Στρέψη δοκών και πλακοδοκών από ωπλισµένο σκυρόδεµα ενισχυµένων µε ανθρακοϋφάσµατα

Στρέψη δοκών και πλακοδοκών από ωπλισµένο σκυρόδεµα ενισχυµένων µε ανθρακοϋφάσµατα Κ.Ε. Χαλιορής Λέκτορας. Τοµέας οµικών Κατασκευών Εργαστήριο Ωπλισµένου Σκυροδέµατος ΠΘ. Ε.Γ. Καλαµαράς Πολιτικός Μηχανικός ΠΘ. Λέξεις κλειδιά: Ανθρακοϋφάσµατα, δοκοί, ενίσχυση, ινωπλισµένα πολυµερή, πλακοδοκοί, στρέψη ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Εξετάζεται πειραµατικά η στρεπτική συµπεριφορά δοκών και πλακοδοκών από ωπλισµένο σκυρόδεµα που έχουν ενισχυθεί µε επικολλητά υφάσµατα από ινωπλισµένα πολυµερή µε ίνες άνθρακα (ανθρακοϋφάσµατα) ως εξωτερικός εγκάρσιος οπλισµός. Τέσσερις δοκοί ορθογωνικής διατοµής και τρεις µε διατοµή Τ κατασκευάστηκαν και δοκιµάσθηκαν σε καθαρή στρέψη για τον σκοπό αυτό. Οι ορθογωνικές δοκοί ενισχύθηκαν µε ανθρακοϋφάσµατα τα οποία επικολλήθηκαν περιµετρικά της διατοµής υπό µορφή ολόσωµων κλειστών µανδυών και υπό µορφή µεµονωµένων λωρίδων, ενώ στις πλακοδοκούς τα υφάσµατα επικολλήθηκαν σε όλο το µήκος της δοκού αλλά µόνο στον κορµό της διατοµής. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα έδειξαν ότι οι ενισχυµένες ορθογωνικές δοκοί παρουσίασαν αυξηµένη στρεπτική αντοχή, ενώ στις πλακοδοκούς η αύξηση αυτή ήταν µειωµένη λόγω πρόωρης αστοχίας από την αποκόλληση των υφασµάτων. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η χρήση υλικών από σύνθετα ινωπλισµένα πολυµερή (Fibre Reinforced Polymers FRP) ως εξωτερικός οπλισµός αποτελεί µία σχετικά νέα τεχνική για την ενίσχυση δοµικών στοιχείων από ωπλισµένο σκυρόδεµα. Η ευκολία στην εφαρµογή, η υψηλή διακριτικότητα και οι βελτιωµένες µηχανικές ιδιότητες που παρουσιάζουν τα υλικά αυτά αποτελούν τα βασικά πλεονεκτήµατα της µεθόδου. Πρόσφατες έρευνες έδειξαν ότι η χρήση εποξειδικά επικολληµένων ελασµάτων ή υφασµάτων από ινωπλισµένα πολυµερή για την καµπτική ενίσχυση και επισκευή δοµικών στοιχείων είναι ιδιαίτερα αποτελεσµατική, εφόσον ληφθεί υπ όψη η µικρή παραµόρφωση αστοχίας, η έλλειψη πλαστιµότητας, οι δυσκολίες αγκύρωσης και η απότοµη αστοχία των συνθέτων υλικών (Καραµπίνης & Πανταζοπούλου 2000, Καραγιάννης & Σιρκελής 2001, Τσώνος 2003, Vougioukas et al 2005, Li et al 2006). Επικολλητά υφάσµατα από ινωπλισµένα πολυµερή υπό µορφή ολόσωµων κλειστών µανδυών ή µεµονωµένων λωρίδων έχουν ήδη χρησιµοποιηθεί επιτυχώς για την αύξηση της διατµητικής αντοχής δοκών µε ορθογωνική διατοµή (Kalifa et al 1998, Chaallal et al 1998, Li et al 2001, Τριανταφύλλου 2003, Chalioris 2003). Σε πλακοδοκούς, όµως, που δεν είναι κατασκευαστικά εφικτή η εφαρµογή των συνθέτων υφασµάτων περιµετρικά της διατοµής, η επικόλληση των υφασµάτων περιορίζεται στον κορµό της διατοµής (µορφή U). Σε αυτές τις περιπτώσεις, η αύξηση της διατµητικής αντοχής λόγω ενίσχυσης είναι σαφώς µικρότερη και τα ινωπλισµένα πολυµερή δεν εξαντλούν τις υψηλές εφελκυστικές αντοχές τους δεδοµένου ότι η αστοχία προέρχεται από την πρόωρη αποκόλληση των υφασµάτων από τη διεπιφάνεια σκυροδέµατος εποξειδικής κόλλας υφάσµατος (Micelli et al 2002, Τριανταφύλλου 2003, Karayannis & Chalioris 2003). Επί πλέον, δοµικά υποσυστήµατα ακραίων κόµβων δοκού - υποστυλωµάτων έχουν εξ αρχής ενισχυθεί (προσεισµική ενίσχυση) ή επισκευασθεί και εν συνεχεία ενισχυθεί (µετασεισµική 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 1

