Καμπτική Ενίσχυση Ανοιγμάτων Δοκών Ο/Σ με Πολυμερή Οπλισμένα με Χάλυβα (SRP) και Άνθρακα (CFRP) Flexural Strengthening at the Span of R/C Beams using Steel (SRP) and Carbon (CFRP) Reinforced Polymers Γιώργος ΜΙΤΟΛΙΔΗΣ 1, Θωμάς ΣΑΛΟΝΙΚΙΟΣ 2, Ανδρέας ΚΑΠΠΟΣ 3 Λέξεις κλειδιά: Καμπτική Ενίσχυση, Δοκοί, Χαλυβδοϋφάσματα, Ελάσματα Άνθρακα ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από την συγκριτική δοκιμή στο εργαστήριο χαλυβδοϋφασμάτων, δηλ. πολυμερών με οπλισμό χάλυβα (SRP) και ελασμάτων ινοπλισμένων πολυμερών με ίνες άνθρακα (CFRP). Γίνεται συνοπτική παρουσίαση των νόμων τάσης παραμόρφωσης των υλικών αυτών και των νόμων συνάφειας των πολυμερών με το σκυρόδεμα. Στη συνέχεια παρουσιάζονται αποτελέσματα από τη δοκιμή στο εργαστήριο πέντε δοκιμίων (σε φυσική κλίμακα) ανοιγμάτων δοκών από Ο/Σ. Οι δοκοί ήταν ενισχυμένες στο κάτω πέλμα με σύνθετα υλικά (SRP, CFRP). Κατά τους ελέγχους της συνάφειας των υλικών αυτών με το σκυρόδεμα προέκυψε ότι μήκος αγκύρωσης μεγαλύτερο του ενεργού μήκους δεν βελτιώνει την αντοχή συνάφειας και την παραμορφωσιμότητα. Αντιθέτως με την αύξηση του πλάτους του σύνθετου υλικού επέρχεται σαφής αύξηση της δύναμης συνάφειας. Από τα αποτελέσματα των δοκιμών κάμψης δοκών προέκυψε ότι με την χρήση των χαλυβδοϋφασμάτων επιτυγχάνεται ενίσχυση (αύξηση αντοχής) των ανοιγμάτων δοκών από σκυρόδεμα, μέχρι 100%, εξίσου αποτελεσματική με εκείνη που προκύπτει με χρήση ελασμάτων άνθρακα. Πλεονέκτημα αποτελεί το σημαντικά χαμηλότερο κόστος των χαλυβδοϋφασμάτων σε σχέση με τα ανθρακοϋφάσματα. ABSTRACT : This paper presents results from comparative test at the laboratory of Steel (SRP) and Carbon (CFRP) Reinforced Rolymers. Tensile stress-strain, as well as bond constitutive laws were derived from tests and are summarised here. Results are then reported from flexural tests of five full-scale R/C beams strengthened at their span using SRP and CFRP strips. The bond tests have shown that providing a bond length greater than the effective one, neither the bond strength nor the deformation capacity are increased, whereas by increasing the width of the strip the bond strength is significantly increased. From the flexural 1 MSc Imperial College, Υπ. Διδάκτορας Α.Π.Θ, email: mitolgi@otenet.gr 2 Δρ Πολιτικός Μηχανικός Α.Π.Θ., Κύριος Ερευνητής, ΙΤΣΑΚ, email: salonikios@itsak.gr 3 Δρ Πολιτικός Μηχανικός Α.Π.Θ., Καθηγητής Α.Π.Θ., email: ajkap@civil.auth.gr 1
