Επίδραση υψηλών θερμοκρασιών στη συνάφεια χάλυβα σκυροδέματος

Επίδραση υψηλών θερμοκρασιών στη συνάφεια χάλυβα σκυροδέματος Κ.Γ. Τρέζος, Δ.Θ. Σαγιάς Εργαστήριο Ωπλισμένου Σκυροδέματος Ε.Μ.Π. Λέξεις κλειδιά: Συνάφεια, χάλυβας οπλισμού σκυροδέματος, πυρκαγιά, υψηλές θερμοκρασίες, δοκιμή εξόλκευσης ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Στην παρούσα εργασία γίνεται μελέτη της επίδρασης υψηλών θερμοκρασιών στην παραμένουσα αντοχή συνάφειας μεταξύ σκυροδέματος και νευροχαλύβων. Η διερεύνηση έγινε με την θέρμανση 48 δοκιμίων οπλισμένου σκυροδέματος τα οποία έφεραν διαμπερή ράβδο χάλυβα σε θερμοκρασίες που κυμαίνονταν από200 C έως 800 C και στην συνέχεια εξόλκευση της ράβδου (Pull-out test). Από τα δεδομένα που προέκυψαν μορφώθηκαν τα διαγράμματα τάσης συνάφειας συναρτήσει της ολίσθησης για το σύνολο των δοκιμίων, με βάση τα οποία ακολούθησε εκτενής ανάλυση που οδήγησε στη διατύπωση συμπερασμάτων. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Είναι γενικότερα γνωστή η επίδραση των υψηλών θερμοκρασιών (άνω των 200 ο C) τόσο στο σκυρόδεμα όσο και στους χάλυβες. Ειδικά για τους χάλυβες, οι ιδιότητες που επηρεάζονται με την μεταβολή της θερμοκρασίας είναι κυρίως το όριο διαρροής, η εφελκυστική αντοχή και η παραμόρφωση θραύσεως. Η επίδραση εξαρτάται κυρίως από την θερμοκρασία και διάρκεια της έκθεσης καθώς και από την μέθοδο παραγωγής των χαλύβων. Οι κατασκευές από ωπλισμένο σκυρόδεμα βασίζονται στην συνεργασία του σκυροδέματος και του ενσωματωμένου σιδηρού οπλισμού. Η επιτυχής συνεργασία των δύο υλικών εξασφαλίζεται μέσω μιας συνδυασμένης δράσης μηχανισμών που παρεμποδίζουν την σχετική ολίσθηση μεταξύ των ράβδων οπλισμού και του περιβάλλοντος σκυροδέματος. Η δράση αυτή αποδίδεται με τον όρο συνάφεια και προσομοιάζεται με τη δημιουργία διατμητικών τάσεων στη διεπιφάνεια χάλυβα σκυροδέματος, των τάσεων συνάφειας. Μειωμένη δυνατότητα ανάπτυξης τάσεων συνάφειας συνεπάγεται υποβιβασμό της φέρουσας ικανότητας των στοιχείων. Μια τέτοια μείωση ενδέχεται να προκληθεί ύστερα από έκθεση σε υψηλές θερμοκρασίες, για παράδειγμα σε μια κατάσταση πυρκαγιάς. Αντικείμενο της εργασίας αποτελεί η μελέτη της επιρροής υψηλών θερμοκρασιών στην παραμένουσα, μετά την επάνοδο σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος, αντοχή συνάφειας μεταξύ σκυροδέματος και νευροχαλύβων. Η διερεύνηση έγινε με τη διεξαγωγή πρότυπων δοκιμών εξόλκευσης (Pull-out test) σε δοκίμια σκυροδέματος τα οποία είχαν προηγουμένως υποβληθεί σε θερμοκρασίες που κυμαίνονταν από 200 C έως 800 C. 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Για την εκτέλεση των πειραμάτων παρασκευάστηκαν, σύμφωνα με το πρότυπο ΕΛΟΤ EN10080 [1], 48 δοκίμια εξόλκευσης [2] σχηματική παράσταση των οποίων φαίνεται στο Σχήμα 2.1. Πρόκειται για πρισματικά δοκίμια σκυροδέματος από το μέσο δύο αντικείμενων πλευρών των οποίων διέρχεται μία ράβδος οπλισμού. Η δοκιμή εξολκευσης εκτελείται με την επιβολή εφελκυστικής δύναμης στο ένα από τα εξέχοντα τμήματα της ράβδου, ενώ στο έτερο τμήμα, το αφόρτιστο, τοποθετούνται βελόμετρα για τον προσδιορισμό της ολίσθησης. Τα δοκίμια είχαν 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 1

