Ανθεκτικότητα του οπλισμένου σκυροδέματος και η μηχανική συμπεριφορά του χάλυβα οπλισμού

Abstract

Degradation of durability of reinforced concrete structures is becoming more and morea matter of concern for societies. In light of this, both the long and short life expectancyof a structure are synonymous terms of resistance. In other words, its ability to resistthe detrimental environmental effect (physicochemical or mechanical) and any otherdeterioration process.The consequences of degradation of resistance of the structures, besides the knownexternal visible phenomena, they take place as internal invisible phenomena such as:corrosion of steel rebar, bonding loss of concrete and steel rebar, impairment of thecross section and drop of mechanical properties of steel bar.In coastal areas, particularly, this kind of degradation takes place in stages throughoutthe years and is highly related to structural integrity and especially to the constructionsafety. Although the degradation of durability and corrosion of rebar areinterdependent, parallel and time-dependent phenomena, are not included orquantitated in the regulation intervention (ΚΑΝΕΠΕ).The importance and necessity of this Thesis lies in the fact that the effects of reducedresistance of concrete in terms of the mechanical performance of corroded rebars havenot been adequately studied.The analysis methodology that used, was based on the results of an extensiveexperimental program which included:• Experimental simulation of coastal environment through laboratory artificialsalt spray corrosion of various categories steels rebars.• Production of reinforced concrete specimens, imposing conditions of corrosionand instrumental measurements for studying corrosion characteristics(measurement of half-cell potential values, mass loss, cracking across thespecimens, depth and surface of pitting and metallographic analyzes).• Program of steel corrosion damage characterization (both bare and embeddedrebars) in relation to time of exposure.• Program of tensile and low cycle fatigue tests (in order to simulate the seismicloads).• SEM and EDX analysis in corroded specimens, quantification - recognition ofcorrosion damage and identification of damage mechanisms. Prediction of mechanical response of corroded BStIII (S420) rebars of existingstructures under the effect of axial cyclic loads (in correspondence with strongseismic events).ConclusionsAlthough corrosion of rebars causes a drop of strength properties roughly equivalent tothe percentage reduction of mass loss, it leads to dramatic drop in ductility propertiesnamely to deformation properties in maximum strength.For the same mass loss values, concrete embedded specimens presented strongersuperficial severe localized pitting corrosion in contrast to bare specimens. Thiscorrosion effect had a similar impact on the mechanical properties to both group ofrebars.Chloride induced corrosion phenomena have significant effect on the mechanicalbehavior of dual-phase steel rebars, due to the interaction of external pitting andinternally inclusions (MnS and FeS, pores, oxides).The characteristics of surface rebars fracture under (strong) seismic loads, revealcombinational action of various mechanisms failure phenomena. During strong axialrotations (seismic events), regions of internally sulfide inclusions, promote coalescenceand propagation of cracks. Furthermore, the buckling phenomena accelerate thepremature exhaustion of ductility of rebars.Based on the above-mentioned conclusions arises the need for "dense" technicalinspections of reinforced concrete structures.