tests of beams it was found that the use of both SRP and CFRP strips resulted in a significant increase in strength (up to 100%) with respect to the strength of the virgin specimen. It is noted that an advantage of SRPs is their lower cost compared to that of CFRPs. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ενίσχυση δομικών στοιχείων με την χρήση πολυμερών oπλισμένων με πλεγμένα σύρματα ( δέσμες ή, καταχρηστικώς, ίνες ) χάλυβα (SRP) διερευνάται διεθνώς τα τελευταία πέντε χρόνια. Έγιναν δοκιμές τόσο για τον έλεγχο και τον προσδιορισμό των μηχανικών χαρακτηριστικών αυτών των υλικών, π.χ. Huang et al. (2005) όσο και για τον προσδιορισμό των αντοχών και των λοιπών χαρακτηριστικών της συνάφειάς τους με το σκυρόδεμα, π.χ. Figeys et al. (2005). Επίσης υπάρχουν αρκετές δοκιμές για τον έλεγχο της αποτελεσματικότητας αυτών των υλικών (SRP) στην ενίσχυση δοκών από Οπλισμένο Σκυρόδεμα (Ο/Σ), π.χ. Kim et al. (2005). Δύο είναι οι επικρατέστεροι τρόποι παρασκευής αυτών των υλικών. Σύμφωνα με τον πρώτο τρόπο γίνεται χρήση μήτρας εποξειδικής ρητίνης (SRP) και σύμφωνα με τον δεύτερο χρήση τσιμεντοειδούς κονιάματος/ενέματος (SRG). Από την μέχρι στιγμής έρευνα έχει προσδιορισθεί ότι τα SRP και SRG είναι κατάλληλα για ενίσχυση στοιχείων από Ο/Σ, εξίσου αποτελεσματικά με τα ινοπλισμένα πολυμερή (CFRP, GFRP) σε ό,τι αφορά την μέγιστη αντοχή, ενώ παρέχουν και κάποια ικανότητα μετελαστικής παραμόρφωσης. Από την σύγκριση των SRP και SRG μεταξύ τους, καλύτερη απόκριση σε σχέση με την συνάφεια έχουν τα SRP. Ειδικότερα αναφέρεται ότι τα SRP απαιτούν σαφώς μικρότερο μήκος αγκύρωσης και έχουν καλύτερη πρόσφυση με το σκυρόδεμα. Στην παρούσα εργασία γίνεται συγκριτική διερεύνηση των SRP και των ελασμάτων άνθρακα. Γίνονται καταρχήν δοκιμές προσδιορισμού των νόμων τάσης - παραμόρφωσης και συνάφειας των SRP. Οι κυριότερες παράμετροι που μεταβάλλονται σε αυτές τις δοκιμές είναι το πλάτος και το μήκος αγκύρωσης του πολυμερούς, ο τύπος του SRP και η ποιότητα του σκυροδέματος του υποστρώματος. Για τις δοκιμές σε δοκούς φυσικής κλίμακας, τα δοκίμια αντιπροσώπευαν ανοίγματα δοκών, ο τρόπος αστοχίας ενός αρχικού δοκιμίου και των ενισχυμένων δοκιμίων ήταν καμπτικός ενώ κατασκευάστηκε και ένα δοκίμιο χωρίς ενίσχυση το οποίο είχε διατμητική αστοχία. ΥΛΙΚΑ SRP 3X2-23-12 Στο υλικό αυτό υπάρχουν δέσμες συρμάτων στις οποίες πλέκονται πέντε σύρματα διαμέτρου 0.35mm. Κάθε δέσμη συρμάτων έχει εμβαδό διατομής 0.481mm 2 και σύμφωνα με την κατασκευάστρια εταιρία βρίσκονται σε διάταξη 9.0551 δεσμών ανά εκατοστόμετρο. Το πάχος του χαλυβδοϋφάσματος που διαμορφώνεται είναι 2