διαστάσεις 20x20x25cm και προήλθαν στο σύνολο τους από μία και μοναδική σκυροδέτηση. Οι ράβδοι οπλισμού που χρησιμοποιήθηκαν ήταν δύο διαμέτρων, Φ10 και Φ16. Χρησιμοποιήθηκαν, επιπλέον, πλαστικοί σωλήνες για την διακοπή της συνάφειας. Το μήκος συνάφειας είχε μήκος 5Φ (50mm για τις ράβδους Φ10 και 80mm για τις ράβδους Φ16) και βρίσκεται προς την πλευρά τοποθέτησης των βελομέτρων. Το κενό μεταξύ ράβδου και πλαστικού σωλήνα σφραγίστηκε κατάλληλα για να μην εισχωρήσει τσιμεντοπολτός. ΥΠΟΜΝΗΜΑ 1. Εξέχον τμήμα της ράβδου μέχρι το σημείο τοποθέτησης των βελομέτρων 2. Μήκος συνάφειας L = 5 d 3. Μήκος χωρίς συνάφεια b L = min (200mm 5d) 4. Εξέχον τμήμα της ράβδου μέχρι το σημείο εφαρμογής της εφελκυστικής δύναμης 5. Ράβδος διαμέτρου d 6. Σκυρόδεμα 7. Πωματισμός πλαστικού σωλήνα 8. Πλαστικός σωλήνας για τον περιορισμό του μήκους συνάφειας Σχήμα 2.1 Σχηματική παράσταση δοκιμίου εξόλκευσης Ιδιαίτερα για τις ράβδους Φ16, αναφέρεται ότι διακρίνονταν σε δύο κατηγορίες με βάση την κατάσταση των ελάστρων από τα οποία διέρχεται ο πυρακτωμένος χάλυβας, των οποίων η φυσιολογική φθορά κατά την φάση της παραγωγής συνεπάγεται αλλοίωση της γεωμετρίας των νευρώσεων. Έγινε προσπάθεια διερεύνησης της επιρροής της αλλοίωσης αυτής στη συνάφεια, με τη χρήση ράβδων οπλισμού παραγόμενες από νέα και άφθαρτα έλαστρα (Αρχή Καλλίμπρας) και από χρησιμοποιημένα έλαστρα (λίγο πριν την αντικατάστασή τους, Τέλος Καλλίμπρας). Η επιβολή των υψηλών θερμοκρασιών έγινε στον φούρνο του εργαστηρίου Ωπλισμένου Σκυροδέματος του ΕΜΠ. Έγιναν 15 θερμάνσεις στις οποίες θερμάνθηκαν συνολικά 40 δοκίμια ανά ζεύγη ή τριάδες, ενώ τα υπόλοιπα 8 δοκίμια, 4 για κάθε διάμετρο οπλισμού, δεν υποβλήθηκαν σε θέρμανση με σκοπό την ανάδειξη της αντοχής συνάφειας υπό φυσιολογικές συνθήκες θερμοκρασίας (μάρτυρες). Ιδιαίτερος προβληματισμός δημιουργήθηκε γύρω από τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας που αναπτυσσόταν στην περιοχή της συνάφειας εντός του δοκιμίου, οφειλόμενος σε αβεβαιότητες που αφορούσαν την εγκυρότητα των ενδείξεων των θερμομετρικών οργάνων, την ανισοκατανομή των θερμοκρασιών στο θάλαμο θέρμανσης και κατά μήκος της ράβδου (Σχήμα 2.2) καθώς και τον ρυθμό αύξησης της θερμοκρασίας στο εσωτερικό των δοκιμίων. Με βάση τις παρατηρήσεις και τα στοιχεία που προέκυψαν υιοθετήθηκε μία πρότυπη διαδικασία θέρμανσης, με την εκτέλεση της οποίας γινόταν η εκτίμηση της μέσης θερμοκρασίας (θερμοκρασία-στόχος) που αναπτυσσόταν στην περιοχή της συνάφειας. Η διαδικασία θέρμανσης είχε ως εξής: η θερμοκρασία αύξανε μέχρι την θερμοκρασία στόχο προσαυξημένη κατά 50 C, στην συνέχεια παρέμενε σταθερή για περίπου 30 λεπτά, ακολούθως αφηνόταν να ελαττωθεί ως την θερμοκρασία-στόχο, όπου και διατηρούταν σταθερή μέχρι την πάροδο 90 λεπτών από την πρώτη στιγμή που είχε φθάσει την θερμοκρασία-στόχο. Η τιμή αυτή αποτελούσε τη θερμοκρασία-στόχο για τα δύο ενδότερα, στο θάλαμο, δοκίμια. Το τρίτο, εξώτατο, δοκίμιο κάθε θέρμανσης εκτιμάται ότι υποβλήθηκε σε μια μέση θερμοκρασία που υπολειπόταν του στόχου κατά 50 C. Η χρονική εξέλιξη όλων των θερμάνσεων φαίνεται στο σχήμα 2.3. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 2

