Πειραματική Διερεύνηση Στοιχείων Ο/Σ με Ανεπαρκείς Λεπτομέρειες Όπλισης

Πειραματική Διερεύνηση Στοιχείων Ο/Σ με Ανεπαρκείς Λεπτομέρειες Όπλισης Δ.Β. Συντζιρμά MSc-DIC Πολιτικός Μηχανικός Υποψήφια Διδάκτωρ, Τμ. Πολ. Μηχ., Δ.Π.Θ., dsyntz@civil.duth.gr Σ.Ι. Πανταζοπούλου Πολιτικός Μηχανικός (PhD) Καθηγήτρια, Τμ. Πολ. Μηχ., Δ.Π.Θ., Ξάνθη 671, 2541-79639, pantaz@civil.duth.gr Γ.Χ. Χαλκίτης Πολιτικός Μηχανικός, Δ.Π.Θ. Λέξεις κλειδιά: παραμορφωσιμότητα, ψαθυρή αστοχία, στοιχεία παλαιού τύπου, λυγισμός ράβδων ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Με την αναπροσαρμογή του σεισμικού συντελεστή, στον ΕΚΩΣ 2, σε υψηλότερα επίπεδα, έχει ανακύψει το ερώτημα της αντισεισμικής επάρκειας πλήθους υφιστάμενων κατασκευών. Η ανάγκη λοιπόν για πειραματική διερεύνηση στοιχείων που να προσομοιάζουν παλαιού τύπου κατασκευές προβάλλει επιτακτική. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται τμήμα ενός πειραματικού προγράμματος δεκαέξι (16) δοκιμίων από Ο/Σ με ανεπαρκείς λεπτομέρειες όπλισης. Πρόκειται για υποστυλώματα τετραγωνικής διατομής, με ματίσεις στις κρίσιμες περιοχές, τα οποία υπεβλήθησαν σε εναλλασσόμενη καμπτοδιατμητική φόρτιση με αξονικό φορτίο, ενώ οι κρίσιμες παράμετροι της πειραματικής σειράς ήταν το ποσοστό του διαμήκους και του εγκάρσιου οπλισμού, το μήκος των ματίσεων και το ιστορικό φόρτισης. Καθώς οι λεπτομέρειες όπλισης των στοιχείων ήταν αντιπροσωπευτικές των παλαιού τύπου κατασκευών, παρατηρήθηκαν ποικίλες μορφές αστοχίας, όπως αστοχία ματίσεων, λυγισμός του διαμήκους οπλισμού και διατμητική αστοχία. Κρίσιμη παράμετρος, στη συμπεριφορά των δοκιμίων και στο μηχανισμό αστοχίας τους, απετέλεσε το ιστορικό φόρτισης. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται διεξοδικά τα αποτελέσματα της πειραματικής έρευνας. 1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ Στόχος του πειραματικού προγράμματος που παρουσιάζεται στην παρούσα εργασία, είναι ο προσδιορισμός του μηχανισμού αστοχίας και της αντίστοιχης ικανότητας παραμόρφωσης (παραμορφωσιμότητας) των κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος (Ο/Σ) που έχουν σχεδιαστεί σύμφωνα με προηγούμενους αντισεισμικούς κανονισμούς και που με βάση τα σημερινά δεδομένα κρίνονται ανεπαρκείς. Κατά συνέπεια, τα στοιχεία σχεδιάστηκαν σύμφωνα με τον κανονισμό DIN 145 του 1972, ο οποίος απετέλεσε και τη βάση των αντισεισμικών κανονισμών σχεδιασμού Ο/Σ της Νότιας Ευρώπης πριν από τριάντα χρόνια. Οι απαιτήσεις του αντισεισμικού σχεδιασμού για εκείνη την χρονική περίοδο, τόσο για την Ευρώπη, όσο και για την Βόρεια Αμερική έχουν περιγραφεί διεξοδικά σε προηγούμενες μελέτες υφιστάμενων κατασκευών (Pantazopoulou 23). Το πειραματικό πρόγραμμα αποτελείται από 16 στοιχεία ορθογωνικής διατομής, με τον διαμήκη οπλισμό κατανεμημένο συμμετρικά στη διατομή, όπως ήταν σύνηθες στα υποστυλώματα παλαιού τύπου κατασκευών. Το τυπικό στοιχείο αντιπροσωπεύει υποστύλωμα κτιρίου που εκτείνεται από το μέσο του υποστυλώματος έως και τον κόμβο, σε πλαισιακή κατασκευή, και είναι σε κλίμακα 1:2. Η τυπική διατομή του στοιχείου επιλέχτηκε με βάση την πρακτική εκείνης της εποχής, ενώ έχει δοθεί ιδιαίτερη βαρύτητα στις λεπτομέρειες όπλισης. Στην Εικόνα 1 φαίνονται οι λεπτομέρειες των δοκιμίων. Το διατμητικό άνοιγμα είναι 9 mm και η διατομή είναι 2 2(mm). Καθώς το αντικείμενο της μελέτης ήταν η συμπεριφορά του υποστυλώματος, το 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 26 1

