Ποσοτικοποίηση της βλάβης διάβρωσης του χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος πριν και μετά την ψηγματοβολή και πρόταση καθιέρωσης ενός δείκτη ποιότητας χάλυβα σε βάθος χρόνου
Authors: Μπασδέκη Μαρία 
Published: May 2023

Παρότι είναι γνωστό ότι το κτηριακό απόθεμα παράκτιων περιοχών υποφέρει από προβλήματα ανθεκτικότητας, μόλις τις τελευταίες δεκαετίες η επιστημονική κοινότητα συνέδεσε συστηματικότερα τα φαινόμενα πρόωρης υποβάθμισης της ανθεκτικότητας του σκυροδέματος και της πρόωρης γήρανσης του κτηριακού αποθέματος με τη διάβρωση του χάλυβα οπλισμού. Στην περίπτωση δε των σεισμογόνων περιοχών, η συνδυασμένη δράση του παράκτιου περιβάλλοντος και των σεισμικών δράσεων επιτείνει περαιτέρω τα φαινόμενα υποβάθμισης των κατασκευών. Εντούτοις, έως και σήμερα, η συγκεκριμένη αυτή δράση δεν έχει ποσοτικοποιηθεί, γεγονός που συνιστά έλλειμμα στην αποτίμηση της δομικής επάρκειας στοιχείων υφιστάμενων κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα. Το έλλειμμα ποσοτικοποίησης της διάβρωσης και του ιστορικού φόρτισης (λόγω σεισμικών δράσεων) ως παράγοντες υποβάθμισης του χάλυβα οπλισμού και η σύνδεση με τη φαινόμενη πρόωρη υποβάθμιση των δομικών στοιχείων υφιστάμενων κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα, αποτελεί τη βάση της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Υπό αυτό το πρίσμα, πραγματοποιήθηκε εκτεταμένη μελέτη των συνεπειών της διάβρωσης του χάλυβα οπλισμού, η οποία εκτείνεται σε δύο άξονες : στη μηχανική απόκριση του διαβρωμένου χάλυβα υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση και στους τρόπους βελτίωσης της μηχανικής συμπεριφοράς του χάλυβα, όπως η ψηγματοβολή, και ακολούθως η πρόταση ενός δυναμικού δείκτη ποιότητας του χάλυβα σε βάθος χρόνου. Oι σεισμικές φορτίσεις επί των κατασκευών και ειδικότερα επί του χάλυβα οπλισμού, είναι γνωστό ότι προσομοιώνονται με φορτίσεις ολιγοκυκλικής κόπωσης. Συνεπώς, τόσο τα φαινόμενα κόπωσης όσο και τα φαινόμενα διάβρωσης υποβαθμίζουν με το χρόνο το υστερητικό μοντέλο τάσεων – παραμορφώσεων του χάλυβα, με αποτέλεσμα την ταχύτερη μείωση της διάρκειας ζωής των δομικών στοιχείων υφιστάμενων (παλαιών) κατασκευών. Οι ισχύοντες κανονισμοί, ωστόσο, εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν τις σεισμικές δράσεις μεμονωμένα ως μία μέγιστη «καταπόνηση» (δύναμη, παραμόρφωση) και όχι ως ακολουθία σεισμικών συμβάντων, αγνοώντας έτσι την επιρροή της συσσώρευσης βλάβης λόγω κόπωσης και οδηγώντας κατ’ αυτόν τον τρόπο σε αβεβαιότητες σχετικά με τα πραγματικά ενεργειακά αποθέματα του χάλυβα.Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, εξετάστηκε η συμπεριφορά δύο υποστυλωμάτων από οπλισμένο σκυρόδεμα υπό δυναμική καταπόνηση (επαναλαμβανόμενες φορτίσεις σταδιακά αυξανόμενες), πριν και μετά τη διάβρωση. Με την ολοκλήρωση της δυναμικής φόρτισης, η μηχανική απόδοση του διαβρωμένου υποστυλώματος Ο/Σ τόσο ως προς την αντοχή όσο και ως προς την πλαστιμότητά του, παρουσιάστηκε σαφώς υποβαθμισμένη.Επεκτείνοντας τη μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς του εγκιβωτισμένου (διαβρωμένου) χάλυβα οπλισμού, εξετάστηκε η μη γραμμική υστερητική του συμπεριφορά, πραγματοποιώντας αναλύσεις της σεισμικής απόκρισής του. Στη συνέχεια, παρουσιάστηκαν μοντέλα πρόβλεψης της διάρκειας ζωής του χάλυβα για διαφορετικά επίπεδα διάβρωσης καθώς και μοντέλα πρόβλεψης των υστερητικών βρόγχων διαβρωμένων ράβδων οπλισμού που υπόκεινται σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Τα προτεινόμενα μοντέλα που προσομοιώνουν την ανακυκλιζόμενη συμπεριφορά του χάλυβα (διαβρωμένου και μη), βρίσκονται σε καλή συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα, τόσο ως προς τη φέρουσα ικανότητα όσον και προς τη διάρκεια ζωής του. Άξιο αναφοράς είναι ότι το ιστορικό (της σεισμικής) φόρτισης, επέφερε εντονότερη υποβάθμιση στο υποστύλωμα έναντι του διαβρωτικού παράγοντα (για μέση απώλεια μάζας 14%-21%).