ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΗΣ ΔΙΑΤΟΜΗΣ ΜΕΓΑΛΟΥ ΛΟΓΟΥ ΠΛΕΥΡΩΝ ΜΕ ΙΝΟΠΛΙΣΜΕΝΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟΥ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΣ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΣΤΟΝ ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΣΤΑΘΟΠΟΥΛΟΥ ΜΑΡΙΑ Πολιτικού Μηχανικού ΠΑΤΡΑ 2014
ΠΡΟΛΟΓΟΣ-ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα Μεταπτυχιακή Διατριβή εκπονήθηκε κατά το ακαδημαϊκό έτος 2013-2014 στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών υπό την επίβλεψη του Καθηγητή κ. Αθανάσιου Τριανταφύλλου. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα της Μεταπτυχιακής Διατριβής Καθηγητή κ. Αθανάσιο Τριανταφύλλου για την ανάθεσή της, την επιστημονική καθοδήγηση, τις διδακτικές συμβουλές και την έμπρακτη βοήθειά του κατά την διεξαγωγή της εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω την Επίκουρο Καθηγήτρια κ. Κορίνα Παπανικολάου για τη στήριξη και τη βοήθειά της καθόλη τη διάρκεια εκπόνησης της διατριβής. Έπειτα ευχαριστώ πολύ και τον τεχνικό του εργαστηρίου κ. Κάρλο Κυριάκο, του οποίου η συμβολή ήταν σημαντική στη διεκπεραίωση των πειραμάτων. Ευχαριστώ πολύ επίσης και τους συναδέλφους μου, τους υποψήφιους Διδάκτωρες Έφη Τζουρά, Λάμπρο Κούτα, Τσαντίλη Μένη και Edmond Muho, τη μεταπτυχιακή φοιτήτρια Μαρία Σκορδά και τους προπτυχιακούς φοιτητές Γεώργιο Κοντόπουλο, Δημήτριο Κακκαβά, Μαρία Καραχάλιου για την πολύτιμη βοήθειά τους όλο αυτό το χρονικό διάστημα. Τέλος, ευχαριστώ την οικογένεια και τους φίλους μου για την αμέριστη συμπαράσταση και τη συνεχή υποστήριξη που μου προσφέρουν σε κάθε στάδιο της ζωής μου. i
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή εξετάζεται η ενίσχυση σε περίσφιγξη με ινοπλισμένα πολυμερή υλικά (FRP) ορθωγονικών υποστυλωμάτων μεγάλου λόγου πλευρών. Εκπονούνται συνολικά 24 πειράματα υπό κλίμακα, τα οποία διαχωρίζονται ισόποσα σε δύο μεγάλες κατηγορίες. Η πρώτη κατηγορία περιλαμβάνει δοκίμια με λόγο πλευρών 3:1, ενώ η δεύτερη κατηγορία με λόγο πλευρών 4:1. Κάθε κατηγορία αποτελείται από 6 υποκατηγορίες. Όλα τα δοκίμια καταπονήθηκαν σε μονοαξονική κεντρική θλίψη. Κάθε υποκατηγορία στελεχώνεται απο δύο δοκίμια. Η 1η υποκατηγορία αποτελείται από 2 μη ενισχυμένα δοκίμια, η 2η υποκατηγορία αποτελείται από δύο δοκίμια ενισχυμένα με διπλή στρώση από ινοπλισμένα πολυμερή άνθρακα (CFRP), η 3η υποκατηγορία αποτελείται από 2 δοκίμια ενισχυμένα με διπλή στρώση CFRP και μία λωρίδα αγκυρίων καθ ύψος των δοκιμίων, διαμέτρου της ίντσας, η 4η υποκατηγορία περιλαμβάνει 2 δοκίμια ενισχυμένα με διπλή στρώση CFRP και δύο λωρίδες αγκυρίων καθ ύψος των δοκιμίων, διαμέτρου ¼ της ίντσας, η 5η κατηγορία στελεχώνεται από δύο δοκίμια τα οποία για την Α ομάδα (3:1) ενισχύθηκαν με διπλή στρώση CFRP και μία λωρίδα αγκυρίων καθ ύψος της διατομής, διαμέτρου της ίντσας, ενώ για την Β ομάδα (4:1) ενισχύθηκαν με διπλή στρώση CFRP και δύο λωρίδες αγκυρίων καθ ύψος της διατομής, διαμέτρου της ίντσας και τέλος η 6η υποκατηγορία περιλαμβάνει δοκίμια ενισχυμένα με κονίαμα στη μεγάλη πλευρά κατά 2cm και περίσφιγξη με διπλή στρώση CFRP. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων μετρήθηκαν οι παραμορφώσεις των δοκιμίων με δύο τρόπους, μέσω μηκυνσιομέτρων που είχαν τοποθετηθεί καθ ύψος της διατομής και μέσω φωτογραμμετρίας (λήψη φωτογραφιών με μεγάλη συχνότητα). Τα διαγράμματα τάσηςπαραμόρφωσης που παρουσιάζονται στην εργασία έχουν προκύψει από ένα συνδυασμό των δύο μεθόδων μέτρησης. Να σημειωθεί ότι από την φωτογραμμετρία δεν προέκυψαν για όλα τα δοκίμια αξιόπιστες τιμές και σε αυτά δεν λήφθηκαν υπόψη. Έπειτα γίνεται παρουσίαση και σύγκριση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από τα πειράματα. Στη συνέχεια μετά από διερεύνηση της υπάρχουσας βιβλιογραφίας, σχετικής με υποστυλώματα μεγάλου λόγου πλευρών, εκλέχθηκαν 4 αντιπροσωπευτικά προσομοιώματα περίσφιγξης, ώστε να συγκριθούν τα πειραματικά αποτελέσματα και με τα αντίστοιχα θεωρητικά. ii
Τέλος παρουσιάζονται συμπεράσματα και προτάσεις για περαιτέρω έρευνα, απόρροια της παρούσας μεταπτυχιακής διατριβής. iii
ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧOΜΕΝΩΝ ΠΡΟΛΟΓΟΣ-ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... i ΠΕΡΙΛΗΨΗ... ii ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ... iv ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΠΙΝΑΚΩΝ... viii ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΕΙΚΟΝΩΝ...x ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΣΧΗΜΑΤΩΝ... xii ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΩΝ...xv 1. Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή...1 1.1 Το πρόβλημα της ενίσχυσης των ορθογωνικών διατομών μεγάλου λόγου πλευρών...1 1.2 Σκοπός της παρούσας διατριβής...1 1.3 Υπάρχουσα έρευνα περίσφιγξης ορθογωνικών υποστυλωμάτων με μεγάλο λόγο πλευρών...2 1.4 Δόμηση εργασίας...3 2. Κεφάλαιο 2: Ενίσχυση κατασκευών με σύνθετα υλικά...4 2.1 Εισαγωγή...4 2.2 Πλεονεκτήματα και μειωνεκτήματα της ενίσχυσης με ινοπλισμένα πολυμερή...6 2.2.1 Πλεονεκτήματα...6 2.2.2 Μειονεκτήματα...8 2.3 Τα συστατικά των ινοπλισμένων πολυμερών (ΙΟΠ)...9 2.3.1 Ίνες συνθετικών υλικών...9 2.3.2 Μήτρα συνθετικών υλικών...11 2.4 Συστήματα ενίσχυσης με σύνθετα υλικά...11 2.5 Τύποι ενισχύσεων με FRP...12 2.5.1 Ενίσχυση με περίσφιγξη...13 iv
3. Κεφάλαιο 3: Προσομοιώματα περίσφιγξης για υποστυλώματα με μεγάλο λόγο πλευρών...14 3.1 Εισαγωγή...14 3.2 Tan (2002)...14 3.3 Maalej et al (2003)...17 3.4 Teng (2002)...21 3.5 Harajli (2005)...22 4. Κεφάλαιο 4: Διαδικασία κατασκευής δοκιμίων...24 4.1 Εισαγωγή...24 4.2 Ξυλότυπος και σκυροδέτηση...27 4.3 Παρασκευή δοκιμίων κατηγορίας Α...29 4.3.1 Δοκίμια C3...30 4.3.2 Δοκίμια II3...31 4.3.3 Δοκίμια 1AII3...33 4.3.4 Δοκίμια 2AII3...37 4.3.5 Δοκίμια MII3...39 4.3.6 Δοκίμια 1AhII3...40 4.4 Παρασκευή δοκιμίων κατηγορίας Β...41 4.4.1 Δοκίμια C4...42 4.4.2 Δοκίμια II4...42 4.4.3 Δοκίμια 1AII4...44 4.4.4 Δοκίμια 2AII4...47 4.4.5 Δοκίμια 1AhII4...48 4.4.6 Δοκίμια MII4...48 v
4.5 Κουπόνια CFRP...50 5. Κεφάλαιο 5: Πειραματικά αποτελέσματα...51 5.1 Εισαγωγή...51 5.2 Μηκυνσιόμετρα...52 3.3 Φωτογραμμετρία...52 5.4 Διαγράμματα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίων κατηγορίας Α...53 5.5 Διαγράμματα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίων κατηγορίας Β...80 5.6 Παρουσίαση αποτελεσμάτων...107 5.7 Πειραματική δοκιμή κυβικών δοκιμίων...109 5.8 Πειραματική δοκιμή κουπονιών CFRP...110 5.9 Πειραματική δοκιμή δειγμάτων κονιάματος...113 5.10 Μηχανικά χαρακτηριστικά ράβδου Φ12...116 6. Κεφάλαιο 6: Σύγκριση προσομοιωμάτων με πειραματικά δεδομένα...117 6.1 Αποτελέσματα προσομοιωμάτων...117 6.1.1 Αποτελέσματα προσομοιώματος Tan...117 6.1.2 Αποτελέσματα προσομοιώματος Maalej et al...118 6.1.3 Αποτελέσματα προσομοιώματος Teng...118 6.1.4 Αποτελέσματα προσομοιώματος Harajli...119 6.2 Σύγκριση αποτελεσμάτων...120 6.3 Σύγκριση πειραμάτων-προσομοιωμάτων...122 6.4 Σχολιασμός αποτελεσμάτων....129 7. Κεφάλαιο 7: Συμπεράσματα-προτάσεις για περαιτέρω έρευνα...130 7.1 Σχολιασμός αποτελεσμάτων...130 7.1.1 Δοκίμια με λόγο πλευρών 3:1...130 7.1.2 Δοκίμια με λόγο πλευρών 4:1...131 vi
7.2 Παρατηρήσεις...133 7.3 Προτάσεις για περαιτέρω έρευνα...134 Βιβλιογραφία...135 vii
Ευρετήριο Πινάκων Πίνακας 2.1: Ενδεικτικές ιδιότητες ινών και σύγκριση με χάλυβα και σκυρόδεμα...10 Πίνακας 5.1: Συγκεντρωτικός πίνακας τάσεων-παραμορφώσεων των δοκιμίων Α κατηγορίας...107 Πίνακας 5.2: Συγκεντρωτικός πίνακας τάσεων-παραμορφώσεων των δοκιμίων Β κατηγορίας...107 Πίνακας 5.3: Συγκεντρωτικός πίνακας μέσων όρων τάσεων-παραμορφώσεων των δοκιμίων Α κατηγορίας...108 Πίνακας 5.4: Συγκεντρωτικός πίνακας μέσων όρων τάσεων-παραμορφώσεων των δοκιμίων Β κατηγορίας...108 Πίνακας 5.5: Μέση τιμή αντοχής σκυροδέματος...110 Πίνακας 5.6: Στοιχεία κουπονιών CFRP (Tyfo SCH-41-2X)...111 Πίνακας 5.7: Μέτρο ελαστικότητας μανδύα CFRP (Tyfo SCH-41-2X)...111 Πίνακας 5.8: Πίνακας τιμών πρισμάτων του κονιάματος (Tyfo C-Matrix)...113 Πίνακας 5.9: Πίνακας μηχανικών χαρακτηριστικών Φ12...116 Πίνακας 6.1: Πίνακας αποτελεσμάτων μοντέλου Tan για δοκίμια λόγου 3:1...117 Πίνακας 6.2: Πίνακας αποτελεσμάτων μοντέλου Tan για δοκίμια λόγου 4:1...117 Πίνακας 6.3: Πίνακας αποτελεσμάτων μοντέλου Maalej et al για δοκίμια λόγου 3:1...118 Πίνακας 6.4: Πίνακας αποτελεσμάτων μοντέλου Maalej et al για δοκίμια λόγου 4:1...118 viii
Πίνακας 6.5: Πίνακας αποτελεσμάτων μοντέλου Teng για δοκίμια λόγου 3:1...118 Πίνακας 6.6: Πίνακας αποτελεσμάτων μοντέλου Teng για δοκίμια λόγου 4:1...118 Πίνακας 6.7: Πίνακας αποτελεσμάτων μοντέλου Harajli για δοκίμια λόγου 3:1...119 Πίνακας 6.8: Πίνακας αποτελεσμάτων μοντέλου Harajli για δοκίμια λόγου 4:1...119 Πίνακας 6.9: Συγκεντρωτικός πίνακας αποτελεσμάτων μοντέλωνγια κατηγορία δοκιμίων Α...120 Πίνακας 6.10: Συγκεντρωτικός πίνακας αποτελεσμάτων μοντέλων για κατηγορία δοκιμίων Β...121 Πίνακας 7.1: Ποσοστιαία μεταβολή τάσεων δοκιμίων 3:1 βάσει C3...130 Πίνακας 7.2: Ποσοστιαία μεταβολή τάσεων δοκιμίων 4:1 βάσει C4...132 ix
Ευρετήριο Εικόνων Εικόνα 2.1: Συνήθεις ίνες άνθρακα και γυαλιού και ινοπλισμένα πολυμερή (FRP)...4 Εικόνα 2.2: Ενίσχυση υποστυλωμάτων με περιτύλιξη με ινοπλισμένα πολυμερή από ανθρακονήματα...5 Εικόνα 2.3: Ύφασμα ινών άνθρακα μιας διεύθυνσης...6 Εικόνα 2.4: Ενίσχυση υποστυλωμάτων με περίσφιγξη...6 Εικόνα 2.5: Τομή ελάσματος συνθετικού υλικού σε μεγέθυνση...9 Εικόνα 4.1-4.7: Ξυλότυπος και σκυροδέτηση δοκιμίων... 27-28 Εικόνα 4.8: Επιπέδωση επιφανειών με ταχύπηκτο κονίαμα...30 Εικόνα 4.9: Δοκίμιο ελένγχου C3...30 Εικόνα 4.10-4.17: Διαδικασία ενίσχυσης δοκιμίου II3...32 Εικόνα 4.18-4.33: Διαδικασία ενίσχυσης δοκιμίου 1ΑII3... 34-36 Εικόνα 4.34-4.35: Διαδικασία ενίσχυσης δοκιμίου 2ΑII3...38 Εικόνα 4.36-4.38: Διαδικασία ενίσχυσης δοκιμίου ΜΙΙ3...40 Εικόνα 4.39: Μήκος αγκυρίου διαμέτρου 3/8 in...40 Εικόνα 4.40-4.41: Ενίσχυση δοκιμίου ΙΙ4...43 Εικόνα 4.42-4.54: Διαδικασία ενίσχυσης δοκιμίου 1ΑΙΙ4... 45-46 Εικόνα 4.55-4.57: Διαδικασία ενίσχυσης δοκιμίου ΜΙΙ4...49 Εικόνα 4.58-4.64: Κουπόνια CFRP...50 Εικόνα 5.1-5.6: Αστοχία δοκιμίου C3a... 53-54 x
Εικόνα 5.7-5.11: Αστοχία δοκιμίου C3b... 55-56 Εικόνα 5.12-5.16: Αστοχία δοκιμίου II3a... 57-58 Εικόνα 5.17-5.19: Αστοχία δοκιμίου II3b... 59-60 Εικόνα 5.20-5.23: Αστοχία δοκιμίου 1ΑII3a... 61-62 Εικόνα 5.24-5.26: Αστοχία δοκιμίου 1ΑII3b... 63-64 Εικόνα 5.27-5.29: Αστοχία δοκιμίου 1AhII3a... 65-66 Εικόνα 5.30-5.33: Αστοχία δοκιμίου 1AhII3b... 67-68 Εικόνα 5.34-5.36: Αστοχία δοκιμίου 2AII3a... 69-70 Εικόνα 5.37-5.39: Αστοχία δοκιμίου 2AII3b... 71-72 Εικόνα 5.40-5.44: Αστοχία δοκιμίου MII3a... 73-74 Εικόνα 5.45-5.48: Αστοχία δοκιμίου MII3b... 76-77 Εικόνα 5.49-5.52: Αστοχία δοκιμίου C4a... 80-81 Εικόνα 5.53-5.56: Αστοχία δοκιμίου C4b... 82-83 Εικόνα 5.57-5.59: Αστοχία δοκιμίου II4a... 84-85 Εικόνα 5.60-5.62: Αστοχία δοκιμίου II4b... 86-87 Εικόνα 5.63-5.65: Αστοχία δοκιμίου 1ΑII4a... 88-89 Εικόνα 5.66-5.69: Αστοχία δοκιμίου 1ΑII4b... 90-91 Εικόνα 5.70-5.74: Αστοχία δοκιμίου 2AII4a... 92-93 Εικόνα 5.75-5.79: Αστοχία δοκιμίου 2AII4b... 94-95 Εικόνα 5.80-5.82: Αστοχία δοκιμίου 2AhII4a... 96-97 Εικόνα 5.83-5.85: Αστοχία δοκιμίου 2AhII4b... 98-99 Εικόνα 5.86-5.91: Αστοχία δοκιμίου MII4a... 100-101 Εικόνα 5.92-5.95: Αστοχία δοκιμίου MII4b... 103-104 Εικόνα 5.96-5.101: Πειραματική δοκιμή κουπονιών μανδύα CFRP...112 Εικόνα 5.102: Πίνακας χαρακτηριστικών του μανδύα CFRP (TYFO SCH-41-2X)...113 xi
Εικόνα 5.103-5.106: Πειραματική δοκιμή πρισμάτων κονιάματος (TYFO C-Matrix)...115 Εικόνα 5.107: Πίνακας χαρακτηριστικών του κονιάματος (TYFO C-Matrix)...115 xii
Ευρετήριο Σχημάτων Σχήμα 2.1: Καμπύλες θλιπτικής τάσης-παραμόρφωσης για σκυρόδεμα περισφιγμένο με συνθετικά υλικά...13 Σχήμα 3.1: Προσομοιώματα περίσφιγξης:α)προσομοίωμα 1,β)προσομοίωμα 2...14 Σχήμα 3.2: Μετατροπή ορθογωνικής διατομής σε ισοδύναμη κυκλική...17 Σχήμα 3.3: Ενεργή περιοχή περίσφιγξης σκυροδέματος...20 Σχήμα 4.1: Σκαρίφημα δοκιμίων Α ομάδας...25 Σχήμα 4.2: Σκαρίφημα δοκιμίων Β ομάδας...26 Σχήμα 4.3: Τύποι ενίσχυσης δοκιμίων με λόγο πλευρών 3:1...29 Σχήμα 4.4: Σκαρίφημα δοκιμίου 1ΑΙΙ3...33 Σχήμα 4.5: Σκαρίφημα δοκιμίου 2ΑΙΙ3...37 Σχήμα 4.6: Τύποι ενίσχυσης δοκιμίων με λόγο πλευρών 4:1...41 Σχήμα 4.7: Σκαρίφημα δοκιμίου 1ΑΙΙ4...44 Σχήμα 4.8: Σκαρίφημα δοκιμίου 2ΑΙΙ4...47 Σχήμα 5.1: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου C3a...53 Σχήμα 5.2: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου C3b...55 Σχήμα 5.3: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου ΙΙ3a...57 Σχήμα 5.4: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου ΙΙ3b...59 Σχήμα 5.5: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 1ΑΙΙ3a...61 Σχήμα 5.6: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 1ΑΙΙ3b...63 Σχήμα 5.7: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 1ΑhII3a...65 xiii
Σχήμα 5.8: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 1AhII3b...67 Σχήμα 5.9: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 2AII3a...69 Σχήμα 5.10: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 2AII3b...71 Σχήμα 5.11: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου MII3a...73 Σχήμα 5.12: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου MII3a με αρχική και αυξημένη διατομή...75 Σχήμα 5.13: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου ΜΙΙ3b...76 Σχήμα 5.14: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου MII3b με αρχική και αυξημένη διατομή...78 Σχήμα 5.15: Συγκριτικό διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίων Α κατηγορίας...79 Σχήμα 5.16: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου C4a...80 Σχήμα 5.17: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου C4b...82 Σχήμα 5.18: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου ΙΙ4a...84 Σχήμα 5.19: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου ΙΙ4b....86 Σχήμα 5.20: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 1ΑΙΙ4a...88 Σχήμα 5.21: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 1ΑΙΙ4b...90 Σχήμα 5.22: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 2ΑII4a...92 Σχήμα 5.23: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 2AII4b...94 Σχήμα 5.24: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 2AhII4a...96 Σχήμα 5.25: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 2AhII4b...98 Σχήμα 5.26: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου MII4a...100 Σχήμα 5.27: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου MII4a με αρχική και αυξημένη διατομή...102 Σχήμα 5.28: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου ΜΙΙ4b...103 xiv
Σχήμα 5.29: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου MII4b με αρχική και αυξημένη διατομή...105 Σχήμα 5.30: Συγκριτικό διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίων Β κατηγορίας...106 Σχήμα 5.31: Σύγκριση τάσεων αστοχίας των δοκιμίων Α,Β κατηγορίας...109 Σχήμα 5.32: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων της ράβδου Φ12...116 Σχήμα 6.1: Συγκριτικός πίνακας για C3 & C4...122 Σχήμα 6.2: Συγκριτικός πίνακας για ΙΙ3,1ΑΙΙ3a...123 Σχήμα 6.3: Συγκριτικός πίνακας για ΙΙ4...124 Σχήμα 6.4: Συγκριτικός πίνακας για 1ΑΙΙ3b, 1AhII3,1AII4...125 Σχήμα 6.5: Συγκριτικός πίνακας για 2ΑΙΙ3a, 2AII4...126 Σχήμα 6.6: Συγκριτικός πίνακας για 2ΑΙΙ3b, 2AhII4...127 Σχήμα 6.7: Συγκριτικός πίνακας για ΜΙΙ3, ΜΙΙ4...128 xv
ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΩΝ το εμβαδόν της αρχικής διατομής η ανενεργός περισφιγμένη περιοχή της διατομής το εμβαδόν της διατομής ο λόγος της ενεργούς περισφιγμένης περιοχής b το εμβαδόν του διαμήκους οπλισμού το εμβαδόν του προστιθέμενου κονιάματος το πλάτος της διατομής το πλάτος της διατομής το μέτρο ελαστικότητας εφελκυσμού του CFRP για εφαρμογή του μανδύα στις 0 ο το μέτρο ελαστικότητας εφελκυσμού του CFRP για εφαρμογή του μανδύα στις 90 ο το μέτρο ελαστικότητας του CFRP το εγκάρσιο μέτρο ελαστικότητας του CFRP η παραμόρφωση του CFRP η αντοχή του κυβικού δοκιμίου σκυροδέματος η αντοχή του κονιάματος η τάση αστοχίας του CFRP η ισοδύναμη τάση περίσφιγξης η εγκάρσια τάση περίσφιγξης λόγω CFRP η ενεργός εγκάρσια τάση περίσφιγξης λόγω CFRP η αντοχή σε περίσφιγξη που παρέχεται από τα CFRP στον άξονα χ χ η αντοχή σε περίσφιγξη που παρέχεται από τα CFRP στον άξονα ψ ψ η εφελκυστική αντοχή του CFRP η τάση διαρροής του χάλυβα η αντοχή του απερίσφικτου σκυροδέματος η αντοχή της απερίσφιγκτης διατομής η αντοχή της περισφιγμένης αντοχής h t p το μήκος της διατομής το πάχος της ενίσχυσης xvi
nx ny r w jx w jy η διαγώνιος της εκάστοτε ορθογωνικής διατομής συντελεστής ενεργούς περίσφιγξης ο συντελεστής ενεργούς περίσφιγξης συντελεστές ενεργούς περίσφιγξης συντελεστής σχήματος ο αριθμός των στρώσεων ενίσχυσης ο αριθμός των διαστημάτων μεταξύ των αγκυρίων στον άξονα χ χ ο αριθμός των διαστημάτων μεταξύ των αγκυρίων στον άξονα ψ ψ ο αριθμός των στρώσεων CFRP στις 0 ο ο αριθμός των στρώσεων CFRP στις 90 ο το συνολικό αξονικό φορτίο που ασκείται στην εκάστοτε διατομή η ακτίνα καμπυλότητας των γωνιών των δοκιμίων η ισοδύναμη ακτίνα δοκιμίων κυκλικής διατομής το ποσοστό διαμήκους οπλισμού το πάχος της εκάστοτε στρώσης του CFRP το πάχος της εκάστοτε στρώσης CFRP η καθαρή απόσταση μεταξύ των αγκυρίων στη διεύθυνση χ χ η καθαρή απόσταση μεταξύ των αγκυρίων στη διεύθυνση ψ ψ η απόσταση περίσφιγξης στη μεγάλη διάσταση του δοκιμίου η απόσταση περίσφιγξης στη μικρή διάσταση του δοκιμίου η εξίσωση της πρώτης παραβολής η εξίσωση της δεύτερης παραβολής xvii
1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΗΣ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΔΙΑΤΟΜΩΝ ΜΕΓΑΛΟΥ ΛΟΓΟΥ ΠΛΕΥΡΩΝ Εκτενής έρευνα, πειραματική και θεωρητική, έχει δείξει ότι τα υποστυλώματα κυκλικής διατομής μπορούν να αναπτύξουν πολύ μεγάλη αξονική αντοχή και αύξηση πλαστιμότητας μετά από περίσφιγξη με μανδύες σύνθετων υλικών (FRP). Σε ορθογωνικά ωστόσο υποστυλώματα και όσο αυξάνεται ο λόγος των πλευρών η αποδοτικότητα του υφάσματος στην περίσφιγξη μειώνεται λόγω της μη ομοιόμορφης κατανομής των τάσεων περίσφιγξης γύρω από το υποστύλωμα. Το πρόβλημα με τα υποστυλώματα μεγάλου λόγου πλευρών είναι ότι η μεγάλη πλευρά δεν προσφέρει αρκετή περίσφιγξη καθώς οι εγκάρσιες τάσεις περίσφιγξης συγκεντρώνονται στις γωνίες μειώνοντας έτσι την αποδοτικότητα της περίσφιγξης. Όσο μεγαλύτερος είναι ο λόγος πλευρών τόσο μικρότερη προκύπτει η περισφιγμένη επιφάνεια του σκυροδέματος και κατά συνέπεια η αποτελεσματικότητα της περίσφιγξης. Παρ όλο τον μεγάλο αριθμό έρευνας στην ενίσχυση υποστυλωμάτων με FRP, η διερεύνηση ενίσχυσης υποστυλωμάτων μεγάλου λόγου πλευρών είναι αρκετά περιορισμένη και η γνώση γύρω από την συμπεριφορά τέτοιων υποστυλωμάτων είναι ελλιπής. 1.2 ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ Σκοπός της διατριβής αυτής είναι η διερεύνηση της περίσφιγξης υποστυλωμάτων ορθογωνικής διατομής μεγάλου λόγου πλευρών με ινοπλισμένα πολυμερή άνθρακα (CFRP). Επίσης διερευνάται παράλληλα με την περίσφιγξη μέσω μανδύα FRP η χρήση αγκυρίων σαν πρόσθετη εγκάρσια ενίσχυση και η χρήση πρόσθετου κονιάματος στην μεγάλη πλευρά μειώνοντας έτσι το λόγο πλευρών. Για αυτό το λόγο εκπονούνται συνολικά 24 πειράματα υπό κλίμακα, τα οποία διαχωρίζονται ισόποσα σε δύο μεγάλες κατηγορίες. Η πρώτη κατηγορία περιλαμβάνει δοκίμια με λόγο πλευρών 3:1, ενώ η δεύτερη κατηγορία δοκίμια με λόγο πλευρών 4:1.