2 2 2 8Φ12 9 Φ12 s= 5, 7, 11 or 14 (mm) κατεύθυνση φόρτισης ματισμένες ράβδοι 2 Φ6 36db or 25db 36 d b ή b 2 4Φ12 Φ6 6 Εικόνα 1. Τυπική γεωμετρία και οπλισμός στοιχείου θεμέλιο ήταν σχετικά δύσκαμπτο και ισχυρό. Ο διαμήκης οπλισμός αποτελούνταν είτε από 8Ø12, είτε από 4Ø12, ποιότητας S5 και ήταν τοποθετημένος στην περίμετρο της διατομής, με καθαρή επικάλυψη περίπου 2mm. Με βάση την παραπάνω παράμετρο, τα δοκίμια χωρίζονται σε δυο υποκατηγορίες, αυτά που έχουν διαμήκη οπλισμό 8Ø12, και θα αναφέρονται στο εξής ως υποκατηγορία Ι, και αυτά που έχουν διαμήκη οπλισμό 4Ø12 και θα αναφέρονται ως υποκατηγορία ΙΙ. Ο αριθμός των διαμήκων ράβδων ορίζει την επιβαλλόμενη διατμητική αντοχή, που σχετίζεται με την καμπτική αντοχή του στοιχείου, συγκρινόμενη με την ονομαστική διατμητική του αντοχή. Έτσι, καθώς τα εν λόγω δοκίμια, αντιπροσωπεύουν παλαιού τύπου στοιχεία (δηλ. έχουν ανεπαρκή εγκάρσιο οπλισμό), τα δοκίμια της υποκατηγορίας Ι έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε η διάτμηση να καθορίσει την συμπεριφορά και τον μηχανισμό αστοχίας τους (Syntzirma & Pantazopoulou 26a). Αντίθετα, τα δοκίμια της υποκατηγορίας ΙΙ σχεδιάστηκαν έτσι ώστε η επιβαλλόμενη διατμητική αντοχή να είναι σημαντικά μικρότερη από αυτήν της υποκατηγορίας Ι, καθώς ο στόχος ήταν να επιτευχθούν άλλοι μηχανισμοί αστοχίας, εκτός από τη διάτμηση. Αντικειμενικός σκοπός του πειραματικού προγράμματος ήταν ο προσδιορισμός της επίδρασης του ιστορικού φόρτισης, κατά την ανάπτυξη λυγισμού στην υποκατηγορία ΙΙ, ως συνέπεια του πρώιμου τερματισμού της καμπτικής συμπεριφοράς. Ο εγκάρσιος οπλισμός αποτελούνταν από λείο χάλυβα Ø6, ποιότητας S22 και η διάταξή του φαίνεται στην Εικόνα 1. Πέντε δοκίμια είχαν ματίσεις ακριβώς πάνω από το θεμέλιο, δηλ. στην κρίσιμη περιοχή, όπως ήταν η συνήθης πρακτική στη Ελλάδα την περίοδο μελέτης. Οι λεπτομέρειες των δοκιμίων φαίνονται στον Πίνακα 1. Το πλαίσιο και η διάταξη φόρτισης φαίνονται στην Εικόνα 2. Κατά τη φόρτιση, κάθε δοκίμιο συνδεόταν μέσω βλήτρων στην περιοχή του θεμελίου με ένα άλλο δοκίμιο, ίδιας γεωμετρίας, το οποίο όμως ήταν σαφώς πιο ισχυρό από το εξεταζόμενο δοκίμιο. Αυτό το ισχυρό δοκίμιο, που θα αναφέρεται στο εξής ως βοηθητικό δοκίμιο, επαναχρησιμοποιήθηκε σε όλα τα πειράματα και παρουσίασε πολύ μικρή βλάβη καθ όλο το πειραματικό πρόγραμμα. Το σύστημα των δυο δοκιμίων, του εξεταζόμενου και του βοηθητικού, λειτουργούσε πρακτικά ως απλά στηριζόμενη δοκός με διαπλάτυνση στο μέσο (στην θέση των θεμελίων). Τα άκρα των δυο δοκιμίων τοποθετούνταν σε μεταλλικά κουτιά, που βρίσκονταν σε ένα εγκάρσιο σύστημα, έτσι ώστε να επιτρέπεται η περιστροφή τους, αλλά όχι και η εγκάρσια μετακίνηση. Το εγκάρσιο φορτίο εφαρμοζόταν ελέγχοντας την μετακίνηση της κεντρικής διαπλάτυνσης, δηλ. στα θεμέλια των δυο υποστυλωμάτων, με συγκεκριμένο ιστορικό εναλλασσόμενων μετακινήσεων. Το αξονικό φορτίο εφαρμοζόταν απευθείας στο μεταλλικό κουτί, στο άκρο του εξεταζόμενου δοκιμίου, μέσω της 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 26 2

