Συμπεριφορά στοιχείων σκυροδέματος ενισχυμένων με ελάσματα συνθετικού οπλισμού
Authors: Χαραλαμπίδη Βαρβάρα 
Published: September 2021

Αντικείμενο της παρούσας έρευνας είναι η πειραματική και αναλυτική διερεύνηση της συμπεριφοράς, κάτω από φορτίο κόπωσης, δοκών ωπλισμένου σκυροδέματος ενισχυμένων έναντι ροπής και τέμνουσας με ελάσματα και υφάσματα ινωπλισμένων πολυμερών, αντίστοιχα. Για τους σκοπούς της έρευνας συστάθηκε πειραματικό πρόγραμμα που περιελάβανε τη δοκιμή δοκών ωπλισμένου σκυροδέματος μεγάλης κλίμακας, διαστάσεων 3,050 mm μήκους, 500 mm ύψους και 200 mm πλάτους, το οποίο πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ωπλισμένου Σκυροδέματος του Δημοκριτείου Πανεπιστημίου Θράκης. Οι δοκοί και οι ενισχύσεις σχεδιάστηκαν με βάση τις κανονιστικές διατάξεις του Αμερικάνικου Κανονισμού ACI Committee 315Μ-05 και 440.2R-08, αντίστοιχα. Τα πειραματικά δοκίμια χωρίσθηκαν σε δύο ομάδες και μελετήθηκε η απόκρισή τους κάτω από δύο διαφορετικά εύρη φόρτισης. Το πρώτο εύρος κυμάνθηκε μεταξύ 20% και 60% του φορτίου αστοχίας Pu της ενισχυμένης δοκού και το δεύτερο μεταξύ 20% του φορτίου αστοχίας Pu και 80% του φορτίου διαρροής Py της ενισχυμένης δοκού. Στόχος ήταν η προσομοίωση δύο φορτιστικών σεναρίων που να δηλώνουν α) τα φορτία νεκρά φορτία μιας γέφυρας (20%Pu), β) τα φορτία λειτουργίας της (60% Pu) και γ) τα όρια σχεδιασμού (80% Py) που επιβάλλει ο Αμερικάνικος Κανονισμός ενισχύσεων με ινωπλισμένα πολυμερή, ACI Committee 440.2R-08. Η καμπτική ενίσχυση πραγματοποιήθηκε με δύο διαφορετικές μεθόδους τοποθέτησης ελασμάτων ΙΩΠ, η πρώτη αφορούσε στην τοποθέτηση των ελασμάτων εξωτερικά στο εφελκυόμενο πέλμα των δοκών (EBR FRP) και η δεύτερη στην τοποθέτησή τους σε εγκοπές μέσα στην επικάλυψη του σκυροδέματος του εφελκυόμενου πέλματος των δοκών (NSM FRP). Τέλος, η διερεύνηση περιέλαβε δοκίμια τόσο ορθογωνικής διατομής όσο και πλακοδοκούς. Η καμπτική ενίσχυση των δοκών σχεδιάστηκε με σκοπό να επιφέρει αύξηση της καμπτικής τους ικανότητας κατά 30% περίπου. Για το λόγο αυτό, απαιτήθηκε εμβαδόν οπλισμού EBR διπλάσιο από αυτό των ελασμάτων εγκοπής. Το εμβαδόν του εφελκυόμενου χαλύβδινου οπλισμού παρέμεινε σε όλες τις περιπτώσεις ίδιο. Μελετήθηκε επομένως στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, η επιρροή της δυστένειας του χαλύβδινου οπλισμού (ks=AsEs) σε σχέση με αυτή του οπλισμού ΙΩΠ (kf=AfEf). Η μελέτη της υπάρχουσας διεθνούς βιβλιογραφίας αναδεικνύει την επίδραση του ποσοστού του οπλισμού ΙΩΠ σε σχέση με το ποσοστό του οπλισμού χάλυβα στην απόκριση των δοκών ωπλισμένου σκυροδέματος σε κόπωση. Σε κάθε περίπτωση, κρίσιμο υλικό σε κόπωση παραμένει ο χάλυβας, εντούτοις η εκτίμηση των κύκλων φόρτισης κόπωσης ως την αστοχία μίας δοκού ωπλισμένου σκυροδέματος ενισχυμένης με ινωπλισμένα πολυμερή μπορεί να γίνει ακριβέστερη αν ληφθούν υπόψη στους υπολογισμούς η δυστένεια των οπλισμών χάλυβα και ΙΩΠ, η τάση που ασκείται στο χάλυβα και το όριο διαρροής του. Η συνεισφορά του χάλυβα στην καμπτική ικανότητα της δοκού μειώνεται λόγω της φόρτισης κόπωσης και της ανάπτυξης ρηγματώσεων, εξαιτίας της μείωσης της ενεργούς επιφάνειάς του λόγω εφελκυστικών τάσεων. Στις δοκούς με ενίσχυση ΙΩΠ, η συνεισφορά του ελάσματος είναι τέτοια ώστε ο χαλύβδινος οπλισμός να αστοχήσει σε μεγαλύτερο αριθμό κύκλων κόπωσης. Συνεπώς, όσο χαμηλότερος είναι ο λόγος δυστένειας χάλυβα και ΙΩΠ, ks/kf, τόσο μεγαλύτερη είναι η αντοχή της δοκού ωπλισμένου σκυροδέματος σε κόπωση. Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται και προτείνεται μία αναλυτική σχέση υπολογισμού των κύκλων επαναλαμβανόμενης φόρτισης η οποία περιλαμβάνει τη συνεισφορά του ινωπλισμένου πολυμερούς, τη δυστένεια του χάλυβα και του ΙΩΠ, της τάση στο χάλυβα και το όριο διαρροής και καταλήγει σε ακριβέστερες προβλέψεις συγκριτικά με τις υφιστάμενες σχέσεις της βιβλιογραφίας στις οποίες λαμβάνεται υπόψη μόνο το εύρος φόρτισης κόπωσης.Η παρούσα διατριβή αποτελείται από πέντε κεφάλαια και χωρίζεται σε τρία μέρη όσες και οι φάσεις της έρευνας που διεξήχθη. Κάθε φάση στοχεύει στην ολοκλήρωση μιας συνιστώσας για την κατανόηση της συμπεριφοράς και σχεδιασμού της ενίσχυσης υφιστάμενου στοιχείου δοκού ωπλισμένου σκυροδέματος υπό φορτία κόπωσης. Αρχικά, γίνεται παρουσίαση των Ινωπλισμένων Πολυμερών ως μεθόδου ενίσχυσης των στοιχείων σκυροδέματος και αναλύονται τα μηχανικά χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες τόσο των συστατικών μελών όσο και του συνθετικού υλικού. Στη συνέχεια καταγράφεται η υφιστάμενη γνώση γύρω από το πεδίο της ενίσχυσης δοκών ωπλισμένου σκυροδέματος με ινωπλισμένα πολυμερή και αναδεικνύονται οι σημαντικότερες περιοχές για περαιτέρω διερεύνηση (Κεφ. 2ο ). Έπειτα, γίνεται παρουσίαση των πειραματικών δοκιμών που έλαβαν χώρα στο Εργαστήριο Ωπλισμένου Σκυροδέματος του Δημοκριτείου Πανεπιστημίου Θράκης. Παρουσιάζεται βήμα προς βήμα, ο σχεδιασμός της ενίσχυσης δοκών ΩΣ μεγάλης κλίμακας με βάση τις διατάξεις της ACI 440.2R-08, η διαδικασία προετοιμασίας της επιφάνειας σκυροδέματος που δέχθηκε τα υλικά ενίσχυσης και η τοποθέτηση των υλικών σύμφωνα με τις ισχύουσες προδιαγραφές (ΠΕΤΕΠ – ACI). Επιπλέον αναλύεται το ιστορικό φόρτισης για την προσομοίωση της κόπωσης σε τυπικές δοκούς οδογεφυρών (Κεφ. 3ο). Παρουσιάζεται λεπτομερώς η πειραματική διαδικασία δοκιμής κόπωσης, η συμπεριφορά των δοκιμίων καθώς και των υλικών, υφισταμένων και ενίσχυσης, και διερευνώνται τα αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών. Τα αποτελέσματα ερμηνεύονται σε όρους φορτίου βυθίσεων, βυθίσεων και διάρκειας ζωής και παραμόρφωσης (Κεφ. 4ο). Τέλος, παρουσιάζεται η αναλυτική μεθοδολογία εκτίμησης της συμπεριφοράς των δοκιμίων. Προτείνεται μια καινοτόμος αναλυτική σχέση υπολογισμού του αριθμού κύκλων φόρτισης σε κόπωση ως την αστοχία μιας δοκού ωπλισμένου σκυροδέματος ενισχυμένης με ινωπλισμένα πολυμερή. Η σχέση λαμβάνει υπόψη την επιρροή του ορίου διαρροής του χάλυβα (fy) και της μέγιστης επιβαλλόμενης τάσης σε αυτόν (σmax), καθώς και του υλικού ενίσχυσης στη συμπεριφορά του ενισχυμένου στοιχείου μέσω του λόγου δυστένειας ks/kf του εφελκυόμενου χαλύβδινου οπλισμού (ks) προς αυτήν του εφελκυόμενου οπλισμού ΙΩΠ (kf) (Κεφ.5ο). Λέξεις κλειδιά: Κόπωση, Ινωπλισμένα Πολυμερή, Ελάσματα, NSM, Ενίσχυση, Λόγος δυστένειας χάλυβα – ΙΩΠ, Ανάλυση