Μηχανισμός μεταφοράς δυνάμεων ενισχυμένων δομικών στοιχειών από σκυρόδεμα
Authors: Αχιλλοπούλου Δήμητρα 
Published: August 2021

Οι κατασκευές ωπλισμένου σκυροδέματος αποτελούν διεθνώς σημαντικό ποσοστό του δομημένου περιβάλλοντος, μάλιστα δε μεγάλος αριθμός από αυτές έχουν σχεδιαστεί με κανονιστικές προδιαγραφές που δεν πληρούν τις σύγχρονες απαιτήσεις παρεχόμενης ασφάλειας. Η ανάγκη για επέμβαση σε μια κατασκευή προκύπτει από διάφορους παράγοντες και οδηγεί είτε σε επισκευή είτε σε επισκευή και ενίσχυση ως αναγκαιότητα για την αποκατάσταση ή/και αναβάθμιση του παρεχόμενου επιπέδου ασφάλειας των κατασκευών από ωπλισμένο σκυρόδεμα. Διάφοροι μέθοδοι επισκευής και ενίσχυσης κατασκευών έχουν αναπτυχθεί τις τελευταίες δεκαετίες με έμφαση στην εφαρμογή μανδυών σε δομικά στοιχεία, από διάφορα υλικά. Η χρήση μανδυών έως μέθοδος ενίσχυσης ενέχει πλεονεκτήματα έναντι άλλων υλικών που αφορούν στην αύξηση της φέρουσας ικανότητας ή/και πλαστιμότητας του υφιστάμενου στοιχείου ή κατασκευής αλλά και στην οικονομία καθώς αποτελούν μία συμφέρουσα λύση με εύκολη εφαρμογή. Οι βασικοί λόγοι για τους οποίους συνήθως αποφασίζεται η επέμβαση στις κατασκευές είναι: α) βλάβες στα κρίσιμα δομικά στοιχεία λόγω υπερκαταπόνησης (π.χ. σεισμός κλπ), β) αρχικές κατασκευαστικές ατέλειες (ελλιπής συμπύκνωση σκυροδέματος κατά την διάρκεια της σκυροδέτησης), γ) ανάγκη αναβάθμισης της συνολικής φέρουσας ικανότητας της κατασκευής, ιδίως όταν πρόκειται για παλαιού τύπου κατασκευή σχεδιασμένη χωρίς απαιτήσεις πλαστιμότητας, δ) ανάγκη αναβάθμισης της φέρουσας ικανότητας λόγω αλλαγής χρήσης ή λόγω προσθήκης. Ανεξάρτητα του υλικού εφαρμογής το κλειδί της αποτελεσματικότητας της ενίσχυσης αποδεικνύεται πως είναι η διεπιφάνεια μεταξύ παλιού και νέου υλικού. Μέσω της διεπιφάνειας μεταφέρονται τα φορτία και επιτυγχάνεται η ενεργοποίηση του σύνθετου (ενισχυμένου) στοιχείου. Το ενισχυμένο δομικό στοιχείο είναι επιθυμητό να έχει συμπεριφορά όσο το δυνατόν όμοια με εκείνη ενός αντίστοιχου μονολιθικού στοιχείου με ίδια διατομή και χαρακτηριστικά, όμως λόγω της συνεργασίας των διαφορετικών υλικών ή υλικών που σκυροδετήθηκαν σε διαφορετικό χρόνο η μηχανική συμπεριφορά του σύνθετου αυτού στοιχείου διαφοροποιείται κυρίως από τη μηχανική συμπεριφορά της διεπιφάνειας. Με διάφορες πρακτικές (όπως είναι τα αγκύρια, χημικά ή μηχανικά), επιτυγχάνεται βελτίωση της μηχανικής συμπεριφοράς, κυρίως σε εναλλασσόμενη καταπόνηση, αλλά και της μονολιθικής λειτουργίας του στοιχείου. Η διεπιφάνεια διέπεται από διατμητικούς μηχανισμούς μεταφοράς δύναμης όπως η αλληλεμπλοκή των αδρανών, η τριβή και η δράση βλήτρων ή σφιγκτήρα, ενώ το πρόβλημα της αποτίμησης της μηχανικής συμπεριφοράς της διεπιφάνειας αποτελεί ακόμα αντικείμενο έρευνας που μελετάται και στην παρούσα διδακτορική διατριβή.Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη της μεταφοράς δυνάμεων σε διεπιφάνειες ενισχυμένων δομικών στοιχείων από Ωπλισμένο Σκυρόδεμα (Ω.Σ.) και περιλαμβάνει αναλυτική και πειραματική διερεύνηση. Στην παρούσα έρευνα εξετάστηκαν 75 δοκίμια υποστυλωμάτων από τα οποία 50 ενισχύθηκαν με μανδύα από Ω.Σ.. Διεθνώς υπάρχει μεγάλος αριθμός πειραματικών αποτελεσμάτων τα οποία αφορούν στην έρευνα της λειτουργίας διεπιφανειών σκυροδέματος με μη πλήρη επαφή (ρηγματώσεις) καθώς και σε προκαθορισμένες επαφές (αρμοί διακοπής) αλλά και σε προκύπτουσες ρηγματώσεις ενισχυμένων δομικών στοιχείων. Προτείνονται επίσης, διάφορα αναλυτικά προσομοιώματα με μορφή εμπειρικών εκφράσεων για τον προσδιορισμό της τριβής, της συνάφειας, της δράσης βλήτρου και της ολίσθησης πυρήνα- μανδύα, ενώ απλοποιημένες εκφράσεις για τον σχεδιασμό μανδύα σε στοιχεία σκυροδέματος έχουν ενσωματωθεί και περιλαμβάνονται σε διεθνείς κανονισμούς.Ουσιαστικές παραμέτρους στη διαμόρφωση της μηχανικής συμπεριφοράς του σύνθετου στοιχείου (παλαιό- νέο σκυρόδεμα) αποτελούν: α) η κάθετη στη διεπιφάνεια δύναμη περιορίζει το εύρος της ρηγμάτωσης και προσδίδει μεγαλύτερη δυστμησία στο δομικό στοιχείο, β) η τραχύτητα των διεπιφανειών με διάφορες μεθόδους (επάλειψη με ρητίνη, εκτράχυνση, κ.α.) η οποία επηρεάζει ευνοϊκά την τελική αντοχή του στοιχείου σε διάτμηση, γ) η περίσφιγξη λόγω συνδετήρων του μανδύα προκαλεί ορθή τάση στη διεπιφάνεια και περιορίζει την αποκόλληση των δύο σε επαφή σκυροδεμάτων και δ) η ύπαρξη συνδέσμων οπλισμού (ποσοστό, χαρακτηριστικά, διάμετρος κλπ.) μεταξύ των διεπιφανειών του σκυροδέματος (βλήτρα) ή μεταξύ του διαμήκους οπλισμού παλαιού και νέου στοιχείου (αναρτήρες). Με βάση τις παραπάνω παραμέτρους καταρτίστηκε εκτενές πειραματικό πρόγραμμα για την διερεύνηση της μηχανικής συμπεριφοράς σε δομικά στοιχεία ενισχυμένα με μανδύα σκυροδέματος. Κατασκευάστηκαν συνολικά 75 δοκίμια διαστάσεων διατομής 150x150mm (κλίμακα 1:2) και ύψους 500mm, με δύο διαφορετικά επίπεδα εγκάρσιου οπλισμού-περίσφιγξης: χαμηλό (ωcc=0.075) και μέσο (ωcc=0.15) και μέσης ποιότητας σκυροδέματος (fc=24.37MPa), τιμή η οποία θεωρήθηκε μέση τιμή αντοχής σκυροδέματος για κατασκευές με πολυετή ωρίμανση σκυροδέματος. Χρησιμοποιήθηκε χάλυβας χαρακτηριστικής αντοχής fy=500MPa (Β500c) για τον διαμήκη οπλισμό ενώ για τους συνδετήρες αντίστοιχα με χαρακτηριστική αντοχή fy=220MPa (S220). Στα 50 από αυτά τα δοκίμια κατασκευάστηκε δύσκαμπτος τετράπλευρος μανδύας πάχους 80mm με σκυρόδεμα καλύτερης ποιότητας (θλιπτικής αντοχής fcj=31MPa), με