Ενίσχυση δομικών μελών από οπλισμένο σκυρόδεμα και φέρουσα τοιχοποιία με ινοπλισμένα πολυμερή

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η αναλυτική διερεύνηση της αποτελεσματικότητας της εφαρμογής ινοπλισμένων πολυμερών ως μέσο ενίσχυσης σε στοιχεία από οπλισμένο σκυρόδεμα και από φέρουσα τοιχοποιία. Γίνεται παρουσίαση με σαφή τρόπο των ιδιοτήτων των σύνθετων υλικών και της χρησιμότητας τους, ενώ παράλληλα γίνεται συγκέντρωση αρκετών αναλυτικών προσομοιωμάτων και κανονισμών για το σχεδιασμό και τη διαστασιολόγηση τέτοιου τύπου επεμβάσεων. Σκοπός της εργασίας είναι η συγκριτική μελέτη κανονισμών για την ενίσχυση κάθε δομικού στοιχείου (πλάκας, δοκού, πλακοδοκού, υποστυλώματος, κόμβου και τοιχοποιίας) η οποία γίνεται μέσω αριθμητικών εφαρμογών και μέσω αρχείων excel που κατασκευάστηκαν με βάση τα προσομοιώματα των κανονισμών ΚΑΝ.ΕΠΕ, Ευρωκώδικα, Ιταλικό CNR-DT 200/2004 και fib 2001. Σχετικά με τη δόμηση της διατριβής,αυτή διαμερίζεται σε εννέα κεφάλαια τα οποία κατακερματίζονται σε κατάλληλες ενότητες, υποενότητες και παραγράφους. Συνοπτικά περιγράφεται το περιεχόμενο κάθε κεφαλαίου στις παρακάτω γραμμές: Στο Κεφάλαιο 1 με τον τίτλο "εισαγωγή" γίνεται μια σύντομη αναφορά στοςυς λόγους για τους οποίους απαιτείται η ενίσχυση/επισκευή μιας κατασκευής και γιατί οι ενισχύσεις έχουν ξεκινήσει τα τελευταία χρόνια σε όλη την υφήλιο και επισημαίνεται ποια είναι η φιλοσοφία των υπαρχόντων μεθόδων ενίσχυσης Στο Κεφάλαιο 2 που φέρει τίτλο "Σύνθετα υλικά-Ινοπλισμένα πολυμερή" γίνεται μια εισαγωγή στα σύνθετα υλικά με αναφορά στα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα τους, καθώς και στις ιδιότητες και τα συστατικά από τα οποία αποτελούνται, ενώ μελετάται συνοπτικά η συμπεριφορά που έχουν τα υλικά αυτά κάτω από διάφορες περιβαλλοντικές συνθήκες. Επισημαίνονται επιπλέον τα διάφορα συστήματα ενίσχυσης με σύνθετα υλικά που χρησιμοποιούνται σήμερα και οι τεχνικές με τις οποίες αυτές εφαρμόζονται. Στο Κεφάλαιο 3 με τίτλο "Αποκόλληση σύνθετου υλικού-Αγκυρώσεις", ορίζεται η έννοια της αποκόλλησης των υλικών και αναφέρονται όλοι οι πιθανοί μηχανισμοί αστοχίας λόγω αποκόλλησης του υλικού ενίσχυσης από το ενισχυόμενο στοιχείο, ενώ δίνονται και λύσεις για την αποφυγή της αποκόλλησης αυτής. Επίσης γίνεται εισαγωγή στην έννοια και στις μεθόδους αγκύρωσης των υλικών για αύξηση της αποτελεσματικότητας τους. Στο Κεφάλαιο 4 με τ'ιτλο "Ενίσχυση σε διάτμηση δομικών στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα με σύνθετα υλικά" αναφέρεται η ανάγκη ενίσχυσης έναντι διατμητικής αστοχίας ενώ επίσης παρουσίαζονται αναλυτικά οι μέθοδοι που εφαρμόζονται τα σύνθετα υλικά ώστε να μπορέσουν να παραλάβουν τέμνουσα. Στη συνέχεια γίνεται ανασκόπηση των Κανονιστικών κειμένων σχετικά με την ενίσχυση σε διάτμηση με σύνθετα υλικά και μια σύγκριση των κανονισμών αυτών, η οποία επιβεβαιώνεται με αριθμητικά παραδείγματα ενίσχυσης πλάκας, δοκού, πλακοδοκού και υποστυλώματος. Στο Κεφάλαιο 5 που φέρει τίτλο "ΕΝίσχυση σε κάμψη δομικών στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα με σύνθετα υλικά" γίνεται γενική αναφορά στους τρόπους ενίσχυσης ενός στοιχείου σε κάμψη ενώ πιο αναλυτικά παρουσιάζεται η χρήση σύνθετων υλικών για το σκοπό αυτό. Ακολουθεί βιβλιογραφική ανασκόπηση για τη μέθοδο αυτή ενίσχυσης, καθώς και αριθμητικές εφαρμογές ενίσχυσης πλάκας, δοκού, πλακοδοκού και υποστυλώματος σε κάμψη. Στο Κεφάλαιο 6 με τίτλο "Περίσφιγξη στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος με σύνθετα υλικά και έλεγχος εξόλκευσης" παρουσιάζεται η ανάγκη για περίσφιγξη δομικών στοιχείων και αναλύεται η χρήση και η λειτουργία των σύνθετων υλικών για το σκοπό αυτό. Στη συνέχεια γίνεται ανασκόπηση των Κανονιστικών κειμένων σχετικά με τη περίσφιγξη με σύνθετα υλικά και την αποφυγή της ολίσθησης τους καθω΄ς και μια σύγκριση των κανονισμών αυτών, η οποία παρουσιάζεται και με αριθμητικά παραδείγματα περίσφιγξης υποστυλωμάτων. Στο Κεφάλαιο 7 που φέρει τίτλο " Ενίσχυση κόμβων δοκού- υποστυλώματος με σύνθετα υλικά" γίνεται εισαγωγή στην έννοια και στα είδη των κόμβων και στη χρήση σύνθετων υλικών ώς μέσο ενίσχυσης τους. Περιλαμβάνει και αυτό Κανονιστικές διατάξεις σχετικά