Θεραπεία ανεπάρκειας μήκους παράθεσης του διαμήκους οπλισμού υποστηλωμάτων παλαιών κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος
Authors: Καλογερόπουλος Γεώργιος 
Published: September 2021

Τις τελευταίες τέσσερις δεκαετίες ισχυροί καταστροφικοί σεισμοί που συνέβησαν παγκοσμίως προκάλεσαν αναρίθμητες απώλειες ανθρώπινων ζωών, σοβαρούς τραυματισμούς και ανυπολόγιστο υλικό κόστος. Η εμπειρία που αποκτήθηκε, ωστόσο, με αυτόν τον ιδιαίτερα δυσάρεστο τρόπο συνετέλεσε στη διαπίστωση των αδυναμιών και των ανεπαρκειών των κατασκευών καθώς και του τρόπου σχεδιασμού και υπολογισμού τους. Έτσι, σε πολλές περιπτώσεις ο τρόπος και η φιλοσοφία σχεδιασμού άλλαξαν σταδιακά σημαντικά, ώστε να ενσωματώσουν τις σύγχρονες αντιλήψεις της αντισεισμικής τεχνολογίας των κατασκευών. Ως ένα από τα κρισιμότερα προβλήματα για την ασφάλεια των κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα (Ο/Σ) έναντι δυναμικών φαινομένων όπως ο σεισμός αναγνωρίστηκε η αστοχία των μελών του κατακόρυφου φέροντος συστήματος των κατασκευών, που δύναται να οδηγήσει σε απώλεια της ικανότητος παραλαβής αξονικής φορτίσεως, με συνέπεια τη μερική ή ολική κατάρρευση. Τα πλέον αδύναμα μέλη του κατακόρυφου φέροντος οργανισμού είναι τα υποστυλώματα και ιδίως οι κόμβοι δοκών-υποστυλωμάτων, που, παρ᾽ότι αποτελούν τμήμα των υποστυλωμάτων, συγκεντρώνονται σε αυτούς τεράστιες δυνάμες, κατά πολύ μεγαλύτερες εκείνων που καταπονούν τα υποστυλώματα (εκτός από την περίπτωση των βραχέων στύλων). Για τον λόγο αυτό η σύνθετη εντατική κατάσταση που αναπτύσσεται στο δομικό στοιχείο του κόμβου δοκού-υποστυλώματος επιχειρήθηκε από πολλούς ερευνητές παγκοσμίως να διαπιστωθεί και προβλεφθεί με αναλυτικά μοντέλα, προκειμένου να σχεδιάζονται οι κόμβοι με ασφάλεια. Ένα μάλιστα εκ των πλέον αξιόπιστων και αναγνωρισμένων αναλυτικών μοντέλων διεθνώς, εκείνο που πρότεινε ο καθηγητής κ. Α.-Δ. Τσώνος (Tsonos Model), προβλέπει με μεγάλη ακρίβεια τη συμπεριφορά του κόμβου σε σεισμό, παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα υπολογισμού της απαιτούμενης ενίσχυσης (για υφιστάμενα κτίρια) και της κατάλληλης όπλισης (σε σύγχρονες κατασκευές) προκειμένου να οδηγηθεί η αστοχία και ο σχηματισμός των πλαστικών αρθρώσεων στις συντρέχουσες στον κόμβο δοκούς και να παραμείνουν ο κόμβος και τα υποστυλώματα ανέπαφα κατά τη διάρκεια του σεισμού (ικανοποίηση κριτηρίου του ικανοτικού σχεδιασμού). Το μοντέλο μάλιστα εφαρμόζεται με ιδιαίτερη επιτυχία και στις περιπτώσεις βραχέων υποστυλωμάτων, βραχέων δοκών και βραχέων τοιχωμάτων.