Behaviour of RC Beams Retrofitted with UHPFRCC

Ενίσχυσης οκών Ο.Σ. Ενισχυµένων µε Λωρίδες Ινοπλισµένου Σκυροδέµατος Υπέρ-Υψηλής Επιτελεστικότητας Behaviour of RC Beams Retrofitted with UHPFRCC ηµήτρης ΝΙΚΟΛΑΪ ΗΣ Α 1, Αντώνης ΚΑΝΕΛΛΟΠΟΥΛΟΣ Β 2, Farhat FARHAT Γ 3, Bhushan KARIHALOO Γ 4 Λέξεις κλειδιά: Σκυρόδεµα, Ίνες, Ενίσχυση ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Παρά το γεγονός ότι η ενίσχυση των κατασκευών αποτελεί θέµα µελέτης για αρκετά χρόνια, εν τούτοις ακόµα αποτελεί πεδίο αντιπαράθεσης για το ποιες µεθοδολογίες και ποια υλικά είναι τα καταλληλότερα για την ορθότερη ενίσχυση ενός κτιρίου. Το πρόβληµα περιπλέκεται περισσότερο όταν συνυπολογιστούν παράγοντες όπως οι κλιµατολογικές συνθήκες της περιοχής όπου βρίσκεται η υπό ενίσχυση κατασκευή. Ο σκοπός της συγκεκριµένης µελέτης είναι να παρουσιάσει τα αποτελέσµατα εκτεταµένης έρευνας πάνω στο αντικείµενο της ενίσχυσης κατασκευών από οπλισµένο σκυρόδεµα. Ένα νέο υλικό, µε βάση το τσιµέντο, εξετάζεται ως υλικό ενίσχυσης, ενώ επίσης παρουσιάζεται η συµπεριφορά των ενισχυµένων µελών µετά από θερµικούς κύκλους, που σκοπό έχουν να προσοµοιώσουν τις θερµές κλιµατολογικές συνθήκες που επικρατούν στην Νοτιοανατολική Μεσόγειο. ABSTRACT : Despite the fact that the retrofitting of structures is a well studied research topic, many arguments still exist about the most appropriate techniques and materials for retrofitting. The problem becomes even more complicated, if the climatological conditions of the area of the structure to be retrofitted are also considered. The aim of the specific paper is to present the results of an extended research on the retrofitting of existing RC structures. A novel cement based material is examined as a retrofitting material. The behaviour of the retrofitted members under thermal cycling is also presented, in order to simulate the hot climatological conditions prevailing in the Southeast part of the Mediterranean Sea. 1 Lecturer, Department of Civil Engineering, Frederick University, email: d.nicolaides@frederick.ac.cy 2 Μεταδιδακτορικός Ερευνητής, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών και Μηχανικών Περιβάλλοντος, Πανεπιστήµιο Κύπρου, email: akan@ucy.ac.cy 3 Civil Engineer, PhD, Libya, email: farhat84@hotmail.com 4 Professor, Department of Civil Engineering, Cardiff University, email: karihaloob@cardiff.ac.uk 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 1

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι κατασκευές από οπλισµένο σκυρόδεµα υφίστανται τη φυσική φθορά και εποµένως δηµιουργείται η ανάγκη για επιδιόρθωσή τους µετά από κάποια χρονική περίοδο. Προκειµένου να µπορέσουν οι κατασκευές να µεταφέρουν ακόµα µεγαλύτερα φορτία από αυτά του αρχικού σχεδιασµού, διάφορα µέλη της κατασκευής πιθανόν να χρειαστούν ενίσχυση. Μια κοινή και συνήθης πρακτική ενίσχυσης δοκών από οπλισµένο σκυρόδεµα είναι µε την επικόλληση µεταλλικών λωρίδων στην εφελκυόµενη πλευρά της δοκού. Εντούτοις, έχουν εµφανιστεί πολλά προβλήµατα από τη συγκεκριµένη µέθοδο, συµπεριλαµβανοµένων των ανεπιθύµητων αστοχιών σε διάτµηση, της δυσκολίας να χειριστούν οι βαριές µεταλλικές λωρίδες και των προβληµάτων διάβρωσης του µετάλλου τα οποία µπορούσαν να οδηγήσουν σε αποδυνάµωση του δεσµού στη διεπιφάνεια µετάλλου και σκυροδέµατος (Jones et al. 1988; Ziraba et al. 1994). Πρόσφατα, έχει δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στη χρήση ελασµάτων