Επισκευή διατομών κατακόρυφων στοιχείων Ο.Σ. μέσω μερικής περίσφιξης και χρήσης ινουφασμάτων

Επισκευή διατομών κατακόρυφων στοιχείων Ο.Σ. μέσω μερικής περίσφιξης και χρήσης ινουφασμάτων Γεώργιος Χ. Μάνος Καθηγητής, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Β. Κουρτίδης Δρ. Πολιτικός Μηχανικός, Επιστημονικός Συνεργάτης, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Λέξεις κλειδιά: Επισκευή, μερική περίσφιξη, ινουφάσματα ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Παρουσιάζονται εδώ τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα μιας πειραματικής διερεύνησης της συμπεριφοράς ομοιωμάτων κατακόρυφων στοιχείων Ο.Σ. ύψους 1600mm και διατομής 300mm by 200mm κατασκευασμένων με πρωτότυπα υλικά. Τα δοκίμια αυτά υποβλήθηκαν σε εντατικό πεδίο μέσω κεντρικής θλίψης, ένταση που αναμένεται να αναπτυχθεί στην βάση τέτοιων κατακόρυφων στοιχείων που υποβάλλονται σε συνδυασμό κατακόρυφων φορτίων και σεισμικής δράσης και οδηγεί την εμφάνιση θλιπτικής αστοχίας. Η επέμβαση σε αυτού του τύπου τις διατομές με λόγο ύψους προς πλάτος μεγαλύτερου του 1.5 (h/b>1.5) στοχεύει στην αποτροπή αυτής της μορφής αστοχίας. Εδώ διερευνάται κατά πόσον αυτό μπορεί να επιτευχθεί μέσω μερικής περίσφιξης χρησιμοποιώντας ινοοπλισμένα πολυμερή υφάσματα άνθρακα (Carbon Fiber Reinforcing Plastic - CFRP). Αυτού του τύπου η μερική περίσφιξη μπορεί να έχει επίσης πεδίο εφαρμογής σε κατακόρυφα στοιχεία που δεν είναι προσβάσιμα από όλες τις πλευρές τους ώστε να μπορεί να εφαρμοστεί ολική περίσφιξη της διατομής τους. Όπως παρατηρήθηκε στην παρούσα διερεύνηση, η κατάλληλη εφαρμογή της μερικής περίσφιξης οδήγησε σε αύξηση κατά 50% την θλιπτική φέρουσα ικανότητα των διατομών που εξετάσθηκαν. Επιπρόσθετα, ενισχύθηκε η παραμορφωσιμότητα των εν λόγω διατομών για φορτία κοντά στην τελική αστοχία της διατομής. Αποδείχθηκε ότι ο κρίσιμος παράγοντας για την αποτελεσματικότητα αυτού του τύπου της μερικής περίσφιξης είναι η αγκύρωση των στρώσεων του ινουφάσματος στην διατομή του Ο.Σ. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Εξετάζεται εδώ η επέμβαση μέσω ινουφασμάτων άνθρακα σε ορθογωνικές διατομές οπλισμένου σκυροδέματος (Ο.Σ.) που έχουν την μια πλευρά τους μεγαλύτερη από την άλλη (h/b > 1.5) με σκοπό την αύξηση της περίσφιξης. Λόγω του μήκους της μεγάλης πλευράς δεν είναι πρακτικό αλλά ούτε και αποτελεσματικό να επιδιωχθεί η αύξηση της περίσφιξης μέσω πλήρους περιτυλίγματος της διατομής με το ινούφασμα. Αντί αυτού το ινούφασμα καλύπτει μέρος μόνο της διατομής και πέραν της συγκολλητικής ρητίνης συνδέεται με την διατομή με την χρήση μεταλλικών αγκυρίων (Σχήμα 1). Εξ αυτού προκύπτει και ο όρος «μερική περίσφιξη». Πιθανές περιπτώσεις εφαρμογής είναι διατομές αυτού του σχήματος σε πυλώνες γεφυρών με στόχο την αποτροπή πρόωρης θλιπτικής αστοχίας στη βάση του πυλώνα από συνδυασμό κατακόρυφων φορτίων και σεισμικών δράσεων (Σχήμα 2.). Η συμπεριφορά αυτού του τύπου των δομικών στοιχείων εξετάσθηκε διεξοδικά στο παρελθόν (Pinto 1996). Αυτού του τύπου «μερική περίσφιξη» μπορεί να έχει επίσης εφαρμογή σε κατακόρυφα δομικά στοιχεία που δεν είναι προσβάσιμα από όλες τους τις πλευρές. Έχουν προταθεί οδηγίες σχεδιασμού για μανδύες ινουφασμάτων και την εφαρμογή τους σε ορθογωνικές διατομές υποστυλωμάτων με διατομές που έχουν λόγο πλευρών h/b < 1.5 (Tsonis 2004). Για τιμές του λόγου των πλευρών μεγαλύτερες του 1.5 έχει προταθεί ο σχεδιασμός κυκλικού ή ελλειπτικού μανδύα. Μια τέτοια λύση όμως για διατομές με λόγο πλευρών 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 1