Εκτός από την αδυναμία που παρουσιάζουν κατά κόρον οι κοινές περιοχές δοκών-υποστυλωμάτων στις παλαιές κατασκευές Ο/Σ (της δεκαετίας του 1960-70 και οι παλαιότερες), μία από τις σοβαρότερες αδυναμίες των υφιστάμενων κατασκευών αποδείχθηκε ότι είναι και η ανεπάρκεια του μήκους πλευρικής παράθεσης των διαμήκων οπλισμών των υποστυλωμάτων. Το πρόβλημα της ανεπαρκούς παράθεσης των ράβδων επηρεάζει σημαντικά και ιδιαίτερα δυσμενώς την υστερητική απόκριση των υποστυλωμάτων, προκαλώντας υποβάθμιση όλων των μηχανικών αντισεισμικών ιδιοτήτων. Συνδυαζόμενο δε το μικρό και ανεπαρκές μήκος παράθεσης των οπλισμών με το ενδεχόμενο χρήσης λείου χάλυβα και με την πτωχή περίσφιγξη της περιοχής της παράθεσης, δύναται να οδηγήσει σε ραγδαία υποβάθμιση της σεισμικής συμπεριφοράς και σε απώλεια της ικανότητος του υποστυλώματος να παραλάβει αξονικό φορτίο, λόγω των μεγάλων ολισθήσεων (πιθανόν και εξολκεύσεως) των ράβδων. Είναι πιθανό επομένως σε υφιστάμενες παλαιές κατασκευές η πρώιμη αυτή ψαθυρού τύπου αστοχία να προκαλέσει καταρρεύσεις, με άμεσο κίνδυνο για την ασφάλεια και την ακεραιότητα των ανθρώπων. Η εξασφάλιση του μηχανισμού μεταφοράς δυνάμεων μεταξύ των παρατιθέμενων πλευρικά ράβδων οπλισμού και ο περιορισμός των ολισθήσεων των ράβδων αποτελούν επομένως βασικές επιδιώξεις κατά την ενίσχυση των υφιστάμενων κατασκευών, ώστε να αποφευχθεί η αστοχία των παραθέσεων και να διατηρηθεί η δομική ακεραιότητα. Επίσης, πέραν της αδυναμίας ανάπτυξης της καμπτικής αντοχής των υποστυλωμάτων σε υφιστάμενες κατασκευές, η ανεπάρκεια της παραθέσεως των διαμήκων οπλισμών δύναται, στην περίπτωση υποστυλωμάτων που ενισχύονται μέσω μανδύα περίσφιγξης, να οδηγήσει σε εσφαλμένα συμπεράσματα σχετικά με την καμπτική αντοχή των ενισχυμένων δομικών στοιχείων, εφόσον ληφθεί (χωρίς τον απαραίτητο έλεγχο επάρκειας της εφαρμοζόμενης περίσφιγξης) υπ᾽όψιν στους υπολογισμούς η συνεισφορά των ανεπαρκώς παρατιθέμενων οπλισμών στην καμπτική λειτουργία. Στην περίπτωση επέκτασης καθ᾽ύψος υφιστάμενων κατασκευών σε μεταγενέστερο στάδιο από την αρχική φάση κατασκευής τους, το μικρό (ή ακόμα και ιδιαίτερα μικρό) μήκος αναμονών προκαλεί επίσης πρόβλημα στη μεταφορά δυνάμεων μεταξύ των αναμονών και του οπλισμού των νέων υποστυλωμάτων. Η σύγχρονη αντίληψη διεθνώς σχετικά με τη θεραπεία του προβλήματος της ανεπαρκούς παράθεσης οπλισμών υποστυλωμάτων Ο/Σ είναι πως αυτή δύναται να επιτεχθεί κυρίως μέσω της επιβολής στο υφιστάμενο δομικό στοιχείο εξωτερικής περίσφιγξης, ικανής να περιορίσει τις ολισθήσεις και να εξασφαλίσει τη διαρροή του διαμήκους οπλισμού. Με μεγαλύτερη επιφύλαξη αντιμετωπίζεται