Συµπεριφορά οκών Υφιστάµενων Κατασκευών από Ο.Σ. ενισχυµένων µε Ινοπλισµένα Πολυµερή από Ίνες Άνθρακα (CFRP) και Ίνες Χάλυβα (SRP) ΜιτολίδηςΙ. Γιώργος ιπλ. Πολ. Μηχανικός MSc, Υπ. ιδάκτοραςα.π.θ. Ινοπλισµένα Πολυµερή από Ίνες Άνθρακα (CFRP) ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Εύκολη εφαρµογή. Yψηλήαντοχήσεσχέσηµετοβάροςτους. Μεγάλη ποικιλία (ράβδοι, ελάσµατα, µορφή υφάσµατος). Πειραµατική τεκµηρίωση της αποτελεσµατικότητας τους στην ενίσχυση δοµικών στοιχείων Ο/Σ. ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Γραµµικό νόµο τάσης παραµόρφωσης µέχρι την αστοχία Μηδενική αντίσταση υπό σύνθλιψη Αµελητέα λειτουργία βλήτρου σε καµπτικά και διατµητικά ρήγµατα Ψαθυρή αστοχία Προβλήµατα στις θέσεις αγκύρωσης 1
Ινοπλισµένα Πολυµερή από Ίνες Χάλυβα (SRP και SRG) ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Εύκολη εφαρµογή. Yψηλή αντοχή. Μορφή υφάσµατος. Εµποτισµός µε εποξειδική ρητίνη (SRP) και πολυµερή τζιµεντοειδή κονίαµα (SRG). Παρουσιάζουν µικρό κλάδο ανελαστικής παραµόρφωσης ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Μηδενική αντίσταση υπό σύνθλιψη Αµελητέα λειτουργία βλήτρου σε καµπτικά και διατµητικά ρήγµατα Ψαθυρή αστοχία Προβλήµατα στις θέσεις αγκύρωσης Ινοπλισµένα Πολυµερή από Ίνες Χάλυβα (SRP και SRG) έσµες συρµάτων στις οποίες πλέκονται 5 σύρµατα ø0.35mm. Κάθε δέσµη συρµάτων έχει εµβαδόν διατοµής 0.481mm 2 καιβρίσκονταισεδιάταξη 9.0551 δεσµών/cm. Το πάχος του χαλυβδοϋφάσµατος που διαµορφώνεται είναι 0.123cm. έσµες συρµάτων στις οποίες πλέκονται 3 σύρµατα ø0.22mm, 9 σύρµατα ø0.20mm και εξωτερικά της δέσµης τυλίγεται σύρµα ø0.18mm. Κάθε δέσµη συρµάτωνέχειεµβαδόνδιατοµής 0.414mm 2 και βρίσκονται σε διάταξη 9.0551 δεσµών/cm. Το πάχος του χαλυβδοϋφάσµατος που διαµορφώνεται είναι 0.123cm. Λεπτοµέρειες των δύο τύπων ινών χάλυβα που χρησιµοποιήθηκαν 2
SRP 3X2-23-12, SRP12X-23-12, CFRP, STEEL 3000 f(mpa) 2500 stress 2000 1500 1000 Συγκριτικό ιάγραµµα Τάσης Παραµόρφωσης SRP 3Χ2, SRP 12X, CFRP και οµικού Χάλυβα 500 ε(%) 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 strain Βελτίωση της Καµπτικής Συµπεριφοράς οκών µε Χρήση SRP και SRG των Wobble et al (2004) 4 οκίµια Ορθογωνικής ιατοµής 20.3x30.5 cm, Μήκους 243.8cm Μονοτονική Φόρτιση µέσω της Επιβολής Κάµψης 4 Σηµείων Ενίσχυση µε λωρίδες SRP και SRG 3