από ινοπλισµένα πλαστικά (FRP), τα οποία προσφέρουν µεγαλύτερη αντοχή, ακαµψία και βελτιωµένη ανθεκτικότητα έναντι των αντίστοιχων µεταλλικών (Meier et al. 1992; Meier 1997). Η ενίσχυση κατασκευών µε τη χρήση των FRP είναι επίσης επικίνδυνη για ψαθυρές αστοχίες, εξαιτίας της µεγάλης διαφοράς της εφελκυστικής αντοχής και της ακαµψίας των υλικών αυτών από τις αντίστοιχες του σκυροδέµατος (Sen et al. 2000). Ένα άλλο πρόβληµα σχετικό µε τη συγκεκριµένη τεχνική είναι ο επηρεασµός των υλικών αυτών από τη µακρόχρονη έκθεση τους σε θερµοκρασιακές µεταβολές (Zhen and Chang 2000). Μια νέα τεχνική έχει αναπτυχθεί πρόσφατα κάνοντας χρήση ινοπλισµένου σκυροδέµατος υψηλής επιτελεστικότητας (UHPFRCC). Η συγκεκριµένη τεχνική ξεπερνά κάποια από τα προβλήµατα που εµφάνισαν άλλες µέθοδοι, καθώς το υλικό που χρησιµοποιείται στη συγκεκριµένη µέθοδο έχει ως βάση το τσιµέντο και εποµένως είναι πολύ πιο συµβατό µε το σκυρόδεµα. Ο στόχος της συγκεκριµένης εργασίας είναι να παρουσιάσει τη συµπεριφορά των UHPFRCCs σαν υλικά ενίσχυσης και αποκατάστασης µελών σε κάµψη, από οπλισµένο σκυρόδεµα, σε ψηλές θερµοκρασίες. Θα δείξει ότι οι θερµικοί κύκλοι δεν έχουν καµία επίδραση είτε στη διεπιφάνεια σκυροδέµατος και UHPFRCC, είτε στην ικανότητα µεταφοράς φορτίων των ενισχυµένων µελών. ΙΝΟΠΛΙΣΜΕΝΟ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ ΥΠΕΡ-ΥΨΗΛΗΣ ΕΠΙΤΕΛΕΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ (UHPFRCC) Τα ινοπλισµένα σκυροδέµατα υπέρ-υψηλής επιτελεστικότητας (UHPFRCC) είναι µια νέα οµάδα υλικών τα οποία χαρακτηρίζονται από υψηλή θλιπτική αντοχή (µεγαλύτερη των 200 MPa), εφελκυστική/καµπτική αντοχή (µέχρι 30 MPa), µεγάλο µέτρο ελαστικότητας (50 GPa) και υψηλή ικανότητα απορρόφησης ενέργειας (µεγαλύτερη των 20,000 J/m 2 ). Αυτό έγινε κατορθωτό µε την εισαγωγή µεταλλικών ινών σε µεγάλα ποσοστά (µέχρι 8%) µέσα στη µήτρα από τσιµέντο του υλικού, η οποία έγινε ακόµα πιο συµπαγής µε τη χρήση πυριτικής παιπάλης. 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 2

Η µήτρα αποτελείται µόνο από εξαιρετικά ψιλόκοκκους άµµους, αντί της συνηθισµένης άµµου και των χονδρόκοκκων αδρανών υλικών. Με τη βελτιστοποίηση της διαβάθµισης των κόκκων των υλικών, µειώθηκε σηµαντικά η ανάγκη σε νερό του µίγµατος, χωρίς να επηρεαστεί αρνητικά η εργασιµότητα του µίγµατος. Αυτό έγινε κατορθωτό µε την υιοθέτηση σύγχρονων τεχνικών ανάµιξης. Μέσο κάποιων σύγχρονων µεθόδων ελέγχου (Computer Tomography Imaging) έχει επιβεβαιωθεί ότι οι πιο πάνω µέθοδοι ετοιµασίας του υλικού εξασφαλίζουν την οµοιόµορφη κατανοµή των ινών µέσα στο µίγµα (Benson et al. 2005). ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ Εικοσιτέσσερις (24) δοκοί από οπλισµένο σκυρόδεµα υποβλήθηκαν σε δοκιµή κάµψης 4 σηµείων (4-Point Bending). Όλες οι δοκοί είχαν διαµήκη οπλισµό ράβδου διαµέτρου 12 mm, καθώς και µε διατµητικούς συνδετήρες 6 mm, προκειµένου να αποφευχθεί διατµητική αστοχία της δοκού. εκαέξι από τις πιο πάνω δοκούς είχαν ενισχυθεί µε λωρίδες από UHPFRCC, ενώ οι υπόλοιπες οκτώ αποτέλεσαν τα δοκίµια ελέγχου. Έχουν δοκιµαστεί διάφοροι σχηµατισµοί από λωρίδες ενίσχυσης. Και οι εικοσιτέσσερις δοκοί υποβλήθηκαν σε θερµικούς κύκλους διάρκειας 24 ωρών. ΟΚΟΙ ΑΠΟ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ Οι δοκοί είχαν ορθογωνική διατοµή 100 mm πλάτος και 150 mm ύψος. Το συνολικό άνοιγµα των δοκών ήταν 1200 mm. Όλες οι δοκοί είχαν οπλιστεί και σχεδιαστεί σύµφωνα µε τους κώδικες