Νέες τεχνικές και υλικά για την ενίσχυση πλαισίων οπλισμένου σκυροδέματος μέσω εμφατνούμενης τοιχοποιίας: πειραματική και αναλυτική μελέτη

Abstract

The subject of the present thesis is the experimental and analytical investigation of strengthening masonry infilled reinforced concrete (RC) frames with Textile-Reinforced Mortar (TRM). The proposed strengthening technique comprises the application of externally applied TRM layers on the infills surfaces and the connection to the surrounding RC frame members. TRM is a composite material which comprise fibers in form of textiles in combination with inorganic matrices (such as cement based mortars). The experimental campaign includes tests on small-scale specimens (i.e. masonry subassemblies) as well as on large-scale specimens (3-story masonry infilled RC frames). In the framework of the first part of the experimental campaign different methods of masonry infill-concrete connection are examined by developing and testing textile-based anchors. The parameters under investigation include mainly the type of boundary conditions at the masonry-concrete interface, the geometry and fiber volume of anchors and the type and number of layers of the textile. It is concluded that the anchors developed in this study enable the transfer of substantial tensile forces between masonry and concrete. The second part of the experimental campaign includes the application of TRM on nearly full-scale, as-built and retrofitted, 3-storey frames, subjected to in-plane cyclic loading. The results of testing a 2:3 scale, as-built frame representing typical structures with non-seismic design and detailing characteristics and of a companion frame retrofitted via TRM jacketing are compared in terms of the efficiency of the proposed technique to enhance the strength and deformation characteristics. Additionally, in order to determine the dynamic characteristics of the frames free vibration tests are performed in three different stages of their construction (bare frame; infilled-frame; retrofitted-infilled frame). It is concluded that the proposed strengthening technique is very effective in increasing the lateral strength, the deformation capacity, the initial elastic stiffness as well as the dissipating energy of the infilled frames. The last part of the thesis presents an analytical approach for modeling the behavior of TRM-retrofitted infilled RC frames under seismic loading. The model falls into the discrete diagonal-element type and is based on the use of a single-strut and single-tie elements to represent the infill panel and it builds on the results of the experimental campaign. The model is implemented in a nonlinear finite-element code, with the parameters of the diagonal elements being determined from a series of tests on TRM coupons and masonry specimens. The results of the numerical analyses are compared with the experimental data and is concluded that the model adequately accounts for the TRM-strengthening contribution to the global response of masonry-infilled frames.

Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής διερευνήθηκε – τόσο σε πειραματικό όσο και σε αναλυτικό επίπεδο – η ενίσχυση των τοιχοπληρώσεων σε πλαίσια ΟΣ με μια νέα τεχνική που κάνει χρήση ενός προηγμένου σύνθετου υλικού γνωστού ως «Ινοπλέγματα σε Ανόργανη Μήτρα (ΙΑΜ)». Η τεχνική αυτή αποτελεί εναλλακτική πρόταση ενίσχυσης έναντι άλλων, συμβατικών και μη, τεχνικών και χαρακτηρίζεται από την ευκολία εφαρμογής της, τις εξαιρετικές ιδιότητες του υλικού καθώς και τα συγκριτικά πλεονεκτήματα του τελευταίου έναντι ανταγωνιστικών υλικών για τον ίδιο σκοπό, όπως τα ινοπλισμένα πολυμερή. Για τη διερεύνηση της αποδοτικότητας της νέας τεχνικής σχεδιάσθηκε και εκτελέστηκε ένα πολύπλευρο πειραματικό πρόγραμμα. Αρχικά αναπτύχθηκε ένα νέου είδους αγκύριο με βάση τα πλέγματα ινών, το οποίο δοκιμάσθηκε ως μέσο σύνδεσης μεταξύ στοιχείων τοιχοποιίας και σκυροδέματος. Όπως έδειξαν πειραματικές δοκιμές για τη σύνδεση τοιχοποιίας-στοιχείων σκυροδέματος, τα αγκύρια που αναπτύχθηκαν αποδείχθηκαν επαρκώς αποτελεσματικά ώστε να χρησιμοποιηθούν στο δεύτερο - και κυρίως μέρος - του πειραματικού προγράμματος, το οποίο περιελάμβανε δοκιμές σε τριώροφα τοιχοπληρωμένα πλαίσια. Στα πλαίσια του δεύτερου μέρους του πειραματικού προγράμματος κατασκευάσθηκαν και δοκιμάσθηκαν, σε εντός επιπέδου ανακυκλιζόμενη φόρτιση, δύο τοιχοπληρωμένα πλαίσια μεγάλης κλίμακας (2/3). Το ένα εξ αυτών δοκιμάσθηκε χωρίς να ενισχυθεί και απετέλεσε το δοκίμιο αναφοράς, ενώ το άλλο δοκιμάσθηκε μετά την ενίσχυσή του με μανδύες ΙΑΜ και την υλοποίηση αγκύρωσης/σύνδεσης της τοιχοπλήρωσης με τα περιμετρικά μέλη του πλαισίου. Επιπλέον των δοκιμών κυκλικής φόρτισης, πραγματοποιήθηκαν και δοκιμές ελεύθερης ταλάντωσης για τη μελέτη της επιρροής των τοιχοπληρώσεων – ενισχυμένων και μη – στα δυναμικά χαρακτηριστικά του πλαισίου. Τα αποτελέσματα των δοκιμών στα τριώροφα τοιχοπληρωμένα πλαίσια κατέδειξαν τη συμβολή της νέας τεχνικής στη βελτίωση της απόκρισης του πλαισίου με αύξηση της αντοχής του σε πλευρική φόρτιση, της ικανότητας παραμόρφωσής του και της ικανότητας ανάλωσης ενέργειας. Το τρίτο μέρος της έρευνας επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη αναλυτικού προσομοιώματος, το οποίο βασίσθηκε στη χρήση γραμμικών στοιχείων θλιπτήρα-ελκυστήρα για την προσομοίωση της απόκρισης των τοιχοπληρώσεων (ενισχυμένων και μη). Για τον υπολογισμό των ιδιοτήτων του θλιπτήρα έγινε χρήση αναλυτικών σχέσεων από τη βιβλιογραφία, ενώ για τον υπολογισμό των ιδιοτήτων του ελκυστήρα αναπτύχθηκε κατάλληλη αναλυτική μεθοδολογία. Για τον προσδιορισμό συγκεκριμένων παραμέτρων που απαιτούνταν για το αναλυτικό προσομοίωμα της ενισχυμένης τοιχοπλήρωσης, διεξήχθησαν πρόσθετες δοκιμές και συγκεκριμένα, δοκιμές εφελκυσμού ΙΑΜ, δοκιμές κεντρικής θλίψης τοιχοσωμάτων – ενισχυμένων και μη – και δοκιμές διαγώνιας θλίψης τοιχοσωμάτων – ενισχυμένων και μη. Οι πειραματικά προσδιορισμένες ιδιότητες του υλικού της ενίσχυσης (όπως η εφελκυστική του αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας) καθώς και οι ιδιότητες των τοιχοσωμάτων (όπως η θλιπτική αντοχή, η διατμητική τάση ρηγμάτωσης, το μέτρο ελαστικότητας και το μέτρο διάτμησης) χρησιμοποιήθηκαν ως τιμές των αντίστοιχων παραμέτρων του αναλυτικού προσομοιώματος. Τα παραπάνω στοιχεία ενσωματώθηκαν σε λογισμικό ανοικτού κώδικα για τη μη-γραμμική ανάλυση κατασκευών, στο οποίο τα μέλη του πλαισιακού φορέα (δοκοί και υποστυλώματα) προσομοιώνονται με γραμμικά στοιχεία συγκεντρωμένης ανελαστικότητας στα άκρα τους. Για την προσομοίωση των δύο πειραματικών δοκιμίων (μη ενισχυμένο και ενισχυμένο τοιχοπληρωμένο τριώροφο πλαίσιο) πραγματοποιήθηκαν σειρές αναλύσεων με στόχο την βαθμονόμηση-επαλήθευση του αναλυτικού προσομοιώματος. Βάσει των αναλύσεων προέκυψε ότι το αναλυτικό προσομοίωμα μπορεί να αναπαράγει με καλή ακρίβεια την απόκριση των πειραματικών δοκιμίων. Η διατριβή χωρίζεται σε επτά κεφάλαια. Στο Κεφάλαιο 1 πραγματοποιείται η εισαγωγή στο αντικείμενο της εργασίας και στο πρόβλημα το οποίο επιχειρεί να αντιμετωπίσει. Στο πλαίσιο της περιγραφής του προβλήματος παρουσιάζονται συνοπτικά οι υφιστάμενες τεχνικές αντιμετώπισης, οι οποίες είτε εφαρμόζονται στο πεδίο είτε έχουν διερευνηθεί πειραματικά. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφεται συνοπτικά το υλικό το οποίο χρησιμοποιείται στη νέα τεχνική που αναπτύσσεται στην παρούσα εργασία, δηλαδή τα «Ινοπλέγματα σε Ανόργανη Μήτρα (ΙΑΜ)», μαζί με μία σύντομη ανασκόπηση των ερευνητικών εργασιών της διεθνούς βιβλιογραφίας που κάνουν χρήση των ΙΑΜ σε εφαρμογές ενισχύσεων στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος (ΟΣ) και τοιχοποιίας. Το Κεφάλαιο 3 αποτελεί ένα μικρό κεφάλαιο στο οποίο περιγράφεται εποπτικά το σύνολο του πειραματικού προγράμματος το οποίο χωρίζεται σε τρία μέρη. Το πρώτο μέρος παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 4 και διερευνά τη σύνδεση μεταξύ μελών ΟΣ και τοιχοποιίας μέσω ΙΑΜ και ειδικά διαμορφούμενων αγκυρίων ινών. Στο Κεφάλαιο 5, το οποίο αποτελεί τον κορμό της παρούσας εργασίας, παρουσιάζεται το δεύτερο μέρος του πειραματικού προγράμματος που αποτελείται από δοκιμές σε τριώροφα τοιχοπληρωμένα πλαίσια μεγάλης κλίμακας. Η περιγραφή του τρίτου μέρους του πειραματικού προγράμματος, το οποίο περιλαμβάνει συμπληρωματικές δοκιμές για την υποστήριξη των αναλύσεων, ενσωματώνεται στο Κεφάλαιο 6 μαζί με την περιγραφή του αναλυτικού προσομοιώματος και των αριθμητικών αναλύσεων. Τέλος, στο Κεφάλαιο 7 πραγματοποιείται η σύνοψη της εργασίας και η παράθεση των συμπερασμάτων που προκύπτουν από αυτή.