0.123cm. Το κενό μεταξύ των δεσμών των συρμάτων είναι 0.022cm, και ο όγκος τους είναι 35%. Ο όγκος της ρητίνης, όποτε χρησιμοποιείται, είναι 65% και η απαίτηση είναι 0.764kg ρητίνης ανά m 2 επιφανείας χαλυβδοϋφάσματος. Η εφελκυστική αντοχή του υλικού χωρίς την ρητίνη είναι 13.94 kn/cm, με μέτρο ελαστικότητας 160000 MPa. SRP 12X-23-12 Στο υλικό αυτό υπάρχουν δέσμες συρμάτων στις οποίες πλέκονται τρία σύρματα διαμέτρου 0.22mm, εννέα σύρματα διαμέτρου 0.20mm και εξωτερικά της δέσμης τυλίγεται σύρμα διαμέτρου 0.18mm. Κάθε δέσμη συρμάτων έχει εμβαδό διατομής 0.414mm 2 και βρίσκονται σε διάταξη 9.0551 δεσμών ανά εκατοστόμετρο. Το πάχος του χαλυβδοϋφάσματος που διαμορφώνεται είναι 0.123cm. Το κενό μεταξύ των δεσμών των συρμάτων είναι 0.022cm, και ο όγκος τους είναι 31%. Ο όγκος της ρητίνης, όποτε χρησιμοποιείται, είναι 69% και η απαίτηση είναι 0.821kg ρητίνης ανά τετραγωνικό μέτρο επιφανείας χαλυβδοϋφάσματος. Η εφελκυστική αντοχή του υλικού χωρίς την ρητίνη είναι 11.32 kn/cm με μέτρο ελαστικότητας 138000 MPa. Σύνθετο υλικό Στην περίπτωση κατά την οποία χρησιμοποιείται εποξειδική ρητίνη τα χαρακτηριστικά του σύνθετου υλικού όπως δίνονται από τον κατασκευαστή του χαλυβδοϋφάσματος είναι: 3Χ2-23, τάση θραύσης 1171.1MPa, ενεργό μέτρο ελαστικότητας 77900MPa, 12X-23-12, τάση θραύσης 951MPa, ενεργό μέτρο ελαστικότητας 67600MPa. Σε όλες τις δοκιμές που περιγράφονται, για τα SRP χρησιμοποιήθηκε η ρητίνη Sikadur330 και για τα ελάσματα άνθρακα (CFRP) η ρητίνη Sikadur30. Σχήμα 1. Λεπτομέρειες των τύπων χαλύβδινων δεσμών που χρησιμοποιήθηκαν Σκυρόδεμα Οι δύο ποιότητες σκυροδέματος που χρησιμοποιήθηκαν παρασκευάσθηκαν βάσει της λογικής ότι για τα πολυώροφα κτίρια που κατασκευάζονταν πριν 30-40 έτη χρησιμοποιείτο ποιότητα σκυροδέματος Β225, ενώ στην γεφυροποιία χρησιμοποιείτο ποιότητα σκυροδέματος Β450. Το σκυρόδεμα, κανονικής αντοχής, που παρασκευάσθηκε στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας είχε μέση κυλινδρική θλιπτική αντοχή 21.98MPa, μέση κυβική αντοχή 26.39 MPa και εφελκυστική 3
αντοχή 2.42MPa. Το σκυρόδεμα υψηλότερης αντοχής είχε μέση κυλινδρική θλιπτική αντοχή 38.5MPa, μέση κυβική αντοχή 44.22MPa και εφελκυστική αντοχή 3.5MPa. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Νόμος Τάσης Παραμόρφωσης Υλικού (SRP) Οι δοκιμές αυτές έγιναν βάσει των συστάσεων ASTM D 3039M οι οποίες αναφέρονται σε ινώδη υλικά με ρητίνη. Έγιναν δοκιμές σε 12 ελάσματα SRP. Επίσης δοκιμάσθηκαν και ελάσματα ΙΟΠ από άνθρακα. Τα αποτελέσματα καθώς και οι προδιαγεγραμμένες τιμές των ιδιοτήτων των υλικών που δοκιμάσθηκαν δίνονται στο σχήμα 2 και στον πίνακα 1. Οι δοκιμές αυτές είχαν ως στόχο τον έλεγχο των μηχανικών χαρακτηριστικών που δίνει ο κατασκευαστής των υλικών αυτών. f f(mpa) 3000 SRP3X CFRP SRP12X S500 2500 2000 1500 1000 500 ε f(%) 0 0 1 2 3 4 5 6 Σχήμα 2. Καμπύλες τάσης παραμόρφωσης για ελάσματα άνθρακα (CFRP), χαλυβδοϋφάσμτα (SRP) και χάλυβα οπλισμών S500. Πίνακας 1. Ιδιότητες υλικών μετά από πειραματική δοκιμή και σύμφωνα με τις προδιαγραφές του κατασκευαστή. ΥΛΙΚΟ Ε (MPa) ε u (%) f u (MPa) ΔΟΚΙΜΗ SRP3X2 78348 1.56 1090.5 ΠΡΟΔΙΑΓΡ. SRP3X2 77900 1171.1 ΔΟΚΙΜΗ SRP12X 67318 1.61 957.3 ΠΡΟΔΙΑΓΡ. SRP12X 67600 951.0 ΠΡΟΔΙΑΓΡ. CFRP 160000 1.70 2800.0 4
