Ενίσχυση στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος μέσω περίσφηγξης με σύνθετα υλικά ανόργανης μήτρας

• Κύριος συγγραφέας: Λόντου, Παναγιώτα
• Άλλοι συγγραφείς: Τριανταφύλλου, Αθανάσιος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2007
• Θέματα: 624.183 41

Αντικείμενο της παρούσας Διατριβής Διπλώματος Ειδίκευσης αποτελεί η πειραματική διερεύνηση της ενίσχυσης στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος μέσω περίσφιγξης με μανδύες συνθέτων υλικών ανόργανης μήτρας. Για το σκοπό αυτό, διεξήχθη πειραματικό πρόγραμμα το οποίο διενεργήθηκε στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Παρόλο που στο παρελθόν έχουν διεξαχθεί έρευνες σχετικές με την περίσφιγξη των συνθέτων υλικών οργανικής μήτρας σε υποστυλώματα, ωστόσο έρευνες σχετικές με την περίσφιγξη των συνθέτων υλικών ανόργανης μήτρας δεν έχουν γίνει μέχρι σήμερα, γεγονός που καθιστά ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα την συστηματική διερεύνηση αυτής της επίδρασης. Το πρόγραμμα απαρτίστηκε από τρεις ομάδες πέντε πρισματικών υποστυλωμάτων τετραγωνικής διατομής και διαστάσεων 200mm x 200mm. Η κατηγοριοποίηση κατά ομάδες έγινε με βάση τη γεωμετρία του εσωτερικού εγκάρσιου οπλισμού. Έτσι, την πρώτη ομάδα αποτέλεσαν άοπλα δοκίμια, τη δεύτερη δοκίμια με αραιή διάταξη συνδετήρων και την τρίτη δοκίμια με πυκνή διάταξη συνδετήρων. Από τα δοκίμια της κάθε ομάδας ένα εξ’ αυτών δεν υπέστη επέμβαση ενίσχυσης προκειμένου να χρησιμοποιηθεί ως μάρτυρας για τη σύγκρισή του με τα άλλα δοκίμια. Δύο από τα πέντε δοκίμια της κάθε ομάδας ενισχύθηκαν με 4 και 6 στρώσεις πλεγμάτων με χρήση ανόργανης μήτρας ενώ τα υπόλοιπα δύο δοκίμια ήταν εκείνα που ενισχύθηκαν 2 και 3 στρώσεις υφασμάτων ινών άνθρακα με χρήση εποξειδικής ρητίνης, για να συγκριθούν με τα προαναφερόμενα «ισοδύναμά» τους με ρητίνη. Στη συνέχεια τα 15 πρισματικά υποστυλώματα υποβλήθηκαν σε δοκιμές κεντρικής θλίψης μέχρι αστοχίας. Από την επεξεργασία των πειραματικών αποτελεσμάτων προέκυψαν συγκριτικά διαγράμματα που αφορούσαν την αντοχή, την παραμορφωσιμότητα και τους δείκτες αποτελεσματικότητας των δοκιμίων που ενισχύθηκαν τόσο με ανόργανη όσο και με οργανική μήτρα. Τα διαγράμματα αυτά επέτρεψαν την εξαγωγή κάποιων χρήσιμων συμπερασμάτων, ικανών για την εκτίμηση της μηχανικής συμπεριφοράς των περισφιγμένων υποστυλωμάτων. Η δομή της παρούσας Διατριβής περιλαμβάνει 8 κεφάλαια και έχει ως εξής: Στο Κεφάλαιο 1 αναπτύσσεται το γνωστικό υπόβαθρο για τα σύνθετα υλικά. Στην αρχή του κεφαλαίου, γίνεται αναφορά στην αλματώδη αύξηση των ενισχύσεων με σύνθετα υλικά, λόγω των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν σε συντριπτική πλειοψηφία και της ανάγκης για αναβάθμιση των υφισταμένων δομημάτων προκειμένου να ικανοποιούν τις σύγχρονες απαιτήσεις των κανονισμών. Στη συνέχεια περιγράφονται τα συστατικά στοιχεία των ινοπλισμένων πολυμερών, δηλαδή των ινών και των συγκολλητικών ουσιών από τα οποία αποτελούνται. Έπειτα γίνεται αναφορά στα βασικά συστήματα ενίσχυσης και τις ιδιότητες των συνθέτων υλικών. Ακολουθεί η μικρομηχανική των συνθέτων υλικών και οι επιπτώσεις των περιβαλλοντικών συνθηκών στην ανθεκτικότητά τους. Στο τέλος γίνεται μια περιληπτική αναφορά των τεχνικών ενίσχυσης δομικών στοιχείων με σύνθετα υλικά. