3 o Πανελλήνιο Συνέδριο Αντισεισμικής Μηχανικής & Τεχνικής Σεισμολογίας 5 7 Νοεμβρίου, 28 Άρθρο 28 Μια Καινοτόμος Λύση για τις Ενισχύσεις Κατασκευών Ο/Σ με Σύνθετα Υλικά n Innovative Solution for the Strengthening of R/C Structures using Composite Materials Αλέξανδρος-Δημήτριος ΤΣΩΝΟΣ, Χριστίνα ΑΘΑΝΑΣΙΑΔΟΥ 2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Προτείνεται μια καινοτόμος λύση που εξασφαλίζει καλή σεισμική συμπεριφορά στις υπάρχουσες κατασκευές από οπλισμένο σκυρόδεμα που ενισχύονται με σύνθετα υλικά. Το αδύνατο σημείο της χρήσης αυτών των υλικών για επισκευή και ενίσχυση κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα είναι η περιοχή των κόμβων. Η λύση που προτείνεται συνίσταται στη χρήση συμβατικής ενίσχυσης με μανδύα οπλισμένου σκυροδέματος μόνο στην περιοχή του κόμβου ενώ η ενίσχυση των στύλων επιτυγχάνεται με σύνθετα υλικά. Η ενίσχυση με την προτεινόμενη μέθοδο δοκιμάζεται πειραματικά σε δοκίμιο δοκού - υποστυλώματος σε κλίμακα :2 ενώ η σεισμική συμπεριφορά του ενισχυμένου δοκιμίου συγκρίνεται με αυτήν του παρθενικού καθώς και με αυτήν παρόμοιων δοκιμίων που ενισχύθηκαν αποκλειστικά με συμβατικό μανδύα Ο/Σ είτε αποκλειστικά με μανδύα από σύνθετα υλικά. Προέκυψε ότι η συμπεριφορά του ενισχυμένου με την προτεινόμενη μέθοδο δοκιμίου είναι σαφώς ανώτερη από αυτήν του παρθενικού, παρόμοια με αυτήν του δοκιμίου που ενισχύθηκε με συμβατικό μανδύα από Ο/Σ και ανώτερη από αυτήν του ενισχυμένου αποκλειστικά με σύνθετα υλικά. STRCT : n innovative solution is proposed that ensures a satisfactory seismic performance of existing reinforced concrete structures, strengthened by using composite materials. The weak point of the use of such materials in repairing and strengthening R/C structures is the area of beam-column joints. ccording to the proposed solution, the joints can be strengthened with a conventional R/C jacket while strengthening of columns can be achieved by using CFRPs. The effectiveness of the proposed solution is investigated experimentally on a :2 scale beam-column specimen. The seismic performance of the strengthened specimen is compared to that of the original one, as well as to that of similar specimens strengthened either with a conventional R/C jacket or with a CFRP jacket. The results showed that the performance of the specimen strengthened with the proposed solution was much better than that of the original one and similar to the performance of the specimen strengthened with a R/C jacket and better than that of the specimen strengthened with CFRPs. Καθηγητής, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσ/νίκης, email: tsonosa@civil.auth.gr 2 Επίκ. Καθηγήτρια, Τμήμα Πολιτ. Μηχ/κών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσ/νίκης, email: chathana@civil.auth.gr