Έλεγχοι Συνάφειας ΙΟΠ με το Σκυρόδεμα Για τους ελέγχους συνάφειας έγιναν 16 δοκιμές. Τα δοκίμια, οι ποιότητες σκυροδέματος, η επιφάνεια συνάφειας L b f, η δύναμη συνάφειας και οι ολισθήσεις αποκόλλησης παρουσιάζονται στον πίνακα 2. Οι έλεγχοι συνάφειας και τα αποτελέσματά τους περιγράφονται εκτενώς στην εργασία των Mitolidis et al. (2008). Πίνακας 2. Αποτελέσματα ελέγχων συνάφειας. Δοκίμιο f cm /f ctm L b f Τύπος 0.5P tot s tot /s tot,u MPa mm Υλικού kn mm CFRP-5X15NS 22.0/2.4 50 150 CFRP 19.0 0.38/0.52 CFRP-5X30NS 22.0/2.4 50 300 CFRP 18.5 0.50/0.70 SRP12-5X15NS 22.0/2.4 50 150 SRP12X 13.7 1.09/1.25 SRP12-5X30NS 22.0/2.4 50 300 SRP12X 13.5 0.55/1.11 SRP12-8X15NS 22.0/2.4 80 150 SRP12X 19.0 0.55/ --- SRP12-8X30NS 22.0/2.4 80 300 SRP12X 21.0 0.58/0.99 SRP3X2-5X15NS 22.0/2.4 50 150 SRP3X2 15.0 0.45/0.56 SRP3X2-5X30NS 22.0/2.4 50 300 SRP3X2 14.0 --- /0.60 SRP3X2-8X15NS 22.0/2.4 80 150 SRP3X2 20.3 0.37/0.79 SRP3X2-8X30NS 22.0/2.4 80 300 SRP3X2 22.0 1.29/1.28 CFRP-5X15HS 38.5/3.5 50 150 CFRP 18.7 0.21/0.25 CFRP-5X30HS 38.5/3.5 50 300 CFRP 18.8 0.23/0.60 SRP12-5X15HS 38.5/3.5 50 150 SRP12X 13.8 0.23/0.51 SRP12-5X30HS 38.5/3.5 50 300 SRP12X 14.5 0.51/1.29 SRP3X2-5X15HS 38.5/3.5 50 150 SRP3X2 13.8 --- / 0.50 SRP3X2-5X30HS 38.5/3.5 50 300 SRP3X2 15.3 0.28/0.54 s tot : Συνολική ολίσθηση υλικού. s tot,u : Συνολική ολίσθηση αστοχίας υλικού. Από τις δοκιμές αυτές σχεδιάσθηκαν τα διαγράμματα δύναμης συνάφειας ολίσθησης σύνθετου υλικού. Ένα παράδειγμα δίνεται στο σχήμα 3α. Επίσης από τις δοκιμές αυτές βαθμονομήθηκαν τα αναλυτικά προσομοιώματα για τον υπολογισμό της δύναμης συνάφειας. Η καλύτερη σύμπτωση προέκυψε για το μοντέλο των Chen και Teng (2001) σύμφωνα με το οποίο: 5
P u ' = 0.427β p β L f c bf Le (1) 2 f Ef tf bc L e =, β p =, L = 1 ' b f f c 1+ bc b β αν L L e, β = αν L<L e L sin πl 2Le (2) b c = πλάτος του πρίσματος σκυροδέματος b f = πλάτος του ινοπλισμένου πολυμερούς Ε f = μέτρο ελαστικότητας του ινοπλισμένου πολυμερούς f c = θλιπτική αντοχή σκυροδέματος L = μήκος αγκύρωσης L e = ενεργό μήκος αγκύρωσης P u = δύναμη συνάφειας t f = πάχος του ινοπλισμένου πολυμερούς β L = συντελεστές του μήκους αγκύρωσης β p = συντελεστές πλάτους Η προσέγγιση των πειραματικών μετρήσεων με το μοντέλο της σχέσης (1) δίνεται στο σχήμα 3β. 50 P tot (kn) 5X30NS, bxl:50x300(mm) 35 CHEN & TENG 2001 40 30 20 10 0 CFRP SRP3 SRP12 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 