Ενίσχυση άοπλης φέρουσας τοιχοποιίας με σύνθετα υλικά
Authors: Θώμογλου Αθανασία 
Published: November 2021

Οι κατασκευές άοπλης φέρουσας τοιχοποιίας (ΑΦΤ) παρουσιάζουν χαμηλή διατμητική ικανότητα και είναι επιρρεπείς σε ψαθυρή αστοχία όταν υποβάλλονται σε φορτία εντός επιπέδου. Σημαντικό ποσοστό του παγκόσμιου δομικού αποθέματος αφορά σε δομικό σύστημα από φέρουσα τοιχοποιία με διάφορα είδη τοιχοσωμάτων και συνδετικού υλικού, ενώ διαχρονικά η εμφάνιση σημαντικής σεισμικής διέγερσης στην ευρύτερη περιοχή των κατασκευών αυτών προξενούσε καταρρεύσεις ή σημαντικές βλάβες με κύριο χαρακτηριστικό την απουσία στοιχειώδους όλκιμης συμπεριφοράς. Η συνήθης πρακτική για την αύξηση της αντοχής και κυρίως της ολκιμότητας των κατασκευών αυτών τις τελευταίες δεκαετίες έχει αναθεωρηθεί με χρήση νέων υλικών και τεχνικών οι οποίες αφορούν σε στοχευμένες επεμβάσεις με χρήση συνθετικών ινοοπλισμών (Fiber Reinforced Plastics). Οι σύγχρονες τεχνικές ενίσχυσης συγκριτικά με τις παραδοσιακές, εκτός από την αντοχή, τη συμβατότητα, την οικονομία την ανθεκτικότητα πλεονεκτούν και στην αναστρεψιμότητα ιδίως σε κατασκευές μεγάλης ιστορικής, πολιτισμικής και αρχιτεκτονικής αξίας. Στην παρούσα διατριβή ερευνάται η ενίσχυση άοπλων φερουσών τοιχοποιιών με μανδύα Ινοπλέγματος σε ανόργανη Μήτρα (ΙΑΜ) που στοχεύει στη βελτίωση της διατμητικής ικανότητας και παραμόρφωσής τους, μεταβάλλοντας τη μορφή αστοχίας από ψαθυρή σε ψευδο-πλάστιμη. Ο μανδύας Ινοπλέγματος Ανόργανης Μήτρας (ΙΑΜ) συνιστά έναν εξωτερικό οπλισμό αποτελούμενο από ένα προηγμένο σύστημα ενίσχυσης υλικών υψηλής απόδοσης. Προς διεξαγωγή της έρευνας παρουσιάζεται συνοπτικά μια διεξοδική ανασκόπηση της βιβλιογραφικής έρευνας στην οποία περιέχονται αποτελέσματα ενισχυμένων τοιχοποιιών διαφορετικών τοιχοσωμάτων, π.χ. οπτόπλινθο, τσιμεντόλιθο και λίθο με συστήματα ΙΑΜ διαφορετικών υλικών, υποκειμένων σε δοκιμή διαγώνιας θλίψης. Επιπροσθέτως, παρουσιάζονται προβλέψεις διαθέσιμων προσομοιωμάτων σχεδιασμού συγκριτικά με τα πειραματικά αποτελέσματα ως προς τη διατμητική ικανότητα και τη μορφή αστοχίας. Προσέτι, διεξάγεται πειραματική έρευνα επί δυο σειρών τοιχοποιιών διαφορετικών τοιχοσωμάτων και συνδετικού κονιάματος φερουσών και μη κεντρικό άνοιγμα, ενισχυμένων με 1 ως 3 στρώσεις υαλοπλέγματος μανδύα ΙΑΜ και υποκειμένων σε δοκιμές διαγώνιας θλίψης. Ειδικότερα, διερευνάται πειραματικά η διατμητική ικανότητα δοκιμίων τοιχοποιιών πλήρους κλίμακας, οι οποίες υπόκεινται σε δοκιμή διαγώνιας θλίψης. Οι τοιχοποιίες αποτελούνται από οπτόπλινθους με κατακόρυφες οπές Ορθοblock K300 και συνδετικό αρμό κονιάματος λεπτής στρώσης, καθώς και από συμπαγείς οπτόπλινθους με συνδετικό κονίαμα υψηλής αντοχής. Οι οπτόπλινθοι Ορθοblock K300 με κατακόρυφες οπές, λόγω του καινοτόμου σχεδιασμού τους, της υψηλής μηχανικής αντοχής τους, και