16 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Σκυροδέματος Κύπρος, 21-23 Οκτωβρίου 09 Άρθρο 0110 Πειραματική Μελέτη Συμπεριφοράς Συμβατικά Οπλισμένων Δοκών Σκυροδέματος Ενισχυμένων με Μανδύες Ινοπλισμένου Τσιμεντοκονιάματος Experimental Study of the Behavior of R/C Beams Strengthened with Cast in-place Fiber-Reinforced Jackets Θεοχάρης ΠΑΠΑΘΕΟΧΑΡΗΣ 1, Φίλιππος Κ. ΠΕΡΔΙΚΑΡΗΣ 2 Λέξεις κλειδιά: δοκός, ενίσχυση, ινοπλισμένο τσιμεντοκονίαμα, μανδύας, στατική ανακυκλιζόμενη φόρτιση, στατική μονοτονική φόρτιση ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Σκοπός της εργασίας είναι η πειραματική διερεύνηση της συμπεριφοράς σε στατική μονοτονική και ανακυκλιζόμενη κάμψη συμβατικά οπλισμένων δοκών Ο/Σ ενισχυμένων με σχετικά μικρού πάχους μανδύα από ινοπλισμένο τσιμεντοκονίαμα. Το ινοπλισμένο τσιμεντοκονίαμα είναι υψηλής αντοχής με μέση θλιπτική αντοχή κύβου και εφελκυστική αντοχή σε διάρρηξη περίπου 82 και 8 ΜPa, αντίστοιχα, με ίνες χάλυβα 0,8% κ.ό. και l/d=71. Τα δοκίμια περιλαμβάνουν συμβατικά οπλισμένες δοκούς (RC) διατομής 15x cm (b x h) και ανοίγματος 1 cm ενισχυμένες με μανδύα ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος (CFRT) πάχους 3.5 cm σε όλη την περίμετρο της δοκού. Η μέτρηση του βέλους κάμψης έγινε με μηκυνσιόμετρα αναρτημένα με ειδικό σύστημα στήριξης ανεξάρτητο από το πλαίσιο φόρτισης. Οι δοκιμές έγιναν επιβάλλοντας καθορισμένη παραμόρφωση (μέγιστο βέλος κάμψης) για 2 κύκλους φόρτισης με έλεγχο της μετακίνησης του εμβόλου επιβολής φορτίου. ABSTRACT: The objective of this research work is the experimental study of the static monotonic and fully reversing bending response of R/C beams strengthened with relatively thin cast in-place fiber-reinforced jackets. A relatively high-strength fiberreinforced cement mortar mix (hooked-end steel fiber of volumetric content 0.8% and aspect ratio l/d=71) with an average compressive and splitting tensile strength of 82 και 8 ΜPa, respectively was used for the jacket. The conventionally reinforced beam specimens with a cross-section of 15 x cm (b x h) and span 1 cm were strengthened with a 3.5 cm-thick cast in-place fiber-reinforced cement mortar jacket (CFRT). The beam midspan deflection was measured with DCDT sensors placed on an independent support system. The static monotonic and cyclic 3- and 4-point bending tests were performed under displacement-control (max. midspan deflection) for two cycles. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα των δοκιμών δέκα-έξι (16) δοκών συμβατικού Ο/Σ και ενισχυμένων δοκών με ινοπλισμένο τσιμεντοκονίαμα σε στατική μονοτονική και ανακυκλιζόμενη φόρτιση κάμψης 3 ή 4 σημείων (Πίνακας 1), που αποτελεί μέρος ερευνητικού προγράμματος για την πειραματική μελέτη της συμπεριφοράς συνολικά είκοσι-πέντε (25) δοκών. Οι 1 Υποψήφιος Διδάκτωρ, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας, email: th _papath@yahoo.gr 2 Καθηγητής, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας, email: filperd@uth.gr