2 Κάθε κατηγορία αποτελείται από 6 υποκατηγορίες: 1. Δοκίμια ελέγχου, απερίσφιγκτα 2. Ενίσχυση με διπλή στρώση CFRP 3. Ενίσχυση με διπλή στρώση CFRP και μία λωρίδα αγκυρίων διαμέτρου ¼ της ίντσας 4. Ενίσχυση με διπλή στρώση CFRP και δύο λωρίδες αγκυρίων διαμέτρου ¼ της ίντσας 5. α) Ενίσχυση με διπλή στρώση CFRP και μία λωρίδα αγκυρίων διαμέτρου 3/8 της ίντσας, για δοκίμια με λόγο πλευρών 3:1 β) Ενίσχυση με διπλή στρώση CFRP και δύο λωρίδες αγκυρίων διαμέτρου 3/8 της ίντσας, για δοκίμια με λόγο πλευρών 4:1 6. Ενίσχυση με διπλή στρώση CFRP και προσθήκη κονιάματος πάχους 2cm στις δύο μεγάλες πλευρές Ο λόγος της διερεύνησης αυτής είναι να διαπιστωθεί το κατά πόσο συμβάλλουν οι παραπάνω μέθοδοι ενίσχυσης στην αύξηση της θλιπτικής αντοχής και παραμόρφωσης αστοχίας ώστε να εμπλουτιστεί η γνώση γύρω από την συμπεριφορά τέτοιων υποστυλωμάτων με απώτερο σκοπό την μετέπειτα εφαρμογή του σε υφιστάμενα κτίρια. 1.3 ΥΠΑΡΧΟΥΣΑ ΕΡΕΥΝΑ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗΣ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΩΝ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΜΕ ΜΕΓΑΛΟ ΛΟΓΟ ΠΛΕΥΡΩΝ Όπως προαναφέρθηκε στην παράγραφο 1.1, έχει γίνει ευρεία μελέτη για υποστυλώματα κυκλικής διατομής, στα οποία παρατηρήθηκε η μεγάλη και σημαντική συμβολή των FRP. Έπειτα περαιτέρω μελέτη έγινε για τετραγωνικά υποστυλώματα καθώς επίσης και για υποστυλώματα ορθογωνικά με μικρό λόγο πλευρών. Σε αυτά παρατηρήθηκε σημαντική η συμβολή των FRP όχι όμως στο ίδιο ποσοστό με των κυκλικών διατομών. Όσον αφορά την κατηγορία που εξετάζεται στην παρούσα εργασία, ορθογωνικά υποστυλώματα με μεγάλο λόγο πλευρών, δεν έχει γίνει ιδιαίτερη μελέτη. Υπήρξαν ωστόσο πανεπιστήμια που εξέτασαν την περίσφιγξη με μανδύες FRP στα εν λόγω υποστυλώματα. Συγκεκριμένα έχει γίνει αναφορά για πειράματα δοκιμίων με λόγο πλευρών 2:1 και 3:1 όπως και με λόγο πλευρών 3.65. Η παρούσα εργασία έρχεται να
3 επεκτείνει τον λόγο πλευρών σε 4:1,να διευρύνει τα υπάρχοντα πειράματα, να προτείνει τρόπους ενίσχυσης και συνεπώς να συμβάλλει στην καλύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς τέτοιων υποστυλωμάτων σε αξονική θλίψη πριν και μετά την ενίσχυσή τους. 1.4 ΔΟΜΗ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Στο κεφάλαιο 2 γίνεται μία εισαγωγή στα συνθετικά υλικά και στην εφαρμογή τους στην επιστήμη του πολιτικού μηχανικού στο πεδίο των ενισχύσεων. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται τέσσερα προσομοιώματα περίσφιγξης που εκλέχθηκαν από την υπάρχουσα βιβλιογραφία και αφορούν υποστυλώματα με μεγάλο λόγο πλευρών. Το κεφάλαιο 4 αναφέρεται στην διαδικασία που ακολουθήθηκε τόσο για την κατασκευή των δοκιμίων όσο και για την ενίσχυσή τους. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα και ο τρόπος υπολογισμού τους. Στο κεφάλαιο 6 γίνεται σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων και των αντίστοιχων θεωρητικών που προέκυψαν από τα προσομοιώματα που παρουσιάζονται στο κεφάλαιο 3. Τέλος στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και οι παρατηρήσεις που προέκυψαν, καθώς και οι προτάσεις για περαιτέρω έρευνα.
4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η συνεχής και ραγδαία εξέλιξη στην τεχνολογία των υλικών σε συνδυασμό με την ανάγκη για την ενίσχυση και αναβάθμιση των υπαρχόντων κτιρίων έχει δώσει ποικιλία προϊόντων που μπορούν να συνδυασθούν με τα συμβατικά δομικά υλικά στην ενίσχυση στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα. Μία από τις πιο σύγχρονες σήμερα εφαρμογές ενίσχυσης είναι η ενίσχυση με ινοπλισμένα πολυμερή (ΙΟΠ ή FRP, Fibre Reinforced Polymer) τα οποία αν και σχετικά καινούρια θεωρούνται πολύ υποσχόμενα υλικά. Τα πρώτα σύνθετα υλικά χρονολογούνται από τα τέλη του 19ου αιώνα και είχαν ως συστατικά φυσικές ρητίνες και ίνες, όπως πίσσα και ίνες ξύλου. Η μαζική παραγωγή τους όμως ξεκινά στο τέλος της δεκαετίας του 1930 όπου αρχικά η χρήση τους περιορίζεται στην αεροναυπηγική, Εικόνα 2.1 Συνήθης ίνες άνθρακα και γυαλιού και ινοπλισμένα πολυμερή (FRP) τη χημική βιομηχανία και τη ναυπηγική εξαιτίας του υπερβολικού τους κόστους και των περιορισμένων πειραματικών αποτελεσμάτων, ενώ τα σύγχρονα σύνθετα υλικά βρίσκουν εφαρμογή και σε υπόγειες δεξαμενές καυσίμων, έως ύφαλα πλοίων και πολεμικά αεροσκάφη. Γενικά η χρήση τους έχει εξαπλωθεί σε εφαρμογές που απαιτούν χαμηλό ίδιο βάρος, υψηλές τάσεις και μη διαβρωτικές δομικές ιδιότητες. Η επικόλληση στρώσεων ινοπλισμένων πολυμερών από ανθρακονήματα σε δομικά στοιχεία κατασκευών με σκοπό την επισκευή και ενίσχυσή τους, πρωτοεφαρμόστηκε στην Ελβετία το 1984, ενώ την τελευταία εικοσαετία βρίσκει πολλές εφαρμογές με επιτυχία σε χώρες με δυσμενείς κλιματολογικές συνθήκες ή με ιδιαίτερα υψηλή σεισμική επικινδυνότητα, όπως οι Η.Π.Α., ο Καναδάς, η Ιαπωνία, η Ελβετία, η Αυστραλία, κ.ά.. Στην Ελλάδα οι πρώτες εφαρμογές πραγματοποιούνται στις αρχές της δεκαετίας του 1990 και εξαπλώνονται ιδιαίτερα μετά τον σεισμό της Πάρνηθας το 1999. Η ενίσχυση επιτυγχάνεται με χρήση μανδυών και ελασμάτων από σύνθετα υλικά, ή περιτύλιξη των μελών με ταινίες από σύνθετα υλικά.
5 Σήμερα τα FRP προσφέρουν τεκμηριωμένα αποδεκτές λύσεις και αποτελούν υλικό επιλογής ως μέσο επισκευής ή ενίσχυσης για τα παρακάτω συνήθη προβλήματα σε κτιριακά έργα: αντισεισμικές ενισχύσεις υφιστάμενων δομικών στοιχείων με ανεπαρκείς λεπτομέρειες όπλισης ως μέσο αποκατάστασης, ανεπαρκών ματίσεων, ανεπαρκούς περίσφιγξης, για την αύξηση της διατμητικής αντοχής και την ικανοποίηση των επιδιώξεων του ικανοτικού ελέγχου και για να Εικόνα 2.2 Ενίσχυση υποστυλωμάτων με περιτύλιξη με ινοπλισμένα πολυμερή από ανθρακονήματα. προσδώσουν πλαστιμότητα και ικανότητα παραμόρφωσης στα επιμέρους στοιχεία και στο σύνολο της κατασκευής. αύξηση της φέρουσας ικανότητας σύμφωνα με τις απαιτήσεις που προδιαγράφονται από αλλαγή χρήσης κτιρίων (αύξηση φορτίων λειτουργικότητας και αστοχίας) αποκατάσταση φέρουσας ικανότητας και αύξηση πλαστιμότητας σε στοιχεία και κατασκευές που έχουν υποστεί απώλεια οπλισμού και σκυροδέματος λόγω διάβρωσης των χαλύβδινων οπλισμών κατόπιν έκθεσης σε χημικώς επιθετικό περιβάλλον, αποκατάσταση ελλιπούς αρχικού σχεδιασμού και αναίρεση πιθανών κακοτεχνιών κατά την κατασκευή του έργου, διόρθωση συσσωρευμένων βλαβών από έλλειψη ή και δαπανηρή διαδικασία συντήρησης υφιστάμενων κατασκευών και προστασία δομικών στοιχείων και κτιρίων από τυχηματικές δράσεις που οφείλονται σε κρουστικά φαινόμενα, όπως εκρήξεις, πρόσκρουση με κινούμενα οχήματα κλπ. Η μεγάλη καθυστέρηση και η διστακτικότητα, με την οποία γίνονται αποδεκτά στα έργα Πολιτικού Μηχανικού, οφείλονται στο μέχρι πρότινος μεγάλο κόστος τους αλλά και στην έλλειψη ενός κατάλληλου πλαισίου κανονισμών για σχεδιασμό με τα υπόψη υλικά. Σήμερα το κόστος των υλικών αυτών μειώνεται σημαντικά, καθώς διευρύνεται το πεδίο εφαρμογών τους, ενώ παράλληλα σε πολλές ανεπτυγμένες χώρες έχει ήδη δημοσιευθεί ο
6 πρώτος κύκλος διατάξεων σχεδιασμού δομικών έργων από οπλισμένο σκυρόδεμα με συνθετικό οπλισμό έτσι όπως φαίνεται και στα στατιστικά στοιχεία τα τελευταία χρόνια ένα μεγάλο τμήμα της παγκόσμιας παραγωγής συνθετικών υλικών (30%), απορροφάται στο πεδίο των τεχνικών έργων. Στο μέλλον αναμένεται η χρήση τους σαν υλικό ενίσχυσης να αυξηθεί περαιτέρω καθώς οι μηχανικοί ενημερώνονται και αποκτούν τις απαραίτητες γνώσεις για την σωστή διαστασιολόγηση και εφαρμογή τους ενώ παράλληλα μειώνεται το κόστος τους. Εικόνα 2.3 Ύφασμα ινών άνθρακα μιας διεύθυνσης. Εικόνα 2.4 Ενίσχυση υποστυλωμάτων με περίσφιγξη. 2.2 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΜΕ ΙΝΟΠΛΙΣΜΕΝΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ 2.2.1 Πλεονεκτήματα Τα κυριότερα πλεονεκτήματα των συνθετικών υλικών είναι το χαμηλό ειδικό τους βάρος, πιστοποιούμενο από τις υψηλές ειδικές ιδιότητες (λόγος τιμής ιδιότητας προς ειδικό βάρος) και η πολύ μεγάλη αντοχή τους σε εφελκυσμό (πολλαπλάσια του κοινού χάλυβα). Λαμβάνοντας επίσης υπόψη και τη διαθεσιμότητα των συνθετικών υλικών σε πολύ μεγάλα μήκη και σε εύκαμπτη μορφή διαπιστώνουμε τη διαφορά που έχει με άλλα συστήματα ενίσχυσης στην ευκολία και στην ταχύτητα στην εφαρμογή της ενίσχυσης. Αν και η απουσία διαρροής γενικά χαρακτηρίζεται σαν μειονέκτημα αλλά ειδικά σε εφαρμογές περίσφιγξης, ο χαρακτηριστικός νόμος τάσεων παραμορφώσεων των εν λόγω υλικών (που χαρακτηρίζεται από απουσία διαρροής) λειτουργεί ευνοϊκά, επειδή η παθητική πίεση περισφίγξεως αυξάνεται συνεχώς με την διόγκωση του εγκιβωτισμένου σκυροδέματος (σε αντίθεση με τους συμβατικούς συνδετήρες οι οποίοι μετά την διαρροή επιβάλλουν σταθερή πίεση περισφίγξεως ανεξαρτήτως μεγέθους εγκάρσιας
7 παραμόρφωσης). Η ιδιότητα αυτή προσδίδει χαρακτηριστικά κράτυνσης στο νόμο θλιπτικών τάσεων - θλιπτικών παραμορφώσεων του σκυροδέματος, στοιχείο ιδιαίτερα επιθυμητό για αντισεισμικές ενισχύσεις. Επίσης η αρκετά καλή συμπεριφορά τους σε κόπωση τα καθιστά κατάλληλα για χρήση σε δομικά έργα. Η δυνατότητα εφαρμογής τους σε δυσπρόσιτα τμήματα των κατασκευών στα οποία οι παραδοσιακές μέθοδοι ενίσχυσης (π.χ. οι μεταλλικοί ολόσωμοι μανδύες) αδυνατούν να εφαρμοστούν με ευκολία κάνει την ενίσχυση με συνθετικά υλικά εξαιρετικά δημοφιλή για παρόμοιες περιπτώσεις. Το μικρού πάχους έχει σαν αποτέλεσμα να μη μειώνεται ο διαθέσιμος χώρος του εκάστοτε κτιρίου και να μην δημιουργούνται αντιαισθητικές προσθήκες όπως συμβαίνει στην περίπτωση συμβατικού μανδύα οπλισμένου σκυροδέματος. Η ικανότητα μόρφωσης και διάθεσης τους σε αρκετά γεωμετρικά σχήματα επιτρέπει την χρήση τους είτε ως ινοπλισμένα φύλλα, είτε ως ενσωματωμένος οπλισμός είτε ως πλέγματα και ελάσματα για αποκατάσταση ελλιπούς οπλισμού είτε ως βασικός οπλισμός σε νέα δομικά έργα (πρόσφατα, ευρύτατη εφαρμογή έχουν βρει οι ράβδοι FRP ως συμβατικός οπλισμός σε καταστρώματα από οπλισμένο σκυρόδεμα σε έργα οδοποιίας, ο τομέας αυτός ίσως αντιπροσωπεύει και το μεγαλύτερο μέρισμα των FRP στα δομικά έργα). Φορείς δικτυωμάτων από στοιχεία FRP σε δομικά προφίλ (διατομές σχήματος Τ κλπ) έχουν επίσης κατασκευασθεί σε πιλοτικές εφαρμογές και αποτελούν αντικείμενο εξελισσόμενης εφαρμοσμένης έρευνας σήμερα. Επίσης, σημαντική είναι και η αντοχή των υλικών αυτών στη διάβρωση, ιδίως στο θαλασσινό περιβάλλον, αφού τα ινώδη σύνθετα υλικά δε διαβρώνονται, δε σαπίζουν και γενικά δεν αλλοιώνονται με κανένα τρόπο. Μάλιστα, εμφανίζουν εξαιρετική συμπεριφορά έναντι χημικών ενώσεων (όπως οξέα, αλκάλια, ενυδατωμένα άλατα, οξειδωτικά μέσα και οργανικές ενώσεις). Ακόμα, παρουσιάζουν μηδενικό συντελεστή θερμικής διαστολής και πολύ χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, εξαιρετική αντοχή σε κόπωση (ιδίως για ενίσχυση από ίνες άνθρακα), είναι μονωτές του ηλεκτρισμού (σημαντικό σε ειδικές εφαρμογές στρατιωτικού ή ιατρικού ενδιαφέροντος), δεν απαιτούνται ραφές και συγκολλήσεις στις κατασκευές από σύνθετα μειώνοντας επομένως το κόστος, έχουν πολύ καλά χαρακτηριστικά απόσβεσης περιορίζοντας τη μετάδοση ήχων και κραδασμών, σχετικά εύκολη επισκευασιμότητα, μικρή συντήρηση και σχετικά φθηνότερο μηχανολογικό εξοπλισμό για την παραγωγή κατασκευών σε σχέση με αυτόν που απαιτείται για μεταλλικές κατασκευές.
