Συμπεριφορά αγκυρίων σύνδεσης δοκών με υποστυλώματα κοίλης χαλύβδινης διατομής γεμισμένης με σκυρόδεμα

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η πειραματική διερεύνηση της συμπεριφοράς μηχανικών αγκυρίων διογκούμενης κεφαλής, χρησιμοποιούμενα ως μέσο σύνδεσης δοκού σε υποστύλωμα κοίλης χαλύβδινης διατομής γεμισμένης με σκυρόδεμα. Παρά την ευρεία διάδοση των σύμμικτων κατασκευών, παρατηρείται η έλλειψη κανονιστικού πλαισίου μόρφωσης σύμμικτων κόμβων δοκού – υποστυλώματος, σε περιπτώσεις κατά τις οποίες απαιτείται η σύνδεση δοκού σε σύμμικτο υποστύλωμα κοίλης διατομής, όταν έχει ολοκληρωθεί η διαδικασία της πλήρωσής του με σκυρόδεμα και η ωρίμανση αυτού. Έτσι στόχος της εργασίας είναι η εξέταση της δυνατότητας χρήσης αγκυρίων για το σκοπό αυτό και η αξιολόγηση της καταλληλότητα τους. Ο τύπος αγκυρίων, που χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή των πειραματικών κόμβων επιλέχθηκε έτσι ώστε μετά την εγκατάσταση των αγκυρίων στο πληρωμένο με σκυρόδεμα υποστύλωμα, να είναι δυνατή η μετέπειτα προσάρτηση στο υποστύλωμα της μετωπικής πλάκας με τη συγκολλημένη επί αυτής δοκό. Προκειμένου να σχηματιστεί μια εποπτική εικόνα σε σχέση με τις εφαρμογές των αγκυρίων, τις ιδιότητες και τους τρόπους αστοχίας τους, δίνονται συνοπτικά οι κυριότερες διατάξεις δύο ευρέως αποδεκτών και διαδεδομένων ευρωπαϊκών οδηγιών σχεδιασμού αγκυρώσεων. Στις οδηγίες αυτές, σε συνδυασμό με τις σχετικές διατάξεις από τους Ευρωκώδικες 3 και 4, βασίστηκε ο σχεδιασμός των πειραματικών μοντέλων. Συγκεκριμένα, το μοντέλο της έρευνας ήταν ένας μονόπλευρος κόμβος αποτελούμενος από ένα υποστύλωμα κοίλης τετραγωνικής διατομής, με εγκιβωτισμένο σκυρόδεμα και μια χαλύβδινη δοκό τύπου HEA,συγκολλημένη στο ένα άκρο της με μετωπική πλάκα, η οποία προσαρτάται μέσω των αγκυρίων στο υποστύλωμα. Πραγματοποιήθηκαν έξι πειράματα, όπου το πειραματικό μοντέλο υποβαλλόταν σε μονοτονική στατική φόρτιση στο ελεύθερο άκρο της δοκού, μέχρι την ολοκληρωτική αστοχία του κόμβου. Η παράμετρος που σε κάθε πείραμα διαφοροποιούνταν ήταν η απόσταση του σημείου επιβολής του φορτίου στη δοκό από τη διεπιφάνεια μετωπικής πλάκας – υποστυλώματος. Από την ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων προκύπτει ότι τα αγκύρια καταπονήθηκαν από δυνάμεις εφελκυσμού και διάτμησης με τιμές κατά πολύ μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες αντοχές που δίνονται στην τεχνική τους έγκριση. Επίσης η κοίλη χαλύβδινη διατομή εμπόδισε την αστοχία του σκυροδέματος, η οποία κατά τα άλλα θα ήταν κρίσιμη, με αποτέλεσμα σε όλες τις δοκιμές να εκδηλώνεται αστοχία των αγκυρίων. Η αστοχία των αγκυρίων ήταν ψαθυρή για υψηλές τιμές τέμνουσας και όλκιμη για καταπόνηση κυρίαρχα σε εφελκυσμό, ενώ ανά πείραμα παρουσίαζε διαφοροποιήσεις και η στροφική απόκριση του κόμβου. Τέλος, για μια συγκριτική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων χρήσιμη θα ήταν στο μέλλον η πειραματική μελέτη ανάλογου κόμβου, με χρήση διαφορετικού τύπου αγκυρίων ή με διαφορετική διαμόρφωση της σύνδεσης.

The object of the present diploma thesis is the experimental investigation of the behaviour of mechanical undercut anchors, used as a means of connecting beam to concrete filled hollow section column. Despite the widespread diffusion of composite structures, a lack in regulative frames for the formation of beam to column composite joints is observed in cases in which the connection of the beam to the concrete filled hollow section column is required when the procedure of its repletion with the concrete has been completed and has matured. Thus, the goal of this thesis is to examine the possibility of using anchors to this end along with the evaluation of their adequacy. The type of anchors, which were used for the construction of the experimental joints, was chosen so that upon the installation of the anchors into the concrete filled column, the annexation at the column of the backing plate with the welded beam would be possible. In order for a supervisory image concerning the anchors’ applications, properties and failure modes to be formed, the main ordinances of the two most accepted and widespread anchor design guides are given. The design of the experimental models was based on these guides, in conjunction with the relative regulations from Eurocodes 3 and 4. Particularly, the model of this research was a single-sided joint, which consisted of a square concrete filled hollow section column and a HEA steel beam, welded on the one side to a frontal plate, which was annexed to the column through the anchors. Six experiments were conducted, in which the experimental model was subjected to a monotone, static load from the free end of the beam until the completed failure of the joint. The parameter which changed in each experiment was the distance from the point the load was placed on the beam to the interface of the frontal plate – column. The analysis of the experiments’ results showed that the values representing the strain that the anchors underwent from the tension and sheer forces were much larger than the design resistance which was given in their technical approval. Moreover, the steel hollow section obstructed the concrete’s failure, which, under other circumstances, would have been critical, which resulted in the failure of the anchors in all the attempts made. The failure of the anchors was brittle for high secant values and ductile for the strain dominant in tension, while it presented differences and rotational response to the joint in each experiment. Finally, so as to achieve a comparative evaluation of the results, an experimental study on a corresponding joint with the usage of a different type of anchor or with a different connection formation would be useful in the future.