Μηχανική συμπεριφορά σκυροδέματος περισφιγμένου με σύνθετα υλικά
Authors: Ρουσάκης Θεόδωρος 
Published: August 2021

Η χρήση σύνθετων υλικών (Ινωπλισµένα Πολυµερή, Fiber Reinforced Polymers - FRP) ως εξωτερικού οπλισµού περίσφιγξης σε δοµικά στοιχεία από σκυρόδεµα είναι ευρέως διαδεδοµένη διεθνώς. Σε πολλές εφαρµογές, όπως:  κατασκευών σε έντονο διαβρωτικό περιβάλλον εξαιτίας κλιµατολογικών συνθηκών ή ύπαρξης χηµικών ουσιών,  ενίσχυσης υφιστάµενων κατασκευών (γεφυρών, κτιρίων κλπ) έναντι αυξηµένων στατικών, δυναµικών ή σεισµικών φορτίων,  αποκατάστασης ή/και ενίσχυσης κατασκευών που έχουν υποστεί βλάβες, τα δοµικά ινωπλισµένα πολυµερή (ΙΩΠ) εµφανίζουν σε ορισµένες περιπτώσεις πλεονεκτήµατα σε σχέση µε τον συµβατικό χαλύβδινο οπλισµό. Η παρούσα έρευνα εµβαθύνει στην διερεύνηση της µηχανικής συµπεριφοράς του περισφιγµένου µε ΙΩΠ σκυροδέµατος από την σκοπιά της θεωρίας της πλαστικότητας.Η θεωρία της πλαστικότητας ως ένα ισχυρό αναλυτικό εργαλείο παρέχει το µαθηµατικό υπόβαθρο που επιτρέπει την ακριβή φυσική απόδοση της ανελαστικής συµπεριφοράς του σκυροδέµατος (χαµηλής, µέσης και υψηλής αντοχής) σε συµφωνία µε πειραµατικές παρατηρήσεις. Αρχικά καταρτίζεται πειραµατικό πρόγραµµα περισφιγµένων κυκλικών διατοµών σκυροδέµατος διαφορετικών ποιοτήτων µε κυλινδρική αντοχή σκυροδέµατος από 25.2 MPa έως 82.1 MPa. Εφαρµόζονται δύο τεχνικές περίσφιγξης: περιέλιξης ανθρακοϋφασµάτων συνήθους (234 GPa - 240 GPa) και υψηλού (377 GPa) µέτρου ελαστικότητας µε φάσµα δυστένειας (2tjΕj/D, εγκάρσια σε κυκλική διατοµή) έως 4300 MPa καθώς και περιέλιξης προεντεταµένης δέσµης ανθρακοϊνών µε δυστένεια 2833 MPa για την διερεύνηση της ενεργητικής περίσφιγξης. Τα δοκίµια υποβάλλονται σεµονότονη καθώς και σε σταδιακά αυξανόµενη θλιπτική φόρτιση - αποφόρτιση. Αποτιµάται η αποτελεσµατικότητα της περίσφιγξης του σκυροδέµατος σε µεγέθη αντοχής, παραµορφωσιµότητας και ογκοµετρικής συµπεριφοράς των δοκιµίων. Εξετάζεται ο βαθµός συσχέτισης της αποτελεσµατικότητας της περίσφιγξης µε βασικές παραµέτρους σχεδιασµού, τις ιδιότητες των υλικών καθώς και το επίπεδο προέντασης. Προτείνονται εµπειρικές σχέσεις πρόβλεψης της µέγιστης αναλαµβανόµενης τάσης και παραµορφωσιµότητας σκυροδέµατος περισφιγµένου µε ΙΩΠ όπου η παραµορφωσιακή κατάσταση του ΙΩΠ στην αστοχία (και ο συντελεστής αποτελεσµατικότητας τηςπερίσφιγξης) εκφράζονται µέσω του µέτρου ελαστικότητας του ΙΩΠ. Συγκρίνεται η αποτελεσµατικότητα της περίσφιγξης µεταξύ διατοµών περισφιγµένων µε ΙΩΠ (γυαλιού ή άνθρακα) ή µε χάλυβα. ∆ιερευνάται η διαφοροποίηση της συµπεριφοράς του µανδύα ΙΩΠ σε σχέση µε τις συνθήκες συνάφειας του µανδύα µε το σκυρόδεµα, σε σχέση µε τη διεύθυνση των ινών του υφάσµατος, καθώς και σε σχέση µε το µήκος αγκύρωσης της εξωτερικής στρώσης του υφάσµατος. Η συµπεριφορά του περισφιγµένου µε ΙΩΠ σκυροδέµατος προσεγγίζεται από τη σκοπιά της θεωρίας της