στήριξης, ενώ το μεταλλικό κουτί στο άκρο του βοηθητικού δοκιμίου ήταν προσαρμοσμένο επάνω στο πλαίσιο, μεταφέροντας έτσι την αντίδραση του συστήματος. Το αξονικό φορτίο, που ήταν της τάξεως του 8% της θλιπτικής αντοχής του στοιχείου A g f c, εφαρμοζόταν αρχικά στο σύστημα των δοκιμίων και στη συνέχεια αναπροσαρμοζόταν κατά τη διάρκεια του πειράματος, καθώς το σύστημα κινείτο στην εγκάρσια κατεύθυνση. Χρειάζεται να σημειωθεί, πως καθώς προχωρούσε η διαδικασία της φόρτισης και προκαλείτο συσσώρευση βλάβης, το δοκίμιο επιμηκυνόταν εξαιτίας της ανελαστικής παραμόρφωσης προκαλώντας έτσι απότομη αύξηση στο αξονικό φορτίο, όσο αυξανόταν η εγκάρσια μετακίνηση γι αυτό το λόγο το αξονικό φορτίο διορθωνόταν σε κάθε κύκλο. Στον Πίνακα 2 φαίνονται οι πιο σημαντικές παράμετροι σχεδιασμού για τα δοκίμια της υποκατηγορίας ΙΙ. Συγκεκριμένα, αναφέρεται η υπολογισθήσα καμπτική αντοχή, στη διαρροή και στο μέγιστο, (M y και M u ), η ονομαστική ικανοτική διατμητική αντοχή (V u =M u /L s ) και η αντίστοιχη διαθέσιμη διατμητική αντοχή (V n ), καθώς και ένα ποσοστό αυτής (το 65% της τιμής, που θεωρείται πως αντιπροσωπεύει ένα κρίσιμο σημείο αναφοράς, καθώς προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει πως εάν η ικανοτική διατμητική αντοχή είναι μικρότερη από αυτήν την τιμή αναφοράς, τότε αποκλείεται το ενδεχόμενο πρώιμης διατμητικής αστοχίας). Οι όροι V s και V c αντιπροσωπεύουν την ονομαστική συνεισφορά στην διατμητική αντοχή του εγκάρσιου οπλισμού και του σκυροδέματος αντίστοιχα. Πίνακας 1. Λεπτομέρειες των Δοκιμίων Ονομασία Δοκιμίου Διαμήκης Οπλισμός Εγκάρσιος Οπλισμός Αξονικό Φορτίο (P/A g f c ) Μάτιση l s Ιστορικό Φόρτισης Δοκ. #1a 8 Ø 12 Ø 6 / 5.8 a Δοκ. #1b 8 Ø 12 Ø 6 / 5.8 b Δοκ. #2a 8 Ø 12 Ø 6 / 7.8 a Δοκ. #2b 8 Ø 12 Ø 6 / 7.8 b Δοκ. #3a 8 Ø 12 Ø 6 / 7.8 25 d b a Δοκ. #3b 8 Ø 12 Ø 6 / 7.8 25 d b b Δοκ. #4aa 8 Ø 12 Ø 6 / 7 36 d b aa Δοκ. #4a 8 Ø 12 Ø 6 / 7.8 36 d b a Δοκ. #4b 8 Ø 12 Ø 6 / 7 36 d b b Δοκ. #5a 8 Ø 12 Ø 6 / 11.8 a Δοκ. #5b 8 Ø 12 Ø 6 / 11.8 b Δοκ. #7a 4 Ø 12 Ø 6 / 7.8 a Δοκ. #7b 4 Ø 12 Ø 6 / 7.8 b Δοκ. #8a 4 Ø 12 Ø 6 / 11.8 a Δοκ. #8b 4 Ø 12 Ø 6 / 11.8 b Δοκ. #9b 4 Ø 12 2Ø 6 / 14.8 b Υποκατ. Ι Υποκατ. ΙΙ Πίνακας 2. Υπολογισθείσες Αντοχές για τα Δοκίμια της Υποκατηγορίας ΙΙ (M y =21 KΝ m, M u =26 KΝ m) Δοκ. #7a, #7b Δοκ. #8a, #8b Δοκ. #9b Συνδετήρες Ø6/7 Ø6/11 2Ø6/14 ρ s, tr.15.67.15 Όροι Διατμητικής Αντοχής V s (kn) 14.2 9.5 19. V c (kn) 21.9 21.9 21.9 V n =V s +V c 36.1 31.4 4.9 V u (kn m) 23.4 23.4 23.4.65V n 23.4 2.4 26.5 Παραμόρφωση Λυγισμού και Αντίστοιχη Πλαστιμότητα s/d b 5.83 9.17 11.67 ε buckl.49.41.43 μ ε,cu 2.3 2. 2.1 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 26 3

Η διάταξη που χρησιμοποιήθηκε στο πειραματικό πρόγραμμα είχε ως στόχο την ύπαρξη σταθερής τέμνουσας κατά μήκος των ανοιγμάτων των υποστυλωμάτων, με μέγιστη ροπή στα θεμέλια, προσομοιάζοντας έτσι την κατανομή των σεισμικών δυνάμεων που συμβαίνουν στο διατμητικό άνοιγμα των υποστυλωμάτων σε πραγματικές πλαισιακές κατασκευές. Ο λόγος για τον οποίο δεν υπήρξε μονολιθική σύνδεση ανάμεσα στο εξεταζόμενο και το βοηθητικό δοκίμιο, ήταν για να προσομοιωθούν οι πραγματικές συνθήκες συνάφειας και αγκύρωσης των διαμήκων ράβδων του υπό εξέταση δοκιμίου. Οι σχετικές μετακινήσεις καταγράφονταν τόσο για εξεταζόμενο, όσο και για το βοηθητικό δοκίμιο, σε συγκεκριμένα σημεία αναφοράς, χρησιμοποιώντας γραμμικά ηλεκτρονικά μυκηνσιόμετρα (LVDTs). Τα δεδομένα λαμβάνονταν μέσω Ηλεκτρονικού Υπολογιστή, χρησιμοποιώντας κατάλληλο πρόγραμμα απόληψης δεδομένων. Επιπλέον, ένας κάνναβος από στόχους είχε τοποθετηθεί στις κρίσιμες περιοχές των δυο δοκιμίων και αποτυπωνόταν μέσω ψηφιακής φωτογραφικής μηχανής καθ όλη τη διάρκεια του πειράματος, όπως φαίνεται στην Εικόνα 3. Οι μετακινήσεις και οι επιφανειακές παραμορφώσεις του σκυροδέματος προσδιορίζονταν μέσω της επεξεργασίας των ψηφιακών εικόνων, από την μετακίνηση των στόχων