διαμήκη και εγκάρσιο οπλισμό κατηγορίας Β500c. Ως ποσοστό του διαμήκη οπλισμού τόσο στον πυρήνα όσο και στον μανδύα, καθώς επίσης τα αντίστοιχα των οπλισμών που διαπερνούσαν τη διεπιφάνεια του σκυροδέματος (σύνδεσμοι) επιλέχθηκαν τα ελάχιστα που ορίζουν οι κανονισμοί. Χρησιμοποιήθηκε κατάλληλη πειραματική διάταξη ώστε η επιβολή της επαναλαμβανόμενης καταπόνησης της διεπιφάνειας να είναι:Α. άμεση φόρτιση της διεπιφάνειας (LPA) που επιτρέπει την ελεύθερη ολίσθηση του υφιστάμενου στοιχείου (πυρήνας) με ταυτόχρονη έδραση του μανδύα. Δοκιμάστηκαν συνολικά 9 δοκίμια με παραμέτρους: α) την τραχύτητα διεπιφάνειας παλαιού και νέου σκυροδέματος, β) τις κάθετες στη διεπιφάνεια τάσης λόγω περίσφιγξης του μανδύα και γ) τους υπάρχοντες οπλισμούς σύνδεσης σκυροδέματος (βλήτρα) και οπλισμών (αναρτήρες) που τέμνουν την διεπιφάνεια. Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι η δράση βλήτρου για όλες τις επιβαλλόμενες ολισθήσεις είναι κυρίως διατμητική με αμελητέα την αξονική συνιστώσα. Με την αύξηση της διαμέτρου της ράβδου η απομείωση μετά το μέγιστο φορτίο είναι μεγαλύτερη συνοδευόμενη από τοπική σύνθλιψη του σκυροδέματος γύρω από τη ράβδο. Η ορθή ένταση που προκαλείται από την ενεργοποίηση της περίσφιγξης του μανδύα επηρεάζει ευνοϊκά την μέγιστη αναλαμβανόμενη διατμητική ένταση λείων διεπιφανειών, ενώ ο διπλασιασμός του ποσοστού περίσφιγξης δεν ακολουθείται από αντίστοιχη αύξηση της αναλαμβανόμενης τέμνουσας. Η τραχύτητα της διεπιφάνειας αυξάνει τόσο το μέγιστο φορτίο όσο και την ολίσθηση του αναλαμβάνεται. Τέλος, οι σύνδεσμοι οπλισμών (αναρτήρες) προκαλούν λυγισμό των διαμήκων ράβδων στις οποίες συγκολλούνται. Β. οιονεί πραγματική φόρτιση πυρήνα-μανδύα κατά την οποία η επιβολή της επαναλαμβανόμενης καταπόνησης ασκείται μόνο στον πυρήνα με ταυτόχρονη έδραση ολόκληρης της ενισχυμένης σύνθετης διατομής (LPB) με σκοπό να προσομοιωθεί η πραγματική φορτιστική κατάσταση κατά την οποία το υφιστάμενο στοιχείο έχει ήδη υποστεί παραμορφώσεις λόγω συρρίκνωσης και δημιουργείται αρμός διακοπής. Με τις ίδιες παραμέτρους (α. τραχύτητα διεπιφάνειας, λείανση, teflon, β) κάθετες στη διεπιφάνεια τάσεις λόγω περίσφιγξης μανδύα και γ) είδος οπλισμού σύνδεσης- σκυροδέματος και οπλισμών) δοκιμάστηκαν 28 πρισματικά δοκίμια. Από τις πειραματικές δοκιμές προκύπτει ότι η μορφή αστοχίας εξαρτάται από το είδος του οπλισμού σύνδεσης. Η ύπαρξη οπλισμών σύνδεσης σκυροδέματος (βλήτρα), οι οποίοι δρουν διατμητικά σε όλες παραμορφώσεις, προκαλεί πλαστικοποίηση του ασθενέστερου σκυροδέματος, ενώ η ύπαρξη συνδέσμων οπλισμών (αναρτήρες) προκαλεί λυγισμό των διαμήκων ράβδων με την αύξηση του ογκομετρικού ποσοστού των συνδετήρων