 10

11 ύναµη (kn) ύναµη (kn) RmFN_a FN_a RmFN_b FN_b (α) -150 RgLN25D b_b LN25D b_a (β) (δ) Μετατόπιση (mm) Μετατόπιση (mm) 100. RcLN25D b_b LN25D b_b -100 (ζ) Μετατόπιση (mm) ιάγραµµα 1. Φορτίο Μετατόπιση του συστήµατος των δοκιµίων (µελέτης και βοηθητικό). Τα διαγράµµατα δύναµης µετατόπισης του συστήµατος των δυο δοκιµίων (δοκίµιο µελέτης και βοηθητικό δοκίµιο) παρέχουν άµεση εποπτεία της απόκρισης του επισκευασµένου /ενισχυµένου συστήµατος σε σχέση µε το αρχικό ( ιαγρ. 1). Ο µανδύας από µεταλλικό ύφασµα επέδειξε εξαιρετική συµπεριφορά συγκρινόµενος µε µανδύες από σύνθετα υφάσµατα γυαλιού και άνθρακα. Μία µόνον στρώση από το σύνθετο σύστηµα (που αποτελούνταν από µήτρα κονιάµατος και υψηλής αντοχής καλώδια χάλυβα) ήταν επαρκής προκειµένου να βελτιώσει την αντοχή και ικανότητα παραµόρφωσης του υπάρχοντος δοκιµίου στα ίδια επίπεδα µε περιπτώσεις δοκιµίων όπου είχαν χρησιµοποιηθεί τρεις και πέντε στρώσεις από µανδύες σύνθετων υλικών γυαλιού και άνθρακα. Η σύγκριση της απόκρισης των δοκιµίων RmFN_a and RmFN_b, οδηγεί στο συµπέρασµα ότι το ιστορικό φόρτισης b είναι σαφώς δυσµενέστερο σε σχέση µε το ιστορικό φόρτισης a. ύναµη (kn) (γ) RgLN36D b_b L36D b_a RcLN36D b_b L36D b_b RmLN36D b_b LN36D b_a (ε) (στ) 6 ΣΥΝΟΨΗ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Επτά συνολικά δοκίµια µορφής προβόλου που προσοµοιώνουν υποστυλώµατα σε κλίµακα 1:2 µε 1:3 δοκιµάστηκαν σε ανακυκλιζόµενη καµπτοδιατµητική ένταση µε αξονικό φορτίο. Τα υποστυλώµατα που διέθεταν παλαιότερης τεχνολογίας λεπτοµέρειες όπλισης αρχικά υπεβλήθησαν σε ανακυκλιζόµενη ένταση και σε επόµενο στάδιο επισκευάστηκαν. Η µέθοδος που επιλέχθηκε ήταν οι µανδύες από σύνθετα υλικά (γυαλί και άνθρακας) καθώς και ένα πρωτοποριακό σύνθετο 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 11

12 σύστηµα που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσης έρευνας. Το νέο σύστηµα αποτελείτο από µεταλλικά υφάσµατα (υψηλής αντοχής χαλύβδινες χορδές) τα οποία χρησιµοποιήθηκαν σε συνδυασµό µε µήτρα από συµβατικά επισκευαστικά κονιάµατα. Η εφαρµογή των µανδυών από µεταλλικά υφάσµατα βελτίωσε σηµαντικά τα µηχανικά χαρακτηριστικά των αρχικών δοκιµίων (αντοχή και παραµορφωσιµότητα) και µετέβαλε σηµαντικά τον τρόπο αστοχίας. Η σύγκριση µε τους µανδύες από ίνες συνθέτων υλικών (γυαλί και άνθρακας) υπογραµµίζουν τις βελτιωµένες δυνατότητες των µανδυών από µεταλλικά υφάσµατα. Οι µανδύες από µεταλλικά υφάσµατα αποτελούν µια εναλλακτική λύση στην επισκευή/ενίσχυση στοιχείων Ο.Σ., η οποία συνδυάζει τα πλεονεκτήµατα των συνθέτων ινοπλισµένων υλικών (χαµηλό βάρος, πολύ µικρό πάχος στρώσης, ευκολία τοποθέτησης, µεγάλη αντοχή, και αύξηση της πλαστιµότητας του εγκιβωτισµένου σκυροδέµατος), µε την αξιοπιστία του χάλυβα και την προστατευτική δράση του κονιάµατος (σε σύγκριση µε τις ρητίνες). Τέλος, τα πειραµατικά αποτελέσµατα αναδεικνύουν τον κρίσιµο ρόλο που έχει το ιστορικό φόρτισης στην επικρατούσα µορφή αστοχίας, στην ικανότητα παραµόρφωσης και στο φορτίο αντοχής. 7 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Το πειραµατικό πρόγραµµα διεξήχθη στο Εργαστήριο Οπλισµένου Σκυροδέµατος του ηµοκρίτειου Πανεπιστηµίου Θράκης µε χρηµατοδότηση από την Γενική Γραµµατεία Έρευνας και Τεχνολογίας στα πλαίσια του ερευνητικού προγράµµατος ΑΡΙΣΤΙΩΝ. Τα σύνθετα υλικά και τα µεταλλικά υφάσµατα ήταν δωρεά της εταιρίας SIKA Hellas, ενώ τα κονιάµατα ήταν δωρεά της εταιρίας MacBeton Hellas. Τέλος, ευχαριστούµε ιδιαιτέρως τους MSc-Πολιτικούς Μηχανικούς Γεωργαλά Ροδούλα, Πίτατζη Σοφία και Τύρη ηµήτρη για την βοήθεια τους στην πραγµατοποίηση της φάσεως των επισκευών/ενισχύσεων. 8 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Tastani, S.P. and Pantazopoulou, S.J. 6. Fiber Reinforced Polymers in Seismic Upgrading of Existing Reinforced Concrete Structures. Proceedings of the 8 th U.S. National Conference on Earthquake Engineering (8NCEE), San Francisco - California, Paper ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 12

