Συμπεριφορά και ενίσχυση υποωπλισμένων τοιχωμάτων από σκυρόδεμα

Χριστίδης, Κωνσταντίνος; Christidis, Konstantinos

dc.contributor.author	Χριστίδης, Κωνσταντίνος	el
dc.contributor.author	Christidis, Konstantinos	en
dc.date.accessioned	2017-07-21T06:35:33Z
dc.date.available	2017-07-21T06:35:33Z
dc.date.issued	2017-07-21
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/45298
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.2774
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Ανακυκλιζόμενη φόρτιση	el
dc.subject	Διατμητικός οπλισμός	el
dc.subject	Λυγισμός θλιβόμενων ράβδων	el
dc.subject	Μη γραμμική ανάλυση	el
dc.subject	Υποωπλισμένα τοιχία	el
dc.subject	Nonconforming reinforced concrete shear walls	el
dc.subject	Cyclic loading	el
dc.subject	Shear reinforcement	el
dc.subject	Reinforcing rebars buckling	el
dc.subject	Non-linear analysis	el
dc.title	Συμπεριφορά και ενίσχυση υποωπλισμένων τοιχωμάτων από σκυρόδεμα	el
dc.contributor.department	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Δομοστατικής. Εργαστήριο Ωπλισμένου Σκυροδέματος	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	ΩΠΛΙΣΜΕΝΟ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-07-11
heal.abstract	Η παρούσα διατριβή αφορά την πειραματική και αριθμητική/αναλυτική μελέτη της συμπεριφοράς υποωπλισμένων τοιχωμάτων από σκυρόδεμα αλλά και τους τρόπους ενίσχυσης αυτών. Με τον όρο «υποωπλισμένα» νοούνται τα τοιχία τα οποία έχουν σχεδιαστεί με βάση παλαιότερους κανονισμούς (στην Ελλάδα προ του 1985) και χαρακτηρίζονται από την απουσία διαμόρφωσης ακραίων κρυφοϋποστυλωμάτων αλλά και από μικρά ποσοστά διατμητικού οπλισμού, διαμορφώσεις οι οποίες πλέον θεωρούνται θεμελιώδεις στον σύγχρονο αντισεισμικό σχεδιασμό τοιχίων. Όσον αφορά τους τρόπους ενίσχυσής τους, εξετάστηκαν δύο τρόποι ενίσχυσης – η εφαρμογή υφάσματος (μανδύα) Ινοπλισμένων Πολυμερών (ΙΟΠ) και η εφαρμογή μεταλλικών στοιχείων (ελασμάτων και γωνιών). Η πειραματική διαδικασία περιελάμβανε την διερεύνηση της συμπεριφοράς συνολικά 15 τοιχίων-δοκιμίων μεσαίας λυγηρότητας (λόγος διάτμησης ίσος με 2), τα οποία μελετήθηκαν ως πρόβολοι υπό στατική ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Από αυτά, τα οκτώ ήταν μη ενισχυμένα τοιχία – τα έξι υποωπλισμένα σχεδιασμένα με βάση παλαιότερους κανονισμούς και τα δύο σχεδιασμένα σύμφωνα με τις σύγχρονες αντισεισμικές διατάξεις του Ευρωκώδικα 2 και 8 – τα υπόλοιπα επτά τοιχία περιελάμβαναν κάποια μορφή ενίσχυσης, ενώ, τέλος, ένα από τα μη ενισχυμένα τοιχία επισκευάστηκε, ενισχύθηκε με μανδύα ΙΟΠ και υποβλήθηκε εκ νέου σε δοκιμή. Ο σχεδιασμός των μη ενισχυμένων τοιχίων έγινε με γνώμονα το να μελετηθούν διάφορες μορφές αστοχίας που συναντώνται σε υφιστάμενα τοιχία (π.χ. λυγισμός των διαμήκων ράβδων, διατμητική αστοχία κ.α.). Από τα έξι υποωπλισμένα τοιχία μόνο τα δύο αποτελούν τυπικά υποωπλισμένα τοιχία σχεδιασμένα με βάση παλαιότερους κανονισμούς,αφού στα υπόλοιπα τέσσερα τοποθετήθηκαν επιπροσθέτως εσωτερικοί ανοικτοί συνδετήρες στα άκρα τους προκειμένου να αποφευχθεί το φαινόμενο του λυγισμού των διαμήκων ράβδων και να μελετηθεί αυτοτελώς η επιρροή που έχουν τα διαφορετικά ποσοστά διατμητικού οπλισμού στην συμπεριφορά τους. Όπως προέκυψε από την πειραματική δοκιμή των μη ενισχυμένων τοιχίων ο σημαντικότερος παράγοντας που καθορίζει την φέρουσα ικανότητα και την μετελαστική τους απόκριση είναι ο λυγισμός των θλιβόμενων ράβδων. Όπως διαπιστώθηκε πειραματικά, λόγοι L/D μεγαλύτεροι από 10 (όπου το L είναι η, από κέντρο σε κέντρο, απόσταση δύο διαδοχικών συνδετήρων και D η διάμετρος της διαμήκους ράβδου) οδηγούν σε πρόωρη αποδιοργάνωση της θλιβόμενης ζώνης με συνέπεια την άμεση πτώση της φέρουσας ικανότητας και την ανάπτυξη μικρών τιμών πλαστιμότητας. Όσον αφορά τον διατμητικό οπλισμό αυτός φάνηκε να επηρεάζει περισσότερο το εύρος της ρηγμάτωσης των τοιχίων (κύριες δισδιαγώνιες διατμητικές ρωγμές) και επομένως την μορφή των κύκλων υστέρησης (διάχυση ενέργειας) και λιγότερο την δυνατότητα