Mέγιmmάμψηςοςκβέλστο-32-2±μ-8+8ετακίννηταρμετακίνηθετικήσήηκπαρμοπςττικαήπράονπωή±16±12±8±4ημππροτικςήκπάήτω+16+24+32((ηικσκαταρο))16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23// 09, Πάφος, Κύπρος δοκιμές κάμψης όπως και δοκιμές θλίψης και έμμεσου εφελκυσμού σε κυβικά και κυλινδρικά δοκίμια του συμβατικού σκυροδέματος και ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Τεχνολογίας και Κατασκευών Οπλισμένου Σκυροδέματος στο Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας. Πίνακας 1. Πρόγραμμα δοκιμών κάμψης δοκών Ο/Σ (RC) και ενισχυμένων με μανδύα ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος (CFRT). κωδικός RC CFRT οπλισμός συμβατικός οπλισμός (διαμήκεις ράβδοι, συνδετήρες) μανδύας ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος με διαμήκεις ράβδους ή μεταλλικό πλέγμα σε δοκούς Ο/Σ μανδύας ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος με διαμήκεις ράβδους ή μεταλλικό πλέγμα σε δοκούς Ο/Σ χωρίς συνδετήρες αριθμός δοκιμίων 3 3 2 4 2 2 είδος φόρτισης στατική μονοτονική φόρτιση κάμψης 3 και 4 σημείων στατική πλήρως ανακυκλιζόμενη φόρτιση κάμψης 4 σημείων στατική μονοτονική φόρτιση κάμψης 4 σημείων στατική πλήρως ανακυκλιζόμενη φόρτιση κάμψης 4 σημείων στατική μονοτονική φόρτιση κάμψης 4 σημείων στατική πλήρως ανακυκλιζόμενη φόρτιση κάμψης 4 σημείων Οι δοκιμές σε στατική πλήρως ανακυκλιζόμενη φόρτιση κάμψης 3 ή 4 σημείων (0 +δ 0 -δ 0) πραγματοποιήθηκαν με επιβολή 2 κύκλων φόρτισης καθορισμένου μέγιστου βέλους κάμψης της δοκού με βάση το ιστορικό φόρτισης του Σχήματος 1 με αυξανόμενη κάθε φορά επιβαλλόμενη παραμόρφωση κατά ±4 mm. 0)(4-16Σχήμα 1: Ιστορικό φόρτισης για τη στατική πλήρως ανακυκλιζόμενη φόρτιση κάμψης (2 κύκλοι φόρτισης στην εκάστοτε επιβαλλόμενη παραμόρφωση). ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΔΟΚΙΜΙΩΝ Σκυροδετήθηκαν έξι (6) δοκοί (μήκoς x πλάτος x ύψος =180x15x cm) με συμβατικά Ο/Σ (RC) (Σχήμα 2) με διαμήκη οπλισμό 3Φ πάνω και κάτω, εγκάρσιο οπλισμό κατακόρυφων συνδετήρων Φ8/ και περιμετρική επικάλυψη σκυροδέματος 3,0 cm. Επίσης, δέκα () παρόμοιοι δοκοί ενισχύθηκαν με μανδύα από ινοπλισμένο - 2 -
τσιμεντοκονίαμα πάχους 3,5 cm (CFRT). Μετά από 28 ημέρες συντήρησης των συμβατικά οπλισμένων δοκών τοποθετήθηκε περιμετρικά ο οπλισμός της ενίσχυσης του μανδύα (διαμήκεις ράβδοι 2Φ πάνω/κάτω με συνδετήρες Φ8/ ή μεταλλικό πλέγμα Τ131) και σκυροδετήθηκε ο μανδύας του ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος (βλέπε Σχήματα 3α και 3β). Κατά τη σκυροδέτηση των δοκών ελήφθησαν δοκίμια για τον έλεγχο της θλιπτικής και εφελκυστικής αντοχής του συμβατικού σκυροδέματος και του ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος. Τα κυλινδρικά (διάμετρος x ύψος=15x cm) και κυβικά (15x15x15 cm) δοκίμια παρασκευάστηκαν και συντηρήθηκαν για 28 ημέρες σε θάλαμο συντήρησης μαζί με τις δοκούς σε χώρο της ΕΒΕΤΑΜ. Σχήμα 2: Ονομαστικές διαστάσεις διατομής δοκών συμβατικά Ο/Σ. (α) (β) Σχήμα 3: Ονομαστικές διαστάσεις διατομής δοκών συμβατικά Ο/Σ ενισχυμένων με μανδύα ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος οπλισμένου με: (α) διαμήκεις ράβδους (4 ) και συνδετήρες (Σ 8/), (β) πλέγμα χάλυβα Τ131. ΥΛΙΚΑ Ο διαμήκης και εγκάρσιος οπλισμός των συμβατικά οπλισμένων δοκών (RC) και των ενισχυμένων δοκών με μανδύα (CFRT) είναι ποιότητας S0. Για την παρασκευή του μίγματος του ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος χρησιμοποιήθηκαν λείες χαλύβδινες ίνες κυκλικής διατομής με κεκαμμένα άκρα σε ογκομετρικό ποσοστό V f =0,8% (63,1 gr/lt). Η μέση εφελκυστική αντοχή των ινών είναι τουλάχιστον MPa, το ονομαστικό μήκος 28,4 mm, η διάμετρος 0,4 mm και ο λόγος μήκος/διάμετρο, l/d=71. Οι τιμές της μέσης θλιπτικής αντοχής κύβου και κυλίνδρου για το συμβατικό σκυρόδεμα (C cub,c και C cyl,c ) και το ινοπλισμένο τσιμεντοκονίαμα (FRC cub,c και FRC cyl,c ) καθώς και η - 3 -