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η Ελλάδα έχει το θλιβερό προνόμιο να ανήκει στις χώρες με τη μεγαλύτερη σεισμικότητα στην Ευρώπη. Τα τελευταία 3 χρόνια σημειώθηκαν αρκετοί ισχυροί σεισμοί στον ελληνικό χώρο που έπληξαν μεγάλα αστικά κέντρα (Θεσσαλονίκη, Αθήνα, Καλαμάτα, Πύργος) και σημειώθηκαν σημαντικές βλάβες στα κτίρια όπως και καταρρεύσεις με ανθρώπινα θύματα. Τα περισσότερα από τα κτίρια που παρουσίασαν βλάβες επισκευάστηκαν και ενισχύθηκαν. Με δεδομένα ότι αφενός, σε μια σεισμογενή χώρα όπως η Ελλάδα, αναμένονται ισχυροί σεισμοί και, αφετέρου, ότι το 8% του συνολικού δομικού πλούτου της χώρας έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί πριν την εφαρμογή των σύγχρονων κανονισμών (σκυροδέματος και αντισεισμικού), είναι πολύ πιθανό να προκληθούν βλάβες από σεισμό σε σημαντικό αριθμό κτιρίων με φέροντα οργανισμό από οπλισμένο σκυρόδεμα, τα οποία, ως εκ τούτου, θα χρήζουν ενισχύσεων. Τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί μια σχετικά νέα τεχνική ενίσχυσης κατασκευών η οποία βασίζεται στην επικόλληση λωρίδων από ινοπλισμένα, σύνθετα υλικά (Fiber-Reinforced Polymers FRPs) με τη βοήθεια εποξειδικών ρητινών σε στοιχεία οπλισμένου σκυροδέματος. Τα υλικά αυτά, τα οποία αποτελούνται από ίνες άνθρακα, γυαλιού ή αραμίδης σε πολυμερή μήτρα, χαρακτηρίζονται από πολύ υψηλή εφελκυστική αντοχή και μικρό βάρος. Οι μανδύες από ινοπλισμένα πολυμερή παρουσιάζουν αρκετά πλεονεκτήματα αλλά είναι κοινά πλέον αποδεκτό ότι παρουσιάζουν και σημαντικά μειονεκτήματα, τα οποία συνοψίζονται στα εξής:. Δεν είναι σε θέση να αυξήσουν το μικρό λόγο ικανοτικού σχεδιασμού Μ R (άθροισμα ροπών αντοχής στύλων προς άθροισμα ροπών αντοχής δοκών) που έχουν οι παλιές οικοδομές από οπλισμένο σκυρόδεμα, οι οποίες πολλές φορές σχεδιάζονταν (από άγνοια) με ισχυρές δοκούς και ασθενείς στύλους. Αυτή η αδυναμία προκύπτει από το γεγονός ότι οι στρώσεις αύξησης της καμπτικής αντοχής των στύλων δεν είναι δυνατόν να συνεχίσουν από όροφο σε όροφο λόγω της παρουσίας της πλάκας και των δοκών που συντρέχουν στην περιοχή του κόμβου. Αυτός είναι ο λόγος που στο σχέδιο του Ελληνικού Κανονισμού Επεμβάσεων (24) αναφέρεται για τις ενισχύσεις κόμβων «Η παρουσία πλακών και εγκαρσίων δοκών συνήθως καθιστά αδύνατη την εφαρμογή της τεχνικής των επικολλητών ελασμάτων ή υφασμάτων από ινοπλισμένα πολυμερή». 2. Δεν είναι σε θέση να ενισχύσουν αποτελεσματικά κόμβους δοκού - υποστυλώματος παλαιών κτιρίων από οπλισμένο σκυρόδεμα, καθώς αποτελεσματική ενίσχυση του κόμβου σημαίνει ταυτόχρονα αύξηση του λόγου ικανοτικού σχεδιασμού Μ R (συνήθως Μ R >.4, ΕΑΚ 2, ΑCI-ΑSCΕ Committee 352 22), μείωση των διατμητικών τάσεων που ασκούνται στον κόμβο και προσθήκη κατάλληλου οπλισμού (ΑCI-ΑSCΕ Committee 352 22, Τσώνος 23). Στο σημείο αυτό θα πρέπει να τονιστεί ότι, ενώ με τη χρήση συμβατικών μανδυών από οπλισμένο σκυρόδεμα οι προηγούμενες παράμετροι βελτιώνονται αξιοσημείωτα, αντιθέτως, με τη χρήση ενισχύσεων με σύνθετα υλικά, τόσο ο λόγος ικανοτικού σχεδιασμού Μ R όσο και οι διατμητικές τάσεις των κόμβων πρακτικά δε μεταβάλλονται (Τσώνος 23). Αυτό σημαίνει ότι κόμβοι που καταπονούνται από ισχυρές διατμητικές τάσεις και έχουν ισχυρές συντρέχουσες δοκούς και ασθενή υποστυλώματα δεν είναι δυνατόν να ενισχυθούν 2