British Standards BS 8110 (1997). Προκειµένου να γίνει κατορθωτή η παρακολούθηση της επίδρασης των θερµικών κύκλων στη θλιπτική αντοχή και στην αντοχή σε διάρρηξη, επιπλέον των δοκών είχαν κατασκευαστεί κυλινδρικά δοκίµια (100x200 mm) και κυβικά δοκίµια (100 mm ακµής). Οι κύβοι και οι κύλινδροι είχαν ετοιµαστεί την ίδια µέρα µε τις δοκούς και ελέγχθηκαν σύµφωνα µε τον κώδικα BS 1881 (1983a και 1983b). Για το συγκεκριµένο σκυρόδεµα χρησιµοποιήθηκε µέσος κόκκος αδρανούς 10 mm, απλό τσιµέντο Portland (τύπου Ι) και αναλογία νερού/τσιµέντου 0.5. Όλα τα δοκίµια αφέθηκαν στο νερό για 28 ηµέρες. ΛΩΡΙ ΕΣ UHPFRCC Οι λωρίδες από ινοπλισµένο σκυρόδεµα υψηλής επιτελεστικότητας ετοιµάστηκαν σε καλούπια από ανοξείδωτο χάλυβα, µήκους 1030 mm, πλάτους 100 mm και πάχους 16 mm. Η συµπύκνωση του υλικού στα καλούπια έγινε σε µη-µαγνητική δονητική τράπεζα, µε συχνότητα δόνησης 50 Hz. Τα δοκίµια ξεκαλουπώθηκαν µετά από πάροδο 24 ωρών και αφέθηκαν για ωρίµανση σε καυτό νερό (90 0 C) για 7 ηµέρες. Τα δοκίµια ξεκαλουπώθηκαν αφαιρώντας πρωτίστως τα πλαϊνά τοιχώµατα των καλουπιών. Η µεταφορά των δοκιµίων σε κάθε περίπτωση έγινε 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 3

µε τη χρήση ειδικής γερανογέφυρας και προστατευτικών ιµάντων για την αποφυγή οποιασδήποτε πιθανής αστοχίας των δοκιµίων. ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΘΕΡΜΙΚΏΝ ΚΥΚΛΩΝ Προκειµένου να µελετηθεί η επίδραση των θερµικών κύκλων, τα δοκίµια τοποθετήθηκαν σε ηλεκτρικό φούρνο και θερµάνθηκαν µέχρι µέγιστης θερµοκρασίας 90 0 C, ξεκινώντας από τη θερµοκρασία περιβάλλοντος (περίπου 25 0 C). Σε κάθε 24-ωρο θερµικό κύκλο η θερµοκρασία ανέβαινε σταδιακά σε διάστηµα 30 λεπτών, ακολουθούσε µια περίοδος σταθερής θερµοκρασίας για περίπου 8 ώρες και ολοκληρωνότανε µε αργή πτώση της θερµοκρασίας, µέχρι της θερµοκρασίας περιβάλλοντος. Ο θερµικός κύκλος σχεδιάστηκε µε τέτοιο τρόπο ώστε να προσοµοιώνει µια καλοκαιρινή µέρα σε ένα ξηρό και θερµό κλίµα, όταν οι εκτεθειµένες επιφάνειες των µελών από σκυρόδεµα είναι γνωστό ότι φτάνουν σε πολύ ψηλές θερµοκρασίες. Ο αριθµός των θερµικών κύκλων κυµάνθηκε από 0-90. Μετά την ολοκλήρωση των θερµικών κύκλων, τα δοκίµια ελέγχθηκαν σε στη θερµοκρασία δωµατίου. Ο Πίνακας 1 δείχνει την επίδραση των θερµικών κύκλων στις µηχανικές ιδιότητες τόσο του συµβατικού σκυροδέµατος, όσο και του UHPFRCC. Όπως φαίνεται, οι µηχανικές ιδιότητες των δύο υλικών επηρεάζονται ελάχιστα από τους θερµικούς κύκλους. Πίνακας 1. Θλιπτική Αντοχή και Αντοχή σε ιάρρηξη για Συµβατικό Σκυρόδεµα και UHPFRCC σε Θερµοκρασία Περιβάλλοντος (Τυπικές Αποκλίσεις στις Παρενθέσεις) Κύκλοι Μέση Θλιπτική Αντοχή f c Συµβατικό Σκυρόδεµα (MPa) UHPFRCC Μέση Αντοχή σε ιάρρηξη f t Συµβατικό Σκυρόδεµα (MPa) UHPFRCC 0 41.6 (1.3) 199.3 (0.8) 3.8 (0.3) 27.0 (0.9) 30 46.3 (2.1) 224.3 (3.6) 4.1 (0.1) 30.7 (2.0) 90 45.8 (0.4) 225.0 (4.9) 3.8 (0.1) 31.0 (2.4) ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑΤΑΞΗ Σε κάθε δοκό ασκήθηκαν δύο ίσα, συγκεντρωµένα φορτία συµµετρικά, σε απόσταση 400 mm, εκατέρωθεν του µέσου της δοκού. Το συνολικό µήκος φόρτισης ήταν 1100 mm. Το φορτίο ασκήθηκε µε ρυθµό 0.01 mm/sec στην αρχική φάση του πειράµατος, ενώ όταν η παραµόρφωση στο µέσο της δοκού ξεπέρασε τα 3 mm ο ρυθµός φόρτισης αυξήθηκε στα 0.05 mm/sec. Τα όργανα που χρησιµοποιήθηκαν στο πείραµα µέτρησαν το ασκούµενο φορτίο και την 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 4

