Γ. Χ. ΜΑΝΟΣ 1, Κ. ΚΑΤΑΚΑΛΟΣ 2, Β. ΚΟΥΡΤΙΔΗΣ 3, Χ. ΜΗΤΣΑΡΑΚΗΣ 4

3 o Πανελλήνιο Συνέδριο Αντισεισμικής Μηχανικής & Τεχνικής Σεισμολογίας 5 7 Νοεμβρίου, 2008 Άρθρο 1776 Διερεύνηση της Αγκύρωσης Ινοϋφασμάτων από Άνθρακα για την Επισκευή/Ενίσχυση Κατακόρυφων Στοιχείων από Οπλισμένο Σκυρόδεμα. The Anchorage of CFRP Sheets for the Strengthening of Vertical Reinforced Concrete Members. Γ. Χ. ΜΑΝΟΣ 1, Κ. ΚΑΤΑΚΑΛΟΣ 2, Β. ΚΟΥΡΤΙΔΗΣ 3, Χ. ΜΗΤΣΑΡΑΚΗΣ 4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Διερευνάται η εφαρμογή ανθρακο-ινοϋφασμάτων (CFRP) για την ενίσχυση κατακόρυφων δομικών στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα με επιμήκη διατομή (μεσόβαθρα) που κυριαρχούνται από καμπτικής μορφής αστοχία. Η εξέταση επικεντρώθηκε στην βελτίωση δύο επί-μέρους μηχανισμών που συμβάλουν στην καμπτική φέρουσα ικανότητα. Δηλαδή της θλιπτικής αστοχίας που προκύπτει από την συγκέντρωση θλιπτικής έντασης στην άκρη της διατομής και της εφελκυστικής αστοχίας των διαμήκων οπλισμών. Η βελτίωση και των δύο αυτών μηχανισμών επιχειρήθηκε με την εξωτερική επικόλληση και αγκύρωση οριζόντιων και κατακόρυφων λωρίδων CFRP. Κρίσιμο στοιχείο μιας τέτοιας επισκευής/ενίσχυσης αποτελεί η αγκύρωση των αντίστοιχων λωρίδων CFRP. Κατασκευάστηκαν και ελέγχθηκαν στο εργαστήριο φυσικά ομοιώματα ώστε να εξετασθεί η βελτίωση του ενός ή του άλλου μηχανισμού ξεχωριστά. Αναδείχθηκε ότι κρίσιμο σημείο της επιδιωκόμενης βελτίωσης και για τους δύο μηχανισμούς αποτελεί η αποτελεσματικότητα της αγκύρωσης των λωρίδων CFRP ώστε αφενός να προκύπτει ικανοποιητική περίσφιξη για την βελτίωση της θλιπτικής αντοχής αφετέρου να μπορούν οι εξωτερικές λωρίδες CFRP να λειτουργήσουν ικανοποιητικά εν είδει διαμήκους οπλισμού. ABSTRACT : The upgrading of the flexural capacity of reinforced concrete (R/C) vertical members having relatively long cross-sections is examined by externally applying CFRP sheets. The aim is to improve both the compressive behavior at the edges of such crosssections as well as the tensile capacity of the longitudinal reinforcement. Horizontal and vertical CFRP layers were applied externally to meet both requirements; that is to improve the compressive behavior by means of confinement and to act as external longitudinal reinforcement. For both cases it is critical to apply the CFRP sheets effectively so that they can perform in the desired capacity. The current experimental investigation is focusing on the effective anchoring of the CFRP sheets, which is shown that for both cases is of the utmost importance. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1 Καθηγητής, Τμήμα Πολ. Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, email: gcmanos@civil.auth.gr 2 Πολιτικός Μηχανικός, Υποψήφιος Διδάκτορας, Τμήμα Πολ. Μηχανικών, Α.Π.Θ. 3 4 Δρ. Πολιτικός Μηχανικός, Επ. Συνεργάτης, Τμήμα Πολ. Μηχανικών, Α.Π.Θ. Πολιτικός Μηχανικός, Τμήμα Πολ. Μηχανικών, Α.Π.Θ.

Η χρησιμοποίηση ινοϋφασμάτων που επικολλώνται εξωτερικά για την βελτίωση της συμπεριφοράς δομικών στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος (Ο/Σ) προτείνεται ως μια πρακτική με πολλαπλές εφαρμογές με κύρια πλεονεκτήματα την ευκολία της εφαρμογής τους και τις δυνατότητες που παρέχουν. Η κυρίαρχη μηχανική τους ιδιότητα είναι η σχετικά μεγάλη εφελκυστική αντοχή τους στην διεύθυνση παράλληλα με τον κύριο άξονα των ινών. Όπως θα παρουσιαστεί στην παρούσα εργασία, με στόχο την βελτίωση της καμπτικής συμπεριφοράς κατακόρυφων δομικών στοιχείων Ο/Σ επιμήκους διατομής με την χρήση ινοϋφασμάτων, θα εξετασθεί η σπουδαιότητα της αποτελεσματικής αγκύρωσης των λωρίδων CFRP για την απαιτούμενη μεταφορά των δυνάμεων που οι διατομές των CFRP μπορούν να παραλάβουν στις θέσεις που αυτές οι διατομές πρακτικά διακόπτονται. Μόνον ο σχεδιασμός και η υλοποίηση κατάλληλων μέσων αγκύρωσης επιτρέπει την πλήρη αξιοποίηση των λωρίδων CFRP και σε άλλες εφαρμογές πέραν αυτής της πλήρους περιτύλιξης ενός τμήματος δομικού στοιχείου από μία συνεχή λωρίδα ινοϋφάσματος σε επάλληλες στρώσεις μέσα από τις δυνάμεις συνάφειας που αναπτύσσονται στις πολλαπλές επιφάνειες επαφής των επάλληλων στρώσεων. Η εξέταση κατάλληλων μέσων αγκύρωσης στην παρούσα εργασία θα επιχειρηθεί στο πλαίσιο της ενίσχυσης - βελτίωσης της καμπτικής φέρουσας ικανότητας κατακόρυφων φερόντων στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα (Ο/Σ) με επιμήκη διατομή που χρησιμοποιούνται μεταξύ των άλλων ως μεσόβαθρα γεφυρών όπως φαίνεται στο σχήμα 1 (Kawashima, 2000). Σχήμα 1. Καμπτική απόκριση μεσόβαθρου. Σχήμα 2. Φυσικό ομοίωμα υπό κλίμακα μεσόβαθρου που εξετάστηκε στο εργαστήριο. Στο πρώτο μέρος της παρούσας εργασίας παρουσιάζονται συνοπτικά τα πλέον ενδιαφέροντα αποτελέσματα και συμπεράσματα μιας πειραματικής εξέτασης όπου επιχειρήθηκε να βελτιωθεί ως έναν βαθμό η θλιπτική συμπεριφορά τμημάτων τέτοιας μορφής διατομών σε κατακόρυφα δομικά στοιχεία μέσω ενός συστήματος «μερικής περίσφιξης». Η περίσφιξη αυτή μπορεί να επιτευχθεί με την κατάλληλη επικόλληση κατά την οριζόντια διεύθυνση λωρίδων από ανθρακο-ινοϋφάσματα (CFRP) που, όπως θα περιγραφεί στην συνέχεια, δεν περιτυλίγουν την εν λόγω διατομή (σχήμα 3). Το σύστημα αυτό των οριζόντιων λωρίδων CFRP εφαρμόστηκε σε μια σειρά δοκιμίων που στην συνέχεια φορτίστηκαν μέχρις αστοχίας στο εργαστήριο Πειραματικής Αντοχής των Υλικών και των Κατασκευών του Α.Π.Θ. (Μanos and Kourtides 2007). Στο δεύτερο μέρος της παρούσης εργασίας εξετάζεται η δυνατότητα βελτίωσης της καμπτικής φέρουσας ικανότητας κατακορύφων φερόντων 2

