Διερεύνηση τεχνικών αποκατάστασης εξωτερικών κόμβων ωπλισμένου σκυροδέματος με συνθετικά υλικά

Abstract

The present doctoral dissertation investigates the behavior of rehabilitated and strengthened external RC beam-column joints under cyclic loading. The specimens were designed according to Euro-code specifications. The study of repairing and strengthening techniques of the RC elements damaged during earthquake excitations constitutes a research field of vital importance for seismic prone regions around the globe. Modern regulations introduce an innovative seismic design of structures, whose application directs the damage and the creation of plastic hinges to occur within the beams so that the columns and the joints remain intact. This thesis focuses on the development of practical knowledge, as well as on the experimental study and investigation of the reliability of response prediction of full scale external RC beam-column joints. In order to investigate the behavior of the strengthened joints, three series of experiments with full-scale (1:1) external beam-column joint, under cyclic loading, were performed. In the first set of experiments, the rehabilitation of damaged Reinforced Concrete (RC) beam-column joints with C-FRP sheets was investigated. The joints suffered minor to moderate damage. The results demonstrated that the described technique is an effective method for rehabilitation. The conclusions are based on the observation that retrofitted specimens exhibited a load capacity and stiffness level more or less similar to those of the original intact beams.In the second series of experiments, the effectiveness of the external application of C-FRP cords on the surface of exteriorly reinforced concrete beam-column connections is investigated as rehabilitation and strengthening technique. The technique seems to be an effective method with easy application. The conclusions are based on the observation that the repaired specimens compared to the non-repaired specimens showed much greater load bearing-capacity and stiffness.In the third series of experiments, the use X-type reinforcement, either as steel cross inclined bars or alternatively as C-FRP cords used externally for strengthening, as the main shear reinforcement of external beam-column joint was investigated and compared with original specimens. The test data indicated that the response of strengthened specimens was improved in comparison with the control specimen. Finally, the use of additional bars as transverse reinforcement in the joint area, consisting of four longitudinal steel bars of Ø10 mm in diameter, was investigated. The effectiveness of these additional bars as a shear reinforcement on the overall seismic performance of the tested joint was examined. In general, the external joint with the additional bars in comparison with the control specimen without stirrups, exhibited similar values of load capacity in most of the loading cycles and almost the same values of hysteretic energy dissipation and stiffness degradation, practically in the entire loading sequence, while at higher deformation cycles were slightly increased and is likely to increase significantly with better reinforcement anchoring.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνάται η συμπεριφορά αποκατάστασης και ενίσχυσης υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση στοιχείων εξωτερικών κόμβων δοκών-υποστυλωμάτων από ωπλισμένο σκυρόδεμα σχεδιασμένων σύμφωνα με τις διατάξεις του ισχύοντος ευρωπαικού κανονισμού. Η μελέτη των τεχνικών επιδιόρθωσης και ενίσχυσης των στοιχείων από ωπλισμένο σκυρόδεμα που υπέστησαν βλάβη κατά τη διάρκεια σεισμικών διεγέρσεων αποτελεί πεδίο με μεγάλο ερευνητικό και οικονομικό ενδιαφέρον. Οι σύγχρονοι κανονισμοί εισάγουν τον ικανοτικό σχεδιασμό με την εφαρμογή των διατάξεων του οποίου οδηγείται η βλάβη και η δημιουργία πλαστικών αρθρώσεων στις δοκούς, ενώ παραμένουν ανέπαφα τα υποστυλώματα και οι κόμβοι. Επίσης διερευνάται η αποτελεσματικότητα χρήσης χιαστί κεκλιμένων ράβδων με συμβατικό χαλύβδινο οπλισμό και κορδόνια C-FRP σε εξωτερικούς κόμβους δοκού-υποστυλώματος σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση με αυξανόμενη επιβαλλόμενη παραμόρφωση. Η διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη της τεχνογνωσίας, την πειραματική μελέτη και τη διερεύνηση της αξιοπιστίας πρόβλεψης της συμπεριφοράς εξωτερικών κόμβων φυσικής κλίμακας δοκών-υποστυλωμάτων από ωπλισμένο σκυρόδεμα.Με σκοπό τη διερεύνηση της συμπεριφοράς των ενισχυμένων κόμβων, πραγματοποιήθηκαν τρείς σειρές πειραμάτων σε στοιχεία εξωτερικών κόμβων δοκών-υποστυλωμάτων από ωπλισμένο σκυρόδεμα φυσικής κλίμακας 1:1 υπό τη δράση ανακυκλιζόμενης φόρτισης. Πιο αναλυτικά, στην πρώτη σειρά πειραμάτων διευρευνήθηκε η αποκατάσταση των βλαβών συνδέσεων κόμβων δοκού-υποστυλώματος σε κατασκευές από ωπλισμένο σκυρόδεμα με φύλλα C-FRP. Οι βλάβες που έχουν παρουσιαστεί στους κόμβους θεωρούνται μικρές έως μέτριες. Από τα αποτελέσματα απεδείχθει πολύ ικανοποιητική η μέθοδος ενίσχυσης. Τα συμπεράσματα βασίζονται κυρίως στην παρατήρηση ότι τα επισκευασμένα σε σύγκριση με τα μή επισκευασμένα δοκίμια εμφάνισαν παρόμοια ικανότητα ανάληψης φορτίου και επίπεδο δυσκαμψίας. Στη δεύτερη σειρά πειραμάτων διερευνήθηκε η τεχνική επιδιόρθωσης και ενίσχυσης με χρήση κορδονιών C-FRP στους εξωτερικούς κόμβους και δοκούς, αντίστοιχα. Η περιγραφόμενη τεχνική είναι αποτελεσματική μέθοδος με εύκολη εφαρμογή για την επιδιόρθωση και την αποκατάσταση των βλαβών κόμβων και δοκών από ωπλισμένο σκυρόδεμα. Τα συμπεράσματα βασίζονται κυρίως στην παρατήρηση ότι τα επισκευασμένα σε σύγκριση με τα μή επισκευασμένα δοκίμια εμφάνισαν πολύ μεγαλύτερη ικανότητα ανάληψης φορτίου και επίπεδο δυσκαμψίας. Στη τρίτη σειρά πειραμάτων διερευνήθηκε η χρήση χιαστί ράβδων από χάλυβα ως κύριου διατµητικού οπλισµού στην περιοχή του κόµβου και εναλλακτικά η ενίσχυση των κόμβων με χρήση κορδονιού C-FRP και τη σύγκριση τους με πιλοτικά δοκίμια. Τα πειραματικά αποτελέσματα εμφάνισαν μεγαλύτερη ικανότητα ανάληψης φορτίου και περίπου ίδιο επίπεδο δυσκαμψίας. Τέλος, διερευνήθηκε η χρήση εγκάρσιου οπλισμού στην περιοχή του κόμβου, ο οποίος αποτελείται από τέσσερις οριζόντιες χαλύβδινες ράβδους διαμέτρου Ø10 mm. Οι διαμήκεις αυτοί οπλισμοί τοποθετούνται ανάμεσα στον εφελκυόμενο και θλιβόμενο διαμήκη οπλισμό της δοκού στην περιοχή του κόμβου. Η ικανότητα απορρόφησης ενέργειας του ενισχυμένου δοκιμίου σε σύγκριση με το μη ενισχυμένο είναι αρχικά σχεδόν ίση στα χαμηλότερα επίπεδα του φορτίου. Παρατηρείται μια μικρή αύξηση απορρόφησης ενέργειας στα υψηλότερα επίπεδα φορτίου αλλά είναι πιθανό να αυξηθεί σημαντικά με την καλύτερη αγκύρωση των οπλισμών.

