Αποκατάσταση και ενίσχυση διαβρωμένων στοιχείων από ωπλισμένο σκυρόδεμα με σύνθετα υλικά

Abstract

This study reviews thoroughly available experiments and analytical approaches in the relevant international literature and introduces a calculation model for assessing steel bar mass loss and contributes to further utilization of common in-situ inspections from a structural point of view. The model is based on the width of longitudinal crack of concrete cover, as a function of cover depth, bar diameter and mechanical properties of concrete. The model includes the well-known relationships for the steel mass loss during the first phase of rust formulation, filling the porous zone as well as during the phase that the radial pressure exceeds the concrete strength and causes cover cracking. The assumption followed herein for the flexibility of cracked concrete allows for the estimation of steel bar corrosion rate even beyond concrete cover cracking, by visual mapping of the width of longitudinal cracks. Then, the corresponding flexural capacity of the beams at yield and at maximum may be assessed. The predictions of the model are validated against 51 non-strengthened corroded beams and 24 strengthened corroded beams with FRP materials published in the international literature.The experimental results on the effectiveness of patch repair and Fiber Reinforced Polymers bonded laminates to retrofit reinforced concrete beams with corrosion damage are investigated in the present research. The uncovering of the damaged concrete cover provides a more accurate assessment of the corrosion degree, as the actual mass loss of reinforcement can be better calibrated. The mass loss of the tensile reinforcement varied at approximately 7.5% to 24%. The necessity of the removal of the cracked concrete substrate, treatment of corroded reinforcement and repair by patching with a polymer modified mortar is highlighted. Two different strengthening techniques are implemented, of externally bonded EBR or NSM Carbon Fiber Reinforced Polymers, having equivalent axial rigidity. CFRP wraps were also applied for shear strengthening to replace corroded stirrups. The load-deflection curves showed that the effect of corrosion on load bearing capacity and bond between the concrete and steel was detrimental for high mass losses. Α satisfactory force transfer through the old and patch repaired concrete and through repair mortar and CFRP reinforcement interface was noted. The shear strengthening not only prevented the debonding of the EB laminate at the end but also improved the bond performance between the laminate and concrete, especially for the high corroded beam.In the current research the structural behavior of reinforced concrete beams with corroded steel reinforcement at service loads was also studied. One beam was non-corroded, while two beams were corroded under the same conditions of an accelerated electrochemical technique and then subjected to vertical service loads that corresponded to 60% and 75% of the yield load of the non-corroded beam respectively for three corrosion cycles (with maximum mass loss around 25% for the first and 30% for the latter). Longitudinal cracks due to corrosion and flexural cracks due to loading were thoroughly recorded at the end of each cycle. The beam under the 75% service load had higher deflection increase for heavier corrosion. After the three successive serviceability load tests, the cracked concrete cover was removed and the steel rebars were treated. The cement-based repair mortar and two NSM FRP laminates were applied to both beams and were tested to failure. Despite the heavy corrosion, the patch repair and NSM strengthening enhanced the load-bearing capacity of the beams when compared with the non-corroded beam.Three-dimensional Finite Element (FE) models for the corroded reinforced concrete beams were developed and validated against the consequent experimental study. Experimental and 3D numerical modeling results are presented in terms of load-deflection curves and failure modes for corroded RC beams at three different corrosion levels (low, medium, high), patch repaired with polymer modified mortar and strengthened with externally bonded EBR or near surface mounted NSM CFRP laminates. The 3D FE models take into account the different mechanical properties and detailing of corroded bars and of the mortar patch as well as of the existing concrete – mortar patch interface and of the NSM or EBR FRP – mortar patch interface. The high reliability of the FE models allowed for extensive parametric studies to assess the influence of the mechanical properties of the old concrete and of the repair mortar on the performance of retrofits with multiple critical interfaces, the modes of failure and the behavior of the strengthened beams.