Αποτελέσµατατων Wobble et al (2004) Αύξηση της Καµπτικής Αντοχής 40-70% Αύξηση Αρχικής υσκαµψίας οκών Μικρότερη Ικανότητα Παραµόρφωσης σε σχέση µε Πιλοτικό οκίµιο Ψαθυρή Αστοχία λόγω Αποκόλλησης του Υλικού Ενίσχυσης ιάγραµµα ύναµης Βύθισης Μέσου Ψαθυρή Αστοχία οκιµίων Αποτελεσµατικότητα της Ενίσχυσης οκών Ο.Σ. µε Χρήση SRP, SRG και CFRP των Prota et al (2004) 11 οκίµια Ορθογωνικής ιατοµής 40x20cm, Μήκους 370.0cm Μονοτονική Φόρτιση µέσω της Επιβολής Κάµψης 4 Σηµείων Ενίσχυση µε λωρίδες CFRP, SRP & SRG σε 1,2 και 3 στρώσεις Xρήση Ειδικών Μεταλλικών Βυσµάτων Αγκύρωσης 4
Αποτελέσµατατων Prota et al (2004) Αύξηση της Καµπτικής Αντοχής µε χρήση των SRP 46-145% Αύξησηαντοχής SRG < Αύξησηαντοχής SRP Μικρότερη Ικανότητα Παραµόρφωσης σε σχέση µε Πιλοτικό οκίµιο (13-55%) οκοί µε SRP επέδειξαν: 10% µικρότερη αντοχή από δοκούς µε CFRP 24% µεγαλύτερη ικανότητα παραµόρφωσης απόδοκούςµε CFRP Αποτελέσµατατων Prota et al (2004) Μορφή Αστοχίας: SRP ιαχωρισµός επικάλυψης σκυροδέµατος µε έναρξη το σηµείο επιβολής του φορτίου. SRG διεπιφάνεια συγκόλλησης τσιµεντοειδούς κονιάµατος µε σκυρόδεµα Χρήση Ειδικών Βυσµάτων δεν βελτίωσε την συµπεριφορά των ενισχυµένων δοκιµίων 5
Καµπτική Ενίσχυση οκών Ο.Σ. µε Χρήση SRP των Kim et al (2005) 6 Αµφιερειστοι οκοί Ορθογωνικής ιατοµής 10x15cm, Μήκους 122.0cm Μονοτονική Φόρτιση µέσω της Επιβολής Κάµψης 3 Σηµείων Ενίσχυση µε λωρίδες SRP µε διαφορετικά πλάτη Xρήση λωρίδων SRP µορφής U Αποτελέσµατα των Kim et al (2005) Αύξηση της Καµπτικής Αντοχής µε χρήση των SRP 18-53% Αύξηση Αρχικής υσκαµψίας ανάλογη µε την αύξηση του πλάτους λωρίδων Βελτιωµένη Καµπτική Συµπεριφορά µε τη χρήση των εγκάρσιων λωρίδων U 6
Αποτελεσµατικότητα των SRP και SRG στην ενίσχυση δοκών, Huang et al (2005) 3 Αµφιερειστοι οκοί Ορθογωνικής ιατοµής Μήκους 3000mm Μονοτονική Φόρτιση µέσω της Επιβολής Κάµψης 4 Σηµείων Ενίσχυσηµελωρίδες SRP και SRG ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Αύξηση της Καµπτικής Αντοχής µε χρήση των SRP 30% Αύξηση της Καµπτικής Αντοχής µε χρήση των SRG 20% Βελτίωση Καµπτικής Συµπεριφοράς δοκών από ΠροεντεταµένοΣκυρόδεµα, Casadei et al (2005) 3 οκοίµορφήςδιπλούτ 4 Κύκλοι Φόρτισης Αποφόρτισης Ενίσχυσηµελωρίδες SRPσε 1 και 2 στρώσεις Xρήση λωρίδων SRP µορφής U 7
