Επεμβάσεις δομικών στοιχείων και κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα με λεπτούς μανδύες

Abstract

In the last decades, the attention of researchers and engineers has been drawn to the enhancement and seismic retrofitting of existing reinforced concrete (RC) structures that fall short of prescribed performance requirements. Various challenges, such as inadequate maintenance, increased loads, evolving design codes, and environmental factors, continually pose threats to the durability of RC structures, including buildings, bridges, and engineering constructions. Of particular concern is their susceptibility to shear failure. Shear failure is known for its brittle nature, often causing sudden, partial, or complete collapse with catastrophic consequences. Therefore, it is imperative to promptly address these shortcomings and improve the shear resistance of such structures. Several techniques have been developed and utilized to diminish vulnerabilities associated with shear failure. One of the widespread methods involves using externally bonded carbon fiber-reinforced polymer (EB-CFRP) sheets and laminates because of their simple application and strengthening efficiency provided in cases of closed-form jacketing by wrapping FRPs around structural elements of rectangular cross-section. However, constructional limitations in existing RC buildings, as the existence of the slab, hinder EB-CFRP wrapping of RC beams and lead to the formation of open types of strengthening. This approach causes anchorage problems and often results in brittle failures because of the CFRP debonding. Various anchoring methods have been developed to delay or address the premature debonding issue and improve the overall performance of the EB-CFRP strengthening systems. Among these, spike anchors, typically CFRP ropes, gained traction as a practical solution for anchoring the EB-CFRP sheets to the concrete substrate. However, even today, a universally accepted method for the design of anchorage has not yet been established. The current doctoral thesis includes an analytical and experimental investigation that addresses the above issues. In this context, the response of beams strengthened against shear with externally bonded CFRP sheets in a U-shaped configuration is first studied experimentally. Meanwhile, the potential enhancement of the CFRP sheets' anchorage using bolted steel laminates has also been examined. Additionally, the ability of a non-destructive structural health monitoring (SHM) system to detect possible debonding of externally bonded CFRP sheets has also been investigated. Further, the design provisions of three different Code Standards (Greek Code of Interventions, Eurocode 8, and ACI) concerning the shear capacity of T-shaped RC beams retrofitted with EB-FRP jackets or strips in U-jacketing configuration are investigated. The ability of these Code Standards to predict safe design estimations is checked against test data from the current experimental project and data available in the literature. To address the negative effects of premature debonding of externally bonded CFRP sheets in U-type configurations, two alternative configurations have been proposed. The first method transforms the open-type strengthening into a closed-type by using CFRP ropes that anchor the thin FRP jackets appropriately. The second method involves creating a closed-form strengthening by positioning CFRP ropes in notches as near-surface-mounted reinforcement and wrapping them around the beam’s web. These closed types of strengthening are performed and tested by either embedding the rope through holes in the slab or through the web of the beam. These two different setups imitate both accessible and inaccessible scenarios for the upper side of the slab. The effectiveness of these proposed strengthening configurations is experimentally examined both individually and in comparison, with one another, focusing on beams with shear and torsional deficiencies. Additionally, a step-by-step methodology for applying these methods is developed and presented, aiming to minimize construction defects and provide instructions for the practical application of thin closed-formed jackets, without premature debonding defects, in real RC structures. A new analytical approach is proposed for prediction of the overall torsional behavior of RC T-beams strengthened with thin FRP jackets in the form of externally bonded sheets and ropes formed as a closed-type jacketing. The ability of the regulatory provisions of four codes, which provide guidelines for estimating the torsional strength of RC beams reinforced with externally bonded FRP sheets, to safely predict torsional strength was also tested through comparisons with experimental data from literature. Finally, the extension of using CFRP ropes for the shear strengthening of RC beam-column joints is investigated. A comparative evaluation of the response of external RC beam-column joints strengthened with thin jackets of EB-CFRP sheets and those strengthened with CFRP ropes is carried out. In addition, the new proposed closed type strengthening was applied for the strengthening of the beam area of an RC beam - column joint.