και την στρέβλωση του καννάβου (η επεξεργασία των εικόνων έγινε με τη χρήση ειδικού λογισμικού που έχει αναπτυχθεί στο Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο για αυτό το σκοπό). Εναλλασσόμενο Φορτίο Εξεταζόμενο Δοκίμιο Βοηθητικό Δοκίμιο Αξονικό Φορτίο LVDT LVDT LVDT LVDT LVDT Εικόνα 2. Διάταξη Φόρτισης Κατανομή της Ανακυκλιζόμενης Ροπής Βασική παράμετρος της έρευνας ήταν ο τύπος του ιστορικού φόρτισης που εφαρμόστηκε στην εγκάρσια κατεύθυνση. Για αυτό το λόγο επιλέχθηκαν δυο διαφορετικά ιστορικά φόρτισης για όλο το πειραματικό πρόγραμμα (Εικ. 4): στο πρώτο ιστορικό, που θα αναφέρεται στο εξής ως a ή aa, το εύρος της μετακίνησης αυξανόταν βαθμιαία, ενώ το εύρος του κάθε κύκλου ήταν υποπολλαπλάσιο ή πολλαπλάσιο της υπολογιζόμενης μετακίνησης διαρροής του δοκιμίου, Δ y. Έτσι, τρεις κύκλοι εφαρμόζονταν για κάθε επίπεδο μετακίνησης και στις δυο διευθύνσεις, π.χ. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 26 4

.25Δ y,.5δ y,.75δ y, 1.Δ y, 1.5Δ y, 2.Δ y, 2.5Δ y και 3.Δ y. Στις περισσότερες περιπτώσεις, τα δοκίμια αστόχησαν πριν το τελευταίο επίπεδο. Το δεύτερο ιστορικό φόρτισης, που θα αναφέρεται στο εξής ως b, προσομοίαζε τη δράση σεισμού κοντινού πεδίου με σημαντική αύξηση της μετακίνησης από κύκλο σε κύκλο (.5Δ y, 1.Δ y, 2.Δ y, 5.Δ y ). Το ιστορικό φόρτισης εξετάστηκε ως παράμετρος του πειραματικού προγράμματος διότι, όπως έχουν δείξει παλαιότερες έρευνες, αυτή η παράμετρος καθορίζει το επίπεδο πλαστιμότητας στο οποίο ενδέχεται να συμβεί λυγισμός του διαμήκους οπλισμού (Syntzirma & Pantazopoulou 26b). Στην περίπτωση που δεν υπάρχουν καλά αγκυρωμένοι, δύσκαμπτοι και πυκνοί συνδετήρες, η πλαστιμότητα παραμορφώσεων του θλιβόμενου οπλισμού σχετίζεται με τον πλευρικό λυγισμό ως αναμενόμενη μορφή αστοχίας (εξαιτίας των ρωγμών που παραμένουν ανοικτές στην πλαστική περιοχή κατά την ανακυκλιζόμενη φόρτιση). Η σχέση που ορίζει την κρίσιμη απόσταση μεταξύ των συνδετήρων και την τάση του οπλισμού που μπορεί να επιτευχθεί πριν το λυγισμό δίνεται από την παρακάτω σχέση (Syntzirma and Pantazopoulou 26b): s / Db =.785 Es f s, Es = 2 GPa για f s f y, Es = Er για f s > f y (1) όπου E r είναι το ισοδύναμο μέτρο ελαστικότητας του διαμήκους οπλισμού. Πρόκειται δηλαδή για μια ζυγισμένη μέση τιμή ανάμεσα στην εφαπτομενική δυσκαμψία της ράβδου E h και στο αρχικό μέτρο ελαστικότητας Ε και χρησιμοποιείται κατά την ελαστική αποφόρτιση της εφελκυόμενης πλευράς της λυγισμένης ράβδου, καθώς αυτή κάμπτεται. Η ισοδύναμη αξονική θλιπτική παραμόρφωση στην οποία ο οπλισμός ενδέχεται να λυγίσει, ε buckl, υπολογίζεται από την Εξ. (1) και εξαρτάται αποκλειστικά από τα χαρακτηριστικά της παραμόρφωσης κράτυνσης του θλιβόμενου οπλισμού. Η παραπάνω σχέση δεν ισχύει για E h =. Για να μπορέσει η ράβδος να περάσει από το πλατό διαρροής και να μπει στην κράτυνση, ο πυρήνας σκυροδέματος πρέπει να είναι επαρκώς περισφιγμένος, ώστε να υπάρχει η δυνατότητα ανακατανομής του φορτίου από τη ράβδο στο σκυρόδεμα, μόλις η δυσκαμψία της ράβδου μειωθεί, ως συνέπεια του λυγισμού. Η αξονική θλιπτική παραμόρφωση που αντιστοιχεί στην ικανότητα παραμόρφωσης του περισφιγμένου πυρήνα υπολογίζεται από την ενεργή τάση περίσφιξης, k e ρ s,st f yst /f c, χρησιμοποιώντας ανάλογα μοντέλα περίσφιξης (Syntzirma & Pantazopoulou 26b, Pantazopoulou 23). 9 mm mm 2 mm 1mm Εικόνα 3. Θέση των Στόχων στην κρίσιμη περιοχή των δοκιμίων Λεπτομέρεια στόχου Κατά συνέπεια, ο εγκάρσιος οπλισμός καθορίζει την κρίσιμη θλιπτική παραμόρφωση που μπορεί να παραλάβει ο πυρήνας, ενώ για δεδομένο λόγο s/d b, η κρίσιμη θλιπτική παραμόρφωση στην ανάλυση ροπών καμπυλοτήτων δεν πρέπει να υπερβαίνει το όριο ε crit =min{ε buckl,ε cu }, όπου ε buckl είναι η κρίσιμη θλιπτική παραμόρφωση που προκύπτει από την Εξ. (1) και ε cu είναι η παραμόρφωση του θλιβόμενου οπλισμού όταν η μέγιστη παραμόρφωση του πυρήνα αγγίζει το όριο που ορίζεται από το μοντέλο περίσφιξης (Εξ. 2). 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 26 5