13 Επισκευή/ενίσχυση πρισµατικών στοιχείων Ο.Σ. παλαιάς τεχνολογίας µε µανδύες Ι.Ο.Π. Γ.Ε. Θερµού MSc-DIC Πολιτικός Μηχανικός - Υποψήφια ιδάκτωρ, Τµ. Πολ. Μηχ., ΠΘ, gthermou@civil.duth.gr Σ.Ι. Πανταζοπούλου Πολιτικός Μηχανικός (PhD) Καθηγήτρια, Τµ. Πολ. Μηχ., ΠΘ, Ξάνθη 67100, , pantaz@civil.duth.gr Α. Αλληλόµη, Π. Βαλανίδης και Γ. Χαλκίτης Πολιτικοί Μηχανικοί, Τµ. Πολ. Μηχ., ΠΘ Λέξεις κλειδιά: Επισκευή, ενίσχυση, µανδύες, σύνθετα υλικά, ινοπλισµένα πολυµερή, µεταλλικά υφάσµατα ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Μια νέα τεχνική που υπάγεται στη γενικότερη κατηγορία των επισκευών/ενισχύσεων µε µανδύες παρουσιάζεται στην εργασία αυτή. Η νέα εκδοχή µανδυών υιοθετεί µεταλλικά ινουφάσµατα τα οποία συνδυαζόµενα µε κονίαµα το οποίο χρησιµεύει ως συνδετικό υλικό, δηµιουργούν ένα σύνθετο σύστηµα το οποίο διατηρεί όλα τα πλεονεκτήµατα των µανδυών από σύνθετα υλικά. Για τον έλεγχο της αποτελεσµατικότητας της καινοτόµου αυτής τεχνικής διεξήχθησαν πειραµατικές δοκιµές στο εργαστήριο οπλισµένου σκυροδέµατος του.π.θ. Τα δοκίµια µορφής προβόλου υπεβλήθησαν αρχικά σε ανακυκλιζόµενη καµπτο-διατµητική ένταση παρουσία αξονικού φορτίου που προσοµοίωνε την επίδραση των σεισµικών φορτίων. Μανδύες από µεταλλικά υφάσµατα καθώς και για λόγους σύγκρισης µανδύες από σύνθετα υλικά εφαρµόστηκαν στην επισκευή/ενίσχυση των δοκιµίων, τα οποία υπεβλήθησαν εκ νέου στο ίδιο ιστορικό φόρτισης. Τα αποτελέσµατα του πειραµατικού προγράµµατος είναι ιδιαίτερα ενθαρρυντικά υπογραµµίζοντας τις εξαιρετικές δυνατότητες των µανδυών από µεταλλικά υφάσµατα. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι µανδύες από σύνθετα υλικά έχουν τύχει ευρείας εφαρµογής ως µια γρήγορη, εύκολη και αποτελεσµατική µέθοδος για την επισκευή/ενίσχυση στοιχείων µε λεπτοµέρειες όπλισης που συναντούµε στο σχεδιασµό µε βάση παλαιότερης γενιάς κανονισµούς. Ένα εναλλακτικό σύστηµα σύνθετου µανδύα, οι µανδύες από µεταλλικά υφάσµατα, προτείνεται στην παρούσα εργασία. Τα µεταλλικά ινο-υφάσµατα αποτελούνται από µεταλλικές ίνες υψηλής αντοχής που σε συνδυασµό µε κονίαµα που παίζει το ρόλο του συνδετικού υλικού συνθέτουν τους µανδύες από µεταλλικά υφάσµατα. Η αποτελεσµατικότητα της νέας αυτής εκδοχής σύνθετων µανδυών τεκµηριώθηκε µέσα από σειρά δοκιµών που διεξήχθησαν στο εργαστήριο οπλισµένου σκυροδέµατος του.π.θ. Συνολικά επτά δοκίµια µορφής προβόλου, που προσοµοιώνουν υποστύλωµα σε κλίµακα 1:2 µε 1:3, υπεβλήθησαν σε συνδυασµό αξονικού φορτίου και εναλλασσόµενης καµπτοδιατµητικής φόρτισης. Τα δοκίµια πριν επισκευασθούν δοκιµάστηκαν µέχρι αστοχίας. Τα δοκίµια σχεδιάστηκαν έτσι ώστε να παρουσιάζουν χαρακτηριστικές ανεπάρκειες όπλισης, όπως ανεπαρκείς αγκυρώσεις εγκάρσιου και διαµήκους, αραιούς και λείους συνδετήρες, και µατίσεις στην περιοχή της πλαστικής άρθρωσης. Τα βήµατα εφαρµογής της προτεινόµενης µεθόδου επισκευή/ενίσχυσης παρουσιάζονται στις επόµενες ενότητες. Η µέθοδος εφαρµόστηκε σε τρία από τα επτά δοκίµια, ενώ στα υπόλοιπα για συγκριτικούς λόγους εφαρµόστηκαν µανδύες από ινοπλισµένα πολυµερή 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 13