αποτελεσματικά με FRPs. Απόδειξη των ανωτέρω αποτελεί το γεγονός ότι δεν έχει παρουσιαστεί μέχρι σήμερα επιτυχής τρόπος ενίσχυσης κόμβου με ινοπλισμένα πολυμερή, δηλαδή κόμβου ενισχυμένου με FRPs που σε έναν ισχυρό σεισμό να παραμένει άθικτος και να μεταφέρει την αστοχία στη δοκό. Από την επισκόπηση της διεθνούς βιβλιογραφίας στις προταθείσες λύσεις ενίσχυσης κόμβου με ινοπλισμένα πολυμερή φαίνεται ότι, κατά τη σεισμική φόρτιση, το κυριότερο μέρος της βλάβης συγκεντρώνεται στον κόμβο (ntonopoulos and Triantafillou 23, Womach et al. 2, Pantelides et al. 2, Tsonos and Stylianides 22, Karayannis and Sirkelis 28). Αυτό άλλωστε γίνεται εμφανές και από την εξέταση των υστερητικών βρόχων των ενισχυμένων με FRPs κόμβων. Αντιθέτως, δοκίμια κόμβων που ενισχύθηκαν με συμβατικούς μανδύες από οπλισμένο σκυρόδεμα έδειξαν εξαιρετική σεισμική συμπεριφορά, δεν αστόχησαν στον κόμβο και οδήγησαν την αστοχία στη δοκό. Αυτό άλλωστε φαίνεται και από την εξέταση των υστερητικών τους βρόχων που δείχνουν αστοχία δοκού (Tsonos 999, Tsonos 22, Karayannis et al. 28). Σε πρόσφατη πειραματική ερευνητική εργασία, στην οποία γίνεται σύγκριση της αποδοτικότητας της ενίσχυσης κόμβων με συμβατικούς μανδύες από οπλισμένο σκυρόδεμα με αυτήν των μανδυών από FRPs φαίνεται καθαρά η υπεροχή της ενίσχυσης με συμβατικούς μανδύες (Tsonos and Stylianides, 22). Όλα τα ανωτέρω οδήγησαν τον πρώτο των συγγραφέων στην καινοτόμο ιδέα της μικτής ενίσχυσης για τις κατασκευές από Ο/Σ όταν χρησιμοποιούνται σύνθετα υλικά FRPs. Μετά από αυτά, στην παρούσα εργασία προτείνεται και εξετάζεται η αποδοτικότητα μιας λύσης που εφαρμόζει την καινοτόμο αυτήν ιδέα και εξασφαλίζει ιδιαίτερα τις κατασκευές που ενισχύονται με σύνθετα υλικά. Η λύση που προτείνεται συνίσταται στη χρήση συμβατικής ενίσχυσης με μανδύα οπλισμένου σκυροδέματος μόνο στην περιοχή του κόμβου, ενώ οι στύλοι ενισχύονται με σύνθετα υλικά. Με τον τρόπο αυτόν καθίσταται δυνατή η εκμετάλλευση των πλεονεκτημάτων της χρήσης FRPs για την ενίσχυση υποστυλωμάτων αποφεύγοντας τα προβλήματα που δημιουργούνται. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΝΕΟΥ ΤΡΟΠΟΥ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ Προκειμένου να εξεταστεί η αποτελεσματικότητα των ενισχύσεων με την προτεινόμενη μέθοδο ενίσχυσης συγκρίνεται η σεισμική συμπεριφορά πλαισιακών υποσυνόλων (δηλαδή χαρακτηριστικών τμημάτων) παλαιάς οικοδομής από οπλισμένο σκυρόδεμα, ενισχυμένων με τον προτεινόμενο τρόπο ενίσχυσης, με τη σεισμική συμπεριφορά ομοίων δοκιμίων, ενισχυμένων αποκλειστικά με κλασικούς μανδύες οπλισμένου σκυροδέματος είτε με μανδύες ινοπλισμένων πολυμερών (FRPs). Για τον έλεγχο της αποδοτικότητας των τριών τύπων ενισχύσεων που προαναφέρθηκαν επιλέγονται δοκίμια που περιλαμβάνουν τμήμα της οικοδομής απαρτιζόμενο από στύλους και δοκό με κλίμακα :2. Η μορφή των δοκιμίων φαίνεται στο Σχήμα. Τα δοκίμια αυτά αντιπροσωπεύουν τμήμα παλαιάς οικοδομής στον ελληνικό χώρο (σχεδιασμένης πριν από το 984, οπότε άρχισαν να ισχύουν οι πρόσθετες διατάξεις του Ελληνικού Αντισεισμικού Κανονισμού του 959) και έχουν λόγο ικανοτικού σχεδιασμού M R μικρότερο της μονάδας όπως συνέβαινε συνήθως - ώστε να αστοχήσουν στις περιοχές των στύλων και του κόμβου. Όπως μάλιστα φαίνεται στο Σχήμα, ο κόμβος του δοκιμίου δεν έχει καθόλου οπλισμό, γεγονός που δημιουργεί δυσμενέστερες συνθήκες ενίσχυσης του στοιχείου αυτού με το νέο τρόπο επέμβασης, ενώ και οι οπλισμοί των στύλων, 3