ενίσχυση) µε επικολληµένα υφάσµατα από ινωπλισµένα πολυµερή (Τσώνος & Στυλιανίδης 2001, ρίτσος 2001, Karayannis & Sirkelis 2002, Τριανταφύλλου 2003). Τα πειραµατικά αποτελέσµατα υπέδειξαν ότι η εφαρµογή και η επαρκής αγκύρωση των σύνθετων υφασµάτων στην περιοχή του κόµβου έχει ιδιαίτερη σηµασία για την επιτυχία της µεθόδου ενίσχυσης. Όσον αφορά τη στρέψη δοµικών στοιχείων από σκυρόδεµα, η στρεπτική συµπεριφορά του απλού, του συµβατικά οπλισµένου και του προεντεταµένου σκυροδέµατος (Hsu 1984, Zararis & Penelis 1986, Karayannis 2000a, Karayannis & Chalioris 2000a, b, Chalioris 2006) καθώς και του ινωπλισµένου σκυροδέµατος µε χαλύβδινες ίνες (Tegos 1989, Καραγιάννης & Χαλιορής 1996, 2000, Karayannis 2000b) έχει µελετηθεί εκτενώς τόσο πειραµατικά όσο και αναλυτικά. Παρ όλα αυτά, το αντικείµενο της ενίσχυσης δοκών υπό στρέψη δεν έχει ουσιαστικά διερευνηθεί. Ειδικώτερα, η αποτελεσµατικότητα της ενίσχυσης στρεπτικών δοκών µε τη χρήση συνθέτων υλικών από ινωπλισµένα πολυµερή έχει µόλις αρχίσει να εξετάζεται πειραµατικά και βρίσκεται σε προκαταρτικά στάδια έρευνας (Ghobarah et al 2002, Salom et al 2004, Meng et al 2006). Στην παρούσα εργασία γίνεται µια προσπάθεια να εκτιµηθεί η αποτελεσµατικότητα της ενίσχυσης δοκών ωπλισµένου σκυροδέµατος υπό στρέψη µε τη χρήση επικολλητών υφασµάτων από ινωπλισµένα πολυµερή µε ίνες άνθρακα ως εξωτερικός εγκάρσιος οπλισµός. Η πειραµατική στρεπτική συµπεριφορά δύο ενισχυµένων δοκών µε ορθογωνική διατοµή και δύο ενισχυµένων πλακοδοκών συγκρίνεται µε την αντίστοιχη απόκριση δύο δοκών ελέγχου (µιας ορθογωνικής και µιας δοκού-τ) χωρίς εγκάρσιο οπλισµό καθώς και µιας δοκού µε κοινούς χαλύβδινους συνδετήρες, ώστε να µελετηθούν οι κάτωθι διαφορετικές διατάξεις ενίσχυσης µε ανθρακοϋφάσµατα: Συνεχή φύλλα περιµετρικά επικολληµένα στη διατοµή ορθογωνικής δοκού (ολόσωµος κλειστός µανδύας). Μεµονωµένες κλειστές λωρίδες περιµετρικά επικολληµένες στη διατοµή ορθογωνικής δοκού. Συνεχή φύλλα επικολληµένα στον κορµό της διατοµής των πλακοδοκών σε όλο το µήκος της δοκού (ανοικτός µανδύας µορφής U). 2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ 2.1 Χαρακτηριστικά δοκιµίων Κατασκευάσθηκαν επτά δοκοί από σκυρόδεµα µήκους 1.60 m, εκ των οποίων οι τέσσερις είχαν ορθογωνική διατοµή µε διαστάσεις πλάτους προς ύψος: b/h = / mm και οι τρεις είχαν διατοµή Τ µε διαστάσεις: b/h/b f /h f = ///50 mm. Όλες οι ορθογωνικές δοκοί είχαν διαµήκη οπλισµό 4 8 και όλες οι πλακοδοκοί είχαν διαµήκη οπλισµό 6 8. Μία ορθογωνική δοκός (δοκίµιο R) και µία πλακοδοκός (δοκίµιο T) ήταν τα δοκίµια ελέγχου, στα οποία δεν είχε τοποθετηθεί εγκάρσιος οπλισµός. Επίσης, µία ορθογωνική δοκός είχε ως εγκάρσιο οπλισµό κοινούς χαλύβδινους συνδετήρες σε µικρό ποσοστό: 5.5/160 mm (δοκίµιο RS). Όσον αφορά τις ενισχυµένες δοκούς µε επικολλητά ανθρακοϋφάσµατα από ινωπλισµένα πολυµερή ως εξωτερικό εγκάρσιο οπλισµό, η ορθογωνική δοκός RF1 είχε ενισχυθεί µε µία στρώση υφάσµατος (n f = 1) υπό τη µορφή συνεχών φύλλων, τα οποία είχαν επικολληθεί περιµετρικά στη διατοµή. Η ορθογωνική δοκός RF0.5 είχε ενισχυθεί µε µία στρώση υφάσµατος (n f = 1) υπό τη µορφή µεµονωµένων λωρίδων πλάτους 200 mm, οι οποίες είχαν επικολληθεί περιµετρικά στη διατοµή και σε καθαρή απόσταση µεταξύ τους ίση µε 