14 (υφάσµατα γυαλιού και άνθρακα). Τα πειραµατικά αποτελέσµατα καταδεικνύουν την αποτελεσµατικότητα των µανδυών από µεταλλικά υφάσµατα. Τα µηχανικά χαρακτηριστικά των δοκιµίων βελτιώθηκαν σηµαντικά συγκρινόµενα µε αυτά των µανδυών από σύνθετα υφάσµατα. Εγκάρσιο φορτίο Αξονικό φορτίο οκίµιο µελέτης Βοηθητικό δοκίµιο Εικόνα 1. Πειραµατική διάταξη 2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΜΕΛΕΤΗΣ Τα υπό µελέτη δοκίµια είναι µορφής προβόλου αντιπροσωπευτικά ενός τυπικού υποστυλώµατος που εκτείνεται από το µέσο ύψος του υποστυλώµατος µεταξύ ορόφων µέχρι τη σύνδεση δοκού υποστυλώµατος. Το πειραµατικό πρόγραµµα αποτελείτο από επτά συνολικά διατάξεις στις οποίες τα δοκίµια µελέτης φορτίσθηκαν σε ανακυκλιζόµενη ένταση πριν και µετά την επισκευή µε µανδύες. Ο σχεδιασµός των δοκιµίων έγινε βάσει παλαιότερων κανονιστικών διατάξεων (δεκαετίας του 70) χωρίς αντισεισµικές λεπτοµέρειες όπλισης. Η διατοµή είναι τετραγωνική διαστάσεων mm και διατµητικού ανοίγµατος, L s, 900 mm. Οι λεπτοµέρειες όπλισης για το σύνολο των δοκιµίων παρουσιάζονται στο Πίνακα 1. Η ποιότητα χάλυβα ήταν S500 και η ονοµαστική θλιπτική αντοχή του σκυροδέµατος ήταν f ck =20MPa. Ο εγκάρσιος οπλισµός αποτελείτο από λείους χάλυβες διαµέτρου Ø6, και ποιότητας χάλυβα S220. Τα άκρα των συνδετήρων ήταν κλεισµένα µε απλή παράθεση (ανοικτοί συνδετήρες). Το αξονικό φορτίο που εφαρµόστηκε ήταν της τάξης του 8% του φορτίου αντοχής (τάξη µεγέθους 6 τόνων). Η ονοµασία των δοκιµίων έγινε µε βάση την στοχευόµενη µορφή αστοχίας: F για καµπτική αστοχία, L για αστοχία µατίσεων, 36D b, 25D b είναι το µήκος της µάτισης που δίδεται σαν πολλαπλάσιο της διαµέτρου του διαµήκους οπλισµού, D b, και N η ύπαρξη αξονικού φορτίο, ενώ ο δείκτης a ή b δηλώνει τον τύπο του ιστορικού φόρτισης που ασκείται (Πιν. 1). Η διάταξη που χρησιµοποιήθηκε παρουσιάζεται στην Εικόνα 1, όπου το υπό µελέτη δοκίµιο ήταν συνδεδεµένο (πλάτη µε πλάτη) µε το βοηθητικό δοκίµιο στήριξης ίδιας γεωµετρίας συµπεριλαµβανοµένου και του θεµελίου, αλλά πολύ ισχυρότερου από το δοκίµιο µελέτης. Το ισχυρό δοκίµιο της διάταξης, δηλαδή το βοηθητικό δοκίµιο στήριξης, επαναχρησιµοποιείτο σε κάθε νέο πείραµα και υπέστη αµελητέα βλάβη καθ όλη τη διάρκεια των δοκιµών. Η πειραµατική διάταξη προσοµοιώνει το στατικό σύστηµα µιας αµφιέρειστη δοκού µε συγκεντρωµένο φορτίο στο µέσο του ανοίγµατός της (δηλαδή στο σηµείο ένωσης των δύο θεµελίων), ώστε να είναι στατικά προσδιορίσιµη η ένταση στο υπό µελέτη δοκίµιο. Όλες οι πειραµατικές διατάξεις είχαν αρθρώσεις στα άκρα τους και το εγκάρσιο φορτίο ασκούνταν στο σηµείο σύνδεσης των θεµελίων στο κέντρο του ανοίγµατος του συστήµατος των δυο δοκιµίων - µε έλεγχο των µετατοπίσεων βάσει προκαθορισµένου ιστορικού εναλλασσόµενων µετακινήσεων. Το αξονικό φορτίο διατηρήθηκε σταθερό καθ όλη τη διάρκεια του πειράµατος, ενώ το σύστηµα µετακινούνταν στην εγκάρσια 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 14

15 διεύθυνση. Οι σχετικές µετακινήσεις µετρήθηκαν από συγκεκριµένες θέσεις αναφοράς κάνοντας χρήση βελοµέτρων (LVDTs) τόσο για το δοκίµιο µελέτης όσο και για το βοηθητικό δοκίµιο. Λεπτοµέρεια FN_a; FN_b B οκίµιο Μελέτης A-A 8Ø12 Ø6/50 Βοηθητικό οκίµιο B-B B 4Ø25 Ø10/80 Σχήµα 1. Γεωµετρία και λεπτοµέρειες όπλισης (διαστάσεις σε mm). Σε πρώτη φάση, τα αρχικά δοκίµια υποβλήθηκαν σε προσοµοιωµένο σεισµικό φορτίο µέχρι αστοχίας. Στην επόµενη φάση, τα δοκίµια επισκευάστηκαν και επαναφορτίστηκαν σε ανακυκλιζόµενη φόρτιση προσοµοιώνοντας σεισµικό φορτίο µε σταθερό αξονικό φορτίο. υο εναλλακτικοί τύποι ιστορικών φόρτισης µε βάση τις µετακινήσεις, a και b, υιοθετήθηκαν στις δοκιµές. Τρεις κύκλοι εφαρµόστηκαν για κάθε επίπεδο µετατόπισης που διδόταν ως ποσοστό της µετακίνησης διαρροής της κορυφής, y (=14mm), και στις δυο κατευθύνσεις. Ιδιαίτερα για το ιστορικό µετατοπίσεων τύπου a, η αύξηση της µετατόπισης ανά κύκλο γινόταν ως εξής: 0.25 y, 0.50 y, 0.75 y, 1.00 y, 1.50 y, 2.00 y, 2.50 y, συνεχίζοντας µέχρι το 4.0 y. Το ιστορικό τύπου b προσοµοίαζε κοντινούς σεισµούς (near field earthquake) και η µετατόπιση αυξανόταν σηµαντικά από κύκλο σε κύκλο µε ένα ξαφνικό µεγάλο παλµό στον κύκλο µε 2 y (0.50 y, 1.00 y, 2.00 y -ένας κύκλος, 5.00 y ). Οι ίδιο τύποι ιστορικών φόρτισης χρησιµοποιήθηκαν για την δοκιµή τόσο των αρχικών όσο και των