αντίστοιχη παραµόρφωση σε διάφορα σηµεία κατά µήκος του δοκιµίου (στο µέσο της δοκού, κάτω από τα συγκεντρωµένα ασκούµενα φορτία και σε διαστήµατα 175 mm κατά µήκος του διατµητικού ανοίγµατος). Τα ανοίγµατα των ρωγµών παρατηρήθηκαν δια οπτικού ελέγχου κατά την εξέλιξη του πειράµατος. Μια τυπική πειραµατική διάταξη παρουσιάζεται στο Σχήµα 1. (b) Σχήµα 1. Λεπτοµέρειες δοκού και διευθέτηση οργάνων µέτρησης: (a) διάταξη δοκού και οπλισµού και (b) διευθέτηση οργάνων µέτρησης. ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΟΚΩΝ Η ενίσχυση µε τη χρήση των λωρίδων από UHPFRCC έγινε σε δοκούς οι οποίες προηγουµένως φορτίστηκαν µέχρι το 75% του φορτίου αστοχίας, όπως αυτό βρέθηκε από τα δοκίµια ελέγχου, ούτως ώστε να δηµιουργηθεί ρηγµάτωση του δοκιµίου. Ο σκοπός της ενίσχυσης δοκιµίων τα οποία έχουν υποστεί ζηµιά (παρά δοκίµια τα οποία δεν έχουν υποστεί καµία φόρτιση και εποµένως καµία ζηµιά) ήταν να ελεγχθεί κατά πόσο κάποιες υφιστάµενες καµπτικές ρωγµές στο σκυρόδεµα µπορούν να αποτελέσουν τον πυρήνα των διεπιφανειακών ρωγµών ανάµεσα στην εφελκυόµενη ίνα της δοκού και του υλικού ενίσχυσης (UHPFRCC), όπως αυτό έχει παρατηρηθεί στην περίπτωση όπου το υλικό ενίσχυσης είναι είτε µεταλλικές πλάκες ή ελάσµατα ινοπλισµένων πολυµερών, ακόµα και εν τη απουσία θερµικών κύκλων. Οι λωρίδες UHPFRCC κολλήθηκαν στο δοκίµιο χρησιµοποιώντας µια εποξική ρητίνη διαθέσιµη στην αγορά. Η συγκεκριµένη ουσία χρησιµοποιείται ευρέως και για µεγάλο χρονικό διάστηµα σε ολόκληρο τον κόσµο για την ένωση σκυροδέµατος µε σκυρόδεµα. Προκειµένου να βελτιωθεί ο δεσµός ανάµεσα στο υλικό ενίσχυσης (UHPFRCC) και στο ρηγµατωµένο σκυρόδεµα, οι επιφάνειες επαφής του σκυροδέµατος καθαρίστηκαν 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 5

και εκτραχύνθηκαν µε τη χρήση ειδικής συσκευής εκτριβής. Η ενισχυτική λωρίδα τοποθετήθηκε στο σκυρόδεµα και πιέστηκε οµοιόµορφα ούτως ώστε η συγκολλητική ουσία να εξαπλωθεί οµοιόµορφα. Στη συνέχεια αφέθηκε για 24 ώρες ώστε να ωριµάσει ο δεσµός ανάµεσα στα δύο υλικά και στη συνέχεια υποβλήθηκαν σε 30 και σε 90 θερµικούς κύκλους, µέσα σε ένα ηλεκτρικό φούρνο. Τα ενισχυµένα δοκίµια ελέγχθηκαν σε θερµοκρασία δωµατίου. Εξετάστηκαν δύο διαφορετικές διατάξεις ενίσχυσης: µε µια λωρίδα (κολληµένη στην εφελκυόµενη ίνα της δοκού) και µε τρεις λωρίδες (µια κολληµένη στην εφελκυόµενη ίνα και οι άλλες δύο στις δύο πλαϊνές πλευρές της δοκού). Το Σχήµα 2 δείχνει τις διατάξεις ενίσχυσης. Σχήµα 2. ιατάξεις ενίσχυσης: (a) µια λωρίδα στην εφελκυόµενη πλευρά και (b) µια λωρίδα στην εφελκυόµενη πλευρά και δύο λωρίδες στις πλαϊνές πλευρές. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Τα πειραµατικά αποτελέσµατα για όλες τις δοκούς που ελέγχθηκαν σε αυτή την µελέτη παρουσιάζονται συνοπτικά στον Πίνακα 2, όπου αναφέρονται τα ακόλουθα: διάταξη ενίσχυσης, µέγιστο επιβαλλόµενο φορτίο Ρ, ποσοστό αύξησης του µέγιστου φορτίου ανάµεσα στις διάφορες διατάξεις ενίσχυσης, παραµόρφωση στο µέσο της δοκού αντιστοιχούσα σε δύο διαφορετικά επίπεδα φόρτισης (20 και 30 kn), λόγος της παραµόρφωσης στο µέσο δοκών ενισχυµένων µε UHPFRCC προς την παραµόρφωση στο µέσο των δοκιµίων ελέγχου στα ίδια επίπεδα φόρτισης, και το είδος της αστοχίας σε κάθε περίπτωση. 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 6