της αλληλεμπλοκής τους, προσφέρουν υψηλή δομική σταθερότητα πολλαπλασιάζοντας τα αντισεισμικά χαρακτηριστικά, παράλληλα δε πλεονεκτούν στη μείωση τους βάρους τους. Επιπλέον, η ευκολία και ταχύτητα της κατασκευής αλλά και η θερμομόνωση που προσφέρουν στο εσωτερικό του κτιρίου συμβάλουν στη οικονομία τόσο κατά την κατασκευή όσο και κατά τη χρήση του. Παράλληλα, το πρωτοποριακό κονίαμα λεπτής στρώσης λόγω της ευκολίας εφαρμογής εν συγκρίσει με το παραδοσιακό κονίαμα, επιτυγχάνει την αύξηση της παραγωγικότητας και της οικονομίας της τοιχοποιίας. Αναφορικά με τους συμπαγείς οπτόπλινθους υψηλής αντοχής, αυτοί συμβάλλουν στην αύξηση της διατμητικής ικανότητας και ψευδοπλαστιμότητας, ιδίως στην περίπτωση των δοκιμίων με κεντρικό άνοιγμα. Το ινοπλισμένο συνδετικό κονίαμα υψηλής θλιπτικής αντοχής που χρησιμοποιείται στη σειρά αυτή συμβάλλει σημαντικά στην αύξηση της διατμητικής ικανότητας. Στο πλαίσιο αυτό, κατασκευάστηκαν δύο σειρές τοιχοποιιών διαφορετικού τοιχοσώματος και διαφορετικού συνδετικού κονιάματος. Συνολικά μελετήθηκαν 12 τοιχοποιίες και ειδικότερα α) μια σειρά 8 τοιχοποιιών από οπτόπλινθους Ορθοblock Κ300 εκ των οποίων δύο ήταν άοπλες, τρεις ενισχυμένες με 1 έως 3 στρώσεις υαλοπλέγματος μανδύα ΙΑΜ, αντίστοιχα, μία άοπλη με κεντρικό άνοιγμα και μία ενισχυμένη με κεντρικό άνοιγμα, μία άοπλη με κεντρικό άνοιγμα και μία ενισχυμένη με κεντρικό άνοιγμα με 1 στρώση μανδύα και β) μια σειρά 4 τοιχοποιιών από συμπαγείς οπτόπλινθους, εκ των οποίων μία άοπλη τοιχοποιία και τρεις ενισχυμένες με κεντρικό άνοιγμα με 1 έως 3 στρώσεις, αντίστοιχα.Για τη διεξαγωγή των πειραμάτων κατασκευάστηκε μια σειρά τοιχοποιιών διαστάσεων 1200 x 1200 x 300 mm3, αποτελούμενες από οπτόπλινθους Ορθοblock K300 διαστάσεων 250 mm x 240 mm x 300 mm και συνδετικό κονίαμα λεπτής στρώσης κατηγορίας Μ10 και ονομαστικού πάχους 3 mm. Επίσης, μια δεύτερη σειρά τοιχοποιιών διαστάσεων 1200 mm x 1200 mm x 210 mm αποτελούμενων από συμπαγείς οπτόπλινθους διαστάσεων 50 mm x 100 mm x 200 mm και ενισχυμένο κονίαμα κατηγορίας Μ20 ονομαστικού πάχους 10 mm. Η έρευνα επικεντρώθηκε στη διάνοιξη κεντρικού ανοίγματος επί των φερουσών τοιχοποιιών ονομαστικής διάστασης οπής 450 mm x 300 mm x 300 mm σε αναλογία 1:1.5, ώστε να γίνει σύγκριση με αυτές που δεν είχαν άνοιγμα. Περαιτέρω, σημαντική παράμετρο της μελέτης αυτής αποτελούν ο αριθμός των στρώσεων της εξωτερικής ενίσχυσης υαλοπλέγματος των ενισχυμένων τοιχοποιιών καθώς και η επίδραση του κεντρικού ανοίγματος στη διατμητική ικανότητα και στη μορφή αστοχίας τόσο στις άοπλες όσο και στις ενισχυμένες τοιχοποιίες. Η ενίσχυση με 1, 2 και 3 στρώσεις υαλοπλέγματος μανδύα ΙΑΜ βελτιώνει την διατμητική ικανότητα σε ποσοστό 268%, 234% και 306%, αντίστοιχα, συγκριτικά με την άοπλη ελέγχου. Στην περίπτωση του ενισχυμένου δοκιμίου με 1 στρώση