Αντικείμενο μελέτης της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της συμπεριφοράς στοιχείων δοκών από ωπλισμένο σκυρόδεμα με διαβρωμένο τον χαλύβδινο οπλισμό και της αποτελεσματικότητας της επισκευής του διαβρωμένου υποστρώματος αλλά και της ενίσχυσης με ινωπλισμένα πολυμερή. Η υφιστάμενη πειραματική έρευνα στο πεδίο της επισκευής του ρηγματωμένου υποστρώματος είναι περιορισμένη. Έτσι η παρούσα έρευνα εμβαθύνει στην μελέτη της μεθόδου επισκευής και στην επιρροή της στην αποτελεσματικότητα της ενίσχυσης. Η βιβλιογραφική ανασκόπηση οδήγησε στην ανάπτυξη αναλυτικού προσομοιώματος εκτίμησης της απώλειας μάζας του χαλύβδινου οπλισμού με βάση το εύρος των διαμήκων ρωγμών λόγω διάβρωσης όπως προκύπτει από οπτικό έλεγχο. Το αναλυτικό προσομοίωμα θεωρεί τρία διαφορετικά στάδια για την μηχανική συμπεριφορά του συστήματος που αποτελείται από την χαλύβδινη ράβδο και το περιβάλλον σκυρόδεμα και εξαρτάται από το εύρος της ρωγμής, το βάθος της επικάλυψης του σκυροδέματος, την διάμετρο της ράβδου και τις μηχανικές ιδιότητες του σκυροδέματος. Κατά το πρώτο στάδιο όπου υπάρχει εναπόθεση της σκουριάς, θεωρείται ότι τα προϊόντα λόγω διάβρωσης γεμίζουν την ζώνη του πορώδους γύρω από την ράβδο. Κατά το δεύτερο στάδιο, επιπρόσθετα προϊόντα σκουριάς ασκούν πίεση στο περιβάλλον σκυρόδεμα, η ακτινική τάση υπερβαίνει την εφελκυστική αντοχή του σκυροδέματος και έτσι η επικάλυψη του σκυροδέματος ρηγματώνεται. Στο τρίτο στάδιο, περεταίρω ακτινική διαστολή προκαλεί αύξηση του ανοίγματος της ρωγμής και κατά συνέπεια του εύρους αυτής. Στην συνέχεια μπορεί να εκτιμηθεί η καμπτική ικανότητα δοκών από ωπλισμένο σκυρόδεμα, χωρίς και με ενίσχυση με σύνθετα υλικά ΙΩΠ. Συστάθηκε βάση πειραματικών δεδομένων, συγκρίθηκαν οι εκτιμήσεις του προτεινόμενου αναλυτικού προσομοιώματος με 51 διαθέσιμα πειραματικά αποτελέσματα απώλειας μάζας του χάλυβα της διεθνούς βιβλιογραφίας και 24 πειραματικά αποτελέσματα καμπτικής ικανότητας ενισχυμένων δοκών με ΙΩΠ και προέκυψε αξιοσημείωτη σύγκλιση.Στην συνέχεια καταρτίζεται πειραματικό πρόγραμμα διαβρωμένων δοκών από ωπλισμένο σκυρόδεμα, στις οποίες αφαιρείται το διαβρωμένο υπόστρωμα και επισκευάζεται με τσιμεντοειδές κονίαμα υψηλής αντοχής. Έπειτα ενισχύονται με σύνθετα υλικά από ινωπλισμένα πολυμερή άνθρακα (Carbon Fiber Reinforced Polymer). Στο εργαστήριο Ωπλισμένου Σκυροδέματος και Αντισεισμικών Κατασκευών του Δ.Π.Θ. κατασκευάστηκαν δύο σειρές δοκών διαστάσεων 150x300x2300 mm με διαφορετικό ογκομετρικό ποσοστό εφελκυόμενου χαλύβδινου οπλισμού και διαφορετικές συνθήκες φόρτισης. Μελετήθηκε η μηχανική συμπεριφορά δοκών που έχουν υποστεί διάβρωση του οπλισμού σε τρεις διαφορετικούς βαθμούς. Εξετάστηκε η περίπτωση επιταχυνόμενης διάβρωσης δοκών χωρίς ένταση καθώς επίσης και η περίπτωση κύκλων επιταχυνόμενης διάβρωσης δοκών, φόρτισής τους στο φορτίο λειτουργικότητας και επιβολής περαιτέρω διάβρωσης ώστε να εκτιμηθεί η επιρροή σταδιακά αυξανόμενης διάβρωσης στην επιτελεστικότητα των δοκών σε κατάσταση λειτουργικότητας προσομοιώνοντας με μεγαλύτερη προσέγγιση την πραγματική κατάσταση σε μια κατασκευή, η οποία ενώ υπομένει τα φορτία λειτουργίας υφίσταται διάβρωση των οπλισμών και υπάρχει αλληλεπίδραση.