Πίνακας 2. Αποτελέσµατα σε οκιµή Κάµψης 4 Σηµείων των οκιµίων Ελέγχου και των Ενισχυµένων οκών µε Ικανοποιητικό ιατµητικό Οπλισµό Μετά από ιαφορετικούς Θερµικούς Κύκλους. ιατάξεις Ενίσχυσης Θερµ. Κύκλ. Αρ. οκιµί ου Μεγ. Φορτίο Ρ (kn) Μέση Τιµή (kn) Αύξηση στο P % δ (P=20) (mm) δ (P=30) (mm) δ P20 ----------- δ P20 δ P30 ------------- δ P30 Είδος Αστοχίας CS-1 45.1-1.38 2.40 - - Κ 0 CS-2 46.2 45.6-1.34 2.32 - - Κ Ενισχυµένα οκίµια οκίµια Ελέγχου CS-3 47. 8 4.7 1.18 2.30 - - Κ 30 CS-4 48.8 47.7 6.8 1.24 2.29 - - Κ CS-5 46.6 2.1 1.41 2.47 - - Κ CS-6 47.8 4.7 1.30 2.31 - - Κ 90 CS-7 47.8 47.4 2.5 1.67 2.72 - - Κ CS-8 47.6 4.2 1.39 2.45 - - Κ 0 RS-1 49.8 51.5 9.1 0.32 0.74 0.24 0.31 Κ RS-2 53.2 16.6 0.35 0.64 0.26 0.27 Κ RS-3 57.6 20.8 0.33 0.65 0.26 0.28 Κ 30 RS-4 55.2 57.7 15.9 0.32 0.59 0.25 0.25 Κ RS-5 60.4 22.3 0.34 0.63 0.27 0.25 Κ RS-6 53.4 12.7 0.43 0.66 0.30 0.26 Κ 90 RS-7 48.8 52.1 3.1 0.51 0.83 0.35 0.33 Κ RS-8 54.0 13.9 0.35 0.73 0.23 0.29 Κ RS-9 74.0 62.1 0.16 0.28 0.12 0.12 Κ 0 76.0 RS-10 78.2 71.3 0.24 0.39 0.18 0.17 Κ RS-11 92.7 94.5 0.14 0.29 0.11 0.12 Κ 30 RS-12 89.3 90.2 88.5 0.22 0.38 0.17 0.16 Κ RS-13 88.6 85.8 0.25 0.42 0.20 0.18 Κ RS-14 79.5 67.7 0.23 0.44 0.16 0.18 Κ 90 RS-15 87.6 85.2 84.9 0.26 0.41 0.18 0.60 Κ RS-16 88.6 85.9 0.20 0.32 0.12 0.13 Π Κ: Καθαρή Καµπτική Αστοχία Π : Πλάστιµη ιατµητική Αστοχία 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 7

ΟΚΙΜΙΑ ΕΛΕΓΧΟΥ Τα δοκίµια ελέγχου τα οποία δεν είχαν υποβληθεί σε θερµικούς κύκλους (δοκίµια CS-1 και CS-2) παρουσίασαν σχεδόν ταυτόσηµη συµπεριφορά. Η καµπτική ρηγµάτωση ξεκίνησε στα 11 kn και ο χαλύβδινος οπλισµός διέρρευσε στα 41 kn. Η φέρουσα ικανότητα των δοκών αυξήθηκε σε κάποιο βαθµό, ως αποτέλεσµα του φαινοµένου της κράτυνσης (strain hardening) που παρατηρήθηκε στο χαλύβδινο οπλισµό. Και οι δύο δοκοί αστόχησαν από τη σύνθλιψη του σκυροδέµατος ανάµεσα στα δύο σηµειακά φορτία. Και τα τρία δοκίµια τα οποία είχαν υποβληθεί σε 30 θερµικούς κύκλους παρουσίασαν µια µείωση στην ακαµψία αµέσως µετά την έναρξη της καµπτικής ρηγµάτωσης στα 12 kn. Στη συνέχεια, οι δοκοί CS-3 και CS-4 µετέφεραν µεγαλύτερο φορτίο µε σχεδόν σταθερή ακαµψία, µέχρι τη διαρροή του οπλισµού η οποία επήλθε στα 45 kn. Η συµπεριφορά της δοκού CS- 5 είναι παρόµοια, έχοντας όµως ελαφρώς χαµηλότερη ακαµψία και µέγιστο φορτίο. Η µέση φέρουσα ικανότητα αυτής της οµάδας δοκιµίων ελέγχου είναι 47.7 kn, τιµή πολύ κοντινή στην αντίστοιχη των δοκών οι οποίες δεν είχαν υποβληθεί σε θερµικούς κύκλους. Από την καµπύλη φορτίου-παραµόρφωσης των δοκών οι οποίες είχαν υποβληθεί σε 90 θερµικούς κύκλους, προκύπτει ότι η έναρξη της καµπτικής ρηγµάτωσης παρατηρήθηκε σε φορτίο 12 kn. Όλες οι δοκοί παρουσίασαν µεγάλη ρηγµάτωση συνοδευόµενη από σηµαντική µείωση της ακαµψίας αµέσως µετά την εµφάνιση της πρώτης καµπτικής ρωγµής. Με την αύξηση του φορτίου εµφανίστηκαν επιπλέον ρωγµές στις πλαϊνές πλευρές των δοκών µέχρι τη στιγµή που παρατηρήθηκε µια µικρή πτώση του φορτίου εξαιτίας της διαρροής του οπλισµού. Στη συνέχεια, η φέρουσα ικανότητα των δοκών αυξήθηκε ελαφρώς µέχρι την θλιπτική αστοχία του σκυροδέµατος. Το µέσο µέγιστο φορτίο αυτών των δοκών ανέρχεται στα 47.4 kn, που είναι πρακτικά ίδιο µε το αντίστοιχο των δοκών που είχαν υποβληθεί σε 30 θερµικούς κύκλους (47.7 kn). Φαίνεται ότι η υποβολή των δοκιµίων σε θερµικούς κύκλους έχει πολύ µικρή επίδραση στη φέρουσα ικανότητα των δοκιµίων ελέγχου µε καµπτικό και διατµητικό οπλισµό. ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΕΣ ΟΚΟΙ Όλες οι δοκοί οι οποίες είχαν ενισχυθεί µε µια µονή λωρίδα UHPFRCC στην εφελκυόµενη ίνα τους αστόχησαν σε καθαρή κάµψη, µε ιδιαίτερο χαρακτηριστικό το σχηµατισµό µιας και µοναδικής καµπτικής ρωγµής στο µέσο τρίτο της δοκού ή από το άνοιγµα µιας καµπτικής ρωγµής η οποία προκλήθηκε κατά το στάδιο όπου πρό-φορτίστηκαν οι δοκοί, η οποία στη συνέχεια επεκτάθηκε προς τα πάνω, προς την θλιβόµενη περιοχή του σκυροδέµατος, ανάµεσα στα δύο σηµειακά φορτία και προς τα κάτω, διαµέσου του ενισχυτικού υλικού (Σχήµα 3). εν παρατηρήθηκε σε καµία ρωγµή η οποία να οδηγούσε σε αποκόλληση στην διεπιφάνεια των δύο υλικών. Οι δοκοί οι οποίες ήταν ενισχυµένες µε µια µονή λωρίδα στην εφελκυόµενη πλευρά τους αστόχησαν σε φορτία µεγαλύτερα του αντίστοιχου µέσου φορτίου των δοκιµίων ελέγχου, ανεξάρτητα από τους θερµικούς κύκλους στους οποίους είχαν υποβληθεί ( Πίνακας 2 ). Επιπλέον, µπορεί κάποιος να 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 8

παρατηρήσει ότι η συµπεριφορά των δοκών αυτών όσον αφορά την παραµόρφωση τους ήταν παρόµοια κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες είχαν βρεθεί οι δοκοί (δες δ P20 και δ P30 στον Πίνακα 2 ). Από την άλλη πλευρά, από τα οκτώ δοκίµια τα οποία τα οποία ενισχύθηκαν τόσο στην εφελκυόµενη πλευρά, όσο και στις πλαϊνές πλευρές των δοκών, ένα εξ αυτών παρουσίασε µια πλάστιµη διατµητική αστοχία (δοκίµιο RS-16). Η αστοχία παρατηρήθηκε διαµέσου της ένωσης ανάµεσα στις µακριές και στις κοντές λωρίδες που χρησιµοποιήθηκαν για να καλύψουν ολόκληρο το µήκος των δοκών. Παρόλα αυτά είναι ενθαρρυντικό να αναφερθεί ότι ακόµα και σε αυτό το δυσµενέστερο σενάριο όπου η ένωση είναι στην περιοχή της µέγιστης διατµητικής τάσης, η γεφυρωτική δράση της εφελκυόµενης λωρίδας συγκράτησε την διατµητική ρωγµή. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η συγκεκριµένη µορφή αστοχίας κατατάσσεται ως πλάστιµη διατµητική αστοχία. Η ένωση ήταν απαραίτητη καθώς το µήκος των λωρίδων που µπορούσε να ετοιµαστεί στα διαθέσιµα καλούπια ήταν µικρότερο από το συνολικό µήκος των πλευρών που έπρεπε να καλυφθούν. Ανακεφαλαιώνοντας, έγινε αντιληπτό ότι θα ήταν προτιµότερο να είχαµε την ένωση στο µεσαίο ένα τρίτο της δοκού. Τα υπόλοιπα επτά δοκίµια αστόχησαν σε καθαρή κάµψη. Η πρώτη ρωγµή εµφανίστηκε στο µεσαίο ένα τρίτο της εφελκυόµενης λωρίδας. Καθώς το φορτίο αυξανότανε η ρωγµή αυτή διαδόθηκε κατακόρυφα µέσα στις πλαϊνές λωρίδες µε µια σταδιακή αύξηση του στοµίου της. Επιπλέον αύξηση του εφαρµοζόµενου φορτίου προκάλεσε τη διάδοση της ρωγµής και στις δύο πλευρές της δοκού και την εξέλιξή της προς την κατεύθυνση της θλιβόµενης ζώνης του δοκιµίου. ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Όπως αναφέρθηκε πιο πάνω, οι δοκοί παρουσίασαν πλάστιµη καµπτική αστοχία µε τη διαρροή του χαλύβδινου οπλισµού σε εφελκυσµό και τη σύνθλιψη του σκυροδέµατος σε θλίψη. Φαίνεται ότι οι θερµικοί κύκλοι είχαν πολύ µικρή επίδραση στη φέρουσα ικανότητα των δοκιµίων ελέγχου οπλισµένων σε κάµψη και διάτµηση. Παρόλα αυτά η παραµόρφωση των δοκιµίων ελέγχου τα οποία είχαν υποβληθεί σε 30 θερµικούς κύκλους ήταν ελαφρώς µικρότερη από την αντίστοιχη των δοκιµίων που δεν είχαν υποβληθεί σε θερµικούς κύκλους. 0.00 Distance from the middle of the beam (mm) -550-450 -350-250 -150-50 50 150 250 350 450 550 Deflection (mm) 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 Control Retrofitted (1pl) Retrofitted (3pl) 1.50 (a) 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 9