στοιχείων Ο/Σ και πάλιν επιμήκους διατομής με την προσθήκη στις εξωτερικές παρειές του δομικού στοιχείου λωρίδων CFRP που να μπορούν να ενεργήσουν εν είδει διαμήκων οπλισμών (Paterson and Mitchell, 2003). Στην περίπτωση αυτή επικολλήθηκαν στις δύο ακραίες κατακόρυφες παρειές των σχετικών δοκιμίων λωρίδες CFRP ενεργές κατά την κατακόρυφη έννοια εν είδει διαμήκους οπλισμού. Εξετάσθηκε και εδώ η δυνατότητα βελτίωσης της καμπτικής συμπεριφοράς των δοκιμίων (σχήμα 2) που υποβλήθηκαν σε σχετική φόρτιση μέχρις αστοχίας στο εργαστήριο Πειραματικής Αντοχής των Υλικών και των Κατασκευών του Α.Π.Θ. Και στις δύο περιπτώσεις θα παρουσιαστεί και θα συζητηθεί η σπουδαιότητα της αγκύρωσης για την μεταφορά των δυνάμεων που οι διατομές των λωρίδων CFRP μπορούν να παραλάβουν στις θέσεις που αυτές οι διατομές πρακτικά διακόπτονται ώστε να καταστεί αποτελεσματική η εφαρμογή των λωρίδων CFRP στις υπό εξέταση περιπτώσεις. ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΘΛΙΠΤΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΜΙΑΣ ΕΠΙΜΗΚΟΥΣ ΔΙΑΤΟΜΗΣ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΟΥ ΔΟΜΙΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ Ο/Σ ΜΕΣΩ ΜΕΡΙΚΗΣ ΠΕΡΙΣΦΙΞΗΣ. Παρουσιάζεται εδώ η δυνατότητα βελτίωσης της θλιπτικής συμπεριφοράς του ακραίου τμήματος μιας επιμήκους διατομής, με λόγο ύψους προς πλάτος μεγαλύτερο του 1.5 (h/b > 1.5), ενός κατακόρυφου δομικού στοιχείου Ο/Σ. Η θλιπτική αστοχία του ακραίου τμήματος αυτής της επιμήκους διατομής στις σε τέτοιας μορφής πρωτότυπα δομικά στοιχεία μπορεί να προκύψει από την αυξημένη θλιπτική ένταση που αναπτύσσεται στις εν λόγω περιοχές από τον συνδυασμό τόσο των κατακόρυφων αξονικών φορτίων όσο και της καμπτικής απόκρισης λόγω των σεισμικών δράσεων. Η συμπεριφορά τέτοιου τύπου δομικών στοιχείων εξετάσθηκε διεξοδικά από τον Pinto (Pinto, 1996). Για διατομές με λόγο ύψους (h το συνολικό ύψος της διατομής) προς πλάτος (b το συνολικό πλάτος της διατομής) μικρότερο του 1.5 (h/b < 1.5) προτάθηκαν κανονιστικές οδηγίες για την κατασκευή ορθογωνικών μανδυών με την χρήση ινοϋφασμάτων-cfrp (Tsonis, 2004). Για διατομές με λόγο ύψους προς πλάτος μεγαλύτερο του 1.5 (h/b > 1.5) εξετάζεται από τον Tsonis η κατασκευή μανδυών κυκλικής ή ελλειπτικής διατομής με ανάλογα γεωμετρικά χαρακτηριστικά, που όμως αποτελούν δαπανηρές και μη εύκολα υλοποιήσιμες λύσεις. Εκτός αυτού δεν έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά η βελτίωση της συμπεριφοράς που επιτυγχάνεται με μανδύες που έχουν τέτοιας μορφής γεωμετρικά χαρακτηριστικά για επιμήκεις διατομές με λόγους h/b > 1.5. Στην παρούσα διερεύνηση εξετάζεται η δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί ως εναλλακτική λύση ένα σύστημα εξωτερικής «μερικής περίσφιξης» με λωρίδες ανθρακο-ινοϋφασμάτων (CFRP), αντί της εφαρμογής ενός πλήρους μανδύα που να περιβάλλει ολόκληρη την διατομή, όπως φαίνεται ενδεικτικά στο σχήμα 3. Δηλαδή η επικόλληση των οριζόντιων λωρίδων CFRP να περιορισθεί στα δύο άκρα της διατομής, όπως φαίνεται ενδεικτικά στο κάτω μέρος του σχήματος 3. Οι λωρίδες αυτές να αγκυρωθούν στην συνέχεια στον όγκο του σκυροδέματος της διατομής, όπως θα παρουσιασθεί συνοπτικά στη συνέχεια για τα δοκίμια που εξετάσθηκαν στο εργαστήριο. Επειδή τα ινοϋφάσματα, που απεικονίζονται στο κάτω μέρος του σχήματος 3, δεν περιτυλίγουν την διατομή ολοκληρωτικά χρησιμοποιήθηκε στα πλαίσια της εν λόγω διερεύνησης ο όρος «μερική περίσφιξη». Όπως θα παρουσιασθεί στη συνέχεια η αγκύρωση των ινοϋφασμάτων αποτελεί κομβικό στοιχείο της αποτελεσματικότητας της «μερικής περίσφιξης». Συνεπώς η εφαρμογή της ιδέας της «μερικής περίσφιξης» που εξετάζεται εδώ σε πρωτότυπα δομικά στοιχεία απαιτεί την ειδική μελέτη του αντίστοιχου συστήματος αγκύρωσης που θα χρησιμοποιηθεί κατά περίπτωση. 3

Σχήμα 3. Διατομή Ο/Σ με την μία πλευρά μεγαλύτερη της άλλης (h/b>1.5). Με σκοπό να εξετασθεί πειραματικά η αποτελεσματικότητα ενός τέτοιου συστήματος μερικής περίσφιξης κατασκευάστηκε ένας αριθμός από δοκίμια Ο/Σ στο εργαστήριο Πειραματικής Αντοχής των Υλικών και των Κατασκευών του Α.Π.Θ. Επιλέχθηκε τα δοκίμια αυτά να έχουν σχετικά μεγάλες διαστάσεις και να μην είναι ομοιώματα υπό κλίμακα ώστε να είναι δυνατή η εξέταση της συμπεριφοράς ενός ρεαλιστικού τρόπου αγκύρωσης στο εργαστήριο. Στην παρούσα φάση η φόρτιση που επιβλήθηκε στα δοκίμια αυτά ήταν κατακόρυφη θλίψη, χωρίς την ταυτόχρονη παρουσία καμπτικής ροπής, που θα προέκυπτε από την επιβολή οριζόντιων σεισμικών φορτίων. Η διάταξη για την επιβολή ταυτόχρονης θλίψης και κάμψης είναι αρκετά πολύπλοκη και βρίσκεται ακόμη σε στάδιο προετοιμασίας. Λόγω των διαστάσεων των δοκιμίων δεν ήταν δυνατό να ελεγχθούν δοκίμια με ολόκληρη διατομή σε σχετικά μεγάλες διαστάσεις, όπως αυτή ενδεικτικά εμφανίζεται στο σχήμα 3, αφού για να αστοχήσουν θα απαιτούσαν συνολικό φορτίο πέραν των δυνατοτήτων των φορτιστικών διατάξεων του εργαστηρίου (μέγιστη ονομαστική θλιπτική δύναμη της τάξεως των 6000ΚΝ). Για τον λόγο αυτόν επιλέχτηκε να φορτιστούν δοκίμια που θα μπορούσε να θεωρηθεί ότι αντιπροσωπεύουν κατά προσέγγιση το ½ μιας επιμήκους συνολικής διατομής διαστάσεων 500mm x 200mm (h/b= 2.5). Κατασκευαστική λεπτομέρεια της διατομής αυτών των δοκιμίων απεικονίζεται στο σχήμα 4. Σχήμα 4. Διατομή των δοκιμίων με η χωρίς μερική περίσφιξη Στο αριστερό και δεξιό μέρος του σχήματος 4 απεικονίζεται η διατομή των δοκιμίων πριν και μετά την εφαρμογή της μερικής περίσφιξης. Με στόχο να οδηγηθεί η θλιπτική αστοχία των εν λόγω δοκιμίων στην περιοχή της διατομής τους, που υποτίθεται ότι αντιστοιχεί στο ακραίο τμήμα της συνολικής επιμήκους διατομής, τα εν λόγω δοκίμια κατασκευάστηκαν ώστε η διατομή τους να αποτελείται από δύο διακριτά υποσύνολα εκ των οποίων το ένα χαρακτηρίζεται ασθενές ενώ το άλλο ισχυρό (σχήμα 4). Η ασθενής περιοχή της διατομής του σχήματος 4 (άκρο της συνολικής διατομής) είναι σχετικά μικρής θλιπτικής αντοχής σε σχέση με την υπόλοιπη περιοχή που χαρακτηρίζεται ισχυρή και κατά προσέγγιση αντιπροσωπεύει την μεσαία περιοχή της συνολικής διατομής 4

