Πειραματική και Αναλυτική Διερεύνηση Καμπτικής Συμπεριφοράς Δοκών Ο/Σ ενισχυμένες με ινοπλισμένα πολυμερή

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η πειραματική και αναλυτική διερεύνηση της αποτελεσματικότητας της εφαρμογής ινοπλισμένων πολυμερών στην αύξηση της καμπτικής αντοχής δοκών οπλισμένου σκυροδέματος. Εξετάζονται τα αποτελέσματα πέντε πειραματικών διαδικασιών (ως προς τον τύπο ινών, το σύστημα ενίσχυσης και τα αποτελέσματα), καθώς και το πειραματικό πρόγραμμα που εφαρμόστηκε στο εργαστήριο Αντισεισμικής Τεχνολογίας του Ε.Μ.Π. Στη συνέχεια ελέγχεται ο τρόπος αστοχίας των δοκών του πειράματος με βάση τις διατάξεις του KAN.EΠΕ. Η ανάπτυξη προσομοιωμάτων για ενίσχυση με IOΠ είναι ακόμη σχετικά καινούριο αντικείμενο και δεν υπάρχει ευρέως αποδεκτό αναλυτικό προσομοίωμα πρόβλεψης της απόκρισης. Έτσι, λοιπόν, σκοπός μας σε αυτή την εργασία είναι η αποτίμηση της ακρίβειας του προτεινόμενου προσομοιώματος που υιοθετεί ο κανονισμός επεμβάσεων στην πρόβλεψη του τρόπου αστοχίας. Για την αποτίμηση των πειραματικών αποτελεσμάτων που λήφθηκαν από την διεξαγωγή των πειραμάτων της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας εξετάζονται πειραματικές διαδικασίες από την διεθνή βιβλιογραφία. Στην συνέχεια παρουσιάζονται τα πέντε (5) πειραματικά προγράμματα, που έγιναν με σκοπό την διερεύνηση του τρόπου αστοχίας δοκών ο/σ ενισχυμένων με ΙΟΠ. Οι ίνες των σύνθετων υλικών που χρησιμοποιήθηκαν για την ενίσχυση των δοκών που εξετάζονται ήταν αποκλειστικά από άνθρακα, ούτως ώστε να έχουμε ανάλογα αποτελέσματα με τα αναμενόμενα μετά τις δοκιμές στο εργαστήριο. Επίσης αναζητήθηκαν και παρουσιάζονται εργασίες στις οποίες οι ερευνητές είχαν εξετάσει τρόπους αγκύρωσης των σύνθετων υλικών. Περίληψη Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η πειραματική και αναλυτική διερεύνηση της αποτελεσματικότητας της εφαρμογής ινοπλισμένων πολυμερών στην αύξηση της καμπτικής αντοχής δοκών οπλισμένου σκυροδέματος. Εξετάζονται τα αποτελέσματα πέντε πειραματικών διαδικασιών (ως προς τον τύπο ινών, το σύστημα ενίσχυσης και τα αποτελέσματα), καθώς και το πειραματικό πρόγραμμα που εφαρμόστηκε στο εργαστήριο Αντισεισμικής Τεχνολογίας του Ε.Μ.Π. Στη συνέχεια ελέγχεται ο τρόπος αστοχίας των δοκών του πειράματος με βάση τις διατάξεις του KAN.EΠΕ. Η ανάπτυξη προσομοιωμάτων για ενίσχυση με IOΠ είναι ακόμη σχετικά καινούριο αντικείμενο και δεν υπάρχει ευρέως αποδεκτό αναλυτικό προσομοίωμα πρόβλεψης της απόκρισης. Έτσι, λοιπόν, σκοπός μας σε αυτή την εργασία είναι η αποτίμηση της ακρίβειας του προτεινόμενου προσομοιώματος που υιοθετεί ο κανονισμός επεμβάσεων στην πρόβλεψη του τρόπου αστοχίας. Για την αποτίμηση των πειραματικών αποτελεσμάτων που λήφθηκαν από την διεξαγωγή των πειραμάτων της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας εξετάζονται πειραματικές διαδικασίες από την διεθνή βιβλιογραφία. Στην συνέχεια παρουσιάζονται τα πέντε (5) πειραματικά προγράμματα, που έγιναν με σκοπό την διερεύνηση του τρόπου αστοχίας δοκών ο/σ ενισχυμένων με ΙΟΠ. Οι ίνες των σύνθετων υλικών που χρησιμοποιήθηκαν για την ενίσχυση των δοκών που εξετάζονται ήταν αποκλειστικά από άνθρακα, ούτως ώστε να έχουμε ανάλογα αποτελέσματα με τα αναμενόμενα μετά τις δοκιμές στο εργαστήριο. Επίσης αναζητήθηκαν και παρουσιάζονται εργασίες στις οποίες οι ερευνητές είχαν εξετάσει τρόπους αγκύρωσης των σύνθετων υλικών. Οι πιο ευρέως διαδεδομένοι κανονισμοί που χρησιμοποιούνται διεθνώς για την ενίσχυση δοκών οπλισμένου σκυροδέματος με ινοπλισμένα πολυμερή είναι ο ΚΑΝ.ΕΠΕ., ο οποίος θα αποτελέσει το εθνικό προσάρτημα του Ευρωκώδικα 8 – Μέρος 3, το προσομοίωμα που προτείνει η διεθνής ομοσπονδία για κατασκευές από σκυρόδεμα (Fédération Internationale du Béton - FIB) και τέλος ο Ιταλικός Κανονισμός ενίσχυσης υπαρχόντων κατασκευών με σύστημα ΙΟΠ CNR-DT 200/2004 (Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Existing Structures). Στο εργαστήριο πραγματοποιήθηκαν πειράματα φόρτισης τεσσάρων σημείων σε τέσσερις δοκούς. Οι δοκοί ενισχύθηκαν εξωτερικά με ύφασμα ινοπλισμένων πολυμερών (ΙΟΠ). Ο κύριος σκοπός των πειραμάτων ήταν η διερεύνηση της απόκρισης των ενισχυμένων αυτών δοκών, δηλαδή η αντοχή, η παραμόρφωση και ο τρόπος αστοχίας τους, υπό την φόρτιση τεσσάρων σημείων. Ως υλικό ενίσχυσης χρησιμοποιήθηκε ΙΟΠ της εταιρείας BETONTEΧ. Η εφαρμογή των σύνθετων υλικών έγινε υπό την επίβλεψη του διευθυντή της εταιρίας. Στην συνέχεια συγκρίνονται οι τάσεις που αναπτύσσονται στο σύνθετο υλικό όπως αυτές υπολογίστηκαν από την εφαρμογή των σχέσεων του ΚΑΝ.ΕΠΕ. με τις τάσεις που προέκυψαν από την διεξαγωγή της πειραματικής διαδικασίας. Επιπλέον γίνεται ο υπολογισμός της αύξησης της καμπτικής αντοχής πλάκας οπλισμένου σκυροδέματος μετά την ενίσχυση της με λωρίδες σύνθετου υλικού με ανάλογη διαδικασία με αυτή της ενίσχυσης δοκών. Για να αποκτήσουμε την ακριβή τιμή της τάσης αποκόλλησης για τα πειράματα τα οποία έγιναν αποφασίστηκε να πραγματοποιηθούν στο εργαστήριο Αντισεισμικής Τεχνολογίας τα πειράματα εξόλκευσης. Για τη σωστή διεξαγωγή αυτών των πειραμάτων χρησιμοποιήθηκε κατάλληλο και εξειδικευμένο μηχάνημα και τηρήθηκαν πλήρως όλα όσα υπαγορεύει σχετικός κανονισμός Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymers (FRPs) for Reinforcing or Strengthening Concrete Structures (ACI 440.3R-04). Και τέλος προτείνεται ένα προσομοίωμα για την αγκύρωση των ινοπλισμένων πολυμερών αντίστοιχη με αυτήν που έγινε σε δοκό των πειραμάτων και κατά την αστοχία επετεύχθη θραύση των σύνθετων υλικών στην μεσαία διατομή της δοκού που αποτελεί και τον επιθυμητό τρόπο αστοχίας για τέτοιου είδους ενισχύσεις.

