Μηχανισμοί αστοχίας και πειραματική διερεύνηση στοιχείων ωπλισμένου σκυροδέματος με προβλήματα διάτμησης
Authors: Κοσμίδου Παρθένα - Μαρία 
Published: September 2021

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής διερευνάται πειραματικά και αναλυτικά η εφαρμογή προηγμένων υλικών ως κύριος οπλισμός ή οπλισμός ενίσχυσης σε δομικά στοιχεία από ωπλισμένο σκυρόδεμα (ΩΣ) με προβλήματα διάτμησης υπό αυξανόμενη στατική (μονότονη) ή εναλλασσόμενη (ψευδο-σεισμική) καταπόνηση. Βασικό άξονα αποτέλεσε η ερμηνεία και κατανόηση παραμέτρων που επηρεάζουν και καθορίζουν το μηχανισμό αστοχίας των εν λόγω στοιχείων. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε ένα εκτενές πειραματικό πρόγραμμα το οποίο χωρίστηκε σε τρία μέρη. Το πρώτο μέρος αφορά την πειραματική και αναλυτική διερεύνηση της εφαρμογής ράβδων από ινωπλισμένα πολυμερή (ΙΩΠ) με ίνες Άνθρακα ως διαμήκης οπλισμός σε δομικά στοιχεία από ΩΣ. Η επιλογή του συγκεκριμένου τύπου ράβδων έναντι άλλων χαμηλότερου σχετικά κόστους (ράβδοι ΙΩΠ με ίνες Υάλου ή ίνες Αραμιδίου) έγινε αφ’ ενός λόγω της έλλειψης ολοκληρωμένης γνώσης όσον αφορά την απόκριση στοιχείων με σύνθετες ράβδους με ίνες Άνθρακα και αφ’ ετέρου λόγω των αυξημένων μηχανικών ιδιοτήτων τους, όπως: υψηλή εφελκυστική αντοχή, υψηλότερο συγκριτικά μέτρο ελαστικότητας και υψηλή ανθεκτικότητα σε έντονα διαβρωτικά περιβάλλοντα. Σε πρώτο στάδιο κατασκευάστηκαν εφτά (7) δοκοί ΩΣ πραγματικών διαστάσεων με λόγο διατμητικού ανοίγματος προς στατικό ύψος διατομής α/d > 2.5, εκ των οποίων: δύο (2) με ράβδους από συμβατικό χάλυβα (δοκοί ελέγχου) και πέντε (5) με ράβδους από ΙΩΠ με ίνες Άνθρακα ως εφελκυόμενος οπλισμός. Επιλέχθηκαν δύο τύποι ράβδων ΙΩΠ με διαφορετική ονομαστική διάμετρο (df = 5.5 mm και df = 10 mm). Οι δοκοί δοκιμάσθηκαν σε μονότονη φόρτιση 4-σημείων με αυξανόμενη επιβαλλόμενη μετατόπιση. Επιλέχθηκε ευθύγραμμη αγκύρωση για τις ράβδους ΙΩΠ σε όλα τα δοκίμια και σε τρεις (3) από τις πέντε (5) δοκούς τοποθετήθηκε συνεχής σπειροειδής χαλύβδινος οπλισμός κυκλικού σχήματος κατά μήκος της αγκύρωσης τους προκειμένου να βελτιωθούν οι συνθήκες συνάφειας των ράβδων και του περιβάλλοντος σκυροδέματος στην εν λόγω περιοχή. Ο σχεδιασμός των πειραματικών δοκιμίων έγινε σύμφωνα με τις διατάξεις που υπαγορεύει ο ACI 440.1R-15 (2015) για δοκούς ΩΣ με ράβδους από ΙΩΠ. Από την πειραματική διερεύνηση προέκυψαν χρήσιμα συμπεράσματα όσον αφορά τις παραμέτρους που καθορίζουν την απόκριση και τους μηχανισμούς αστοχίας των εν λόγω στοιχείων. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε μία αναλυτική μεθοδολογία για την ολοκληρωμένη μελέτη της καμπτικής/διατμητικής συμπεριφοράς δοκών ΩΣ με ράβδους από ΙΩΠ με ή χωρίς εγκάρσιο χαλύβδινο οπλισμό διάτμησης με στόχο τον υπολογισμό της τελικής αντοχής τους και κατ’ επέκταση τον καθορισμό του αναμενόμενου μοντέλου αστοχίας τους. Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκαν δύο (2) διαφορετικά μοντέλα για τον υπολογισμό της καμπτικής και διατμητικής αντοχής των υπό μελέτη στοιχείων που υποβάλλονται σε μονοαξονική προέχουσα κάμψη. Τα δύο προτεινόμενα μοντέλα συνδυάζονται με τον κατάλληλο τρόπο (χρήση διαγράμματος ροής) προκειμένου να προσδιοριστεί η τελική αντοχή των εξεταζόμενων στοιχείων. Με ορθή χρήση των συντελεστών ασφαλείας η προτεινόμενη μεθοδολογία μπορεί να αποτελέσει ένα χρήσιμο εργαλείο για τον σχεδιασμό έναντι κάμψης και διάτμησης των εν λόγω στοιχείων. Για την επαλήθευση της προτεινόμενης μεθοδολογίας επιλέχθηκαν από τη Διεθνή βιβλιογραφία υπό-ωπλισμένες και υπέρ-ωπλισμένες δοκοί με σύνθετες ράβδους με ίνες Άνθρακα, Αραμιδίου, Βαζαλτίου/Βασαλτίου και Υάλου. Επιπρόσθετα, συγκρίνεται η πειραματική αντοχή τους με την αναλυτικά προβλεπόμενη με βάση γνωστούς Διεθνείς Κανονισμούς (JSCE-97 1997, CSA S806-12 2012, ACI 440.1R-15 2015). Από τις συγκρίσεις που πραγματοποιήθηκαν διαπιστώθηκε ότι η προτεινόμενη μεθοδολογία παρέχει μεγαλύτερη ακρίβεια όσον αφορά την αντοχή των υπό μελέτη δοκιμίων σε σύγκριση με τους υπό εξέταση κανονισμούς. Σε δεύτερο στάδιο κατασκευάστηκαν τέσσερις (4) ακραίοι κόμβοι δοκού-υποστυλώματος ΩΣ πραγματικών διαστάσεων. Για το υποστύλωμα χρησιμοποιήθηκαν διαμήκεις και εγκάρσιοι οπλισμοί από συμβατικό χάλυβα, ενώ για τις δοκούς επιλέχθηκαν δύο τύποι ράβδων από ΙΩΠ με ίνες Άνθρακα διαφορετικής ονομαστικής διαμέτρου (df = 5.5 mm και df = 10 mm) για τους διαμήκεις οπλισμούς. Επιλέχθηκε ευθύγραμμη αγκύρωση για τις ράβδους ΙΩΠ σε όλα τα δοκίμια, η οποία σχεδιάστηκε σύμφωνα με τις διατάξεις του ACI 440.1R-15 (2015). Επιπρόσθετα, σε δύο (2) από τα τέσσερα (4) δοκίμια τοποθετήθηκε συνεχής σπειροειδής χαλύβδινος οπλισμός κυκλικού σχήματος κατά μήκος της αγκύρωσης των διαμήκων ράβδων ΙΩΠ ως πρόσθετο σύστημα αγκύρωσης. Οι κόμβοι δοκιμάστηκαν σε εναλλασσόμενη φόρτιση με αυξανόμενη επιβαλλόμενη μετατόπιση προκειμένου να διερευνηθεί: α) η υστερητική απόκριση τους, β) οι συνθήκες συνάφειας των ράβδων ΙΩΠ στην περιοχή του κόμβου καθώς και γ) η αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου συστήματος αγκύρωσης. Από τα πειραματικά αποτελέσματα διαπιστώθηκε η αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου συστήματος αγκύρωσης, καθώς τα δοκίμια αυτά παρουσίασαν βελτιωμένη υστερητική απόκριση με αυξημένη ή και σταθερή ικανότητα παραλαβής φορτίου ακόμα και μετά την καταγραφή σημαντικής ολίσθησης για τις ράβδους ΙΩΠ. Ειδικώτερα, διαπιστώθηκε ότι το σύστημα αγκύρωσης ενεργοποιήθηκε μετά την ολίσθηση των σύνθετων ράβδων είτε αυξάνοντας την ικανότητα του δοκιμίου ανάληψης φορτίου είτε διατηρώντας τη σταθερή μέχρι την αστοχία τους. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε η αναλυτική διερεύνηση των υπό μελέτη κόμβων δοκού-υποστυλώματος ΩΣ προκειμένου να προσδιοριστεί η διατμητική αντοχή τους και η προβλεπόμενη μορφή αστοχίας τους. Για το σκοπό αυτό επιλέχθηκαν και τροποποιήθηκαν κατάλληλα δύο Διεθνώς αναγνωρισμένα μοντέλα της βιβλιογραφίας (Karayannis 2015, Tsonos 2019). Μελετήθηκε αναλυτικά η επιρροή του σπειροειδούς χαλύβδινου οπλισμού ως πρόσθετο σύστημα αγκύρωσης των διαμήκων ράβδων ΙΩΠ της δοκού τροποποιώντας κατάλληλα τη σχέση που έχει υιοθετήσει ο ACI 440.1R-15 (2015) για τον υπολογισμό της μέσης τάσης συνάφειας των διαμήκων ράβδων ΙΩΠ της δοκού, u’m, και υπολογίστηκε εκ νέου η οριζόντια τέμνουσα που εισάγεται στον κόμβο για κάθε μία περίπτωση ξεχωριστά. Από τη σύγκριση των αποτελεσμάτων διαπιστώθηκε ο ACI 440.1R-15 (2015) παρέχει μία αρκετά συντηρητική σχέση για τον υπολογισμό της μέσης αναπτυσσόμενης τάσης συνάφειας, u’m, κατά μήκος της αγκύρωσης των ράβδων ΙΩΠ. Επιπρόσθετα, συστάθηκε αναλυτικό μοντέλο για ακραίους κόμβους δοκού-υποστυλώματος από ΩΣ χωρίς οριζόντιο οπλισμό διάτμησης προκειμένου να μελετηθεί η επιρροή βασικών παραμέτρων στη μέση αναπτυσσόμενη τάση συνάφειας των διαμήκων ράβδων ΙΩΠ, που αγκυρώνουν εντός του πυρήνα του κόμβου, όπως: α) το αξονικό φορτίο του υποστυλώματος υπό τη μορφή της ανηγμένης τιμής, νc, β) η αντοχή του σκυροδέματος, fc, γ) η ονομαστική διάμετρος, df, και δ) ο αριθμός των ράβδων ΙΩΠ (σε μονή στρώση), nf. Το δεύτερο μέρος αφορά την πειραματική διερεύνηση της επιρροής χαλύβδινων ινών στην υστερητική απόκριση δοκών ΩΣ με λόγο α/d > 2.5. Για το σκοπό αυτό κατασκευάστηκαν τρεις (3) δοκοί ΩΣ με ράβδους από συμβατικό χάλυβα, πραγματικών διαστάσεων και μικρό γεωμετρικό ποσοστό εγκάρσιου χαλύβδινου οπλισμού διάτμησης, εκ των οποίων: μία (1) δοκός κατασκευάστηκε από απλό σκυρόδεμα (δοκός ελέγχου) και δύο (2) από ινωπλισμένο σκυρόδεμα στο οποίο προστέθηκαν βιομηχανικά παραγόμενες χαλύβδινες ίνες με ογκομετρικό ποσοστό 1.0 % κατ’ όγκο (κ.ό.) και 3.0 % κατ’ όγκο (κ.ό.). Οι δοκοί δοκιμάσθηκαν σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση με αυξανόμενη επιβαλλόμενη μετατόπιση στο μέσο του ανοίγματος. Από τα πειραματικά αποτελέσματα διαπιστώθηκε ότι είναι εφικτή η μερική αντικατάσταση του εγκάρσιου οπλισμού διάτμησης από χαλύβδινες ίνες σε δοκούς ΩΣ που υποβάλλονται σε εναλλασσόμενη φόρτιση. Ειδικώτερα, διαπιστώθηκε ότι με τη σωστή επιλογή του πάχους της επικάλυψης και σε συνδυασμό με ένα επαρκές ογκομετρικό ποσοστό χαλύβδινων ινών στη μάζα του σκυροδέματος μπορεί να εξασφαλιστεί το επιθυμητό μοντέλο αστοχίας, δηλαδή καμπτική αστοχία με σημαντική