s tot,u (mm) MODEL Pu (kn) 30 25 20 15 10 NORMAL STRENGTH HIGH STRENGTH 10 15 20 25 30 35 EXPERIMENT Pu (kn) (α) (β) Σχήμα 3. α) Συγκριτικό διάγραμμα δύναμης συνάφειας ολίσθησης και β) διάγραμμα των πειραματικών τιμών της δύναμης συνάφειας και του μοντέλου (1). Αποτελέσματα από τις δοκιμές των υλικών και της συνάφειας δίνονται στην εργασία των Mitolidis et al. (2008). Δοκιμές Δοκών Για τον έλεγχο των δοκών από Οπλισμένο Σκυρόδεμα χωρίς ενίσχυση και με ενίσχυση κατασκευάσθηκαν 5 δοκίμια ορθογωνικής διατομής 20 40cm και 6
συνολικού μήκους 4.2m. Το άνοιγμα του αμφιέρειστου δοκιμίου ήταν 3.00m, ενώ το υπόλοιπο 2 0.6m εξείχε από τις στηρίξεις. Αυτό έγινε προκειμένου να αγκυρωθεί το σύνθετο ύφασμα σε θέση της δοκού όπου δεν θα αναπτύσσεται εφελκυσμός. Η λύση αυτή εφαρμόστηκε σε δύο δοκίμια, ενώ στο τρίτο δοκίμιο, παρ ό,τι υπήρχε η δυνατότητα για αγκύρωση μετά τις στηρίξεις το ΙΟΠ αγκυρώθηκε λίγο πριν τις στηρίξεις και σε περιοχή όπου υπήρχε εφελκυσμός στην κάτω ίνα της δοκού. Σημειώνεται ότι οι δοκοί είχαν ειδική κατασκευή ώστε να μην επηρεάζεται η ενίσχυση από την στήριξη (βλέπε Σχήμα 4). SVM 25 Ποιότητα Χάλυβα Οπλισμού ΛΕΙΟΣ 25 25 25 A 2Φ12 B 12 4τμητοι Συνδ. Φ10/5 12 4τμητοι Συνδ. Φ10/5 ΤΟΜΗ Β-Β 4Φ12 40 Φ8/20 ΛΕΙΟΣ Φ8/20 2Φ12 απο άνοιγμα 2Φ12 20 εμπρός 60 100 4Φ12 A 100 300 20 100 2Φ12 B εμπρός 60 ΤΟΜΗ Α-Α 2Φ12 40 Φ8/20 420 4Φ12 20 SVS 12 4τμητοι Συνδ. Φ10/5 A S500 Ποιότητα Χάλυβα Οπλισμού ΛΕΙΟΣ εκτός αν ορίζεται διαφορετικά B 12 4τμητοι Συνδ. Φ10/5 ΤΟΜΗ Α-Α Φ8/20 40 ΛΕΙΟΣ Φ8/20 4Φ18 S500 20 ΤΟΜΗ Β-Β εμπρός 60 4Φ18 S500 A 100 100 100 300 1 2d B εμπρός 60 40 Φ8/20 420 4Φ18 S500 20 Σχήμα 4. Λεπτομέρειες των οπλισμών των δοκιμίων δοκών χωρίς ενίσχυση και των ινοπλισμένων πολυμερών για καμπτική ενίσχυση (όπου χρησιμοποιήθηκε). Κατασκευάσθηκαν τέσσερα δοκίμια τα οποία είχαν καμπτική αστοχία και ένα δοκίμιο χωρίς ενίσχυση το οποίο είχε διατμητική αστοχία. Στα δοκίμια με καμπτική αστοχία τοποθετήθηκαν διαγώνιοι οπλισμοί στα δύο ακραία τρίτα του ανοίγματος. Αυτό κρίθηκε σκόπιμο, παρά το γεγονός ότι δεν εφαρμόζεται στην 7
πράξη, λόγω του τύπου του διαγράμματος των τεμνουσών που είχε το δοκίμιο. Πράγματι σύμφωνα με το Σχήμα 5c θεωρείτο ότι οι συνδετήρες παραλάμβαναν ένα προκαθορισμένο τμήμα από την τέμνουσα δύναμη για όλο το μήκος της δοκού στην περίπτωση που οι συνδετήρες είχαν σταθερή απόσταση μεταξύ τους σε όλο το μήκος της δοκού. Βεβαίως, σύμφωνα με τον σύγχρονο τρόπο διαστασιολόγησης έναντι διάτμησης θεωρείται ένα τμήμα της τέμνουσας που παραλαμβάνεται από το σκυρόδεμα και ένα τμήμα της τέμνουσας που παραλαμβάνεται από τους συνδετήρες, βλ. Σχ. 5d. a) b) M c) V d) Vconc Vconc V e) M f) V g) h) M i) Vconc Vconc Vconc Vconc V Σχήμα 5. Ανάπτυξη του τρόπου προσομοίωσης της πραγματικής φόρτισης με την φόρτιση που επιβλήθηκε στα δοκίμια. 8