όπου δεν αναμένεται να εκδηλωθεί η αστοχία στην συνολική διατομή. Η διαφοροποίηση της θλιπτικής συμπεριφοράς των δύο αυτών περιοχών της διατομής των δοκιμίων που εξετάσθηκαν επιτεύχθηκε μέσω της αύξησης του ποσοστού του εγκάρσιου οπλισμού περίσφιξης της ισχυρής περιοχής της διατομής σε σχέση με αυτό της ασθενούς (σχήμα 4). Με αυτόν τον σχετικά απλό υποκατάστατο τρόπο έγινε προσπάθεια να προσομοιωθεί η κατάσταση της θλιπτικής αστοχίας που θα προέκυπτε στο ακραίο τμήμα της συνολικής διατομής από αυξημένες απαιτήσεις λόγω ταυτόχρονης θλίψης και κάμψης. Την θλιπτική αυτή αστοχία στο ακραίο τμήμα προτίθεται να αποτρέψει το σύστημα της εξωτερικής «μερικής περίσφιξης» με λωρίδες ανθρακο-ινοϋφασμάτων (CFRP), βελτιώνοντας με τον τρόπο αυτό την συμπεριφορά των δοκιμίων. Παρά την σχετική απλότητα της φορτιστική διαδικασίας που υιοθετήθηκε, τα δοκίμια που κατασκευάστηκαν και ελέγχθηκαν πειραματικά μπορεί να θεωρηθεί ότι αναπαριστούν, ως ένα βαθμό, την συμπεριφορά της προς διερεύνηση συνολικής διατομής. Δηλαδή, με συνεχή αύξηση της θλιπτικής φόρτισης αρχικά των παρθένων δοκιμίων εκδηλώνεται η θλιπτική αστοχία στην επιθυμητή ασθενή περιοχή. Στη συνέχεια, όταν τα δομικά αυτά στοιχεία επισκευάζονται, εφαρμόζοντας ως μέρος της επισκευής τους το σύστημα της μερικής περίσφιξης που περιγράφηκε ενδεικτικά προηγουμένως, και επαναφορτίζονται, η μερική περίσφιξη ενεργοποιείται και παραλαμβάνει δυνάμεις. Με την περαιτέρω αύξηση της φόρτισης εκδηλώνονται και πάλιν μορφές αστοχίας, όπως θα περιγραφεί στις επόμενες παραγράφους. Μέσω της σχετικής αύξησης της φέρουσας ικανότητας των δοκιμίων με την μερική περίσφιξη σε σύγκριση με αυτήν των αντίστοιχων δοκιμίων χωρίς μερική περίσφιξη τεκμαίρεται η αποτελεσματικότητα της. Ταυτόχρονα, από τον τρόπο που εκδηλώνεται η μορφή αστοχίας και ειδικότερα από την επιμέρους συμπεριφορά των συστατικών της μερικής περίσφιξης, δηλαδή της διατομής των ανθρακο-υφασμάτων και του τρόπου αγκύρωσής τους, που ήταν οι παράμετροι που εξετάσθηκαν, εξάγονται περαιτέρω συμπεράσματα για την συνεισφορά των επί μέρους αυτών συστατικών. Όπως ήδη αναφέρθηκε, η μερική περίσφιξη μέσω των λωρίδων CFRP εκτείνεται μόνο στις τρεις πλευρές των δοκιμίων ενώ η τέταρτη πλευρά μένει ακάλυπτη από ινοΰφασμα (σχήμα 4 δεξιά). Είναι προφανές ότι αυτή η ελεύθερη τέταρτη πλευρά των δοκιμίων χωρίς CFRP δεν αναπαριστά επακριβώς τις συνοριακές συνθήκες του άξονα συμμετρίας της αντίστοιχης συνολικής διατομής. Παρόλα αυτά, γίνεται η υπόθεση ότι το υπό διερεύνηση σύστημα της μερικής περίσφιξης δεν επηρεάζεται καθοριστικά από αυτήν την παρέκκλιση. Η αγκύρωση των λωρίδων CFRP γίνεται με διαφόρων τύπων αγκύρια (πίνακας 1) στο τμήμα που το ινοϋφασμα καλύπτει τις πλευρές του ισχυρού τμήματος της διατομής. Είναι προφανές, ότι θα ήταν επιθυμητό να γίνει ο έλεγχος του προτεινόμενου συστήματος της μερικής περίσφιξης σε δοκίμια που να αντιπροσωπεύουν μια ολόκληρη επιμήκη διατομή κάτω από συνθήκες ταυτόχρονης θλίψης και κάμψης. Προς το παρόν τα αποτελέσματα της εξέτασης, με τον τρόπο που αυτή έγινε, είναι αρκετά ενθαρρυντικά ώστε να δικαιολογούν την συνέχιση της διερεύνησης με ποιό ρεαλιστικό τρόπο και ως προς την μορφή των δοκιμίων και ως προς την φορτιστική διαδικασία. Όλα τα δοκίμια είχαν την αυτή διατομή Ο/Σ (σχήμα 4) και το ίδιο ύψος (1.6 μέτρα). Κάθε δοκίμιο πριν φορτισθεί ενισχυόταν στο πάνω και κάτω τμήμα του (κατά την έννοια του ύψους του) με ένα σύστημα ισχυρών χαλυβδίνων πλακών και μπουλονιών μέσω των οποίων μπορούσε να ασκηθεί ικανή περίσφιξη στα τμήματα αυτά ώστε η όποια αστοχία να εκδηλωθεί στο χωρίς χαλύβδινες πλάκες μεσαίο τμήμα του δοκιμίου που ήταν και αυτό όπου εφαρμόζονταν η υπό εξέταση μερική περίσφιξη. 5

Σχήμα 5. Δοκίμιο ενισχυμένο με μερική περίσφιξη με τα τρία τμήματά του καθ ύψος Στο σχήμα 5 απεικονίζεται ένα τέτοιο δοκίμιο πριν υποβληθεί στην φορτιστική διαδικασία που περιγράφηκε. Στο σχήμα αυτό φαίνονται τα πάνω και κάτω τμήματα του δοκιμίου ενισχυμένα με τις χαλύβδινες πλάκες καθώς και το μεσαίο του τμήμα με την μερική περίσφιξη από ανθρακοϋφάσματα σε μορφή Π καθώς και η αγκύρωσή τους στην ισχυρή περιοχή της διατομής. Πέραν της συνεχούς καταγραφής της μεταβολής του θλιπτικού φορτίου, καταγράφονταν ταυτόχρονα και η αντίστοιχη μεταβολή της γεωμετρίας του μεσαίου τμήματος κατά την έννοια του ύψους του δοκιμίου με την βοήθεια μετρητών μετατόπισης. Οι μετρητές αυτοί ήταν τοποθετημένοι στα μέσα των τεσσάρων παρειών του κάθε δοκιμίου. Μέσω αυτών των καταγραφών έγινε δυνατόν να προκύψει μια ποσοτική περιγραφή της συμπεριφοράς των δοκιμίων, που επιλέχθηκε να γίνει με όρους μέσης θλιπτικής τάσης μέσης βράχυνσης (δες σχήμα 8) αντί αυτής του συνολικού θλιπτικού φορτίου και των αξονικών σχετικών μετατοπίσεων. Το συνολικό θλιπτικό φορτίο είναι ίσο με το γινόμενο της μέσης θλιπτικής τάσης με το εμβαδόν ολόκληρης της διατομής του δοκιμίου. Η μέση αξονική παραμόρφωση-βράχυνση προκύπτει από την διαίρεση του μέσου όρου των σχετικών μετατοπίσεων των τεσσάρων πλευρών του μεσαίου τμήματος δια του αντίστοιχου μήκους του εν λόγω τμήματος. Χωρίς ακριβέστερες μετρήσεις ή άλλους υπολογισμούς γίνεται η παραδοχή ότι μέχρι να εκδηλωθεί η αστοχία η περιγραφή της συμπεριφοράς των δοκιμίων με όρους μέσης θλιπτικής τάσης μέσης βράχυνσης είναι αρκετά ρεαλιστική περιγραφή τόσο της εντατικής κατάστασης όσο και του πεδίου των παραμορφώσεων. Σχήμα 7. Μορφή αστοχίας δοκιμίων χωρίς και με μερική περίσφιξη. Είναι προφανές ότι στην παρούσα εξέταση σημασία έχει η σύγκριση της συμπεριφοράς μεταξύ των δοκιμίων που γίνεται τόσο μέσα από την σύγκριση των αντίστοιχων καμπύλων μέσης θλιπτικής τάσης μέσης βράχυνσης και του μέγιστου φορτίου (μέγιστης μέσης θλιπτικής τάσης) που παραλαμβάνουν όσο και μέσα από τις μορφές αστοχίας που εμφανίστηκαν στο μεσαίο τμήμα των δοκιμίων και στα επί μέρους συστατικά που τα 6