8 Τέλος, η μικρή δυσκαμψία που παρουσιάζουν (μικρό μέτρο ελαστικότητας) μπορεί να θεωρηθεί άλλοτε ως πλεονέκτημα, αν επιθυμούμε από το υλικό να απορροφά μεγάλα ποσά ενέργειας χωρίς να αστοχεί, και άλλοτε ως μειονέκτημα, αν ζητείται σε κάποια σημεία της κατασκευής μεγάλη δυσκαμψία 2.2.2 Μειονεκτήματα Τα μειονεκτήματα που παρουσιάζει η χρήση σύνθετων υλικών είναι η πτωχή συμπεριφορά σε υψηλές θερμοκρασίες και η έλλειψη πλαστιμότητας σε αντίθεση με τον χάλυβα παρ ότι παρέχουν υψηλή παραμορφωσιμότητα που ενδέχεται να οδηγήσει σε αύξηση της πλαστιμότητας, όπως π.χ. σε περισφιγμένα υποστυλώματα στις κρίσιμες περιοχές. Μειονεκτήματα αποτελούν ο ψαθυρός χαρακτήρας της αστοχίας τους και οι υψηλές διατμητικές τάσεις που αναπτύσσονται στη διεπιφάνεια σκυροδέματοςσυνδετικού μέσου στην περιοχή των αγκυρώσεων τους. Ο «δεσμός» σύνθετων υλικών σκυροδέματος, μπορεί να αστοχήσει πρόωρα, δηλαδή πριν εξαντληθεί η καμπτική αντοχή του ενισχυμένου στοιχείου. Ειδικότερα, οι τρόποι αστοχίας λόγω έλλειψης συνάφειας, είναι είτε με διάδοση ρωγμών στη διεπιφάνεια μεταξύ σκυροδέματος και σύνθετου υλικού που μπορεί να οφείλονται σε ατέλειες του συνδετικού υλικού, σε ανάπτυξη κατακόρυφων ρωγμών λόγω κάμψης, σε τοπική αποκόλληση του σύνθετου φύλλου όταν η επιφάνεια του σκυροδέματος δεν είναι επίπεδη και σε καταπόνηση του μέλους λόγω κόπωσης. Ακόμα μπορεί να αστοχήσει με αποκόλληση του σύνθετου φύλλου λόγω του κατακόρυφου και οριζόντιου ανοίγματος ενδεχομένων διατμητικών ρωγμών ή με διατμητική αστοχία της στρώσης του σκυροδέματος μεταξύ του οπλισμού ενίσχυσης και του υπάρχοντος διαμήκους οπλισμού, κοντά στα άκρα του σύνθετου φύλλου. Τα παραπάνω προϋποθέτουν την λήψη κατάλληλων μέτρων για την αποφυγή της αποκόλλησης, όπως είναι να λαμβάνεται επαρκές μήκος αγκύρωσης των εξωτερικών οπλισμών και να ικανοποιούνται οι κατασκευαστικές διατάξεις. Μάλιστα σε ορισμένες περιπτώσεις κρίνεται σκόπιμη η βελτίωση της αγκύρωσης με μηχανικούς τρόπους, όπως η εξωτερική περίσφιγξη των άκρων των φύλλων μέσω κατακόρυφου εξωτερικού οπλισμού. Ένα άλλο μειονεκτήμα των σύνθετων υλικών θεωρείται το υψηλό κόστος τους το οποίο όμως μετριάζεται λόγω της ταχύτητας και της ευκολίας εφαρμογής τους. Μια
9 εναλλακτική πρακτική μικρότερου κόστους από αυτή της χρήσης σύνθετων υλικών με μήτρα εποξειδικής ρητίνης (ανόργανη μήτρα) είναι αυτή της χρήσης σύνθετων υλικών με ανόργανη μήτρα που έχει τσιμεντοειδή βάση. Επίσης, κατά την επιθεώρηση μιας κατασκευής από σύνθετα υλικά, πρέπει να επιθεωρείται ολόκληρη η επιφάνειά τους, λόγω των μη σταθερών συνθηκών κατασκευής, με αποτέλεσμα να απαιτείται μεγάλης έκτασης εργασία. Ακόμα, αρκετά σύνηθες είναι το φαινόμενο του ερπυσμού (ιδίως στα σύνθετα με ενίσχυση ινών γυαλιού) υπό συνθήκες υψηλής και συνεχούς φόρτισης, η αντοχή σε τριβή είναι γενικά μικρή, η σύνδεση και εγκατάσταση εξαρτημάτων απαιτεί προσεκτική σχεδίαση των κατασκευαστικών λεπτομερειών που αυξάνει το κόστος και τις πιθανότητες τοπικών αστοχιών, οι μέθοδοι παραγωγής επίσης είναι αρκετά πολύπλοκες, απαιτώντας ελεγχόμενες συνθήκες περιβάλλοντος και έμπειρο και εξειδικευμένο προσωπικό. 2.3 ΤΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΩΝ ΙΝΟΠΛΙΣΜΕΝΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ (ΙΟΠ) Η σύνθεση των ινοπλισμένων πολυμερών (FRP) αποτελείται κατά βάση από δύο κύρια συστατικά: το μητρικό υλικό (θερμοσκληρυνόμενο, συνήθως εποξειδική ρητίνη, και το ενισχυτικό υλικό (οπλισμός), το οποίο ενσωματώνεται στο μητρικό υπό τη μορφή ινών σε ογκομετρικό ποσοστό που ποικίλει για τα συνήθη προϊόντα αυτό κυμαίνεται στο 60% ενώ το 40% αντιστοιχεί στο μητρικό υλικό. 2.3.1 Ινες συνθετικών υλικών Εικόνα 2.5 Τομή ελάσματος συνθετικού υλικού σε μεγένθυνση Οι ίνες αποτελούν το φορέα ανάληψης εφελκυστικών δυνάμεων παράλληλα στη διεύθυνση τους, η διάμετρός τους κυμαίνεται στα 5-25 μm. Οι ίνες που χρησιμοποιούνται στα έργα του πολιτικού μηχανικού είναι συνεχείς. Συνεχείς ίνες χρησιμοποιούνται σε σχετικά υψηλό ποσοστό (από 20% έως 60%) του όγκου για την ενίσχυση της πολυμερούς ρητίνης, έτσι και ο όρος FRP (fiberreinforced polymer). Ανάλογα με τον προσανατολισμό των ινών, διακρίνονται σε: προσανατολισμένα (directional), με ίνες
10 συνεχείς και ίδιας διεύθυνσης, και σε μη προσανατολισμένα (random), με ίνες τυχαία τοποθετημένες στο συνδετικό υλικό. Για την επισκευή και ενίσχυση κατασκευών χρησιμοποιούνται κυρίως προσανατολισμένα σύνθετα υλικά συνεχών ινών τα οποία παρουσιάζουν μεγάλη αντοχή. Ο προσανατολισμός των ινών όμως, δίνει στο σύνθετο υλικό ανισοτροπική συμπεριφορά, σε αντιστοιχία με τη συμπεριφορά του οπλισμένου σκυροδέματος, δίνοντας τη δυνατότητα στους μελετητές να διευθετήσουν κατά τέτοιο τρόπο τις στρώσεις του υλικού ώστε να ενισχυθεί το μέλος στη διεύθυνση που αναπτύσσονται οι υψηλότερες τάσεις. Συνήθως χρησιμοποιούνται συνεχείς ίνες μιας διεύθυνσης σε αναλογία 50-70% κατ όγκο. Οι μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών σε σχέση με τον χάλυβα διακρίνονται στον πίνακα 2.1: Πίνακας 2.1: Ενδεικτικές ιδιότητες ινών και σύγκριση με χάλυβα και σκυρόδεμα Οι κυριότεροι τύποι ινών που χρησιμοποιούνται στο πεδίο των ενισχύσεων είναι οι ίνες άνθρακα (ανθρακονήματα), οι ίνες γυαλιού (υαλονήματα) και οι ίνες αραμιδίου. Οι μηχανικές ιδιότητες των ινών είναι συνήθως τάξης μεγέθους μεγαλύτερες από αυτές των ρητινών, ωστόσο λόγο της νηματοειδής τους φύσης δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αυτόνομα δομικά υλικά και έτσι επιβάλλεται η συνεργασία με τις πολυμερείς ρητίνες ώστε να επιτευχθούν οι ανώτερες μηχανικές ιδιότητες τους.
11 2.3.2 Μήτρα συνθετικών υλικών Η μήτρα στα συνθετικά υλικά αποτελεί τη συγκολλητική ύλη μεταξύ των ινών. Συνήθως είναι ένα θερμοσκληραινόμενο πολυμερές, τo οποίο συνδέει τις ίλες μεταξύ τους, τις προστατεύει, εξασφαλίζει τη μεταφορά δυνάμεων σε αυτές και επίσης καθορίζει και αρκετές μηχανικές ιδιότητες των συνθετικών υλικών, όπως είναι η αντοχή κάθετα στη διεύθυνση των ινών, η διατμητική και η θλιπτική αντοχή. 2.4 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Τα συστήματα ενίσχυσης στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος ή φέρουσας ικανότητας με σύνθετα υλικά είναι γενικά δύο τύπων, α) υγρής εφαρμογής ( ή επί τόπου σκλήρυνση της μήτρας) και β) προκατασκευασμένα (η σκλήρυνση τη μήτρας έχει προηγηθεί της εφαρμογής). Παρακάτω γίνεται συνοπτικά η παρουσίαση αυτών των συστημάτων. Συστήματα υγρής εφαρμογής: Φύλλα (sheets) ή υφάσματα (fabrics) αποτελούμενα από συνεχείς ίνες μιας (κυρίως) διεύθυνσης, χωρίς μήτρα Υφάσματα (fabrics) αποτελούμενα από συνεχείς ίνες σε δύο τουλάχιστον διευθύνσεις, χωρίς μήτρα. Φύλλα (sheets) ή υφάσματα (fabrics) αποτελούμενα από συνεχείς ίνες μίας διεύθυνσης προεμποτισμένα με ρητίνη σε μη σκληρυμένη μορφή. Φύλλα (sheets) ή υφάσματα (fabrics) αποτελούμενα από συνεχείς ίνες σε τουλάχιστον δύο διευθύνσεις, προεμποτισμένα με ρητίνη σε μη σκληρυμένη μορφή. Συνεχείς ίνες χωρίς μήτρα, συγκεντρωμένες σε μορφή νήματος, το οποίο εμποτίζεται με ρητίνη ενώ τυλίγεται στο υπό ενίσχυση δομικό μέλος. Προεμποτισμένες συνεχείς ίνες, συγκεντρωμένες σε μορφή νήματος (tow), το οποίο ενώ τυλίγεται στο υπό ενίσχυση δομικό μέλος, υφίσταται ενδεχομένως και πρόσθετο οπλισμό.
12 Προκατασκευασμένα Υλικά : Σε γενικές γραμμές τα προκατασκευασμένα ελάσματα προτιμώνται έναντι των υφασμάτων (ή φύλλων) όταν η εφαρμογή γίνεται σε επίπεδες επιφάνειες (π.χ. καμπτική ενίσχυση δοκών ή πλακών, χιαστί ή οριζόντια διάταξη για τοιχοποιίες σε εντός επιπέδου τέμνουσα) και απαιτούνται σημαντικά πάχη, ενώ σε άλλες περιπτώσεις (π.χ. μανδύες υποστυλωμάτων, διατμητική ενίσχυση δοκών) η εφαρμογή υφασμάτων μέσω της υγρής μεθόδου είναι προτιμητέα. Από την ποικιλία των προϊόντων FRP το μεγαλύτερο εύρος εφαρμογής έχουν οι εύκαμπτες ταινίες και τα σύνθετα υφάσματα, τα οποία χρησιμοποιούνται κυρίως για επισκευή και βελτίωση στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα και πεσσών άοπλης τοιχοποιίας. Ο οπλισμός τοποθετείται έτσι, ώστε η κύρια αντοχή του να αναπτύσσεται στην κατεύθυνση της μέγιστης εφελκυστικής παραμόρφωσης. Η πλέον διαδεδομένη εφαρμογή είναι η ενίσχυση μέσω περίσφιγξης (μανδύας) υποστυλωμάτων γεφυρών, τα οποία είτε έχουν υποστεί βλάβες από σεισμό είτε έχει διαγνωσθεί ανεπάρκεια πλαστιμότητας. Σύνθετοι μανδύες έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί επιτυχώς και για την ενίσχυση στοιχείων που έχουν υποστεί διάβρωση οπλισμού. Με δεδομένη την ευκολία τοποθέτησης, χωρίς καμία παρέμβαση στην εξωτερική γεωμετρία του στοιχείου (η μεταβολή των διαστάσεων είναι της τάξεως μερικών χιλιοστών), είναι επόμενο ότι οι σύνθετοι μανδύες αποτελούν πολύ αποτελεσματικότερη λύση σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς μανδύες για τα υποστυλώματα. 2.5 ΤΥΠΟΙ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ ΜΕ FRP Αναλόγως την αδυναμία των μελών της κατασκευής διακρίνουμε 3 τύπους ενισχύσεων: 1. Ενίσχυση σε κάμψη 2. Ενίσχυση σε διάτμιση 3. Ενίσχυση με περίσφιξη Στην παρούσα εργασία μελετάται μόνο ο τρίτος τύπος ενίσχυσης.
13 2.5.1 Ενίσχυση με περίσφιγξη Η δράση των σύνθετων υλικών κατά την περίσφιγξη του σκυροδέματος είναι εξαιρετικά ευνοϊκή και γενικά ευνοϊκότερη σε σχέση με αυτήν μεταλλικών μανδυών ίσης δυσκαμψίας. Κατά την αξονική καταπόνηση υποστυλωμάτων (π.χ. λόγω κάμψης και/ή αξονικού φορτίου) το σκυρόδεμα διογκώνεται εγκάρσια, με αποτέλεσμα ο μανδύας συνθέτων υλικών που το περιβάλλει να ενεργοποιείται (μέσω της ανάπτυξης εφελκυστικών παραμορφώσεων στις ίνες), επιβάλλοντας έτσι εγκάρσιες θλιπτικές τάσεις (περίσφιγξης) κάθετα στον άξονα του μέλους, μέχρις ότου αστοχήσει. Οι τάσεις περίσφιγξης έχουν ως αποτέλεσμα: Σχήμα 2.1 Καμπύλες θλιπτικής τάσης παραμόρφωσης για σκυρόδεμα περισφιγμένο με σύνθετα υλικά Αύξηση της θλιπτικής αντοχής και της παραμορφωσιμότητας (δηλαδή της οριακής παραμόρφωσης) του σκυροδέματος. Αύξηση της γωνίας στροφής χορδής ενός μέλους στην (καμπτική) αστοχία, δηλαδή αύξηση της πλαστιμότητας. Βελτίωση των συνθηκών συνάφειας μεταξύ ράβδων οπλισμού και σκυροδέματος σε περιοχές με ματίσεις και άρα παρεμπόδιση της ολίσθησης των διαμήκων ράβδων στις περιοχές αυτές. Καθυστέρηση της εμφάνισης λυγισμού των διαμήκων ράβδων σε περιοχές με αραιή διάταξη συνδετήρων.