αρκετά μεγαλύτερο του 1.5 θα οδηγούσε σε μανδύα μεγάλων διαστάσεων που αφενός θα ήταν αμφίβολη η αποτελεσματικότητα του αφετέρου θα ήταν δύσκολη και δαπανηρή η κατασκευή του. Για τους λόγους αυτούς υπάρχει αρκετό ενδιαφέρον να εξετασθούν ευκολότερες και λιγότερο δαπανηρές εναλλακτικές λύσεις που να έχουν σαν αποτέλεσμα την αύξηση της περίσφιξης για τέτοιας μορφής διατομές (h/b > 1.5). Μια τέτοια λύση είναι και αυτή που εξετάζεται εδώ που πήρε το όνομα «μερική περίσφιξη» (Σχήμα 1 partial confinement ). Για να αντιμετωπισθεί το γεγονός ότι οι στρώσεις CFRP δεν τυλίγουν πλήρως την διατομή χρησιμοποιήθηκαν άγκυρια με σκοπό να ενσωματώσουν τα άκρα των ινουφασμάτων στο σώμα της διατομής και να προσδώσουν σ αυτά αυξημένη ικανότητα παραλαβής ελκυσμού, κατά την εγκάρσια διόγκωση του τμήματος που περιβάλλουν όταν αυτό θλίβεται, προσφέροντας έτσι την επιθυμητή μερική περίσφιξη (σχήμα 1). Για να εξετασθεί η αποτελεσματικότητα μιας τέτοιας λύσης εκτελέσθηκε μια αρκετά εκτεταμένη πειραματική διερεύνηση, όπως θα παρουσιασθεί στη συνέχεια. Δοκίμια κατακόρυφων στοιχείων χωρίς ή με «μερική περίσφιξη» που είχε εναλλακτικά σχήματα αγκύρωσης υποβλήθηκαν σε θλιπτικά φορτία. Παρά το γεγονός ότι χρησιμοποιήθηκαν μόνο θλιπτικά φορτία έγινε δυνατό να διερευνηθούν οι κρίσιμοι παράγοντες της μερικής περίσφιξης, όπως θα παρουσιασθεί στη συνέχεια. Σχήμα 1. Διατομή Ο.Σ. με μια πλευρά μεγαλύτερη από την άλλη (h/b>1.5) και «μερική περίσφιξη» με CFRP Σχήμα 2: Μορφή αστοχίας κατά την σεισμική απόκριση. 2 Η ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΔΟΚΙΜΙΩΝ Η αρχική διατομή, που αποτέλεσε την βάση της κατασκευής των δοκιμίων, φαίνεται στα σχήματα 3 α και 3β., με λόγο πλευρών h/b ίσο με 2.5. Αυτή είναι η διατομή ενός φυσικού ομοιώματος πυλώνα γέφυρας που εξετάσθηκε στα πλαίσια ενός εκτεταμένου Ευρωπαϊκού Προγράμματος στο πεδίο δοκιμών της Βόλβης (Manos et.al. 2004). Η διατομή αυτή σχεδιάστηκε επί τούτου ώστε να αναπτύξει καμπτική μορφή αστοχίας στη βάση του ομοιώματος (Σχήμα 2.). Ένας από τους παράπλευρους στόχους του προγράμματος ήταν να διερευνηθούν τρόποι αποτροπής της πρόωρης θλιπτικής αστοχίας των άκρων της διατομής αυτής. Προς τον σκοπό αυτό κατασκευάστηκαν δοκίμια με διατομή αυτή που απεικονίζεται στο σχήμα 3γ. Τα δοκίμια αυτά μπορεί να θεωρηθούν ότι προκύπτουν αν η αρχική τους διατομή διαχωριζόταν από τον διαμήκη κατακόρυφο άξονα συμμετρίας. Αυτό έγινε για να μειωθεί το συνολικό θλιπτικό φορτίο που θα χρειαζόταν για να οδηγήσει μια τέτοια διατομή σε θλιπτική αστοχία, που όπως θα δούμε ήταν μεγαλύτερο των 2000KN. Η τεχνητή αυτή πλευρά των νέων δοκιμίων με την γειτονική της περιοχή ενισχύθηκε με ισχυρότερο εγκάρσιο οπλισμό ώστε να μην είναι αυτή που θα αστοχήσει πρώτη 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 2