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται μια σύντομη αναφορά στις βάσεις σχεδιασμού ενισχύσεων με σύνθετα υλικά. Δίνονται οι καταστατικοί νόμοι των υλικών για την οριακή κατάσταση αντοχής και λειτουργικότητας, τόσο για πλήρη συνεργασία όσο και για αποκόλληση του συνθέτου υλικού από την κατασκευή. Επίσης σχολιάζεται και το θέμα της συνάφειας των συνθετών υλικών με το υπόστρωμα. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται αρχικά αναφορά στην έννοια της περίσφιγξης, προκειμένου να εισάγει ομαλά τον αναγνώστη στις πιο συνήθεις πρακτικές επιβολής εξωτερικής περίσφιγξης (που συναντώνται σε υποστυλώματα) και έπειτα στις πιο βασικές τεχνικές ενίσχυσης υποστυλωμάτων με σύνθετα υλικά. Στη συνέχεια το κεφάλαιο πραγματεύεται τη μηχανική συμπεριφορά και τον καταστατικό νόμο του περισφιγμένου σκυροδέματος με σύνθετα υλικά, για να περάσει στην ανασκόπηση των κυριότερων προσομοιωμάτων περίσφιγξης με σύνθετα υλικά τα οποία όμως βασίζονται σε πειράματα που διεξήχθησαν σε κυκλικής διατομής άοπλα υποστυλώματα. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με μία αναλυτική αναφορά στους παράγοντες εκείνους που βελτιστοποιούν την αποτελεσματικότητα της περίσφιγξης με σύνθετα υλικά όπως π.χ. η γεωμετρία της διατομής, ο βαθμός περιτύλιξης (κάλυψης) του σκυροδέματος και η διεύθυνση των ινών σε σχέση με τον άξονα του περισφιγμένου μέλους. Στο Κεφάλαιο 4 αναλύεται διεξοδικά το πρωτοπόρο ερευνητικό σύστημα ενίσχυσης FRM (Fiber Reinforced Mortars) που ανταγωνίζεται το σύστημα των ινοπλισμένων πολυμερών (FRPs). Στην αρχή αναφέρονται οι απαιτήσεις που αυτό καλείται να καλύψει προκειμένου να είναι συμβατό, ενώ στη συνέχεια περιγράφεται διεξοδικά το σύστημα ινών άνθρακα με κονιάματα που περιέχουν πολυμερή, μιας και το συγκεκριμένο σύστημα παρέχει τις βέλτιστες συνθήκες για την εξασφάλιση ενός σύνθετου υλικού υψηλής ποιότητας. Εν συνεχεία επιχειρείται μια συγκριτική εξέταση των χαρακτηριστικών των ινοπλισμένων πολυμερών με τα σύνθετα υλικά ανόργανης μήτρας. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την περιγραφή των πιο σημαντικών πειραμάτων που έχουν διεξαχθεί για σύνθετα υλικά με τσιμεντοειδή μήτρα (π.χ. αξονική θλίψη, την κάμψη, τη διάτμηση και την κόπωση) και τέλος με την περιγραφή των κυριότερων μεθόδων σχεδιασμού τσιμεντοειδών κονιαμάτων που έχουν ερευνηθεί με στόχο να αποτελέσουν τη συνδετική ύλη με τα σύνθετα υλικά ινών άνθρακα. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η πειραματική διαδικασία της παρούσας Διατριβής. Αρχικά περιγράφεται ο τρόπος με τον οποίο έγινε ο σχεδιασμός των δοκιμίων ενώ στη συνέχεια παρατίθενται αναλυτικά τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν, ο τρόπος παρασκευής και οι μηχανικές ιδιότητές τους. Ακολουθεί διεξοδική περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας από το στάδιο της προετοιμασίας των μεταλλικών κλωβών μέχρι την περάτωση