του μανδύα να μειώνει τον λυγισμό αυτό. Ακόμα, η αύξηση της περίσφιγξης του μανδύα οδηγεί σε μικρότερο ρυθμό απομείωσης του φορτίου μετά τη μέγιστη τιμή. Τέλος, η τραχύτητα της διεπιφάνειας συμβάλλει στην αλλαγή της μηχανικής συμπεριφοράς τόσο μέχρι το μέγιστο φορτίο όσο και στον φθιτό κλάδο. Σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις, το ενισχυμένο στοιχείο παρουσιάζει αναβαθμισμένη συμπεριφορά (ν>1). Γ. οιονεί μονολιθική φόρτιση κατά την οποία φορτίζεται και εδράζεται ολόκληρη η σύνθετη διατομή του ενισχυμένου στοιχείου (LPC). Στο πειραματικό πρόγραμμα εισήχθη ακόμα μία παράμετρος, εκτός από την ορθή τάση που ασκείται στη διεπιφάνεια λόγω περίσφιγξης του μανδύα και το είδος των οπλισμών σύνδεσης, οι αρχικές κατασκευαστικές ατέλειες λόγω ελλιπούς ή ατελούς συμπύκνωσης σκυροδέματος ή και λόγω μη επιθυμητής κοκκομετρίας. Προτείνεται η βαθμονόμηση τέτοιου είδους αρχικών κατασκευαστικών ατελειών μέσω τριών γεωμετρικών δεικτών με σκοπό την πρόβλεψη της ικανότητας των στοιχείων να αναλαμβάνουν αξονικά φορτία. Τα δοκίμια επισκευάστηκαν με χρήση θιξοτροπικού τσιμεντοκονιάματος με πρόσμικτα εξουδετέρωσης της συστολής ξήρανσης με πολυακρυλικές ίνες. Τα επισκευασμένα δοκίμια παρουσίασαν μειωμένο μέγιστο φορτίο και απότομα φθιτό κλάδο στην περίπτωση που οι ατέλειες εισέρχονταν στην περισφιγμένη περιοχή. Οι δείκτες βαθμονόμησης χρησιμοποιούνται σε προτεινόμενο απλοποιημένο προσομοίωμα πρόβλεψης της ικανότητας το οποίο έρχεται σε εξαιρετική συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα. Τα δοκίμια ενισχύθηκαν με μανδύα σκυροδέματος και επαναδοκιμάστηκαν. Από τη μελέτη των στοιχείων με αρχικές κατασκευαστικές ατέλειες προέκυψε ότι οι δυνάμεις περίσφιγξης που αναπτύσσει ο εγκάρσιος οπλισμός του μανδύα στην διεπιφάνεια και στο αρχικό δοκίμιο οι οποίες αντισταθμίζουν την αρχική απώλεια ικανότητας έναντι αξονικού φορτίου-παραμόρφωσης και αναβαθμίζονται ουσιαστικά. Χρησιμοποιήθηκαν αναλυτικά προσομοιώματα πεπερασμένων στοιχείων για τον προσδιορισμό της μηχανικής συμπεριφοράς χαρακτηριστικών δοκιμίων για διάφορα είδη φόρτισης (LPA, LPB) αλλά και με σχετικές ατέλειες του πυρήνα. Tα αναλυτικά αποτελέσματα συγκρίνονται με τα αντίστοιχα πειραματικά. Για την ανάλυση με πεπερασμένα στοιχεία επιλέχθηκαν: α) κατάλληλος καταστατικός νόμος σκυροδέματος υπό τριαξονική ένταση και εφαρμόστηκε κριτήριο αστοχίας δύο παραμέτρων (τροποποιημένο κριτήριο Drucker-Prager), β)κατάλληλο χωρικό πεπερασμένο στοιχείο με δυνατότητα συμπεριφοράς σύμφωνα με τον προαναφερθέντα νόμο, γ) κατάλληλος αλγόριθμος επίλυσης των εξισώσεων ισορροπίας που επιτρέπει την απόκριση του φορέα πέρα από το σημείο επίτευξης της