μέση εφελκυστική αντοχή διάρρηξης C cyl,t και FRC cyl,t, αντίστοιχα, περιλαμβάνονται στον Πίνακα 2. Πίνακας 2. Μέση θλιπτική και έμμεση εφελκυστική (διάρρηξη) αντοχή συμβατικού σκυροδέματος και ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος. δοκίμια - κωδικός μίγμα είδος δοκιμής κυβικά - C cub,c κυλινδρικά - C cyl,c κυβικά - FRC cub,c κυλινδρικά - FRC cyl,c κυλινδρικά - C cyl,t κυλινδρικά - FRC cyl,t συμβατικό σκυρόδεμα συμβατικό σκυρόδεμα ινοπλισμένο τσιμεντοκονίαμα ινοπλισμένο τσιμεντοκονίαμα συμβατικό σκυρόδεμα ινοπλισμένο τσιμεντοκονίαμα μονοαξονική θλίψη μονοαξονική θλίψη μονοαξονική θλίψη μονοαξονική θλίψη έμμεσος εφελκυσμός έμμεσος εφελκυσμός αριθμός δοκιμίων μέση θλιπτική, f cm ή εφελκυστική αντοχή, f ctm (MPa) 32,08 5 28,12 34 82,26 5 73,14 5 2,58 9 8,06 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Οι δοκιμές κάμψης των δοκών πραγματοποιήθηκαν με σερβοϋδραυλικό σύστημα MTS ±2 kn σε ειδικά διαμορφωμένο μεταλλικό πλαίσιο αντίδρασης στο Εργαστήριο Τεχνολογίας και Κατασκευών Οπλισμένου Σκυροδέματος. Για τις δοκιμές μονοαξονικής θλιπτικής και έμμεσης εφελκυστικής αντοχής του συμβατικού και ινοπλισμένου σκυροδέματος χρησιμοποιήθηκε πρέσα μονοαξονικής θλίψης DMG 00 kn. Για την καταγραφή του βέλους κάμψης στο μέσο του ανοίγματος των δοκών χρησιμοποιήθηκαν δύο (2) μηκυνσιόμετρα (DCDT) ένα σε κάθε πλευρά της δοκού (Α, Β) καταγράφοντας τη σχετική μετακίνηση του μέσου του ανοίγματος σε σχέση με το μέσον του ύψους της διατομής στις στηρίξεις (βλέπε Σχήμα 4). Τα μηκυνσιόμετρα αναρτήθηκαν σε ειδικό σύστημα ράβδων αλουμινίου που εδράζονται μέσω άρθρωσης-κύλισης σε μεταλλικές ράβδους Φ8 πακτωμένες στο μέσο του ύψους των στηρίξεων της δοκού. Πειραματική διάταξη για στατική φόρτιση κάμψης 3 ή 4 σημείων Τρεις (3) συμβατικά οπλισμένες δοκοί (RC-1S-3Β, RC-2S-3Β, RC-3S-3Β) και τέσσερις (4) ενισχυμένες δοκοί με μανδύα ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος (CFRT-1S-4B, CFRT-2S-4B, CFRT-3S-4B, CFRT-4S-4B) υπεβλήθησαν σε στατική φόρτιση κάμψης 3 (ένδειξη «3Β») και 4 σημείων (ένδειξη «4Β»), αντίστοιχα, όπου το S χαρακτηρίζει στατική μονοτονική φόρτιση και ο 1 ος αριθμός στον κωδικό δοκιμίου τον αριθμό δοκιμίου. Η πειραματική διάταξη κάμψης 4 σημείων παρουσιάζεται στη φωτογραφία του Σχήματος 4. Το φορτίο ασκήθηκε με έλεγχο της μετατόπισης του εμβόλου μέσω σερβοϋδραυλικού συστήματος. Η καταγραφή των μετρήσεων με σύστημα SCXI (National Instruments) περιλαμβάνει την μετατόπιση του εμβόλου της μηχανής, το επιβαλλόμενο φορτίο και το μέγιστο βέλος κάμψης της δοκού. Το μέγιστο βέλος κάμψης κατεγράφη ως η μέση τιμή των μετρήσεων δύο μηκυνσιομέτρων (DCDT) που τοποθετήθηκαν στο μέσο του ανοίγματος (βλέπε Σχήμα 4). - 4 -
Σχήμα 4: Δοκός Ο/Σ ενισχυμένη με μανδύα ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος και 4 (CFRT-1S-4Β) και πειραματική διάταξη για μονοτονική φόρτιση κάμψης 4 σημείων. Πειραματική διάταξη για στατική ανακυκλιζόμενη φόρτιση κάμψης 3 ή 4 σημείων Τρεις (3) δοκοί από συμβατικά οπλισμένο σκυρόδεμα (RC-4C-3Β, RC-5C-4Β, RC-6C- 4Β) και έξι (6) συμβατικά οπλισμένες δοκοί ενισχυμένες με μανδύα ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος υπεβλήθησαν σε στατική πλήρως ανακυκλιζόμενη φόρτιση κάμψης 3 («3Β») ή 4 («4Β») σημείων (C για ανακυκλιζόμενη φόρτιση) (βλέπε Σχήμα 5 για την κάμψη 4 σημείων). Η επιβολή του φορτίου για την πλήρως ανακυκλιζόμενη φόρτιση πραγματοποιήθηκε μέσω ειδικής διάταξης που επέτρεπε άρθρωση και κύλιση στα σημεία φόρτισης και τις στηρίξεις. Στις θέσεις των στηρίξεων η παραπάνω διάταξη συνδέθηκε με τη μεταλλική