της ενίσχυσης με τις δύο τεχνικές ενίσχυσης. Στο τέλος του κεφαλαίου γίνεται μια σύντομη περιγραφή της πειραματικής διάταξης και του επιμέρους μηχανικού εξοπλισμού που χρησιμοποιήθηκε για την υλοποίηση των δοκιμών αξονικής θλίψης. Στο Κεφάλαιο 6, το οποίο καταλαμβάνει και το μεγαλύτερο όγκο της Διατριβής, περιλαμβάνονται αρχικά τα αποτελέσματα των πειραμάτων όλων των δοκιμίων που συμμετείχαν στο πειραματικό πρόγραμμα, με βάση τις ομάδες στις οποίες κατατάχθηκαν τα δοκίμια ανάλογα με τη γεωμετρία όπλισης. Συγκεκριμένα, περιγράφονται οι τρόποι αστοχίας των δοκιμίων με φωτογραφικό υλικό, οι καμπύλες τάσεων-παραμορφώσεων καθώς επίσης η μέγιστη αντοχή και οι παραμορφώσεις μέγιστης τάσης και αστοχίας. Στη συνέχεια παρουσιάζονται συγκριτικά αποτελέσματα των δοκιμίων (υπό μορφή πινάκων και διαγραμμάτων) ανάλογα με α) τις ομάδες στις οποίες κατατάχθηκαν τα δοκίμια λόγω της γεωμετρίας όπλισης και β) με το είδος της μήτρας και τον αριθμό των στρώσεων των συνθέτων υλικών. Επιπλέον παρουσιάζονται πίνακες συγκεντρωτικών αποτελεσμάτων, στους οποίους γίνονται συγκρίσεις των ομάδων δοκιμίων που εκτέθηκαν ανωτέρω, με τα αντίστοιχα δοκίμια ελέγχου τους. Ιδιαίτερη προσοχή έχει δοθεί στη σύγκριση των δεικτών αποτελεσματικότητας της περίσφιξης, σε όρους αντοχής και οριακής παραμόρφωσης. Το Κεφάλαιο 7, παρουσιάζει την επεξεργασία των πειραματικών αποτελεσμάτων προκειμένου να καταστρωθεί ένα αναλυτικό προσομοίωμα, που να προβλέπει την αντοχή και την οριακή παραμόρφωση άοπλων και οπλισμένων στοιχείων τύπου υποστυλώματος που είναι περισφιγμένα με σύνθετα υλικά ανόργανης και οργανικής μήτρας. Αρχικά, καταστρώνονται οι εξισώσεις εκείνες που απαιτούνται για την προσομοίωση της περίσφιγξης μέσω μανδυών συνθέτων υλικών και έπειτα οι εξισώσεις εκείνες που απαιτούνται για την προσομοίωση της περίσφιγξης μέσω εσωτερικού οπλισμού. Στη συνέχεια αναπτύσσεται μία μέθοδος πρόβλεψης της αντοχής και της οριακής παραμόρφωσης των δοκιμίων (γραμμική) που βασίζεται στο κλασσικό προσομοίωμα των Richart et al. (1928). Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την αναλυτική και συγκριτική παρουσίαση των αποτελεσμάτων και τέλος με την εξαγωγή συμπερασμάτων. Στο Κεφάλαιο 8, συνοψίζονται τα συμπεράσματα της παρούσας Διατριβής Διπλώματος Ειδίκευσης. Η μέθοδος των συνθέτων υλικών ανόργανης μήτρας παρέχει ικανοποιητικά αποτελέσματα αυξάνοντας αισθητά την οριακή παραμόρφωση, την θλιπτική αντοχή των υποστυλωμάτων και συνεπώς την ικανότητα απορρόφησης ενέργειας. Η αύξηση της αντοχής και της παραμόρφωσης περιορίζεται τελικά από την τοπική αστοχία/διάρρηξη του μανδύα που συμβαίνει στις κρίσιμες περιοχές συγκέντρωσης τάσεων (στις γωνίες και σε όλο το μήκος της αγκύρωσης των μανδυών των στοιχείων). Η έναρξη της αστοχίας σηματοδοτείται επίσης και από τον λυγισμό των διαμήκων θλιβόμενων ράβδων στο αστήρικτο μήκος μεταξύ των συνδετήρων. Όσον αφορά το προτεινόμενο αναλυτικό προσομοίωμα, θα ήταν χρήσιμο να διεξαχθούν επιπρόσθετες πειραματικές δοκιμές ώστε να εμπλουτιστεί η βάση δεδομένων και να επιβεβαιωθεί η αξιοπιστία του προτεινόμενου μοντέλου.