Αποτελέσµατατων Casadei et al (2005) Βελτίωση Καµπτικής Συµπεριφοράς µε χρήση των SRP Αύξηση πλαστιµότητας Χρήση εγκάρσιων λωρίδων U καθυστερεί την πρόωρη αποκόλληση των διαµηκών λωρίδων Βελτίωση Καµπτικής Συµπεριφοράς ιάγραµµα ύναµης Βύθισης Μέσου υνατότητα Ενίσχυσης οκών Ο.Σ. µέσω της Χρήσης SRP, Figeys et al (2005) 6 Αµφιερειστοι οκοί Ορθογωνικής ιατοµής 12.5x22.5cm, Μήκους 3000mm Μονοτονική Φόρτιση µέσω της Επιβολής Κάµψης 4 Σηµείων Ενίσχυση µε λωρίδες SRP µε διαφορετικά µήκη επικόλλησης ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Αύξηση της Καµπτικής Αντοχής από 32-70% Τα δοκίµια µε µεγαλύτερο µήκος επικόλλησης παρουσίασαν καλύτερη συµπεριφορά από τα αντίστοιχα µε µικρότερο µήκος επικόλλησης 8
Ενίσχυσης οκών Ο.Σ. έναντι Κάµψης και Τέµνουσας µε SRP, Saber et al (2008) 7 Αµφιερειστοι οκοί Ορθογωνικής ιατοµής 15x30cm, Μήκους 3000mm Μονοτονική Φόρτιση µέσω της Επιβολής Κάµψης 4 Σηµείων Ενίσχυση µε λωρίδες SRP απο1 έως 3 στρώσεις Xρήση λωρίδων SRP µορφής U στα άκρακαικαθ όλοτοµήκοςτης δοκού Εµποτισµός SRP µε 2 διαφορετικών τύπων εποξειδικές ρητίνες Αποτελέσµατατων Saber et al (2008) Αύξηση της Καµπτικής Αντοχής µε χρήση των SRP µέχρι 300% Αύξηση Καµπτικής Αντοχής µε την Αύξηση των Στρώσεων SRP Μικρότερη Ικανότητα Παραµόρφωσης σε σχέση µε Πιλοτικό οκίµιο Χρήσηεγκάρσιωνλωρίδων U καθυστερεί την πρόωρη αποκόλληση των διαµηκών λωρίδων Βελτίωση Καµπτικής Συµπεριφοράς ιάγραµµα ύναµης Βύθισης Μέσου 9
Απότηνµέχριτώραπειραµατικήδιερεύνησητων SRP διεθνώς, διαπιστώθηκεότι: Mε την χρήση τους στην ενίσχυση δοµικών στοιχείων από Ο/Σεπέρχεταιαύξησητηςαντοχήςαπό 20 έως 300%. Ενδείκνυνται για την ενίσχυση του µηχανισµού κάµψης καιδιάτµησης. Η αποτελεσµατικότητά τους έχει επιβεβαιωθεί κατά την εφαρµογή τους από µία έως τρεις στρώσεις. Με την εφαρµογή των SRP η πλαστική παραµόρφωση των ενισχυµένων δοµικών στοιχείων είναι παρόµοια µε αυτή πουπροκύπτειαπότηνεφαρµογή CFRP. Είναι σηµαντικά φθηνότερα από τα CFRP. ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΓΓΕΤ ΠΕΝΕ 2003 ΣΚΟΠΟΣ: Συγκριτική οκιµή Στοιχείων Ο/Σ ενισχυµένων µε SRP και CFRP 1ο Στάδιο Προσδιορισµός Νόµου Τάσης Παραµόρφωσης Υλικών Ενίσχυσης (ASTM D 5053 M) 2ο Στάδιο Προσδιορισµός Νόµου Τάσης Συνάφειας Παραµόρφωσης Υλικών Ενίσχυσης 3ο Στάδιο Πειραµατικός Προσδιορισµός Βαθµού Καµπτικής και ιατµητικής Ενίσχυσης που επέρχεται µετην χρήση SRP, CFRP και σύγκριση αποτελεσµάτων. 10