δοκό της βάσης του πλαισίου φόρτισης, ώστε να είναι δυνατή η επιβολή θετικής και αρνητικής καμπτικής έντασης. Το μέγιστο βέλος κάμψης μετρήθηκε με την ίδια μέθοδο όπως στη δοκιμή της στατικής μονοτονικής φόρτισης. Σχήμα 5: Συμβατικά οπλισμένη δοκός ενισχυμένη με μανδύα ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος και πλέγμα T131 (CFRT-8C-4Β) σε πλήρως ανακυκλιζόμενη κάμψη 4 σημείων. Στατική φόρτιση ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Στις ενισχυμένες δοκούς με μανδύα ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος εμφανίζεται αρχικά μεγαλύτερος αριθμός τριχοειδών ρωγμών απ ότι στις δοκούς Ο/Σ, όπως φαίνεται - 5 -
στα Σχήματα 6 και 7, αλλά τελικά υπάρχει συγκέντρωση των παραμορφώσεων σε μια περιοχή με έντονη αύξηση του ανοίγματος ουσιαστικά μιας ρωγμής και σύγχρονη απομείωση της φέρουσας ικανότητας της δοκού με κάποια παραμένουσα φέρουσα ικανότητα στο φθίνοντα κλάδο λόγω της παρουσίας των ινών. Λόγω της παρουσίας των διαμήκων ράβδων οπλισμού, η παραμορφωσιμότητα των δοκών Ο/Σ είναι κατά πολύ υψηλότερη από αυτή των ινοπλισμένων, ενδεικτικό της πολύ μεγαλύτερης δυνατότητας απορρόφησης ενέργειας (πλαστιμότητα). Είναι προφανές ότι η παρουσία διαμήκων ράβδων οπλισμού για την ανάληψη του εφελκυσμού (RC-3S-3B) είναι ευεργετική για την πλαστιμότητα της δοκού και δεν μπορεί να αντικατασταθεί μόνο με τη χρήση ινών. Σχήμα 6: Αστοχία δοκού Ο/Σ σε στατική μονοτονική φόρτιση κάμψης 3 σημείων. (α) μανδύας με διαμήκη οπλισμό (β) μανδύας με μεταλλικό πλέγμα Σχήμα 7: Αστοχία δοκού Ο/Σ ενισχυμένης με μανδύα ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος σε στατική μονοτονική φόρτιση κάμψης 4 σημείων. Τα διαγράμματα μέγιστης ροπής κάμψης συναρτήσει του βέλους κάμψης στο μέσον του ανοίγματος) για τις δοκούς RC και CFRT που υποβλήθηκαν σε στατική μονοτονική φόρτιση κάμψης 3 ή 4 σημείων παρουσιάζονται στο Σχήμα 8. Η παρουσία της ενίσχυσης του μανδύα τσιμεντοκονιάματος στις δοκούς CFRT αυξάνει σημαντικά τη δυσκαμψία των δοκών Ο/Σ που ενισχύθηκαν και ιδιαίτερα βέβαια στην περίπτωση του μανδύα με διαμήκη και εγκάρσιο οπλισμό (βλέπε Σχήμα 8). Στο Σχήμα 8 για πιο αποτελεσματική σύγκριση περιλαμβάνεται και ένα αντιπροσωπευτικό διάγραμμα για δοκό από ινοπλισμένο τσιμεντοκονίαμα σε κάμψη 4 σημείων (FRC-2.1S-4B). Τα πειραματικά αποτελέσματα για την αντοχή ρηγμάτωσης, αρχική διαρροή του διαμήκους οπλισμού, καμπτική αντοχή και τα αντίστοιχα βέλη κάμψης περιλαμβάνονται στον Πίνακα 3. - 6 -
80 Μέγιστη ροπή κάμψης, Mmax (knm) 70 FRC-2.1S -4B CFRT-2S-4B RC-3S -3B CFRT-1S-4B 0 0 70 80 90 0 Μέγιστο βέλος κάμψης, δ (mm) Σχήμα 8: Διαγράμματα μέγιστης ροπής-βέλους κάμψης δοκών RC, FRC και δοκών Ο/Σ ενισχυμένων με μανδύα ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος (CFRT) σε στατική μονοτονική φόρτιση κάμψης 3 ή 4 σημείων. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 8 και Πίνακα 3, οι ενισχυμένοι δοκοί Ο/Σ με μανδύα ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος πάχους 3.5 cm (CFRT), σε μονοτονική στατική φόρτιση παρουσίασαν αντοχή ρηγμάτωσης, αντοχή διαρροής και καμπτική αντοχή μέχρι 2 και 3 φορές αυτής των δοκών Ο/Σ που ενισχύθηκαν στην περίπτωση που ο μανδύας ήταν οπλισμένος με μεταλλικό πλέγμα και διαμήκη/εγκάρσιο οπλισμό, αντίστοιχα. Με βάση θεωρητικές αναλύσεις, στην περίπτωση που η αρχική δοκός Ο/Σ είχε ενισχυθεί με σκυρόδεμα ίδιας αντοχής με αυτό της δοκού που ενισχύθηκε, εκτιμάται ότι η καμπτική αντοχή της δοκού λόγω της αύξησης της