παραμόρφωσης σε επίπεδο περιβάλλουσας. Σε όλες τις περιπτώσεις (υπό την προϋπόθεση περιορισμού του φαινομένου του λυγισμού των διαμήκων ράβδων) τα τοιχία ανέπτυξαν σημαντικές μετελαστικές μετακινήσεις χωρίς απότομη πτώση της φέρουσας ικανότητας τους (πλαστιμότητα), ανεξάρτητα αν η θεωρητική διατμητική τους αντοχή ήταν μικρότερη ή μεγαλύτερη από την καμπτική. Τέλος, μικρή φάνηκε να είναι η επιρροή της περίσφιγξης στην συμπεριφορά των τοιχίων. Όσον αφορά τα ενισχυμένα τοιχία, η επιλογή και ο τύπος της ενίσχυσης έγινε με βάση τις παρατηρήσεις που έγιναν στα μη ενισχυμένα τοιχία. Η εφαρμογή ΙΟΠ και συγκεκριμένα υαλοϋφάσματος (GFRP) πραγματοποιήθηκε σε τρία δοκίμια μόνο στο κατώτατο 1/4 του ύψους τους με στόχο τον περιορισμό του λυγισμού των θλιβόμενων ράβδων. Η εφαρμογή του μανδύα ΙΟΠ πραγματοποιήθηκε σε τοιχία με διατμητική αντοχή μεγαλύτερη της καμπτικής, επομένως δεν κρίθηκε απαραίτητη η ενίσχυση του κορμού. Η χρήση μεταλλικών στοιχείων εφαρμόστηκε σε πέντε δοκίμια. Η ενίσχυση περιελάμβανε τέσσερις διαφορετικές διαμορφώσεις – εφαρμογή μόνο οριζόντιων μεταλλικών ελασμάτων σε όλο το ύψος (σε δύο δοκίμια), εφαρμογή μεταλλικών οριζόντιων ελασμάτων και κατακόρυφων μεταλλικών γωνιών σε όλο το ύψος, εφαρμογή οριζόντιων μεταλλικών ελασμάτων και κατακόρυφων μεταλλικών γωνιών αλλά μόνο στο κατώτατο 1/4 του τοιχίου και τέλος, εφαρμογή οριζόντιων μεταλλικών λωρίδων και κατακόρυφων μεταλλικών γωνιών στο κατώτατο 1/4 του τοιχίου και δισδιαγώνιων μεταλλικών γωνιών στο υπόλοιπο ύψος. Με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα της συγκεκριμένης διατριβής, η ενίσχυση με μεταλλικά στοιχεία και με τις τέσσερις διαφορετικές διαμορφώσεις, κυρίως λόγω του περιορισμού του λυγισμού των θλιβόμενων διαμήκων ράβδων, φάνηκε να οδηγεί σε βελτιωμένη συμπεριφορά όσον αφορά την δυνατότητα ανάπτυξης μεγαλύτερων μετατοπίσεων και, επομένως, υψηλότερων τιμών πλαστιμότητας περίπου διπλάσιων σε σχέση με αυτές των υποωπλισμένων τοιχίων και αντίστοιχες με αυτές των τοιχίων σχεδιασμένων με τους σύγχρονους κανονισμούς. Δευτερευόντως, ο έλεγχος των διατμητικών ρωγμών του κορμού (είτε με οριζόντια ελάσματα είτε με χιαστί γωνίες) φάνηκε να οδηγεί σε κύκλους υστέρησης με μικρότερο στένωμα και επομένως σε μεγαλύτερες τιμές απορρόφησης ενέργειας. Η αναλυτική και αριθμητική ανάλυση αφορά στην αποτίμηση/πρόβλεψη της συμπεριφοράς των τοιχίων, η οποία στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, πραγματοποιήθηκε με δύο διαφορετικές προσεγγίσεις – αφενός με την εφαρμογή των αναλυτικών/εμπειρικών σχέσεων που περιλαμβάνονται στον Ευρωκώδικα 8 – Μέρος 3 για την πρόβλεψη της φέρουσας ικανότητας και της μετατόπισης αστοχίας υφιστάμενων στοιχείων και αφετέρου με την χρήση γραμμικών πεπερασμένων στοιχείων (beam elements) που περιλαμβάνονται στην βιβλιοθήκη του λογισμικού OpenSees. Όσον αφορά την εφαρμογή των εμπειρικών και αναλυτικών σχέσεων του Ευρωκώδικα 8 – Μέρος 3, αυτές φάνηκαν να οδηγούν γενικά σε συντηρητικές τιμές κυρίως όσον αφορά την διατμητική αντοχή, αφού σε αρκετές περιπτώσεις, οι σχέσεις υπολογισμού οδηγούν σε μικρές τιμές διατμητικής αντοχής και, επομένως, σε πρόωρη διατμητική αστοχία πριν την καμπτική, κάτι το οποίο δεν επαληθεύτηκε πειραματικά. Όσον αφορά την αριθμητική ανάλυση στα πλαίσια της διατριβής χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικά γραμμικά πεπερασμένα στοιχεία για μη γραμμική ανάλυση: το Force-Based Beam-Column Element (FBE) που βασίζεται στην μη-γραμμική ανάλυση με την Μέθοδο των Δυνάμεων (Flexibility ή Force Method) και το Flexure-Shear Interaction Displacement-Based Beam-Column Element (FSI) το οποίο είναι ένα Displacement-Based Beam-Column Element (DBE) βασιζόμενο στην μη γραμμική ανάλυση με την Μέθοδο των Μετατοπίσεων (Stiffness ή Displacement Method) που ενσωματώνει επιπροσθέτως την επιρροή της διατμητικής συνιστώσας (ως δύναμη και ως παραμόρφωση). Και για τις δυο περιπτώσεις πραγματοποιήθηκε διερεύνηση ως προς τις παραμέτρους της ανάλυσης (επιρροή περίσφιγξης σκυροδέματος, λυγισμός θλιβόμενων ράβδων, αριθμός στοιχείων, σημεία ολοκλήρωσης, μήκος πλαστικής άρθρωσης) προκειμένου να επιτευχθεί η ορθότερη προσομοίωση. Όπως διαπιστώθηκε κατά την διαδικασία της ανάλυσης το καμπτικό στοιχείο FBE γενικά προσεγγίζει με ικανοποιητική ακρίβεια την μετακίνηση αστοχίας στις περιπτώσεις επαρκώς ωπλισμένων τοιχίων έναντι διάτμησης, ενώ ειδικότερα στις περιπτώσεις έντονου λυγισμού των θλιβόμενων ράβδων με ταυτόχρονη απουσία περισφιγμένου σκυροδέματος η ανάλυση με FBE οδήγησε σε έντονα φθιτούς μετελαστικούς κλάδους κάτι το όποιο παρατηρήθηκε και πειραματικά. Αντίθετα, στην περίπτωση των μη επαρκώς ωπλισμένων τοιχίων έναντι διάτμησης η χρήση του FSI προσεγγίζει καλύτερα την μικρή απομείωση της αντοχής στις μετελαστικές μετακινήσεις (shear degradation). Ωστόσο, σε κάποιες περιπτώσεις το FSI οδήγησε σε μεγάλη απομείωση της διατμητικής (και επομένως της συνολικής) αντοχής και σε έντονα φθιτούς κλάδους κάτι το οποίο δεν επιβεβαιώθηκε πειραματικά. Τέλος, ξεχωριστή αναφορά γίνεται στην επιρροή των διατμητικών παραμορφώσεων στην συνολική μετατόπιση στον μετελαστικό κλάδο των τοιχίων. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στην διαδικασία υπολογισμού των διατμητικών και των καμπτικών παραμορφώσεων και μετατοπίσεων όπου και προτείνονται απλές σχέσεις υπολογισμού τους με βάση τις διατιθέμενες πειραματικές μετρήσεις. Όπως προέκυψε πειραματικά ο λόγος των διατμητικών προς τις καμπτικές μετατοπίσεις τείνει να είναι μεγαλύτερος όσο μειώνεται το ποσοστό του διατμητικού οπλισμού, κάτι το οποίο έρχεται σε συμφωνία με αντίστοιχες αναφορές στην διεθνή βιβλιογραφία. Ο λόγος αυτός συγκρίθηκε με τις τιμές που δίνει η εφαρμογή αναλυτικής σχέσης που προτείνεται στην βιβλιογραφία καθώς και με τα αποτελέσματα της ανάλυσης με το στοιχείο FSI. Και στις δύο περιπτώσεις υπάρχουν σημαντικές αποκλίσεις σε σχέση με τις πειραματικές. Η αναλυτική σχέση της βιβλιογραφίας έχει εφαρμογή μόνο στην περίπτωση τοιχίων με μεγάλα ποσοστά διατμητικού οπλισμού όπου η παραμόρφωση του χάλυβα διάτμησης παραμένει στην ελαστική περιοχή, ενώ η ανάλυση του FSI υπερεκτιμά σε μεγάλο βαθμό τις διατμητικές παραμορφώσεις στις περιπτώσεις μικρών ποσοστών διατμητικού οπλισμού (όπως ομοίως κάνει και με τις αντοχές) οδηγώντας σε πολύ μεγαλύτερους λόγους διατμητικών προς καμπτικές μετατοπίσεις σε σχέση με τους πειραματικούς. Σημαντικό τμήμα των αποτελεσμάτων και συμπερασμάτων που προέκυψαν από την παραπάνω έρευνα έχει δημοσιευτεί σε τρία επιστημονικά άρθρα και δύο επιστημονικά συνέδρια.	el
heal.abstract	The present doctoral thesis concerns the experimental and numerical/analytical study of the behavior of nonconforming reinforced concrete shear walls, as well as the evaluation of different strengthening methods. By the term "nonconforming" are meant walls designed according to older regulations (in Greece before 1985) characterized by the absence of the configuration of confined boundary elements, as well as by low ratio of shear reinforcement, now regarded as fundamental reinforcement detailing in the modern seismic design. Regarding the strengthening methods, two different methods are examined - the application of Fiber Reinforced Polymers (FRP) and the application of steel elements (strips and angles). The experimental procedure involved the investigation of the behavior of a series of 15 medium rise shear walls-specimens (shear ratios of 2), which were studied as cantilevers under cyclic loading. Of them, the eight were non-strengthened walls - six designed according to older regulations and two designed according to modern seismic provisions of Eurocodes 2 and 8 - the remaining seven walls included some form of strengthening, and finally one of the non-strengthened walls was repaired, strengthened with FRP sheet and re-tested. The design of the non-strengthened walls was conducted in order to study various types of failures encountered in existing walls (e.g. longitudinal rebars buckling, shear failure, etc). As regards the nonconforming walls, only two of six can be characterized as typically nonconforming walls designed according to older regulations, since at the remaining four a configuration of open stirrups was added in order to prevent the buckling of compressive reinforcement, in order to study independently the influence of the different shear reinforcement ratios. As shown by the experimental results of the nonconforming walls, the most important factor determining the bearing capacity and their post-yield response is the buckling of the longitudinal compressive rebars. As experimentally shown, L/D ratios greater than 10 (where L is the, center to center, distance of two consecutive stirrups and D the diameter of the longitudinal rebar) lead to premature deterioration of the compressive zone resulting in a direct drop in the bearing capacity hence to low ductility values. As far as shear reinforcement is concerned, it appeared to have a greater impact on the width of web cracks (main diagonal shear cracks) and hence on the shape of hysteretic cycles (energy dissipation) and less on the bearing and ductility capacity. In all cases (provided that the longitudinal rebars are protected against buckling), the specimens developed significant post-yield displacements without a sudden drop in their bearing capacity (ductility), regardless of whether their theoretical shear strength was less or greater than the flexural strength. Finally, little seemed to be the influence of the confinement on the behavior of the walls. As concerned the strengthened walls, all strengthening configurations were based on the observations made in the non-strengthened walls. The Glass Fiber Reinforced Polymers (GFRP) sheet configuration was applied on three specimens only at the bottom 1/4 of their height in order to limit the buckling of the compressive rebars. The application of the GFRP sheets was carried out in all cases at walls with shear strength greater than the flexural one, so it was not considered necessary to strengthen the upper part of their web. The use of steel elements was applied to five specimens. The strengthening application consisted of four different configurations - application of horizontal steel plates throughout the height (in two specimens), application of horizontal steel strips and longitudinal steel angles throughout the height, application of horizontal steel strips and longitudinal steel angles but only at the bottom 1/4 of the wall height and, finally, the application of horizontal strips and longitudinal steel angles at the bottom 1/4 of the wall and bi-diagonal steel angles at the remaining height. Based on the experimental results, the strengthening with steel elements with all four different configurations appeared to lead to improved behavior regarding the ductility values (about twice as high as those of the nonconforming walls) similar to those of the walls designed with modern regulations, mainly due to the buckling restriction of the compressive longitudinal rebars. Secondarily, the control of the shear cracks of the wall web (either with horizontal strips or diagonal angles) appeared to lead to hysteresis cycles with less pinching effects and thus higher energy dissipation values. The analytical and numerical analysis concerns the assessment/prediction of the wall behavior, which, in the context of the present thesis, was carried out with two different approaches - by applying the analytical/empirical relations included in Eurocode 8 - Part 3 to predict the bearing capacity and the ultimate displacement of existing reinforced concrete members, and by using linear beam finite elements included in the OpenSees software library. Regarding the application of the empirical and analytical relations of Eurocode 8 - Part 3, these seemed to lead to conservative values, mainly in terms of shear