η διασφάλιση της συνέχειας του διαμήκους οπλισμού των υποστυλωμάτων μέσω συγκόλλησης των ράβδων. Τις τελευταίες τρεις δεκαετίες έχουν πραγματοποιηθεί σχετικές ερευνητικές εργασίες (αναλυτικές και πειραματικές) με αντικείμενο την ανεπάρκεια του μήκους παράθεσης των διαμήκων οπλισμών υποστυλωμάτων Ο/Σ, που προσέφεραν πολύτιμη γνώση η οποία άλλαξε τον τρόπο σχεδιασμού τους (από θλιπτικές στο παρελθόν σε εφελκυστικές). Έτσι, οι σύγχρονοι κανονισμοί (ευρωπαϊκοί, αμερικανικοί) ενσωμάτωσαν τη νέα αντίληψη σχεδιασμού των παραθέσεων οπλισμών για το σχεδιασμό των σύγχρονων κατασκευών. Στην περίπτωση ωστόσο των υφιστάμενων δομών κρίνεται απαραίτητη η μεγαλύτερη εμβάθυνση στον τρόπο λειτουργίας των παραθέσεων, ώστε να εξασφαλιστεί η επιτυχής συμπεριφορά τους σε σεισμό. Το γεγονός αυτό αποτέλεσε το έναυσμα για την έναρξη της παρούσης διατριβής, που περιλαμβάνει αναλυτικό και πειραματικό μέρος. Το πειραματικό μέρος, που χρηματοδοτήθηκε από το Ελληνικό Υπουργείο Υποδομών, Μεταφορών και Δικτύων και τον Οργανισμό Αντισεισμικού Σχεδιασμού και Προστασίας (ΟΑΣΠ) στο πλαίσιο σχετικού ερευνητικού προγράμματος με τίτλο “Διερεύνηση της συμπεριφοράς υποστυλωμάτων Ο/Σ μετά από επεμβάσεις στις περιοχές ανεπαρκών αναμονών”, περιελάμβανε τρεις σειρές δοκιμίων υποστυλωμάτων, σχεδόν φυσικής κλίμακας, με τη βοήθεια των οποίων μελετήθηκαν τα προαναφερθέντα προβλήματα που προκαλούνται από την ανεπάρκεια των παραθέσεων. Συγκεκριμένα, με την πρώτη σειρά δοκιμίων (ένδεκα δοκίμια) μελετήθηκε η υστερητική απόκριση υποστυλωμάτων υφιστάμενων κατασκευών της δεκαετίας του 1960-70 και των παλαιότερων με ανεπαρκείς παραθέσεις οπλισμού μήκους ίσου με είκοσι και εικοσι-τέσσερις φορές τη διάμετρο των παρατιθέμενων ράβδων, τόσο σε αρχική μορφή (παρθενικά δοκίμια) όσο και σε ενισχυμένη (προσεισμική ενίσχυση) μέσω λεπτών χαλύβδινων μανδυών περίσφιγξης. Η σεισμική συμπεριφορά των υποστυλωμάτων συγκρίθηκε, επίσης, με εκείνη ενός όμοιου παρθενικού δοκιμίου αναφοράς με συνεχείς διαμήκεις οπλισμούς. Βασική επιδίωξη ήταν, μέσω της εφαρμοζόμενης περίσφιγξης, να αυξηθεί η πλαστιμότητα των υποστυλωμάτων και να περιοριστούν οι ολισθήσεις ώστε να επέλθη διαρροή του οπλισμού. Βαθμονομήθηκε η σχέση Σ6.14α του Κανονισμού Επεμβάσεων (ΚΑΝΕΠΕ), ενώ εξετάστηκε και η αποτελεσματικότητα μιας απλοποιημένης μορφής της σχέσεως Σ6.14α που δεν περιλαμβάνετο στο σώμα του ΚΑΝΕΠΕ. Με τη δεύτερη σειρά δοκιμίων (τέσσερα δοκίμια) επιδιώχθηκε να διαπιστωθεί η αποτελεσματικότητα των τριών τύπων συγκολλήσεως (κατά παράθεση, κατά μέτωπο και κατά λωρίδες) που προβλέπονται στον