Στην πρώτη περίπτωση κατασκευάστηκαν συνολικά 10 δοκοί, εκ των οποίων η 1 παρέμεινε ως δοκός αναφοράς χωρίς να διαβρωθεί, ενώ οι υπόλοιπες 9 έχουν υποστεί διάβρωση του οπλισμού μέσω επιταχυνόμενης διαδικασίας. Η διαδικασία περιελάμβανε την εφαρμογή σταθερού ηλεκτρικού ρεύματος στον εφελκυόμενο χάλυβα και την ταυτόχρονη βύθιση των δοκών σε δεξαμενή με διάλυμα χλωριούχου νατρίου. Μελετήθηκαν τρεις διαφορετικοί βαθμοί διάβρωσης προσομοιώνοντας μικρό, μέτριο και έντονο διαβρωτικό περιβάλλον. Η απώλεια μάζας του εφελκυόμενου χαλύβδινου οπλισμού μετρήθηκε πειραματικά και κυμαίνεται μεταξύ 7.5% έως 24%. Ακολούθησε επισκευή των διαβρωμένων δοκών, η οποία και περιελάμβανε την αφαίρεση του ρηγματωμένου υποστρώματος σκυροδέματος, τον καθαρισμό του χάλυβα από τα προϊόντα διάβρωσης, την εφαρμογή αναστολέων διάβρωσης και τελικά την εφαρμογή κονιάματος τσιμεντοειδούς βάσης με συνθετικές ίνες υψηλής αντοχής. Στην συνέχεια εφαρμόστηκαν δύο διαφορετικές μέθοδοι καμπτικής ενίσχυσης των δοκών για κάθε βαθμό διάβρωσης, με εξωτερικά επικολλούμενο έλασμα ινών άνθρακα CFRP laminate (μέθοδος EBR) και με ελάσματα εγκοπής ινών άνθρακα CFRP NSM strips (μέθοδος NSM). Οι δύο μέθοδοι καμπτικής ενίσχυσης είχαν ισοδύναμη δυστένεια οπλισμού ενίσχυσης. Επιπρόσθετα, οι δοκοί ενισχύθηκαν διατμητικά με λωρίδες ινών άνθρακα CFRP για την αποφυγή διατμητικής αστοχίας. Όλες οι δοκοί φορτίστηκαν υπό συνθήκες μονότονης φόρτισης 4 σημείων μέχρι αστοχίας. Σύμφωνα με το μοτίβο και το εύρος των ρωγμών λόγω διάβρωσης του χαλύβδινου οπλισμού, την χαμηλή εφελκυστική αντοχή του διαβρωμένου σκυροδέματος από τις μετρήσεις της επιφανειακής αντοχής, αλλά και την αποκόλληση του σκυροδέματος κατά την διάρκεια της φόρτισης των διαβρωμένων δοκών αναφοράς τονίζεται ιδιαίτερα η ανάγκη αντικατάστασης του διαβρωμένου υποστρώματος με επισκευαστικό κονίαμα υψηλής αντοχής. Με αυτό τον τρόπο εξασφαλίζεται η βέλτιστη συνεισφορά και αποδοτικότητα του οπλισμού ενίσχυσης ΙΩΠ, ενώ για όλες τις δοκούς ενεργοποιήθηκε ο μηχανισμός πλήρους μεταφοράς της δύναμης ανάμεσα στο επισκευαστικό κονίαμα και τον οπλισμό ενίσχυσης. Και οι δύο μέθοδοι ενίσχυσης αποδείχθηκαν αποτελεσματικές στην αύξηση της καμπτικής ικανότητας σε μεγαλύτερα επίπεδα συγκριτικά με την δοκό χωρίς διάβρωση. Οι έντονες βλάβες στους συνδετήρες ενεργοποίησαν περεταίρω τον μηχανισμό των εγκάρσιων λωρίδων ΙΩΠ, αλλάζοντας την μορφή αστοχίας του εξωτερικού ελάσματος από αποκόλληση σε θραύση στην έντονα διαβρωμένη δοκό. Η αφαίρεση του