όπως φαίνεται στο ίδιο σχήμα, είναι πολύ λιγότεροι αυτών που απαιτούνται σήμερα με τους νέους κανονισμούς. Στο σημείο αυτό θα πρέπει να αναφερθεί η αξία του επιλεγέντος κατάλληλου πλαισιακού υποσυνόλου με το οποίο μπορεί να μελετηθεί η αποδοτικότητα της ενίσχυσης των υποστυλωμάτων παρουσία ενισχυμένων κόμβων, όπως δηλαδή συμβαίνει και στην πραγματικότητα (όπου συνυπάρχουν στύλοι και κόμβοι). Αντιθέτως, η μελέτη των υποστυλωμάτων με δοκίμια αμιγώς στύλων, αμφίπακτων ή μονόπακτων, που συνηθίζεται στις πειραματικές ερευνητικές εργασίες, οδηγεί μεν σε κάποια συμπεράσματα για την αποτελεσματικότητα της ενίσχυσης των στύλων, αγνοεί όμως μια σημαντικότατη παράμετρο όπως οι κόμβοι. Έτσι, δίνονται εσφαλμένα αποτελέσματα στους μηχανικούς της πράξης και δεν είναι λίγες οι περιπτώσεις που συναντάται ισχυρή ενίσχυση των υποστυλωμάτων, η οποία όμως διακόπτεται ακριβώς κάτω από τον κόμβο. Στην περίπτωση αυτή αναμένεται βέβαιη αστοχία του κόμβου σε έναν ισχυρό μελλοντικό σεισμό, θέτοντας σε κίνδυνο τους ενοίκους των οικοδομών αυτών (Τσώνος 25-2). Για να εξεταστεί η αποτελεσματικότητα του νέου συστήματος ενίσχυσης που παρουσιάζεται κατασκευάζονται τρία δοκίμια (τα W, O και W2) όμοια με αυτό του Σχήματος. Το σκυρόδεμα των αρχικών αυτών δοκιμίων έχει θλιπτική αντοχή της τάξης των 9. MPa. Τα δοκίμια υποβάλλονται σε σεισμική καταπόνηση και αστοχούν στο στύλο και στον κόμβο - όπως αναμενόταν άλλωστε. Κατόπιν τα δοκίμια επισκευάζονται και ενισχύονται στον κόμβο και στην περιοχή των στύλων όπως περιγράφεται στη συνέχεια. Το πρώτο από αυτά (το W) ενισχύεται με την προτεινόμενη μέθοδο και το ενισχυμένο δοκίμιο ονομάζεται FCW (Σχήμα 2). Στο δοκίμιο, αφού απομακρύνθηκε το αποδιοργανωμένο σκυρόδεμα, έγινε ενίσχυση τοπικά στην περιοχή του κόμβου με μανδύα από οπλισμένο σκυρόδεμα όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. Το σκυρόδεμα που χρησιμοποιήθηκε ήταν έτοιμο σκυρόδεμα υψηλής αντοχής MEGGROUT. Από την άλλη η ενίσχυση των υποστυλωμάτων του δοκιμίου έγινε με μανδύες CFRPs. Το δεύτερο δοκίμιο (το Ο) ενισχύεται με μανδύες κοινού οπλισμένου σκυροδέματος C3/37 με προσθήκη διαμήκων οπλισμών 4Φ4 και συνδετήρων Φ8/7 στους στύλους και, επιπλέον, με προσθήκη δισδιαγώνιων οπλισμών στον κόμβο - που αυξάνουν σημαντικά την καμπτική και διατμητική αντοχή αλλά δημιουργούν κατασκευαστικά προβλήματα (δοκίμιο SO Σχήμα 3). Τέλος, το τρίτο δοκίμιο (το W2) ενισχύεται αποκλειστικά με μανδύες από CFRPs όπως φαίνεται στο Σχήμα 4 και ονομάζεται FW2. Ο χάλυβας που χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή των δοκιμίων ήταν ποιότητας S5s. Ο υπολογισμός της ενίσχυσης των δοκιμίων έγινε με βάση τους νέους κανονισμούς και συστάσεις της Ελληνικής και Διεθνούς βιβλιογραφίας (Ο.Α.