3οΣτάδιο: Πειραµατικός Προσδιορισµός Βαθµού Ενίσχυσης I. οκίµια τα οποία αντιπροσωπεύουν το ΑΝΟΙΓΜΑ και τη ΣΤΗΡΙΞΗ συνεχούς δοκού II. III. Ενίσχυση οκών σε Κάµψη µε τη χρήση CFRP & SRP Ενίσχυση οκών σε Τέµνουσα µε τη χρήση CFRP & SRP IV. Χρήση 2 Τύπων Χαλύβδινων Ινών για τα SRP (3X2 & 12Χ) V. ΑγκύρωσηΜήκουςΕπικόλλησηςα) σεπεριοχέςόπουτοο.σ. βρίσκεται υπό σύνθλιψη και β) σε περιοχές εφελκυσµού. Παράµετροι οκιµίων 3οΣτάδιο: Πειραµατικός Προσδιορισµός Βαθµού Ενίσχυσης οκίµια τα οποία αντιπροσωπεύουν το ΑΝΟΙΓΜΑκαιτηΣΤΗΡΙΞΗσυνεχούςδοκού. ιατοµή οκιµίων 20x40cm Προσοµοίωση οκών Κτιρίων Κατασκευής 1950-1960. Vdiag Vstir Vstir M V ΑΝΟΙΓΜΑ µήκος 4m (διάγραµµα θετικών ροπών για µήκος 3m). Vdiag Vstir Vconc Vdiag Vconc Vstir V ΣΤΗΡΙΞΗ µήκος 3m (διάγραµµα αρνητικών ροπών για µήκος 2m). Κατηγορία Σκυροδέµατος Β225 C16/20 Vdiag M V Κατηγορία Χάλυβα Οπλισµού S500 και Λείος S400 M Σχεδιασµός οκιµίων Vdiag Vstir Vconc Vdiag Vconc Vstir Vdiag V Vstir Vconc Vconc Vstir Vdiag 11
3οΣτάδιο: Πειραµατικός Προσδιορισµός Βαθµού Ενίσχυσης ΜονοτονικήΦόρτισηµέσωτηςΕπιβολήςΚάµψης 4Σηµείων (ΑΝΟΙΓΜΑ) και 3 Σηµείων (ΣΤΗΡΙΞΗ) Συνολικά 13 οκίµια Κλίµακας 1:1 4 Πιλοτικά οκίµια: 2 Ανοίγµατος (SVS, SVM) και 2 Στήριξης (ΙVS, ΙVM) 3 οκίµια Ανοίγµατος ενισχυµένα έναντι κάµψης µε δυο τύπους χαλύβδινων ινών SRP και CFRP (SS12XM, SS3X2M, SCM) 3 οκίµια Στήριξης ενισχυµένα έναντι κάµψης µε δυο τύπους χαλύβδινων ινών SRP και CFRP (ΙS12XM, ΙS3X2M, ΙCM) 3 οκίµια Στήριξης ενισχυµένα έναντι τέµνουσας µε δυο τύπους χαλύβδινωνινών SRP και CFRP (ΙS12XSM, ΙS3XSM, ΙCSM) Σχεδιασµός οκιµίων 3οΣτάδιο: Πειραµατικός Προσδιορισµός Βαθµού Ενίσχυσης SVS 10/5 A S500 Ποιότητα Χάλυβα Οπλισµού S220 εκτός αν ορίζεται διαφορετικά B 12 4τµητοι Συνδ. Φ10/5 ΤΟΜΗ Α-Α Φ8/20 40 S220 Φ8/20 4Φ18 S500 20 ΤΟΜΗ Β-Β εµπρός 60 4Φ18 1 S500 A 2d 100 100 100 300 B εµπρός 60 40 Φ8/20 420 SVM 25 Ποιότητα Χάλυβα Οπλισµού S220 25 25 25 A 2Φ12 B 12 4τµητοι Συνδ. Φ10/5 12 4τµητοι Συνδ. Φ10/5 4Φ18 S500 20 ΤΟΜΗ Β-Β 4Φ12 Φ8/20 40 S220 Φ8/20 2Φ12 απο άνοιγµα 2Φ12 20 ΤΟΜΗ Α-Α εµπρός 60 100 4Φ12 A 100 300 20 2Φ12 100 B εµπρός 60 40 2Φ12 Φ8/20 420 4Φ12 20 Σχεδιασµός Πιλοτικών οκιµίων Ανοίγµατος 12