14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑΤΑ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗΣ ΓΙΑ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΑ ΜΕ ΜΕΓΑΛΟ ΛΟΓΟ ΠΛΕΥΡΩΝ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζονται προσομοιώματα περίσφιγξης τα οποία θα ελεγχθούν κατά πόσο αντιπροσωπεύουν τα πειράματα που διεξήχθησαν. Τα προσομοιώματα αυτά επιλέχθηκαν μετά από έρευνα της υπάρχουσας βιβλιογραφίας για περίσφιγξη υποστυλωμάτων με μεγάλο λόγο πλευρών. Όπως αναφέρθηκε και στο τέλος του πρώτου κεφαλαίου η βιβλιογραφία είναι ελλιπής από σχετικές μελέτες ορθογωνικών υποστυλωμάτων με μεγάλο λόγο πλευρών. Εν κατακλείδι εκλέχθηκαν τέσσερα μοντέλα περίσφιγξης που αντιπροσωπεύουν στοιχεία με μεγάλο λόγο πλευρών. 3.2 ΤAN (2002) Το πρώτο προσομοίωμα, Kiang Hwee Tan (2002), βασίζεται στο γνωστό προσομοίωμα περίσφιγξης των Mander et al(1988), το οποίο έχει επεκταθεί ώστε να λαμβάνει υπόψιν τη συμβολή του CFRP για τις περιπτώσεις υποστυλωμάτων με μεγάλο λόγο πλευρών. Το προσομοίωμα αυτό λαμβάνει υπόψιν δύο περιπτώσεις περίσφιγξης όπως φαίνεται και στο σχήμα 3.1. Το προσομοίωμα 1 λαμβάνει υπόψιν πέρα από την εξωτερική περίσφιγξη του μανδύα CFRP και την ενίσχυση στην περίπτωση ύπαρξης εσωτερικού εγκάρσιου οπλισμού. Το 2 ο προσομοίωμα λαμβάνει υπόψιν μόνο την περίπτωση περίσφιγξης με μανδύα CFRP. Σχήμα 3.1 Προσομοιώματα περίσφιγξης : α) προσομοίωμα 1 β) προσομοίωμα 2
15 Το προσομοίωμα περίσφιγξης προκύπτει από τη μελέτη ορθογωνικών υποστυλωμάτων (52 δοκίμια) με λόγο πλευρών 3.65, ο οποίος είναι κοντά στον λόγο πλευρών των δοκιμίων της παρούσας μεταπτυχιακής διατριβής. Στην περίπτωση των δοκιμίων που εξετάστηκαν γίνεται χρήση του προσομοιώματος 2 για αυτά που ενισχύθηκαν σε περίσφιγξη με μανδύα CFRP κατά το σχήμα 3.1 (β) χωρίς αγκύρωση. Για τις περιπτώσεις που υπήρχαν αγκύρια και τα οποία δεν έσπασαν επιλέχθηκε να προσομοιωθεί η συνεισφορά των αγκυρίων κατά το σχήμα 3.1 (α). Η αντοχή σε περίσφιγξη δίνεται απο την σχέση 3.1: όπου (3.1) [ ( ) ] (3.2) και [ ( ) ] (3.3) Όπου Και ( 3.4) ( 3.5) Και ( ) [ ] (3.6) Όπου για την περίπτωση περισφιξης του σχήματος 2.1(α): ( ) (3.7)
16 και του σχήματος 3.1(β): (3.8) Για τις δύο περιπτώσεις του σχήματος 3.1 (α) και 3.1(β) ίσχύει : (3.9) Το συνολικό αξονικό φορτίο που ασκείται είναι: (3.10) Όπου: b το πλάτος της διατομής h το μήκος της διατομής t p r nx ny w jx w jy το πάχος της ενίσχυσης η εφελκυστική αντοχή του CFRP η αντοχή του κυβικού δοκιμίου σκυροδέματος η αντοχή του κονιάματος η τάση διαρροής του χάλυβα το εμβαδόν του διαμήκους οπλισμού το εμβαδόν του προστιθέμενου κονιάματος η ακτίνα καμπύλωσης των γωνιών των δοκιμίων ο αριθμός των διαστημάτων μεταξύ των αγκυρίων στον άξονα χ χ ο αριθμός των διαστημάτων μεταξύ των αγκυρίων στον άξονα ψ ψ το ποσοστό διαμήκους οπλισμού ο συντελεστής ενεργούς περίσφιγξης η καθαρή απόσταση μεταξύ των αγκυρίων στη διεύθυνση χ χ η καθαρή απόσταση μεταξύ των αγκυρίων στη διεύθυνση ψ ψ η αντοχή σε περίσφιγξη που παρέχεται από τα CFRP στον άξονα χ χ η αντοχή σε περίσφιγξη που παρέχεται από τα CFRP στον άξονα ψ ψ η αντοχή του απερίσφικτου σκυροδέματος το συνολικό αξονικό φορτίο που ασκείται στην εκάστοτε διατομή
17 Να σημειωθεί ότι για δοκίμια με μεγάλο λόγο πλευρών που κυμαίνεται στο 4:1 το προσομοίωμα του Tan δε λαμβάνει υπόψιν του το ενδεχόμενο να συμπέσουν οι δύο καμπύλες που δημιουργούνται κατά την μεγάλη πλευρά λόγω περίσφιγξης (overlap). Γενικά προτείνεται η ακτίνα καμπύλωσης να ισούται τουλάχιστον με το μισό της μικρής πλευράς για τέτοιου είδους δοκίμια με μεγάλο λόγο πλευρών. 3.3 MAALEJ ET AL (2003) Το δεύτερο προσομοίωμα που παρουσιάζεται στο παρόν κεφάλαιο είναι το προσομοίωμα του Μ. Maalej et al (2003). Το προσομοίωμα αυτό προσομοιώνει το εμβαδόν της ορθογωνικής διατομής με κυκλική, η ακτίνα της οποίας υπολογίζεται από τον παρακάτω τύπο: Σχήμα 3.2. Μετατροπή ορθογωνικής διατομής σε ισοδύναμη κυκλική Τα πειράματα που εξετάσθηκαν από τον Maalej είχαν διπλή στρώση ενίσχυσης FRP, με τη διαφορά ότι η μία στρώση τοποθετήθηκε με τις ίνες σε γωνία 0 ο και η δεύτερη στρώση σε γωνία 90 ο. Στα δοκίμια που εξετάζονται στην παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή εφαρμόστηκαν δύο στρώσεις CFRP, όπου και οι δύο εφαρμόστηκαν με γωνία 0 ο. Επομένως οι όροι που αφορούν την εφαρμογή των ινών με 90 ο παραλείπονται για εμάς, διότι θεωρούνται μηδενικοί. Επίσης σύμφωνα με το προσομοίωμα αυτό τονίζεται ότι όσο αυξάνεται ο λόγος των πλευρών τόσο αυξάνεται το ενδεχόμενο οι δύο παραβολές που σχηματίζονται να συμπέσουν η μία με την άλλη. Σε περίπτωση που αυτό συμβεί οι δύο
18 παραβολές θα συναντηθούν για πρώτη φορά στο σημείο x=b/2. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε είναι η εξής: Η συμβολή του σκυροδέματος και του χάλυβα είναι: (3.11) (3.12) (3.13) (3.14) (3.15) (3.16) Όπου: (3.17) Η συνολική αξονική δύναμη που ασκείται δίνεται από τον παρακάτω τύπο: (3.18) Όπου: [ ( ) ] (3.19) [ ( ) ] (3.20) (3.21)
19 Και [ ] (3.22) (3.23) (3.24) (3.25) (3.26) (3.27) (3.28) ( ) (3.29) (3.30) (3.31) = * (3.32) Η συμβολή του CFRP υπολογίζεται ως εξής: D= (3.33) Και του κονιάματος: (3.34)
20 Όπου: b h το πλάτος της διατομής το μήκος της διατομής το εμβαδόν της αρχικής διατομής η ανενεργός περισφιγμένη περιοχή της διατομής το πλάτος της διατομής το μέτρο ελαστικότητας εφελκυσμού του CFRP για εφαρμογή του μανδύα στις 0 ο το μέτρο ελαστικότητας εφελκυσμού του CFRP για εφαρμογή του μανδύα στις 90 ο ο αριθμός των στρώσεων CFRP στις 0 ο ο αριθμός των στρώσεων CFRP στις 90 ο η παραμόρφωση του CFRP το πάχος της εκάστοτε στρώσης του CFRP η ισοδύναμη ακτίνα δοκιμίων κυκλικής διατομής η απόσταση περίσφιγξης στη μεγάλη διάσταση του δοκιμίου η απόσταση περίσφιγξης στη μικρή διάσταση του δοκιμίου η εξίσωση της πρώτης παραβολής η εξίσωση της δεύτερης παραβολής ο συντελεστής ενεργούς περίσφιγξης η εγκάρσια τάση περίσφιγξης λόγω CFRP η ενεργός εγκάρσια τάση περίσφιγξης λόγω CFRP Σχήμα 3.3. Ενεργή περιοχή περίσφιγξης σκυροδέματος
21 3.4 TENG (2002) Το τρίτο προσομοίωμα περίσφιγξης που εφαρμόστηκε είναι το προσομοίωμα του Teng et al (2002). (3.35) [( ) ( ) ] [ ] (3.36) (3.37) (3.38) (3.39) Και το συνολικό αξονικό φορτίο δίνεται από τη σχέση: (3.40) Όπου: το εμβαδόν της διατομής ο λόγος της ενεργούς περισφιγμένης περιοχής συντελεστής σχήματος η ισοδύναμη τάση περίσφιγξης η διαγώνιος της εκάστοτε ορθογωνικής διατομής η αντοχή της περισφιγμένης αντοχής η αντοχή της απερίσφικτης διατομής συντελεστής ενεργούς περίσφιγξης το πάχος της περίσφιγξης η τάση αστοχίας του CFRP
22 3.5 HARAJLI (2005) Το τέταρτο και τελευταίο προσομοίωμα που εφαρμόστηκε είναι το προσομοίωμα του Harajli (2005), το οποίο αναφέρεται σε δοκίμια ορθογωνικής διατομής και για μεγάλο λόγο πλευρών. Το προσομοίωμα αυτό εφαρμόστηκε για τα δοκίμια με λόγο πλευρών και 3:1 και 4:1, όμως μόνο για την περίπτωση ενίσχυσης με αγκύρια. Για την περίπτωση ενίσχυσης χωρίς αγκύρια ανταποκρίνονται μόνο τα δοκίμια 3:1 και από τα 4:1 μόνο αυτά με τις αυξημένες πλευρές, των οποίων ο λόγος κυμαίνεται στο 3.16. Αυτό συμβαίνει, όπως εξηγήσαμε και στο προσομοίωμα του Τan, επειδή για τόσο μεγάλο λόγο πλευρών προκύπτουν οι δύο παραβολές να συμπέφτουν (overlap). Σύμφωνα με το προσομοίωμα αυτό, η αντοχή του περισφιγμένου σκυροδέματος είναι: (3.41) (3.42) (3.43) (3.44) (3.45) Όπου για την περίπτωση που έχουμε μόνο συνδετήρες: (3.46) (3.47) (3.48) (3.49) Και για την περίπτωση ενίσχυσης με FRP χωρίς αγκύρια: (3.50) (3.51)
23 (3.52) (3.53) Και για την περίπτωση ενίσχυσης με FRP και αγκύρια: (3.54) (3.55) (3.56) (3.57) H συνολική αξονική δύναμη επομένως είναι: Όπου: (3.58) b h r w jx w jy nx ny το πλάτος της διατομής το μήκος της διατομής η ακτίνα καμπυλότητας των γωνιών των δοκιμίων το ποσοστό διαμήκους οπλισμού του εκάστοτε δοκιμίου η καθαρή απόσταση μεταξύ των αγκυρίων στη διεύθυνση χ χ η καθαρή απόσταση μεταξύ των αγκυρίων στη διεύθυνση ψ ψ συντελεστές ενεργούς περίσφιγξης ο αριθμός των στρώσεων ενίσχυσης το πάχος της εκάστοτε στρώσης CFRP ο αριθμός των διαστημάτων μεταξύ των αγκυρίων στον άξονα χ χ ο αριθμός των διαστημάτων μεταξύ των αγκυρίων στον άξονα ψ ψ το μέτρο ελαστικότητας του CFRP το εγκάρσιο μέτρο ελαστικότητας του CFRP
24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΔΟΚΙΜΙΩΝ 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζονται 24 ορθογωνικά δοκίμια υπό κλίμακα (3/5), τα οποία πληρούν συγκεκριμένες προδιαγραφές σχεδιασμού, ενισχύονται με ειδικό και διαφορετικό τρόπο, καθώς επίσης υποβάλλονται σε μονοαξονική θλίψη. Αρχικά να σημειωθεί ότι υπάρχουν δύο ομάδες διαστάσεων στις οποίες έχουν κατηγοριοποιηθεί τα δοκίμια. Η πρώτη ομάδα αποτελείται από ορθογωνικά δοκίμια με λόγο πλευρών 3:1 και συγκεκριμένα, διαστάσεων 150mm πλάτος, 450mm μήκος και 770mm ύψος. Στη δεύτερη ομάδα ανήκουν ορθογωνικά δοκίμια με λόγο πλευρών 4:1 με διαστάσεις 150mm πλάτος, 600mm μήκος και 770mm ύψος. Κάθε ομάδα αποτελείται από 12 δοκίμια τα οποία ανά δύο μεταξύ τους αποτελούν μια υποκατηγορία. Η εκάστοτε κατηγορία διαφοροποιείται στον τρόπο ενίσχυσης των δοκιμίων με ινοπλισμένα πολυμερή χωρίς και με αγκύρια (βλ. Σχήμα 4.3, 4.6). Παρακάτω θα αναφερθούμε αναλυτικά στην εκάστοτε κατηγορία και στον τρόπο κατασκευής της. Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των δοκιμίων είναι: Σκυρόδεμα C12/15 Χάλυβας διαμέτρου 12mm για τους διαμήκεις οπλισμούς, B500C Χάλυβας διαμέτρου 8mm(νευροχάλυβας) για τους εγκάρσιους οπλισμούς, B500C Στην Α ομάδα (λόγος πλευρών 3:1) χρησιμοποιήθηκαν 6 διαμήκεις οπλισμοί Φ12 και 5 εγκάρσιοι οπλισμοί Φ8/15, ενώ στη Β ομάδα (λόγος πλευρών 4:1), χρησιμοποιήθηκαν 8 διαμήκεις οπλισμοί Φ12 και 5 εγκάρσιοι οπλισμοί Φ8/15. Στα παρακάτω σχήματα 4.1 και 4.2, απεικονίζεται η σχεδίαση της εκάστοτε ομάδας.
25 ΟΜΑΔΑ Α Σχήμα 4.1: Σκαρίφημα δοκιμίων Α ομάδας
26 ΟΜΑΔΑ Β Σχήμα 4.2: Σκαρίφημα δοκιμίου Β ομάδας
27 Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την ενίσχυση είναι: Μανδύες από ίνες άνθρακα FRP Τyfo SCH-41 Ρητίνη Tyfo S Epoxy Αγκύρια από άνθρακα TYFO SCH, διαμέτρου ¼ in και 3/8 in Το κονίαμα που χρησιμοποιήθηκε για την αύξηση του πλάτους της διατομής είναι: Tyfo C-Matrix Το ταχύπηκτο κονίαμα που χρησιμοποιήθηκε για την επιπέδωση πάνω και κάτω των δοκιμίων είναι: Mapegrout Tissotropico Mapei 4.2 ΞΥΛΟΤΥΠΟΣ ΚΑΙ ΣΚΥΡΟΔΕΤΗΣΗ Τα καλούπια των δοκιμίων που χρησιμοποιήθηκαν ήταν ξύλινα και η κατασκευή τους πραγματοποιήθηκε από έμπειρο τεχνικό προσωπικό. Να τονισθεί ότι στις γωνίες τοποθετήθηκαν κοίλες πλαστικές επιφάνειες ακτίνας 2cm που πρόσδιδαν καμπυλότητα στα δοκίμια, προς αποφυγήν της εκεί αστοχίας της ενίσχυσής τους. Επίσης τοποθετήθηκαν και αποστάτες, οι οποίοι κρατούσαν τον οπλισμό μέσα σε κάθε καλούπι σταθερό, έτσι ώστε να μην ακουμπούν ούτε στο κάτω μέρος του καλουπιού ούτε στα πλαινά. Η σκυροδέτηση των 24 δοκιμίων έγινε την ίδια ημέρα, η δόνηση του σκυροδέματος έγινε από έμπειρο προσωπικό και τηρήθηκε η συνθήκη του συνεχούς καταβρέγματος για 28 ημέρες ώστε να λάβουν τα δοκίμια τη μέγιστη αντοχή τους. Κατά τη διάρκεια της σκυροδέτησης λήφθηκαν και πέντε κυβικά δοκίμια 15cm*15cm, το καλούπι των οποίων είναι μεταλλικό. Η συντήρηση των κυβικών δοκιμίων ήταν ακριβώς η ίδια Εικόνα 4.1: Ξυλότυπος με των ορθογωνικών δοκιμίων και πάντοτε σε συνθήκες περιβάλλοντος.
28 Εικόνα 4.2: Τοποθέτηση αποστατών περιμετρικά του οπλισμού Εικόνα 4.3: Τοποθέτηση οπλισμών στους ξυλοτύπους Εικόνα 4.4: Τοποθέτηση πλαστικών κοίλων επιφανειών για καμπύλωση των γωνιών των δοκιμίων Εικόνα 4.5: Λήψη κυβικών δοκιμίων 15*15 cm Εικόνα 4.6: Τοποθέτηση νωπού σκυροδέματος και δόνηση Εικόνα 4.7: Επιπέδωση νωπού σκυροδέματος
29 4.3 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΔΟΚΙΜΙΩΝ ΚΑΤΗΓΟΡΙΑΣ Α Γενικότερα, και στην Α ομάδα οι υποκατηγορίες ανάλογα με τον τρόπο ενίσχυσης είναι οι εξής: 1. 2 δοκίμια ελέγχου (C3) 2. 2 δοκίμια ενισχυμένα με διπλή στρώση CFRP (II3) 3. 2 δοκίμια ενισχυμένα με διπλή στρώση CFRP και μία λωρίδα αγκυρίων TYFO SCH, διαμέτρου ¼ in (1AII3) 4. 2 δοκίμια ενισχυμένα με διπλή στρώση CFRP και δύο λωρίδες αγκυρίων TYFO SCH, διαμέτρου ¼ in (2AII3) 5. 2 δοκίμια ενισχυμένα με διπλή στρώση CFRP και αύξηση του πλάτους κατά 4cm με κονίαμα (MII3) 6. 2 δοκίμια ενισχυμένα με διπλή στρώση CFRP και μία λωρίδα αγκυρίων TYFO SCH, διαμέτρου 3/8 in (1AhII3) Σχήμα 4.3: Τύποι ενίσχυσης δοκιμίων με λόγο πλευρών 3:1
30 Όλα τα δοκίμια επιπεδόθηκαν τόσο στην πάνω όσο και στην κάτω πλευρά τους, διότι έπρεπε να είναι εντελώς επίπεδα για τη σωστή διεκπεραίωση των πειραμάτων. Το πάχος της στρώσης επιπέδωσης κυμαίνεται γύρω στο 0.5cm. Επίσης σε όλα τα δοκίμια που ανοίχτηκαν τρύπες για διαφορετικό σκοπό η κάθε μία, ήταν απαραίτητο το φύσηγμα της σκόνης από αυτές, καθώς αποφεύγεται επίσης η ύπαρξη υγρασίας στα δοκίμια, εφόσον το νερό δε βοηθάει τη ρητίνη να πολυμεριστεί. 4.3.1 Δοκίμια C3 Εικόνα 4.8: Επιπέδωση επιφανειών με ταχύπηκτο κονίαμα Εξωτερικά βάφτηκαν με λευκό χρώμα ώστε να διαγράφουν καλύτερα οι ρωγμές κατά τη διάρκεια του πειράματος. Σε απόσταση 25cm και 55cm από κάτω προς τα πάνω και 27mm κατά μήκος, ανοίχτηκαν τρύπες διαμέτρου 7mm, και στις 2 πλευρές, στις οποίες τοποθετήθηκαν ντίζες διαμέτρου 5mm, πάνω στις οποίες τοποθετήσαμε τα μηκυνσιόμετρα για τη μέτρηση της παραμόρφωσης του δοκιμίου κατά τη διάρκεια της θλίψης. Η τοποθέτηση των ντιζών έγινε με τη χρήση ρητίνης μέσα στις τρύπες. Εικόνα 4.9: Δοκίμιο ελέγχου C3
31 4.3.2 Δοκίμια II3 Όλα τα δοκίμια εκτός των δύο ελέγχου χρειάστηκε να τριφτούν με τροχό, έτσι ώστε να φανούν τα αδρανή και να γίνει η σωστή εφαρμογή της ενίσχυσης. Σε απόσταση 25cm και 55cm από κάτω προς τα πάνω και 27mm κατά μήκος ανοίχτηκαν τρύπες διαμέτρου 7mm, και στις 2 πλευρές, στις οποίες τοποθετήθηκαν ντίζες διαμέτρου 5mm, πάνω στις οποίες τοποθετήσαμε τα μηκυνσιόμετρα για τη μέτρηση της παραμόρφωσης του δοκιμίου κατά τη διάρκεια της θλίψης. Η τοποθέτηση των ντιζών έγινε με τη χρήση ρητίνης μέσα στις τρύπες. Τα υφάσματα που χρησιμοποιήθηκαν είχαν μήκος 252 mm, το οποίο μήκος υπολογίσθηκε ως 2 φορές η περίμετρος του καμπυλομένου δοκιμίου και 20cm ακόμα για την αλληλοεπικάλυψη των υφασμάτων. Η εφαρμογή των υφασμάτων έγινε σύμφωνα με την υγρή μέθοδο, η οποία σε αρχικό στάδιο προϋποθέτει την ανάμιξη του Α και Β συστατικού της ρητίνης βάσει της προδιαγραφόμενης αναλογίας. Συγκεκριμένα αυτή η αναλογία ορίζει Α και Β=1.345*Α. Έπειτα προσθέτουμε τον ρυθμιστή ιξώδους, ανακατεύουμε με ένα μίξερ για περίπου 5 λεπτά, με ταχύτητα 400-600 RPM, ώστε να ομογενοποιηθεί το μίγμα. Εφόσον έχει ετοιμασθεί το μίγμα, σε πρώτη φάση εμποτίζουμε τα υφάσματα με ένα ρολό, καθώς επίσης εμποτίζουμε και το δοκίμιο. Έπειτα προσθέτουμε και το τρίτο συστατικό, τον ρυθμιστή ιξώδους (cabosil), στο υπάρχον μίγμα, έως ότου το τελικό μας μίγμα αποκτήσει μια πυκνή υφή. Με αυτό το μίγμα ξαναπερνάμε το δοκίμιο για να καλυφθούν ενδεχόμενα κενά και στην πορεία εφαρμόζουμε σιγά και σταθερά το προεμποτισμένο ύφασμα. Μετά την εφαρμογή του υφάσματος, με ρολά ξαναπερνάμε το δοκίμιο με ρητίνη.
32 Εικόνα 4.10: Ύφασμα από ίνες άνθρακα, Τyfo SCH-41 Εικόνα 4.11: Ύφασμα που θα τοποθετηθεί στο δοκίμιο Εικόνα 4.12: Παρασκευή ρητίνης-ανάμιξη Α και Β συστατικών Εικόνα 4.13: Εμποτισμός δοκιμίου με ρητίνη χωρίς τον ρυθμιστή ιξώδους Εικόνα 4.14: Εμποτισμός υφασμάτων με ρητίνη χωρίς τον ρυθμιστή ιξώδους Εικόνα 4.15: εμποτισμός δοκιμίου με ρητίνη με τον ρυθμιστή ιξώδους Εικόνα 4.16: Εμποτισμός υφάσματος και δοκιμίου με ρητίνη με ρυθμιστή ιξώδους Εικόνα 4.17: Εφαρμογή υφάσματος στο δοκίμιο
33 4.3.3 Δοκίμια 1AII3 Τα δοκίμια τρίφτηκαν με τροχό, μέχρι να φανούν τα αδρανή. Ανοίχτηκαν διαμπερείς τρύπες διαμέτρου 12mm, 6 σε αριθμό καθ ύψος του δοκιμίου και σε απόσταση 25cm κατά μήκος, διότι στο μέσο του δοκιμίου, στους 22.5cm, βρίσκεται ο διαμήκης οπλισμός, ενώ καθ ύψος σε αποστάσεις όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σε αυτές τις τρύπες θα τοποθετηθούν τα αγκύρια διαμέτρου ¼ in. Σχήμα 4.4: Σκαρίφημα δοκιμίου 1ΑΙΙ3 Έπειτα σε απόσταση 25cm και 55cm από κάτω προς τα πάνω και 27mm κατά μήκος ανοίχτηκαν τρύπες διαμέτρου 7mm, και στις 2 πλευρές, στις οποίες τοποθετήθηκαν ντίζες διαμέτρου 5mm, πάνω στις οποίες τοποθετήσαμε τα μηκυνσιόμετρα για τη μέτρηση της παραμόρφωσης του δοκιμίου κατά τη διάρκεια της θλίψης. Η τοποθέτηση των ντιζών έγινε με τη χρήση ρητίνης μέσα στις τρύπες. Τα υφάσματα που χρησιμοποιήθηκαν είχαν μήκος 252 mm, το οποίο μήκος υπολογίσθηκε ως 2 φορές η περίμετρος του καμπυλομένου δοκιμίου και 20cm ακόμα για την αλληλοεπικάλυψη των υφασμάτων.