επισκευασµένων δοκιµίων. Η αντοχή των µετατοπίσεων συνδέθηκε µε µια πτώση της τάξης του 20% της µέγιστης τιµής που προκύπτει από την περιβάλλουσα των αντοχών που σχηµατίζεται από την ένωση των κορυφών των υστερητικών κύκλων. Πίνακας 1. Λεπτοµέρειες όπλισης αρχικών και επισκευασµένων δοκιµίων Υπάρχοντα δοκίµια Επισκευασµένα δοκίµια Όνοµα * ιαµήκης Εγκάρσιος Όνοµα * Εξωτερικός Αριθµός οπλισµός οπλισµός οπλισµός στρώσεων FN_a 8Ø12 Ø6/50 RmFN_a 3Χ FN_b 8Ø12 Ø6/50 RmFN_b 3Χ LN25D b _a 8Ø12 Ø6/70 RgLN25D b _b Glass-100G LN25D b _b 8Ø12 Ø6/70 RcLN25D b _b Carbon-C L36D b _a 8Ø12 Ø6/70 RgLN36D b _b Glass-100G L36D b _b 8Ø12 Ø6/70 RcLN36D b _b Carbon-C Ύψος µανδύα (m) LN36D b _a 8Ø12 Ø6/70 RmLN36D b _b 12X * R: επισκευή/ενίσχυση, F: καµπτική αστοχία, L: για αστοχία της µάτισης; 25D b or 36D b το µήκος της µάτισης, N: εφαρµοσµένο αξονικό φορτίο, R: επισκευασµένο δοκίµιο, c:.ανθρακας, g: γυαλί, m: µεταλλικό ύφασµα, a ή b το ιστορικό φόρτισης Τα δοκίµια χωρίστηκαν σε δυο οµάδες ανάλογα µε τη παράµετρο µελέτης. Στην περίπτωση των δοκιµίων µε τις µατίσεις (RgLN36D b _b, RcLN36D b _b, RgLN25D b _b, RcLN25D b _b, 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 15

16 RmLN36D b _b) στόχος ήταν η σύγκριση της αποτελεσµατικότητας των µανδυών από µεταλλικά υφασµάτα (µεταλλικές ίνες υψηλής αντοχής) έναντι µανδυών από σύνθετα υφάσµατα όπως υάλου και άνθρακα. Για το λόγο αυτό τα δοκίµια υποβλήθηκαν στο ίδιο ιστορικό φόρτιση b, το οποίο προσοµοιάζει κοντινούς σεισµούς και είναι δυσµενέστερο. Η επιρροή του τύπου του ιστορικού φόρτισης µελετήθηκε στην περίπτωση των δοκιµίων RmFN_a και RmFN_b. Τα αρχικά δοκίµια FN_a και FN_b επισκευάστηκαν µε ακριβώς τον ίδιο τύπο µεταλλικού υφάσµατος, προκειµένου να διερευνηθεί η απόκριση του καινοτόµου αυτού συστήµατος ενίσχυσης σε διαφορετικά ιστορικά µετατοπίσεων. 3 ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΑΡΧΙΚΩΝ ΟΚΙΜΙΩΝ Η συµπεριφορά των αρχικών δοκιµίων έπαιξε καταλυτικό ρόλο στον σχεδιασµό της επισκευής/ ενίσχυσης µε µανδύες από σύνθετα υλικά και µεταλλικά υφάσµατα. Η απόφαση για τον τελικό αριθµό των στρώσεων που τοποθετήθηκαν ήταν άµεση συνάρτηση της κρίσιµης µορφής αστοχίας. FN_a: Το δοκίµιο αρχικά εµφάνισε µια καµπτική συµπεριφορά µέχρι τον πρώτο κύκλο πλαστιµότητας µ =1.5. Σε µετέπειτα κύκλους, η συµπεριφορά ελεγχόταν κυρίως από διάτµηση, µε την εµφάνιση διαγώνιων ρωγµών και συγκέντρωση βλάβης στην πλαστική περιοχή. Στο τέλος του πρώτου κύκλου πλαστιµότητας µ =2.5, η ονοµαστική αντοχή σε παραµόρφωση του δοκιµίου είχε εξαντληθεί (σηµειώθηκε 20% πτώση αντοχής σε σχέση µε τη µέγιστη τιµή της περιβάλλουσας). Σε αυτό το σηµείο το πείραµα ολοκληρώθηκε έτσι ώστε να είναι δυνατή η επισκευή. FN_b: Η συµπεριφορά του δοκιµίου µέχρι το πρώτο κύκλο πλαστιµότητας µ =1.0 ήταν καµπτική. Στους επόµενους κύκλους, η διάτµηση κυριάρχησε στη συµπεριφορά του δοκιµίου (διαγώνιες ρωγµές και θρυµµατισµός σκυροδέµατος). Η αστοχία πραγµατοποιήθηκε στο τέλος του πρώτου κύκλου πλαστιµότητας µ =5.0. L36D b _a, L36D b _b, LΝ36D b _a: Στα δοκίµια L36D b _a, L36D b _b η φόρτιση έγινε χωρίς την παρουσία αξονικού θλιπτικού φορτίου. Παρατηρήθηκε αστοχία των µατίσεων που συνοδεύτηκε από εκτεταµένες ρωγµές κατά µήκος των µατίσεων του στοιχείου µε την πραγµατοποίηση πλαστιµότητας µετατοπίσεων µ =2. Το δοκίµιο L36D b _b συµπλήρωσε 3 κύκλους σε πλαστιµότητα µ =2.0, ενώ το δοκίµιο L36D b _b συµπλήρωσε 1 κύκλο σε πλαστιµότητα µ =5.0 (. Ο τρόπος αστοχίας του δοκιµίου LN36D b _a ήταν αρκετά διαφορετικός από αυτόν που παρατηρήθηκε στα άλλα δοκίµια µε µατίσεις εξαιτίας της επιρροής του αξονικού φορτίου. Κατά την διάρκεια των αρχικών κύκλων φόρτισης (µέχρι και πλαστιµότητα µ =1.5), καµπτικές ρωγµές παρατηρήθηκαν, µε µια επικρατούσα ρωγµή να σχηµατίζεται γύρω από την περίµετρο του