θλιπτικά και συμβολίζεται ως «strong-ισχυρή» στο σχήμα 3γ ενώ η εναπομένουσα περιοχή συμβολίζεται ως «weak-ασθενής» και είναι αυτή που αναμένεται να εκδηλωθεί η θλιπτική αστοχία, όπως και έγινε κατά την διάρκεια των πειραμάτων. Η ασθενής περιοχή είναι αυτή που ενισχύεται με τον μανδύα CFRP, όπως ενδεικτικά φαίνεται στο σχήμα 3γ. Όπως ήδη αναφέρθηκε στην διατομή αυτή επιβάλλεται θλιπτικό φορτίο, που δημιουργεί εντατικό πεδίο περίπου παρόμοιο με αυτό που θα είχε η αρχική διατομή αν υποβαλλόταν σε σημαντικά θλιπτικά φορτία σε συνδυασμό με περιορισμένα καμπτικά φορτία από σεισμικές δράσεις. Όλα τα δοκίμια που εξετάσθηκαν είχαν διατομή of 200mm με 300mm και ύψος 1600mm (Σχήμα 3γ). Σχήμα 3α. Αρχική διατομή με λόγο h/b = 2.5 Όλα τα δοκίμια είχαν τις ίδιες κατασκευαστικές λεπτομέρειες διαμήκους και εγκάρσιου οπλισμού που φαίνονται στο σχήμα 4 και κατασκευάστηκαν με την ίδια ποιότητα σκυροδέματος (δες πίνακα 2 στήλη 4). Ορισμένα από τα δοκίμια υποβλήθηκαν στην φορτιστική διαδικασία χωρίς μανδύα για μερική περίσφιξη (παρθένα χωρίς CFRP) ενώ άλλα έχοντας από την αρχή τον μανδύα CFRP για την μερική περίσφιξη. Τέλος, σε ένα σημαντικό αριθμό παρθένων δοκιμίων η μερική περίσφιξη εφαρμόστηκε μετά την αρχική αστοχία τους ως επισκευή (Πίνακας 2 στήλη 3). Σχήμα 3β. Φυσικό ομοίωμα πυλώνα που ελέγχθηκε στο εργαστήριο. Σχήμα 3γ. Διατομή δοκιμίων χωρίς ή με «μερική περίσφιξη» με CFRP Ο χαρακτηρισμός της αποτελεσματικότητας της «μερικής περίσφιξης» βασίσθηκε αφενός στην φέρουσα ικανότητα αφετέρου στην μορφή αστοχίας του δοκιμίου με μερική περίσφιξη συγκριτικά με το δοκίμιο χωρίς μερική περίσφιξη, όπως αναγράφεται στην τελευταία στήλη του πίνακα 1 που ακολουθεί. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 3

Πίνακας 1. Χαρακτηρισμός της αποτελεσματικότητας της μερικής περίσφιξης 1 2 3 Εκδήλωση της θλιπτικής αστοχίας Στην ασθενή περιοχή όπως και στην περίπτωση χωρίς μερική περίσφιξη. Στην ασθενή περιοχή όπως και στην περίπτωση χωρίς μερική περίσφιξη. Τόσο στην ασθενή όσο και στην ισχυρή περιοχή Αύξηση της φέρουσας ικανότητας του δοκιμίου με την μερική περίσφιξη συγκριτικά με το αντίστοιχο δοκίμιο χωρίς μερική περίσφιξη. Μικρή αύξηση Αρκετή αύξηση Σημαντική αύξηση Κατηγορία Αποτελεσματικότητα της μερικής περίσφιξης μικρή αρκετή σημαντική 3 Η ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΩΝ ΔΟΚΙΜΙΩΝ Οκτώ πανομοιότυπα δοκίμια (specimens) χρησιμοποιήθηκαν στην πειραματική ακολουθία. Στον πίνακα 2 δίδεται η συνοπτική τους περιγραφή ως προς την αρχική και την επισκευασμένη κατάστασή τους, αναφορικά με την ύπαρξη ή μη μερικής περίσφιξης. Η μερική περίσφιξη καταδεικνύεται με το σύμβολο CFRP, ενώ ο αριθμός μπροστά από αυτό το σύμβολο αναφέρεται στο αριθμό επάλληλων στρώσεων του ινουφάσματος. Στον ίδιο πίνακα αναγράφεται ο αριθμός της δοκιμής (Test). Κατά την δοκιμή 1 γίνεται η θλιπτική φόρτιση ενός παρθένου δοκιμίου για πρώτη φορά. Οι δοκιμές 2, 3 και 4 είναι τρεις επαναληπτικές θλιπτικές φορτίσεις μετά από σχετικές διαδοχικές επισκευές του ίδιου δοκιμίου. Από το συνολικό ύψος των δοκιμίων, μόνο το μεσαίο τμήμα ύψους 580mm αφέθηκε ελεύθερο να αναπτύξει θλιπτική αστοχία (δες σχήμα 5 όπου η περιοχή αυτή συμβολίζεται ως CROSS