3οΣτάδιο: Πειραµατικός Προσδιορισµός Βαθµού Ενίσχυσης IVS 12 4τµητοι Συνδ. Φ10/5 B Ποιότητα Χάλυβα Οπλισµού S220 ΤΟΜΗ Α-Α 12 4τµητοι Συνδ. Φ10/5 S500 20 S500 S220 O8/20 4Φ16 S500 40 Φ8/20 εµπρός 60 B 10 10 100 100 200 εµπρός 4Φ16 S500 320 IVM 12 4τµητοι Συνδ. Φ10/5 Ποιότητα Χάλυβα Οπλισµού S220 B 12 4τµητοι Συνδ. Φ10/5 ΤΟΜΗ Β-Β 2Φ12 O8/10 Φ8/10 εµπρός 60 10 B 100 100 200 10 εµπρός 5Φ12 320 Σχεδιασµός Πιλοτικών οκιµίων Στήριξης 3οΣτάδιο: Πειραµατικός Προσδιορισµός Βαθµού Ενίσχυσης Φάσεις κατασκευής δοκιµίων κλίµακας 1:1 13
3οΣτάδιο: Πειραµατικός Προσδιορισµός Βαθµού Ενίσχυσης Φάσεις κατασκευής δοκιµίων κλίµακας 1:1 3οΣτάδιο: Πειραµατικός Προσδιορισµός Βαθµού Ενίσχυσης Φάσεις κατασκευής δοκιµίων κλίµακας 1:1 14
SVM SS3X2M SS12XM SCM SVS 15
IVM ICM IS3X2M IS12XM IVS ICS-M IS3X2S-M IS12XS-M 250 kn 350 kn 200 300 250 150 SVM SS3X2M 200 IVM IS3X2M 100 SS12XM SCM 150 IS12XM ICM 100 50 50 0 0 5 10 15 20 25 30 35 mm 0 0 5 10 15 20 mm 500 kn 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 mm IVS IS3XS_M IS12XS_M ICSM ιαγράµµατα ύναµης Βύθισης Μέσου οκιµίων 16
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ οκιµές Πειραµάτων Προσδιορισµού Βαθµού Ενίσχυσης Μικρότερη αύξηση αντοχής στις στηρίξεις των ενισχυµένων δοκών απ ότι στα ανοίγµατα. Αύξηση καµπτικής αντοχής στις στηρίξεις ~ 80% Αύξηση καµπτικής αντοχής στα ανοίγµατα ~ 100% Η αστοχία στα ανοίγµατα επήλθε για µεγαλύτερη παραµόρφωση απ ότι στις στηρίξεις. Σε όλα τα ενισχυµένα δοκίµια η αστοχία προήλθε από αποκόλληση των συνθετών υλικών. Κύρια µορφή αστοχίας ήταν ο διαχωρισµός της επικάλυψης σκυροδέµατος µε σηµείο έναρξης τα άκρα του υλικού ενίσχυσης. Τα ενισχυµένα δοκίµια µε SRP επέδειξαν µεγαλύτερη ικανότητα παραµόρφωσης από τα αντίστοιχα δοκίµια µε CFRP. Με τη χρήση SRP και CFRP επιτεύχθηκε η αλλαγή του τρόπου αστοχίας των στηρίξεων από τη µηεπιθυµητή διατµητική στην επιθυµητή καµπτική. Σηµαντική αύξηση της αντοχής και της ικανότητας παραµόρφωσης των ενισχυµένων δοκιµίων έναντι τέµνουσας. Η αύξηση του µήκους αγκύρωσης επιπλέον του ενεργού µήκους αγκύρωσης δεν επηρεάζει τη συµπεριφορά των δοκιµίων. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Το παρόν πρόγραµµα χρηµατοδοτείται από τηνγγετ στα πλαίσια του προγράµµατος ΠΕΝΕ 2003. Επίσης ευχαριστίες εκφράζονται στην εταιρεία Sika Hellas ΑΒΕΕ για την οικονοµική υποστήριξη της και την παροχή υλικών. ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ 17