Πραγματοποιήθηκε επίσης μελέτη της επίδρασης της μικροδομής του χάλυβα οπλισμού στη μηχανική του απόκριση τόσο σε μονοτονική όσο και σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση, σε ράβδους χάλυβα οπλισμού διαφορετικών κατηγοριών: του παραδοσιακού χάλυβα Tempcore B και ενός υβριδικού Dual Phase F. Για την εργαστηριακή μελέτη του διαβρωτικού φαινομένου, υιοθετήθηκε η επιταχυνόμενη μέθοδος της ηλεκτροδιάβρωσης, μέσω επιβολής σταθερής πυκνότητας ρεύματος στο χάλυβα οπλισμού των δοκιμίων, για διαφορετικούς χρόνους έκθεσης. Το σύνολο των δοκιμίων υποβλήθηκε σε μηχανικές δοκιμές εφελκυσμού και ολιγοκυκλικής κόπωσης, σε δύο διαφορετικά εύρη παραμόρφωσης, ± 2.5% και ± 4.0%.Τα αποτελέσματα των μηχανικών δοκιμών έδειξαν διαφοροποίηση της ωφέλιμης διάρκειας ζωής μεταξύ των δύο κατηγοριών χάλυβα, γεγονός που καθιστά αναγκαία την περαιτέρω μελέτη καθώς ο υβριδικός χάλυβας κατηγορίας Dual Phase F (παρότι χαμηλότερης κλάσης), κατέγραψε υψηλότερες επιδόσεις ως προς τη διάρκεια ζωής του. Με στόχο την αξιολόγηση και σύγκριση των δύο κατηγοριών χάλυβα συνδυάζοντας τόσο τις ιδιότητες αντοχής όσο και ολκιμότητας, εισήχθη η έννοια ενός δυναμικού δείκτη ποιότητας QF. Από τη σύγκριση προέκυψε συμφωνία αποτελεσμάτων του δυναμικού δείκτη ποιότητας με τα πειραματικά αποτελέσματα καθώς ο υβριδικός χάλυβας κατηγορίας Dual Phase F έδειξε βελτιωμένη μηχανική απόδοση σε βάθος χρόνου.Μελετώντας τη μηχανική απόδοση του χάλυβα, σε μονοτονική και σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση, εξετάστηκε εκτενώς η επίδραση της διαδικασίας του καθαρισμού μέσω ψηγματοβολής, πριν και μετά τη διάβρωση. Το πρώτο στάδιο της συγκεκριμένης μελέτης αφορούσε στην επίδραση της διαδικασίας καθαρισμού μέσω ψηγματοβολής με κορούνδιο συνδυαστικά με αυτή της επικάλυψης με (ψεκαζόμενο) κράμα ψευδαργύρου – αλουμινίου 15% κατά βάρος (Zn85Al15) σε ράβδους χάλυβα οπλισμού στη βλάβη διάβρωσης και τη μηχανική απόκριση σε μονοτονική φόρτιση. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η εν θερμώ επικάλυψη προσφέρει ικανοποιητική αντίσταση στη διάβρωση και αξιοσημείωτη σταθερότητα στη μηχανική απόδοση του χάλυβα οπλισμού. Επιπλέον, αποδείχτηκε ότι η βέλτιστη επιλογή αποξεστικού μέσου και ο βέλτιστος βαθμός καθαρότητας στη διαδικασία της ψηγματοβολής, αφενός βελτιώνουν τις ιδιότητες ολκιμότητας του χάλυβα οπλισμού, αφετέρου, εξασφαλίζουν μια χρονική παράταση στην εκκίνηση της διάβρωσης. Σε συνέχεια των ανωτέρω ενθαρρυντικών αποτελεσμάτων της ευεργετικής επίδρασης της ψηγματοβολής υπό μονοτονική φόρτιση και με δεδομένο ότι η συμβολή των κοπωτικών φορτίσεων στη συσσώρευση βλάβης εξαρτάται από το εύρος παραμόρφωσης, πραγματοποιήθηκε σε δεύτερο στάδιο εκτεταμένη πειραματική μελέτη η οποία αποτελεί ένα σημαντικό βήμα στη διερεύνηση της επιρροής της ψηγματοβολής σε ράβδους χάλυβα οπλισμού υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση, σε όρους ενέργειας. Εξετάζοντας τα πειραματικά αποτελέσματα των δοκιμών ολιγοκυκλικής κόπωσης σε διαφορετικά εύρη παραμόρφωσης, αποδείχθηκε ότι ο καθαρισμός μέσω της συγκεκριμένης διαδικασίας ψηγματοβολής βελτιώνει τη διάρκεια ζωής του χάλυβα οπλισμού, γεγονός που αποτυπώθηκε με τις καταγραφείσες επαυξημένες τιμές του αριθμού κύκλων φόρτισης στα επιβληθέντα εύρη παραμόρφωσης. Αξιοποιώντας εκ νέου τον ήδη προταθέντα δυναμικό δείκτη ποιότητας QF , επιβεβαιώθηκε η υπεροχή της μηχανικής απόδοσης των ψηγματοβολημένων δοκιμίων σε βάθος χρόνου.