SECTION A). Η διατομή του τμήματος αυτού είναι αυτή που απεικονίζεται στο σχήμα 4. Το υπόλοιπο άνω και κάτω τμήμα του δοκιμίου του σχήματος 5, ύψους 510mm το καθένα, εγκλωβίστηκε μέσα σε ειδικές χαλύβδινες σιαγόνες που προσδίδουν περίσφιξη πολύ υπέρτερη αυτής του μεσαίου τμήματος ώστε η θλιπτική αστοχία να οδηγείται να εκδηλωθεί στο μεσαίο τμήμα (δες επίσης το σχήμα 6 ). Με τον τρόπο αυτό περιορίστηκε το κόστος της μερικής περίσφιξης και η εφαρμογής της στο μεσαίο τμήμα και έγινε ευκολότερη η επαναληπτική επισκευή των δοκιμίων. Όπως ήδη αναφέρθηκε, ο μανδύας CFRP που υλοποίησε την μερική περίσφιξη κάλυψε τις τρεις πλευρές της διατομής αφήνοντας την τέταρτη ακάλυπτη (σχήμα 4). Χρησιμοποιήθηκαν 8 παρθένα δοκίμια (τα 1, 1a, 3, 3a, 4, 4a, 5, and 5a, Πίνακας 2), μερικά από αυτά χωρίς μανδύα CFRP (1, 3, 5a) και τα υπόλοιπα με μανδύα (1a, 3a, 4, 4a, 5, ). Μετά την πρώτη δοκιμή επακολούθησε επισκευή των δοκιμίων και επαναφόρτισή τους. Ο συνολικός αριθμός των δοκιμών σε παρθένα και επισκευασμένα δοκίμια ήταν 17. Η αγκύρωση των στρώσεων CFRP έγινε στις δύο επιμήκεις πλευρές σε δύο σειρές τόσο στην ασθενή όσο και στην ισχυρή περιοχή. Από την συμπεριφορά του δοκιμίου κατά την φόρτισή του ως προς το μέγιστο φορτίο και τον τύπο της αστοχίας έγινε η εκτίμηση της αποτελεσματικότητας της μερικής περίσφιξης (Πίνακας 1). Επιπρόσθετα, η συμπεριφορά των στρώσεων CFRP και των τμημάτων της αγκύρωσης στην οριακή κατάσταση χρησίμευσε στο να βρεθούν οι παράγοντες που εξασκούν επίμέρους θετική ή αρνητική επιρροή στη συνολική απόκριση του δοκιμίου. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 4

Σχήμα 5. Λεπτομέρειες όπλισης των δοκιμίων. 4 ΚΡΙΣΙΜΟΙ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΚΑΙ Η ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΟΥΣ Οι εξής παράμετροι θεωρήθηκε ότι είναι κρίσιμοι και έχουν ενδιαφέρουν να εξετασθούν, όπως φαίνεται και από τα αποτελέσματα που περιλαμβάνονται στον πίνακα 3. 1 ον. Ο τύπος της αγκύρωσης των στρώσεων CFRP, 2 ον. Ο αριθμός των στρώσεων CFRP. Ο αριθμός των στρώσεων γίνεται κρίσιμος εφόσον η αγκύρωσή τους συμπεριφερθεί ικανοποιητικά. Σε ένα μεγάλο αριθμό δοκιμίων παρατηρήθηκε αστοχία της αγκύρωσης (1, 1a, 3, 3a, 4 and 4a) περιορίζοντας με αυτόν τον τρόπο την αποτελεσματικότητα της μερικής περίσφιξης και την αύξηση της φέρουσας ικανότητας. Στον πίνακα 3 αναφέρεται η χρήση δύο τύπων αγκυριών, όπου ως αγκύρια 1 συμβολίζονται χαλύβδινα βύσματα διαμέτρου 7mm και μήκους 60mm που δεν διαπερνούν όλη την διατομή ενώ ως αγκύρια 2 συμβολίζονται χαλύβδινα βύσματα διαμέτρου 10mm που διαπερνούν όλη την διατομή με μήκος 220mm (πίνακας 3 στήλες 5 και 6). Σχήμα 5. Δοκίμιο με μανδύα μερικής περίσφιξης CFRP στο μεσαίο τμήμα και με το άνω και κάτω τμήμα εγκλωβισμένα μέσα σε χαλύβδινες σιαγόνες. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 5