Σ.Π. & Σ.Π.Μ.Ε. 2α και 2β, Δρίτσος 25, CI-SCE 352-22). Τα ενισχυμένα με τους διάφορους τρόπους που προαναφέρθηκαν δοκίμια FCW, SO και FW2 υποβάλλονται στην ίδια σεισμική καταπόνηση με αυτήν που υποβλήθηκαν τα παρθενικά δοκίμια W, O και W2. Η σεισμική συμπεριφορά όλων των ανωτέρω δοκιμίων εξετάστηκε σε διάταξη φόρτισης που είναι εγκατεστημένη στο Εργαστήριο Κατασκευών Οπλισμένου Σκυροδέματος και Φέρουσας Τοιχοποιίας του Α.Π.Θ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ 4
Στο Σχήμα 5 φαίνονται τα διαγράμματα των βρόχων υστέρησης του παρθενικού δοκιμίου Ο (που είναι όμοιοι με αυτούς των W και W2) και των ενισχυμένων με τις διάφορες μεθόδους FCW, SO και FW2. Από τη σύγκριση των βρόχων υστέρησης του αντιπροσωπευτικού παρθενικού δοκιμίου ελέγχου Ο με τους αντίστοιχους των ενισχυμένων FCW, SO και FW2 παρατηρείται ότι η σεισμική συμπεριφορά όλων των ενισχυμένων δοκιμίων είναι σαφώς βελτιωμένη σε σύγκριση με αυτήν του δοκιμίου ελέγχου Ο. N+.95 4 2 4 /5 2 4 8/2.4.3 Σημεία επιβολής φόρτισης /5 N 4 8/7. 3 8 ΤΟΜΗ Α-Α 2 4 /5 2 4 ΤΟΜΗ - Σχήμα. Διαστάσεις και λεπτομέρειες οπλισμού των παρθενικών δοκιμίων O, W και W2 (διαστάσεις σε m)..3 3 4 3 4 8/7 Πρόσθετος διαμήκης οπλισμός Πρόσθετοι συνδετήρες μανδύα κόμβου.4 Ηλεκτροκόλληση C D N+ N C.95 5 στρώσεις FRPs για αύξηση καμπτικής αντοχής στύλου 2 στρώσεις FRPs για αύξηση διατμητικής αντοχής στύλου Καβίλια ΤΟΜΕΣ Β-Β, D-D...3 4 στρώσεις περιτύλιξη D για περαιτέρω εξασφάλιση αγκυρώσεων στρώσεων κόμβου Καμπτική στρώση Υπάρχων διαμήκης οπλισμός στύλου Διατμητική στρώση Τοπικός μανδύας από Ο/Σ ΤΟΜΗ -.34 ΤΟΜΗ C-C Πρόσθετος διαμήκης οπλισμός 2 4 Υπάρχον υποστύλωμα.. 4 4 8/7cm 4 4 Στρώσεις FRPs Πρόσθετοι συνδετήρες 8/3.5cm Πρόσθετος διαμήκης οπλισμός 2 4 Σχήμα 2. Διαστάσεις και λεπτομέρειες οπλισμού του ενισχυμένου δοκιμίου FCW (διαστάσεις σε m). Βελτιωμένος ήταν και ο τύπος αστοχίας των ενισχυμένων δοκιμίων σε σύγκριση με αυτόν των παρθενικών W, O και W2, τα οποία αστόχησαν σχεδόν αμιγώς στον κόμβο και στις κρίσιμες περιοχές του στύλου - αστοχία που, σε πραγματική κατασκευή, θα οδηγούσε με μεγάλη πιθανότητα σε μερική κατάρρευση. Αρκετά βελτιωμένος ήταν ο τύπος αστοχίας του 5
δοκιμίου SO που αστόχησε κυρίως στη δοκό, ενώ στους τελευταίους κύκλους μεγάλων παραμορφώσεων εμφάνισε τριχοειδείς ρηγματώσεις στις δύο πλευρές του κόμβου και ολική απώλεια της επικάλυψης σκυροδέματος στην τρίτη πλευρά απέναντι από τη δοκό. Πρόσθετοι οπλισμοί Λεπτομέρεια () Υφιστάμενοι οπλισμοί στύλου Λεπτομέρεια (2) Συγκολλήσεις cm Δισδιαγώνιος οπλισμός Χαλύβδινη πλάκα 5 2 cm f y = 35 MPa 4 f y = 5 MPa Τμήμα ράβδου 4 N+.95 Συγκολλήσεις Πρόσθετοι οπλισμοί στύλου Μανδύας Ο/Σ ΤΟΜΗ - 3 4.4 Πρόσθετος δισδιαγώνιος οπλισμός.3 Σημεία επιβολής φόρτισης.3 8/7 Λεπτομέρεια () N Υφιστάμενοι οπλισμοί στύλου.7.7 Μανδύας Ο/Σ ΤΟΜΗ Α-Α Πρόσθετος οπλισμός 2 4 Υπάρχον υποστύλωμα Πρόσθετοι συνδετήρες 8/7.7.7 Πρόσθετος οπλισμός 2 4 Σχήμα 3. Διαστάσεις και λεπτομέρειες οπλισμού του ενισχυμένου δοκιμίου SO (διαστάσεις σε m). 