μέγιστης αντοχής., δ) κατάλληλα επιφανειακά πεπερασμένα στοιχεία για την προσομοίωση των διεπιφανειών με μέγιστη επιτρεπόμενη δαιτμητική τάση και κατάλληλος συντελεστής ελαστικής απόκρισης της τριβής και τέλος ε) κατάλληλη πολλαπλασιαστικοί συντελεστές προσομοίωσης της αποκόλλησης της διεπιφάνειας. Από τη σύγκριση αναλυτικών και πειραματικών αποτελεσμάτων προκύπτει ότι με την κατάλληλη προσομοίωση των μηχανικών χαρακτηριστικών της διεπιφάνειας η διαφοροποίηση είναι πολύ μικρή, ενώ δεν προκύπτει φθιτός κλάδος. Από την ανάλυση των ενισχυμένων δοκιμίων με πεπερασμένα στοιχεία συμπεραίνεται ότι η περίσφιγξη του μανδύα λειτουργεί ευνοϊκά στην ανάληψη φορτίου από τον πυρήνα ενώ ανακουφίζει τις ράβδους των συνδέσμων σκυροδέματος (βλήτρα). Από την ανάλυση των στοιχείων με αρχικές κατασκευαστικές ατέλειες προκύπτουν ανεκτές διαφοροποιήσεις μεταξύ αναλυτικών και πειραματικών αποτελεσμάτων και επιβεβαιώνεται ο τρόπος αστοχίας διεπιφάνειας κονιάματος- σκυροδέματος (αποκόλληση) όσο και η αλλαγή του τρόπου αστοχίας σε εκτεταμένες ατέλειες.Τέλος, σε σχέση με τις προβλέψεις των κανονισμών σχεδιασμού προκύπτει ότι προβλέπεται συντηρητικά η διατμητική τάση κατά μήκος διεπιφανειών για λόγους ασφαλούς σχεδιασμού. Με σκοπό την κατανόηση του βαθμού μονολιθικότητας του στοιχείου και του βαθμού ικανότητας μεταφοράς δύναμης προτείνεται συντελεστής μονολιθικότητας. Μάλιστα, προκύπτει ότι με τη θεώρηση της οιονεί μονολιθικής σύνδεσης και πλήρους φόρτισης υπερεκτιμάται η λειτουργία του ενισχυμένου δομικού στοιχείου. Η επιρροή των αρχικών κατασκευαστικών βλαβών χρειάζεται περαιτέρω μελέτη. Πιο συγκεκριμένα προτείνεται η χρήση άλλου είδους επισκευαστικών κονιαμάτων σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα, ενίσχυση των στοιχείων με ινοπλισμένα πολυμερή αλλά και ανάπτυξη κατάλληλου αναλυτικού προσομοιώματος για την πρόβλεψη της ικανότητας του επισκευασμένου στοιχείου αλλά και τη λειτουργία της διεπιφάνειας του ενισχυμένου στοιχείου. Κρίνεται επίσης απαραίτητη η ανάπτυξη γενικευμένου νόμου επαφής με εφαρμογή για κάθε είδους υλικού και συνδέσμου βασιζόμενο σε προσομοιώματα και κριτήρια αστοχίας της θεωρίας πλαστικότητας. Η αξιοπιστία ενός τέτοιου προσομοιώματος μπορεί να ελεγχθεί με την εισαγωγή σε λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων. Ακόμα, η διερεύνηση της λειτουργίας της διεπιφάνειας σε ανακυκλιζόμενη ένταση όπως και άλλων στοιχείων με προκαθορισμένες ρηγματώσεις κρίνεται απαραίτητη, όπως επίσης και η έρευνα με σύγχρονα υλικά υψηλής επιτελεστικότητας για την επισκευή αρχικών ατελειών και βλαβών από υπερκαταπόνηση (υπερυψηλής αντοχής σκυροδέματα, σκυροδέματα με νανοσωλήνες άνθρακα).