200 mm. Τέλος, οι πλακοδοκοί TF1 και TF2 ενισχύθηκαν µε µία στρώση (n f = 1) και δύο στρώσεις (n f = 2) υφάσµατος, αντίστοιχα, µε τη µορφή συνεχών επικολληµένων φύλλων στον κορµό της διατοµής Τ σε όλο το µήκος της δοκού. Τα γεωµετρικά χαρακτηριστικά και οι οπλισµοί των δοκών του πειραµατικού προγράµµατος παρουσιάζονται στο Σχήµα 1 και αναφέρονται συνοπτικά στον Πίνακα 1. Επίσης, στον Πίνακα 1 δίδονται οι τιµές των ποσοστών του διαµήκους χαλύβδινου οπλισµού (ρ sl ), του εγκάρσιου χαλύβδινου οπλισµού (ρ st ) και του εγκάρσιου σύνθετου εξωτερικού οπλισµού (ρ ft ). 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 2

R 1000 1000 RF1 RF0.5 200 200 200 200 200 1000 5.5 RS 160 160 160 160 160 160 960 α. Ορθογωνικές δοκοί 50 4 8 250 T 1000 50 4 8 250 TF1 50 4 8 1000 250 TF2 β. Πλακοδοκοί Σχήµα 1. Γεωµετρικά χαρακτηριστικά και οπλισµοί δοκών πειραµατικού προγράµµατος 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 3

Πίνακας 1. Οπλισµοί δοκών πειραµατικού προγράµµατος οκός ιαµήκεις ράβδοι Συνδετήρες Επικολλητά ανθρακοϋφάσµατα (εξωτερικός εγκάρσιος οπλισµός) n f ρ sl (%) ρ st (%) ρ ft (%) R 4 8 0.447 RF1 4 8 RF0.5 4 8 περιµετρικά φύλλα ως ολόσωµος κλειστός µανδύας περιµετρικές κλειστές λωρίδες πλάτους 200 mm ανά 400 mm 1 0.447 0.220 1 0.447 0.110 RS 4 8 5.5/160 0.447 0.224 T 6 8 0.574 TF1 6 8 TF2 6 8 φύλλα στον κορµό της διατοµής ως ανοικτός µανδύας µορφής U φύλλα στον κορµό της διατοµής ως ανοικτός µανδύας µορφής U 1 0.574 0.136 2 0.574 0.272 2.2 Χαρακτηριστικά υλικών Το µείγµα του σκυροδέµατος των δοκών του πειραµατικού προγράµµατος περιελάµβανε αναλογίες τσιµέντου / αδρανών / νερού: z/k/w = 1/3.9/0.43 µε θραυστά αδρανή µε µέγιστη διάµετρο 9.5 mm. Η µέση θλιπτική και η µέση εφελκυστική αντοχή του σκυροδέµατος προσδιορίσθηκε µε δοκιµές 6 κυλίνδρων / mm σε αξονική θλίψη και σε διάρρηξη, αντίστοιχα. Οι µέσες τιµές αντοχών για τις ορθογωνικές δοκούς και τις πλακοδοκούς του πειραµατικού προγράµµατος δίδονται στον Πίνακα 2. Η αντοχή διαρροής του χάλυβα των διαµήκων ράβδων ήταν ίση µε 560 MPa (νευροχάλυβας ονοµαστικής ποιότητας S500) και του χάλυβα των συνδετήρων ήταν 350 MPa (λείος χάλυβας ονοµαστικής ποιότητας S220). Το ύφασµα από ινωπλισµένο πολυµερές που χρησιµοποιήθηκε ως εξωτερικός εγκάρσιος οπλισµός είχε ίνες άνθρακα κατά τη µία διεύθυνση µε πάχος ίσο µε t f = 0.11 mm ανά φύλλο (SikaWrap-200C). Επικολλήθηκε στα δοκίµια ως εγκάρσιος οπλισµός έτσι ώστε η διεύθυνση των ινών να είναι κάθετη στον διαµήκη άξονα της δοκού. Σύµφωνα µε τις προδιαγραφές του προµηθευτή, το µέτρο ελαστικότητας, η µέγιστη εφελκυστική αντοχή και η µέγιστη παραµόρφωση θραύσης των ινών είναι: E f = 230 GPa, f fu = 3900 MPa και ε fu = 1.5% mm/mm, αντίστοιχα. Για την επικόλληση των φύλλων του σύνθετου υλικού χρησιµοποιήθηκε ειδική εποξειδική κόλλα δύο συστατικών (Sikadur 330) µε πυκνότητα 1310 kg/m 3, µέτρο ελαστικότητας 3800 MPa και εφελκυστική αντοχή 30 MPa. Πίνακας 2. Αντοχές σκυροδέµατος οκίµια Μέση θλιπτική αντοχή Μέση εφελκυστική αντοχή Ορθογωνικές δοκοί 28.8 MPa 2.9 MPa Πλακοδοκοί 26.5 MPa 2.2 MPa 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 4

