Residual performance of fire-exposed textile reinforced concrete
Authors: Καψάλης Παναγιώτης 
Published: October 2021

Τα Ινοπλέγματα σε Ανόργανη Μήτρα (ΙΑΜ) είναι ένα πολλά υποσχόμενο σύνθετο υλικό με τεράστιες δυνατότητες σε δομικές εφαρμογές επειδή προσφέρει τη δυνατότητα κατασκευής ελαφρών αλλά ισχυρών και βιώσιμων στοιχείων. Ωστόσο, παρά τη σχετικά καλή αντοχή στη θερμότητα των ανόργανων μητρών και την καλά τεκμηριωμένη γνώση σχετικά με την απόδοση των συνηθισμένων ινωδών οπλισμών σε υψηλές θερμοκρασίες, η εφαρμογή τους σε στοιχεία ΙΑΜ με πολύ μικρό πάχος καθιστά την αποτελεσματικότητά τους αμφισβητήσιμη. Η επικάλυψη από σκυρόδεμα που προστατεύει τον οπλισμό από ίνες είναι μια τάξη μεγέθους μικρότερο από ό, τι στην περίπτωση στοιχείων από σκυρόδεμα οπλισμένο με χάλυβα. Επιπλέον, οι πειραματικές έρευνες που έχουν διεξαχθεί έως τώρα είναι περιορισμένες. Ως εκ τούτου, αρκετά κενά γνώσης μπορούν να εντοπιστούν στην τρέχουσα κατάσταση της τελευταίας τεχνολογίας. Τέλος, μεταξύ των δημοσιευμένων σχετικών μελετών υπάρχουν μεγάλες ασυνέπειες στις μεθόδους και τις συνθήκες δοκιμής. Έτσι, είναι δύσκολο να εξαχθούν αξιόπιστα συμπεράσματα σχετικά με τη θερμομηχανική συμπεριφορά του υλικού.Η παρούσα μελέτη διερευνά την απομένουσα απόδοση των ΙΑΜ μετά την έκθεση σε φωτιά μέσω μιας εκτεταμένης πειραματικής διερεύνησης που έδωσε δεδομένα για τη φέρουσα αντίσταση (εφελκυστική και καμπτική) έξι συνθέσεων ΙΑΜ, σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών (20 °C έως 700 °C). Οι έξι συνθέσεις διέφεραν από το ενισχυτικό υλικό (ίνες άνθρακα ή συνδυασμός ινών υάλου και άνθρακα), το τελείωμα του οπλισμού (μη επικαλυμμένο, επικαλυμμένο με πολυμερές ή εμποτισμένο) και την ποσότητα του οπλισμού. Οι καινοτομίες αυτής της εκστρατείας έγκειται στην (i) ποσοτικοποίηση της επίδρασης του τελειώματος του πλέγματος και της προστατευτικής επικάλυψης από σκυρόδεμα, (ii) στη διερεύνηση της απόδοσης του υβριδικού οπλισμού και (iii) στην έκθεση των δειγμάτων σε πρότυπες δοκιμές πυρός (με διάρκεια που κυμαίνεται μεταξύ 7 και 37 λεπτών). Τα αποτελέσματα των δοκιμών προσομοιώθηκαν με αναλυτικές και αριθμητικές προσεγγίσεις. Υπάρχουσες αναλυτικές προσεγγίσεις χρησιμοποιήθηκαν ως εργαλείο για να περιγράψουν τη συμπεριφορά του εκτεθειμένου στη φωτιά υλικού σε εφελκυσμό, ενώ αριθμητικές προσομοιώσεις αναπτύχθηκαν για να προσομοιώσουν τη συμπεριφορά του σε κάμψη. Η καινοτομία του αριθμητικού προσομοιώματος έγκειται στην εφαρμογή ενός μηχανικού στρωματομένου μοντέλου σε συνδυασμό με ένα μοντέλο μεταφοράς θερμότητας που καθορίζει τη θερμοκρασία έκθεσης σε κάθε θέση ενός δείγματος εκτεθειμένου στη φωτιά.Η διατριβή καταλήγει στο συμπέρασμα ότι η πιο καθοριστική παράμετρος για την υπολειπόμενη αντίσταση των ΙΑΜ μετά την έκθεση σε φωτιά είναι η επιφανειακή επεξεργασία του οπλισμού. Τα μη επικαλυμμένα υφάσματα από ανθρακονήματα είναι η καλύτερη λύση (λόγω της ανωτερότητας των ινών άνθρακα σε αυξημένη θερμοκρασία σε σύγκριση με άλλα υλικά). Οι πολυμερικές επικαλύψεις οδηγούν σε ταχύτερη μείωση των μηχανικών ιδιοτήτων καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία (λόγω της φθοράς της διεπαφής πλέγματος προς μήτρα καθώς η καίγεται η επικάλυψη του πλέγματος), ενώ ο εμποτισμός με εποξειδικές ρητίνες οδηγεί σε αυξημένο κίνδυνο θερμικής έκρηξης λόγω της ταχείας εξάτμισης της ρητίνης. Με βάση τις υπάρχουσες γνώσεις, οι συνθέσεις με υβριδική ενίσχυση (ίνες άνθρακα και υάλου) μπορούν επίσης να παρουσιάσουν ευνοϊκή συμπεριφορά με σωστό σχεδιασμό. Αυτή η έρευνα δείχνει επίσης ότι το προφίλ θερμοκρασίας ενός εκτεθειμένου στη φωτιά στοιχείου TRC μπορεί να προσδιοριστεί με ένα μοντέλο μεταφοράς θερμότητας και, κατά συνέπεια, η καμπτική συμπεριφορά του στοιχείου μπορεί να προσομοιωθεί με μια τεχνική ανά στρώση (εκχωρώντας την προβλεπόμενη θερμοκρασία σε κάθε στρώμα ). Αυτή η τεχνική προσομοίωσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προσομοιώσει σωστά την καμπτική ικανότητα ενός εκτεθειμένου σε υψηλή θερμοκρασία στοιχείου ΙΑΜ. Με βάση τις δοκιμές κάμψης και την αριθμητική τους προσομοίωση, συμπεραίνεται ότι το κονίαμα παίζει επίσης βασικό ρόλο στην απομένουσα καμπτική ικανότητα των εκτεθειμένων στη φωτιά στοιχείων ΙΑΜ. Ως εκ τούτου, η συμβολή του θα πρέπει να προσομοιωθεί με τη μέγιστη δυνατή ακρίβεια. Τέλος, η παρούσα έρευνα έδειξε ότι όσον αφγορά τα υπάρχοντα αναλυτικά προσομοιώματα, η θεωρία Aveston-Cooper-Kelly μπορεί να εφαρμοστεί σε στοιχεία ΙΑΜ εκτεθειμένα σε υψηλές θερμοκρασίες, αρκεί να υιοθετηθεί ένας αντιπροσωπευτικός νόμος υποβάθμισης των μηχανικών ιδιοτήτων των επιμέρους υλικών (ίνες, μητρικό υλικό). Ένας τέτοιος νόμος μπορεί να επιτευχθεί με την προσαρμογή αναλυτικών εκφράσεων σε πειραματικά αποτελέσματα σε εκτεθειμένα στη φωτιά στοιχεία ΙΑΜ που δοκιμάστηκαν σε εφελκυσμό.