πλαστικότητας, θεωρώντας συνάρτηση φόρτισης - αστοχίας τύπου Drucker-Prager για το σκυρόδεµα, µε νόµο πλαστικής ροής µη σχετιζόµενο µε την συνάρτηση φόρτισης (µη συνεταιριστικό) και υλικό που εκδηλώνει κράτυνση και φθίνοντα κλάδο. Προσδιορίζεται πειραµατικά η ελαστική και ανελαστική (πλαστική) συµπεριφορά του περισφιγµένου σκυροδέµατος. Εξάγονται οι πειραµατικές καµπύλες (πλαστικής) διόγκωσης µε την τροχιά πλαστικής παραµόρφωσης καθώς και φθοράς (βλάβης σκυροδέµατος) µε την τροχιά πλαστικής παραµόρφωσης. Προτείνονται κατάλληλεςαναλυτικές σχέσεις για την βαθµονόµηση των βασικών παραµέτρων της θεωρίας της πλαστικότητας σε συµφωνία µε τις πειραµατικές παρατηρήσεις. Έτσι προτείνεται αναλυτικό προσοµοίωµα της θεωρίας της πλαστικότητας µε νέα αναβαθµισµένη συνάρτηση κράτυνσης όπου όλες οι ανελαστικές παράµετροι του σκυροδέµατος (εκτός της φθοράς) συσχετίζονται µονοσήµαντα µέσω κλειστών σχέσεων µε την αντοχή του σκυροδέµατος. Ο συντελεστής (πλαστικής) διόγκωσης προκύπτει ότι εξαρτάται και από τη δυστένεια του µέσου περίσφιγξης. Η παράµετρος φθοράς βαθµονοµείται για κάθε αντοχή σκυροδέµατος. Οι προβλέψεις του προσοµοιώµατος συγκρίνονται µε πειραµατικά δεδοµένα διαφόρων ερευνητών καθώς και µε προσοµοιώµατα τα οποία υιοθετούνται και από διεθνείς συστάσεις σχεδιασµού. Το προσοµοίωµα παρέχει πρόβλεψη και για τα δοκίµια όπου εφαρµόστηκε ενεργητική περίσφιγξη. Στην συνέχεια καταρτίζεται πειραµατικό πρόγραµµα για τη διερεύνηση σκυροδέµατος σε ανοµοιόµορφη περίσφιγξη. Κατασκευάζονται τετραγωνικές διατοµέςσκυροδέµατος διαφορετικών ποιοτήτων µε αντοχή σκυροδέµατος από 33 MPa έως 40 MPa. Εφαρµόζεται περιέλιξη ανθρακοϋφασµάτων και υαλοϋφασµάτων συνήθους µέτρου ελαστικότητας (240 GPa και 65 GPa αντίστοιχα) µε φάσµα δυστένειας κατά τη διεύθυνση χ (ή και κατά ψ, 2tjΕj/b, εγκάρσια σε τετραγωνική διατοµή) έως 1404 MPa. Αποτιµάται η αποτελεσµατικότητα της περίσφιγξης του σκυροδέµατος σε µεγέθη αντοχής, παραµορφωσιµότητας, ογκοµετρικής συµπεριφοράς, και απορρόφησης ενέργειας των δοκιµίων. Εξετάζεται ο βαθµός συσχέτισης της αποτελεσµατικότητας της περίσφιγξης µε βασικές παραµέτρους σχεδιασµού, των ιδιοτήτων των υλικών καθώς και του σχήµατος της διατοµής. Προτείνεται αναλυτικό προσοµοίωµα της θεωρίας τηςπλαστικότητας µε κατάλληλα τροποποιηµένη συνάρτηση φόρτισης - αστοχίας ώστε να αποδίδονται ταυτόχρονα οι περιοχές του σκυροδέµατος σε ανοµοιόµορφη περίσφιγξη. Πιο συγκεκριµένα η περισφιγµένη διατοµή διακριτοποιείται σε περιοχές σε οµοιόµορφη διαξονική περίσφιγξη ή σε µονοαξονική περίσφιγξη. Το προσοµοίωµα αναβαθµονοµείται και συγκρίνονται οι προβλέψεις του µε πειραµατικά δεδοµένα διαφόρων ερευνητών καθώς και µε προτεινόµενο καταστατικό προσοµοίωµα που βασίζεται σε σχέσεις οι οποίες υιοθετούνται και από διεθνείς συστάσεις σχεδιασµού. Τέλος γίνεται ανακεφαλαίωση µε τα συµπεράσµατα και τις προτάσεις για περαιτέρω έρευνα.