Σχήμα 2.2.α. Σχηματική παράσταση της κατανομής της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του φούρνου θερμάνσεως. Σχήμα 2.2.β Κατανομή της θερμοκρασίας κατά μήκος του τμήματος της ράβδου με συνάφεια (αριστερά: στο εξώτατο δοκίμιο, δεξιά: στα ενδότερα δοκίμια) T [ o C] 800 700 600 500 400 300 200 100 θερμ. 1-320 θερμ. 2-200 θερμ. 3-500 θερμ. 4-500 θερμ. 5-600 θερμ. 6-600 θερμ. 7-500 θερμ. 8-700 θερμ. 9-800 θερμ.10-600 θερμ.11-600 θερμ.12-750 θερμ.13-300 θερμ.14-450 θερμ.15-650 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Χρόνος θέρμανσης [min] Σχήμα 2.3 Διαγράμματα χρονικής εξέλιξης της θερμοκρασίας για το σύνολο των θερμάνσεων 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 3

Για την εκτέλεση των δοκιμών εξόλκευσης χρησιμοποιήθηκε υδραυλική συσκευή επιβολής δύναμης, την οποία διαπερνούσε το μακρύ ελεύθερο τμήμα του οπλισμού και αντιστηριζόμενη στο σώμα του δοκιμίου ανάγκαζε τη ράβδο σε εξόλκευση (Σχήμα 2.4). Ταυτόχρονα, για τον προσδιορισμό της ολίσθησης της ράβδου, τοποθετούνταν τρία βελόμετρα σε αστεροειδή διάταξη στο πίσω - ελεύθερο τμήμα της ράβδου. Σχήμα 2.4 Γενική διάταξη δοκιμής εξόλκευσης Οι πειραματικές διαδικασίες ολοκληρώθηκαν με τη θραύση συμβατικών κυλίνδρων και κύβων για τον προσδιορισμό της αντοχής σε εφελκυσμό και σε θλίψη του χρησιμοποιηθέντος σκυροδέματος. Προέκυψαν οι τιμές f ct =3,26MPa και f cc =34,59MPa αντίστοιχα. 3. ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Με την επεξεργασία των δεδομένων προέκυψαν για κάθε δοκίμιο τα διαγράμματα της τάσης συνάφειας, τ, συναρτήσει της ολίσθησης, s, καθώς και τα αδιαστατοποιημένα και ανηγμένα ως προς την ποιότητα του σκυροδέματος: τ/f ct s, τ/f cc s, και τ/τ max,o s, όπου τ max,o η μέση τιμή των μέγιστων τάσεων συνάφειας των 8 δοκιμίων που δεν υπεβλήθησαν σε θερμική φόρτιση (μάρτυρες), τ max,o =18,14MPa. Ενδεικτικά παρατίθενται τα διαγράμματα του δοκιμίου 34 που υποβλήθηκε στη θέρμανση υπ. αριθ. 10 με θερμοκρασία στόχο 400 C (Σχήμα 3.1). Ακολούθως εξετάστηκαν (Σχήμα 3.2) οι περιπτώσεις των δοκιμίων με ράβδους Φ16 που διέφεραν ως προς την παράμετρο της καταστάσεως των ελάστρων παραγωγής τους. Στα ακόλουθα σχήματα τον αριθμό του δοκιμίου ακολουθεί ο συμβολισμός (Α) για Αρχή Καλλίμπρας (μη φθαρμένα έλαστρα) και (Τ) για Τέλος Καλλίμπρας (φθαρμένα έλαστρα), ενώ τον αριθμό της θέρμανσης ακολουθεί η αντίστοιχη θερμοκρασία-στόχος. Παρατηρείται, στην πλειοψηφία των περιπτώσεων, υπεροχή των δοκιμίων Αρχής Καλλίμπρας, τόσο ως προς τη μέγιστη τάση συνάφειας, όσο και ως προς την κλίση του ανοδικού κλάδου του διαγράμματος. Ωστόσο, αξίζει να σημειωθεί ότι προηγούμενη εργασία [3] με εκτενέστερη μελέτη επί του θέματος δεν έδειξε ουσιαστική επίδραση της ηλικίας των ελάστρων παραγωγής στη συνάφεια. Στη συνέχεια χαράχθηκαν οι καμπύλες όλων των δοκιμίων στο Σχήμα 3.3. Ακόμη παραστάθηκαν επί κοινούς άξονες οι μέγιστες τάσεις συνάφειας τ max και οι αντίστοιχες ολισθήσεις s τ,max συναρτήσει της θερμοκρασίας-στόχου Τ (Σχήμα 3.4). Παρατίθενται τα χαρακτηριστικότερα των διαγραμμάτων. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 4