αποτελούν. Έτσι, ο βαθμός της βελτίωσης της θλιπτικής συμπεριφοράς των δοκιμίων προέκυψε τόσο από την βελτίωση της φέρουσας ικανότητας με όρους μέγιστου φορτίου που μετρήθηκε κατά την πειραματική ακολουθία όσο και από την μορφή της θλιπτικής συμπεριφοράς σε όρους μέσης θλιπτικής τάσης μέσης βράχυνσης. Πίνακας 1. Συνοπτικά αποτελέσματα δοκιμών μερικής περίσφιξης Μέγιστη Αριθμός Αριθμός Αγκύρια Αγκύρια μέση Δοκιμίου Παρθένο -ασμένο ων 1** 2*** Αστοχίας Επισκευ στρώσε- τύπου τύπου Μορφή τάση και θλίψης Δοκιμής CFRP (Mpa) 1 41.12 Ασθενής Ναι Όχι No Όχι Όχι Δοκιμή 1 (146.9%)* περιοχή 1 Ναι / 41.69 Εξόλκευση Όχι 3 (+2) Ναι Ναι Δοκιμή 2 EMACO (148.9%) αγκυρίων 1 1a 45.78 Εξόλκευση Ναι Όχι 3 Ναι Όχι Δοκιμή 1 (177.4%) αγκυρίων 1 3 40.79 Ασθενής Ναι Όχι No Όχι Όχι Δοκιμή 1 (147.7%) περιοχή 3 45.78 No Όχι 3 (+2) Ναι Ναι αγκύρωση Δοκιμή 2 (165.9%) 3a 47.09 Ναι Όχι 5 Ναι Ναι αγκύρωση Δοκιμή 1 (170.6%) 3a Ναι / 42.51 No 5 Ναι Ναι αγκύρωση Δοκιμή 2 EMACO (154.0%) 4 46.60 Ναι Όχι 5 Ναι Ναι ασθενή αγκύρωση Δοκιμή 1 (168.2%) 4a 45.53 Ναι Όχι 5 Όχι Ναι ασθενή αγκύρωση Δοκιμή 1 (164.4%) 5 53.96 χαλύβδινες Ναι Όχι 5 (+2) Όχι Ναι ισχυρά Δοκιμή 1 (195.5%) πλάκες 5 55.26 χαλύβδινες Ναι - 5 (+2) Όχι Ναι ισχυρά Δοκιμή 2 (200.2%) πλάκες 5 Top / 53.96 CFRP στο - 5 (+2) Όχι Ναι ισχυρά Δοκιμή 3 EMAKO (195.5%) μεσαίο τμήμα 5 Ναι / 58.86 No 7 Όχι Ναι ισχυρά Συνδετήρες Δοκιμή 4 EMAKO (213.3) 5a 40.88 Ασθενής Ναι Όχι No Όχι Όχι Δοκιμή 1 (158.4%) περιοχή 5a 57.23 CFRP στο No Ναι 7 Όχι Ναι ισχυρά Δοκιμή 2 (221.8%) μεσαίο τμήμα 5a 60.17 Ισχυρή No Ναι 7 +4 Όχι Ναι ισχυρά Δοκιμή 3 (233.2%) περιοχή * Ως ποσοστό (%) της απερίσφιχτης αντοχής κυλινδρικών δοκιμίων που λήφθηκαν στο στάδιο της κατασκευής. ** Αγκύρια (Hildi) d=7mm σε βάθος 60mm εντός του όγκου του σκυροδέματος *** Αγκύρια d=10 mm που διέρχονται διαμπερώς μέσα από τον όγκο του σκυροδέματος Η ικανότητα της διατήρησης υψηλών επιπέδων θλιπτικών φορτίων με την ταυτόχρονη αύξησης της αξονικής παραμορφωσιμότητας ενός δοκιμίου ερμηνεύεται ως ικανοποιητική συνεισφορά της μερικής περίσφιξης που με τον τρόπο αυτό αποτρέπει την απότομη πτώση της φέρουσας ικανότητας (μη ικανοποιητική περίσφιξη της διατομής). Ταυτόχρονα χρησιμοποιήθηκαν, σε συνδυασμό με τις καμπύλες μέσης θλιπτικής τάσης μέσης βράχυνσης, οι αντίστοιχες οπτικές παρατηρήσεις από την συμπεριφορά και μορφή αστοχίας που ανέπτυξαν τα διάφορα τμήματα της μερικώς περισφιγμένης διατομής, ώστε να εκτιμηθεί 7

η επιρροή τους στο στάδιο εκδήλωσης της αστοχίας του κάθε δοκιμίου. Τα τμήματα αυτά είναι τα αγκύρια, οι λωρίδες CFRP και τέλος η διατομή του Ο/Σ. Αστοχία των αγκυρίων πριν από την θραύση των CFRP υποδηλώνει την μη βέλτιστη χρήση των εν λόγω ανθρακοινοϋφασμάτων που είχαν εν προκειμένω περίσσια υλικού. Αντίθετα, η θραύση των CFRP χωρίς την αστοχία των αγκυρίων συνεπάγεται ικανοποιητική εκμετάλλευση του υλικού των ανθρακο-υφασμάτων και μάλλον αποτελεσματική μερική περίσφιξη. Στο αριστερό τμήμα του σχήματος 7 φαίνεται η αστοχία ενός δοκιμίου χωρίς μερική περίσφιξη. Στο κεντρικό τμήμα του σχήματος 7 φαίνεται η αστοχία ενός δοκιμίου με μερική περίσφιξη, που εκδηλώθηκε λόγω της αστοχίας των αγκυρίων, ενώ στο δεξιό τμήμα του ιδίου σχήματος τα αγκύρια δεν αστόχησαν και η αστοχία εκδηλώθηκε με θραύση των ανθρακο-ινοϋφασμάτων CFRP στην κεντρική τους ζώνη, που υποδεικνύει, όπως προαναφέρθηκε, ικανοποιητική εκμετάλλευση του υλικού των ανθρακο-υφασμάτων και μάλλον αποτελεσματική μερική περίσφιξη. Στον πίνακα 1 περιλαμβάνεται μια σύνοψη όλης της πειραματικής ακολουθίας με την συνοπτική περιγραφή των δοκιμίων που εξετάσθηκαν καθώς και την ύπαρξη ή μη μερικής περίσφιξης με τα συστατικά της (ανθρακο-υφάσματα και χαρακτηριστικά της αγκύρωσής τους). Στον ίδιο πίνακα αναγράφεται επίσης η φέρουσα ικανότητα κάθε δοκιμίου με όρους μέγιστης μέσης θλιπτικής τάσης. Από την σύγκριση της φέρουσας ικανότητας αντίστοιχων δοκιμίων χωρίς και με μερική περίσφιξη φαίνεται ότι όταν η μερική περίσφιξη δεν είναι αποτελεσματική, λόγω της πρόωρης αστοχίας του συστήματος αγκύρωσης. Η μέγιστη μέση θλιπτική τάση κυμαίνεται για τα δοκίμια αυτά στο επίπεδο των 42Mpa (Δοκίμιο 1 δοκιμές 1 και 2). Βελτίωση του συστήματος αγκύρωσης συνεπάγεται μια αύξηση της φέρουσας ικανότητας. Αν, παρά την βελτίωση, εξακολουθεί η αστοχία να εμφανίζεται στο σύστημα αγκύρωσης η αύξηση αυτή δεν είναι πολύ σημαντική, με την μέγιστη μέση θλιπτική τάση να κυμαίνεται στο επίπεδο των 46Mpa (Δοκίμια 3, 3a, 4 και 4a). Περαιτέρω βελτίωση του συστήματος αγκύρωσης συνεπάγεται μια αξιοσημείωτη αύξηση της φέρουσας ικανότητας που φθάνει μέχρι και 60Mpa (Δοκίμια 5 και 5α). Επιπλέον, αξίζει να σημειωθεί ότι η αστοχία των δoκιμίων εκδηλώνεται μέσω της εφελκυστικής αστοχίας κατά την εγκάρσια έννοια των λωρίδων των ανθρακο-ινουφασμάτων της μερικής περίσφιξης, γεγονός που υποδηλώνει την αποτελεσματικότητα της μερικής περίσφιξης, μέσω μιας αύξησης της φέρουσας ικανότητας περισσότερο από 50% σε σχέση με το απερίσφιχτο δοκίμιο. Σχήμα 8. Σύγκριση της συμπεριφοράς δοκιμίων χωρίς και με μερική περίσφιξη. 8