o 24.6k eρs, st f yst o εcu = εcu( 1+ ) ;.3 ε.4 (2) ' cu fc Αυτή η τιμή χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της M buckl στους υπολογισμούς της μονότονης καμπτικής αντοχής. Η τιμή της κρίσιμης παραμόρφωσης λυγισμού κυμαίνεται, στην παρούσα μελέτη, από.41~.49, λαμβάνοντας υπόψη τις ιδιότητες τάσεων παραμορφώσεων του διαμήκους οπλισμού. Η αντίστοιχη στροφή σε θλίψη της λυγισμένης ράβδου εξαρτάται από το ιστορικό φόρτισης. Έχει αποδειχτεί πως για συμμετρικά ιστορικά μετακινήσεων, η πλαστιμότητα καμπυλοτήτων, μ φ, που αντιστοιχεί στην επίτευξη της κρίσιμης θλιπτικής πλαστιμότητας παραμορφώσεων μ ε,buckl είναι (Pantazopoulou 23): μ φ = (μ ε,buckl + 1) ( 1 x/d), όπου x το μήκος της θλιβόμενης ζώνης Ανάλογες εκφράσεις μπορούν να εξαχθούν για άλλα (μη συμμετρικά) ιστορικά μετακινήσεων. Η Εξ. (3) ισχύει για τα δοκίμια της παρούσας εργασίας (με συμμετρική φόρτιση). Με δεδομένο το σχετικά μικρό εφαρμοζόμενο αξονικό φορτίο (x/d <.2) και τους σχετικά αραιούς συνδετήρες, η υπολογιζόμενη πλαστιμότητα παραμορφώσεων για τα δοκίμια είναι της τάξεως του 2., ενώ η αντίστοιχη πλαστιμότητα καμπυλοτήτων, για την οποία πρόκειται να λυγίσει η ράβδος, υπολογίζεται βάσει της Εξ. (3) και είναι ίση με 2.5. Αυτό σημαίνει πως τα δοκίμια της υποκατηγορίας ΙΙ δεν προβλέπεται να αντιμετωπίσουν διατμητική αστοχία, αλλά να αστοχήσουν από λυγισμό του θλιβόμενου οπλισμού σε μικρή πλαστιμότητα μετακινήσεων. (3) 3 2 1-1 -2-3 3 2 1-1 -2-3 Ιστορικό Φόρτισης a Ιστορικό Φόρτισης aa Ιστορικό Φόρτισης b Εικόνα 4. Ιστορικά Πλευρικής Φόρτισης 5-5 2 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Στη συνέχεια πρόκειται να αναλυθούν τα κυριότερα πειραματικά αποτελέσματα για τα δοκίμια της υποκατηγορίας ΙΙ (Δοκίμια 7a, 7b, 8a, 8b και 9b), καθώς τα πειραματικά δεδομένα που αφορούν στη συμπεριφορά των δοκιμίων της υποκατηγορίας Ι έχουν περιγραφεί αλλού (Syntzirma & Pantazopoulou, 26a). Αναλύονται τα χαρακτηριστικά του μηχανισμού αστοχίας, καθώς και η κατανομή των βλαβών που παρατηρήθηκε στα δοκίμια. Η μετακίνηση διαρροής που χρησιμοποιήθηκε στο ιστορικό φόρτισης, υπολογίστηκε λαμβάνοντας υπόψη τη συνεισφορά της κάμψης, της διάτμησης και της εξόλκευσης και είναι της τάξεως των 14mm (Syntzirma & Pantazopoulou 26a, b). Έτσι το επίπεδο πλαστιμότητας στα διάφορα στάδια του πειράματος είναι πολλαπλάσιο αυτής της ποσότητας. Ως ικανότητα μετακίνησης ορίστηκε το όριο μετακίνησης που αντιστοιχεί σε πτώση της αντοχής κατά 2% στον κατιόντα κλάδο της περιβάλλουσας καμπύλης των υστερητικών βρόγχων. 2.1 Δοκίμιο #7a Όπως είχε σχεδιαστεί, βάσει του διαμήκους οπλισμού του, το Δοκίμιο #7a παρουσίασε αρχικά καμπτική συμπεριφορά, μέχρι να φτάσει σε πλαστιμότητα μετακινήσεων μ Δ =2.5 (στον πρώτο 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 26 6

