Συμπεριφορά και ενίσχυση υποωπλισμένων τοιχωμάτων από σκυρόδεμα

Abstract

The present doctoral thesis refers to the experimental and numerical/analytical study of the behavior of reinforced concrete walls, characterized by the absence of the configuration of confined boundary elements and small shear reinforcement ratios, as well as to the evaluation of different strengthening methods. The experimental procedure consisted of the experimental test of a total of 16 medium rise shear walls (eight non-strengthened, seven strengthened and one repaired/ strengthened), which were studied as cantilevers under static cyclic loading. As regards the strengthening methods, the application of Fibers Reinforced Polymers (FRP) sheets and the application of steel elements (strips and angles) were examined. As shown from the experimental results the failure of the non-strengthened walls is associated in all cases with the failure of the compressive zone which is accelerated by the buckling of the longitudinal compressive reinforcement bars. As far as the shear reinforcement is concerned, it appeared to have a greater impact on the extent of the web cracking, and thus on the energy dissipation values and the shear deformation values, and less on the bearing capacity of the walls. With regard to the strengthened walls, based on the experimental results of this thesis, both the FRP sheets and the four different configurations with steel elements appeared to lead to improved behavior in terms ductility values, mainly due to the limitation of the buckling of the compressive longitudinal rebars. Secondary, the control of the web shear cracking (either with horizontal strips or diagonal angles) appeared to lead to hysteretic cycles with less pinching effects and therefore to higher energy dissipation values and also to lower shear deformation values. The assessment of the behavior of the walls was carried out with two different approaches. Firstly, by applying the analytical/empirical relations included in Eurocode 8 - Part 3, which appeared to lead to conservative values, especially with regard to the shear strength, and secondly, by using two different linear beam elements included in OpenSees library for Non-Linear Analysis: the Force-Based BeamColumn Element (FBE) which is a flexural element and the Flexure-Shear Interaction DisplacementBased Beam-Column Element (FSI) that additionally incorporates the influence of the shear component. As found during the analysis process, the flexural element FBE generally approaches with sufficient precision the failure displacement in cases of adequately reinforced walls against shear, while especially in cases of intense buckling of the compressive rebars with simultaneous absence of concrete confinement, the analysis with FBE led to descending post-yield branches, something which was also experimentally observed. In contrast, in the case of insufficiently reinforced walls against shear, the use of FSI approaches better the shear degradation as the ductility increases. However, in cases of low shear reinforcement ratioσ, FSI led to a large underestimation of the shear (and of the total) strength and therefore to severely descending post-yield branches, something which was not experimentally confirmed.