Θα πρέπει εδώ να υπογραμμισθεί ότι αρκετά δοκίμια με μερική περίσφιξη ήταν επισκευασμένα, δηλαδή η μερική περίσφιξη εφαρμόστηκε αφού αυτά αστόχησαν αρχικά στην απερίσφιχτη τους κατάσταση και στη συνέχεια επισκευάστηκαν και επαναφορτίσθηκαν. Έτσι η αποτελεσματικότητα της μερικής περίσφιξης μπορεί να επιτευχθεί και για δομικά στοιχεία που έχουν υποστεί αυτής τη μορφή την βλάβη στα ακραία τμήματά τους μετά από μια ισχυρή σεισμική διέγερση. Στην περίπτωση αυτή θα πρέπει να συνεκτιμηθεί ο σχετικός βαθμός εύκολης ή μη εφαρμογής του συστήματος μερικής περίσφιξης ως μέσου ταχείας επισκευής ενός κατακόρυφου δομικού στοιχείου επιμήκους διατομής με βλαβέντα τμήματα από μια ισχυρή σεισμική διέγερση. Στο σχήμα 8 περιλαμβάνεται η περιγραφή της συμπεριφοράς τεσσάρων δοκιμίων με όρους μέσης θλιπτικής τάσης μέσης βράχυνσης. Το δοκίμιο 1 δοκιμή 1 είναι ένα χωρίς μερική περίσφιξη παρθένο δοκίμιο ενώ τα υπόλοιπα δοκίμια (5 δοκιμή 4, 5α δοκιμή 2 και 5α δοκιμή 3) είναι όλα με μερική περίσφιξη επισκευασμένα δοκίμια. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι το σύστημα αγκυρίων και στα τρία αυτά επισκευασμένα δοκίμια βελτιώθηκε σε τέτοιο βαθμό ώστε η αστοχία τους να εκδηλωθεί στην υποτιθέμενη ισχυρή περιοχή της διατομής (σχήμα 4). Η μερική περίσφιξη στο δοκίμιο 5 δοκιμή 4 είχε επτά (7) στρώσεις ανθρακουφασμάτων. Η αστοχία εκδηλώθηκε στους συνδετήρες της υποτιθέμενης ισχυρής περιοχής. Στο επόμενο δοκίμιο (δοκίμιο 5α) οι συνδετήρες αυτοί ενισχύθηκαν μερικώς και η φορτιστική διαδικασία επαναλήφθηκε δοκίμιο 5α δοκιμές 1,2, 3. Στη δοκιμή 1 το δοκίμιο είναι απερίσφιχτο και η συμπεριφορά του είναι η ίδια με αυτή του απερίσφιχτου δοκιμίου 1 (αστοχία ασθενούς περιοχής). Στη συνέχεια εφαρμόζεται το σύστημα της μερικής περίσφιξης με επτά (7) στρώσεις ανθρακουφασμάτων (δοκίμιο 5α δοκιμή 2). Εδώ, η αστοχία εκδηλώνεται στα ανθρακο-υφάσματα ενώ η συμπεριφορά σε όρους μέσης θλιπτικής τάσης μέσης βράχυνσης είναι παρόμοια αυτής που παρατηρήθηκε στο δοκίμιο 5 δοκιμή 4 (σχήμα 8). Στην επόμενη δοκιμή γίνεται περαιτέρω ενίσχυση της μερικής ενίσχυσης με αύξηση των στρώσεων των ανθρακο-ινοϋφασμάτων κατά τέσσερεις στρώσεις (7+4). Στην περίπτωση αυτή ενώ δεν αστοχούν ούτε το σύστημα αγκύρωσης ούτε οι λωρίδες ανθρακο-υφάσματος, η αστοχία εκδηλώνεται και πάλι, όπως στο δοκίμιο 5 δοκιμή 4, στην υποτιθέμενη ισχυρή περιοχή της διατομής. Το γεγονός αυτό, καθώς και η παρατηρούμενη μικρή αύξηση της φέρουσας ικανότητας στο επίπεδο των 60Mpa, σε σχέση με το δοκίμιο 5 δοκιμή 4, υποδηλώνει εκ νέου την αποτελεσματικότητα της μερικής περίσφιξης. Μπορεί λοιπόν να διατυπωθεί το συμπέρασμα ότι ένα τέτοιο σύστημα μερικής περίσφιξης στα δοκίμια που εξετάσθηκαν ήταν αρκετά αποτελεσματικό ώστε να αυξήσει την φέρουσα ικανότητα κατά 50% και να προσδώσει πολύ μεγάλη αύξηση σε όρους παραμορφώσιμότητας στα εν λόγω δοκίμια κατά τρόπο ώστε το μέγιστο φορτίο να μπορεί να διατηρείται επί μακρόν χωρίς την απότομη πτώση που παρατηρείται στο δοκίμιο χωρίς περίσφυξη. Επιπρόσθετα, θα πρέπει να τονισθεί ότι, όπως αναμένονταν, ένα τέτοιο σχήμα μερικής περίσφυξης είναι αποτελεσματικό εφόσον επιτευχθεί η κατάλληλη αγκύρωση των λωρίδων των ανθρακο-ινοϋφασμάτων στον όγκο του σκυροδέματος με την χρήση της κατάλληλης κατασκευαστικής διάταξης. Στην διερεύνηση που παρουσιάστηκε η κατάλληλη αυτή αγκύρωση έγινε εφικτή σε βαθμό που να μήν εξαντληθεί η φέρουσα ικανότητα της (δες πίνακα 1, δοκίμιο 5α δοκιμή 3). Συνεπώς τεκμαίρεται ότι το σύστημα αγκύρωσης των ινοϋφασμάτων αποτελέι κομβικό στοιχείο της αποτελεσματικότητας της «μερικής περίσφυξης» και η εφαρμογή του σε πρωτότυπα δομικά στοιχεία απαιτεί την ειδική μελέτη του αντίστοιχου συστήματος αγκύρωσης που θα χρησιμοποιηθεί κατά περίπτωση. Η κομβική σημασία της αγκύρωσης των ανθρακο-ινοϋφασμάτων θα εξετασθεί και στη ενότητα που 9

ακολουθεί και αναφέρεται σε λωρίδες ανθρακο-ινοϋφασμάτων που εφαρμόζονται εξωτερικά εν είδει διαμήκους οπλισμού για κατακόρυφα δομικά στοιχεία Ο/Σ. ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΚΑΜΠΤΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΜΕΣΩ ΤΗΣ ΕΠΙΚΟΛΛΗΣΗΣ ΕΞΩΤΕΡΙΚΩΝ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΩΝ ΛΩΡΙΔΩΝ ΑΝΘΡΑΚΟΥΦΑΣΜΑΤΩΝ ΕΝ ΕΙΔΕΙ ΔΙΑΜΗΚΟΥΣ ΟΠΛΙΣΜΟΥ Στην περίπτωση αυτή τα κύρια προβλήματα που θα πρέπει να αντιμετωπισθούν για αυτή την μορφή βελτίωσης της καμπτικής φέρουσας ικανότητας ενός κατακόρυφου δομικού στοιχείου Ο/Σ επιμήκους διατομής του τύπου του μεσόβαθρου (σχήματα 1 και 9) είναι τα εξής: α1. Επάρκεια της λεπτομέρειας επικόλλησης της λωρίδας του CFRP από την κατακόρυφη παρειά του δομικού στοιχείου ώστε να μπορεί να ανταποκριθεί στο επίπεδο της έντασης που θα αναπτυχθεί. Η επάρκεια αυτή θα εξαρτηθεί αφενός από το μήκος που εκτείνεται η επικόλληση του CFRP αφετέρου από το αν θα χρησιμοποιηθούν αγκύρια για την επαύξηση της συνεργασίας της λωρίδας του CFRP με τον όγκο του δομικού στοιχείου στην περιοχή της επικόλλησης. α2. Επάρκεια της κατασκευαστικής λεπτομέρειας μεταφοράς των δυνάμεων ελκυσμού που θα αναπτυχθούν στην λωρίδα του CFRP στην θεμελίωσή του κατά τη διάρκεια της καμπτικής απόκρισης του δομικού στοιχείου. 0.025 0.150 0,500 m 0.150 8Φ6 0.150 0.025 0.200 Φ6/100 (mm) Σχήμα 9. Η γεωμετρία του δοκιμίου Σχήμα 10. Λεπτομέρεια της διατομής Μια σχετικά μικρού εμβαδού διατομή λωρίδας CFRP μπορεί να αναπτύξει σχετικά μεγάλα επίπεδα δυνάμεων ελκυσμού εφόσον θα ήταν δυνατό να οδηγηθεί σε εφελκυστική αστοχία η ίδια η διατομή του CFRP χωρίς την εκδήλωση των μορφών αστοχίας, που αναφέρθηκαν στα α1 και α2 προηγουμένως, οι οποίες προκύπτουν από την μη επάρκεια είτε της πλευρικής επικόλλησης είτε της αγκύρωσης των λωρίδων στη θεμελίωση,. Συνεπώς σημαντική βελτίωση της καμπτικής φέρουσας ικανότητας τέτοιου τύπου δομικών στοιχείων θα μπορούσε να προκύψει από ένα σύστημα ενίσχυσης με κατακόρυφες λωρίδες CFRP που θα συνοδεύονταν από κατάλληλες τεχνικές λεπτομέρειες που θα ήταν σε θέση να προσδώσουν επαρκή πλευρική επικόλληση και επαρκή αγκύρωσή των λωρίδων CFRP στη θεμελίωση. 10