πλαστιμότητα, και να αποφευχθεί ο καταστροφικός χαρακτήρας της διατμητικής αστοχίας που παρατηρείται σε στοιχεία που υποβάλλονται σε εναλλασσόμενη καταπόνηση. Το τρίτο μέρος αφορά τη διερεύνηση της αποτελεσματικότητας μίας νέας τεχνικής ενίσχυσης έναντι τέμνουσας με την εφαρμογή σύνθετων κορδονιών με ίνες Άνθρακα σε κρίσιμες διατμητικές δοκούς ΩΣ με ελάχιστο ή χωρίς συμβατικό διατμητικό οπλισμό (συνδετήρες). Για το σκοπό αυτό κατασκευάστηκαν πέντε (5) κοντές δοκοί ΩΣ με ορθογωνική διατομή και διατομή σχήματος Τ, εκ των οποίων: δύο (2) δοκοί (δοκοί ελέγχου) δεν έχουν εγκάρσιο οπλισμό διάτμησης (συνδετήρες), μία (1) δοκός (δοκός ελέγχου) έχει χαμηλό γεωμετρικό ποσοστό συνδετήρων και δύο (2) δοκοί ενισχύθηκαν έναντι τέμνουσας με σύνθετο οπλισμό από κορδόνια με ίνες Άνθρακα ως μοναδικός οπλισμός διάτμησης. Ειδικώτερα, προτείνονται δύο (2) διαφορετικοί τρόποι ενίσχυσης για δοκούς με ορθογωνική διατομή και διατομή σχήματος Τ (πλακοδοκοί): α) στη δοκό με ορθογωνική διατομή τα σύνθετα κορδόνια τοποθετήθηκαν εσωτερικά εντός διανοιγμένων οπών στο μέσο του πλάτους του κορμού της διατομής κάθετα και υπό ευνοϊκή γωνία έναντι τέμνουσας ως μονότμητος οπλισμός (χρήση τεχνικής Embedded Through-Section, “ETS”) και β) στη δοκό με διατομή σχήματος Τ τα κορδόνια τοποθετήθηκαν και επικολλώνται μέσω εποξειδικής ρητίνης σε διανοιγμένες εγκοπές κοντά στην περίμετρο του κορμού της διατομής υπό μορφή U, ως δίτμητος οπλισμός (χρήση τεχνική Near-Surface Mounted, “NSM”). Ιδιαίτερη μέριμνα δόθηκε στην εξασφάλιση αποτελεσματικής αγκύρωσης του σύνθετου κορδονιού ενίσχυσης. Οι δοκοί δοκιμάσθηκαν σε μονότονη φόρτιση 4-σημείων με αυξανόμενη επιβαλλόμενη μετατόπιση. Από τα πειραματικά αποτελέσματα διαπιστώθηκε η αποτελεσματικότητα και των δύο προτεινόμενων τεχνικών ενίσχυσης σε δοκούς ΩΣ με ορθογωνική διατομή και διατομή σχήματος Τ, καθώς τα κορδόνια ως μοναδικός οπλισμός έναντι διάτμησης κατάφεραν να αυξήσουν την αντοχή των δοκιμίων και ειδικώτερα την ικανότητα παραμόρφωσης τους, αλλά και να εμποδίσουν την καταστροφική ψαθυρή διατμητική αστοχία, που παρατηρήθηκε στα δοκίμια ελέγχου. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκαν δύο (2) αναλυτικές σχέσεις για τον υπολογισμό της διατμητικής αντοχής κοντών δοκών ΩΣ για κάθε μία από τις προτεινόμενες τεχνικές ενίσχυσης υιοθετώντας κατάλληλα παραδοχές και αναλυτικά μοντέλα της υπάρχουσας Διεθνούς βιβλιογραφίας. Μελετήθηκε συνολικά η συμπεριφορά των υπό μελέτη δοκών προκειμένου να προβλεφθεί η αναμενόμενη μορφή αστοχίας τους και να εξακριβωθεί η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης τεχνικής ενίσχυσης. Ως κρίσιμος μηχανισμός αστοχίας ελήφθη η αστοχία της συνάφειας των κορδονιών κατά τη διάνοιξη της κρίσιμης διατμητικής ρωγμής.