Αντικείμενο της διατριβής είναι η πειραματική και αριθμητική/αναλυτική μελέτη της συμπεριφοράς υποωπλισμένων τοιχωμάτων από σκυρόδεμα, τα οποία χαρακτηρίζονται από την απουσία διαμόρφωσης ακραίων κρυφοϋποστυλωμάτων και μικρά ποσοστά διατμητικού οπλισμού, αλλά και η αποτίμηση διαφορετικών διαμορφώσεων ενίσχυσης αυτών. Η πειραματική διαδικασία περιελάμβανε την πειραματική δοκιμή 16 συνολικά τοιχίων-δοκιμίων μεσαίας λυγηρότητας (οκτώ μη ενισχυμένων, επτά ενισχυμένων και ενός επισκευασμένου/ενισχυμένου), τα οποία μελετήθηκαν ως πρόβολοι υπό στατική ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Όσον αφορά τους τρόπους ενίσχυσής τους εξετάστηκε η εφαρμογή υφάσματος (μανδύα) Ινοπλισμένων Πολυμερών (ΙΟΠ) και η εφαρμογή μεταλλικών στοιχείων (ελασμάτων και γωνιών). Όπως προέκυψε από την πειραματική δοκιμή των μη ενισχυμένων τοιχίων η αστοχίας τους συνδέεται σε όλες τις περιπτώσεις με την αστοχία της θλιβόμενης ζώνης η οποία επιταχύνεται από τον λυγισμό των θλιβόμενων ράβδων. Όσον αφορά τον διατμητικό οπλισμό αυτός φάνηκε να επηρεάζει περισσότερο το εύρος της ρηγμάτωσης του κορμού και, επομένως, τις τιμές απορρόφησης ενέργειας και τις διατμητικές παραμορφώσεις και λιγότερο την φέρουσα ικανότητα των τοιχίων. Όσον αφορά τα ενισχυμένα τοιχία, με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα της συγκεκριμένης διατριβής, τόσο η ενίσχυση με μανδύα ΙΟΠ όσο και ενίσχυση με τέσσερις διαφορετικές διαμορφώσεις με μεταλλικά στοιχεία (ελάσματα και γωνίες), φάνηκε να οδηγεί σε βελτιωμένη συμπεριφορά όσον αφορά την δυνατότητα ανάπτυξης υψηλότερων τιμών πλαστιμότητας κυρίως λόγω του περιορισμού του λυγισμού των θλιβόμενων διαμήκων ράβδων. Δευτερευόντως, ο έλεγχος των διατμητικών ρωγμών του κορμού (είτε με οριζόντια ελάσματα είτε με χιαστί γωνίες) φάνηκε να οδηγεί σε κύκλους υστέρησης με μικρότερο στένωμα και επομένως σε μεγαλύτερες τιμές απορρόφησης ενέργειας αλλά και μικρότερες τιμές διατμητικών παραμορφώσεων. Η θεωρητική αποτίμηση/πρόβλεψη της συμπεριφοράς των τοιχίων πραγματοποιήθηκε με δύο διαφορετικές προσεγγίσεις. Πρώτον, με την εφαρμογή των αναλυτικών/εμπειρικών σχέσεων που περιλαμβάνονται στον Ευρωκώδικα 8 – Μέρος 3 οι οποίες φάνηκαν να οδηγούν σε συντηρητικές τιμές κυρίως όσον αφορά την διατμητική αντοχή και δεύτερον, με την χρήση δύο διαφορετικών γραμμικών πεπερασμένων στοιχείων (beam elements) που περιλαμβάνονται στην βιβλιοθήκη του λογισμικού OpenSees για μη γραμμική ανάλυση: το Force-Based Beam-Column Element (FBE) το οποίο είναι ένα καμπτικό στοιχείο και το Flexure-Shear Interaction Displacement-Based Beam-Column Element (FSI) το οποίο ενσωματώνει επιπροσθέτως την επιρροή της διατμητικής συνιστώσας. Όπως διαπιστώθηκε κατά την διαδικασία της ανάλυσης το καμπτικό στοιχείο FBE γενικά προσεγγίζει με ικανοποιητική ακρίβεια την μετακίνηση αστοχίας στις περιπτώσεις επαρκώς ωπλισμένων τοιχίων έναντι διάτμησης ενώ, ειδικότερα στις περιπτώσεις έντονου λυγισμού των θλιβόμενων ράβδων με ταυτόχρονη απουσία περισφιγμένου σκυροδέματος, η ανάλυση με FBE οδήγησε σε έντονα φθιτούς μετελαστικούς κλάδους κάτι το όποιο παρατηρήθηκε και πειραματικά. Αντίθετα, στην περίπτωση των μη επαρκώς ωπλισμένων τοιχίων έναντι διάτμησης η χρήση του FSI προσεγγίζει καλύτερα την μικρή απομείωση της αντοχής στις μετελαστικές μετακινήσεις (shear degradation). Ωστόσο, στις περιπτώσεις πολύ μικρών ποσοστών διατμητικού οπλισμού το FSI οδήγησε σε μεγάλη απομείωση της διατμητικής (και επομένως της συνολικής) αντοχής και σε έντονα φθιτούς κλάδους κάτι το οποίο δεν επιβεβαιώθηκε πειραματικά.