3 4 N+.95 cm όχι ενίσχυση με FRPs 5 στρώσεις για αύξηση καμπτικής αντοχής στύλου 2 στρώσεις για αύξηση διατμητικής αντοχής στύλου 4 στρώσεις περιτύλιξη 23 cm cm για περαιτέρω εξασφάλιση αγκυρώσεων στρώσεων κόμβου ΤΟΜΗ - 3 4.4 2 στρώσεις σχήματος Π για αύξηση οριζόντιας διατμητικής αντοχής κόμβου.3 Σημεία επιβολής φόρτισης.3 8/7 cm N 5 cm αγκύρωση cm όχι ενίσχυση με FRPs 5 στρώσεις εμπρός 5 στρώσεις πίσω για αύξηση κατακόρυφης διατμητικής αντοχής κόμβου Καμπτκή στρώση ΤΟΜΗ Α-Α Σχήμα 4. Διαστάσεις και λεπτομέρειες οπλισμού του ενισχυμένου δοκιμίου FW2 (διαστάσεις σε m). Το δοκίμιο FW2 που ενισχύθηκε με FRPs στους πρώτους τέσσερις κύκλους εμφάνισε μικτή αστοχία στη δοκό και στον κόμβο ενώ στους επόμενους παρατηρήθηκε πλήρης θραύση των 2 4 /5 2 4 3 4
φύλλων CFRPs στην περιοχή του κόμβου, αμέσως μετά τις πρόσθετες αγκυρώσεις με περιτύλιξη (Σχήμα 4). Η τελική αστοχία του δοκιμίου FW2 συγκεντρώθηκε αμιγώς στον κόμβο, το σκυρόδεμα του οποίου αποδιοργανώθηκε πλήρως. Αντίθετα, το δοκίμιο FCW που ενισχύθηκε με την προτεινόμενη μέθοδο αστόχησε αμιγώς στη δοκό, όπου συγκεντρώθηκε το μεγαλύτερο μέρος της βλάβης, ενώ ο κόμβος παρέμεινε ανέπαφος. Φαίνεται λοιπόν η υπεροχή της προτεινόμενης λύσης σε σχέση κυρίως με τη χρήση αποκλειστικά CFRPs, ενώ φαίνεται να υπερέχει και από τη χρήση αποκλειστικά μανδυών οπλισμένου σκυροδέματος. Η βελτίωση της σεισμικής συμπεριφοράς του ενισχυμένου δοκιμίου FCW σε σχέση με αυτήν του (αντιπροσωπευτικού) παρθενικού Ο, πέρα από τη σύγκριση των βρόχων υστέρησης του Σχήματος 5, φαίνεται πολύ καθαρά και στα διαγράμματα του Σχήματος, όπου συγκρίνονται η αντοχή, η δυσκαμψία και η ικανότητα απορρόφησης ενέργειας του ενισχυμένου δοκιμίου FCW με τα αντίστοιχα μεγέθη του παρθενικού Ο. Όπως φαίνεται στο Σχήμα, το δοκίμιο FCW παρουσιάζει από 4% έως και περίπου 335% αυξημένη αντοχή, από 35% έως και 335% αυξημένη δυσκαμψία και από % έως και 85% μεγαλύτερη ικανότητα απορρόφησης ενέργειας σε σύγκριση με το παρθενικό δοκίμιο Ο. Φαίνεται λοιπόν ότι η χρήση του νέου καινοτόμου τρόπου ενίσχυσης πολλαπλασιάζει τις τιμές όλων των κρίσιμων παραμέτρων ελέγχου της σεισμικής συμπεριφοράς του φορέα. 2 Δοκίμιο O 2 Δοκίμιο FCW 8 Επιβαλλόμενη τέμνουσα (kν) 4-4 -8-2 5 4 3 2 2 3 4 5-7 - -5-4 -3-2 - Σχετική ανηγμένη γωνία R (%) Επιβαλλόμενη τέμνουσα (kν) 8 4-4 -8-2 7 2 5 4 3 2 3 4 5-7 - -5-4 -3-2 - Σχετική ανηγμένη γωνία R (%) 7 2 Δοκίμιο SO 2 Δοκίμιο FW2 Επιβαλλόμενη τέμνουσα (kν) 8 4-4 -8-2 5 3 4 2-7 - -5-4 -3-2 - Σχετική ανηγμένη γωνία R (%) 2 34 5 Επιβαλλόμενη τέμνουσα (kν) 8 4-4 -8 5 4 3 2-2 -7 - -5-4 -3-2 - Σχετική ανηγμένη γωνία R (%) 2 3 4 5 Σχήμα 5. Υστερητικοί βρόχοι φορτίου μετατόπισης δοκιμίων Ο, FCW, SO και FW2 7
