Μελέτη των συνεπειών της διάβρωσης (παράκτιου περιβάλλοντος) στη σεισμική συμπεριφορά του χάλυβα και στο δεσμό συνάφειας χάλυβα - σκυροδέματος

• Κύριος συγγραφέας: Κουλούρης, Κωνσταντίνος
• Άλλοι συγγραφείς: Koulouris, Konstantinos
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2021
• Θέματα: Οπλισμένο σκυρόδεμα; Διάβρωση χάλυβα οπλισμού; Ανθεκτικότητα; Σεισμική συμπεριφορά; Ολιγοκυκλική κόπωση; Πρόβλεψη διάρκειας ζωής; Συνάφεια χάλυβα-σκυροδέματος; Συνδετήρες; Υποβάθμιση συνάφειας; Βάθος διείσδυσης διάβρωσης; Reinforced concrete (RC); Steel corrosion; Durability; Seismic behavior; Low cycle fatigue; Life prediction; Steel-concrete bond; Stirrups; fib model code; Bond degradation; Corrosion penetration depth

Είναι γνωστό, ότι οι παράκτιες κατασκευές από Οπλισμένο Σκυρόδεμα (Ο/Σ) αντιμετωπίζουν σοβαρά προβλήματα ανθεκτικότητας (durability), λόγω της επιθετικής δράσης των χλωριόντων επί του χάλυβα οπλισμού τους. Ειδικότερα σε σεισμογόνες περιοχές, φαινόμενα υποβάθμισης των κατασκευών αυτών παρατηρούνται εντονότερα εξαιτίας της συνδυασμένης δράσης σεισμικών καταπονήσεων (κοπωτικών φορτίων) και του επιθετικού θαλάσσιου περιβάλλοντος. Ωστόσο, αν και η διάβρωση του χάλυβα αναγνωρίζεται ως κύρια αιτία υποβάθμισης, έως σήμερα δεν έχει πραγματοποιηθεί η αναγκαία τεκμηρίωση και ποσοτικοποίηση του διαβρωτικού παράγοντα στην αποτίμηση της δομικής επάρκειας στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος των παλαιότερων κατασκευών. Δεδομένων των ανωτέρω, βάση της παρούσας διατριβής αποτέλεσε το σημερινό έλλειμμα τεκμηρίωσης της βλάβης διάβρωσης του χάλυβα οπλισμού, η οποία οδηγεί σε πρόωρη γήρανση των κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος. Στο πλαίσιο αυτό, πραγματοποιήθηκε μελέτη των συνεπειών της διάβρωσης του χάλυβα οπλισμού εστιάζοντας σε δύο κύριους άξονες: τη μηχανική συμπεριφορά του διαβρωμένου χάλυβα σε συνθήκες σεισμού (ολιγοκυκλική κόπωση), και ακολούθως, την υποβάθμιση της συνάφειας χάλυβα - σκυροδέματος υπό μονοτονική στατική φόρτιση. Όπως είναι γνωστό, η συμπεριφορά του χάλυβα οπλισμού υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση έχει καθοριστική σημασία στη σεισμική απόκριση στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος. Λόγω των έντονων σεισμικών δράσεων και του ιστορικού φόρτισης των στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος, καταναλώνονται σημαντικά ενεργειακά αποθέματα του χάλυβα, τα οποία είναι ανάλογα των συνθηκών ολιγοκυκλικής κόπωσης του υλικού. Συνεπώς, εξαιτίας της κόπωσης αλλά και του επιπέδου διάβρωσης του χάλυβα, το υστερητικό μοντέλο τάσεων - παραμορφώσεων του υλικού υποβαθμίζεται εντός της διάρκειας ζωής του, καθορίζοντας την συνολική απόκριση των στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος. Έως σήμερα, δεν έχει μελετηθεί επαρκώς η υποβάθμιση της μηχανικής συμπεριφοράς του χάλυβα υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση συνυπολογίζοντας το διαβρωτικό παράγοντα. Υπό το πρίσμα αυτό και με βάση πειραματικά δεδομένα δοκιμών ολιγοκυκλικής κόπωσης σε προ-διαβρωμένες ράβδους χάλυβα οπλισμού, στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκε μοντελοποίηση της διάρκειας ζωής του χάλυβα σε ανακύκλιση συναρτήσει του βαθμού διάβρωσης. Τα εξαγόμενα αναλυτικά μοντέλα πρόβλεψης έρχονται σε ικανοποιητική συμφωνία με πειραματικά αποτελέσματα δοκιμών ολιγοκυκλικής κόπωσης και μπορούν να αποτελέσουν αξιόπιστο εργαλείο ως έναρξη μίας