Τα θέματα υποβάθμισης της Ανθεκτικότητας των κατασκευών από οπλισμένοσκυρόδεμα, απασχολούν πλέον όλο και περισσότερο τις κοινωνίες. Υπό το πρίσμααυτό, η μεγάλη και η μικρή ωφέλιμη διάρκεια ζωής μιας κατασκευής είναι συνώνυμεςέννοιες της Ανθεκτικότητας, δηλαδή, της δυνατότητας της να αντιστέκεται στηφθοροποιό περιβαλλοντική δράση (φυσικοχημική ή τη μηχανική) και οποιαδήποτεάλλη διαδικασία φθοράς.Οι συνέπειες της υποβάθμισης της Ανθεκτικότητας των κατασκευών, εκτός από ταγνωστά εξωτερικά ορατά φαινόμενα, εκδηλώνονται και με μη ορατά εσωτερικάφαινόμενα, όπως είναι: η διάβρωση του χάλυβα οπλισμού, η απώλεια της συνάφειαςτου σκυροδέματος – χάλυβα, η απομείωση της διατομής και η πτώση των μηχανικώνιδιοτήτων του σιδηροοπλισμού.Στις παράκτιες περιοχές ιδιαίτερα, η υποβάθμιση αυτή, πραγματοποιείται σταδιακάμε τον χρόνο και συνδέεται σοβαρά με θέματα επιτελεστικότητας και κυρίωςασφάλειας των κατασκευών. Παρότι όμως η υποβάθμιση της ανθεκτικότητας και ηδιάβρωση του σιδηροοπλισμού είναι φαινόμενα αλληλένδετα, παράλληλα και χρονικάεξαρτημένα, εν τούτοις, δεν περιλαμβάνονται, ούτε ποσοτικοποιούνται στοκανονιστικό κείμενο του ΚΑΝΕΠΕ (Κανονισμός Επεμβάσεων).Η σημασία και η αναγκαιότητα εκπόνησης της παρούσας διατριβής, έγκειται στογεγονός ότι δεν έχουν μελετηθεί επαρκώς οι επιπτώσεις της μειωμένηςανθεκτικότητας του σκυροδέματος όσον αφορά στην μηχανική συμπεριφορά τουδιαβρωμένου σιδηροοπλισμού των κατασκευών. Η μεθοδολογία ανάλυσης που ακολουθήθηκε, βασίστηκε στα αποτελέσματα εκτενούςπειραματικού προγράμματος που περιελάμβανε:• Πρόγραμμα πειραματικών δοκιμών προσομοίωσης του παράκτιουπεριβάλλοντος μέσω εργαστηριακής τεχνητής διάβρωσης αλατονέφωσης σεχάλυβες διαφόρων κατηγοριών.• Παρασκευή δοκιμίων οπλισμένου σκυροδέματος, επιβολή διάβρωσης καιενόργανες μετρήσεις ελέγχου των χαρακτηριστικών διάβρωσης (μέτρησηημιδυναμικού, απώλεια μάζας, μετρήσεις ρωγμών κατά μήκος δοκιμίων, βάθοςκαι επιφάνεια βελονισμών, μεταλλογραφικές αναλύσεις). • Πρόγραμμα χαρακτηρισμού της βλάβης διάβρωσης των χαλύβων (γυμνών καιεγκιβωτισμένων) σε σχέση με τον χρόνο έκθεσής τους.• Πρόγραμμα μηχανικών δοκιμών εφελκυσμού και ολιγοκυκλικής κόπωσης LCF(ως προσομοίωση των σεισμικών φορτίσεων).• Πρόγραμμα ανάλυσης SEM και EDX σε διαβρωμένα δοκίμια χάλυβα,ποσοτικοποίηση - αναγνώριση της βλάβης διάβρωσης καθώς και αναγνώρισητων μηχανισμών βλάβης.• Πρόβλεψη της μηχανικής απόκρισης του διαβρωμένου σιδηροοπλισμού BStIII(S420) υφισταμένων κατασκευών υπό την επίδραση αξονικών ανακυκλήσεων(σε αντιστοιχία με ισχυρά σεισμικά συμβάντα).ΣυμπεράσματαΕνώ η διάβρωση του σιδηροοπλισμού προκαλεί πτώση των ιδιοτήτων αντοχής τουπερίπου ισοδύναμη με την ποσοστιαία μείωση της απώλειας μάζας του, ωστόσο,επιφέρει δραματική πτώση των ιδιοτήτων ολκιμότητας του δηλαδή της ιδιότηταςπαραμόρφωσης του στην μέγιστη αντοχή.Για την ίδια απώλεια μάζας, ο εγκιβωτισμένος χάλυβας στοιχείων οπλισμένουσκυροδέματος, παρουσίασε εντονότερη επιφανειακή βλάβη διάβρωσης έναντι τουαπλού (γυμνού) χάλυβα. Ο βαθμός δε της επερχόμενης βλάβης διάβρωσης, έχει ωςσυνέπεια, αναλόγου βαθμού επίδραση στα μηχανικά χαρακτηριστικά των δύο ομάδωνδοκιμίων (γυμνών και εγκιβωτισμένων).Τα φαινόμενα διάβρωσης με χλωριόντα, έχουν σημαντική επίδραση στη μηχανικήσυμπεριφορά των διφασικών χαλύβων οπλισμού λόγω της αλληλεπίδρασης τωνεξωτερικών βελονισμών και των εσωτερικά ευρισκομένων εγκλεισμάτων (MnS και FeS, πόρων, οξειδίων).Τα χαρακτηριστικά των επιφανειών θραύσης του σιδηροοπλισμού κάτω από (ισχυρές)σεισμικές φορτίσεις, αναδεικνύουν φαινόμενα συνδυαστικής δράσης διαφόρωνμηχανισμών βλάβης. Κατά την διάρκεια ισχυρών αξονικών ανακυκλήσεων (σεισμικάσυμβάντα), οι περιοχές εγκλεισμάτων και σουλφιδίων εσωτερικά, ευνοούν τηνσυνένωση και διάδοση ρωγμών. Παράλληλα, τα λυγισμικά φαινόμενα, επιταχύνουντην πρόωρη εξάντληση της ολκιμότητας του χάλυβα οπλισμού.Με βάση τα ανωτέρω καταδεικνύεται η ανάγκη καθιέρωσης «πυκνών» τεχνικώνεπιθεωρήσεων στις κατασκευές οπλισμένου σκυροδέματος.