διατομής και του επιπλέον μεταλλικού πλέγματος ή διαμήκους οπλισμού στην περίμετρο της δοκού θα ήταν περίπου 1,5 και 2 φορές αυτής των δοκών Ο/Σ που ενισχύθηκαν, αντίστοιχα. Όπως αναμένεται, η αρχική δυσκαμψία των ενισχυμένων δοκών είναι παρόμοια ανεξάρτητα από το αν έχει οπλιστεί ο μανδύας με διαμήκεις ράβδους ή μεταλλικό πλέγμα. Η μέση τιμή των οριακών αντοχών των ενισχυμένων δοκών με μανδύα και διαμήκη/εγκάρσιο οπλισμό είναι αυξημένη της αντίστοιχης των δοκών με μανδύα και μεταλλικό πλέγμα κατά 31% για την αντοχή ρηγμάτωσης, 34% για τη διαρροή και 45% για την καμπτική αντοχή. Μετά τη διαρροή του οπλισμού του μανδύα και την επίτευξη της μέγιστης καμπτικής αντοχής των δοκών CFRT για παραμορφώσεις 3 5 φορές της παραμόρφωσης αρχικής διαρροής, η φέρουσα ικανότητα των δοκών μειώνεται κατά 15 35% λόγω απώλειας της συνεισφοράς των ινών στην εφελκυόμενη περιοχή των δοκών. Η μείωση αυτή στις δοκούς όπου ο μανδύας οπλίζεται με μεταλλικό πλέγμα είναι πιο μεγάλη και απότομη. Τελικά, οι ενισχυμένοι δοκοί εκτός της αυξημένης αντοχής τους σε σχέση με τις συμβατικές δοκούς διαθέτουν και συνολική πλαστιμότητα τουλάχιστον αντίστοιχη των συμβατικών δοκών Ο/Σ που ενισχύθηκαν. Η αντίστοιχη αύξηση της φέρουσας ικανότητας που προσδίδει η ενίσχυση με μανδύα ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος μικρού σχετικά πάχους θα ήταν δυνατόν να επιτευχθεί με αντίστοιχο μανδύα συμβατικού σκυροδέματος υψηλής θλιπτικής αντοχής τουλάχιστον 1 MPa αλλά βέβαια με αρκετά μειωμένη ικανότητα παραμόρφωσης. - 7 -
Πίνακας 3. Πειραματικά αποτελέσματα δοκών Ο/Σ (RC) και των ενισχυμένων με μανδύα (CFRT) για στατική μονοτονική (S) και ανακυκλιζόμενη (C) φόρτιση κάμψης 3 ή 4 σημείων. κωδικός M cr (knm) δ cr (mm) M y (1) (knm) δ y (mm) M u (knm) δ u (mm) RC-1S-3B 3,8 0,26 22,2 6,1 23,9 37,4 RC-2S-3B 3,9 0,39 21,8 6,4 23,5 31,8 RC-3S-3B 3,9 0,36,5 5,9 23,2 36,5 RC-4C-3B 3,7 - (2) 25,6 - (2) 26,5 - (2) RC-5C-4B 2,5 0,52 22,5 6,9 24,9 42,0 RC-6C-4B 3,1 0,41,8 6,8 23,2 41,7 CFRT-1S-4B (4),4 0,28 56,3 5,5 67,1,4 CFRT-2S-4B (3) 7,4 0,23,9 5,4 45,2,6 CFRT-3S-4B (3) 8,2 0,17 46,8 5,6 49,9 27,4 CFRT-4S-4B (4),0 0,27 61,4 5,7 70,5 24,6 CFRT-5C-4B (4),8 0,32 61,2 5,0 67,6 8, CFRT-6C-4B (4),9 0,35 55,0 5,5 58,0 8,00 CFRT-7C-4B (4),7 0,29 54,8 5,2 59,0 8, CFRT-8C-4B (3) 7,8 0, 41,5 4,3 51,5 7,80 CFRT-9C-4B (3) 8,2 0,24 46,0 4,5,7 8, CFRT-C-4B (3) 8,0 0, 42,0 4,9 47,3 8,00 (1) ροπή αντοχής αρχικής διαρροής διαμήκους οπλισμού (2) δεν ήταν δυνατή η μέτρηση βέλους κάμψης (3) με μεταλλικό πλέγμα Τ131 (4) με διαμήκη/εγκάρσιο οπλισμό Πλήρως ανακυκλιζόμενη φόρτιση Η αποτελεσματικότητα της ενίσχυσης των δοκών Ο/Σ με μανδύα από ινοπλισμένο τσιμεντοκονίαμα (CFRT) στην ανάληψη της επιβαλλόμενης ανακυκλιζόμενης καμπτικής έντασης δύναται να αξιολογηθεί σε σχέση με αυτήν των δοκών Ο/Σ που ενισχύθηκαν (RC) στα συγκριτικά διαγράμματα μέγιστης ροπής κάμψης-βέλους κάμψης που παρουσιάζονται στα Σχήματα 9, και 11. Η καμπτική φέρουσα ικανότητα των ενισχυμένων δοκών για επιβαλλόμενο μέγιστο βέλος κάμψης ίσο με ±8 mm μετά από συνεχή ανακύκλιση μειώνεται πλησιάζοντας την αντοχή των δοκών Ο/Σ που ενισχύθηκαν αλλά για τιμές βέλους κάμψης τουλάχιστον ±32 mm (σχεδόν 5 φορές της παραμόρφωσης διαρροής) με ταχύτερη απομείωση να συμβαίνει όταν τοποθετείται στο μανδύα μεταλλικό πλέγμα. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι η υστερητική συμπεριφορά των ενισχυμένων δοκών (CFRT) με διαμήκεις ράβδους και εγκάρσιο οπλισμό (CFRT-7C) είναι κατά πολύ ανώτερη αυτής των δοκών CFRT με μεταλλικό πλέγμα (CFRT-C). Για τον 1 ο κύκλο φόρτισης η καμπτική φέρουσα ικανότητα για μέγιστο βέλος κάμψης +8 mm λόγω της ανακυκλιζόμενης φόρτισης μετά από 3πλασιασμό του μέγιστου επιβαλλόμενου βέλους κάμψης (±24 mm) μειώθηκε κατά μέσο όρο περίπου % και % για την περίπτωση μανδύα με διαμήκεις ράβδους και μεταλλικό πλέγμα, αντίστοιχα. Μετά την αρχική διαρροή καθόσον αφορά στην επιρροή του 2 ου κύκλου φόρτισης για την ίδια επιβαλλόμενη παραμόρφωση, και επιβολή, ενώ σε σχετικά χαμηλές μέγιστες επιβαλλόμενες παραμορφώσεις (+8 mm) η απόκριση για θετική καμπτική ροπή μειώνεται κατά περίπου 14% και 34% στην περίπτωση μανδύα με διαμήκεις ράβδους και μεταλλικό πλέγμα, αντίστοιχα, σε σχετικά υψηλές μέγιστες επιβαλλόμενες παραμορφώσεις (+24 mm) η αντίστοιχη μείωση είναι μόλις 5% και 15%. Στη περίπτωση αρνητικής καμπτικής έντασης, η αντίστοιχη μείωση είναι σημαντικά μικρότερη, δηλαδή 7% και 15% για χαμηλές παραμορφώσεις και ακόμη μικρότερη (4% - 8 -
και 5%) για υψηλές παραμορφώσεις. Η ανακύκλιση στον 1 ο κύκλο φόρτισης στην εκάστοτε επιβαλλόμενη παραμόρφωση μετά την αρχική διαρροή στις δοκούς με μανδύα και διαμήκη οπλισμό παρουσιάζει σχετικά μικρότερη απομείωση καμπτικής απόκρισης (15% 25%) από την αντίστοιχη ( 45%) των δοκών με μανδύα και μεταλλικό πλέγμα. Μετά την αρχική διαρροή των ράβδων οπλισμού του μανδύα οι ενισχυμένοι δοκοί (CFRT) παρουσιάζουν σημαντική ικανότητα απορρόφησης ενέργειας, η οποία στην περίπτωση οπλισμού του μανδύα με διαμήκη/εγκάρσιο οπλισμό μπορεί να είναι έως και διπλάσια εκείνης των δοκών Ο/Σ που ενισχύθηκαν. Στις ενισχυμένες δοκούς υπήρξε συνεχής αύξηση της ικανότητας απορρόφησης ενέργειας στον 1 ο κύκλο φόρτισης με αυξανόμενη επιβαλλόμενη παραμόρφωση. Στην περίπτωση του μανδύα με διαμήκεις ράβδους η απορρόφηση ενέργειας μετά από επιβολή βέλους κάμψης περίπου 5 φορές της τιμής αρχικής διαρροής (±24 mm) σχεδόν πενταπλασιάστηκε (βλέπε Σχήμα 12), ενώ στην περίπτωση μεταλλικού πλέγματος διπλασιάστηκε. Για τιμές βέλους κάμψης μεγαλύτερες των ±12 mm, η απορροφούμενη ενέργεια για τις δοκούς με μανδύα και διαμήκεις ράβδους είναι περίπου 2 2,5 φορές αυτής για τις δοκούς με μανδύα και μεταλλικό πλέγμα για την ίδια επιβαλλόμενη παραμόρφωση. Παρότι μια ανομοιόμορφη καθ ύψος κατανομή των ινών στη δοκό μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την θετική και αρνητική καμπτική συμπεριφορά της, στην περίπτωση της ενίσχυσης με σχετικά μικρού πάχους μανδύα ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος η κατανομή των ινών στο πάνω και κάτω μέρος του μανδύα δεν φαίνεται να επηρεάζει τη συμπεριφορά της. Μέγιστη ροπή κάμψης, Μmax (knm) 80 70 CFRT-7C-4B RC-5C-4B 0 - - - - - - 0 - - - - - -70-80 Μέγιστο βέλος κάμψης, δ (mm) Σχήμα 9: Δοκός Ο/Σ με μανδύα και διαμήκη οπλισμό (CFRT-7C-4B) και συμβατική δοκός Ο/Σ χωρίς μανδύα (RC-5C-4B) σε στατική πλήρως ανακυκλιζόμενη φόρτιση κάμψης. Η ικανότητα απορρόφησης ενέργειας των ενισχυμένων δοκών CFRT με διαμήκη οπλισμό στον μανδύα είναι παρόμοια με εκείνη των δοκών CFRT με μεταλλικό πλέγμα μέχρι την επίτευξη της μέγιστης καμπτικής ροπής (βέλος κάμψης ±8 mm). Για μεγαλύτερες επιβαλλόμενες παραμορφώσεις, η ικανότητα απορρόφησης ενέργειας σχεδόν διπλασιάζεται σε σχέση με την αντίστοιχη των δοκών CFRT με μεταλλικό πλέγμα. Η απομείωση της απόκρισης για θετική και αρνητική καμπτική ένταση και μεταξύ 1 ου και 2 ου κύκλου φόρτισης δεν επηρεάζεται από το είδος του οπλισμού στο μανδύα για την ίδιο επιβαλλόμενο μέγιστο βέλος κάμψης της δοκού. Σύγκριση της συμπεριφοράς των ενισχυμένων δοκών σε πλήρως ανακυκλιζόμενη καμπτική ένταση για τις περιβάλλουσες της συμπεριφοράς δοκών ενισχυμένων με μανδύα και διαμήκεις ράβδους ή μεταλλικό πλέγμα και δοκού Ο/Σ χωρίς μανδύα παρουσιάζεται στο Σχήμα 13. - 9 -