Στα δοκίμια 5 (δοκιμή 4) και 5a (δοκιμή 2 και 3), μέσω της βελτίωσης της αγκύρωσης, σημειώθηκε αύξηση της φέρουσας ικανότητας σχεδόν 50% σε σχέση με το αντίστοιχο δοκίμιο χωρίς μερική περίσφιξη (δοκίμιο 1 δοκιμή 1). Για τα δοκίμια αυτά η αύξηση της αντοχής, αν ως βάση σύγκρισης χρησιμοποιηθεί η κυλινδρική αντοχή του απερίσφικτου σκυροδέματος, φθάνει ως 230% (δοκίμιο5a δοκιμή 3). Στην περίπτωση αυτή η θλιπτική αστοχία επεκτάθηκε σε όλη την διατομή (περικλείοντας τόσο την ασθενή όσο και την ισχυρή περιοχή της διατομής). Η ικανοποιητική αυτή συμπεριφορά της αγκύρωσης επέτρεψε την χρησιμοποίηση σχετικά μεγάλου αριθμού στρώσεων CFRP που στην περίπτωση του δοκιμίου 5a δοκιμή 3 ήταν 7 στρώσεις και πρόσθετες 4 στρώσεις στην περιοχή της αγκύρωσης. Κατά την επισκευή των δοκιμίων και εφόσον το σκυρόδεμα της μεσαίας περιοχής είχε αποδιοργανωθεί αντικαταστάθηκε με καινούργιο σκυρόδεμα υψηλής αντοχής (ΕΜΑCO) χωρίς να αλλοιωθούν οι κατασκευαστικές λεπτομέρειες των οπλισμών και η γεωμετρία της διατομής. Όταν η αποτελεσματικότητα της μερικής περίσφιξης ήταν μικρή αυτή η προσθήκη του σκυροδέματος υψηλής αντοχής δεν επέφερε καμιά ουσιαστική βελτίωση στην φέρουσα ικανότητα, όπως μπορεί να συναχθεί από την σύγκριση του μέγιστου φορτίου κατά την δοκιμή 2 και κατά την δοκιμή 1 για το δοκίμιο 1 (δες πίνακα 3). Πίνακας 2: Περιγραφή των δοκιμίων και των δοκιμών στις οποίες υποβλήθηκαν. Παρθένα Δοκίμια Ύπαρξη μερικής περίσφιξης Επισκευασμένα Δοκίμια Κυλινδρική Αντοχή του απερίσφικτου σκυροδέματος (Mpa)* (1) (2) (3) (4) Δοκίμιο1 όχι 28.0 3+(2) CFRP Δοκίμιο1a 3 CFRP 25.8 (στρώσεις) 3 GFRP Δοκίμιο 3 όχι 27.6 3+(2) CFRP Δοκίμιο3a 5 CFRP 27.6 (στρώσεις) 5 CFRP Δοκίμιο 4 5 CFRP 27.7 (στρώσεις) Δοκίμιο4a 5 CFRP 27.7 (στρώσεις) Δοκίμιο 5 5+(2) CFRP (στρώσεις), 5+2 CFRP Δοκιμή 3, 5+2 CFRP 27.6 Δοκιμή 4, 7 CFRP Δοκίμιο5a όχι, 7 CFRP 25.8 Δοκιμή 3 7+4 CFRP 5 ΕΝΟΡΓΑΝΩΣΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΥΡΕΣΗ ΜΙΑΣ ΜΕΣΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΤΑΣΗΣ- ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ Εκτός από την μέτρηση του αξονικού φορτίου μετρήθηκαν οι παραμορφώσεις του μεσαίου τμήματος, με δύο αισθητήρια για κάθε πλευρά της διατομής, μέσω ενός συστήματος συνεχούς καταγραφής. Παρά το γεγονός ότι οι παραμορφώσεις του μεσαίου τμήματος όταν πλησίαζε στην οριακή κατάσταση δεν ήταν ομοιόμορφες, όπως φαίνεται στο σχήμα 7, βρέθηκε μια μέση αξονική βράχυνση όλης της διατομής και μια μέση αξονική θλιπτική τάση. Η συγκριτική συμπεριφορά των δοκιμίων γίνεται στην επόμενη παράγραφο μέσω αυτών των διαγραμμάτων μέσης αξονικής τάσης 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 6

(average axial stress) μέσης αξονικής βράχυνσης (average axial strain). Μια πρόσθετη μέτρηση αφορά την εγκάρσια οριζόντια εφελκυστική παραμόρφωση που αναπτύχθηκε στην εξωτερική επιφάνεια των στρώσεων CFRP, που μετρήθηκε στο μέσον της στενής πλευράς. Η μέτρηση αυτή εφόσον λαμβάνει συγκριτικά μεγάλες τιμές είναι μια πρόσθετη ένδειξη της αποτελεσματικότητας της μερικής περίσφιξης. Πίνακας 3: Περιληπτική περιγραφή της συμπεριφοράς των δοκιμίων Αριθ. Δοκιμίου Παρθέ νο Επικέυασμένο Αριθμ. Στρώσεων CFRP Αγκύρια-1 Αγκύρια-2 + ροδέλες Μέση μέγιστη τάση (Mpa) Μορφή αστοχίας (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) 1 Δοκιμή 1 Ναι Όχι No No No 41.12 (146.9%)* Ασθενές τμήμα 1 Όχι Ναι / 3 (+2) Ναι Ναι 41.69 Αγκύρια EMACO (148.9%) 1a Δοκιμή 1 Ναι Όχι 3 Ναι 45.78 (177.4%) Εξόλκευση άγκυρια-1 3 Ναι Όχι No No 40.79 (147.7%) Ασθενές