γενικότερης συζήτησης στη σεισμική ανάλυση στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος, λαμβάνοντας υπόψη το βαθμό διάβρωσης του χάλυβα. Ακολούθως, πραγματοποιήθηκε εκτεταμένη πειραματική μελέτη της μεταβολής της αντοχής συνάφειας (μεταξύ χάλυβα και σκυροδέματος) υπό μονοτονική ψευδο-στατική φόρτιση σε διαβρωμένα δοκίμια οπλισμένου σκυροδέματος. Οι κύριες παράμετροι που εξετάστηκαν ήταν: • ο βαθμός διάβρωσης σε όρους απώλειας μάζας του κύριου χάλυβα οπλισμού σε ποσοστά 1%, 2%, 4%, 6% και 8%, • η ύπαρξη ή μη συνδετήρων, διακρίνοντας στην περίπτωση παρουσίας συνδετήρων περιπτώσεις: (α) Συνδετήρες Φ8/240 mm, (β) Συνδετήρες Φ8/120 mm και (γ) Συνδετήρες Φ8/60 mm, • το πλάτος της επιφανειακής ρωγμής στο σκυρόδεμα και • το πάχος επικάλυψης, σε περιπτώσεις 25 mm και 40 mm. Για την εργαστηριακή μελέτη του διαβρωτικού φαινομένου υιοθετήθηκε η επιταχυνόμενη μέθοδος της ηλεκτροδιάβρωσης, μέσω επιβολής σταθερής πυκνότητας ρεύματος στο χάλυβα οπλισμού των δοκιμίων, ενώ για μελέτη της συνάφειας εκτελέστηκαν δοκιμές εξόλκευσης (pull out tests) σε δοκίμια αναφοράς και σε διαβρωμένα δοκίμια μετά την επιβληθείσα επιταχυνόμενη διάβρωσή τους. Με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα, πραγματοποιήθηκε συσχέτιση μεταξύ του πλάτους της επιφανειακής ρωγμής του σκυροδέματος λόγω διάβρωσης με την ποσοστιαία απώλεια μάζας του χάλυβα και την απώλειας αντοχής συνάφειας. Με στόχο την απόκτηση κατάλληλων εργαλείων (μη καταστροφική μέθοδο) ελέγχου του επιπέδου διάβρωσης του χάλυβα και της δομικής επάρκειας των στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος, πραγματοποιήθηκε στατιστική ανάλυση των πειραματικών δεδομένων από όπου προέκυψαν καμπύλες πρόβλεψης της απώλειας αντοχής συνάφειας σε σχέση με το πλάτος επιφανειακής ρωγμής. Από τα εξαγόμενα προέκυψε ότι το εύρος της επιφανειακής ρηγμάτωσης συνδέεται στενά με το βαθμό διάβρωσης του χάλυβα, το πάχος επικάλυψης και την πυκνότητα των συνδετήρων. Από την παρούσα μελέτη προέκυψε ότι η αύξηση του βαθμού διάβρωσης στο χάλυβα προκαλεί εκθετική μείωση της αντοχής συνάφειας, ο ρυθμός της οποίας εξαρτάται σημαντικά από την πυκνότητα των συνδετήρων. Ακόμη, με βάση τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας και άλλων σχετικών από τη διεθνή βιβλιογραφία, προέκυψε ότι το μέγεθος του πλάτους της επιφανειακής ρωγμής στο σκυρόδεμα αδυνατεί να αποτελέσει ένα αξιόπιστο δείκτη αποτίμησης της απομένουσας αντοχής συνάφειας στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος, καθώς εξακολουθεί να εξαρτάται από ένα μεγάλο αριθμό αδιερεύνητων έως σήμερα παραγόντων. Επεκτείνοντας τη μελέτη της απομένουσας αντοχής συνάφειας λόγω διάβρωσης, τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας, μαζί και με άλλα συναφή από την πρόσφατη διεθνή βιβλιογραφία, συγκρίθηκαν με τις προτάσεις του Model Code 2010. Από τη σύγκριση εγέρθηκαν ερωτήματα της ισχύος του Model Code, ο οποίος αναφέρεται στην παρουσία ή την απουσία συνδετήρων ως ένα on-off κριτήριο, παραβλέποντας την επιρροή της διαφορετικής πυκνότητας των συνδετήρων στο μηχανισμό υποβάθμισης της αντοχής συνάφειας. Για την περαιτέρω ενίσχυση των προτεινόμενων της παρούσας Διατριβής ορίστηκε μία κατηγοριοποίηση αναλόγως της πυκνότητας των συνδετήρων και με βάση αυτήν εξετάστηκαν ζώνες πρόβλεψης της απώλειας αντοχής συνάφειας συναρτήσει είτε του βάθους διείσδυσης της διάβρωσης (corrosion penetration) είτε του πλάτους των επιφανειακών ρωγμών.