Μέγιστη ροπή κάμψης, Μmax (knm) 80 70 CFRT-C-4B RC-5C-4B 0 - - - - - - 0 - - - - - -70-80 Μέγιστο βέλος κάμψης, δ (mm) Σχήμα : Δοκός Ο/Σ με μανδύα και μεταλλικό πλέγμα (CFRT-C-4B) και συμβατική δοκός Ο/Σ χωρίς μανδύα (RC-5C-4B) σε στατική πλήρως ανακυκλιζόμενη φόρτιση κάμψης. Μέγιστη ροπή κάμψης, Μmax (knm) 80 70 CFRT-7C-4B CFRT-C-4B 0 - - - - - - 0 - - - - - -70-80 Μέγιστο βέλος κάμψης, δ (mm) Σχήμα 11: Σύγκριση συμπεριφοράς δοκού Ο/Σ με μανδύα και διαμήκη οπλισμό (CFRT-7C-4B) και της αντίστοιχης με μεταλλικό πλέγμα (CFRT-C-4B). 1 ος κύκλος 2 ος κύκλος Μέγιστη ροπή κάμψης, Μmax (kn-m) -5 0 5 - - - - - -5 0 5 - - - - -15 - -5 0 5 15 - - - - - -15 - -5 0 5 15 - - - - -25 - -15 - -5 0 5 15 25 - Μέγιστο βέλος - κάμψης (mm) - - - - - - - - - - - - δ= ±4 mm δ= ±8 mm δ= ±12 mm δ= ±16 mm δ= ± mm Σχήμα 12: Υστερητικοί βρόχοι (2 κύκλοι φόρτισης) δοκού με μανδύα και διαμήκη οπλισμό (CFRT-7C-4B) σε στατική πλήρως ανακυκλιζόμενη φόρτιση κάμψης για διάφορες τιμές επιβαλλόμενου μέγιστου βέλους κάμψης. - -
Μέγιστη ροπή κάμψης, Μmax (knm) 80 70 CFRT-7C-4B CFRT-C-4B RC-5C-4B 0 - - - - - - 0 - - - - - -70-80 Μέγιστο βέλος κάμψης, δ (mm) Σχήμα 13: Περιβάλλουσα συμπεριφοράς σε στατική πλήρως ανακυκλιζόμενη φόρτιση κάμψης δοκών με ενίσχυση μανδύα και διαμήκη οπλισμό (CFRT-7C-4B) ή μεταλλικό πλέγμα CFRT- C-4B) και της δοκού Ο/Σ χωρίς ενίσχυση (RC-5C-4B). ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Με βάση την καταγραφείσα καμπτική συμπεριφορά των ενισχυμένων δοκών Ο/Σ με μανδύα ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος σε στατική μονοτονική και ανακυκλιζόμενη φόρτιση για το πάχος του μανδύα (3.5 cm) και το είδος και ποσοστό των χαλύβδινων ινών που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα έρευνα, προέκυψαν τα ακόλουθα συμπεράσματα: 1. Οι ενισχυμένοι δοκοί Ο/Σ με μανδύα ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος πάχους 3.5 cm (CFRT) σε μονοτονική στατική φόρτιση παρουσίασαν φέρουσα αντοχή ρηγμάτωσης, αντοχή διαρροής και καμπτική αντοχή μέχρι 2 και 3 φορές αυτής των δοκών Ο/Σ που ενισχύθηκαν στην περίπτωση που ο μανδύας ήταν οπλισμένος με μεταλλικό πλέγμα και διαμήκη/εγκάρσιο οπλισμό, αντίστοιχα. Οι δοκοί με μανδύα εκτός της αυξημένης αντοχής τους σε σχέση με τις συμβατικές δοκούς διαθέτουν και συνολική πλαστιμότητα τουλάχιστον αντίστοιχη των συμβατικών δοκών Ο/Σ που ενισχύθηκαν. 2. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι η υστερητική συμπεριφορά των ενισχυμένων δοκών (CFRT) με διαμήκεις ράβδους και εγκάρσιο οπλισμό είναι πολύ ανώτερη αυτής των δοκών CFRT με μεταλλικό πλέγμα. Η καμπτική φέρουσα ικανότητα των ενισχυμένων δοκών για μέγιστο βέλος κάμψης ±8 mm μετά από συνεχή ανακύκλιση μειώνεται πλησιάζοντας την αντοχή των δοκών Ο/Σ που ενισχύθηκαν για τιμές βέλους κάμψης τουλάχιστον ±32 mm (σχεδόν 5 φορές της παραμόρφωσης διαρροής) με ταχύτερη απομείωση να συμβαίνει όταν τοποθετείται στο μανδύα μεταλλικό πλέγμα. 3. Αμέσως μετά την αρχική διαρροή του οπλισμού του μανδύα οι δοκοί με μανδύα (CFRT) παρουσιάζουν σημαντική ικανότητα απορρόφησης ενέργειας, που στην περίπτωση οπλισμού του μανδύα με διαμήκη οπλισμό είναι έως και διπλάσια αυτής των δοκών Ο/Σ που ενισχύθηκαν. Με περαιτέρω ανακύκλιση στην περίπτωση μανδύα με διαμήκεις ράβδους η απορρόφηση ενέργειας μετά από επιβολή μέγιστου βέλους κάμψης περίπου 5 φορές της τιμής αρχικής διαρροής (±24 mm) η απορρόφηση ενέργειας σχεδόν πενταπλασιάστηκε, ενώ στην περίπτωση μεταλλικού πλέγματος διπλασιάστηκε. Για τιμές βέλους κάμψης μεγαλύτερες των ±12 mm, η απορροφούμενη ενέργεια για τις δοκούς με - 11 -