τμήμα 3 Όχι Ναι 3 (+2) Ναι Ναι 45.78 αγκύρια (165.9%) 3a Ναι Όχι 5 Ναι Ναι 47.09 αγκύρια (170.6%) 3a Όχι Ναι / 5 Ναι Ναι 42.51 αγκύρια EMACO (154.0%) 4 Ναι Όχι 5 No Ναι ασθενή 46.60 αγκύρια (168.2%) 4a Ναι Όχι 5 No Ναι ασθενή 45.53 αγκύρια (164.4%) 5 Ναι Όχι 5 (+2) No Ναι ισχυρή 53.96 (195.5%) Χαλύβδινες σιαγόνες 5 Ναι - 5 (+2) No Ναι ισχυρή 55.26 (200.2%) Χαλύβδινες σιαγόνες 5 Δοκιμή 3 - Ναι Top / EMAKO 5 (+2) No Ναι ισχυρή 53.96 (195.5%) Στρώσεις CFRP στο 5 Δοκιμή 4 5a κάμψη 5a 5a Δοκιμή 3 Όχι Ναι / EMAKO 7 No Ναι ισχυρή 58.86 (213.3) Ναι Όχι No No No 40.88 (158.4%) Όχι Ναι 7 No Ναι ισχυρή Όχι Ναι 7 +4 No Ναι ισχυρή * Ποσοστό % της αντίστοιχης κυλινδρικής αντοχής του απερίσφικτου σκυροδέματος. 57.23 (221.8%) 60.17 (233.2%) μέσο Ισχυροί συνδετήρες Ασθενές τμήμα Στρώσεις CFRP στο μέσο Ισχυρό τμήμα 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 7

6 ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ ΕΠΙ ΤΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 6.1. Μερική περίσφιξη μικρής αποτελεσματικότητας. Στα σχήματα 6α και 6β απεικονίζεται η συμπεριφορά του δοκιμίου 1 (δοκιμή 2 με 3 στρώσεις CFRP) και του δοκιμίου 3α (δοκιμή 1 με 5 στρώσεις CFRP) και συγκρίνεται με την συμπεριφορά του δοκιμίου 1 (δοκιμή 1) χωρίς μερική περίσφιξη. Στο σχήμα 6α φαίνεται ότι το επισκευασμένο δοκίμιο 1 (δοκιμή 2 με 3 στρώσεις CFRP και EMACO) αστόχησε σε θλίψη με την ίδια περίπου φέρουσα ικανότητα με το αντίστοιχο απερίσφικτο δοκίμιο αλλά με μεγαλύτερη παραμορφωσιμότητα από αυτό. Η αποτελεσματικότητα της μερικής περίσφιξης είναι μικρή λόγω της αστοχίας της αγκύρωσής της. Στο σχήμα 6β φαίνεται ότι το επισκευασμένο δοκίμιο 3a (δοκιμή 1) παρά την αύξηση των στρώσεων της μερικής περίσφιξης σε 5 στρώσεις CFRP παρουσίασε επίσης μικρή αποτελεσματικότητα της μερικής περίσφιξης λόγω και πάλιν αστοχίας της αγκύρωσής της. Στο σχήμα 7 απεικονίζεται η παρατηρηθείσα συμπεριφορά του δοκιμίου 4 (δοκιμή 1). Σχήμα 6α. Μερική περίσφιξη μικρής αποτελεσματικότητας Σχήμα 6β. Μερική περίσφιξη μικρής αποτελεσματικότητας Πρόκειται για ένα παρθένο δοκίμιο με 5 στρώσεις CFRP. Σε αυτήν την περίπτωση αυξήθηκε το μήκος των αγκυρίων. Εντούτοις αποδείχτηκε ότι αυτό δεν ήταν αρκετό για να αυξήσει σημαντικά την αποτελεσματικότητα της μερικής περίσφιξης που και πάλι αδρανοποιήθηκε λόγω αστοχίας της αγκύρωσής της. Το σχήμα 8α απεικονίζει την αστοχία ενός παρθένου δοκιμίου χωρίς μερική περίσφιξη ενώ στο σχήμα 8β φαίνεται η αστοχία της αγκύρωσης για μερική περίσφιξη μικρής αποτελέσματικότητας Σχήμα 7. Δοκίμιο 4 (5 στρώσεις CFRP) Σύγκριση με Δοκίμιο 1 (χωρίς CFRP) 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 8

Σχήμα 8a. Παρθένο δοκίμιο χωρίς μερική περίσφιξη Σχήμα 8b. Αστοχία της αγκύρωσης. Μικρή αποτελεσματικότητα της μερικής περίσφιξης. Σχήμα 8c. Εφελκυστική αστοχία των στρώσεων CFRP. Αρκετή αποτελεσματικότητα της μερικής περίσφιξης. 6.2. Μερική περίσφιξη με αρκετή αποτελεσματικότητα. Στο σχήμα 9α συγκρίνεται η συμπεριφορά του δοκιμίου 5 (δοκιμή 3 με 5+2 στρώσεις CFRP) με την συμπεριφορά του δοκιμίου 1 (δοκιμή 1) χωρίς μερική περίσφιξη. Το δοκίμιο 5 (δοκιμή 3) προέκυψε από προηγούμενη δοκιμή όπου το δοκίμιο αυτό αστόχησε και επισκευάστηκε με σκυρόδεμα υψηλής αντοχής (EMACO) καθώς και με μερική περίσφιξη από 5 στρώσεις CFRP και δύο (+2) πρόσθετες στρώσεις CFRP στην περιοχή της αγκύρωσης που υπέστη έναν βαθμό βελτίωσης. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα να μην αστοχήσει η αγκύρωση αλλά οι στρώσεις CFRP της κεντρικής ζώνης σε εφελκυσμό (δες σχήμα 8γ) και να παρατηρηθεί μια αξιοσημείωτη αύξηση της φέρουσας ικανότητας κατά 31% με βάση σύγκρισης την φέρουσα ικανότητα του παρθένου απερίσφικτου δοκιμίου 1 (). Σχήμα 9a. Μερική περίσφιξη με αρκετή αποτελεσματικότητα (Δοκίμιο 5 Δοκιμή 3) Σχήμα 9b Μερική περίσφιξη με αρκετή (Δοκίμιο 5 Δοκιμή 3) και μικρή (Δοκίμιο 4 ) αποτελεσματικότητα 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 9

Στο σχήμα 8γ φαίνονται οι μικρές χαλύβδινες πλάκες των αγκυρίων να είναι στη θέση τους στο τέλος του πειράματος παρά την αστοχία των CFRP και στη συνέχεια την θλιπτική αποδιοργάνωση του σκυροδέματος της ασθενούς περιοχής. Το σχήμα 9β περιλαμβάνει επιπρόσθετα την συμπεριφορά του δοκιμίου 4 (δοκιμή 1) με μερική περίσφιξη μικρής αποτελεσματικότητας λόγω αστοχίας της αγκύρωσής της. 6.3. Μερική περίσφιξη σημαντικής αποτελεσματικότητας. Στο σχήμα 10α συγκρίνεται η συμπεριφορά του δοκιμίου 5 (δοκιμή 4 με 7 στρώσεις CFRP) και του δοκιμίου 5a (δοκιμή 2 με 7 στρώσεις CFRP) με την συμπεριφορά του δοκιμίου 1 (δοκιμή 1) χωρίς μερική περίσφιξη και με αυτή του δοκιμίου 5 (Δοκιμή 3) που συζητήθηκε στην προηγούμενη παράγραφο ως αρκετής αποτελεσματικότητας. Στην περίπτωση των δύο νέων δοκιμών (δοκίμιο 5-δοκιμή 4 και δοκίμιο 5a-δοκιμή 2) η μερική περίσφιξη περιλάμβανε 7 στρώσεις CFRP. Επιπρόσθετα χρησιμοποιήθηκαν άγκυρα που διαπερνούσαν την διατομή από άκρου εις άκρον του πλάτους της ισχυρής περιοχής (Πίνακας 3 και σχήμα 4). Όπως φαίνεται στο σχήμα 10α παρατηρήθηκε μια σημαντική αύξηση στην φέρουσα ικανότητα (40%) και στη παραμορφωσιμότητα των δοκιμίων αυτών (δοκίμιο 5-δοκιμή 4 και δοκίμιο 5a-δοκιμή 2) σε σύγκριση τόσο με το απερίσφικτο δοκίμιο όσο και με το δοκίμι 4 (δοκιμή 1) του οποίου η μερική περίσφιξη χαρακτηρίστηκε προηγουμένως ως αρκετής αποτελεσματικότητας. Για αυτό και στην περίπτωση αυτή η μερική περίσφιξη χαρακτηρίστηκε για τα δοκίμια αυτά (δοκίμιο 5-δοκιμή 4 και δοκίμιο 5aδοκιμή 2) ως σημαντικής αποτελεσματικότητας. Σχήμα 10a. Δοκίμιο 5 δοκιμή 4 και δοκίμιο 5aδοκιμή 2. Μερική περίσφιξη σημαντικής αποτελεσματικότητας Σχήμα 10b Δοκίμιο 5a - δοκιμή 3. Μερική περίσφιξη σημαντικής αποτελεσματικότητας Στην οριακή του κατάσταση το δοκίμιο 5 (δοκιμή 4) συνοδεύτηκε από αστοχία των συνδετήρων της ισχυρής περιοχής ενώ το δοκίμιο 5a (δοκιμή 2) στην οριακή του κατάσταση συνοδεύτηκε από εφελκυστική αστοχία των στρώσεων CFRP στην κεντρική ζώνη. Στο σχήμα 10β συγκρίνεται επιπρόσθετα η συμπεριφορά του δοκιμίου 5a (δοκιμή 3) που και αυτή μπορεί να χαρακτηρισθεί ως μερική περίσφιξη σημαντικής αποτελεσματικότητας. Το τελευταίο αυτό δοκίμιο 5a (δοκιμή 3) είχε μερική περίσφιξη με 7 στρώσεις CFRP. Επιπρόσθετα η περιοχή της αγκύρωσης είχε τέσσερις πρόσθετες στρώσεις (+4) CFRP και άγκυρα που διαπερνούσαν όλη την διατομή. Τέλος οι συνδετήρες της ισχυρής περιοχής ισχυροποιηθήκαν μέσω συγκολλήσεως, όπως φαίνεται 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 10