υαλοπλέγματος μανδύα ΙΑΜ και κεντρικό άνοιγμα, η αύξηση έφτασε το 321%, σε σύγκριση με την τοιχοποιία ελέγχου. Οι ενισχυμένες συμπαγής ΑΦΤ με 1, 2 και 3 στρώσεις υαλοπλέγματος και άνοιγμα, αντίστοιχα επέδειξαν 339%, 270% και 701% μεγαλύτερη διατμητική ικανότητα από αυτήν της άοπλης ελέγχου. Οι ενισχυμένες αυτές τοιχοποιίες παρουσίασαν 2.31, 2.71 και 3.04 φορές μεγαλύτερη μετατόπιση συγκριτικά με την άοπλη τοιχοποιία αναφοράς.Ο σημαντικός ρόλος του κονιάματος ενίσχυσης μελετήθηκε πειραματικά σε ξεχωριστό δοκίμιο τοιχοποιίας που ενισχύθηκε μόνο με το κονίαμα του μανδύα ΙΑΜ εξωτερικά και στις δύο όψεις ονομαστικού πάχους 2 cm. Το δοκίμιο αυτό παρουσίασε 312% υψηλότερο φορτίο αστοχίας από τις δύο τοιχοποιίες ελέγχου. Ως αποτέλεσμα, επιβεβαιώνεται το προτεινόμενο προσομοίωμα πρόβλεψης διατμητικής ικανότητας, το οποίο λαμβάνει υπόψη τη σημαντική συνεισφορά του κονιάματος στη συνολική συνεισφορά της διατμητικής ικανότητας των ενισχυμένων άοπλων φερουσών τοιχοποιιών.Επιπρόσθετα, αξιολογήθηκε και η ψευδοπλαστιμότητα παραμορφώσεων και του συντελεστή παραμόρφωσης των ενισχυμένων τοιχοποιιών τόσο με κεντρικό άνοιγμα όσο και χωρίς αυτό. Παρατηρείται μια γραμμική αύξηση του συντελεστή παραμόρφωσης των ενισχυμένων τοιχοποιιών προς τις άοπλες αλλά και του δείκτη πλαστιμότητας, ιδιαίτερα στις ενισχυμένες συμπαγείς τοιχοποιίες. Συγκεκριμένα, οι τοιχοποιίες από Ορθοblock χωρίς άνοιγμα επέδειξαν συντελεστή παραμόρφωσης με τιμές από 2.3 έως 3.1, ενώ αυτές με άνοιγμα (Ορθοblock και συμπαγείς) από 3.2 έως 7. Ανάλογη γραμμικότητα επέδειξαν οι ενισχυμένες τοιχοποιίες και ως προς τον δείκτη πλαστιμότητας μ, με τιμές για τις τοιχοποιίες Ορθοblock χωρίς άνοιγμα από 1.02 έως 1.57, ενώ για αυτές με άνοιγμα (Ορθοblock και συμπαγείς) από 2.1 έως 6.89.Προτείνεται ένα νέο προσομοίωμα πρόβλεψης της διατμητικής ικανότητας των ενισχυμένων τοιχοποιιών, το οποίο λαμβάνει υπόψη τη συμβολή του κονιάματος ενίσχυσης στη συνολική διατμητική ικανότητα καθώς και όλων των στοιχείων της τοιχοποιίας π.χ. του τοιχοσώματος, του κονιάματος, του πλέγματος και της μήτρας, και τροποποιεί τις σχέσεις του κανονισμού EC8. Οι πειραματικές τιμές της διατμητικής ικανότητας συγκρίνονται με τις προβλέψεις των υφιστάμενων προσομοιωμάτων πρόβλεψης (ACI 2013, Triantafillou and Antonopoulos 2000, Triantafillou 1998, Triantafillou 2016, CNR 2018, CNR 2013, EC6, EC8) τόσο για τις άοπλες όσο και για τις ενισχυμένες τοιχοποιίες. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το προτεινόμενο προσομοιώματος παρουσιάζει μεγαλύτερη ακρίβεια στην πρόβλεψη τόσο της διατμητικής ικανότητας όσο και της μορφής αστοχίας όλων των διαφορετικών τοιχοποιιών που ενισχύονται με διάφορα συστήματα ΙΑΜ με Μέσο Απόλυτο Σφάλμα (ΜΑΣ) 22.95% και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αξιόπιστες προβλέψεις.