υποστυλώµατος στο ύψος της σύνδεσης µε το θεµέλιο. Με αυξανόµενη την απαίτηση σε πλαστιµότητα η βλάβη συγκεντρώθηκε στην περιοχή της πλαστικής άρθρωσης. Με το πέρας του πειράµατος (έχοντας συµπληρώσει 3 κύκλους σε πλαστιµότητα µ =2.5) οι διαµήκεις ράβδοι της κάτω σειράς λύγισαν µέσα στο πρώτο διάστηµα των συνδετήρων. LN25D b _a, LN25D b _b:. Οι µατίσεις έπαιξαν σηµαντικό ρόλο και στον τρόπο αστοχίας που παρατηρήθηκε στα δοκίµια µε την µικρή µάτιση (25D b ). Παρατηρήθηκαν ρωγµές κατά µήκος της περιοχής της µάτισης τόσο στη θλιβόµενη όσο και στην εφελκυόµενη πλευρά των δοκιµίων. Το δοκίµιο LN25D b _b συµπλήρωσε ένα κύκλο σε πλαστιµότητα µ =2.0, ενώ το δοκίµιο LN25D b _b συµπλήρωσε ένα κύκλο σε πλαστιµότητα µ = ΕΠΙΣΚΕΥΗ/ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΟΚΙΜΙΩΝ 4.1 Προετοιµασία αρχικών δοκιµίων Το δοκίµια µετά την πρώτη φάση της φόρτισης υπέστησαν περαιτέρω επεξεργασία προκειµένου να είναι δυνατή η εφαρµογή των µανδυών. Το πρώτο στάδιο περιελάµβανε την αποµάκρυνση των χαλαρών θραυσµάτων σκυροδέµατος. Η διαδικασία πραγµατοποιήθηκε χειρωνακτικά χρησιµοποιώντας καλέµι και σφυρί. Σε ορισµένα δοκίµια και συγκεκριµένα στην περίπτωση των 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 16

17 δοκιµίων µε τις µατίσεις ο πυρήνας του σκυροδέµατος διατηρήθηκε. Το ίδιο δεν κατέστη δυνατό για τα δοκίµια FN_a και FN_b που όπως φαίνεται στην Εικόνα 4 το σκυρόδεµα είχε ρηγµατωθεί και αποδιοργανωθεί πλήρως στην περιοχή που εντοπίστηκε η βλάβη εξαιτίας των εκτεταµένων ρωγµών. Κατά τη φάση αυτή απαιτήθηκε προσοχή για την αποφυγή πρόκλησης βλάβης σε υγιή τµήµατα σκυροδέµατος και στον διαµήκη οπλισµό καθώς και επιµονή στο να διεισδύσει κανείς συστηµατικά στο πολύπλοκο σύστηµα ρωγµών. Τα κενά που είχαν δηµιουργηθεί από την αποµάκρυνση των χαλαρών θραυσµάτων σκυροδέµατος καλύφθηκαν µε την τοποθέτηση κονιάµατος χυτού τύπου EMACO S88 σε κατάλληλα κατασκευασµένα καλούπια. Το γεγονός ότι ο συγκεκριµένος τύπος κονιάµατος είναι ευρέως γνωστός και χρησιµοποιείται συχνά στην κατασκευή οδήγησε και στην επιλογή του (Πίνακας 2). Τα δοκίµια παρέµειναν στα καλούπια για 48 ώρες. Μετά την αποµάκρυνση των καλουπιών, χρησιµοποιήθηκε ηλεκτρικός τροχός προκειµένου να στρογγυλευθούν οι γωνίες του δοκιµίου για την αποφυγή πρώιµης αστοχίας των µανδυών Ι.Ο.Π. εξαιτίας της συγκέντρωσης τάσεων. Η ακτίνα καµπυλότητας ήταν της τάξης των 25mm. Πριν την εφαρµογή των µανδυών Ι.Ο.Π., οι επιφάνειες των επισκευασµένων δοκιµίων καθαρίστηκαν σχολαστικά µε πεπιεσµένο αέρα. Πίνακας 2. Χαρακτηριστικά τσιµεντοκονιάµατος. Καµπτική Θλιπτική Περιγραφή αντοχή (MPa) αντοχή * (MPa) Αντοχή συνάφειας µε χάλυβα (MPa) Emaco S88 (έγχυτο) Emaco S88c (µυστρί ή εκτοξευόµενο) * στις 7 µέρες 4.2 Μανδύες από σύνθετα υλικά Σύνθετα υφάσµατα από ίνες γυαλιού και άνθρακα µιας κατεύθυνσης χρησιµοποιήθηκαν στην διαδικασία της επισκευής/ενίσχυσης. Στους Πίνακες 3 και 4 παρουσιάζονται οι ιδιότητες των συστηµάτων που χρησιµοποιήθηκαν. Στην περίπτωση των µανδυών από ύφασµα γυαλιού (100G) υιοθετήθηκε η υγρή εφαρµογή, δηλαδή το ύφασµα είχε εµποτιστεί µε εποξειδική ρητίνη (Sikadur 300) πριν την τοποθέτηση. Η επιφάνεια του σκυροδέµατος σφραγίστηκε χρησιµοποιώντας αστάρι (Sikadur 330). Μετά την διαδικασία του εµποτισµού, το ύφασµα τυλίχθηκε απευθείας στο δοκίµιο σκυροδέµατος. Επιπλέον στρώσεις τοποθετήθηκαν, ενώ η ρητίνη ήταν ακόµη κολλώδης. Η ξηρή µέθοδος εφαρµογής επιλέχθηκε στην περίπτωση των υφασµάτων από άνθρακα (C). Η εποξειδική ρητίνη (Sikadur 330) εφαρµόστηκε στο υπόστρωµα για προεπάλειψη (αστάρωµα) και το ύφασµα τυλίχθηκε γύρω από το δοκίµιο χρησιµοποιώντας ρολό προκειµένου να διαποτιστεί το ύφασµα και να απεγκλωβιστούν οι ενδεχόµενες φυσαλίδες αέρα. Επιπλέον στρώσεις από ύφασµα άνθρακα τοποθετήθηκαν στο δοκίµιο εφαρµόζοντας πρώτα εποξειδική ρητίνη (Sikadur 330). Οι διαδικασίες που ακολουθήθηκαν για την εφαρµογή των µανδυών Ι.