Τις τελευταίες δεκαετίες, η προσοχή των ερευνητών και των μηχανικών έχει στραφεί στη βελτίωση και σεισμική αναβάθμιση των υφιστάμενων κατασκευών από ωπλισμένο σκυρόδεμα (ΩΣ) που υπολείπονται των προβλεπόμενων σύγχρονων απαιτήσεων. Παράλληλα, διάφορες προκλήσεις, όπως η ανεπαρκής συντήρηση, η ανάληψη αυξημένων φορτίων και οι φθορές από σεισμικές διεγέρσεις ή περιβαλλοντικούς παράγοντες, θέτουν συνεχώς απειλές για την αντοχή, στατική επάρκεια και ανθεκτικότητα των κατασκευών ΩΣ, συμπεριλαμβανομένων των κτηρίων, των γεφυρών και άλλων δομικών έργων. Επιπλέον, ιδιαίτερη ανησυχία προκαλεί η ευαισθησία των υφιστάμενων κατασκευών ΩΣ έναντι διατμητικής αστοχίας. Η διατμητική αστοχία είναι γνωστή για την ψαθυρή της φύση, προκαλώντας συχνά αιφνίδια μερική ή πλήρη κατάρρευση, με καταστροφικές συνέπειες. Ως εκ τούτου, είναι επιτακτική ανάγκη να αντιμετωπιστούν αποτελεσματικά οι παθογένειες που μπορεί να οδηγήσουν σε διατμητικού τύπου ανεπάρκεια αυτών των κατασκευών. Έχουν αναπτυχθεί και χρησιμοποιηθεί διάφορες τεχνικές για τη μείωση των τρωτών σημείων που σχετίζονται με τη διατμητική αστοχία. Μία από τις ευρέως διαδεδομένες μεθόδους ενίσχυσης δομικών στοιχείων ΩΣ περιλαμβάνει τη χρήση εξωτερικά επικολλημένων φύλλων και ελασμάτων από ινωπλισμένα πολυμερή (ΙΝΩΠ) λόγω της, εν γένει, απλής εφαρμογής και της αποτελεσματικότητας που παρέχεται σε περιπτώσεις μανδυών κλειστής μορφής με την περιτύλιξη των ΙΝΩΠ σε δομικά στοιχεία με ορθογωνική διατομή. Ωστόσο, κατασκευαστικοί περιορισμοί σε υφιστάμενες δοκούς ΩΣ, όπως η ύπαρξη πλάκας, εμποδίζουν την πλήρη περιτύλιξη αυτών με εξωτερικά επικολλημένα ΙΝΩΠ και οδηγούν στη δημιουργία ανοιχτών μορφών ενίσχυσης. Η προσέγγιση αυτή εμφανίζει προβλήματα αγκύρωσης των ΙΝΩΠ που οδηγεί σε πρόωρες διατμητικές αστοχίες λόγω αποκόλλησης των ΙΝΩΠ. Έχουν προταθεί διάφορες μέθοδοι αγκύρωσης για την καθυστέρηση ή την αντιμετώπιση του προβλήματος της πρόωρης αποκόλλησης και βελτίωσης της συνολικής απόδοσης αυτών των συστημάτων. Μεταξύ αυτών, τα αγκύρια ΙΝΩΠ, συνήθως από δεσμίδες (κορδόνι) ΙΝΩΠ, κέρδισαν έδαφος ως πρακτική λύση, αγκυρώνοντας τα εξωτερικά επικολλημένα φύλλα ΙΝΩΠ στο υπόστρωμα του σκυροδέματος. Ωστόσο, έως σήμερα δεν έχει καθιερωθεί μια καθολικά αποδεκτή μέθοδος για τον υπολογισμό της συνεισφοράς και σχεδιασμό της αγκύρωσης. Η παρούσα διδακτορική διατριβή περιλαμβάνει μία πειραματική και αναλυτική διερεύνηση που πραγματεύεται τα ανωτέρω ζητήματα. Στο πλαίσιο αυτό, αρχικά εξετάσθηκε πειραματικά η απόκριση δοκών ΩΣ με διατομή Τ (πλακοδοκοί) ενισχυμένων έναντι διάτμησης με εξωτερικά επικολλημένους λεπτούς μανδύες φύλλων ΙΝΩΠ ανοιχτής μορφής (διαμόρφωση τύπου U). Επίσης μελετήθηκε και η πιθανή βελτίωση της αγκύρωσης αυτών με τη χρήση χαλύβδινων κοχλιωτών ελασμάτων. Επιπλέον, διερευνάται η ικανότητα ενός συστήματος μη καταστρεπτικού ελέγχου δομικής ακεραιότητας (ΜΗΚΕΔΑ) να