διαβρωμένου σκυροδέματος παρέχει ακριβέστερη αξιολόγηση του βαθμού διάβρωσης, καθώς μπορεί να μετρηθεί η πραγματική απώλεια μάζας του οπλισμού. Στην δεύτερη περίπτωση κατασκευάστηκαν συνολικά 4 δοκοί εκ των οποίων η 1 παρέμεινε ως δοκός αναφοράς χωρίς να διαβρωθεί, ενώ οι υπόλοιπες 3 υποβλήθηκαν σε συνθήκες επιταχυνόμενης διάβρωσης. Η μια δοκός διαβρώθηκε έως ένα μικρό βαθμό, ενώ οι άλλες δύο δοκοί αρχικά διαβρώθηκαν σε ένα μικρό βαθμό διάβρωσης (επίπεδο 1-απώλεια μάζας χάλυβα περίπου 8.6%) και κατόπιν καταπονήθηκαν με μονότονο κατακόρυφο φορτίο ίσο με 60% και 75% του φορτίου διαρροής της δοκού αναφοράς που δεν διαβρώθηκε. Στην συνέχεια οι δοκοί υποβλήθηκαν σε περεταίρω διάβρωση του χαλύβδινου οπλισμού υπό τις ίδιες συνθήκες επιταχυνόμενης διαδικασίας και για το ίδιο χρονικό διάστημα σε μέτριο βαθμό διάβρωσης (επίπεδο 2) και έπειτα δοκιμάστηκαν στα ίδια φορτία λειτουργικότητας 60% και 75% αντίστοιχα. Τελικά, διαβρώθηκαν περεταίρω για το ίδιο χρονικό διάστημα σε έντονο βαθμό διάβρωσης (επίπεδο 3-απώλεια μάζας χάλυβα περίπου 25% και 30% αντίστοιχα) και κατόπιν δοκιμάστηκαν στα ίδια φορτία λειτουργικότητας 60% και 75% αντίστοιχα, επισκευάστηκαν και ενισχύθηκαν με ελάσματα εγκοπής ινών άνθρακα (μέθοδος NSM). Η επισκευή του ρηγματωμένου υποστρώματος με κονίαμα υψηλής αντοχής και η ενίσχυση με ελάσματα εγκοπής βελτίωσε σημαντικά την φέρουσα ικανότητα των δύο δοκών. Η οριακή κατάσταση λειτουργικότητας συσχετίζεται με τις έντονες βυθίσεις των δοκών που δοκιμάζονται σε κάμψη, λόγω της απώλειας συνάφειας ανάμεσα στο σκυρόδεμα και τον χάλυβα στην καμπτική περιοχή και λόγω της απώλειας μάζας του χαλύβδινου οπλισμού.Επιπρόσθετα, συγκρίνονται οι προβλέψεις του αναλυτικού προσομοιώματος με τις πειραματικές μετρήσεις της απώλειας μάζας του χάλυβα της παρούσας έρευνας και τα αποτελέσματα συγκλίνουν ικανοποιητικά. Η καμπτική συμπεριφορά των δοκών μελετήθηκε και αναλυτικά με την χρήση τρισδιάστατων πεπερασμένων στοιχείων ακολουθώντας ακριβώς την διάταξη της πειραματικής διαδικασίας και πανομοιότυπες συνθήκες φόρτισης. Τα προσομοιώματα μπορούν να περιγράψουν την μη γραμμική συμπεριφορά των υλικών, καθώς επίσης και την διεπιφάνεια ανάμεσα στο παλιό σκυρόδεμα και το επισκευαστικό κονίαμα και ανάμεσα στο επισκευαστικό κονίαμα-εποξειδική ρητίνη-οπλισμό ενίσχυσης ΙΩΠ. Οι αναλυτικές προβλέψεις συγκλίνουν ικανοποιητικά με τα πειραματικά αποτελέσματα σε ότι αφορά την φέρουσα ικανότητα και την μορφή αστοχίας. Διενεργείται παραμετρική διερεύνηση ώστε να αξιολογηθεί η επιρροή των μηχανικών ιδιοτήτων του παλιού σκυροδέματος και του επισκευασμένου υποστρώματος. Από την παραμετρική διερεύνηση της αντοχής του παλιού σκυροδέματος και του επισκευαστικού κονιάματος προκύπτει ότι όσο αυξάνεται η αντοχή βελτιώνεται ο μηχανισμός μεταφοράς δύναμης μεταξύ των σκυροδεμάτων αλλά και του οπλισμού ενίσχυσης.