Ο.Π. ήταν σύµφωνες µε τις οδηγίες των κατασκευαστών. Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στην εξασφάλιση οµοιόµορφου εµποτισµού των ινών µε την ρητίνη, ώστε να εξουδετερωθούν τα κενά αέρος χωρίς να δηµιουργηθούν πτυχώσεις και τοποθέτηση των ινών σε λάθος κατεύθυνση. Το ύφασµα (και του υάλου και του άνθρακα) ήταν συνεχόµενο και η τελευταία στρώση αγκυρώθηκε σε µήκος ίσο µε µια πλευρά της διατοµής (υπερκάλυψη µιας πλευράς). Πίνακας 3. Ονοµαστικές ιδιότητες σύνθετων υφασµάτων. Πάχος t Περιγραφή f Πυκνότητα Εφελκυστική Εφελκυστικό µέτρο Μέγιστη (mm) (gr/m 2 ) αντοχή f fu (MPa) ελαστικότητας E f (MPa) παραµόρφωση, ε fu 100G C ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 17

18 Πίνακας 4. Ιδιότητες ρητινών για την εφαρµογή σε µανδύες από σύνθετα υλικά. Εφελκυστική Μέτρο Επιµήκυνση *, % Περιγραφή αντοχή * (MPa) ελαστικότητας * (MPa) (Παραµόρφωση θραύσης) Sikadur Sikadur * στις 7 µέρες, 23 0 C, DIN Μανδύες από µεταλλικά υφάσµατα Οι δύο τύποι µεταλλικών ινών υψηλής αντοχής που χρησιµοποιήθηκαν παρουσιάζονται στην Εικόνα 2. Ο τύπος καλωδίου χορδής (wire cord) 12X φτιάχνεται τυλίγοντας 12 καλώδια δύο διαφορετικών διαµέτρων µεταξύ τους και τυλίγοντας ένα ακόµη καλώδιο εξωτερικά της δέσµης (Εικ. 2α). Ο τύπος καλωδίου χορδής 3X2 φτιάχνεται τυλίγοντας 5 καλώδια µεταξύ τους 3 ευθύγραµµες ίνες τυλιγµένες υπό γωνία µε 2 ίνες (Εικ. 2β). Οι µεταλλικές ίνες περιβάλλονται από µια επίστρωση χαλκού (AO-brass, Adhesion Optimized). Σύµφωνα µε το Πίνακα 5 που αναφέρεται στις µηχανικές ιδιότητες των καλωδίων χορδής, και στους δυο τύπους (3X2 και 12X) η πυκνότητα είναι 9.06 ίνες ανά εκατοστό, που χαρακτηρίζεται υψηλής πυκνότητας. (α) Εικόνα 2. Τύποι µεταλλικών ινών υψηλής αντοχής: (α)12χ και (β) 3Χ2. (β) Πίνακας 5. Μηχανικές ιδιότητες καλωδίου χορδής Περιγραφή ιάµετρος (mm) ιάµετρος Εφελκυσιτκή Παραµόρφωση αστοχίας καλωδίου (mm) αντοχή f fu (MPa) ε fu (mm/mm) 12X τρία 0.22, εννέα X Η τεχνική των µανδυών από µεταλλικά υφάσµατα στηρίχθηκε στη χρήση υλικών ευρείας εφαρµογής και διατήρησε την απλότητα στη διαδικασία εφαρµογής που έχουν οι µανδύες από σύνθετα υλικά. Η δοµή των µεταλλικών υφασµάτων τύπου 3Χ2 και 12Χ χρειάστηκε να τροποποιηθεί µε στόχο την µείωση της αξονικής δυσκαµψίας του µεταλλικού υφάσµατος στο επίπεδο του φύλλου άνθρακα καθώς και την διευκόλυνση του εµποτισµού των µεταλλικών ινών στην υπόψη µήτρα. Το τελευταίο ήταν µια σηµαντική απαίτηση για την επιτυχία της µεθόδου, εφόσον τα κονιάµατα είναι πιο ρεοπλαστικά από τις ρητίνες, ενώ η µικρή αντίσταση των ρητινών στη φωτιά και σε άλλους απειλητικούς παράγοντες καθιστά την αντικατάστασή τους µε συνήθη τσιµεντοκονιάµατα επιθυµητό στόχο. Πριν την τοποθέτηση το µεταλλικό ύφασµα κυρτώθηκε µε σχετική ευκολία όπως φαίνεται στην Εικόνα 3γ προκειµένου να διευκολυνθεί η εφαρµογή του µανδύα. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 18

19 Στο πρώτο βήµα της µεθόδου το υποστύλωµα (υπόστρωµα) διαβρέχτηκε µε νερό πριν την τοποθέτηση του κονιάµατος. Ένα επισκευαστικό κονίαµα υψηλής αντοχής ειδικό για χειρωνακτική διαµόρφωση τοποθετήθηκε απευθείας πάνω στο υπόστρωµα, δηλαδή την παράπλευρη επιφάνεια του υποστυλώµατος. (Η εµπορική ονοµασία του προϊόντος ήταν EMACO S88c βλ. αναφορά στον Πίνακα 2). Το µεταλλικό ύφασµα τοποθετήθηκε αµέσως µετά αφού στην κάθε πλευρά του δοκιµίου το κονίαµα διαµορφώθηκε σε οµοιόµορφη στρώση χρησιµοποιώντας µυστρί. Κατά την τοποθέτηση του µεταλλικού υφάσµατος, επεβλήθη πίεση χειρωνακτικά µε τη βοήθεια ρολού βαφής µέχρις ότου το κονίαµα διείσδυσε µέσα από τα κενά των ινών του υφάσµατος. Η τελευταία στρώση αγκυρώθηκε σε µήκος ίσο µε µια πλευρά της διατοµής (υπερκάλυψη µιας πλευράς). Η κατασκευή του µανδύα ολοκληρώθηκε µε µια τελική στρώση κονιάµατος που τοποθετήθηκε πάνω από την εκτεθειµένη επιφάνεια του µεταλλικού υφάσµατος. Η επίπτωση στη γεωµετρία των διαστάσεων του δοκιµίου λόγω του µανδύα από µεταλλικό ύφασµα ήταν πολύ µικρή. Το συνολικό πάχος του µεταλλικού µανδύα µαζί µε την επικάλυψη ήταν 10mm, έτσι ώστε η τελική διατοµή µετά την επισκευή ήταν τετραγωνική µε πλευρά 220mm. (α) (β) (γ) Εικόνα 3. Μεταλλικό ύφασµα: (α) σε αρχική µορφή, (β) τροποποιηµένο και (γ) µανδύας. 