ανιχνεύει την πιθανή αποκόλληση εξωτερικά επικολλημένων φύλλων ΙΝΩΠ. Ελέγχθηκε επίσης η δυνατότητα των κανονιστικών διατάξεων τριών διαφορετικών κανονισμών (Ελληνικός Κανονισμός Επεμβάσεων, Ευρωκώδικας 8 και ACI) να προβλέπουν με ασφάλεια τη διατμητική αντοχή ενισχυμένων πλακοδοκών ΩΣ με μανδύες ή λωρίδες εξωτερικά επικολλημένων ΙΝΩΠ που έχουν ανοιχτή διαμόρφωση. Ο έλεγχος των αναλυτικών σχέσεων των κανονισμών έγινε σε σχέση με πειραματικά δεδομένα από το παρόν πρόγραμμα δοκιμών και άλλων που είναι διαθέσιμα στη βιβλιογραφία. Προτάθηκαν δύο εναλλακτικές μορφές επεμβάσεων για την αντιμετώπιση της πρόωρης αποκόλλησης των εξωτερικά επικολλημένων λεπτών μανδυών ΙΝΩΠ ανοιχτής διαμόρφωσης σε πλακοδοκούς με προβλήματα διατμητικού χαρακτήρα. Η πρώτη μετατρέπει την ανοιχτή μορφή ενίσχυσης σε κλειστή με τη χρήση δεσμίδων ΙΝΩΠ που αγκυρώνουν κατάλληλα τους λεπτούς μανδύες ΙΝΩΠ. Στη δεύτερη δημιουργείται ενίσχυση κλειστής διαμόρφωσης με δεσμίδες ΙΝΩΠ που τοποθετούνται σε εγκάρσιες εγκοπές στην επιφάνεια του στοιχείου περιτυλίγοντας τον κορμό της δοκού. Ο σχηματισμός των εν λόγω κλειστών μορφών ενίσχυσης εξετάσθηκε είτε με την τοποθέτηση της εκάστοτε δεσμίδας δια μέσου οπών είτε κάθετα στην πλάκα είτε οριζόντια στον κορμό της δοκού, κάτω από την πλάκα, για την περίπτωση μη προσβασιμότητας στην άνω πλευρά της πλάκας. Η αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων μορφών επεμβάσεων για τη βελτίωση της συνολικής απόκρισης δοκών ΩΣ με διατομή Τ ελέγχθηκε πειραματικά, μεμονωμένα και συγκριτικά μεταξύ τους, σε δοκούς με διατμητική και στρεπτική ανεπάρκεια. Επίσης, αναπτύχθηκε μία βήμα προς βήμα νέα μεθοδολογία εφαρμογής των ανωτέρω τεχνικών επεμβάσεων με στόχο την ελαχιστοποίηση κατασκευαστικών ατελειών και κατάρτιση οδηγιών για την πρακτική εφαρμογή λεπτών μανδυών κλειστής διαμόρφωσης, χωρίς προβλήματα πρόωρης αποκόλλησης, σε πραγματικές κατασκευές ΩΣ. Προτάθηκε μια νέα αναλυτική μέθοδος πρόβλεψης της συνολικής στρεπτικής συμπεριφοράς πλακοδοκών ΩΣ που έχουν ενισχυθεί με λεπτούς μανδύες ΙΝΩΠ σε μορφή εξωτερικά επικολλημένων υφασμάτων και δεσμίδων που έχουν διαμορφωθεί ως μανδύας κλειστού τύπου. Επίσης, ελέγχθηκε η ικανότητα των κανονιστικών διατάξεων τεσσάρων κανονισμών που παρέχουν οδηγίες για τον υπολογισμό της στρεπτικής αντοχής δοκών ΩΣ ενισχυμένων με εξωτερικά επικολλημένα φύλλα ΙΝΩΠ, να προβλέπουν με ασφάλεια τη στρεπτική αντοχή μέσω συγκρίσεων με πειραματικά δεδομένα από τη διεθνή βιβλιογραφία. Ακόμη, εξετάσθηκε η επέκταση της χρήσης των δεσμίδων ΙΝΩΠ για την ενίσχυση έναντι διάτμησης κόμβων δοκού - υποστυλώματος ΩΣ. Πραγματοποιήθηκε συγκριτική αξιολόγηση της απόκρισης εξωτερικών κόμβων δοκού - υποστυλώματος ΩΣ ενισχυμένων με λεπτούς μανδύες και με δεσμίδες ΙΝΩΠ. Συμπληρωματικά, η τεχνική εφαρμόστηκε για την ενίσχυση της περιοχής της δοκού, σε δοκίμιο κόμβου δοκού - υποστυλώματος ΩΣ.