resistance, since in several cases, the relationship of calculation of the shear strength led to significantly low values predicting a premature shear failure before even yielding, something that was not verified by the experimental results. Regarding the numerical analysis, two different linear finite elements for non-linear analysis were used: the Force-Based Beam-Column Element (FBE) based on non-linear analysis with the Flexibility (or Force Method) and the Flexure-Shear Interaction Displacement-Based Beam-Column Element (FSI) which is a Displacement-Based Beam-Column Element (DBE) based on nonlinear analysis with the Stiffness (or Displacement Method) that additionally incorporates the influence of the shear component (strength and deformation). In both cases a parametric study of the simulation parameters of the non-linear analysis (concrete confinement, buckling of compressive rebars, number of elements, integration points, plastic hinge length) was carried out in order to achieve the most accurate simulation. As found during the analysis process, the flexural element FBE generally approaches with sufficient precision the failure displacement in cases of adequately reinforced walls against shear, while especially in cases of intense buckling of the compressive rebars with simultaneous absence of concrete confinement, the analysis with FBE led to descending post-yield branches, something which was also experimentally observed. In contrast, in the case of insufficiently reinforced walls against shear, the use of FSI approaches better the shear degradation as the ductility increases. However, in some cases the use of the FSI led to a large underestimation of the shear (and of the total) strength and therefore to severely descending post-yield branches, something which was not experimentally confirmed. Finally, a separate reference is made to the influence of the shear deformations on the overall displacement in the post-yield branch of the walls. Particular attention is given to the process of calculating shear and flexural deformations and displacements, where simple expressions are proposed in order to calculate based on the available experimental measurements. The experimental ratio of shear-to-flexural displacement tends to be higher as the ratio of shear reinforcement decreases, which is in line also with corresponding references in the international literature. This experimental shear-to-flexural displacement ratio was compared with the values given by the application of an analytical relationship proposed in the literature as well as with the results of the non-linear analysis using the FSI element. In both cases there are significant deviations from the experimental values. The analytical expression of the literature is applicable only in the case of walls with high shear reinforcement ratios where the shear reinforcement remains in the elastic area. At the same time the using the FSI overestimates the shear deformations in the case of small shear reinforcement ratios (as also with strength) leading to significant higher shear-to-flexural displacement ratios than the experimental ones. A large part of the results and conclusions that have emerged from the above research has been published in three scientific papers and two scientific conferences.
heal.advisorName	Τρέζος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Τρέζος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Κωτσοβός, Μιχαήλ	el
heal.committeeMemberName	Βουγιούκας, Εμμανουήλ	el
heal.committeeMemberName	Καραγιάννης, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Δρίτσος, Στέφανος	el
heal.committeeMemberName	Ζέρης, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Βιντζηλάιου, Ελισάβετ	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Δομοστατικής. Εργαστήριο Ωπλισμένου Σκυροδέματος	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	343 σ.
heal.fullTextAvailability	true