2.3 Πειραµατική διάταξη Όλες οι δοκοί στηρίχθηκαν αµφιέρειστα κοντά στα άκρα τους σε στηρίξεις οι οποίες επέτρεπαν την ελεύθερη στροφή της δοκού περί τον διαµήκη άξονά της καθώς και την ελεύθερη διαµήκη επιµήκυνσή της. Η καταπόνηση των δοκών σε καθαρή στρέψη πραγµατοποιήθηκε σύµφωνα µε την πειραµατική διάταξη που φαίνεται στο Σχήµα 2. Η φόρτιση επιβλήθηκε µε υδραυλικό έµβολο στα άκρα των δύο ειδικά κατασκευασµένων χαλύβδινων βραχιόνων µέσω της λοξά τοποθετηµένης ως προς τον άξονα της δοκού χαλύβδινης δοκίδας. Τα άκρα των δοκών είχαν υψηλό ποσοστό εγκάρσιου οπλισµού (πυκνούς συνδετήρες και 3 φύλλα ανθρακοϋφάσµατος) ώστε να µην αστοχήσουν. Κατ αυτόν τον τρόπο, το µεσαίο τµήµα της δοκού, µήκους 1.0 m περίπου, ήταν η υπό εξέταση περιοχή, η οποία καταπονήθηκε και τελικώς αστόχησε σε καθαρή στρέψη και περιελάµβανε τον οπλισµό που περιγράφεται στο Σχήµα 1. Για τη µέτρηση του επιβαλλόµενου φορτίου χρησιµοποιήθηκε ηλεκτρονικό δυναµόµετρο (load cell) µέγιστου φορτίου 200 kn και ακρίβειας 0.05 kn. Η γωνία στροφής στο µεσαίο τµήµα των δοκών υπολογίσθηκε µε βάση τις οριζόντιες µετατοπίσεις του δοκιµίου, καθώς αυτό στρεφόταν, σε δύο εκατέρωθεν σηµεία που απείχαν µεταξύ τους 0.80 m. Οι µετατοπίσεις αυτές µετρήθηκαν µε τη χρήση δύο ηλεκτρονικών γραµµικών µηκυνσιοµέτρων (LVDT) µέγιστης διαδροµής 100 mm και ακρίβειας 0.01 mm, τα οποία τοποθετήθηκαν όπως φαίνεται στο Σχήµα 2. Επίσης, µετρήθηκαν οι ανηγµένες παραµορφώσεις των διαµήκων ράβδων των δοκών µε ωµικά µηκυνσιόµετρα (strain gauges). Οι δοκοί δοκιµάσθηκαν σε σταθερά αυξανόµενη µονότονη στρεπτική καταπόνηση έως την τιµή της µέγιστης ροπής στρέψης και εν συνεχεία µε σταθερά αυξανόµενη στροφή έως την τελική αστοχία του δοκιµίου. P ηλεκτρονικό δυναµόµετρο LVDT χαλύβδινη δοκίδα LVDT 1600 δοκίµιο χαλύβδινος βραχίονας Σχήµα 2. Πειραµατική διάταξη 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 5

3 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΓΚΡΙΣΕΙΣ Οι τιµές του φορτίου και των µετατοπίσεων που κατεγράφησαν κατά τις πειραµατικές δοκιµές των δοκών µετετράπησαν σε τιµές ροπής στρέψης (Τ) και γωνίας στροφής ανά µονάδα µήκους (θ), αντίστοιχα. Η πραγµατική στρεπτική συµπεριφορά των δοκών µε ορθογωνική διατοµή και µε διατοµή πλακοδοκού παρουσιάζεται στα διαγράµµατα των Σχηµάτων 3 και 4, αντίστοιχα, υπό τη µορφή πειραµατικής καµπύλης Τ θ. Επί πλέον, στον Πίνακα 3 δίδονται οι µετρηθείσες τιµές της στρεπτικής ροπής ρηγµάτωσης (T cr ) και της αντίστοιχης γωνίας στροφής ρηγµάτωσης (θ cr ) για όλες τις δοκούς του πειραµατικού προγράµµατος. Ακόµα, δίδονται οι τιµές της µέγιστης στρεπτικής ροπής στο στάδιο µετά τη ρηγµάτωση (T u ) και της αντίστοιχης γωνίας στροφής (θ u ) για τις δοκούς RF1, RF0.5 και TF2, οι οποίες παρουσίασαν αύξηση της ροπής στρέψης µετά τον αρχικό κλάδο, δηλαδή µετά τη ροπή ρηγµάτωσης. Σε αυτές τις δοκούς, η µέγιστη αντοχή σε στρέψη (T max ) ισούται µε τη µέγιστη στρεπτική ροπή στο µετά τη ρηγµάτωση στάδιο (T max = T u ). Αντιθέτως, στις άλλες δοκούς (δοκίµια R, RS, T και TF1) δεν παρατηρήθηκε περαιτέρω αύξηση της ροπής στρέψης στο στάδιο µετά τη ρηγµάτωση και συνεπώς η ροπή ρηγµάτωσης ήταν και η µέγιστη στρεπτική αντοχή (T max = T cr ). Το γεγονός αυτό οφείλεται αφ ενός στην απουσία εγκάρσιου οπλισµού για τα δοκίµια ελέγχου (δοκοί R και Τ) και αφ ετέρου στον ελλιπή εγκάρσιο οπλισµό των δοκών RS (µε µικρό ποσοστό συνδετήρων) και TF1 (µε µία στρώση επικολληµένων υφασµάτων στον κορµό της