The present M.Sc. thesis deals with the experimental and analytical study of the effectiveness of Fiber-Reinforced Polymer (FRP) applications on Reinforced Concrete (RC) beams for the purpose of increasing their flexural strength. Results deriving from five testing procedures are examined (parameters such as fiber type, strengthening system etc.), as well as the testing program adopted by the Laboratory of Earthquake Engineering of National Technical University of Athens (NTUA). Μoreover, the failure mode of each beam tested is checked according to the provisions of the Greek Assessment & Retrofitting Code. The development of FRP strengthening models is still considered a new field of study, thus there is no widely accepted analytical model for response anticipation. Therefore, the present thesis aims at the evaluation of the suggested model for the anticipation of the failure mode by the Greek Assessment & Retrofitting Code. Testing results of the present thesis are evaluated according to experimental procedures found at the international bibliography. Then five testing programs are presented, whose objective was the study of FRP strengthened RC beams failure mode. The fibers of the composite materials used for beam strengthening are exclusively carbon. This enables us to have similar results with the ones anticipated from the laboratory testing. Besides, studies on composite materials anchorage methods are presented. The most widely used codes internationally for the FRP strengthening of RC beams are the Greek Assessment & Retrofitting Code (which will be the National Annex of Eurocode 8 - Part 3), the model suggested by the International Federation for Structural Concrete (FIB) and finally the Italian Code CNR-DT 200/2004 (Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Existing Structures). Four point load tests on four beams were carried out at the laboratory. Beams were externally strengthened with FRP sheets. The major purpose of the tests was the study of the response of those strengthened beams, i.e. their resistance, their strain and their failure mode, under four point loading. The strengthening material used was product of the company BETONTEX. The FRP application took place under supervision of the company director. Then the stresses developed at the composite materials, as measured during the laboratory testing, are compared to the ones calculated according to the provisions Greek Assessment & Retrofitting Code. In addition, the increase of flexural strength of RC slabs is calculated after strengthening with FRP strips (procedure similar to the one implemented to beams). In order to obtain the exact value of the debonding stress for the tests already mentioned above, pull-out tests were also carried out at the Laboratory of Earthquake Engineering. Appropriate equipment was used and tests were conducted in full compliance with the provisions of the relevant Guide for Test Methods for Fiber Reinforced Polymers (FRP) for Reinforcing and Strengthening Concrete Structures (ACI 440.3R-04). Finally, a model for FRP anchorage is suggested corresponding to the configuration used at the beams tested. According to it, the failure mode includes the composite material rupture at the middle section of the beam, which is actually the desired failure mode for this kind of strengthening. Περίληψη (στα Αγγλικά) Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymers (FRPs) for Reinforcing or Strengthening Concrete Structures (ACI 440.3R-04). Και τέλος προτείνεται ένα προσομοίωμα για την αγκύρωση των ινοπλισμένων πολυμερών αντίστοιχη με αυτήν που έγινε σε δοκό των πειραμάτων και κατά την αστοχία επετεύχθη θραύση των σύνθετων υλικών στην μεσαία διατομή της δοκού που αποτελεί και τον επιθυμητό τρόπο αστοχίας για τέτοιου είδους ενισχύσεις. Summary The present M.Sc. thesis deals with the experimental and analytical study of the effectiveness of Fiber-Reinforced Polymer (FRP) applications on Reinforced Concrete (RC) beams for the purpose of increasing their flexural strength. Results deriving from five testing procedures are examined (parameters such as fiber type, strengthening system etc.), as well as the testing program adopted by the Laboratory of Earthquake Engineering of National Technical University of Athens (NTUA). Μoreover, the failure mode of each beam tested is checked according to the provisions of the Greek Assessment & Retrofitting Code. The development of FRP strengthening models is still considered a new field of study, thus there is no widely accepted analytical model for response anticipation. Therefore, the present thesis aims at the evaluation of the suggested model for the anticipation of the failure mode by the Greek Assessment & Retrofitting Code. Testing results of the present thesis are evaluated according to experimental procedures found at the international bibliography. Then five testing programs are presented, whose objective was the study of FRP strengthened RC beams failure mode. The fibers of the composite materials used for beam strengthening are exclusively carbon. This enables us to have similar results with the ones anticipated from the laboratory testing. Besides, studies on composite materials anchorage methods are presented. The most widely used codes internationally for the FRP strengthening of RC beams are the Greek Assessment & Retrofitting Code (which will be the National Annex of Eurocode 8 - Part 3), the model suggested by the International Federation for Structural Concrete (FIB) and finally the Italian Code CNR-DT 200/2004 (Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Existing Structures). Four point load tests on four beams were carried out at the laboratory. Beams were externally strengthened with FRP sheets. The major purpose of the tests was the study of the response of those strengthened beams, i.e. their resistance, their strain and their failure mode, under four point loading. The strengthening material used was product of the company BETONTEX. The FRP application took place under supervision of the company director. Then the stresses developed at the composite materials, as measured during the laboratory testing, are compared to the ones calculated according to the provisions Greek Assessment & Retrofitting Code. In addition, the increase of flexural strength of RC slabs is calculated after strengthening with FRP strips (procedure similar to the one implemented to beams). In order to obtain the exact value of the debonding stress for the tests already mentioned above, pull-out tests were also carried out at the Laboratory of Earthquake Engineering. Appropriate equipment was used and tests were conducted in full compliance with the provisions of the relevant Guide for Test Methods for Fiber Reinforced Polymers (FRP) for Reinforcing and Strengthening Concrete Structures (ACI 440.3R-04). Finally, a model for FRP anchorage is suggested corresponding to the configuration used at the beams tested. According to it, the failure mode includes the composite material rupture at the middle section of the beam, which is actually the desired failure mode for this kind of strengthening.