Θεωρητικά μοντέλα για τη διερεύνηση της συνάφειας σε δομικά στοιχεία οπλισμένου σκυροδέματος

Abstract

Στη διπλωματική αυτή εργασία γίνεται μία συστηματική και κριτική παρουσίαση των θεωρητικών μοντέλων που έχουν αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια για να περιγράψουν τη μηχανική συμπεριφορά της διεπιφάνειας ράβδων οπλισμού χάλυβα και σκυροδέματος σε δομικά στοιχεία κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα. Τα θεωρητικά μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί κατατάσσονται σε τέσσερις κατηγορίες: Στην πρώτη κατηγορία κατατάσσονται τα μοντέλα που θεωρούν το σκυρόδεμα και το χάλυβα ως συνεχή μέσα με τη διεπιφάνεια να αντιπροσωπεύει με ένα συνεχή τρόπο τη μικρολεπτομέρεια της σύνδεσης μέσω ενός κατασκευαστικού νόμου που ενσωματώνει τη μακροσκοπική συμπεριφορά του συστήματος ράβδου οπλισμού – σύνδεση – σκυρόδεμα. Στη δεύτερη κατηγορία τοποθετούνται τα μοντέλα εκείνα που διαπραγματεύονται μεν τα υλικά ως συνεχή μέσα, αλλά παίρνουν υπόψη τις εγκάρσιες ρωγμές που δημιουργούνται στα μέσα αυτά ως αποτέλεσμα της εντατικής κατάστασης που αναπτύσσεται στα μέσα αυτών. Με τα μοντέλα αυτά μελετάται ο μηχανισμός δημιουργίας των εγκάρσιων ρωγμών κάμψης στα δομικά στοιχεία και η επίδραση των ρωγμών αυτών στη συνολική μηχανική συμπεριφορά των δομικών στοιχείων. Στην τρίτη κατηγορία εντάσσονται τα μοντέλα στα οποία θεωρείται η επίδραση των ρωγμών απόσχισης στη συνάφεια, καθώς επίσης και οι τρόποι με τους οποίους μπορεί να παρεμποδισθεί ο μηχανισμός ανάπτυξης των ρωγμών απόσχισης σε ένα δομικό στοιχείο οπλισμένου σκυροδέματος. Ένας αποτελεσματικός τρόπος είναι η περίσφιξη των στοιχείων με συνδετήρες τοποθετημένα εγκάρσια στον οπλισμό. Στην τέταρτη και τελευταία κατηγορία ανήκουν τα μοντέλα που θεωρούν την τριδιάστατη φύση του προβλήματος, όπου η ανάλυση γίνεται με πεπερασμένα στοιχεία. Οι υπολογιστικές δυνατότητες που υπάρχουν σήμερα επιτρέπουν την τριδιάστατη προσομοίωση του προβλήματος, καθώς επίσης και τη διαπραγμάτευση του προβλήματος με τις θεωρίες της μηχανικής των θραύσεων και της μηχανικής των καταστροφών. Τα μοντέλα συνάφειας που παρουσιάστηκαν παραπάνω αφορούν τον οπλισμό του χάλυβα. Η συζήτηση των ερευνητικών αποτελεσμάτων, τα οποία έχουν αναπτυχθεί πάνω στη συνάφεια χρησιμοποιώντας τα μοντέλα αυτά, έχει σκοπό να διερευνήσει τη δυνατότητα της επέκτασής τους στην περίπτωση οπλισμού από FRP. Στην κατεύθυνση αυτή στο τελευταίο κεφάλαιο γίνεται θεωρητική διερεύνηση των τάσεων συνάφειας.

In this diploma thesis, the theoretical models, which have been developed to describe the mechanical behavior of the bonding between the steel reinforcing bars and concrete in reinforced concrete member and have been published in the open literature during the last three decades, are classified into four categories. The first category includes the models which consider steel and concrete as two continuous media bonded together with a spring-type bonding. The second category contains the models which consider the two materials as in the first category, and, in addition, the cracking in the structural member is taking into account. The third category includes the models which take into account the effect of the splitting cracks on the bond behavior, and examine the development of the splitting cracks in a reinforced concrete member. The fourth and last category includes the models in which the 3D dimension geometry of the relative mechanical problems is considered. In analyzing these models, the finite element method is used in conjunction with the fracture and damage mechanics theories. The bond models presented above are referred to steel reinforcement of concrete structural members. In the last chapter, the mechanical behavior of the bonding between FRP reinforcing bar and concrete is theoretically investigated using the models developed for steel reinforcement. The results obtained, as expected, show that the interface of FRP bars-concrete exhibits qualitatively the same behavior as in the case of the steel reinforcing bars, when they are without lugs and they are stressed in the elastic region. The complete absence of plastic behavior of the FRP bars does not allow the use of the concept of the development length in FRP reinforcement, as well as the cracking models developed for the case of steel reinforcement. However, the computational techniques, which have been developed for the case of the steel reinforcement, can be applied for the case of FRP reinforcement.