τ / fct τ [ΜPa] 1 1 1 1 0,5 1,5 2,5 3,5 3.1.α 4,5 3,5 2,5 1,5 0,5 0,5 1,5 2,5 3,5 τ / fcc τ / τ max,ο 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,5 1,5 2,5 3,5 3.1.β 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,5 1,5 2,5 3,5 3.1.γ 3.1.δ Σχήμα 3.1 Διάγραμμα: (α) τάσεων συνάφειας (β) τάσεων συνάφειας ανηγμένων στην μέση τιμή των μέγιστων τάσεων συνάφειας των δοκιμίων που δεν θερμάνθηκαν, (γ) τάσεων συνάφειας ανηγμένων στην εφελκυστική αντοχή και (δ) τάσεων συνάφειας ανηγμένων στην θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος συναρτήσει της ολίσθησης, s. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 5

2 1 1 03 - Α 07 - Τ 11 - Α 15 - Τ 2 1 1 1 1 1 0,5 1,5 2,5 3,5 02 - Α 09 - Τ 3.2.α. Μάρτυρες 3.2.β. Θέρμανση 1 320 C 7,0 0,5 1,5 2,5 3,5 7,0 0,5 1,5 2,5 3,5 14 - A 18 - T 04 - Α 08 - Τ 3.2.γ. Θέρμανση 3 500 C 3.2.δ. Θέρμανση 6 600 C 7,0 0,5 1,5 2,5 3,5 01 - Α 17 - Τ 7,0 0,5 1,5 2,5 3,5 12 - A 16 - T 3.2.ε. Θέρμανση 11 700 C 3.2.στ. Θέρμανση 9 800 C Σχήμα 3.2 Ομαδοποιημένα, ανά θέρμανση, διαγράμματα τάσεων συνάφειας συναρτήσει της ολίσθησης και συγκριτική παράθεση συμπεριφοράς δοκιμίων με οπλισμούς παραγόμενους από έλαστρα διαφορετικής καταστάσεως (Α: αρχή καλλίμπρας καινούργια έλαστρα, Τ: τέλος καλλίμπρας, χρησιμοποιημένα- φθαρμένα έλαστρα.) 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 6

2 2 2 2 1 1 1 1 1 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 03-020 07-020 11-020 15-020 22-020 23-020 26-020 37-020 21-150 19-200 20-200 42-300 44-300 02-320 09-320 36-350 33-400 34-400 35-400 13-450 29-450 43-450 45-450 06-500 10-500 14-500 18-500 27-500 28-500 40-550 04-600 08-600 25-600 38-600 39-600 05-650 24-650 31-650 41-650 12-700 16-700 30-700 32-700 47-700 46-750 48-750 01-800 17-800 Σχήμα 3.3 Διάγραμμα τάσεων συνάφειας, τ, συναρτήσει της ολίσθησης, s, για όλα τα δοκίμια (στο παραπάνω υπόμνημα τα δύο πρώτα ψηφία υποδηλώνουν τον αριθμό του δοκιμίου και τα τρία επόμενα την θερμοκρασία στην οποία θερμάνθηκε το δοκίμιο). 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 7