κύκλο σε αυτό το επίπεδο). Τότε παρουσιάστηκε έντονη στρέβλωση στην πλαστική άρθρωση, ταυτόχρονα με το φαινόμενο της δράσης βλήτρου, όπως φαίνεται στην Εικόνα 5α, ενώ η επικάλυψη άρχισε να ρηγματώνεται, εξαιτίας του λυγισμού. Όταν το δοκίμιο έφτασε σε πλαστιμότητα μ Δ =2.5, για τρίτη φορά, η επικάλυψη του σκυροδέματος διαλύθηκε, αν και η αντοχή του δοκιμίου παρέμεινε σε υψηλά επίπεδα μέχρι να φτάσει σε πλαστιμότητα μ Δ =3., στον 2ο κύκλο (Εικ. 5β). Ο λυγισμός του διαμήκους οπλισμού ήταν ο κυρίαρχος μηχανισμός αστοχίας, όπως είχε προβλεφθεί και από το αναλυτικό μοντέλο. Στην Εικόνα 5 φαίνεται επίσης και το υστερητικό διάγραμμα φορτίου στροφών για το Δοκίμιο #7a. Spec. Δοκ. #7a #7a 6 P (kn) θ (rad) -,2 -,1,,1,2 - - -6-6 (α) (β) Εικόνα 5. Διάγραμμα Φορτίου Στροφής για το Δοκίμιο #7a, (α) Εικόνα του δοκιμίου σε μ Δ =2.5 (1ος κύκλος) Δράση Βλήτρου, (β) Εικόνα του δοκιμίου στην αστοχία (μ Δ =3., στον 2ο κύκλο) 2.2 Δοκίμιο #7b Το Δοκίμιο #7b παρουσίασε μικρές καμπτικές ρωγμές μέχρι το επίπεδο μετακίνησης μ Δ =2.. Κατά το επόμενο κύκλο σε μ Δ =5., σχηματίστηκαν οι πρώτες διατμητικές ρωγμές και η επικάλυψη του σκυροδέματος άρχισε να ρηγματώνεται. Κατά τη διάρκεια του δεύτερου κύκλου σε πλαστιμότητα μ Δ =5., κυριάρχησε ο λυγισμός του διαμήκους οπλισμού, οδηγώντας σε έντονη πτώση της αντοχής (Εικ. 6β). 2.3 Δοκίμιο #8a Άρχισαν να σχηματίζονται διατμητικές ρωγμές στο Δοκίμιο #8a, όταν έφτασε σε επίπεδο 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 26 7

μετακίνησης μ Δ =2.5 για πρώτη φορά. Στον επόμενο κύκλο στην ίδια μετακίνηση, η επικάλυψη του σκυροδέματος άρχισε να ρηγματώνεται έντονα. Στο τέλος, λύγισε ο διαμήκης οπλισμός σε επίπεδο μετακίνησης μ Δ =3. (στον 1ο κύκλο). Δοκ. #7b Spec. #7b Δοκ. Spec. #7b #7b 6 6 P (kn) P (kn) θ θ (rad) (rad) -,2 -,2 -,1 -,1,,,1,1,2,2 - -6 (α) (β) Εικόνα 6. Διάγραμμα Φορτίου Στροφής για το Δοκίμιο #7b, (α) Εικόνα του δοκιμίου σε μ Δ =5. (1ος κύκλος), (β) Εικόνα του δοκιμίου στην αστοχία (μ Δ =5., στον 2ο κύκλο) Δοκ. #8a Δοκ. Spec. # #8a 6 6 P (kn) P (kn) θ θ (rad) -,2 -,1,,1,2 - -6 Εικόνα 7. Διάγραμμα Φορτίου Στροφής για το Δοκίμιο #8a. Εικόνα του δοκιμίου στην αστοχία (μ Δ =3., 1ος κύκλος) 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 26 8

2.4 Δοκίμιο # 8b Το Δοκίμιο #8b παρουσίασε αρχικά διατμητική συμπεριφορά. Οι πρώτες διατμητικές ρωγμές σχηματίστηκαν σε επίπεδο μετακίνησης μ Δ =2., όπως φαίνεται στην Εικόνα 8α. Τελικά, η διάτμηση σε συνδυασμό με το λυγισμό του διαμήκους οπλισμού οδήγησαν το δοκίμιο σε έντονη ρηγμάτωση και αστοχία, σε επίπεδο μετακίνησης μ Δ =5. (για τον πρώτο κύκλο), όπως φαίνεται και στις Εικόνες 8β, 8γ. 2.5 Δοκίμιο 9b Το Δοκίμιο 9b παρουσίασε αρχικά καμπτική συμπεριφορά μέχρι το επίπεδο μετακίνησης μ Δ =2.. Μικρές, διατμητικές ρωγμές άρχισαν να σχηματίζονται στην αρχή του επόμενου κύκλου, σε πλαστιμότητα μ Δ =5.. Στη συνέχεια όμως, παρουσιάστηκε έντονο φαινόμενο λυγισμού του διαμήκους οπλισμού, όπως φαίνεται και στις Εικόνες 9α και 9β. Το δοκίμιο αστόχησε στον δεύτερο κύκλο σε πλαστιμότητα μ Δ =5.. Δοκ. Spec. #8b #8b 6 P (kn) θ (rad) -,2 -,1,,1,2 - -6 (α) (β) (γ) Εικόνα 8: Διάγραμμα Φορτίου Στροφής για το Δοκίμιο #8b, (α) Εικόνα του δοκιμίου σε μετακίνηση μ Δ =2., (β) και (γ) Εικόνες του δοκιμίου στην αστοχία (μ Δ =5. στον 1ο κύκλο) 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Δοκιμάστηκαν δεκαέξι υποστυλώματα οπλισμένου σκυροδέματος σε κλίμακα 1:2, σε συνδυασμό αξονικού φορτίου και εναλλασσόμενων πλευρικών μετακινήσεων. Τα υποστυλώματα είχαν λεπτομέρειες όπλισης τυπικές των προ του 197 κατασκευών και περιελάμβαναν ελαφρύ εγκάρσιο 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 26 9