Distance from the middle of the beam (mm) Deflection (mm) Deflection (mm) -550-450 -350-250 -150-50 50 150 250 350 450 550 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 (b) Distance from the middle of the beam (mm) -550-450 -350-250 -150-50 50 150 250 350 450 550 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 Control Retrofitted (1pl) Retrofitted (3pl) Control Retrofitted (1pl) Retrofitted (3pl) (c) Σχήµα 3. Τυπικές παραµορφώσεις δοκών µε ικανοποιητικό διατµητικό οπλισµό, ενισχυµένες µε µία λωρίδα στην εφελκυόµενη πλευρά και µε τρεις λωρίδες (µια λωρίδα στην εφελκυόµενη πλευρά και δύο λωρίδες στις πλαϊνές πλευρές), συγκριτικά µε τα δοκίµια ελέγχου, σε φορτίο 20 kn µετά από: (a) 0 θερµικούς κύκλους, (b) 30 θερµικούς κύκλους και (c) 90 θερµικούς κύκλους. Όλες οι δοκοί οι οποίες είχαν ενισχυθεί µε µία µόνο λωρίδα από UHPFRCC στην εφελκυόµενη πλευρά τους και υποβλήθηκαν σε θερµικούς κύκλους αστόχησαν σε καθαρή κάµψη, σε ένα µέσο φορτίο του οποίου η τιµή ήταν ψηλότερη από το αντίστοιχο των δοκιµίων ελέγχου. Η συγκεκριµένη ενισχυτική διάταξη όχι µόνο βελτιώνει τη φέρουσα ικανότητα, αλλά ταυτόχρονα µειώνει το άνοιγµα της ρωγµής ( Πίνακας 2 ). Όπως µπορεί να δει κάποιος από το συγκεκριµένο πίνακα, οι ενισχυµένες δοκοί παρουσιάζουν µια βελτιωµένη συµπεριφορά, συγκριτικά µε τα δοκίµια ελέγχου, ακόµα και µετά από 90 θερµικούς κύκλους. Τόσο ο τρόπος παραµόρφωσης, όσο και ο τρόπος αστοχίας τους ήταν παρόµοιος κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες έκθεσής τους. Το µέσο φορτίο αστοχίας αυξήθηκε από τα 45.6 kn στα 51.5 kn για δοκούς σε θερµοκρασία δωµατίου, από τα 47.7 kn στα 57.7 kn για δοκούς που είχαν υποβληθεί σε 30 θερµικούς κύκλους και από 47.4 kn στα 52.1 kn για δοκούς που είχαν υποβληθεί σε 90 θερµικούς κύκλους. Το µέσο φορτίο αστοχίας των δοκών αυξήθηκε από τα 51.5 kn στα 57.7 kn µετά από 30 θερµικούς κύκλους και στη συνέχεια µειώθηκε στα 52.1 kn µετά από 90 κύκλους, τιµή η οποία εξακολουθεί να είναι ελαφρώς ψηλότερη από την αντίστοιχη τιµή των δοκών χωρίς θερµικούς κύκλους (51.5 kn). Σε καµιά από τις 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 10

ενισχυµένες δοκούς δεν υπήρξε κάποιο σηµάδι διεπιφανειακής αποκόλλησης µετά από 90 θερµικούς κύκλους. Όπως αναφέρθηκε πιο πάνω, από τις οκτώ δοκούς που ενισχύθηκαν µε µια µόνο λωρίδα κολληµένη στην εφελκυόµενη πλευρά τους και δύο συνεχόµενες λωρίδες στις κατακόρυφες πλευρές τους, µόνο µια αστόχησε σε διάτµηση. Όλες οι υπόλοιπες αστόχησαν σε καθαρή κάµψη. Επιπλέον, προκειµένου να επιβεβαιωθεί αυτό το είδος αστοχίας, αυτό το σύστηµα ενίσχυσης µπορεί να αυξήσει τη φέρουσα ικανότητα κατά περισσότερο από 66, 89 και 79 % από τις αντίστοιχες τιµές των δοκιµίων ελέγχου, µετά από 0, 30 και 90 θερµικούς κύκλους αντίστοιχα. Επιπλέον, αυτό το σύστηµα ενίσχυσης µειώνει σηµαντικά τις παραµορφώσεις στις δοκούς. Όπως φαίνεται στο Σχήµα 3, η παραµόρφωση στο µέσο των ενισχυµένων δοκών σε φορτίο 20 kn είναι περίπου 15, 16 και 16 % της αντίστοιχης των δοκιµίων ελέγχου µετά από 0, 30 και 90 θερµικούς κύκλους. Στα Σχήµατα 4 και 5 φαίνεται µια τυπική πειραµατική διάταξη και η αστοχία της δοκού, καθώς και η γεφυρωτική δράση των µεταλλικών ινών, αντίστοιχα. Σχήµα 4. Τυπική καµπτική αστοχία δοκού οπλισµένης σε κάµψη και διάτµηση και ενισχυµένη µε µια λωρίδα στην εφελκυόµενη ίνα της δοκού. Σχήµα 5. Γεφυρωτική δράση µεταλλικών ινών. 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 11