34 Η εφαρμογή των υφασμάτων έγινε σύμφωνα με την υγρή μέθοδο, η οποία σε αρχικό στάδιο προϋποθέτει την ανάμειξη του Α και Β συστατικού βάσει της προδιαγραφόμενης αναλογίας. Συγκεκριμένα αυτή η αναλογία ορίζει Α και Β=1.345*Α. Εφόσον έχει ετοιμασθεί το μίγμα, σε πρώτη φάση εμποτίζουμε τα υφάσματά μας με ένα ρολό, τα αγκύρια διαμέτρου ¼ in, καθώς επίσης εμποτίζουμε και το δοκίμιο. Έπειτα προσθέτουμε και το τρίτο συστατικό, τον ρυθμιστή ιξώδους (cabosil), στο υπάρχον μίγμα, έως ότου το τελικό μας μίγμα αποκτήσει μια πυκνή υφή. Με αυτό το μίγμα ξαναπερνάμε το δοκίμιο για να καλυφθούν ενδεχόμενα κενά, γεμίζουμε τις τρύπες όπου θα τοποθετηθούν τα αγκύρια και στην πορεία εφαρμόζουμε σιγά και σταθερά το προεμποτισμένο ύφασμα. Εφόσον έχει τοποθετηθεί το ύφασμα, περνάμε ένα ένα τα αγκύρια (διαμέτρου ¼ in) με ένα σύρμα από τη μία μεριά στην άλλη. Στην πορεία ανοίγουμε τις άκρες των αγκυρίων σα θυσσάνους, των οποίων η ακτίνα είναι περίπου 6 πόντοι, και μετέπειτα τους καλύπτουμε καθ ύψος με μία πρόσθετη λωρίδα διαστάσεων 20mm*78mm. Τέλος, ξαναπερνάμε με ρητίνη όλο το δοκίμιο. Εικόνα 4.19: Μήκος αγκυρίου ¼ in Εικόνα 4.18: Οπές καθ ύψος για την τοποθέτης των αγκυρίων Εικόνα 4.20: Ακτίνα θυσσάνου αγκυρίων με ¼ in. Εικόνα 4.21: Εμποτισμός αγκυρίων στην ρητίνη της α φάσης (Α,Β συστατικό)
35 Εικόνα 4.22: Εμποτισμός δοκιμίου με ρητίνη α φάσης (Α,Β συστατικό) Εικόνα 4.23: Μέσω του σύρματος περνάμε το αγκύριο στις 12mm τρύπες Εικόνα 4.24: Το αγκύριο περνάει από την άλλη πλευρά του δοκιμίου Εικόνα 4.25: Το αγκύριο εισχωρεί Εικόνα 4.26: Περνάει το αγκύριο τόσο ώστε να δημιουργηθούν και στις δύο πλευρές θύσσανοι με ίδια ακτίνα Εικόνα 4.27: Ανοίγει ο θύσσανος και στις δύο πλευρές του δοκιμίου Εικόνα 4.28: Ο θύσσανος απλώνεται πάνω στο δοκίμιο Εικόνα 4.29: Περνούν και τα υπόλοιπα αγκύρια Εικόνα 4.30: Απλώνονται όλοι οι θύσσανοι
36 Εικόνα 4.31: Με το ρολό ξαναπερνάμε με ρητίνη το δοκίμιο Εικόνα 4.32: Εφαρμόζουμε τη λωρίδα πάνω από τους θυσσάνους Εικόνα 4.33: Ξαναπερνάμε ρητίνη με το ρολό πάνω από τη λωρίδα
37 4.3.4 Δοκίμια 2AII3 Τα δοκίμια τρίφτηκαν με τροχό, μέχρι να φανούν τα αδρανή. Ανοίχτηκαν 2 σειρές από διαμπερείς τρύπες διαμέτρου 12mm, 6 σε αριθμό καθ ύψος του δοκιμίου και σε αποστάσεις 15cm και 30cm κατά μήκος. Παρακάτω παρουσιάζεται σκαρίφημα. Σχήμα 4.5: Σκαρίφημα δοκιμίου 2ΑΙΙ3 Έπειτα σε απόσταση 25cm και 55cm από κάτω προς τα πάνω και 27mm κατά μήκος ανοίχτηκαν τρύπες διαμέτρου 7mm, και στις 2 πλευρές, στις οποίες τοποθετήθηκαν ντίζες διαμέτρου 5mm, πάνω στις οποίες τοποθετήσαμε τα μηκυνσιόμετρα για τη μέτρηση της παραμόρφωσης του δοκιμίου κατά τη διάρκεια της θλίψης. Η τοποθέτηση των ντιζών έγινε με τη χρήση ρητίνης μέσα στις τρύπες. Τα υφάσματα που χρησιμοποιήθηκαν είχαν μήκος 252 mm, το οποίο μήκος υπολογίσθηκε ως 2 φορές η περίμετρος του καμπυλομένου δοκιμίου και 20cm ακόμα για την αλληλοεπικάλυψη των υφασμάτων. Η εφαρμογή των υφασμάτων έγινε σύμφωνα με την υγρή μέθοδο, η οποία σε αρχικό στάδιο προϋποθέτει την ανάμιξη του Α και Β συστατικού βάσει της προδιαγραφόμενης αναλογίας. Συγκεκριμένα αυτή η αναλογία ορίζει Α και Β=1.345*Α.
38 Εφόσον έχει ετοιμασθεί το μίγμα, σε πρώτη φάση εμποτίζουμε τα υφάσματά μας με ένα ρολό, τα αγκύρια διαμέτρου ¼ in, καθώς επίσης εμποτίζουμε και το δοκίμιο. Έπειτα προσθέτουμε και το τρίτο συστατικό, τον ρυθμιστή ιξώδους (cabosil), στο υπάρχον μίγμα, ανακατεύουμε με ένα μίξερ για περίπου 5 λεπτά, με ταχύτητα 400-600 RPM, έως ότου το τελικό μας μίγμα αποκτήσει μια πυκνή υφή. Με αυτό το μίγμα ξαναπερνάμε το δοκίμιο για να καλυφθούν ενδεχόμενα κενά, γεμίζουμε τις τρύπες διαμέτρου 12mm στις οποίες θα τοποθετηθούν τα αγκύρια και στην πορεία εφαρμόζουμε σιγά και σταθερά το προεμποτισμένο ύφασμα. Εφόσον έχει τοποθετηθεί το ύφασμα, περνάμε ένα ένα τα αγκύρια (διαμέτρου 1/4in) με ένα σύρμα από τη μία μεριά στην άλλη. Στην πορεία ανοίγουμε τις άκρες των αγκυρίων σα θυσσάνους τους οποίους μετέπειτα καλύπτουμε καθ ύψος με μία πρόσθετη λωρίδα διαστάσεων 20mm*78mm. Αυτό γίνεται και για τις δύο σειρές αγκυρίων σε κάθε πλευρά του δοκιμίου. Η διαδικασία ενίσχυσης είναι ακριβώς η ίδια όπως και για τα δοκίμια 1ΑΙΙ3 που περιγράφεται στην παραγράφο 4.3.3. Εικόνα 4.34: Το δοκίμιο με τις δύο σειρές αγκυρίων και τους θυσσάνους απλωμένους Εικόνα 4.35: Το δοκίμιο με τις δύο λωρίδες που καλύπτουν τους θυσσάνους αγκυρίων των 2 σειρών
39 4.3.5 Δοκίμια ΜII3 Τα δοκίμια αυτά δεν τρίφτηκαν με τροχό, αλλά με τη χρήση ενός ειδικού μηχανήματος τύπου κομπρεσέρ, έγινε εκτράχυνση των 2 μεγάλων πλευρών κάθε δοκιμίου. Η εκτράχυνση αυτή είναι απαραίτητη στην συνεργασία δοκιμίου και του πρόσθετου κονιάματος. Μετά την εκτράχυνση απομακρύναμε τη σκόνη που είχε δημιουργηθεί. Κατασκευάστηκαν ειδικά ξύλινα καλούπια και τοποθετήθηκαν πάνω στο δοκίμιο, έτσι ώστε να αυξηθεί κάθε πλευρά του δοκιμίου κατά 2cm. Οπωσδήποτε μετά την πήξη του πρόσθετου κονιάματος έγινε καμπύλωση των γωνιών του δοκιμίου με ακτίνα 2cm. Όταν και οι 2 αυξημένες πλευρές έκλεισαν 28 ημέρες από την ημέρα της εφαρμογής τους ενισχήθηκαν με την διαδικασία που έχουμε προαναφέρει. Τα υφάσματα που χρησιμοποιήθηκαν είχαν μήκος 272 mm, το οποίο μήκος υπολογίσθηκε ως 2 φορές η περίμετρος του καμπυλομένου δοκιμίου και 20cm ακόμα για την αλληλοεπικάλυψη των υφασμάτων. Η εφαρμογή των υφασμάτων έγινε σύμφωνα με την υγρή μέθοδο, η οποία σε αρχικό στάδιο προϋποθέτει την ανάμιξη του Α και Β συστατικού βάσει της προδιαγραφόμενης αναλογίας. Συγκεκριμένα αυτή η αναλογία ορίζει Α και Β=1.345*Α. Εφόσον έχει ετοιμασθεί το μίγμα, σε πρώτη φάση εμποτίζουμε τα υφάσματά μας με ένα ρολό, καθώς επίσης εμποτίζουμε και το δοκίμιο. Έπειτα προσθέτουμε και το τρίτο συστατικό, τον ρυθμιστή ιξώδους, στο υπάρχον μίγμα, έως ότου το τελικό μας μίγμα αποκτήσει μια πυκνή υφή. Με αυτό το μίγμα ξαναπερνάμε το δοκίμιο για να καλυφθούν ενδεχόμενα κενά και στην πορεία εφαρμόζουμε σιγά και σταθερά το προεμποτισμένο ύφασμα. Έπειτα σε απόσταση 25cm και 55cm από κάτω προς τα πάνω και 27mm κατά μήκος ανοίχτηκαν τρύπες διαμέτρου 7mm, και στις 2 πλευρές, στις οποίες τοποθετήθηκαν ντίζες διαμέτρου 5mm, πάνω στις οποίες τοποθετήσαμε τα μηκυνσιόμετρα για τη μέτρηση της παραμόρφωσης του δοκιμίου κατά τη διάρκεια της θλίψης. Η τοποθέτηση των ντιζών έγινε με τη χρήση ρητίνης μέσα στις τρύπες. Επίσης να τονισθεί ότι λήφθηκαν και 3 ορθογωνικά πρίσματα του πρόσθετου κονιάματος, διαστάσεων 40*40*120 και όλα σε μονάδες mm, τα οποία υποβλήθηκαν μετέπειτα σε εφελκυσμό. Η διαδικασία ενίσχυσης είναι ακριβώς η ίδια όπως και για τα δοκίμια ΙΙ3 (βλ. Παράγραφο 4.3.2)
40 Εικόνα 4.36: Εφαρμογή κονιάματος στη μεγάλη πλευρά για αύξηση 2cm Εικόνα 4.37: Λήψη 3 δειγμάτων του κονιάματος που εφαρμόστηκε στα δοκίμια Εικόνα 4.38: Εφαργογή κονιάματος πάχους 2 cm και στις 2 μεγάλες πλευρές του δοκιμίου 4.3.6 Δοκίμια 1AhII3 Η διαδικασία κατασκευής των δοκιμίων είναι ακριβώς η ίδια με τη διαδικασία για τα δοκίμια 1ΑΙΙ3 (βλ. Παράγραφο 4.3.3). Ο μοναδικός παράγοντας που διαφοροποιείται είναι η διάμετρος των αγκυρίων που χρησιμοποιήθηκαν, η οποία κυμαίνεται σε 3/8 in. Εικόνα 4.39: Μήκος αγκυρίου διαμέτρου 3/8 in (περίπου 37 cm)
41 4.4 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΔΟΚΙΜΙΩΝ ΚΑΤΗΓΟΡΙΑΣ Β Γενικότερα, και στην Β ομάδα οι υποκατηγορίες ανάλογα με τον τρόπο ενίσχυσης είναι οι εξής: 1. 2 δοκίμια ελέγχου (C4) 2. 2 δοκίμια ενισχυμένα με διπλή στρώση FRP (II4) 3. 2 δοκίμια ενισχυμένα με διπλή στρώση FRP και μία λωρίδα αγκυρίων TYFO SCH, διαμέτρου ¼ in (1AII4) 4. 2 δοκίμια ενισχυμένα με διπλή στρώση FRP και δύο λωρίδες αγκυρίων TYFO SCH, διαμέτρου ¼ in (2AII4) 5. 2 δοκίμια ενισχυμένα με διπλή στρώση FRP και επιμήκυνση του πλάτους κατά 4cm (MII4) 6. 2 δοκίμια ενισχυμένα με διπλή στρώση FRP και μία λωρίδα αγκυρίων TYFO SCH, διαμέτρου 3/8 in (1AhII4) Σχήμα 4.6: Τύποι ενίσχυσης δοκιμίων με λόγο πλευρών 4:1
42 Όλα τα δοκίμια επιπεδόθηκαν τόσο στην πάνω όσο και στην κάτω πλευρά τους, διότι έπρεπε να είναι εντελώς επίπεδα για τη σωστή διεκπεραίωση των πειραμάτων. Το πάχος της στρώσης επιπέδωσης κυμαίνεται γύρω στο 0.5cm. Επίσης σε όλα τα δοκίμια που ανοίχτηκαν τρύπες για διαφορετικό σκοπό η κάθε μία, είναι απαραίτητο το φύσηγμα της σκόνης από αυτές ώστε να πολυμεριστεί η ρητίνη, όπως επίσης αποφεύγεται η υγρασία των δοκιμίων, εφόσον το νερό δε βοηθάει τη ρητίνη να πολυμεριστεί. 4.4.1 Δοκίμια C4 Εξωτερικά βάφτηκαν με λευκό χρώμα ώστε να διαγράφουν καλύτερα οι ρωγμές κατά τη διάρκεια του πειράματος. Σε απόσταση 25cm και 55cm από κάτω προς τα πάνω ανοίχτηκαν τρύπες διαμέτρου 7mm, και στις 2 πλευρές, στις οποίες τοποθετήθηκαν ντίζες διαμέτρου 5mm, πάνω στις οποίες τοποθετήσαμε τα μηκυνσιόμετρα για τη μέτρηση της παραμόρφωσης του δοκιμίου κατά τη διάρκεια της θλίψης. Η τοποθέτηση των ντιζών έγινε με τη χρήση ρητίνης μέσα στις τρύπες. 4.4.2 Δοκίμια II4 Όλα τα δοκίμια εκτός των δύο ελέγχου χρειάστηκε να τριφτούν με τροχό, έτσι ώστε να φανούν τα αδρανή και να γίνει η σωστή εφαρμογή της ενίσχυσης. Σε απόσταση 25cm και 55cm από κάτω προς τα πάνω και 30mm κατά μήκος ανοίχτηκαν τρύπες διαμέτρου 7mm, και στις 2 πλευρές, στις οποίες τοποθετήθηκαν ντίζες διαμέτρου 5mm, πάνω στις οποίες τοποθετήσαμε τα μηκυνσιόμετρα για τη μέτρηση της παραμόρφωσης του δοκιμίου κατά τη διάρκεια της θλίψης. Η τοποθέτηση των ντιζών έγινε με τη χρήση ρητίνης μέσα στις τρύπες. Τα υφάσματα που χρησιμοποιήθηκαν είχαν μήκος 313 mm, το οποίο μήκος υπολογίσθηκε ως 2 φορές η περίμετρος του καμπυλομένου δοκιμίου και 20cm ακόμα για την αλληλοεπικάλυψη των υφασμάτων. Η εφαρμογή των υφασμάτων έγινε σύμφωνα με την υγρή μέθοδο, η οποία σε αρχικό στάδιο προϋποθέτει την ανάμιξη του Α και Β συστατικού βάσει της προδιαγραφόμενης αναλογίας. Συγκεκριμένα αυτή η αναλογία ορίζει Α και Β=1.345*Α. Εφόσον έχει ετοιμασθεί το μίγμα, σε πρώτη φάση εμποτίζουμε τα υφάσματα μας με ένα ρολό, καθώς επίσης εμποτίζουμε και το δοκίμιο. Έπειτα προσθέτουμε τον ρυθμιστή ιξώδους, ανακατεύουμε με ένα μίξερ για περίπου 5 λεπτά, με ταχύτητα 400-600 RPM,
43 ώστε να ομογενοποιηθεί το μίγμα. Με αυτό το μίγμα ξαναπερνάμε το δοκίμιο για να καλυφθούν ενδεχόμενα κενά και στην πορεία εφαρμόζουμε σιγά και σταθερά το προεμποτισμένο ύφασμα. Η διαδικασία ενίσχυσης με εποπτικά μέσα είναι η ίδια ακριβώς όπως και στην ενίσχυση των δοκιμίων ΙΙ3 της Α κατηγορίας (βλ. Παράγραφο 4.3.2). Παρακάτω παρουσιάζονται τα δοκίμια ΙΙ4 πριν κ μετά την ενίσχυση. Εικόνα 4.40: Εμποτισμός δοκιμίου Εικόνα 4.41: Ενισχύμένο δοκίμιο με διπλή στρώση FRP
44 4.4.3 Δοκίμια 1AII4 Τα δοκίμια τρίφτηκαν με τροχό, μέχρι να φανούν τα αδρανή. Ανοίχτηκαν διαμπερείς τρύπες διαμέτρου 12mm, 6 σε αριθμό καθ ύψος του δοκιμίου και σε απόσταση 30cm κατά μήκος, ενώ καθ ύψος σε αποστάσεις όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 4.7: Σκαρίφημα δοκιμίου 1ΑΙΙ4 Έπειτα σε απόσταση 25cm και 55cm από κάτω προς τα πάνω και 27mm κατά μήκος ανοίχτηκαν τρύπες διαμέτρου 7mm, και στις 2 πλευρές, στις οποίες τοποθετήθηκαν ντίζες διαμέτρου 5mm, πάνω στις οποίες τοποθετήσαμε τα μηκυνσιόμετρα για τη μέτρηση της παραμόρφωσης του δοκιμίου κατά τη διάρκεια της θλίψης. Η τοποθέτηση των ντιζών έγινε με τη χρήση ρητίνης μέσα στις τρύπες. Τα υφάσματα που χρησιμοποιήθηκαν είχαν μήκος 313 mm, το οποίο μήκος υπολογίσθηκε ως 2 φορές η περίμετρος του καμπυλομένου δοκιμίου και 20cm ακόμα για την αλληλοεπικάλυψη των υφασμάτων. Η εφαρμογή των υφασμάτων έγινε σύμφωνα με την υγρή μέθοδο, η οποία σε αρχικό στάδιο προϋποθέτει την ανάμιξη του Α και Β συστατικού βάσει της
45 προδιαγραφόμενης αναλογίας. Συγκεκριμένα αυτή η αναλογία ορίζει Α και Β=1.345*Α. Εφόσον έχει ετοιμασθεί το μίγμα, σε πρώτη φάση εμποτίζουμε τα υφάσματά μας με ένα ρολό, τα αγκύρια (διαμέτρου ¼ in), καθώς επίσης εμποτίζουμε και το δοκίμιο. Έπειτα προσθέτουμε και το τρίτο συστατικό, τον ρυθμιστή ιξώδους, στο υπάρχον μίγμα, έως ότου το τελικό μας μίγμα αποκτήσει μια πυκνή υφή. Με αυτό το μίγμα ξαναπερνάμε το δοκίμιο για να καλυφθούν ενδεχόμενα κενά, γεμίζουμε τις διαμπερείς τρύπες στις οποίες θα τοποθετηθούν τα αγκύρια και στην πορεία εφαρμόζουμε σιγά και σταθερά το προεμποτισμένο ύφασμα. Εφόσον έχει τοποθετηθεί το ύφασμα, περνάμε ένα ένα τα αγκύρια με ένα σύρμα από τη μία μεριά στην άλλη. Στην πορεία ανοίγουμε τις άκρες των αγκυρίων σα θυσσάνους τους οποίους μετέπειτα καλύπτουμε καθ ύψος με μία πρόσθετη λωρίδα διαστάσεων 20mm*78mm. Τέλος, ξαναπερνάμε το δοκίμιο με ρητίνη. Εικόνα 4.42: Διαμπερείς τρύπες καθ ύψος για τα αγκύρια Εικόνα 4.43: Εμποτισμός δοκιμίου με ρητίνη πρώτης φάσης (Α,Β συστατικά) Εικόνα 4.44: Εμποτισμός δοκιμίου με ρητίνη τελικής φάσης και εφαργογή υφάσματος Εικόνα 4.45: Εφαρμογή υφάσματος με προσοχή ώστε να μην εγκλωβιστεί αέρας Εικόνα 4.46: Σε όλη την επιφάνεια πιέζουμε το ρολό, εμποτίζοντας με ρητίνη ώστε να κολλήσει η δεύτερη στρώση CFRP Εικόνα 4.47: Εφαρμογή του υφάσματος στην άκρη του δοκιμίου ώστε να απέχει μόνο 0.5-1cm από την επιπέδωση
46 Εικόνα 4.48: Εφαρμογή αγκυρίων στις διαμπερείς τρύπες Εικόνα 4.49: Μετά την εισχώρηση του αγκυρίου ανοίγει ο θύσσανος Εικόνα 4.50: Απλώνεται ο θύσσανος πάνω στο CFRP Εικόνα 4.51: Θύσσανοι όλων των αγκυρίων καθ ύψος Εικόνα 4.52: Εμποτισμός με ρητίνη (Β φάσης) ώστε να εφαρμοστεί η επιπρόσθετη λωρίδα Εικόνα 4.53: Εφαρμογή επιπρόσθετης λωρίδας ώστε να καλυφθούν οι θύσσανοι Εικόνα 4.54: Ξαναπερνάμε το δοκίμιο με ρητίνη Β φάσης
47 4.4.4 Δοκίμια 2AII4 Τα δοκίμια τρίφτηκαν με τροχό, μέχρι να φανούν τα αδρανή. Ανοίχτηκαν 2 σειρές από διαμπερείς τρύπες διαμέτρου 12mm, 6 σε αριθμό καθ ύψος του δοκιμίου και σε αποστάσεις 20cm και 40cm κατά μήκος. Παρακάτω παρουσιάζεται σκαρίφημα. Σχήμα 4.8: Σκαρίφημα δοκιμίου 2ΑΙΙ4 Έπειτα σε απόσταση 25cm και 55cm από κάτω προς τα πάνω και 27mm κατά μήκος ανοίχτηκαν τρύπες διαμέτρου 7mm, και στις 2 πλευρές, στις οποίες τοποθετήθηκαν ντίζες διαμέτρου 5mm, πάνω στις οποίες τοποθετήσαμε τα μηκυνσιόμετρα για τη μέτρηση της παραμόρφωσης του δοκιμίου κατά τη διάρκεια της θλίψης. Η τοποθέτηση των ντιζών έγινε με τη χρήση ρητίνης μέσα στις τρύπες. Τα υφάσματα που χρησιμοποιήθηκαν είχαν μήκος 313 mm, το οποίο μήκος υπολογίσθηκε ως 2 φορές η περίμετρος του καμπυλομένου δοκιμίου και 20cm ακόμα για την αλληλοεπικάλυψη των υφασμάτων. Η εφαρμογή των υφασμάτων έγινε σύμφωνα με την υγρή μέθοδο, η οποία σε αρχικό στάδιο προϋποθέτει την ανάμιξη του Α και Β συστατικού βάσει της προδιαγραφόμενης αναλογίας. Συγκεκριμένα αυτή η αναλογία ορίζει Α και Β=1.345*Α.