Ένα τέτοιο σύστημα διερευνήθηκε στο εργαστήριο Πειραματικής Αντοχής των Υλικών και των Κατασκευών του Α.Π.Θ. όπως θα περιγραφεί συνοπτικά κατωτέρω (Mitsarakis, 2003). Για την διερεύνηση αυτή χρησιμοποιήθηκε ως φυσικό ομοίωμα μεσόβαθρου το δοκίμιο που απεικονίζεται στο σχήμα 2 και στο σχήμα 9. Το δοκίμιο αυτό κατασκευάστηκε στα πλαίσια ενός ευρύτερου προγράμματος με στόχο την μελέτη της αλληλεπίδρασης ομοιώματοςθεμελίωσης-εδάφους που εκτελέσθηκε τόσο στο εργαστήριο Πειραματικής Αντοχής των Υλικών και των Κατασκευών του Α.Π.Θ. όσο και στο Ευρωπαϊκό Πεδίο Δοκιμών στη Βόλβη (Manos et.al., 2004 and 2007). Διαστάσεις και κατασκευαστικές λεπτομέρειες. Οι διαστάσεις του δοκιμίου απεικονίζονται στο σχήμα 9 ενώ το σχήμα 10 αποτελεί την κατασκευαστική λεπτομέρεια μιας τυπικής οριζόντιας διατομής του δοκιμίου που παρέμεινε σταθερή σε όλο το ύψος του. Από εργαστηριακές μετρήσεις προσδιορίσθηκε η τάση διαρροής του χάλυβα των διαμήκων οπλισμών ίση με 344.8Mpa ενώ η θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος βρέθηκε ίση με 21.2Mpa. To πάχος κάθε στρώσης CFRP θεωρείται ίσο με 0.16mm και το μέτρο ελαστικότητας του εν λόγω υλικού ίσο με 273Gpa. Οι εγκάρσιοι οπλισμοί είναι Φ6/100mm, και οδηγούν σε επάρκεια της διατομής σε διάτμηση έναντι της επάρκειας σε κάμψη όταν θεωρηθεί ότι ένα οριζόντιο φορτίο επιβάλλεται σε ένα ύψος 1.40m από την άνω στάθμη της θεμελίωσης που έχει διαστάσεις 1.00m x 1.00m και πάχος 0.3m (σχήμα 9). Η θεμελίωση αυτή είναι κατασκευασμένη από σκυρόδεμα μονολιθικά μαζί με το υπόλοιπο τμήμα του δοκιμίου σε όλο το ύψος. Σχήμα 12. Το παρθένο δοκίμιο στη φορτιστική διάταξη Σχήμα 11. Φορτιστική Διάταξη. Φορτιστική διάταξη Καταγραφή της διέγερσης και της απόκρισης. Η θεμελίωση του δοκιμίου πακτώνεται σε ένα πλαίσιο αντίδρασης, όπως φαίνεται στα σχήματα 11 και 12. Στο πλαίσιο αυτό αντίδρασης το δοκίμιο υποβλήθηκε σε ανακυκλιζόμενη οριζόντια καταπόνηση, μέσω του οριζόντιου εμβόλου, ταυτόχρονα με την επιβολή κατακόρυφου φορτίου σταθερής έντασης ίσης με 95KN (κατακόρυφο έμβολο). Η χρονική εξέλιξη της οριζόντιας καταπόνησης με την μορφή του ιστορικού των καταναγκασμένων οριζόντιων μετατοπίσεων του δοκιμίου, σε ένα ύψος περίπου 1.40m από την άνω στάθμη της θεμελίωσης, απεικονίζεται στο σχήμα 13. Όπως φαίνεται στο σχήμα αυτό η καταπόνηση 11

βαίνει συνεχώς αυξανόμενη μέσα από 13 ομάδες τριών κύκλων. Σε κάθε ομάδα των τριών κύκλων η καταπόνηση διατηρείται σταθερή. Το συχνοτικό περιεχόμενο της καταπόνησης αυτής ήταν συνήθως 0.1Hz. Για περιορισμένο αριθμό δοκιμών το συχνοτικό αυτό περιεχόμενο ήταν 1.0Hz. Καθ όλη την διάρκεια του πειράματος γινόταν η αυτόματη καταγραφή της μεταβολής τόσο των μεγεθών φόρτισης (οριζόντιο και κατακόρυφο φορτίο) όσο και των μεγεθών απόκρισης μετατόπισης μέσω της οριζόντιας μετατόπισης του δοκιμίου στο επίπεδο της επιβολής της φόρτισης καθώς και των τυχόν σχετικών κατακόρυφων μετατοπίσεων μεταξύ της αριστερής και της δεξιάς παρειάς του δοκιμίου και της άνω επιφάνειας της θεμελίωσης. Οι τελευταίες μετρήσεις αποσκοπούσαν στην καταγραφή της ανάπτυξης ρηγματώσεων στην περιοχή στην βάση του δοκιμίου (πυλώνα) που γειτνιάζει με την θεμελίωση καθώς και στη συνέχεια την εξέλιξη αυτών των ρηγματώσεων στη θέση αυτή. Επιπρόσθετα, ειδικά μηκυνσιόμετρα κατέγραφαν την παραμόρφωση στην περιοχή της βάσης του πυλώνα κοντά στην θεμελίωση με σκοπό να αποτυπώσουν τυχόν την δημιουργία διατμητικού τύπου αστοχίας στην περιοχή αυτή. Σχήμα 13. Χρονοϊστορία οριζόντιας καταναγκασμένης μετατόπισης Σχήμα 14. Μεταβολή της τάσης συνάφειας με την κάθετη αξονική τάση Διερεύνηση της συνάφειας των λωρίδων CFRP με το σκυρόδεμα. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως ένας από τους μηχανισμούς που ενδιαφέρει στα σχήματα της επισκευής ενίσχυσης που εξετάζονται εδώ είναι η επάρκεια της επικόλλησης του CFRP με το σκυρόδεμα. Για το σκοπό αυτό και πριν από την εφαρμογή των λωρίδων CFRP στο δοκίμιο της παρούσης διερεύνησης εξετάσθηκε ο μηχανισμός της επικόλλησης μέσω μιας σειράς δοκιμών όπου το επικολλημένο σε ένα πρίσμα από σκυρόδεμα CFRP υποβάλλονταν σε οριζόντια δύναμη για να προκληθεί η αποκόλληση με ταυτόχρονη κατακόρυφη δύναμη κάθετη στην αναμενόμενε επιφάνεια αποκόλλησης. Τα αποτελέσματα της πειραματικής αυτής διερεύνησης περιλαμβάνονται στο σχήμα 14. Όπως αναμένονταν, η ταυτόχρονη επιβολή έντασης κάθετης στην επιφάνεια αποκόλλησης αυξάνει, ως ένα βαθμό, την τάση συνάφειας μεταξύ του CFRP και του σκυροδέματος. Η γενική αυτή παρατήρηση θα τύχει εφαρμογής στην επικόλληση των λωρίδων CFRP στις παρειές του πυλώνα εν είδει οπλισμού μέσω τεχνικών λεπτομερειών που θα αναπτυχθούν στη συνέχεια. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ]\ Αρχικό «Παρθένο» δοκίμιο πυλώνα χωρίς CFRP Το αρχικό αυτό δοκίμιο (Wall_A) υποβλήθηκε στη φορτιστική διαδικασία που περιγράφηκε προηγουμένως. Η απόκρισή του σε όρους ροπών στροφών απεικονίζεται στο σχήμα 15 ενώ 12

στο σχήμα 16 φαίνεται η βλάβη που εμφανίστηκε στο δοκίμιο αυτό, όπως αναμένονταν, στη βάση του πυλώνα με την μορφή ρηγματώσεων εκεί που γίνεται η ένωση με τη θεμελίωση και όπου αναπτύσσεται η μέγιστη καμπτική ροπή. Η καμπτική συμπεριφορά συνοδεύεται από πλαστικές παραμορφώσεις του διαμήκους οπλισμού καθώς και από σημαντική στροφή του πυλώνα σε σχέση με την θεμελίωση στην εν λόγω θέση ενώ η παραλαμβανόμενη μέγιστη ροπή μένει περίπου σταθερή και είναι της τάξεως των 50KNm (σχήμα 15). Σχήμα 15. Απόκριση «Παρθένου» δοκιμίου Σχήμα 16. Βλάβη «Παρθένου» δοκιμίου 1 η Επισκευή του δοκιμίου με CFRP Μετά το τέλος της προηγούμενης φορτιστικής ακολουθίας το δοκίμιο επισκευάστηκε με την επικόλληση στις δύο απέναντι κατακόρυφες παρειές του λωρίδων CFRP (δύο στρώσεων ως προς το πάχος). Οι λωρίδες αυτές είχαν το πλάτος της παρειάς του πυλώνα (200mm) και μήκος επικόλλησης στην κάθε παρειά ίσο με 1.10m (δες σχήματα 17, 18 και 19). Η κάθε λωρίδα του CFRP επεκτείνονταν στη επιφάνεια της θεμελίωσης, όπως φαίνεται στο σχήμα 18, όπου και αγκυρώνονταν με την βοήθεια χαλύβδινων διατομών και μπουλονιών, όπως φαίνεται ενδεικτικά στη λεπτομέρεια του σχήματος 19. Σχήμα 17. Επικόλληση των λωρίδων CFRP στο δοκίμιο του πυλώνα Σχήμα 18. Επικόλληση των λωρίδων CFRP στην παρειά και στη θεμελίωση Σχήμα 19. Αγκύρωση των λωρίδων CFRP στη θεμελίωση Με τον τρόπο αυτό έγινε η προσπάθεια να εφαρμοσθεί ένταση κάθετα προς την επιφάνεια επικόλλησης του CFRP με την θεμελίωση για να προκύψει αύξηση της τάσης συνάφειας, όπως υποδείκνυαν τα αποτελέσματα της διερεύνησης του σχήματος 14. Το δοκίμιο αυτό υποβλήθηκε στην ίδια φορτιστική διαδικασία, όπως το «παρθένο» δοκίμιο. Η καμπτική του 13