μανδύα και διαμήκεις ράβδους είναι περίπου 2 2,5 φορές αυτής για τις δοκούς με μανδύα και μεταλλικό πλέγμα στην ίδια επιβαλλόμενη παραμόρφωση. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η έρευνα που παρουσιάζεται σε αυτή την εργασία έχει γίνει στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος «Ανάπτυξη, Πιλοτική Παραγωγή και Δοκιμαστική Εφαρμογή Νέας Γενιάς Σύνθετων Υλικών με βάση το Τσιμέντο για τη Βελτίωση της Αντισεισμικής Συμπεριφοράς των Κατασκευών» της ΓΓΕΤ. Η εταιρεία ΑΓΕΤ-Ηρακλής διέθεσε τα απαραίτητα υλικά και προσέφερε οικονομική υποστήριξη του πειραματικού προγράμματος και η παρασκευή και συντήρηση των δοκιμίων έγινε στην ΕΒΕΤΑΜ (βιομηχανική περιοχή Βόλου). Εκφράζονται ευχαριστίες στο τεχνικό προσωπικό του Εργαστηρίου Τεχνολογίας και Κατασκευών Οπλισμένου Σκυροδέματος, Α. Κουτσελίνη και Δ. Καραμπερόπουλο, για τη συμβολή τους στην προετοιμασία της πειραματικής διάταξης και του συστήματος καταγραφής των πειραματικών μετρήσεων. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ashour A. S., and Wafa F. F., «Flexural Behavior of High-Strength Fiber-Reinforced Concrete Beams», ACI Structures J., May-June (1993), 279-287. Balaguru P., Narahari R., and Mahedra P., «Flexural Toughness of Steel Fiber- Reinforced Concrete», ACI Materials J., Nov.-Dec. (1992), 541-546. Banthia N., Trottier J. F., «Concrete Reinforced with deformed Steel Fibers -Part II: Toughness Characterization», ACI Materials J., Mar.-Apr. (1995), 146-154. Casanova P., Rossi P., Schaller I., «Can Steel Fibers Replace Transverse Reinforcement in Reinforced Concrete Beams», ACI Materials J., Sept.-Oct. (1997), 341-354. Jindal L. R., «Shear and Moment Capacities of Steel Fiber-Reinforced Concrete Beams», SP-81-1, ACI, 1984. Leung K. Y. C., «Design Criteria for Pseudo-ductile Fiber-Reinforced Concrete», J. of Eng. Mechanics, ASCE, Jan. (1996), -18. Maalej M., Li C. V., Hashida T., «Effect of Fiber Rupture on Tensile Properties of Short Fiber Composites», J. of Eng. Mechanics, ASCE, Aug. (1995), 903-912. Padmarajaiah K. S., Ramaswamy A., «Comparative Study on Flexural Response of Full and Partial Depth Fiber-Reinforced High-Strength Concrete», J. of Materials in Civil Eng., Mar.-Apr. (02), 1-136. Παπαθεοχάρης Θ., Περδικάρης Φ. Κ., Τζάρος Κ., (08), «Πειραματική Μελέτη Συμπεριφοράς Δοκών Ινοπλισμένου Σκυροδέματος υπό Στατική και Ανακυκλιζόμενη Φόρτιση Κάμψης», 3 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Αντισεισμικής Μηχανικής & Τεχνικής Σεισμολογίας, Νο. 1969, 5 7 Νοεμβρίου 08, Αθήνα. SP-81, Fiber-Reinforced Concrete, ACI, 1984. SP-155, Testing of Fiber-Reinforced Concrete, ACI, 1995. Taerwe L., Van Gysel A., «Influence of Steel Fibers on Design Stress-Strain Curve for High-Strength Concrete», J. of Eng. Mechanics, ASCE, Aug. (1996), 695-704. Visalvanich K., Naaman E. A., «Fracture Model for Fiber-Reinforced Concrete», ACI Materials J., Mar.-Apr. (1983), 128-138. Xi Y., «Representative Volumes of Composite Materials», J. of Eng. Mechanics, ASCE, Dec. (1996), 1159-1167. - 12 -