48 Εφόσον έχει ετοιμασθεί το μίγμα, σε πρώτη φάση εμποτίζουμε τα υφάσματά μας με ένα ρολό, τα αγκύρια (διαμέτρου ¼ in), καθώς επίσης εμποτίζουμε και το δοκίμιο. Έπειτα προσθέτουμε και το τρίτο συστατικό, τον ρυθμιστή ιξώδους, στο υπάρχον μίγμα, έως ότου το τελικό μας μίγμα αποκτήσει μια πυκνή υφή. Με αυτό το μίγμα ξαναπερνάμε το δοκίμιο για να καλυφθούν ενδεχόμενα κενά, γεμίζουμε τις διαμπερείς τρύπες στις οποίες θα τοποθετηθούν τα αγκύρια και στην πορεία εφαρμόζουμε σιγά και σταθερά το προεμποτισμένο ύφασμα. Εφόσον έχει τοποθετηθεί το ύφασμα, περνάμε ένα ένα τα αγκύρια με ένα σύρμα από τη μία μεριά στην άλλη. Στην πορεία ανοίγουμε τις άκρες των αγκυρίων σα θυσσάνους τους οποίους μετέπειτα καλύπτουμε καθ ύψος με μία πρόσθετη λωρίδα διαστάσεων 20mm*78mm. Οι λωρίδες είναι 2 για κάθε πλευρά, όσες είναι και οι σειρές των αγκυρίων. Τέλος, ξαναπερνάμε το δοκίμιο με ρητίνη (βλ. Παράγραφο 4.3.3). 4.4.5 Δοκίμια 2AhII4 Η διαδικασία κατασκευής των δοκιμίων είναι ακριβώς η ίδια με τη διαδικασία για τα δοκίμια 2ΑΙΙ4 (βλ. Παράγραφο 4.4.4). Ο μοναδικός παράγοντας που διαφοροποιείται είναι η διάμετρος των αγκυρίων που χρησιμοποιήθηκαν, η οποία κυμαίνεται σε 3/8 in (βλ. Εικόνα 4.39). 4.4.6 Δοκίμια ΜII4 Τα δοκίμια αυτά δεν τρίφτηκαν με τροχό, αλλά με τη χρήση ενός ειδικού μηχανήματος, που θυμίζει κομπρεσέρ, έγινε εκτράχυνση των 2 μεγάλων πλευρών κάθε δοκιμίου. Η εκτράχυνση αυτή είναι απαραίτητη στην συνεργασία δοκιμίου και του πρόσθετου κονιάματος. Μετά την εκτράχυνση απομακρύναμε τη σκόνη που είχε δημιουργηθεί. Κατασκευάστηκαν ειδικά καλούπια και τοποθετήθηκαν πάνω στο δοκίμιο, έτσι ώστε να αυξηθεί κάθε πλευρά του δοκιμίου κατά 2cm. Οπωσδήποτε μετά την πήξη του πρόσθετου κονιάματος έγινε καμπύλωση των γωνιών του δοκιμίου με ακτίνα 2cm. Όταν και οι 2 αυξημένες πλευρές έκλεισαν 28 ημέρες από την ημέρα της εφαρμογής τους ενισχήθηκαν με την διαδικασία που έχουμε προαναφέρει. Τα υφάσματα που χρησιμοποιήθηκαν είχαν μήκος 332 mm, το οποίο μήκος υπολογίσθηκε ως 2 φορές η περίμετρος του καμπυλομένου δοκιμίου και 20cm ακόμα για την αλληλοεπικάλυψη των υφασμάτων.
49 Η εφαρμογή των υφασμάτων έγινε σύμφωνα με την υγρή μέθοδο, η οποία σε αρχικό στάδιο προϋποθέτει την ανάμιξη του Α και Β συστατικού βάσει της προδιαγραφόμενης αναλογίας. Συγκεκριμένα αυτή η αναλογία ορίζει Α και Β=1.345*Α. Εφόσον έχει ετοιμασθεί το μίγμα, σε πρώτη φάση εμποτίζουμε τα υφάσματά μας με ένα ρολό, καθώς επίσης εμποτίζουμε και το δοκίμιο. Έπειτα προσθέτουμε και το τρίτο συστατικό, τον ρυθμιστή ιξώδους, στο υπάρχον μίγμα, έως ότου το τελικό μας μίγμα αποκτήσει μια πυκνή υφή. Με αυτό το μίγμα ξαναπερνάμε το δοκίμιο για να καλυφθούν ενδεχόμενα κενά και στην πορεία εφαρμόζουμε σιγά και σταθερά το προεμποτισμένο ύφασμα. Έπειτα σε απόσταση 25cm και 55cm από κάτω προς τα πάνω και 30mm κατά μήκος ανοίχτηκαν τρύπες διαμέτρου 7mm, και στις 2 πλευρές, στις οποίες τοποθετήθηκαν ντίζες διαμέτρου 5mm, πάνω στις οποίες τοποθετήσαμε τα μηκυνσιόμετρα για τη μέτρηση της παραμόρφωσης του δοκιμίου κατά τη διάρκεια της θλίψης. Η τοποθέτηση των ντιζών έγινε με τη χρήση ρητίνης μέσα στις τρύπες. Επίσης να τονισθεί ότι λήφθηκαν και 3 ορθογωνικά πρίσματα του πρόσθετου κονιάματος, διαστάσεων 40*40*120 και όλα σε μονάδες mm, τα οποία υποβλήθηκαν μετέπειτα σε εφελκυσμό. Εικόνα 4.55: Ξύλινα καλούπια για την αύξηση κάθε πλευράς κατά 2cm με κονίαμα Εικόνα 4.56: Αύξηση της μεγάλης πλευράς κατά 2cm Εικόνα 4.57: Λήψη 3 δειγμάτων του επιπρόσθετου κονιάματος
50 4.5 ΚΟΥΠΟΝΙΑ CFRP Τέλος υποσημειώνουμε ότι λήφθηκαν και κουπόνια ενίσχυσης για τη μελέτη τους σε εφελκυσμό, τα οποία είναι ακριβώς ίδια με αυτά των ενισχύσεων, δηλαδή διπλή στρώση FRP και με τη διαδικασία εφαρμογής της ρητίνης σε κάθε στάδιο. Εικόνα 4.58: Διπλή στρώση FRP ενισχυμένη με ρητίνη Εικόνα 4.59: Λωρίδες FRP Εικόνα 4.60:Εφαρμογή ρητίνης στα άκρα της μεγάλης λωρίδας Εικόνα 4.61: Εφαρμογή ρητίνης στη μικρή λωρίδα Εικόνα 4.62: Ένωση μικρήςμεγάλης λωρίδας από τη μία πλευρά Εικόνα 4.63: Ένωση μικρήςμεγάλης λωρίδας και από τις δύο πλευρές Εικόνα 4.64: Κουπόνια FRP
51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Όλα τα δοκίμια υπόκειντο σε μονοαξονική θλίψη. Τοποθετήθηκαν στη πειραματική μηχανή θλίψεως δοκιμίων μεγάλης ισχύος του εργαστηρίου Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών. Η πειραματική διαδικασία προϋπέθεται τη χρήση τόσο των 2 κατακόρυφων μηκυνσιομέτρων (LVDT), ένα για κάθε πλευρά, όσο και τη χρήση της Φωτογραμμετρίας. Και οι δύο αυτοί τρόποι υπολογίζουν παραμόρφωση βάσει φορτίου. Η ανάλυση των πειραματικών δεδομένων έγινε στο πρόγραμμα Origin8.0. Η μέγιστη τάση των δοκιμίων υπολογίστηκε ως εξής: (5.1) Όπου: Force η δύναμη που ασκείται στο δοκίμιο το εμβαδόν της καμπυλωμένης διατομής του δοκιμίου Το υπολογίζεται: (5.2) Όπου: το πλάτος του δοκιμίου το μήκος του δοκιμίου r η ακτίνα καμπύλωσης του δοκιμίου (20mm) Και η παραμόρφωση αστοχίας υπολογίζεται σύμφωνα με τον τύπο: (5.3)
52 Όπου: είναι η παραμόρφωση που δίνουν τα μηκυνσιόμετρα η μέση τιμή των αποστάσεων που είναι τοποθετημένα τα μηκυνσιόμετρα 5.2 ΜΗΚΥΝΣΙΟΜΕΤΡΑ Όσον αφορά τα μηκυνσιόμετρα, αυτά τοποθετήθηκαν εξωτερικά των δοκιμίων. Η καταγραφή της παραμόρφωσης προέκυπτε από το μέσο όρο των τιμών των δύο μηκυνσιομέτρων, δηλαδή (α+β)/2. Γι αυτό το λόγο πριν την έναρξη του εκάστοτε πειράματος απαραίτητη προϋπόθεση ήταν ο υπολογισμός των αποστάσεων των ντιζών πάνω και κάτω, ανάμεσα στα οποία βρίσκεται το μηκυνσιόμετρο, στην κάθε πλευρά. Η απόσταση αυτή χρησιμοποιείται στην ανάλυση των δεδομένων από τις μετρήσεις των και των δύο μηκυνσιομέτρων. 5.3 ΦΩΤΟΓΡΑΜΜΕΤΡΙΑ Όσον αφορά τη Φωτογραμμετρία, το πρόγραμμα που χρησιμοποιήσαμε ονομάζεται RTSS( Real Time Strain Sensor). Το πρόγραμμα αυτό λειτουργεί με δύο κάμερες, οι οποίες είναι τοποθετημένες μία μπροστά και μία πίσω του δοκιμίου. Οι κάμερες αυτές είναι υψηλής ανάλυσης και καταγράφουν με συγκεκριμένη συχνότητα την παραμόρφωση του δοκιμίου. Σε κάθε πλευρά του δοκιμίου, λοιπόν, τοποθετούνται 2 αυτοκόλλητα ειδικά σχεδιασμένα ώστε να τα αναγνωρίζουν οι κάμερες και βάσει αυτών να παίρνουν τιμές. Τα αυτοκόλλητα αυτά είναι ασπρόμαυρα, αποτελούνται από μια οριζόντια μαύρη λωρίδα και από μία λευκή. Η ανάλυση γίνεται στο τμήμα ανάμεσα στις ασπρόμαυρες λωρίδες, από αριστερά προς τα δεξιά. Έχοντας τοποθετήσει τα αυτοκόλλητα, μετράμε την απόσταση μεταξύ τους και καλλιμπράρουμε αυτήν την απόσταση σύμφωνα με το πρόγραμμα της Φωτογραμμετρίας. Οι μετατοπίσεις μετρούνται σε mm. Ιδιαίτερη προσοχή χρήζει το γεγονός ότι οι ασπρόμαυρες ταινίες πρέπει να τοποθετούνται κάθετα, όπως βλέπει η κάμερα. Σύμφωνα λοιπόν με τη συσχέτιση των δύο αυτών παραπάνω τρόπων καταλήγουμε στα διαγράμματα τάσεων-παραμορφώσεων των δοκιμίων. Δυστυχώς όμως δεν ήταν εφικτό σε όλα τα δοκίμια να εφαρμοστεί η Φωτογραμμετρία, διότι πολλές φορές δεν
53 έγραφαν οι κάμερες ή ακόμα και όταν έγραφαν τα αποτελέσματα που έδιναν δεν ήταν αξιόπιστα. 5.4 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΤΑΣΕΩΝ-ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΕΩΝ ΔΟΚΙΜΙΩΝ ΚΑΤΗΓΟΡΙΑΣ Α Σχήμα 5.1: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου ελέγχου C3a Στο σχήμα 5.1 βλέπουμε την απόκριση του μη ενισχυμένου δοκιμίου με λόγο πλευρών 3:1. Η αξονική παραμόρφωση είναι πολύ μικρή και βλέπουμε ότι καταλήγει σε γρήγορη αστοχία, το οποίο δικαιολογείται από το γεγονός ότι το δοκίμιο είναι σχεδόν απερίσφικτο λόγω του αραιού εγκάρσιου οπλισμού (Φ8/150 mm). Επίσης εξαιτίας του μεγάλου λόγου πλευρών, στη μεγάλη πλευρά δεν δημιουργούνται αρκετά μεγάλες εγκάρσιες τάσεις περίσφιγξης. Εικόνα 5.1: Δοκίμιο C3a
54 Εικόνα 5.2: Εφαρμογή μηκυνσιομέτρων Εικόνα 5.3: Αστοχία δοκιμίου στη βάση του Εικόνα 5.4: Αποκόλληση σκυροδέματος από τον οπλισμό Εικόνα 5.5: Ο εγκάρσιος οπλισμός παραμένει αμετάβλητος Εικόνα 5.6: Ο διαμήκης οπλισμός παρουσιάζει ελαφρά λυγισμό Παρατηρούμε και από τις εικόνες πως η αστοχία του δοκιμίου συμβαίνει ως επί το πλείστον στις γωνίες και στη μικρή πλευρά καθώς εκεί έχουμε συγκέντρωση τάσεων. Στη μεγάλη πλευρά δεν αναπτύσσονται μεγάλες εγκάρσιες τάσεις λόγω του μεγάλου μήκους της. Επίσης λόγω της ελλιπούς περίσφιγξης παρατηρήθηκε λυγισμός του διαμήκους οπλισμού.
55 Σχήμα 5.2: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου ελέγχου C3b Το δεύτερο δοκίμιο ελέγχου και αυτό με λόγο πλευρών 3:1 παρουσιάζει περίπου τα ίδια χαρακτιριστικά με το πρώτο. Βλέπουμε στο σχήμα 5.2 την μικρή πλαστιμότητα και την απότομη αστοχία αμέσως μετά τη μέγιστη αντοχή. Εικόνα 5.7 : Δοκίμιο C3b
56 Εικόνα 5.8: Αστοχία δοκιμίου στο επάνω μέρος Εικόνα 5.9: Αποκόλληση σκυροδέματος από τον οπλισμό Εικόνα 5.10: Λυγισμός του διαμήκη οπλισμού Εικόνα 5.11: Μεγάλο μήκος λυγισμού του διαμήκη καθ ύψος του δοκιμίου Η αστοχία αυτού του δοκιμίου επήλθε στο πάνω μέρος του. Παρουσιάζει παρόμοια χαρακτηριστικά με το πρώτο δοκίμιο ελέγχου, όπως αστοχία στη μικρή πλευρά και στις γωνίες και λυγισμό του διαμήκους οπλισμού.
57 Σχήμα 5.3: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου ΙΙa Εδώ βλέπουμε την απόκριση του δοκιμίου με λόγο πλευρών 3:1 μετά από ενίσχυση με διπλή στρώση CFRP. Παρατηρούμε την μεγάλη αύξηση της πλαστιμότητας και της αντοχής σε σχέση με τα δοκίμια ελέγχου. Μετά την αρχική πτώση της αντοχής παρατηρούμε πως ενεργοποιείται ο μανδύας. Εικόνα 5.12 : Δοκίμιο II3a
58 Εικόνα 5.13: Τοποθέτηση μηκυνσιομέτρων και στις δύο πλευρές του δοκιμίου Εικόνα 5.14: Αστοχία μανδύα στην κάτω μεριά του δοκιμίου στη γωνία Εικόνα 5.15: Μεγάλο τμήμα του μανδύα αστόχησε Εικόνα 5.16: Αποκόλληση του μανδύα με αδρανή σκυροδέματος Παρατηρούμε ότι η αστοχία του μανδύα επήλθε στο κάτω μέρος του δοκιμίου στη γωνία, γεγονός που προβλέπαμε, λόγω των έντονων τάσεων που αναπτύσσονται εκεί. Η εφαρμογή της ενίσχυσης ήταν σωστή, διότι ο μανδύας που έσπασε παρέσυρε μαζί του και αδρανή του σκυροδέματος. Σαφέστατα έπαιξε σημαντικό ρόλο το μήκος αγκύρωσης των στρώσεων μεταξύ τους (αλληλοεπικάλυψη 20cm). Αυτό μαρτυρά πως η συνεργασία μανδύα-σκυροδέματος ήταν επιτυχής.
59 Σχήμα 5.4: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου ΙΙb Το δεύτερο δοκίμιο με διπλή στρώση CFRP παρουσίασε καλύτερη συμπεριφορά από το πρώτο. Έδωσε μεγαλύτερες τιμές αντοχής και παραμόρφωση αστοχίας. Μετά την αρχική πτώση της αντοχής ενεργοποιείται ο μανδύας. Η τελική πτώση δηλώνει την αστοχία του σκυροδέματος και του μανδύα. Εικόνα 5.17: Δοκίμιο II3b
60 Εικόνα 5.18: Αστοχία μανδύα στην κάτω μεριά του δοκιμίου στη γωνία Εικόνα 5.19: Αποκόλληση μανδύα με αδρανή σκυροδέματος Εδώ παρατηρούμε ότι η αστοχία του μανδύα επήλθε επίσης στο κάτω μέρος του δοκιμίου στη γωνία, εκεί που αναμέναμε να σπάσει, λόγω των μεγάλων τάσεων που αναπτύσσονται εκεί.. Κατά την αστοχία του, ο μανδύας παρέσυρε μαζί του αδρανή σκυροδέματος, γεγονός που δηλώνει την καλή συνεργασία μανδύα-σκυροδέματος. Λόγω των μεγάλων παραμορφώσεων που έφτασε παρατηρούμε ότι το σκυρόδεμα πριν την τελική αστοχία του μανδύα έχει κονιοποιηθεί.
61 θραύση αγκυρίου Σχήμα 5.5: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 1ΑΙΙ3a Εδώ βλέπουμε την απόκριση δοκιμίου με λόγο πλευρών 3:1, μετά από ενίσχυση με διπλή στρώση CFRP και χρήση μίας λωρίδας αγκυρίων διαμέτρου ¼ της ίνστας. Το αγκύριο δεν άντεξε και έσπασε πριν τη θραύση του μανδύα. Η απόκριση του δοκιμίου σε αυτή την περίπτωση είναι παρόμοια με αυτήν της ενίσχυσης χωρίς τη χρήση αγκυρίων, με το μανδύα να αναλαμβάνει πλήρως την περίσφιγξη. Εικόνα 5.20: Δοκίμιο 1AII3a
62 Εικόνα 5.21: Αστοχία μανδύα στο επάνω μέρος του δοκιμίου στη γωνία Εικόνα 5.22: Το αγκύριο έσπασε Εικόνα 5.23: Αποκόλληση μανδύα με αδρανή σκυροδέματος Παρατηρούμε ότι το αγκύριο έσπασε, οπότε δε συνέβαλε στην περίσφιγξη του δοκιμίου. Ο μανδύας κατά την αστοχία του αποκόλλησε και αδρανή σκυροδέματος. Επομένως είχε γίνει σωστή εφαρμογή του μανδύα στο δοκίμιο και άρα η συνεργασία μανδύα-σκυροδέματος ήταν επιτυχής.
63 Σχήμα 5.6: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 1ΑΙΙ3b Εδώ βλέπουμε την απόκριση δοκιμίου με λόγο πλευρών 3:1, ενισχυμένου με διπλή στρώση CFRP και μίας λωρίδας αγκυρίων διαμέτρου 1/4 της ίντσας. Παρατηρούμε ότι η περίσφιγξη ενεργοποιείται μετά από σχετική υποχώρηση της αντοχής του δοκιμίου. Στο συγκεκριμένο δοκίμιο συνεισφέρουν στην περίσφιγξη και ο μανδύας και τα αγκύρια. Η τελική πτώση αντοχής δηλώνει την αστοχία του σκυροδέματος και του μανδύα. Εικόνα 5.24: Δοκίμιο 1AII3b
64 Εικόνα 5.25: Αστοχία μανδύα στο επάνω μέρος του δοκιμίου Εικόνα 5.26: Αστοχία μανδύα στη γωνία Το δοκίμιο αυτό αστόχησε στο μέσον του περίπου στη γωνία, γεγονός αναμενόμενο όπως έχουμε προαναφέρει λόγω της αδυναμίας του μανδύα εκεί να παραλάβει τις μέγιστες τάσεις που αναπτύσσονται. Στην περίσφιγξή του συμβάλλουν και τα αγκύρια και ο μανδύας.
65 Σχήμα 5.7: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 1ΑhΙΙ3a Η ενίσχυση του δοκιμίου με λόγο πλευρών 3:1, με διπλή στώση CFRP και μια λωρίδα αγκύρια με διάμετρο 3/8 της ίνστας έδωσε μεγαλύτερη αντοχή και μικρή αξονική παραμόρφωση. Κανένα αγκύριο δεν έσπασε, ενεργοποιήθηκαν στο σημείο όπου παρατηρείται η πρώτη πτώση του διαγράμματος. Λόγω της περίσφιγξης που παρέχουν δεν έδωσαν μεγάλες τιμές πλαστιμότητας. Η τελική πτώση του διαγράμματος δηλώνει την αστοχία του μανδύα. Εικόνα 5.27: Δοκίμιο 1AhII3a
66 Εικόνα 5.28: Αστοχία μανδύα στο κάτω μέρος του δοκιμίου Εικόνα 5.29: Αστοχία του μανδύα στη γωνία, που αναπτύσσονται οι μέγιστες τάσεις Στο δοκίμιο αυτό συνέβαλαν στην περίσφιγξη και τα αγκύρια διαμέτρου 3/8 in και ο μανδύας παράλληλα, με τελική αστοχία όμως του μανδύα. Το σκυρόδεμα δεν κονιοποιήθηκε και ο μανδύας δεν παρουσίασε έντονα φαινόμενα αστοχίας.