πλακοδοκού υπό µορφή ανοικτού µανδύα). Ακόµα, στον Πίνακα 3 δίδεται η τιµή της στρεπτικής ροπής T f των ενισχυµένων δοκών, η οποία αντιπροσωπεύει την αύξηση της στρεπτικής αντοχής που οφείλεται στην υπό εξέταση ενίσχυση µε εξωτερικά επικολληµένα ινωπλισµένα πολυµερή. Η τιµή αυτή θεωρείται ότι είναι ίση µε τη διαφορά των µέγιστων ροπών στρέψης (T max ) των ενισχυµένων δοκών (ορθογωνικές δοκοί RF1, RF0.5 και πλακοδοκοί TF1, TF2) και των αντίστοιχων δοκών ελέγχου (ορθογωνική δοκός R και πλακοδοκός T, αντίστοιχα). Κατ αυτόν τον τρόπο υπολογίζεται και η ποσοστιαία αύξηση της αντοχής σε στρέψη των ενισχυµένων δοκών λόγω της χρήσης υφασµάτων από ινωπλισµένα πολυµερή. Η αύξηση αυτή είναι ίση µε 34.0 % και 44.6 % για τις ορθογωνικές δοκούς µε ποσοστά υφασµάτων 0.110 % (υπό µορφή λωρίδων) και 0.220 % (υπό µορφή ολόσωµων κλειστών µανδυών), αντίστοιχα, ενώ για τις πλακοδοκούς (υπό µορφή ανοικτών µανδυών µορφής U) είναι µόνον 6.0 % και 11.4 % για ποσοστά ινωπλισµένων φύλλων 0.136 % και 0.272 %, αντίστοιχα. Πίνακας 3. Πειραµατικά αποτελέσµατα οκός T cr (kn m) θ cr (rad/m) T u (kn m) θ u (rad/m) T max (kn m) T f (kn m) R 6.951 0.010 6.951 Αύξηση της T max λόγω των FRP RF1 8.794 0.009 10.050 0.071 10.050 3.099 44.6 % RF0.5 6.728 0.010 9.315 0.075 9.315 2.364 34.0 % RS 6.924 0.009 6.924 T 8.481 0.003 8.481 TF1 8.994 0.004 8.994 0.513 6.0 % TF2 8.775 0.004 9.450 0.022 9.450 0.969 11.4 % 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 6

12 10 Ροπή στρέψης (kn.m) 8 6 4 Ορθογωνικές δοκοί 2 RF1 RF0.5 RS R 0 0.00 0.05 0.10 0.15 Γωνία στροφής ανά µονάδα µήκους (rad/m) Σχήµα 3. Πειραµατική συµπεριφορά δοκών µε ορθογωνική διατοµή 12 10 Ροπή στρέψης (kn.m) 8 6 4 Πλακοδοκοί 2 TF2 TF1 T 0 0.00 0.05 0.10 Γωνία στροφής ανά µονάδα µήκους (rad/m) Σχήµα 4. Πειραµατική συµπεριφορά πλακοδοκών 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 7

Όσον αφορά τη συνολική στρεπτική συµπεριφορά των δοκιµίων, η ενισχυµένη δοκός RF1 µε συνεχή φύλλα από ινωπλισµένα πολυµερή, περιµετρικά επικολληµένα στην ορθογωνική διατοµή της δοκού ως κλειστός ολόσωµος µανδύας, είχε ελαφρώς µεγαλύτερη τιµή αρχικής στρεπτικής δυσκαµψίας από τις υπόλοιπες δοκούς. Επίσης, η στρεπτική ροπή ρηγµάτωσης της ίδιας δοκού ήταν ιδιαίτερα υψηλότερη από τις αντίστοιχες τιµές της ροπής ρηγµάτωσης των άλλων ορθογωνικών δοκών (δοκίµια R, RF0.5 και RS), γεγονός που υποδηλώνει ότι η ενίσχυση µε ανθρακοϋφάσµατα υπό τη µορφή ολόσωµων κλειστών µανδυών επηρεάζει και το αρχικό µέχρι τη ρηγµάτωση στάδιο απόκρισης. Η µετελαστική συµπεριφορά των ενισχυµένων ορθογωνικών δοκών ήταν ιδιαίτερα βελτιωµένη σε σχέση µε τη δοκό ελέγχου, δεδοµένου ότι οι δοκοί RF1 και RF0.5 εµφάνισαν αύξηση της αντοχής σε στρέψη, ικανοποιητική µετελαστική συµπεριφορά (πλαστιµότητα) και οµαλό φθίνοντα κλάδο µετά τη µέγιστη ροπή, συγκριτικά µε τη συµπεριφορά της δοκού R (Σχ. 3). Επίσης, από τα διαγράµµατα Τ θ των ορθογωνικών δοκών (Σχ. 3) και από τις τιµές των Πινάκων 1 & 3 φαίνεται ότι, οι δοκοί RF1 και RS ενώ είχαν το ίδιο ποσοστό εγκάρσιου οπλισµού (0.22 %), η ενισχυµένη δοκός µε ανθρακοϋφάσµατα (RF1) επέδειξε σαφώς καλλίτερη συνολική στρεπτική συµπεριφορά καθώς και υψηλότερη αντοχή σε στρέψη από τη συµβατικά οπλισµένη δοκό (RS). Επί πλέον, η µετά τη ρηγµάτωση συµπεριφορά και η στρεπτική