Και στις δύο περιπτώσεις (Σχήματα 5c και 5d) μένει ένα τριγωνικό τμήμα τέμνουσας στα άκρα για να παραληφθεί από τον κεκαμμένο οπλισμό. Στην περίπτωση των δοκιμίων οι τέμνουσες δυνάμεις που παραλαμβάνονται από το σκυρόδεμα, τους συνδετήρες και τους κεκαμμένους οπλισμούς είναι σταθερές στα ακραία τρίτα του ανοίγματος της δοκού (Σχήμα 5i). Για το λόγο αυτόν τοποθετούνται διαγώνιοι οπλισμοί κατά μήκος των ακραίων τρίτων του ανοίγματος. Η ονοματολογία των δοκιμίων επιλέχθηκε έτσι ώστε το πρώτο γράμμα να δηλώνει την περιοχή που προσομοιώνει το δοκίμιο (Span S). Τα επόμενα γράμματα δηλώνουν τον τύπο του σύνθετου υλικού που χρησιμοποιείται για την ενίσχυση των δοκιμίων ήτοι: 2 στρώσεις χαλυβδοϋφάσματος 3X2 (L ενισχ =4.20m), 2 στρώσεις χαλυβδοϋφάσματος 12X (L ενισχ =2.80m), 1 στρώση ελάσματος CFRP (C, L ενισχ =4.20m) και Virgin (V), χωρίς ενίσχυση. Το τελευταίο γράμμα δηλώνει τον τρόπο αστοχίας M καμπτική, S διατμητική. DL HMC DR HL HMT HR MD SD Σχήμα 6. Διάταξη των μετρητών μετατοπίσεων και επιμηκύνσεων (LVDTs). Για την καταγραφή της απόκρισης των δοκιμίων κατά τις δοκιμές χρησιμοποιήθηκαν 8 αισθητήρες μετατοπίσεων και παραμορφώσεων σύμφωνα με το σχήμα 6. Οι αισθητήρες αυτοί τοποθετήθηκαν στις δύο πλευρές του δοκιμίου (διαφορετικοί σε κάθε πλευρά). Με την χρήση των αισθητήρων αυτών μετρούνται οι βυθίσεις και οι παραμορφώσεις στα άκρα των αισθητήρων (LVDT s) του σχήματος 6. Σχήμα 7. Πειραματική διάταξη. 9
Οι δοκιμές έγιναν στην πειραματική διάταξη του σχήματος 7, με φόρτιση του δοκιμίου στα τρίτα του ανοίγματος. Τα τέσσερα δοκίμια επέδειξαν καμπτική αστοχία ενώ ένα (SVS) αστόχησε σε διάτμηση. Τα δοκίμια με την καμπτική αστοχία παρουσίασαν σαφή αύξηση της καμπτικής αντοχής λόγω των υλικών ενίσχυσης. Η αύξηση αντοχής σε όλες τις περιπτώσεις ήταν παρόμοια καθώς καθοριστική για την ενίσχυση ήταν η επιφανειακή εφελκυστκή αντοχή του σκυροδέματος. SVM SS3X2M SS12XM SCM SVS Σχήμα 8. Εικόνες των δοκιμίων ανοιγμάτων δοκών, χωρίς ενίσχυση και με ενίσχυση, μετά την δοκιμή. 10
Στα ενισχυμένα δοκίμια η αστοχία επήλθε από την αποκόλληση των πολυμερών από τα δοκίμια. Λόγω της εκτράχυνσης της επιφάνειας των δοκιμίων κατά την αποκόλληση αποσπάστηκε σκυρόδεμα από το δοκίμιο πάνω στο πολυμερές. Άρα η αντοχή αποκόλλησης είναι συνάρτηση της επιφανειακής εφελκυστικής αντοχής του σκυροδέματος που χρησιμοποιήθηκε. Στην περίπτωση αυτή η αντοχή συνάφειας της ρητίνης ήταν μεγαλύτερη από την επιφανειακή εφελκυστική αντοχής του σκυροδέματος. Μέσω της σημαντικής αύξησης