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Οι µηχανικές ιδιότητες του σκυροδέµατος, συγκεκριµένα η θλιπτική και εφελκυστική αντοχή βελτιώνονται σηµαντικά µετά από 30 θερµικούς κύκλους, όµως η βελτίωση είναι µικρότερη µετά από 90 θερµικούς κύκλους. Οι αντοχές σε θερµοκρασία δωµατίου µπορούν εποµένως να εξασφαλιστούν στην περίπτωση σχεδιασµού σε υψηλότερες θερµοκρασίες. Υπήρξε µια αύξηση του φορτίου αστοχίας των δοκιµίων έλεγχου εξαιτίας των θερµικών κύκλων. Ένας πιθανός λόγος είναι ότι η διαδικασία των θερµικών κύκλων έχει συνεισφέρει στην ενυδάτωση του εναποµείναντος µη-ενυδατωµένου τσιµέντου, ειδικότερα από τη στιγµή που η διαδικασία ενυδάτωσης επιταχύνεται µε µια αύξηση της περιβαλλοντικής θερµοκρασίας. Η ενίσχυση µε τη χρήση λωρίδων από UHPFRCC κολληµένων στην εφελκυόµενη πλευρά των δοκών βελτιώνει τη φέρουσα ικανότητα και τη λειτουργικότητα των δοκών. Η συµπεριφορά τους παρουσιάζει επιπλέον βελτίωση µετά την υποβολή τους σε θερµικούς κύκλους, εποµένως η φέρουσά τους ικανότητα σε θερµοκρασία δωµατίου εξασφαλίζει µια ασφαλή τιµή για σχεδιασµό σε υψηλότερες θερµοκρασίες. εν παρατηρήθηκε οπτική φθορά ή εκφυλισµός του δεσµού (ανάµεσα στο ενισχυτικό υλικό και το υπόστρωµα από σκυρόδεµα) µετά την υποβολή των ενισχυµένων δοκών σε θερµικούς κύκλους, επιβεβαιώνοντας έτσι την καλή θερµική συµβατότητα ανάµεσα στα δύο υλικά. Εποµένως, αυτό το είδος ενισχυτικού υλικού µπορεί να χρησιµοποιηθεί επιτυχώς σε θερµά κλίµατα. Επιπλέον, από τη στιγµή που δεν παρατηρήθηκαν διεπιφανειακές ρωγµές αποκόλλησης, µπορεί να εξαχθεί το συµπέρασµα ότι οι προϋπάρχουσες καµπτικές ρωγµές σε ρηγµατωµένες δοκούς από σκυρόδεµα, οι οποίες ενισχύθηκαν µε UHPFRCC δεν αποτελούν πιθανές πηγές αποκόλλησης, όπως είχαν παρατηρηθεί σε ενισχύσεις µε µεταλλικά ελάσµατα και ινοπλισµένα πολυµερή (FRP). ΑΝΑΦΟΡΕΣ Άρθρα σε επιστηµονικά περιοδικά Benson, S., Nicolaides, D. & Karihaloo, B.L.. CARDIFRC Development and Mechanical Properties. Part II: Fibre Distribution, Mag. Concrete Res, 57(8), (2005) 412-432 Jones, R., Swamy, R. N. & Charif, A.. Plate separation and anchorage of reinforced concrete beams strengthened by epoxy-bonded steel plates. J. Struct. Engin., 66(5), (1988) 85-94. Meier, U. Post strengthening by continues fibre laminates in Europe, nonmetallic (FRP) reinforcement for concrete structures JCI, 1, (1997) 41-56. 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 12

Zhen, M. and Chung, D. D. L. Effects of temperature and stress on the interface between concrete and its fibre-matrix composite retrofit, studies by electrical resistance measurement. Cement Concr. Res., 30, (2000) 799-802. Ziraba, Y. N., Baluch, M. B., Basenbul, I. A., Sharif, A. M., Azad, A. K. and Al- Sulaimani, G. J. Guideline towards the design of reinforced concrete beams with external plates. ACI Struct. J., 91(6), (1994) 639-646. Άρθρα σε διεθνή επιστηµονικά συνέδρια (δηµοσιευµένα σε πρακτικά) Meier, U., Deuring, M., Meier, H. and Schwegler, G. Strengthening of structures with CFRP Laminates: Research and application in Switzerland. Proc., Int. Conf. on Advanced Composite Materials in Bridges and Structures, Canadian Society for Civil Engineering, Sherbrooke, (1992) 243-251. ιδακτορικές διατριβές Farhat A. F. Performance of concrete structures retrofitted with CARDIFRC after thermal cycling. PhD Thesis, (under the supervision of Prof. B. Karihaloo) Cardiff University, Cardiff, UK (2004). 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 13