4.4 Υπολογισµός απαιτούµενων στρώσεων Ο σχεδιασµός της επισκευής/ενίσχυσης στην περίπτωση των δοκιµίων LΝ25D b _a, LΝ25D b _b και L36D b _a, L36D b _b στόχευε στην διόρθωση της βλάβης στην περιοχή της µάτισης. Tα δοκίµια LΝ25D b _a και L36D b _a επισκευάστηκαν χρησιµοποιώντας σύνθετους µανδύες από ύφασµα γυαλιού µιας κατεύθυνσης και ονοµάστηκαν RgLN36D b _b και RgLN25D b _b (R σηµαίνει επισκευή, g: ύφασµα από γυαλί, _b αναφέρεται στο ιστορικό φόρτισης που επιβλήθηκε στο επισκευασµένο δοκίµιο). Τα δοκίµιο LΝ25D b _b και L36D b _b επισκευάστηκαν µε σύνθετους µανδύες από ύφασµα άνθρακα και ονοµάστηκαν σε RcLN25D b _b και RcLN36D b _b (c: άνθρακας). Οι µανδύες τυλίχτηκαν εξωτερικά ώστε οι ίνες να είναι κάθετες στις αναµενόµενες ρωγµές σε µήκος 400mm από την στήριξη (αυτό το µήκος θεωρήθηκε ικανοποιητικό για την κάλυψη της περιοχής της µάτισης). Ο αριθµός των στρώσεων Ι.Ο.Π. καθορίστηκε βάσει της µεθοδολογίας που αναπτύχθηκε από τις Tastani & Pantazopoulou (6) για την επισκευή/ενίσχυση αγκυρώσεων/µατίσεων στο οπλισµένο σκυρόδεµα µε τη χρήση εξωτερικά επικολλούµενων µανδυών από Ι.Ο.Π.. Ακολουθώντας την προτεινόµενη µεθοδολογία προέκυψε ότι τρεις στρώσεις σύνθετου υφάσµατος από γυαλί και άνθρακα απαιτούνταν για τα δοκίµια RgLN36D b _b και RcLN36D b _b, αντίστοιχα. Στην περίπτωση των δοκιµίων RgLN25D b _b και RgLN25D b _b απαιτούνταν πέντε στρώσεις γυαλιού και πέντε στρώσεις άνθρακα, αντίστοιχα Η έλλειψη συγκεκριµένων οδηγιών ή κατευθύνσεων σε ότι αφορά στον σχεδιασµό µανδυών Ι.Ο.Π. καθιστά την παρούσα εφαρµογή πρωτότυπη. Με στόχο να διατηρηθεί η ίδια δυσκαµψία κατά την κατεύθυνση των κυρίων ινών µε 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 19

20 αυτή του µανδύα από ύφασµα άνθρακα, µια µόνο στρώση µεταλλικού υφάσµατος χρησιµοποιήθηκε για τα δοκίµια LN36D b _b, FN_a και FN_b. 5 ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΕΠΙΣΚΕΥΑΣΜΕΝΩΝ ΟΚΙΜΙΩΝ Τα κυριότερα αποτελέσµατα του πειραµατικού προγράµµατος συνοψίζονται στην παρούσα ενότητα, περιέχοντας παρατηρήσεις σχετικά µε τον τρόπο αστοχίας και την τυπολογία της βλάβης σε συνάρτηση µε τον τύπο του µανδύα. RmFN_a: Η πρώτη ρωγµή σχηµατίστηκε στη παρειά της σύνδεσης του δοκιµίου RmFN_a µε το θεµέλιο κατά τη διάρκεια του πρώτου κύκλου σε πλαστιµότητα µ =0.5. Καµπτικές ρωγµές σχηµατίστηκαν καθώς η µετατόπιση µεγάλωνε µέχρι τον δεύτερο κύκλο πλαστιµότητας µ =2.5. Από αυτό το σηµείο και µετά, οι ρωγµές σταθεροποιήθηκαν και η βλάβη συγκεντρώθηκε στην ρωγµή που είχε αρχικά δηµιουργηθεί στην σύνδεση µε το θεµέλιο. Το πείραµα σταµάτησε µετά την ολοκλήρωση και του τρίτου κύκλου πλαστιµότητας µ =4.0. εν δηµιουργήθηκε εκτεταµένη πλαστική άρθρωση, ενώ η ολίσθηση των ράβδων επικράτησε ως µηχανισµός αστοχίας (Εικ. 3). Είναι σηµαντικό να σηµειωθεί ότι χάρη στην σηµαντική αύξηση της αντοχής του δοκιµίου λόγω της ύπαρξης του µανδύα από µεταλλικό ύφασµα, το άνω όριο σε φορτίο της διαθέσιµης υδραυλικής πρέσας ξεπεράστηκε κατά την φόρτιση µε κατεύθυνση προς τα πάνω, περιορίζοντας έτσι την εγκάρσια µετακίνηση που µπορούσε επιπλέον να επιβληθεί προς την κατεύθυνση αυτή ( ιαγρ. 1α). Γενικά ο µανδύας από µεταλλικό ύφασµα ενίσχυσε σηµαντικά την συµπεριφορά του συστήµατος προσδίδοντας επιπλέον αντοχή, και επιτρέποντας στο επισκευασµένο στοιχείο να διατηρήσει την αντοχή του για µια µεγάλη περιοχή µετακινήσεων (δηλ. αύξησε την ικανότητα παραµόρφωσης). 1 # (3X2) FN_a RmFN_a 1 # (3X2) FN_b RmFN_b Εικόνα 4. οκίµια FN_a, _b και RmFN_a, _b στο στάδιο της αστοχίας. RmFN_b: Καµπτικές ρωγµές σχηµατίστηκαν µέχρι το πρώτο κύκλο για µ =1.0. Σε πλαστιµότητα µ =2.0 µερικές ρωγµές σχηµατίστηκαν κατά µήκος της επικάλυψης του σκυροδέµατος. Η βλάβη 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 20