του μήκους αγκύρωσης δεν επήλθε διαφοροποίηση της αντοχής ενώ παρατηρήθηκε ελαφρά αύξηση της ικανότητας παραμόρφωσης των δοκιμίων που ενισχύθηκαν με χαλυβδοϋφάσματα έναντι του δοκιμίου που ενισχύθηκε με ελάσματα άνθρακα. Από τις δοκιμές προέκυψε ότι με τις ενισχύσεις επήλθε αύξηση της ικανότητας των δοκών, να φέρουν φορτία, ως και 100%. Για τα ενισχυμένα δοκίμια προέκυψε ότι με το χαλυβδοϋφασμα τύπου 3Χ2 επιτυγχάνεται μεγαλύτερη ικανότητα παραμόρφωσης κατά 13% σε σχέση με το δοκίμιο που ενισχύθηκε με ελάσματα άνθρακα SCM. Με την χρήση χαλυβδοϋφάσματος τύπου 12Χ η αντίστοιχη αύξηση στην ικανότητα παραμόρφωσης ήταν 20%. Αυτό ερμηνεύεται με την παρατήρηση των εφελκυστικών παραμορφώσεων του μεσαίου τρίτου του δοκιμίου όπου για το δοκίμιο που χρησιμοποιήθηκε χαλυβδοϋφασμα τύπου 12Χ η παραμόρφωση ήταν 30% μεγαλύτερη από αυτή του δοκιμίου που ενισχύθηκε με ελάσματα άνθρακα. (α) kn 300 250 200 150 100 50 0 M.D.DISP. - APPL.FORCE SVS SVM SCM SS3X2M SS12XM mm 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 (β) kn 300 250 200 150 100 50 0 H.M.T.DISP. - APPL.FORCE SVS SCM SS3X2M SS12X SVM mm 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 Σχήμα 9. (α) Διαγράμματα δύναμης βύθισης δοκιμίων και (β) διαγράμματα εφελκυστικής παραμόρφωσης μεσαίου τρίτου δοκιμίων δύναμης (L 0 =1.0m). Δεν παρατηρήθηκε αύξηση αντοχής των δοκιμίων στα οποία προβλέφθηκε σημαντικά μεγαλύτερο μήκος αγκύρωσης των υλικών ενίσχυσης. Η αποκόλληση των υλικών ενίσχυσης άρχισε από την θέση επιβολής των δυνάμεων στο πέρας του πρώτου τρίτου του ανοίγματος. Αυτή έγινε για πολύ μικρή ενεργό επιμήκυνση των σύνθετων υλικών σύμφωνα με το σχήμα 9β. Με την έναρξη της 11
αποκόλλησης η τάση συνάφειας παραμένει σταθερή, σύμφωνα με το σχήμα 3α, οπότε και δεν παρατηρείται αύξηση αντοχής παρά την πρόβλεψη μεγαλύτερου μήκους αγκύρωσης στα δοκίμια δοκών. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από τις δοκιμές των χαλυβοϋφασμάτων μετά την εφαρμογή της ρητίνης προσδιορίστηκαν οι τιμές των εφελκυστικών αντοχών και παραμορφώσεων, και βρέθηκαν παρόμοιες με τις τιμές που δίνονται από την κατασκευάστρια εταιρεία. Από τους ελέγχους συνάφειας προέκυψε ότι το μήκος αγκύρωσης πέρα από το ενεργό μήκος δεν επηρεάζει την δύναμη συνάφειας. Αντιθέτως το πλάτος του σύνθετου υλικού επηρεάζει σαφώς την δύναμη συνάφειας, ωστόσο η αύξηση αντοχής δεν είναι ευθέως ανάλογη με την αύξηση του πλάτους. Για την αντοχή συνάφειας των χαλυβδοϋφασμάτων βρέθηκε ότι το μοντέλο που έχει προταθεί από τους Cheng και Teng για σύνθετα υλικά, είναι κατάλληλο προς χρήση και προσέγγισε ικανοποιητικά τις πειραματικές μετρήσεις των δοκιμών συνάφειας. Από τις δοκιμές των