67 Σχήμα 5.8: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 1ΑhΙΙ3b Το δεύτερο δοκίμιο με λόγο πλευρών 3:1, με διπλή στρώση CFRP και μία λωρίδα αγκυρίων διαμέτρου 3/8 της ίντσας παρουσιάζει αρχική απότομη πτώση της αντοχής λόγω μερικής θραύσης του δοκιμίου και μετά σταθερή πτώση λόγω της σταδιακής αστοχίας του μανδύα. Τα αγκύρια παρέχουν σε συνδυασμό με το μανδύα την ενίσχυση του δοκιμίου. Εικόνα 5.30: Δοκίμιο 1AhII3b
68 Εικόνα 5.31: Αποκόλληση επιπρόσθετων λωρίδων αγκυρίων Εικόνα 5.32: Αστοχία μανδύα στην επάνω γωνία του δοκιμίου Εικόνα 5.33: Το αγκύριο δεν έσπασε Στο δοκίμιο αυτό, συμπεραίνουμε και από τις εικόνες ότι οι επιπρόσθετες λωρίδες που καλύπτουν τα αγκύρια αποκολλήθηκαν, χωρίς όμως να σπάσει κανένα από τα αγκύρια. Η αστοχία του μανδύα επήλθε στην άνω γωνία του δοκιμίου, το οποίο ήταν αναμενόμενο.
69 θραύση αγκυρίου Σχήμα 5.9: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 2ΑΙΙ3a Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η ενίσχυση δοκιμίου με λόγο πλευρών 3:1, με διπλή στρώση CFRP και δύο λωρίδες αγκυρίων διαμέτρου ¼ της ίντσας. Παρατηρούμε την αστοχία των αγκυρίων και την ενεργοποίηση της περίσφιγξης του μανδύα. Εικόνα 5.34: Δοκίμιο 2AII3a
70 Εικόνα 5.35: Θραύση αγκυρίου Εικόνα 5.36: Λυγισμός του διαμήκους οπλισμού Στο δοκίμιο αυτό παρατηρούμε την θραύση των αγκυρίων και την έντονη εμφάνιση λυγισμού των διαμήκων ράβδων οπλισμού. Το σκυρόδεμα δεν έχει κονιοποιηθεί και η αστοχία του μανδύα έγινε με αποκόλληση αδρανών σκυροδέματος, που δηλώνει τη σωστή εφαρμογή του.
71 Σχήμα 5.10: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 2ΑΙΙ3b Στο διάγραμμα παρουσιάζεται το δεύτερο δοκίμιο λόγου πλευρών 3:1, ενισχυμένο με διπλή στρώση CFRP και δύο λωρίδες αγκυρίων διαμέτρου ¼ της ίντσας. Στο διάγραμμα μετά την αρχική πτώση της αντοχής, ο μανδύας σε συνδυασμό με τα αγκύρια περισφίγγουν το δοκίμιο αναλαμβάνοντας τις εγκάρσιες τάσεις που αναπτύσσονται μέχρι και της τελικής αστοχίας του μανδύα. Εικόνα 5.37: Δοκίμιο 2AII3b
72 Εικόνα 5.38: Αστοχία μανδύα στο επάνω μέρος του δοκιμίου στη γωνία Εικόνα 5.39: Αποκόλληση μανδύα με αδρανή σκυροδέματος Στο παραπάνω δοκίμιο παρατηρούμε τη συμβολή του μανδύα σε συνδυασμό με τα αγκύρια, στην ενίσχυσή του. Ο μανδύας αστοχεί περίπου στην άνω γωνία του δοκιμίου αποσπώντας και αδρανή σκυροδέματος. Τα αγκύρια συνέβαλαν καθ όλη τη διάρκεια του πειράματος εφόσον δεν πραγματοποιήθηκε θραύση τους.
73 Σχήμα 5.11: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου ΜΙΙ3a Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η απόκριση δοκιμίου με αρχικό λόγο πλευρών 3:1, μετά από ενίσχυση με κονίαμα (2cm στη μεγάλη πλευρά) και διπλή στρώση CFRP. Ο λόγος πλευρών του δοκιμίου είναι πλέον 2.37. Παρατηρούμε την ευνοϊκή επίδραση της μείωσης του λόγου πλευρών και την ομαλή απόκριση μέχρι την αστοχία. Μετά την πρώτη πτώση του διαγράμματος ενεργοποιείται ο μανδύας. Εικόνα 5.40: Δοκίμιο MII3a
74 Εικόνα 5.41: Αστοχία μανδύα στο μέσον του δοκιμίου στη μία πλευρά Εικόνα 5.42: Αστοχία μανδύα στο κάτω μέρος του δοκιμίου στην άλλη πλευρά Εικόνα 5.43: Αποκόλληση μανδύα με αδρανή σκυροδέματος Εικόνα 5.44: Αστοχία μανδύα στη γωνία του δοκιμίου Παρατηρούμε ότι η μείωση του λόγου των πλευρών με χρήση κονιάματος σε 2.37 απο 3:1 αύξησε και τις εγκάρσιες τάσεις κατά τη μεγάλη πλευρά και γι αυτό παρατηρούμε αστοχία του μανδύα και σε αυτή την πλευρά. Η αποκόληση του μανδύα ύστερα από την αστοχία του συμπαρέσυρε και αδρανή σκυροδέματος δηλώνοντας έτσι την σωστή εφαρμογή του μανδύα.
75 Σχήμα 5.12: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων ΜΙΙ3a με αρχική και αυξημένη διατομή Όπου: Stress 1 δηλώνει την τάση της αυξημένης διατομής, δηλαδή για διατομή 45:19 Stress 2 δηλώνει την τάση της αρχικής διατομής, δηλαδή για διατομή 45:15 Στο σχήμα 5.12 απεικονίζονται τα διαγράμματα τάσεων-παραμορφώσεων του δοκιμίου με αρχικό λόγο πλευρών 3:1 μετά από ενίσχυση με κονίαμα (2cm σε κάθε μία από τις μεγάλες πλευρές) και διπλή στρώση CFRP. Το πρώτο διάγραμμα προέκυψε ως η δύναμη αντοχής διαιρεμένη με το εμβαδό της αυξημένης διατομής 45:19 (Stress 1). Το δεύτερο διάγραμμα προέκυψε ως η δύναμη αντοχής του δοκιμίου διαιρεμένη με το εμβαδό της αρχικής διατομής 45:15 (Stress 2), χωρίς να ληφθεί υπόψη η αλλαγή του λόγου πλευρών λόγω της ύπαρξης του κονιάματος.
76 Σχήμα 5.13: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου ΜΙΙ3b Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η απόκριση του δεύτερου δοκιμίου με αρχικό λόγο πλευρών 3:1, μετά από ενίσχυση με κονίαμα (2cm στη μεγάλη πλευρά) και διπλή στρώση CFRP. Ο λόγος πλευρών του δοκιμίου είναι πλέον 2.37. Παρατηρούμε και εδώ την ευνοϊκή επίδραση της μείωσης του λόγου πλευρών και την ομαλή απόκριση μέχρι την αστοχία. Εικόνα 5.45: Δοκίμιο MII3b
77 Εικόνα 5.46: Αστοχία μανδύα στο κάτω μέρος του δοκιμίου στη γωνία της μίας πλευράς Εικόνα 5.47: Αποκόλληση μανδύα με αδρανή σκυροδέματος Εικόνα 5.48: Αστοχία μανδύα στο μέσο του δοκιμίου στην άλλη πλευρά του Παρατηρούμε ότι η αστοχία του μανδύα έγινε στην κάτω γωνία του δοκιμίου αλλά και στο μέσον περίπου της διατομής του, λόγω των έντονων εγκάρσιων τάσεων που αναπτύχθηκαν και στη μεγάλη πλευρά.
78 Σχήμα 5.14: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου ΜΙΙ3b με αρχική και αυξημένη διατομή Όπου: Stress 1 δηλώνει την τάση της αυξημένης διατομής, δηλαδή για διατομή 45:19 Stress 2 δηλώνει την τάση της αρχικής διατομής, δηλαδή για διατομή 45:15 Στο σχήμα 5.14 απεικονίζονται τα διαγράμματα τάσεων-παραμορφώσεων του δεύτερου δοκιμίου με αρχικό λόγο πλευρών 3:1 μετά από ενίσχυση με κονίαμα (2cm σε κάθε μία από τις μεγάλες πλευρές) και διπλή στρώση CFRP. Το πρώτο διάγραμμα προέκυψε ως η δύναμη αντοχής διαιρεμένη με το εμβαδό της αυξημένης διατομής 45:19 (Stress 1). Το δεύτερο διάγραμμα προέκυψε ως η δύναμη αντοχής του δοκιμίου διαιρεμένη με το εμβαδό της αρχικής διατομής 45:15 (Stress 2), χωρίς να ληφθεί υπόψη η αλλαγή του λόγου πλευρών λόγω της ύπαρξης του κονιάματος.
79 Σχήμα 5.15: Συγκριτικό διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης δοκιμίων Α κατηγορίας Σε αυτό το συγκριτικό διάγραμμα παρατηρούμε την ευνοϊκή επίδραση της ενίσχυσης γενικά σε σχέση με το αρχικό δοκίμιο. Βλέπουμε μεγάλη αύξηση αξονικής αντοχής και παραμόρφωσης. Συγκρίνοντας τις διαφορετικές μεθόδους ενίσχυσης μπορούμε να πούμε πως τα δοκίμια που ενισχύθηκαν με επιπλέον χρήση κονιάματος η περίσφιγξη λειτούργησε καλύτερα δίνοντας πέρα από αύξηση αντοχής και μεγάλη παραμόρφωση αστοχίας. Το διάγραμμα του δοκιμίου αυτού είναι βάσει της αρχικής του διατομής, δηλαδή 3:1, για λόγους συγκρίσεως. Τα δοκίμια που ενισχύθηκαν με διπλή στρώση CFRP και αγκύρια διαμέτρου 3/8 της ίντσας έδωσαν την δεύτερη μεγαλύτερη αντοχή αλλά μικρότερη παραμόρφωση αστοχίας. Ακολουθούν τα δοκίμια που ενισχύθηκαν μόνο με διπλή στρώση CFRP, τα οποία παρουσίασαν μικρότερη παραμόρφωση αστοχίας από τα δύο προηγούμενα, αλλά αντοχή όσο και τα δοκίμια που ενισχύθηκαν με διπλή στρώση CFRP και μία λωρίδα αγκυρίων ¼ in, όπως και τα δοκίμια που ενισχύθηκαν με διπλή στρώση CFRP και δύο λωρίδες αγκυρίων ¼ in. Τα δύο τελευταία παρουσίασαν τη μικρότερη παραμόρφωση αστοχίας σε σχέση με τα υπόλοιπα δοκίμια.
80 5.5 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΤΑΣΕΩΝ-ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΕΩΝ ΔΟΚΙΜΙΩΝ ΚΑΤΗΓΟΡΙΑΣ Β Παρακάτω παρουσιάζονται τα διαγράμματα τάσεων-παραμορφώσεων των δοκιμίων της ομάδας Β: Σχήμα 5.16: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου ελέγχου C4a Στο σχήμα 5.16 βλέπουμε την απόκριση του μη ενισχυμένου δοκιμίου με λόγο πλευρών 4:1. Η αξονική πλαστιμότητα είναι πολύ μικρή, σχεδόν μονάδα και βλέπουμε ότι καταλήγει σε γρήγορη αστοχία το οποίο δικαιολογείται από το γεγονός ότι το δοκίμιο είναι σχεδόν απερίσφικτο λόγω του αραιού εγκάρσιου οπλισμού (Φ8/150 mm). Επίσης εξαιτίας του μεγάλου λόγου πλευρών, στη μεγάλη πλευρά δεν δημιουργούνται αρκετά μεγάλες εγκάρσιες τάσεις περίσφιγξης. Εικόνα 5.49: Δοκίμιο C4a
81 Εικόνα 5.50: Αστοχία δοκιμίου στο επάνω μέρος Εικόνα 5.51: Αποκόλληση σκυροδέματος από τον οπλισμό Εικόνα 5.52: Ο διαμήκης οπλισμός δε λύγισε Παρατηρούμε και από τις εικόνες πως η αστοχία του δοκιμίου συμβαίνει ως επί το πλείστον στις γωνίες και στη μικρή πλευρά καθώς εκεί έχουμε συγκέντρωση τάσεων. Στη μεγάλη πλευρά δεν αναπτύσσονται μεγάλες εγκάρσιες τάσεις λόγω του μεγάλου μήκους της. Τέλος παρατηρούμε ότι ο διαμήκης οπλισμός δε λύγισε.
82 Σχήμα 5.17: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου ελέγχου C4b Το δεύτερο δοκίμιο ελέγχου και αυτό με λόγο πλευρών 4:1, παρουσιάζει περίπου τα ίδια χαρακτηριστικά με το πρώτο. Βλέπουμε στο σχήμα 5.17 τη μικρή πλαστιμότητα και την απότομη αστοχία αμέσως μετά τη μέγιστη αντοχή. Εικόνα 5.53: Δοκίμιο C4b
83 Εικόνα 5.54: Αστοχία σκυροδέματος κυρίως στο επάνω τμήμα του δοκιμίου Εικόνα 5.55: Αποκόλληση σκυροδέματος στην επάνω γωνία του δοκιμίου Εικόνα 5.56: Ο διαμήκης οπλισμός δε λύγισε Η αστοχία αυτού του δοκιμίου επήλθε στο πάνω μέρος του. Παρουσιάζει παρόμοια χαρακτηριστικά με το πρώτο δοκίμιο ελέγχου, όπως αστοχία στη μικρή πλευρά και στις γωνίες και χωρίς λυγισμό του διαμήκους οπλισμού.
84 Σχήμα 5.18: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου ΙΙ4a Εδώ βλέπουμε την απόκριση του δοκιμίου με λόγο πλευρών 4:1 μετά από ενίσχυση με διπλή στρώση CFRP. Παρατηρούμε την μεγάλη αύξηση της πλαστιμότητας και της αντοχής σε σχέση με τα δοκίμια ελέγχου. Μετά την αρχική πτώση της αντοχής παρατηρούμε πως ενεργοποιείται ο μανδύας. Εικόνα 5.57: Δοκίμιο II4a
85 Εικόνα 5.58: Αστοχία μανδύα στην επάνω γωνία του δοκιμίου Εικόνα 5.59: Αποκόλληση μανδύα με αδρανή σκυροδέματος Παρατηρούμε ότι η αστοχία του μανδύα επήλθε στο πάνω μέρος του δοκιμίου στη γωνία, γεγονός που προβλέπαμε, λόγω των έντονων τάσεων που αναπτύσσονται εκεί. Η εφαρμογή της ενίσχυσης ήταν σωστή, διότι ο μανδύας που έσπασε παρέσυρε μαζί του και αδρανή του σκυροδέματος. Σαφέστατα έπαιξε σημαντικό ρόλο το μήκος αγκύρωσης των στρώσεων μεταξύ τους (αλληλοεπικάλυψη 20cm). Αυτό μαρτυρά πως η συνεργασία μανδύα-σκυροδέματος ήταν επιτυχής.
86 Σχήμα 5.19: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου ΙΙ4b Το δεύτερο δοκίμιο, και αυτό με λόγο πλευρών 4:1, με διπλή στρώση CFRP παρουσίασε καλύτερη συμπεριφορά από το πρώτο. Έδωσε μεγαλύτερες τιμές αντοχής και παραμόρφωσης αστοχίας. Μετά την αρχική πτώση της αντοχής ενεργοποιείται ο μανδύας. Η τελική πτώση δηλώνει την αστοχία του σκυροδέματος και του μανδύα. Εικόνα 5.60: Δοκίμιο II4b
87 Εικόνα 5.61: Αστοχία μανδύα στη μία πλευρά στο μέσον του δοκιμίου στη γωνία Εικόνα 5.62: Αστοχία μανδύα στην άλλη πλευρά στο μέσον του δοκιμίου στη γωνία Εδώ παρατηρούμε ότι η αστοχία του μανδύα επήλθε στο μέσον περίπου του δοκιμίου στη γωνία, εκεί που αναμέναμε να σπάσει, λόγω των μεγάλων τάσεων που αναπτύσσονται εκεί..
88 Σχήμα 5.20: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 1ΑΙΙ4a Εδώ βλέπουμε την απόκριση δοκιμίου με λόγο πλευρών 4:1, μετά από ενίσχυση με διπλή στρώση CFRP και χρήση μίας λωρίδας αγκυρίων διαμέτρου ¼ της ίνστας. Το αγκύριο άντεξε και δεν έσπασε πριν τη θραύση του μανδύα. Ο μανδύας μαζί με τα αγκύρια αναλαμβάνουν την ενίσχυση του δοκιμίου, αλλά λόγω της μεγαλύτερης περίσφιγξης που προσφέρουν δεν δίνουν μεγάλες παραμορφώσεις αστοχίας. Εικόνα 5.63: Δοκίμιο 1AII4a
89 Εικόνα 5.64: Αστοχία μανδύα στο επάνω μέρος του δοκιμίου στη γωνία Εικόνα 5.65: Έντονη η αστοχία του μανδύα Παρατηρούμε ότι το αγκύριο δεν έσπασε, οπότε συνέβαλε στην περίσφιγξη του δοκιμίου. Ο μανδύας αστόχησε στην άνω γωνία του δοκιμίου με έντονα φαινόμενα της αστοχίας του.
90 Σχήμα 5.21: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 1ΑΙΙ4b Εδώ βλέπουμε την απόκριση δοκιμίου με λόγο πλευρών 4:1, ενισχυμένου με διπλή στρώση CFRP και μίας λωρίδας αγκυρίων διαμέτρου 1/4 της ίντσας. Παρατηρούμε ότι η περίσφιγξη ενεργοποιείται μετά από σχετική υποχώρηση της αντοχής του δοκιμίου. Στο συγκεκριμένο δοκίμιο συνεισφέρουν στην περίσφιγξη και ο μανδύας και τα αγκύρια. Η τελική πτώση αντοχής δηλώνει την αστοχία του σκυροδέματος και του μανδύα. Εικόνα 5.66: Δοκίμιο 1AII4b
91 Εικόνα 5.67: Αστοχία μανδύα στο επάνω μέρος του δοκιμίου στη γωνία Εικόνα 5.68: Έντονη αστοχία μανδύα Εικόνα 5.69: Φούσκωμα μανδύα στο μέσον μερίπου του δοκιμίου στη μεγάλη πλευρά Το δοκίμιο αυτό αστόχησε στην άνω γωνία, γεγονός αναμενόμενο όπως έχουμε προαναφέρει λόγω της αδυναμίας του μανδύα εκεί να παραλάβει τις μέγιστες τάσεις που αναπτύσσονται. Στην περίσφιγξή του συμβάλλουν και τα αγκύρια και ο μανδύας.
92 θραύση αγκυρίου Σχήμα 5.22: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 2ΑΙΙ4a Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η ενίσχυση δοκιμίου με λόγο πλευρών 4:1, με διπλή στρώση CFRP και δύο λωρίδες αγκυρίων διαμέτρου ¼ της ίντσας. Παρατηρούμε την αστοχία των αγκυρίων και την ενεργοποίηση της περίσφιγξης του μανδύα. Εικόνα 5.70: Δοκίμιο 2AII4a
93 Εικόνα 5.72: Αστοχία μανδύα στο επάνω μέρος του δοκιμίου Εικόνα 5.71: Φούσκωμα μανδύα Εικόνα 5.73: Αποκόλληση επιπρόσθετων λωρίδων Εικόνα 5.74: Θράυση αγκυρίου Στο δοκίμιο αυτό παρατηρούμε την θραύση των αγκυρίων. Το σκυρόδεμα δεν έχει κονιοποιηθεί και η αστοχία του μανδύα έγινε με αποκόλληση αδρανών σκυροδέματος, που δηλώνει τη σωστή εφαρμογή του μανδύα. Αποκολλήθηκαν και οι πρόσθετες λωρίδες που κάλυπταν τα αγκύρια, στο σημείο όπου έσπασε το αγκύριο.
94 θραύση αγκυρίου Σχήμα 5.23: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 2ΑΙΙ4b Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η ενίσχυση δοκιμίου με λόγο πλευρών 4:1, με διπλή στρώση CFRP και δύο λωρίδες αγκυρίων διαμέτρου ¼ της ίντσας. Παρατηρούμε την αστοχία των αγκυρίων και την ενεργοποίηση της περίσφιγξης του μανδύα. Εικόνα 5.75: Δοκίμιο 2AII4b
95 Εικόνα 5.76: Αστοχία μανδύα στο κάτω μέρος του δοκιμίου Εικόνα 5.77: Αστοχία στη γωνία του δοκιμίου Εικόνα 5.78: Θραύση θυσσάνου αγκυρίου Εικόνα 5.79: Θραύση αγκυρίου Στο παραπάνω δοκίμιο παρατηρούμε τη συμβολή του μανδύα σε συνδυασμό με τα αγκύρια, στην ενίσχυσή του. Ο μανδύας αστοχεί περίπου στην κάτω γωνία του δοκιμίου αποσπώντας και αδρανή σκυροδέματος. Τα αγκύρια δε συνέβαλαν στη διάρκεια του πειράματος εφόσον πραγματοποιήθηκε θραύση τους.