Κανονισμό Τεχνολογίας Χαλύβων (ΚΤΧ), καθώς και των μηχανικών αγκυρώσεων, στη διασφάλιση της συνέχειας του διαμήκους οπλισμού των υποστυλωμάτων κατά την καθ᾽ύψος επέκταση κατασκευών σε μεταγενέστερο στάδιο από την αρχική φάση κατασκευής τους. Η συμπεριφορά των δοκιμίων της Σειράς ΙΙ σε σεισμό συγκρίθηκε με εκείνη του παρθενικού δοκιμίου αναφοράς υφιστάμενης κατασκευής με συνεχείς διαμήκεις οπλισμούς. Στην τρίτη σειρά δοκιμίων (δέκα δοκίμια) εξετάστηκε η αποτελεσματικότητα προσεισμικής ενίσχυσης με μανδύα Ο/Σ υφιστάμενων κατασκευών της δεκαετίας του 1960-70 και των παλαιότερων με ανεπαρκείς παραθέσεις οπλισμού μήκους ίσου με είκοσι και εικοσι-τέσσερις φορές τη διάμετρο των παρατιθέμενων ράβδων. Στα δοκίμια προηγήθηκε της κατασκευής του μανδύα η θεραπεία των ανεπαρκούς μήκους παραθέσεων είτε μέσω τοποθέτησης εν επαφή με το υφιστάμενο δομικό στοιχείο (μετά την αφαίρεση της επικάλυψης) πρόσθετου οπλισμού περίσφιγξης υπολογισμένου βάσει της σχέσεως 8.3 του ΚΑΝΕΠΕ ειδικά για την αντιμετώπιση της ανεπάρκειας των παραθέσεων (δύο δοκίμια), είτε μέσω συγκόλλησης των παρατιθέμενων ράβδων (δύο δοκίμια). Η συμπεριφορά των δοκιμίων συγκρίθηκε με την υστέρηση που επέδειξε όμοιο δοκίμιο υφιστάμενης κατασκευής με συνεχείς διαμήκεις οπλισμούς που ενισχύθηκε προσεισμικά με μανδύα Ο/Σ. Βαθμονομήθηκε επίσης η σχέση 8.3 του ΚΑΝΕΠΕ. Στο αναλυτικό μέρος της διατριβής επιδιώχθηκε η διατύπωση μιας μεθοδολογίας πρόβλεψης της συμπεριφοράς της παράθεσης οπλισμών κατά τη διάρκεια ενός σεισμού, ώστε να είναι εφικτός α) ο έλεγχος της επάρκειας του μήκους παράθεσης σε υφιστάμενες κατασκευές, β) ο έλεγχος της επάρκειας του υλικού περίσφιγξης (συνδετήρες, χαλύβδινος μανδύας, μανδύας από σύνθετα υλικά) κατά το σχεδιασμό της ενίσχυσης υποστυλωμάτων υφιστάμενων κατασκευών και γ) ο έλεγχος της συμπεριφοράς σε σεισμό των παραθέσεων σύγχρονων κατασκευών. Σκοπός της αναλυτικής μεθοδολογίας ήταν επίσης η δυνατότητα κατάλληλου σχεδιασμού των ενισχύσεων (επιβολή περίσφιγξης) ώστε να αποφευχθεί η πρώιμη αστοχία των παραθέσεων και να διασφαλισθεί η διαρροή του παρατιθέμενου οπλισμού. Η μεθοδολογία που προτάθηκε στην παρούσα διατριβή αποτελεί ουσιαστικά επέκταση εφαρμογής στην περιοχή της παράθεσης των οπλισμών του μοντέλου αποφυγής κατάρρευσης κτιρίων από Ο/Σ, το οποίο ενεπνεύσθη και ανέπτυξε ο καθηγητής του Α.Π.Θ. κ. Α.-Δ. Τσώνος. Η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόστηκε προβλέποντας επιτυχώς την υστερητική απόκριση που επέδειξαν πειραματικά τόσο τα δοκίμια της παρούσης διατριβής, όσο και δοκίμια της διεθνούς βιβλιογραφίας.