2 2 τ max [MPa] 1 1 MΑΡΤΥΡΕΣ 150-350 400-450 500-550 600-650 700-800 s τmax [mm] Σχήμα 3.4 Παράσταση μέγιστων τάσεων συνάφειας, τ max, συναρτήσει της αντίστοιχης ολίσθησης, s τmax για τις διάφορες κλάσεις θερμάνσεως (150-350, 400-450, 500-550, 600-650, 700-800 ο C) 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Όσον αφορά την επιρροή της θερμοκρασίας στη συνάφεια σκυροδέματος και χάλυβα, παρατηρήθηκε μείωση των τάσεων συνάφειας με την αύξηση της μέσης θερμοκρασίας που αναπτύχθηκε στην περιοχή συνάφειας (Σχήμα 4.1). Μάλιστα, η συσχέτιση αυτή φάνηκε να προσεγγίζεται ικανοποιητικά με γραμμική μεταβολή των τάσεων συναρτήσει της θερμοκρασίας. Από την παρατήρηση του σχήματος 4.1, διαφαίνεται κάποια διαφοροποίηση στη συμπεριφορά των δοκιμίων με ράβδους Φ10 από τα δοκίμια με ράβδους Φ16. Το γεγονός αυτό εικάζεται ότι μπορεί να οφείλεται είτε σε σφάλμα κατά την εκτίμηση της μέσης θερμοκρασίας που αναπτύσσεται στην περιοχή συνάφειας των Φ16 δοκιμίων (η οποία βασίστηκε σε στοιχεία και θερμομετρήσεις που έγιναν σε Φ10 δοκίμια), είτε σε διαφοροποίηση του μηχανισμού αστοχίας (με βάση την παρατήρηση της δημιουργίας ευρείας και βαθιάς ρωγμής στα Φ16 δοκίμια κατά την εξόλκευση των ράβδων). Χοντρικά πάντως μπορεί να λεχθεί ότι ήδη στους 500 ο C χάνεται η μισή αντοχή συνάφειας. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 8

2 τmax [MPa] 1 1 y = -179x + 18,339 R 2 = 0,8735 Φ16 Φ10 Φ16 Φ10 y = -223x + 18,367 R 2 = 0,9541 0 100 200 300 400 500 600 700 800 T [ o C] Σχήμα 4.1 Μέγιστες τάσεις συνάφειας συναρτήσει της θερμοκρασίας-στόχου και φαινομενική διάκριση στη συμπεριφορά των Φ10 και Φ16 δοκιμίων. 3,5 sτmax [mm] 2,5 1,5 Φ16 Φ10 0,5 0 100 200 300 400 500 600 700 800 T [ o C] Σχήμα 4.2 Παράσταση της ολίσθησης υπό την μέγιστη τάσης συνάφειας συναρτήσει της θερμοκρασίας-στόχου για ράβδους Φ10 και Φ16. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 9

Όσον αφορά την ολίσθηση, s τmax, που παρατηρείται την στιγμή κατά την οποία η τάση συνάφειας γίνεται μέγιστη, δεν φάνηκε να έχει ουσιαστική συσχέτιση με τη θερμοκρασία στην οποία θερμάνθηκε το δοκίμιο (Σχήμα 4.2). Τέλος, όσον αφορά την επίδραση της καταστάσεως των ελάστρων και της φθοράς τους κατά την παραγωγή των ράβδων, φάνηκε μια αναμενόμενη ελαφρά μειωμένη αντοχή σε συνάφεια των ράβδων που παρήχθησαν όταν τα έλαστρα ήταν φθαρμένα (λίγο πριν την αντικατάστασή τους, Τέλος Καλλίμπρας) σε σχέση με την αντοχή σε συνάφεια των ράβδων που παρήχθησαν όταν τα έλαστρα ήσαν καινούργια (Αρχή Καλλίμπρας) (Σχήμα 3.2). ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] Πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ 10080, Χάλυβες οπλισμού σκυροδέματος - Συγκολλήσιμοι χάλυβες οπλισμού Γενικές απαιτήσεις. [2] Σαγιάς Θ.Δ. Διπλωματική εργασία: Συνάφεια χάλυβα σκυροδέματος: επίδραση υψηλών θερμοκρασιών. Εργαστήριο Ωπλισμένου Σκυροδέματος ΕΜΠ, 2006. [3] Πάττα Δ.Στ. & Περβολαράκης Μ.Δ. Διπλωματική εργασία: Συνάφεια χάλυβα σκυροδέματος: επίδραση της γεωμετρίας των νευρώσεων. Εργαστήριο Ωπλισμένου Σκυροδέματος ΕΜΠ, 2005. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 10