με την ενίσχυση αυτή και σύγκριση αυτών μέσω αριθμητικού παραδείγματος. Στο Κεφάλαιο 8 με τίτλο "Ενίσχυση δομικών στοιχείων από φέρουσα τοιχοποιία με σύνθετα υλικά" δίνονται οδηγίες για τον τρόποεφαρμογής των σύνθετων υλικών σε τοιχοποιία ενώ ακολουθεί το προσομοίωμα του ιταλικού κανονισμού CNR-DT για την ενίσχυση με αυτά. Ακολουθούν δύο αριθμητικά παραδείγματα, το ένα με εφαρμογή ενίσχυσης με σύνθετα υλικά σε τοιχοποιία και το άλλο με συγκριτική ανάλυση τοιχοποιίας από πειράματα και άλλα εγχώρια και διεθνή αναλυτικά προσομοιώματα. Τέλος, στο Κεφάλαιο 9 με τίτλο "Μη γραμμική ανάλυση τοιχοποιίας ενισχυμένη με ινοπλισμένα πολυμερή σε χιαστί διάταξη-σύγκριση με πειραματικά αποτελέσματα" γίνεται παρουσίαση των αποτελεσμάτων ενός πειράματος που έγινε σε ενισχυμένη τοιχοποιία με σύνθετα υλικά σε χιαστί διάταξη και σύγκριση αυτών με αποτελέσματα που προέκυψαν από μή γραμμικές αναλύσεις που έγιναν στα πλαίσια της παρούσας εργασίας αλλά και παλαιότερα, καθώς και σύγκριση από αποτελέσματα που δίνουν αναλυτικά προσομοιώματα που έχουν διατυπωθεί για τη συγκεκριμένη διάταξη ενίσχυσης.

The present M.Sc. thesis deals with the analytical study of the effectiveness of Fiber-Reinforced Polymer (FRP) applications on concrete and masonry structures. It includes a presentation of the characteristics of FRPs and how they are used for strengthening, while it also consists of many codes referring to this type of reinforcement. At this thesis, there is a comparison between these codes through both numerical and “excel” applications made according to: Greek Assessment and Retrofitting code, Eurocode 8, Italian code, CNR-DT 200/2004 and Fib bulletin 2001. The thesis consists of nine chapters which are divided in smaller parts: The first chapter called “Introduction” refers to the reasons that structure-strengthening is needed and the fact that reinforcing methods are developing quite fast during last years. At the second chapter called “Fiber-Reinforced Polymers”, there is a presentation of the advantages and disadvantages of FRPs, their mechanical characteristics and their behavior under environmental conditions. The third chapter called “FRP debonding- anchorage” refers to the detachment problem of the FRP material from the strengthened member and studies how the anchorage of the material can be used as a solution. The fourth chapter called “Shear strengthening of concrete members using FRP materials” starts with the need of shear strengthening and continues with the methods used today concerning FRPs and shear strength. There is a presentation of the codes concerning this part and a comparison of them justified by numerical applications. At the fifth chapter called “Bending strengthening of concrete using FRP materials” there is a presentation of how FRPs can increase the bending strength of a concrete member and includes numerical applications based on codes concerning this part of strengthening. The sixth chapter called “Confinement of concrete structures using FRP” refers to how fiber reinforced polymers contribute to the confinement of structures and how can the FRP-slide from the strengthened member can be avoided. There is a presentation of the codes concerning this part and a comparison of them justified by numerical applications. The seventh chapter called “Joints strengthening using FRP material” there is a reference to “how can the FRP materials reinforce a beam-column joint”, and numerical applications according to codes concerning this part. At the eighth chapter called “Strengthening of masonry structures using FRP” there are some rules of how can the FRP material be applied on a masonry wall and includes what codes suggest for this kind of reinforcement. It also consists of numerical applications and compares the codes with analytical studies which are done for this type of strengthening. At last, at the chapter 9 called “Non-linear analysis of a masonry wall strengthened by diagonal FRP” there are the results of a wall analysis strengthened diagonally and their comparison with experimental results and results derived from analytical models according to codes.