96 Σχήμα 5.24: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 2ΑhΙΙ4a Η ενίσχυση του δοκιμίου με λόγο πλευρών 4:1, με διπλή στώση CFRP και δύο λωρίδες αγκυρίων με διάμετρο 3/8 της ίνστας έδωσε μεγαλύτερη αντοχή και μικρή αξονική παραμόρφωση. Κανένα αγκύριο δεν έσπασε, ενεργοποιήθηκαν στο σημείο όπου παρατηρείται η πρώτη πτώση του διαγράμματος. Λόγω της περίσφιγξης που παρέχουν δεν έδωσαν μεγάλες τιμές πλαστιμότητας. Η τελική πτώση του διαγράμματος δηλώνει την αστοχία του μανδύα. Εικόνα 5.80: Δοκίμιο 2AhII4a
97 Εικόνα 5.81: Αστοχία μανδύα στη γωνία στο επάνω μέρος του δοκιμίου Εικόνα 5.82: Αποκόλληση επιπρόσθετων λωρίδων αγκυρίων Στο δοκίμιο αυτό συνέβαλαν στην περίσφιγξη και τα αγκύρια διαμέτρου 3/8 in και ο μανδύας παράλληλα, με τελική αστοχία όμως του μανδύα. Το σκυρόδεμα δεν κονιοποιήθηκε και ο μανδύας δεν παρουσίασε έντονα φαινόμενα αστοχίας.
98 Σχήμα 5.25: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου 2ΑhΙΙ4b Το δεύτερο δοκίμιο με λόγο πλευρών 4:1, με διπλή στρώση CFRP και δύο λωρίδες αγκυρίων διαμέτρου 3/8 της ίντσας παρουσιάζει αρχική απότομη πτώση της αντοχής λόγω μερικής θραύσης του δοκιμίου και μετά σταθερή πτώση λόγω της σταδιακής αστοχίας του μανδύα. Τα αγκύρια παρέχουν σε συνδυασμό με το μανδύα την ενίσχυση του δοκιμίου. Εικόνα 5.83: Δοκίμιο 2AhII4b
99 Εικόνα 5.84: Αστοχία μανδύα στο επάνω μέρος του δοκιμίου στη γωνία Εικόνα 5.85: Αποκόλληση επισπρόσθετων λωρίδων αγκυρίων Στο δοκίμιο αυτό, συμπεραίνουμε και από τις εικόνες ότι οι επιπρόσθετες λωρίδες που καλύπτουν τα αγκύρια αποκολλήθηκαν, χωρίς όμως να σπάσει κανένα από τα αγκύρια. Η αστοχία του μανδύα επήλθε στην άνω γωνία του δοκιμίου, το οποίο ήταν αναμενόμενο.
100 Σχήμα 5.26: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου ΜΙΙ4a Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η απόκριση δοκιμίου με αρχικό λόγο πλευρών 4:1, μετά από ενίσχυση με κονίαμα (2cm στη μεγάλη πλευρά) και διπλή στρώση CFRP. Ο λόγος πλευρών του δοκιμίου είναι πλέον 3.16. Παρατηρούμε την ευνοϊκή επίδραση της μείωσης του λόγου πλευρών και την ομαλή απόκριση μέχρι την αστοχία. Μετά την πρώτη πτώση του διαγράμματος ενεργοποιείται ο μανδύας. Εικόνα 5.86: Δοκίμιο MII4a
101 Εικόνα 5.87: Αστοχία μανδύα στη γωνία στο κάτω μέρος του δοκιμίου Εικόνα 5.88: Φούσκωμα μανδύα στο μέσον του δοκιμίου Εικόνα 5.89: Αποκόλληση μανδύα Εικόνα 5.90: Αστοχία μανδύα με αποκόλληση και του κονιάματος Εικόνα 5.91: Αστοχία στη γωνία Παρατηρούμε ότι η μείωση του λόγου των πλευρών με χρήση κονιάματος σε 3.16 απο 4:1 αύξησε και τις εγκάρσιες τάσεις κατά τη μεγάλη πλευρά και γι αυτό παρατηρούμε αστοχία του μανδύα και σε αυτή την πλευρά. Η αποκόληση του μανδύα ύστερα από την αστοχία του συμπαρέσυρε και αδρανή σκυροδέματος δηλώνοντας έτσι τη σωστή εφαρμογή του μανδύα.
102 Σχήμα 5.27: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου ΜΙΙ4a με αρχική και αυξημένη διατομή Όπου: Stress 1 δηλώνει την τάση της αυξημένης διατομής, δηλαδή για διατομή 60:19 Stress 2 δηλώνει την τάση της αρχικής διατομής, δηλαδή για διατομή 60:15 Στο σχήμα 5.27 απεικονίζονται τα διαγράμματα τάσεων-παραμορφώσεων του δοκιμίου με αρχικό λόγο πλευρών 4:1 μετά από ενίσχυση με κονίαμα (2cm σε κάθε μία από τις μεγάλες πλευρές) και διπλή στρώση CFRP. Το πρώτο διάγραμμα προέκυψε ως η δύναμη αντοχής διαιρεμένη με το εμβαδό της αυξημένης διατομής 60:19 (Stress 1). Το δεύτερο διάγραμμα προέκυψε ως η δύναμη αντοχής του δοκιμίου διαιρεμένη με το εμβαδό της αρχικής διατομής 60:15 (Stress 2), χωρίς να ληφθεί υπόψη η αλλαγή του λόγου πλευρών λόγω της ύπαρξης του κονιάματος.
103 Σχήμα 5.28: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου ΜΙΙ4b Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η απόκριση του δεύτερου δοκιμίου με αρχικό λόγο πλευρών 4:1, μετά από ενίσχυση με κονίαμα (2cm στη μεγάλη πλευρά) και διπλή στρώση CFRP. Ο λόγος πλευρών του δοκιμίου είναι πλέον 3.16. Παρατηρούμε και εδώ την ευνοϊκή επίδραση της μείωσης του λόγου πλευρών, την ομαλή απόκριση μέχρι την αστοχία, και τη μικρή παραμόρφωση αστοχίας. Εικόνα 5.92: Δοκίμιο MII4b
104 Εικόνα 5.93: Αστοχία μανδύα στο επάνω μέρος του δοκιμίου Εικόνα 5.94: Φούσκωμα μανδύα στο μέσον στην άλλη πλερά του δοκιμίου Εικόνα 5.95: Αστοχία μανδύα στη γωνία Εδώ παρατηρούμε ότι ο μανδύας αστόχησε στο επάνω μέρος του δοκιμίου με παράλληλη αποκόλληση των δύο στρώσεων CFRP. Λόγω των έντονων εγκάρσιων τάσεων που αναπτύσσονται και στη μεγάλη πλευρά, εξαιτίας της μείωσης του λόγου πλευρών, παρατηρείται φούσκωμα του μανδύα και στη μεγάλη πλευρά του δοκιμίου.
105 Σχήμα 5.29: Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων δοκιμίου ΜΙΙ4b με αρχική και αυξημένη διατομή Όπου: Stress 1 δηλώνει την τάση της αυξημένης διατομής, δηλαδή για διατομή 60:19 Stress 2 δηλώνει την τάση της αρχικής διατομής, δηλαδή για διατομή 60:15 Στο σχήμα 5.29 απεικονίζονται τα διαγράμματα τάσεων-παραμορφώσεων του δεύτερου δοκιμίου με αρχικό λόγο πλευρών 4:1 μετά από ενίσχυση με κονίαμα (2cm σε κάθε μία από τις μεγάλες πλευρές) και διπλή στρώση CFRP. Το πρώτο διάγραμμα προέκυψε ως η δύναμη αντοχής διαιρεμένη με το εμβαδό της αυξημένης διατομής 60:19 (Stress 1). Το δεύτερο διάγραμμα προέκυψε ως η δύναμη αντοχής του δοκιμίου διαιρεμένη με το εμβαδό της αρχικής διατομής 60:15 (Stress 2), χωρίς να ληφθεί υπόψη η αλλαγή του λόγου πλευρών λόγω της ύπαρξης του κονιάματος.
106 Σχήμα 5.30: Συγκριτικό διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης δοκιμίων κατηγορίας Β Στο σχήμα 5.30 παρουσιάζεται συγκριτικά η απόκριση όλων των δοκιμίων με λόγο πλευρών 4:1. Παρατηρούμε καταρχήν την ευνοϊκή επίδραση της περίσφιγξης τόσο στην αύξηση της αντοχής όσο και της πλαστιμότητας. Συγκριτικά οι διάφορες μεθόδοι ενίσχυσης έδωσαν παρόμοια αποτελέσματα με λίγο μεγαλύτερη αντοχή σε αυτά που ενισχύθηκαν με διπλή στρώση CFRP και δύο λωρίδες αγκυρίων διαμέτρου 3/8 της ίντσας και σε αυτά με διπλή στρώση CFRP και χρήση κονιάματος. Το διάγραμμα του δοκιμίου με το μειωμένο λόγο πλευρών προκύπτει βάσει της αρχικής διατομής, δηλαδή 4:1, ώστε να είναι πιο αξιόπιστη η σύγκριση των διαγραμμάτων. Οι παραμορφώσεις αστοχίας προέκυψαν παρόμοιες με λίγο αυξημένες αυτές των δοκιμίων με διπλή στρώση CFRP και κονίαμα και με διπλή στρώση CFRP και δύο λωρίδες αγκύρια διαμέτρου 1/4 της ίντσας.
107 5.6 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Τονίζεται ότι σε όλους τους πίνακες και τα διαγράμματα η τάση των δοκιμίων με κονίαμα που παρουσιάζονται, είναι σύμφωνα με την αρχική διατομή. Επομένως βάσει των παραπάνω διαγραμμάτων καταλήγουμε στον εξής συγκεντρωτικό πίνακα για τα δοκίμια της ομάδας Α: ΔΟΚΙΜΙΑ 3:1 ΜΕΓΙΣΤΟ ΦΟΡΤΙΟ (kn) ΜΕΓΙΣΤΗ ΤΑΣΗ (MPa) ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ ΑΣΤΟΧΙΑΣ % C3a 1198.50 17.85 0.26 C3b 1125.50 16.76 0.27 II3a 1548.50 23.06 1.02 II3b 1603.20 23.87 2.27 1AII3a 1614.90 24.05 0.84 1AII3b 1524.70 22.97 1.46 1AhII3a 1764.30 26.27 1.05 1AhII3b 1846.79 27.50 0.57 2AII3a 1470.50 21.90 1.47 2AII3b 1466.30 21.83 1.70 MII3a 1911.60 28.47 1.38 MII3b 1743.20 25.96 2.15 Πίνακας 5.1: Συγκεντρωτικός πίνακας τάσεων-παραμορφώσεων των δοκιμίων Α κατηγορίας Και για τα δοκίμια ομάδας Β καταλήγουμε στον εξής συγκεντρωτικό πίνακα: ΔΟΚΙΜΙΑ 4:1 ΜΕΓΙΣΤΟ ΦΟΡΤΙΟ (kn) ΜΕΓΙΣΤΗ ΤΑΣΗ (MPa) ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ ΑΣΤΟΧΙΑΣ % C4a 1403.80 15.66 0.37 C4b 1604.40 17.90 0.54 II4a 1877.70 20.96 1.00 II4b 1939.30 21.63 1.24 1AII4a 1987.50 22.17 1.14 1AII4b 1899.90 21.19 1.25 2AII4a 1901.40 21.22 1.10 2AII4b 1823.70 20.34 0.82 2AhII4a 2118.80 23.63 0.76 2AhII4b 2259.30 25.20 0.68 MII4a 2103.50 23.46 1.31 MII4b 2092.70 23.34 0.82 Πίνακας 5.2: Συγκεντρωτικός πίνακας τάσεων-παραμορφώσεων των δοκιμίων Β κατηγορίας
108 Και οι παρακάτω πίνακες παρουσιάζουν τους μέσους όρους της εκάστοτε υποκατηγορίας για κάθε κατηγορία. Για την κατηγορία Α έχουμε: ΔΟΚΙΜΙΑ 3:1 ΜΕΓΙΣΤΟ ΦΟΡΤΙΟ (kn) ΜΕΓΙΣΤΗ ΤΑΣΗ (MPa) ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ ΑΣΤΟΧΙΑΣ % C3 1162.00 17.31 0.27 II3 1575.85 23.47 1.65 1AII3 1578.80 23.51 1.15 1AhII3 1805.55 26.89 0.81 2AII3 1468.40 21.87 1.59 MII3 1827.40 27.22 1.77 Πίνακας 5.3: Συγκεντρωτικός πίνακας μέσων όρων τάσεων-παραμορφώσεων των δοκιμίων Α κατηγορίας Για την κατηγορία Β έχουμε: ΔΟΚΙΜΙΑ 4:1 ΜΕΓΙΣΤΟ ΦΟΡΤΙΟ (kn) ΜΕΓΙΣΤΗ ΤΑΣΗ (MPa) ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ ΑΣΤΟΧΙΑΣ % C4 1504.10 16.78 0.46 II4 1908.50 21.30 1.12 1AII4 1943.70 21.68 1.20 2AII4 1862.55 20.78 0.96 2AhII4 2189.05 24.42 0.72 MII4 2098.10 23.40 1.07 Πίνακας 5.4: Συγκεντρωτικός πίνακας μέσων όρων τάσεων-παραμορφώσεων των δοκιμίων Β κατηγορίας
ΤΑΣΗ (MPa) 109 ΤΑΣΕΙΣ ΑΣΤΟΧΙΑΣ 30 25 20 15 10 5 0 C II 1AII 2AII MII ΔΟΚΙΜΙΑ 3:1 17.31 23.47 23.51 21.87 27.22 ΔΟΚΙΜΙΑ 4:1 16.78 21.3 21.68 20.78 23.4 Σχήμα 5.31: Σύγκριση τάσεων αστοχίας των δοκιμίων Α,Β κατηγορίας Σύμφωνα με το παραπάνω διάγραμμα διαπιστώνουμε ότι τα δοκίμια με λόγο πλευρών 3:1 προσδίδουν περισσότερη αντοχή, σε σχέση με τα δοκίμια με λόγο πλευρών 4:1. Αυτό είναι και αναμενόμενο, διότι όσο μικρότερος είναι ο λόγος πλευρών τόσο μεγαλύτερη είναι η περίσφιγξη. Γενικότερα σε δοκίμια με μεγάλο λόγο πλευρών οι καμπύλες περίσφιγξης τείνουν να συμπέφτουν η μία πάνω στην άλλη με αποτέλεσμα η περισφιγμένη περιοχή να περιορίζεται αισθητά. Αυτό φαίνεται ξεκάθαρα και στα δοκίμια με πρόσθετο κονίαμα, στα οποία η περίσφιγξη έδωσε μεγαλύτερη αντοχή λόγω της μείωσης των πλευρών των δοκιμίων (για ομάδα Α είναι 2.37 και για ομάδα Β 3.16). 5.7 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΟΚΙΜΗ ΚΥΒΙΚΩΝ ΔΟΚΙΜΙΩΝ Η τάση του κυβικού δοκιμίου προκύπτει από τη σχέση: (5.4) Όπου: το αφονικό φορτίο που ασκείται στο κυβικό δοκίμιο το πλάτος του δοκιμίου
110 Από τα τρία κυβικά δοκίμια σκυροδέματος C12/15 που υποβλήθηκαν σε θλίψη, λήφθηκαν τα εξής δεδομένα: Μήτρες Σκυροδέματος Ηλικία μήτρας (ημέρες) Φορτίο Αστοχίας (kn) Αντοχή Σκυροδέματος (ΜPa) 1 96 428 19 2 113 480 21.33 3 159 501.60 22.30 Μέση αντοχή σκυροδέματος (ΜPa) 20.88 Πίνακας 5.5: Μέση τιμή αντοχής σκυροδέματος 5.8 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΟΚΙΜΗ ΚΟΥΠΟΝΙΩΝ CFRP Έπειτα τα δείγματα του εμποτισμένου υφάσματος CFRP δοκιμάστηκαν σε εφελκυσμό στην μηχανή πειραμάτων θλίψης του εργαστηρίου. Για να υπολογιστεί το μέτρο Ελαστικότητας του CFRP, υπολογίστηκαν πρώτα τα διαγράμματά τους Τάσεων- Παραμορφώσεων ώστε να βρούμε από τον ελαστικό κλάδο την τιμή του μέτρου Ελαστικότητας. Ο υπολογισμός των τάσεων γίνεται σύμφωνα με το ονομαστικό πάχος των δειγμάτων (. Έτσι, λοιπόν, η τάση για το κάθε δείγμα δίνεται από τη σχέση: (5.5) Όπου: η εφελκυστική δύναμη που ασκείται στο εκάστοτε κουπόνι (KN) το πάχος του εκάστοτε δείγματος FRP το πλάτος του εκάστοτε δείγματος FRP (βλ. Πίνακα 5.6) H παραμόρφωση (Strain σε m) των δειγμάτων μετράται από την πειραματική μηχανή θλίψης μεγάλης ισχύος του εργαστηρίου. Έχοντας υπολογίσει τάση και παραμόρφωση για κάθε δείγμα, κατασκευάζεται το αντίστοιχο διάγραμμά του, από το οποίο μέσω της κλίσης του υπολογίζεται και το μέτρο ελαστικότητας (σε GPa) του καθενός (βλ. Πίνακα 5.6).
111 Δηλαδή το μέτρο ελαστικότητας (Ε) για το καθένα υπολογίζεται ως εξής: (5.6) Όπου:, ) οι συντεταγμένες ενός τυχαίου σημείου πάνω στο διάγραμμα Stress-Strain, οι συντεταγμένες ενός δεύτερου τυχαίου σημείου πάνω στο διάγραμμα Stress- Strain Συνοψίζοντας από τα 5 κουπόνια λήφθηκαν τα παρακάτω δεδομένα: Κουπόνια FRP Ονομαστικό Πάχος (mm) Πλάτος (mm) Μέτρο Ελαστικότητας (GPa) 1 2 30 98.73 2 2 31 91.11 3 2 31 107.49 4 2 30 89.69 5 2 33 81.40 Πίνακας 5.6: Στοιχεία κουπονιών CFRP ( TYFO SCH-41-2X) Από τον πίνακα 5.6 προκύπτει και ο μέσος όρος του μέτρου ελαστικότητας των δειγμάτων του CFRP: Τυπική Συντελεστής Μέση τιμή (GPa) απόκλιση μεταβλητότητας 93.68 9.87 0.11 Πίνακας 5.7: Μέτρο ελαστικότητας μανδύα CFRP (TYFO SCH-41-2X)
112 Συγκρίνοντας τις τιμές που προέκυψαν από τις πειραματικές δοκιμές καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι οι προδιαγραφές σχεδιασμού του υφάσματος Tyfo SCH-41-2X καλύπτονται στο έπακρο, εφόσον όπως μας δείχνει και ο παρακάτω πίνακας η τιμή σχεδιασμού του υφάσματος σε εφελκυσμό είναι 82 GPa. Εικόνα 5.96: Τοποθέτηση κουπονιού CFRP στο μηχανή εφελκυσμού Εικόνα 5.97: Πάχος κουπονιού Εικόνα 5.98: Αστοχία κουπονιού Εικόνα 5.99: Αστοχία κουπονιού Εικόνα 5.100: Αστοχία κουπονιού Εικόνα 5.101: Αστοχία κουπονιού
113 Εικόνα 5.102: Πίνακας χαρακτηριστικών του μανδύα CFRP (TYFO SCH-41-2X) 5.9 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΟΚΙΜΗ ΔΕΙΓΜΑΤΩΝ ΚΟΝΙΑΜΑΤΟΣ Επίσης όσον αφορά τα 6 δείγματα που λήφθηκαν κατά την παρασκευή του κονιάματος διαστάσεων 40(mm)*40(mm)*120(mm) για την αύξηση των πλευρών των δοκιμίων, αρχικά υπολογίστηκε η εφελκυστική τάση αντοχής του κάθε δείγματος και αφού έσπασαν (στη μέση περίπου), τα επιμέρους τμήματα εξετάσθηκαν σε θλίψη επίσης στην μηχανή θλίψης μεγάλης ισχύος του εργαστηρίου. Από τις δοκιμές λήφθηκαν τα εξής δεδομένα: Πρίσμα Κονιάματος Τάση εφελκυσμού (MPa) Μέση τιμή τάσης εφελκυσμού (MPa) Θλιπτική τάση (MPa) Δείγμα a Δείγμα b 1 6.44 18 24 2 6.13 6.23 20 21 3 6.11 19 18 4 5.66 16 18 5 5.69 5.55 17 18 6 5.31 17 18 Μέση τιμή θλιπτικής τάσης (MPa) 20 17 Πίνακας 5.8: Πίνακας τιμών πρισμάτων του κονιάματος (TYFO C-Matrix)
114 Η τάση αντοχής σε εφελκυσμό και θλίψη των πρισμάτων υπολογίστηκε ως εξής Η ροπή στο μέσον του δείγματος είναι: (5.7) Η ροπή αδράνειας είναι ίση με: (5.8) Η μέγιστη εφελκιστική τάση προκύπτει στo μέσο του δείγματος σε απόσταση κέντρο βάρους (όπου έχουμε και την μέγιστη ροπή) και είναι ίση με: από το ( ) (5.9) Και αντικαθιστώντας την 1 και 2 στη 3 προκύπτει: (5.10) Για την μέγιστη θλιπτική τάση προκύπτει ο ίδιος τύπος λόγο συμμετρίας: (5.11) Όπου: F η δύναμη που ασκείται από το έμβολο η απόσταση μεταξύ των δύο αρθρώσεων (100mm) το πλάτος του πρίσματος το ύψος του πρίσματος
115 Εικόνα 5.103: Δοκιμή κονιάματος σε φελκυσμό Εικόνα 5.104: Δείγματα που υπέστησαν δοκιμή σε εφελκυσμό Εικόνα 5.105: Δοκιμή σε θλίψη Εικόνα 5.106: Δείγμα που υπέστη δοκιμή σε θλίψη Η παρακάτω εικόνα παρουσιάζει τα χαρακτηριστικά του κονιάματος : Εικόνα 5.107: Πίνακας χαρακτηριστικών του κονιάματος (TYFO C-Matrix)