συμπεριφορά ήταν σχεδόν ταυτόσημη ως προς την φέρουσα ικανότητα χωρίς σχεδόν καμιά βελτίωση. Αντίθετα, σημειώθηκε μια αξιοσημείωτη επαύξηση της δυσκαμψίας. Η μη βελτίωση της φέρουσας ικανότητας οφείλεται στο ότι για απαιτήσεις καμπτικής ροπής της τάξεως των 50KNm αποκολλήθηκαν οι λωρίδες CFRP από τις κατακόρυφες παρειές του δοκιμίου. Το γεγονός αυτό υπογραμμίζει την μεγάλη σημασία της κατάλληλης αγκύρωσης των λωρίδων των ινοϋφασμάτων για να είναι αποτελεσματικά, όπως ήδη σχολιάστηκε στο πρώτο μέρος της παρούσης εργασίας. 2 η Επισκευή του δοκιμίου με CFRP Στην 2 η προσπάθεια επισκευής του δοκιμίου, χρησιμοποιήθηκαν μηχανικά μέσα για την επικόλληση των λωρίδων CFRP στις κατακόρυφες παρειές των δοκιμίων πέραν της ρητίνης επικόλλησης. Προς τον σκοπό αυτό ανοίχθηκαν τρύπες διαμέτρου 4mm και βάθους 25mm σε αποστάσεις 50mm σε δύο σειρές καθ ύψος κάθε παρειάς, όπως φαίνεται στο σχήμα 21. Στη συνέχεια έγινε η τοποθέτηση μεταλλικών βυσμάτων αντίστοιχης διαμέτρου εντός των οπών και η αγκύρωση των λωρίδων CFRP σε κάθε παρειά με αυτόν τον τρόπο. Σχήμα 20. Απόκριση επισκευασμένου δοκιμίου Rep-2 Wall A Σχήμα 21. Βύσματα Το δοκίμιο φορτίστηκε με την ίδια φορτιστική διαδικασία και το σχήμα 20 απεικονίζει την απόκρισή του. Όπως φαίνεται από την σύγκριση των αποκρίσεων του παρθένου δοκιμίου (σχήμα 15) με αυτή της 2 ης προσπάθειας επισκευής (σχήμα 20) επήλθε μια αξιοσημείωτη επαύξηση της φέρουσας ικανότητας κατά 50% (από 50KNm σε 75KNm). Στην κατάσταση της μέγιστης ροπής απαίτησης για το δοκίμιο αυτό παρατηρήθηκε η αστοχία των λωρίδων CFRP στη θέση κοντά στη ένωση του δοκιμίου με την θεμελίωση όπου δημιουργείται η απότομη αλλαγή κλίσης (90 ο, σχήματα 17,18) και όπου η λωρίδα CFRP που επικολλάται στην παρειά συνεχίζει χωρίς διακοπή στην επιφάνεια της θεμελίωσης. Στη θέση αυτή η άκρη της χαλύβδινης διατομής Η, που αποτελεί μέρος της διάταξης αγκύρωσης, δημιουργεί σημαντική ένταση πιέζοντας τοπικά την λωρίδα CFRP, που οδηγεί στην αστοχία της. Η μορφή αυτή της αστοχίας της λωρίδας του CFRP απεικονίζεται στο σχήμα 22. Σε μια επόμενη προσπάθεια βελτίωσης της λεπτομέρειας αυτής της αγκύρωσης έγινε η προσαρμογή ενός κυλινδρικού παρεμβλήματος στην κρίσιμη αυτή θέση (σχήμα 23) χωρίς να προέλθει βελτίωση της συμπεριφοράς αφού η αστοχία της λωρίδας του CFRP επαναλήφθηκε ξανά στην ίδια θέση με πανομοιότυπο τρόπο. Παρά την βελτίωση της καμπτικής φέρουσας ικανότητας που παρατηρήθηκε με την 2 η προσπάθεια επισκευής προέκυψε η ανάγκη περαιτέρω διερεύνησης και βελτίωσης της συμπεριφοράς της αγκύρωσης των λωρίδων CFRP στην θεμελίωση. Η προσπάθεια αυτή βρίσκεται εν εξελίξει και μόνο συνοπτικά θα παρουσιασθεί στην επόμενη παράγραφο. Η αστοχία του τρόπου αγκύρωσης του 2 ου τρόπου επισκευής υπογραμμίζει ξανά την μεγάλη σημασία της 14

κατάλληλης αγκύρωσης των λωρίδων των ινοϋφασμάτων για να είναι αποτελεσματικά, όπως ήδη σχολιάστηκε προηγουμένως. Σχήμα 22. Αστοχία του CFRP στην θέση αγκύρωσής του με την θεμελίωση Σχήμα 23. Προσπάθεια βελτίωσης της αγκύρωσής του CFRP με την θεμελίωση Επισκευή του δοκιμίου με βελτιωμένο σύστημα αγκύρωσης των CFRP στη θεμελίωση Η βασική ιδέα του βελτιωμένου συστήματος αγκύρωσης των λωρίδων CFRP στη θεμελίωση απεικονίζεται στο σχήμα 24, όπου οι λωρίδες CFRP τυλίγονται γύρω από μια χαλύβδινη διάταξη αγκύρωσης με οριζόντιο κυλινδρικό τμήμα και δύο ακραία κατακόρυφα αγκύρια. Σχήμα 24. Σύστημα αγκύρωσης των λωρίδων CFRP στη θεμελίωση.. Σχήμα 25. Το δοκίμιο με το βελτιωμένο σύστημα αγκύρωσης υφίσταται την φορτιστική διαδικασία. Σχήμα 26. Απόκριση ροπών στροφών του βελτιωμένου συστήματος αγκύρωσης Αυτό το σύστημα αγκύρωσης εφαρμόστηκε στην εκ νέου επισκευή του δοκιμίου με την προσαρμογή του στη θεμελίωση και από τις δύο πλευρές, όπου υποδέχεται τις 15

επικολλημένες στις αντίστοιχες παρειές κατακόρυφες λωρίδες των ανθρακο-ινοϋφασμάτων. Το σχήμα 25 απεικονίζει το δοκίμιο με το βελτιωμένο σύστημα αγκύρωσης που υφίσταται την ίδια φορτιστική διαδικασία στο πλαίσιο αντίδρασης του εργαστηρίου Πειραματικής Αντοχής των Υλικών και των Κατασκευών του Α.Π.Θ. Στο σχήμα 26 παρουσιάζεται η μετρηθείσα απόκριση του δοκιμίου αυτού σε όρους ροπών-στροφών της διατομής όπου ο πυλώνας ενώνεται με τη θεμελίωση. Στο σχετικό διάγραμμα σημειώνονται ταυτόχρονα τα αντίστοιχα επίπεδα της μέγιστης καταναγκασμένης οριζόντιας μετατόπισης (δ) που μεταβλήθηκε από 2mm έως 24mm στη θέση όπου μετράται το αντίστοιχο οριζόντιο φορτίο (Ρ, σχήμα 17). Στο σχήμα 27 γίνεται η σύγκριση της φέρουσας ικανότητας τόσο του αρχικού δοκιμίου όσο και του δοκιμίου της 2 ης επισκευής με αυτή του δοκιμίου με την βελτιωμένη αγκύρωση των λωρίδων CFRP με την θεμελίωση. Η σύγκριση αυτή γίνεται μέσω των αντίστοιχων περιβαλλουσών καμπύλων της απόκρισης ροπών-στροφών για κάθε δοκίμιο που καταγράφηκαν κατά την διάρκεια του αντίστοιχου πειράματος. Σχήμα 27. Περιβάλλουσες της απόκριση ροπών στροφών του παρθένου δοκιμίου, της 2 ης επισκευής καθώς και του βελτιωμένου τρόπου αγκύρωσης Όπως φαίνεται από την σύγκριση αυτή το βελτιωμένο σύστημα της αγκύρωσης των λωρίδων CFRP με την θεμελίωση είχε σαν αποτέλεσμα αφενός την περαιτέρω επαύξηση της καμπτικής φέρουσας ικανότητας (100% αύξηση σε σχέση με το παρθένο δοκίμιο) αφετέρου την διατήρηση της φέρουσας αυτής ικανότητας χωρίς πτωτικές τάσεις για πολλαπλάσια επίπεδα στροφών από ότι τα άλλα δοκίμια, με ότι αυτό συνεπάγεται σε όρους απορρόφησης ενέργειας. Η παρατηρούμενη μείωση της δυσκαμψίας του αρχικού κλάδου για το δοκίμιο αυτό θα πρέπει να αποδοθεί στο γεγονός των υφιστάμενων ρηγματώσεων λόγω των προηγούμενων φορτίσεων και επισκευών που δεν έγινε καμιά προσπάθεια να αναιρεθούν στο τελευταίο δοκίμιο. Όπως ήδη αναφέρθηκε, η βελτίωση αυτού του συστήματος αγκύρωσης μελετάται περαιτέρω ώστε να μπορούν να γενικευθούν οι σχετικές παρατηρήσεις και να μπορεί να υποστηριχθεί η εφαρμοσιμότητα του εν συστήματος αγκύρωσης σε πρωτότυπες περιπτώσεις. 16