Δοκ. #9b Spec. Δοκ. #9b #9b 6 6 P (kn) P (kn) θ θ (rad) (rad) -,2 -,2 -,1 -,1,,,1,1,2,2 - -6 (α) (β) Εικόνα 9. Διάγραμμα Φορτίου Στροφής για το Δοκίμιο #9b, (α) Εικόνα του δοκιμίου σε μ Δ =5. (1ος κύκλος), (β) Εικόνα του δοκιμίου στην αστοχία (μ Δ =5., στον 2ο κύκλο) οπλισμό και ματίσεις στην πλαστική περιοχή. Το αξονικό φορτίο ήταν.8a g f c, ενώ το ιστορικό φόρτισης ήταν παράμετρος της έρευνας. Η παρούσα εργασία έχει επικεντρωθεί μόνο στα δοκίμια που αστόχησαν λόγω λυγισμού του διαμήκους οπλισμού. Οι παρατηρήσεις των πειραμάτων παρατίθενται παρακάτω: Τα δοκίμια δεν ήταν επαρκώς περισφιγμένα, καθώς ο εγκάρσιος οπλισμός αποτελείτο από λείες ράβδους Ø6 σε απόσταση 7mm ή 11mm ή 14mm. Παρότι οι συνδετήρες ήταν αραιοί, η επιβαλλόμενη τέμνουσα ήταν μικρού μεγέθους, λόγω σχεδιασμού, ώστε να αποφευχθεί το ενδεχόμενο της πρώιμης διατμητικής αστοχίας και να προκύψει τερματισμός της καμπτικής συμπεριφοράς λόγω λυγισμού του οπλισμού. Εξαιτίας της μεγάλης απόστασης μεταξύ των συνδετήρων, το αστήρικτο μήκος των θλιβόμενων ράβδων ήταν σημαντικό (οι λόγοι s/d b ήταν σχεδόν 6, 9 και 12), οπότε και η περίσφιξη που παρείχαν οι συνδετήρες δεν επαρκούσε για την στήριξη των ράβδων έναντι θλίψης. Το Δοκίμιο 9b είχε διπλούς συνδετήρες σε διπλάσια απόσταση από αυτούς του Δοκίμιο 7b, ώστε η ονομαστική διατμητική αντοχή να είναι ίδια και στις δυο περιπτώσεις, όπως επίσης και η πραγματική δυστένεια (extensional stiffness) των συνδετήρων, σε σχέση με την πλευρική στήριξη που παρείχαν στον διαμήκη οπλισμό. Και τα δυο δοκίμια έφτασαν σε πλαστιμότητα μετακινήσεων περίπου 5., σε δυο κύκλους πριν την αστοχία. Αντίθετα, το Δοκίμιο 8a, με λόγο s/d b περίπου ίσο με 9, αλλά με σαφώς μικρότερη δυστένεια του συστήματος των συνδετήρων από αυτήν των Δοκιμίων 7b ή 9b αστόχησε από λυγισμό σε πλαστιμότητα μετακινήσεων ίση με 3. (με ιστορικό φόρτισης a). 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 26 1

Λυγισμός συνέβη σε όλες τις εξεταζόμενες περιπτώσεις. Το αξονικό φορτίο προκάλεσε σημαντική πτώση της ικανότητας των δοκιμίων. Χρειάζεται να σημειωθεί όμως, πως τα Δοκίμια #7a και #7b, επέδειξαν μια πιο ελεγχόμενη κατανομή βλαβών, που περιελάμβανε μεγαλύτερες επιφάνειες μέσα στην πλαστική περιοχή, αντίθετα με τα δοκίμια με πιο αραιούς συνδετήρες που είχαν πιο ψαθυρή μορφή αστοχίας. 4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία, παρουσιάστηκαν τα αποτελέσματα ενός πειραματικού προγράμματος, που αποτελείτο από υποστυλώματα οπλισμένου σκυροδέματος, αντιπροσωπευτικά των παλαιού τύπου κατασκευών (με αραιούς, ανεπαρκώς αγκυρωμένους συνδετήρες). Τα στοιχεία δοκιμάστηκαν σε συνδυασμό αξονικού φορτίου και εναλλασσόμενης πλευρική μετακίνησης, που προσομοίαζε σεισμική δράση. Τα δοκίμια ήταν επαρκώς οπλισμένα, ώστε να επιτευχθεί καμπτικός μηχανισμός λειτουργίας παρά τους αραιούς συνδετήρες. Αντικειμενικός σκοπός ήταν να απομονωθεί και να μελετηθεί η επίδραση της ύπαρξης αραιών συνδετήρων στο μηχανισμό λυγισμού του διαμήκους οπλισμού, ενώ ταυτόχρονα να αποφευχθεί η συνδυασμένη δράση ενός διατμητικού μηχανισμού, έτσι ώστε να προσδιοριστεί με σαφήνεια η περιορισμένη ικανότητα παραμόρφωσης που οφείλεται στο φαινόμενο του λυγισμού. Μια παράμετρος τόσο της παρούσας έρευνας, όσο και προηγούμενων μελετών στα στοιχεία οπλισμένου σκυροδέματος με ανεπαρκείς λεπτομέρειες όπλισης, ήταν η επίδραση του ιστορικού φόρτισης (ο τρόπος αύξησης