21 εντοπίστηκε σε µια περιοχή που οριοθετήθηκε από µια βαθιά καµπτική ρωγµή που σχηµατίστηκε στο δεύτερο διάστηµα των συνδετήρων και από µια ρωγµή στην παρειά της σύνδεσης του προβόλου µε το θεµέλιο. Κατά την διάρκεια του τέταρτου κύκλου σε πλαστιµότητα µ =5.0, το µεταλλικό ύφασµα που βρισκόταν στην περιοχή όπου εντοπίστηκε η βλάβη διερράγη. Η συµπεριφορά του επισκευασµένου δοκιµίου βελτιώθηκε σηµαντικά σε σχέση µε τις αρχικές ιδιότητες αλλά και σε σύγκριση µε την αντοχή και ικανότητα παραµόρφωσης των δοκιµίων που επισκευάστηκαν µε µανδύες από σύνθετα υλικά ( ιαγρ. 1β). Για ακόµη µια φορά µια και µόνο στρώση µανδύα από µεταλλικό ύφασµα αποδείχτηκε αρκετή για να βελτιώσει την αντοχή και την ικανότητα παραµόρφωσης του αρχικού δοκιµίου. 5 # 100G LN25D b _a RgLN25D b _b 5 # C LN25D b _b RcLN25D b _b Εικόνα 5. οκίµια µε τη µικρή µάτιση (25D b ) στο στάδιο της αστοχίας. RgLN25D b _b, RcLN25D b _b, RgLN36D b _b, RcLN36D b _a: Στα αρχικά στάδια φόρτισης (µ =0.5), ρωγµές σχηµατίστηκαν στη σύνδεση µεταξύ του επισκευασµένου δοκιµίου και του θεµελίου οι οποίες συνεχίζονταν στην περίµετρο της διατοµής του προβόλου. Στους επόµενους κύκλους µετατοπίσεων η βλάβη εντοπίστηκε σε αυτή την περιοχή µε αυξανόµενη µετατόπιση. Καµιά βλάβη δεν παρατηρήθηκε στο ινοπλισµένο ύφασµα γυαλιού. Για την ακρίβεια, ο µανδύας από ίνες γυαλιού περιόρισε τη δηµιουργία διαγώνιων ρωγµών στην περιοχή του µανδύα, έτσι ώστε να µην είναι δυνατός ο σχηµατισµός πλαστικής άρθρωσης, ενώ ο µηχανισµός που υπερίσχυσε ήταν η εξόλκευση των ράβδων. Τα διαγράµµατα δύναµης µετατόπισης για τα συστήµατα των δύο LN25D (επισκευασµένου b _b και βοηθητικού) δοκιµίων φαίνονται στα ιαγράµµατα 1γ, -δ, -ε, -στ. Η περιέλιξη µε το ινοπλισµένο ύφασµα γυαλιού και άνθρακα αύξησε σηµαντικά την αντοχή και ικανότητα παραµόρφωσης ολόκληρου του συστήµατος. Το πείραµα στην περίπτωση των δοκιµίων RcLN25D b _b, RgLN36D b _b, RcLN36D b _a τερµατίστηκε στο τέλος του δεύτερου κύκλου πλαστιµότητας µ =5.0 (εφόσον παρατηρήθηκε πτώση αντοχής κατά 20%), ενώ στην περίπτωση των δοκιµίων RgLN25D b _b στο πέµπτο κύκλο πλαστιµότητας µ =5.0 χωρίς πτώση της αντοχής στην κατεύθυνση του φορτίου προς τα πάνω. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 21

22 3 # 100G L36D b _a RgLN36D b _b 3 # C L36D b _b RcLN36D b _b 1 # 12X LN36D b _b RmLN36D b _b Εικόνα 6. οκίµια µε τη µεγάλη µάτιση (36D b ) στο στάδιο της αστοχίας. RmN36D b _b: Κατά την διάρκεια του πρώτου κύκλου σε πλαστιµότητα µετακινήσεων µ =1.0 δηµιουργήθηκαν καµπτοδιατµητικές ρωγµές κατά µήκος του RmLN36D b _b. Επιπλέον ρωγµές δηµιουργήθηκαν κατά µήκος της επικάλυψης του σκυροδέµατος και στην σύνδεση του προβόλου µε το θεµέλιο σε πλαστιµότητα µ =2.0. Σε αυτό το επίπεδο παραµόρφωσης, το σύστηµα του επισκευασµένου και του βοηθητικού δοκιµίου έφτασαν την αντοχή τους (δηλ. το µέγιστο φορτίο). Οι υπάρχουσες ρωγµές διευρύνθηκαν ακόµη περισσότερο και έλαβε χώρα λυγισµός της κάτω στρώσης των ράβδων στον πρώτο κύκλο πλαστιµότητας µ =5.0 ( ιαγρ. 1ζ). Με αναστροφή της φόρτισης σηµειώθηκε θραύση της κάτω γωνιακής ράβδου. Παρότι δεν ελήφθησαν ειδικά µέτρα για βελτίωση της σύνδεσης της εξωτερικής στρώσης του κονιάµατος (η οποία λειτούργησε σαν µήτρα για τους µανδύες από µεταλλικά υφάσµατα) µε το δοκίµιο, δεν παρατηρήθηκε σχετική ολίσθηση στην διεπιφάνεια. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 6 22