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 1. Εξετάσθηκαν τρόποι βελτίωσης της καμπτικής συμπεριφοράς κατακόρυφων στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος του τύπου μεσόβαθρου γεφυρών με διατομές επιμήκους μορφής. Εξετάσθηκε αφενός η βελτίωσης της θλιπτικής συμπεριφοράς του ακραίου τμήματος μιας τέτοιας επιμήκους διατομής χρησιμοποιώντας ένα σύστημα εξωτερικής μερικής περίσφιξης με CFRP και αφετέρου η προσθήκη στις εξωτερικές παρειές του δομικού στοιχείου λωρίδων από CFRP που να ενεργήσουν κατά την κατακόρυφη έννοια εν είδει διαμήκων οπλισμών. 2. Για την βελτίωση της θλιπτικής συμπεριφοράς του ακραίου τμήματος της διατομής εφαρμόστηκε ένα σύστημα «μερικής περίσφιξης» μέσω οριζόντιων λωρίδων CFRP και εξετάσθηκαν τρόποι που το σύστημα αυτό γίνεται αποτελεσματικό. Όπως αναμένονταν, κομβικό στοιχείο προς τον σκοπό αυτό είναι να επιτευχθεί η αποτελεσματική αγκύρωση των οριζόντιων λωρίδων των CFRP στον όγκο του σκυροδέματος με την χρήση της κατάλληλης κατασκευαστικής διάταξης. Στην διερεύνηση που παρουσιάστηκε αυτό έγινε εφικτό με αποτέλεσμα την σημαντική επαύξηση της θλιπτικής φέρουσας ικανότητας. Επιπρόσθετα, η συμπεριφορά των μερικώς περισφιγμένων δοκιμίων με αποτελεσματικό τρόπο χαρακτηρίζεται από την διατήρηση της μέγιστης φέρουσας ικανότητας για σχετικά μεγάλα επίπεδα αξονικών βραχύνσεων. 3. Για την βελτίωση της καμπτικής φέρουσας ικανότητας μέσα από την προσθήκη στις εξωτερικές παρειές του δομικού στοιχείου κατακόρυφων λωρίδων από CFRP εν είδει διαμήκων οπλισμών παρατηρήθηκε ότι οι κρίσιμοι μηχανισμοί που υπεισέρχονται είναι αφενός η επάρκεια της επικόλλησης των λωρίδων CFRP στις κατακόρυφες παρειές του δομικού στοιχείου αφετέρου η επάρκεια της αγκύρωσης των λωρίδων αυτών στην θεμελίωση για την ικανοποιητική μεταφορά των ελκυστικών δυνάμεων που παραλαμβάνουν. Και για τους δύο μηχανισμούς κρίσιμο στοιχείο είναι η εύρεση της κατάλληλης λεπτομέρειας αγκύρωσης των εν λόγω λωρίδων CFRP αφού οι δεσμοί που αναπτύσσονται ανάμεσα στις λωρίδες CFRP και στο σκυρόδεμα του δομικού στοιχείου με τη βοήθεια μόνο της ρητίνης αποδεικνύονται ανεπαρκείς για το επίπεδο των δυνάμεων που αναπτύσσονται. 4. Σε πειραματικό επίπεδο χρησιμοποιήθηκαν βύσματα κατάλληλα διανεμημένα στις κατακόρυφες παρειές του δομικού στοιχείου που αποδείχθηκαν ικανά να αποτρέψουν την αποκόλληση των κατακόρυφων λωρίδων CFRP από τις αντίστοιχες παρειές του δοκιμίου σε όλη την διάρκεια των αντίστοιχων πειραμάτων για επίπεδο ροπών διπλάσιο αυτού που αναπτύχθηκε στο «παρθένο» δοκίμιο. 5. Εξετάσθηκε επίσης σε πιλοτικό επίπεδο ένα βελτιωμένο σύστημα αγκύρωσης των λωρίδων CFRP στη θεμελίωση, που αποτελεί επίσης μια πολύ κρίσιμη θέση για να αστοχήσει η αγκύρωση των κατακόρυφων αυτών λωρίδων CFRP, που έχει ως συνέπεια την αναποτελεσματικότητα της επιχειρούμενης με τον τρόπο αυτό επαύξησης της καμπτικής φέρουσας ικανότητας του υπό εξέταση κατακόρυφου δομικού στοιχείου. Το βελτιωμένο αυτό σύστημα προέκυψε μέσα από διάφορες προσπάθειες, και όταν εφαρμόστηκε επέτρεψε την ικανοποιητική μεταφορά των ελκυστικών δυνάμεων που αναπτύχθηκαν στις λωρίδες CFRP στη θεμελίωση βελτιώνοντας με τον τρόπο αυτό κατά 100% την καμπτική φέρουσα ικανότητα του υπό εξέταση δομικού στοιχείου σε σχέση με αυτή του «παρθένου» δοκιμίου. 6. Στις περιπτώσεις εφαρμογής ανθρακο-ινοϋφασμάτων που εξετάσθηκαν στην παρούσα εργασία με σκοπό την βελτίωση της καμπτικής συμπεριφοράς κατακόρυφων δομικών στοιχείων Ο/Σ επιμήκους διατομής η έμφαση δόθηκε στο να αναδειχθεί η σημασία της αγκύρωσης των λωρίδων των ανθρακοϋφασμάτων. Μέσω του κατάλληλου συστήματος 17

αγκύρωσης μπορεί να επιτευχθεί η μεταφορά των δυνάμεων που οι διατομές από ανθρακοινοϋφάσματα μπορούν να παραλάβουν στις θέσεις που αυτές οι διατομές πρακτικά διακόπτονται ώστε να καταστεί η πρακτική εφαρμογής των ανθρακο-ινοϋφασμάτων στην κάθε περίπτωση αποτελεσματική. Αυτό έγινε τόσο για τις οριζόντιες λωρίδες στο CFRP στο πλαίσιο της βελτίωσης της θλιπτικής συμπεριφοράς των ακραίων τμημάτων επιμήκων διατομών μέσω ενός συστήματος μερικής περίσφυξης όσο και για κατακόρυφες λωρίδες που επικολλήθηκαν στις κατακόρυφες παρειές των δοκιμίων εν είδει διαμήκων οπλισμών. Και στις δύο περιπτώσεις υπογραμμίσθηκε η μεγάλη σημασία της κατάλληλης αγκύρωσης των λωρίδων των ινουφασμάτων για να είναι αποτελεσματικά τα αντίστοιχα σχήματα επισκευής / ενίσχυσης. 7. Ως αποτέλεσμα όλων των προηγουμένων συμπερασμάτων μπορεί να διατυπωθεί ότι η εφαρμογή σε πρωτότυπα δομικά στοιχεία τόσο του συστήματος της «μερικής περίσφιξης» όσο και του «βελτιωμένου συστήματος αγκύρωσης» των κατακόρυφων λωρίδων CFRP στην θεμελίωση που εξετάσθηκαν εδώ απαιτεί την ειδική μελέτη του αντίστοιχου συστήματος αγκύρωσης που θα χρησιμοποιηθεί κατά περίπτωση. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Οι συγγραφείς επιθυμούν να αναγνωρίσουν εδώ την υποστήριξη της Ευρωπαϊκής Ένωσης μέσω του προγράμματος Euro-Risk EVG1-CT-2001-00040. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Kawashima, K. (2000), Seismic performance of RC bridge piers in Japan: an evaluation after the 1995 Hyogo-ken nanbu earthquake, Prog. Struct. Engng. Mater. 2000; 2: 82 91. 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. Manos, G.A., et.al (2007) Study of the Dynamic Soil-Structure Interaction of a Bridge Pier Model Based on Structure and Soil Measurements, 9 th Canadian Conference on Earthquake Engineering, Ottawa, Canada, 26-29 June. Manos, G.A., Kourtides V. (2007) Retrofitting R/C Bridge Pier Type Cross-Sections with Partial Confinement Employing Carbon Fiber Reinforcing Plastics, 9 th Canadian Conference on Earthquake Engineering, Ottawa, Canada, 26-29 June. Mitsarakis, C. 2003 «Experimental investigation on the behavior of a pier model structure subjected to cyclic horizontal loading, Postgraduate Course Thesis, Dept. Civil Engineering, Aristotle University, (in Greek). Paterson, J. Mitchell D. (2003), Seismic Retrofit of Shear Walls with Headed Bars and Carbon Fiber Wrap ; Journal of Structural Engineering, ASCE, May 2003, pp. 606-614. 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. 18