των μετακινήσεων από κύκλο σε κύκλο), που ως στόχο είχε να αναδείξει τις ενδεχόμενες βλάβες των σεισμών κοντινού πεδίου (Syntzirma & Pantazopoulou 26a). Όλα τα δοκίμια αστόχησαν ψαθυρά, με κυρίαρχο μηχανισμό αστοχίας το λυγισμό του διαμήκους οπλισμού, όπως ήταν και ο αρχικός σχεδιασμός του πειραματικού προγράμματος. Από τα πειραματικά αποτελέσματα, έγινε προφανές πως το ιστορικό φόρτισης έπαιξε καθοριστικό ρόλο στην διαθέσιμη ικανότητα παραμόρφωσης και στο μηχανισμό αστοχίας που τελικά επικράτησε (κυρίως αναφορικά με το επίπεδο της πλαστιμότητας μετακινήσεων που περιόρισε την αρχικά καμπτική συμπεριφορά του στοιχείου, λόγω λυγισμού του θλιβόμενου οπλισμού). Από τα πειράματα έγινε σαφές πως οι διάφοροι μηχανισμοί αντοχής, συγκεκριμένα ο καμπτικός μηχανισμός, ο διατμητικός μηχανισμός και ο λυγισμός των ράβδων, αποσυντίθεται με διαφορετικό ρυθμό καταλήγοντας σε διαφορετικά επίπεδα απομένουσας αντοχής καθώς αυξάνεται η επιβαλλόμενη μετακίνηση και ο αριθμός των κύκλων φόρτισης. Έτσι, ακόμη και αν κατά το σχεδιασμό έχει προβλεφθεί εγγενώς η ιεράρχηση των αντοχών, ώστε να επιτευχθεί καμπτική διαρροή, αποδείχτηκε μέσω των πειραμάτων, πως αυτή η ιεράρχηση μπορεί να ανατραπεί σε μεγαλύτερα επίπεδα επιβαλλόμενης πλαστιμότητας. Είναι φυσικό, μόλις ξεπεραστεί η αντοχή του ασθενέστερου μηχανισμού αντοχής, να επέρχεται αστοχία ανεξάρτητα από τα αποθέματα αντοχής που μπορεί να υπάρχουν σε άλλους μηχανισμούς. Μόλις εντοπιστεί η βλάβη στον ασθενέστερο μηχανισμό αντοχής ενός στοιχείου οπλισμένου σκυροδέματος, θα περιοριστεί αυτόματα και η ικανότητα παραμόρφωσής του. 5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η ερευνητική δραστηριότητα που παρουσιάστηκε στην παρούσα εργασία, χρηματοδοτήθηκε από την Ελληνική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας, μέσω του Προγράμματος ΑΡΙΣΤΙΩΝ. 6 ΑΝΑΦΟΡΕΣ ACI 318-63, (1963), ACI Standard: Building Code Requirements for Reinforced Concrete. American Concrete Institute, Detroit, Michigan, pp. 141 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 26 11

DIN 145, (1972) Beton und Stahlbetonbau, Bemessung und Ausführung. Deutsches Institut für Normung, Berlin Imran I. and Pantazopoulou S. J. (1996), Experimental Study of Plain Concrete Under Triaxial Stress, ACI Material Journal, Vol. 93, No. 6, Nov.-Dec. 1996, pp. 589-61 Pantazopoulou S.J., (23), Chapter 4 in Seismic Assessment and Retrofit of Reinforced Concrete Buildings, fib Bulletin No. 24, Case Postale 88, CH-115, Lausane, Switzerland Pujol S., Sozen M. and Ramirez J., (26), Displacement History Effects on Drift Capacity of Reinforced Concrete Columns, ACI Structural Journal, V. 13, No. 2, March-April 26, pp. 253-262 Syntzirma, D.V. and Pantazopoulou, S.J. (25), Drift Capacity of R.C. Members with Substandard Details, Proceedings of the fib Symposium Keep Concrete Attractive, Paper 346, May 23-25, 25 Budapest, Hungary Syntzirma, D.V. and Pantazopoulou, S.J. (26a), Assessment of Deformability of R.C. Members with Substandard Details, Proceedings of the 2 nd International fib Congress, Paper 446, June 5-8, 26 Naples, Italy Syntzirma D. V. and Pantazopoulou S. J., (26b), Deformation Capacity of R.C. Members with Brittle Details Under Cyclic Loads, ACI Special Publication, Cyclic Shear, edited by ACI Committee 445 (Shear and Torsion), in press, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, USA. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 26 12