αντοχή της ενισχυµένης δοκού RF0.5 µε εγκάρσιο οπλισµό λωρίδες από ανθρακοϋφάσµατα σε ποσοστό ρ ft = 0.11 % ήταν βελτιωµένη σε σχέση µε το δοκίµιο ελέγχου (R), χωρίς συνδετήρες και τη συµβατικά οπλισµένη δοκό (RS), µε κοινούς χαλύβδινους συνδετήρες σε ποσοστό ρ st = 0.22 %. Από τα παραπάνω φαίνεται ότι η τεχνική ενίσχυσης µε περιµετρικά εποξειδικά επικολληµένα ανθρακοϋφάσµατα στη διατοµή ορθογωνικών δοκών ως εξωτερικός εγκάρσιος οπλισµός στρέψης είναι ιδιαίτερα αποτελεσµατική δεδοµένου ότι προσέδωσε στις υπό εξέταση δοκούς ιδιαίτερα αυξηµένη αντοχή και πλαστιµότητα. Παρ όλα αυτά, η χρήση των ανθρακοϋφασµάτων στις πλακοδοκούς υπό τη µορφή ανοικτών µανδυών µορφής U (συνεχή φύλλα επικολληµένα µόνο στον κορµό της διατοµής) δεν είχε αντίστοιχα αποτελέσµατα µε αυτά των ενισχυµένων ορθογωνικών δοκών. Οι ενισχυµένες πλακοδοκοί TF1 και TF2 παρουσίασαν µικρή αύξηση στη µέγιστη στρεπτική αντοχή και η συνολική τους απόκριση ήταν ελαφρώς βελτιωµένη σε σχέση µε τη δοκό ελέγχου (Σχ. 4). 4 ΜΟΡΦΕΣ ΑΣΤΟΧΙΑΣ Τα δοκίµια ελέγχου (δοκοί R & T) αστόχησαν ψαθυρά εµφανίζοντας τυπικές διαγώνιες στρεπτικές ρηγµατώσεις δοκών µε διαµήκη µόνο οπλισµό. Αντίστοιχα τυπική ήταν και η ρηγµάτωση της δοκού µε µικρό ποσοστό συνδετήρων (δοκός RS). Η µορφή αστοχίας των ενισχυµένων ορθογωνικών δοκών (δοκίµια RF1 & RF0.5) και πλακοδοκών (δοκίµια TF1 & TF2) ήταν τελείως διαφορετική τόσο µε τα υπόλοιπα δοκίµια, όσο και µεταξύ τους και παρουσιάζεται στις Εικόνες 5 & 6, αντίστοιχα. Στην ενισχυµένη ορθογωνική δοκό RF1 µε συνεχή φύλλα υπό µορφή ολόσωµου κλειστού µανδύα, τα ανθρακοϋφάσµατα εµπόδισαν σε µεγάλο βαθµό την εµφάνιση ρηγµατώσεων και η τελική αστοχία προήλθε σε υψηλά επίπεδα έντασης από τη θραύση των ινωπλισµένων πολυµερών στα σηµεία που οι ίνες έτεµναν τη διαγώνια ρηγµάτωση του σκυροδέµατος (Εικ. 5α). Η αστοχία της ορθογωνικής δοκού RF0.5 µε λωρίδες από ινωπλισµένα πολυµερή καθυστέρησε σε σχέση µε τη δοκό ελέγχου R (χωρίς εγκάρσιο οπλισµό), αλλά τελικώς οι ρηγµατώσεις δηµιουργήθηκαν στα µη ενισχυµένα τµήµατα της δοκού, µεταξύ των λωρίδων (Εικ. 5β). Οι ενισχυµένες πλακοδοκοί (TF1 & TF2) αστόχησαν µε τον ίδιο ακριβώς τρόπο σε σχετικά χαµηλά επίπεδα έντασης λόγω της πρόωρης αποκόλλησης των υφασµάτων από τη διεπιφάνεια σκυροδέµατος εποξειδικής κόλλας ανθρακοϋφάσµατος (Εικ. 6α & β). 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 8

α. οκός RF1 β. οκός RF0.5 Εικόνα 5. Μορφές αστοχίας δοκών ορθογωνικής διατοµής α. οκός TF1 β. οκός TF2 Εικόνα 6. Μορφές αστοχίας πλακοδοκών 5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην εργασία παρουσιάζεται πειραµατική διερεύνηση της αποτελεσµατικότητας της ενίσχυσης έναντι στρεπτικής καταπόνησης δοκών και πλακοδοκών από ωπλισµένο σκυρόδεµα µε χρήση εποξειδικά επικολληµένων ανθρακοϋφασµάτων ως εξωτερικός εγκάρσιος οπλισµός. Από τις προκαταρτικές περιπτώσεις που εξετάσθηκαν προέκυψαν τα παρακάτω αρχικά συµπεράσµατα: Η ενίσχυση ορθογωνικής δοκού µε συνεχή ινωπλισµένα φύλλα που επικολλήθηκαν περιµετρικά της διατοµής υπό τη µορφή ολόσωµου κλειστού µανδύα αύξησε σε υψηλό ποσοστό την αντοχή ρηγµάτωσης και τη µέγιστη αντοχή σε στρέψη και βελτίωσε σηµαντικά τη συνολική στρεπτική συµπεριφορά προσδίδοντας στη δοκό σηµαντική πλαστιµότητα. Η αστοχία της δοκού χαρακτηρίζεται από την παρεµπόδιση της ρηγµάτωσης του σκυροδέµατος σε ικανοποιητικό βαθµό και τελικώς, τη θραύση των ινών του ανθρακοϋφάσµατος σε υψηλά επίπεδα έντασης. Η ενίσχυση ορθογωνικής δοκού µε περιµετρικά επικολληµένες λωρίδες από ινωπλισµένα υφάσµατα περιόρισε τη ρηγµάτωση του σκυροδέµατος στα µη ενισχυµένα τµήµατα της δοκού µεταξύ των λωρίδων και βελτίωσε σηµαντικά τη συνολική συµπεριφορά αυξάνοντας τη µέγιστη αντοχή σε στρέψη και την ικανότητα µετελαστικής απόκρισης. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 9

Οι ενισχυµένες πλακοδοκοί µε συνεχή ινωπλισµένα φύλλα που επικολλήθηκαν στον κορµό της διατοµής σε όλο το µήκος της δοκού (ανοικτός µανδύας µορφής U) αστόχησαν πρόωρα λόγω της αποκόλλησης των υφασµάτων από τη διεπιφάνεια σκυροδέµατος εποξειδικής κόλλας ανθρακοϋφάσµατος. Συνέπεια αυτού ήταν η µειωµένη αύξηση της στρεπτικής αντοχής σε σχέση µε τις ενισχυµένες ορθογωνικές δοκούς και η σχετικά µικρή βελτίωση της µετελαστικής συµπεριφοράς των δοκών. Σε αυτές τις περιπτώσεις, ειδικές τεχνικές αγκύρωσης των υφασµάτων θα πρέπει να εφαρµοσθούν και να εξετασθούν για την ουσιαστική βελτίωση της στρεπτικής απόκρισης. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η συνεισφορά του κ. Γ. Καρύδη, Πολιτικού Μηχανικού, MSc, τεχνικού συµβούλου της Sika Hellas και των Πολιτικών Μηχανικών ΠΘ κ.κ. Ν. ασκαλάκη, Ι. Κωστάκη και Γ. Παπανικολάου εκτιµάται ιδιαιτέρως. Τα ινωπλισµένα ανθρακοϋφάσµατα και οι εποξειδικές κόλλες εδόθησαν δωρεάν από τη Sika Hellas. ΑΝΑΦΟΡΕΣ Chaallal, O., Nollet, M.J. & Perraton, D. 1998. Shear strengthening of RC beams by externally bonded side CFRP strips. Journal of Composites for Construction, ASCE, Vol. 2, No. 2: 111-113. Chalioris, C.E. 2003. Shear performance of RC beams using FRP sheets covering part of the shear span. Proceedings of the 1st International Conference on Concrete Repair, St-Malo, France, Vol. 2: 809-816. Chalioris, C.E. 2006. Experimental study of the torsion of reinforced concrete members. Journal of Structural Engineering and Mechanics, in press. ρίτσος, Σ.Η. 2001. Επισκευές και ενισχύσεις κατασκευών από οπλισµένο σκυρόδεµα. Πάτρα. Ghobarah, A., Ghorbel, M.N. & Chidiac, S.E. 2002. Upgrading torsional resistance of reinforced concrete beams using fiber-reinforced polymer. Journal of Composites for Construction, ASCE, Vol. 6, No. 4: 257-263. Hsu, T.T.C. 1984. Torsion of reinforced concrete. Van Nostrand Reinhold, New York. Kalifa, A., Gold, W.J., Nanni, A. & Aziz, A.M. 1998. Contribution of externally bonded FRP to shear capacity of RC flexural members. Journal of Composites for Construction, ASCE, Vol. 2, No. 4: 195-202. Karayannis, C.G. 2000a. Smeared crack analysis for plain concrete in torsion. Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 126, No. 6: 638-645. Karayannis, C.G. 2000b. Nonlinear analysis and tests of steel-fiber concrete beams in torsion. Journal of Structural Engineering and Mechanics, Vol. 9, No. 4: 323-338. Karayannis, C.G. & Chalioris, C.E. 2000a. Experimental validation of smeared analysis for plain concrete in torsion. Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 126, No. 6: 646-653. Karayannis, C.G. & Chalioris, C.E. 2000b. Strength of prestressed concrete beams in torsion. Journal of Structural Engineering and Mechanics, Vol. 10, No. 2: 165-180. Karayannis, C.G. & Chalioris, C.E. 2003. Strengthening of shear T-beams using carbon FRP. Proceedings of the 1st International Conference on Concrete Repair, St-Malo, France, Vol. 2: 775-782. Karayannis, C.G. & Sirkelis, G.M. 2002. Effectiveness of RC beam-column connections strengthening using carbon-frp jackets. Proceedings of the 12th European Conference on Earthquake Engineering, London, PR 549. Καραγιάννης, Χ.Γ. & Σιρκελής, Γ.Μ. 2001. Πειραµατική διερεύνηση συµπεριφοράς σε ανακυκλιζόµενη φόρτιση καµπτικών στοιχείων Ο/Σ ενισχυµένων µε C-FPR. Πρακτικά 2ου Πανελλήνιου Συνεδρίου Αντισεισµικής Μηχανικής και Τεχνικής Σεισµολογίας, Θεσσαλονίκη, Τόµος Β: 417-424. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 10

Καραγιάννης, Χ.Γ. & Χαλιορής, Κ.Ε. 1996. Στρεπτική συµπεριφορά στοιχείων από οπλισµένο ινοσκυρόδεµα, Τεχνικά Χρονικά, Τόµος 16, Τεύχος 1-2: 53-67. Καραγιάννης, Χ.Γ. & Χαλιορής, Κ.Ε. 2000. Επιρροή των χαλύβδινων ινών στην ικανότητα πλακοδοκών Ο/Σ υπό στρέψη, Τεχνικά Χρονικά, Τόµος 20, Τεύχος 2: 111-122. Καραµπίνης, Α. & Πανταζοπούλου, Σ. 2000. Η χρήση των συνθέτων υλικών στο σχεδιασµό και την ενίσχυση στοιχείων ΟΣ. Τεχνικά Χρονικά, Τόµος 20, Τεύχος 3: 75-86. Li, A., Assih, J. & Delmas, Y. 2001. Shear strengthening of RC beams with externally bonded CFRP sheets. Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 127, No. 4: 374-380. Li, L.J., Guo, Y.C., Liu, F. & Bungey, J.H. 2006. An experimental and numerical study of the effect of thickness and length of CFRP on performance of repaired reinforced concrete beams. Journal of Construction and Building Materials, in press. Meng, J., Raongjant, W. & Li, Z. 2006. Torsional strengthening of reinforced concrete box beams using carbon fiber reinforced polymer. Journal of Composite Structures, in press. Micelli, F., Raghu, A.H. & Nanni, A. 2002. Strengthening of short shear span reinforced concrete T joists with fiber-reinforced plastic composites. Journal of Composites for Construction, ASCE, Vol. 6, No. 4: 264-271. Salom, P.R., Gergely, J.M. & Young, D.T. 2004. Torsional strengthening of spandrel beams with fiber-reinforced polymer laminates. Journal of Composites for Construction, ASCE, Vol. 8, No. 2: 157-162. Tegos, I.A. 1989. Fiber reinforced concrete beams with circular section in torsion. ACI Structural Journal, Vol. 86, No. 4: 473-482. Τριανταφύλλου, Α.Χ. 2003. Ενισχύσεις κατασκευών οπλισµένου σκυροδέµατος µε σύνθετα υλικά (ινοπλισµένα πολυµερή). Πάτρα. Τσώνος, Α.Γ. & Στυλιανίδης, Κ.X. 2001. Προσεισµική και µετασεισµική ενίσχυση δοµικών υποσυνόλων οπλισµένου σκυροδέµατος µε χρήση GFRP. Επιστηµονική έκδοση περιοδικού Κτίριο, Τεύχος A: 41-50. Τσώνος, Α.Γ. 2003. Εκτίµηση της αποδοτικότητας της ενίσχυσης δοµικών στοιχείων από ΟΣ µε σύνθετα υλικά (FRPs). Επιστηµονική έκδοση περιοδικού Κτίριο, Τεύχος Α-Β. Vougioukas, E., Zeris, C.A. & Kotsovos, M.D. 2005. Toward safe and efficient use of fiberreinforced polymer for repair and strengthening of reinforced concrete structures. ACI Structural Journal, Vol. 102, No. 4: 525-534. Zararis, P.D. & Penelis, G.G. 1986. Reinforced concrete T-beams in torsion and bending. ACI Journal, Vol. 83, No. 1: 145-155. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 11