Η σύγκριση της σεισμικής συμπεριφοράς των ενισχυμένων δοκιμίων FCW και SO φαίνεται στα διαγράμματα σύγκρισης αντοχών, δυσκαμψιών και ικανοτήτων απορρόφησης ενέργειας του Σχήματος 7, ενώ η αντίστοιχη των FCW και FW2 στα διαγράμματα του Σχήματος 8. Από το Σχήμα 7 φαίνεται ότι το δοκίμιο FCW, που ενισχύθηκε με την προτεινόμενη μέθοδο, συμπεριφέρεται εξίσου ικανοποιητικά ή και καλύτερα από το SO (που ενισχύθηκε αποκλειστικά με μανδύα σκυροδέματος) όσον αφορά σε όλες τις παραμέτρους ελέγχου. Έτσι το FCW μέχρι και τον έκτο κύκλο παρουσιάζει από περίπου ίση έως περίπου 2% υψηλότερη αντοχή και δυσκαμψία ενώ φθάνει να διαθέτει έως και 4% μεγαλύτερη ικανότητα απορρόφησης ενέργειας από το SO. Εξάλλου, σαφώς καλύτερη είναι η συμπεριφορά του FCW που ενισχύθηκε τοπικά με μανδύα οπλισμένου σκυροδέματος στην περιοχή του κόμβου και CFRPs στους στύλους από αυτήν του δοκιμίου FW2 που ενισχύθηκε αποκλειστικά με CFRPs, όπως φαίνεται από το Σχήμα 8 και υποδηλώνεται σαφώς από τον τύπο αστοχίας. Από το Σχήμα 8 φαίνεται ότι το FCW εμφανίζει έως και 3% υψηλότερη αντοχή και δυσκαμψία από το FW2, ενώ η διαφορά στην ικανότητα απορρόφησης ενέργειας φθάνει μέχρι το 35%. Προκύπτει λοιπόν ότι η ενίσχυση των φορέων Ο/Σ με την προτεινόμενη μέθοδο χρησιμοποιώντας μανδύα οπλισμένου σκυροδέματος στην περιοχή του κόμβου και CFRPs στους στύλους, είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική. 5. Δοκίμια FCW / Ο 5. Δοκίμια FCW / Ο Λόγος αντοχών 4. 3. 2.. Λόγος δυσκαμψιών 4. 3. 2.... Απορρόφηση ενέργειας (kn mm) 35 3 25 2 5 5 Δοκίμια FCW / Ο FCW Ο Σχήμα. Σύγκριση σεισμικής συμπεριφοράς των δοκιμίων FCW και O. Άνω αριστερά: σύγκριση αντοχών. Άνω δεξιά: σύγκριση δυσκαμψιών. Κάτω: σύγκριση ικανότητας απορρόφησης ενέργειας. 8
.2 Δοκίμια FCW / SO.2 Δοκίμια FCW / SO Λόγος αντοχών..8..4.2 Λόγος δυσκαμψιών ν..8..4.2.. Απορρόφηση ενέργειας (kn mm) 35 3 25 2 5 5 Δοκίμια FCW / SO FCW SO Σχήμα 7. Σύγκριση σεισμικής συμπεριφοράς των δοκιμίων FCW και SO. Άνω αριστερά: σύγκριση αντοχών. Άνω δεξιά: σύγκριση δυσκαμψιών. Κάτω: σύγκριση ικανότητας απορρόφησης ενέργειας..4 Δοκίμια FCW / FW2.4 Δοκίμια FCW / FW2 Λόγος αντοχών.2..8. Λόγος δυσκαμψιών.2..8..4.4 Απορρόφηση ενέργειας (kn mm) 35 3 25 2 5 5 Δοκίμια FCW / FW2 FCW FW2 Σχήμα 8. Σύγκριση σεισμικής συμπεριφοράς των δοκιμίων FCW και FW2. Άνω αριστερά: σύγκριση αντοχών. Άνω δεξιά: σύγκριση δυσκαμψιών. Κάτω: σύγκριση ικανότητας απορρόφησης ενέργειας. 9
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Παρουσιάζεται για πρώτη φορά και προτείνεται ένας νέος τρόπος αντισεισμικής ενίσχυσης κτιρίων από οπλισμένο σκυρόδεμα. Πρόκειται για τη χρήση μικτού μανδύα που αποτελείται από μανδύα οπλισμένου σκυροδέματος για την ενίσχυση του κόμβου και μανδύες από ινοπλισμένα πολυμερή (FRPs) για την ενίσχυση των στύλων. Ο νέος τρόπος ενίσχυσης αποδείχθηκε ότι βελτιώνει κατά πολύ τη σεισμική συμπεριφορά των δομικών στοιχείων και κατ επέκταση των φορέων από οπλισμένο σκυρόδεμα, πολλαπλασιάζοντας τις τιμές όλων των κρίσιμων παραμέτρων ελέγχου της σεισμικής συμπεριφοράς τους. Σε σύγκριση με τους μανδύες αποκλειστικά οπλισμένου σκυροδέματος αποδείχθηκαν τουλάχιστον εξίσου αποτελεσματικοί ενώ φάνηκε η σαφής υπεροχή τους σε σχέση με τους μανδύες από ινοπλισμένα πολυμερή (FRPs), όταν αυτοί χρησιμοποιούνται και στον κόμβο. Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας, όσον αφορά στην αποδοτικότητα του νέου τρόπου ενίσχυσης, είναι ιδιαίτερα ενθαρρυντικά. Ωστόσο, απαιτείται περισσότερη και σε βάθος πειραματική έρευνα. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η εργασία αυτή είναι τμήμα ερευνητικού προγράμματος που έγινε στο Εργαστήριο Κατασκευών Οπλισμένου Σκυροδέματος και Φέρουσας Τοιχοποιίας του Α.Π.Θ με τη χρηματοδότηση της Γενικής Γραμματείας Έρευνας και Τεχνολογίας και της εταιρείας ISOMT Α.Β.Ε.Ε. στα πλαίσια του προγράμματος ΠΑΒΕΤ 25. Οι συγγραφείς αισθάνονται την ανάγκη να ευχαριστήσουν τους χρηματοδότες. ΑΝΑΦΟΡΕΣ CI SCE Committee 352-22 (22), Recommendations for Design of eam-to-column Joints in Monolithic Reinforced Concrete Structures (CI 352R-85), merican Concrete Institute, Michigan. ntonopoulos, C. and Triantafillou, T. (23), Experimental investigation of FRPstrengthened RC beam-column joints, Journal of Composites for Construction, 7(), pp. 39-49. Δρίτσος, Σ.Η. (25), Επισκευές και ενισχύσεις κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα, Πάτρα. Κανονισμός Επεμβάσεων (ΚΑΝ.ΕΠΕ.) (24), Σχέδιο Κειμένου. Karayannis, C.G., Chalioris, C.E. and Sirkelis, G.M. (28), Local retrofit of exterior RC beam-column joints using thin RC jackets n experimental study, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 37, pp. 727-74. Karayannis, C.G. and Sirkelis, G.M. (28), Strengthening and rehabilitation of RC beamcolumn joints using carbon-frp jacketing and epoxy resin injection, Engineering and Structural Dynamics, 37, pp. 79-79.
Ο.Α.Σ.Π. και Σ.Π.Μ.Ε. (2α), Ελληνικός Αντισεισμικός Κανονισμός (Ε.Α.Κ.), Αθήνα. Ο.Α.Σ.Π. και Σ.Π.Μ.Ε. (2β), Ελληνικός Κανονισμός Ωπλισμένου Σκυροδέματος (Ε.Κ.Ω.Σ.), Αθήνα. Pantelides, C.P., Clyde, C. and Reaveley, L. (2), Rehabilitation of R/C building joints with FRP composites, Proceedings of the 2 th World Conference on Earthquake Engineering, uckland, New Zealand. Tsonos,.G. (999), Lateral load response of strengthened reinforced concrete beam-tocolumn joints, CI Structural Journal Proccedings, 9(), pp. 4-5. Tsonos,.G. (22), Seismic repair of exterior R/C beam-to-column joints using two-sided and three-sided jackets, Structural Engineering and Mechanics, 3(), pp. 7-34. Tsonos,.G. (28), Effectiveness of CFRP-jackets and RC-jackets in post-earthquake and pre-earthquake retrofitting of beam-column subassemblages, Engineering Structures, 3, pp. 777-793. Tsonos,.G. and Stylianides, K. (22), Seismic retrofit of beam-to-column joints with highstrength fiber-jackets, Journal of European ssociation for Earthquake Engineering, 2, pp. 5-72. Τσώνος, Α.Γ. (23), Εκτίμηση της αποδοτικότητας της ενίσχυσης δομικών στοιχείων από Ο/Σ με σύνθετα υλικά (FRPs), Επιστημονική Έκδοση ΚΤΙΡΙΟ, Α-Β, σελ. 23-3. Τσώνος, Α.Γ. (25-2), Εξέταση της αποδοτικότητας των μανδυών Ο/Σ κλειστού και ανοικτού τύπου στην ενίσχυση υποστυλωμάτων και κόμβων από Ο/Σ (Μέρος ο Μετασεισμική ενίσχυση), Επιστημονική Έκδοση ΚΤΙΡΙΟ, Α-Β, σελ. 79-88. Womach, K., alling, M. and Mayle, R. (2), Full scale testing of concrete beam-column joints using advanced carbon-fiber composites, Proceedings of the 2 th World Conference on Earthquake Engineering, uckland, New Zealand.