στο σχήμα 11α. Η αύξηση που σημειώθηκε στην φέρουσα ικανότητα ήταν η μεγαλύτερη όλης της πειραματικής ακολουθίας (46%). Αξιοσημείωτη αύξηση σημειώθηκε και στην παραμροφωσιμότητα. Η οριακή κατάσταση για το δοκίμιο αυτό συνοδεύτηκε από εφελκυστική αστοχία των στρώσεων CFRP στην κεντρική ζώνη κοντά στις χαλύβδινες σιαγόνες (σχήμα 11β). Σχήμα 11α. Ισχυροποίηση των συνδετήρων της ισχυρής περιοχής μέσω συγκολλήσεως Σχήμα 11β. Εφελκυστική αστοχία των στρώσεων CFRP στην κεντρική ζώνη κοντά στις χαλύβδινες σιαγόνες 7 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ - Η ανεπιθύμητη θλιπτική αστοχία, που αναμένεται να εκδηλωθεί στην βάση κατακόρυφων στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος σε διατομές με λόγο πλευρών h/b μεγαλύτερο του 1.5, κάτω από την επίδραση θλιπτικής και καμπτικής έντασης από κατακόρυφες και σεισμικές δράσεις μελετήθηκε μέσω δοκιμίων με μερική περίσφιξη CFRP σαν πρακτικό τρόπο αναβάθμισης της συμπεριφοράς τους. Αυτός ο τύπος της επέμβασης μπορεί να χρησιμοποιηθεί επίσης σε κατακόρυφα δομικά στοιχεία που δεν είναι προσβάσιμα από όλες τις πλευρές τους. - Από τα αποτελέσματα της πειραματικής ακολουθίας με πανομοιότυπα δοκίμια (με ή χωρίς μερική περίσφιξη / παρθένα ή επισκευασμένα) καταδείχθηκε ότι μια τέτοια τεχνική μπορεί, υπό προϋποθέσεις να είναι αρκετά ως σημαντικά αποτελεσματική. Παρατηρήθηκε σε ορισμένα δοκίμια σημαντική αύξηση τόσο της φέρουσας ικανότητας (έως 50%) και της παραμορφωσιμότητας στην επιβαλλόμενη θλιπτική συμπεριφορά. - Βρέθηκε μέσω της πειραματικής διερεύνησης ότι για να επιτευχθεί η αποτελεσματική μερική περίσφιξη κρίσιμο παράγοντα αποτελεί η αγκύρωση των στρώσεων CFRP στο σώμα της διατομής. Ο ικανοποιητική αγκύρωση επιτρέπει αφενός την εφαρμογή ικανού αριθμού στρώσεων αφετέρου την ανάπτυξη στις στρώσεις αυτές ικανής εφελκυστικής δύναμης που ως ανάδραση πραγματοποιεί την περίσφιξη και την βελτίωση της θλιπτικής συμπεριφοράς. Στην παρούσα διερεύνηση εξετάσθηκαν διάφορα σχήματα αγκύρωσης δεδομένης της γεωμετρίας και των κατασκευαστικών λεπτομερειών της διατομής των δοκιμίων. Περαιτέρω διερεύνηση τέτοιων 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 11

σχημάτων αγκύρωσης απαιτείται για να διευρυνθεί η ισχύς των συμπερασμάτων ως προς την γεωμετρία των διατομών και την όπλισή τους ΑΝΑΦΟΡΕΣ. Manos, G.A., et.al (2004) Dynamic and Earthquake Response of Model Structures at the Volvi Greece European Test Site, Proceedings of the 13 th World Conference of Earthquake Engineering, Vancouver, B.C., Canada, August 1-6, 2004. Paper No. 787. Pinto A. V., editor 1996. Pseudodynamic and Shaking Table Tests on R.C. Bridges. ECOEST PREC*8 Report No. 8, November 1996. Tsonis, G (2004) Seismic Assessment and Retrofit of Existing Reinforced Concrete Bridges, Ph.D. Thesis, Politecnico di Milano. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ. Η παρούσα εργασία χρηματοδοτήθηκε εν μέρη από την Ευρωπαϊκή Ένωση στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος Euro-Risk EVG1-CT-2001-00040. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου., 2006 12