δοκών, που αντιπροσώπευαν ανοίγματα, βρέθηκε ότι με την χρήση των χαλυβδοϋφάσματων ενισχύεται η φέρουσα ικανότητα των δοκών μέχρι και 100%, είναι δηλαδή εξίσου αποτελεσματικά με τα ελάσματα άνθρακα. Μετά την αστοχία της ενίσχυσης (αποκόλληση) βρέθηκε ότι η αντοχή των δοκιμίων επανέρχεται στην αντοχή του δοκιμίου χωρίς την ενίσχυση. Τα δοκίμια που ενισχύθηκαν με χαλυβδοϋφάσματα επέδειξαν μεγαλύτερη ικανότητα παραμόρφωσης από ό,τι τα δοκίμια που ενισχύθηκαν με ελάσματα άνθρακα. Κατά την αγκύρωση του υλικού ενίσχυσης πριν τις στηρίξεις δεν επήλθε πρόωρη αποκόλληση αυτού του υλικού. Υπενθυμίζεται ότι τα χαλυβδοϋφάσματα έχουν σημαντικά χαμηλότερο κόστος αγοράς από ό,τι τα ελάσματα άνθρακα. Για την εφαρμογή τους στα στοιχεία σκυροδέματος διαπιστώθηκε δυσκολία στην επικόλληση στην επιφάνεια σκυροδέματος κατά την περίοδο που η ρητίνη ήταν ρευστή. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Το παρόν ερευνητικό πρόγραμμα συγχρηματοδοτείται κατά 67.5% από το Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο, κατά 22.5% από την Γ.Γ.Ε.Τ. στο πλαίσιο του Μέτρου 8.3 του Ε.Π.ΑΝ.- Γ Κ.Π.Σ. και κατά 10% από την εταιρεία Sika Hellas. Τους οπλισμούς που χρησιμοποιήθηκαν στα δοκίμια των δοκών χορήγησε η εταιρεία ΣΙΔΕΝΟΡ ΑΒΕΕ. Η ερευνητική ομάδα εκφράζει τις ευχαριστίες της στους προαναφερθέντες φορείς και εταιρείες. 12
ΑΝΑΦΟΡΕΣ ASTM (American Society for Testing and Materials) ASTM D 3039/D 3039M Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. ASTM, West Conshohocken, PA, 2000. Chen, J., and Teng, J., Anchorage Strength Models for FRP and Steel Plates Bonded to Concrete, Journal of Structural Engineering, Vol.127, No. 7, (2001) pp.784-791. Figeys, W., Schueremans, L., Brosens, K. and Van Gemert, D., Strengthening of Concrete Structures using Steel Wire Reinforcement Polymer, 7th Int. Symp. FRP Reinforcement for Concrete Structures, SP-230, ACI Vol. 1, Farmington Hills, USA, Paper # 43, (2005) pp 743-762. Huang, X., Birman, V., Nanni, A. and Tunis, G. Properties and Potential for Application of Steel Reinforced Polymer (SRP) and Steel Reinforced Grout (SRG) Composites, Composites, Part B,Vol. 36, No 1, (2005) pp. 73-82. Kim, J.Y., Fam, A., Kong, A. and El-Hacha, R., Flexural Strengthening of RC Beams Using Steel Reinforced Polymer (SRP) Composites, 7th Int. Symp. FRP Reinforcement for Concrete Structures, SP-230, ACI Vol. 1, Farmington Hills, USA, Paper # 93, (2005) pp 1647-1664. Mitolidis, G.J., Salonikios, T.N., Kappos A.J., Mechanical and Bond Characteristics of SRP and CFRP Reinforcement A Comparative Research. The Open Construction and Building Technology Journal, Vol. 2, (2008) 207-216. 13