Die vorliegende Dissertation untersucht das Verhalten und die Entwicklung wirtschaftlicher Instandsetzungstechniken von Rahmenknoten (Anschluss Riegel/Stütze), welche zuvor durch seismische Einwirkungen moderate Schädigungen in Form von Rissen erfahren haben. Die Rahmenknoten sind gemäß der geltenden europäischen Vorschriften ausgelegt. Die Untersuchung von Reparatur- und Verstärkungstechniken von Rahmenknoten, die während seismischer Erregung beschädigt wurden, ist ein Gebiet von großem Forschungs- und wirtschaftlichem Interesse. Die Hauptschäden treten dabei an den Knotenpunkten im Übergang Riegel/Stütze auf. Bei der Entwicklung dieser Techniken finden auch die Belange des Eurocode 8 (EN 1998) hinsichtlich einer zulässigen Bauteilschädigung infolge eines Bemessungserdbebens Berücksichtigung. Die Wirksamkeit der Verwendung herkömmlicher Bewehrungsstahl Stäbe in X-Form sowie alternativ C-FRP Filamentbündel als äußere Verstärkung an den Rahmenknoten unter zyklischen Beanspruchungen zur Simulation von Erdbebenwirkungen mit erhöhter Verformung wird ebenfalls untersucht. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Entwicklung von Know-how, die experimentelle Untersuchung und die Überprüfung der Zuverlässigkeit der Vorhersage des Verhaltens von Rahmenknoten aus Stahlbetonkonstruktionen. Um das Verhalten der verstärkten Rahmenknoten zu untersuchen, werden drei Versuchsreihen mit Prüfkörpern im Maßstab 1:1 erstellt und unter zyklischen Beanspruchungen belastet. In der ersten Versuchsreihe wurde die Reparatur von Schäden an Rahmenknoten mittels C-FRP Sheets genauer untersucht. Die Schäden an den Rahmenknoten gelten als geringfügig bis mäßig. Zur Verstärkung wurden zunächst die Risse mit hochfestem Mörtel oberflächlich geschlossen, jedoch ohne zu injizieren. Danach erfolgte die Applikation der C-FRP Sheets. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass die beschriebene Technik eine einfache Anwendung und eher eine wirksame Methode zur Reparatur von Schäden an Rahmenknoten aus Stahlbeton mit geringfügig bis mäßigen Schäden ist. Die Auswertung der Versuchsergebnisse zeigt, dass durch die angewendete Sanierungsmethode unter Verwendung von C-FRP Sheets die Tragfähigkeit der ursprünglichen Rahmenknoten fast wiederhergestellt wird. Diese Schlussfolgerungen basieren hauptsächlich auf der Beobachtung, dass die sanierten im Vergleich zu den ungeschädigten Prüfkörpern eine mehr oder weniger ähnliche Tragfähigkeit und Steifigkeit aufwiesen. In der zweiten Versuchsreihe wird die Verstärkung an den Rahmenknoten sowie den Riegeln unter Verwendung C-FRP Filamentbündel untersucht. Die Hauptschäden treten an den Riegeln am Knotenpunkt Übergang Riegel/Stütze auf (Eurocode 8). Solche Fälle erfordern die Wiederherstellung des Riegels in einer Weise, die einfach anzuwenden ist. Eine Lösung könnte die Verwendung von C-FRP Filamentbündeln sein, einem neuen fortschrittlichen Material mit hohen Spezifikationen und einer sehr einfachen Oberflächenanwendung. Die beschriebene Technik scheint eine wirksame Methode zu sein, mit der Rahmenknoten und Riegel aus Stahlbeton leicht repariert werden können. Dabei erwies sich das hysteretische Verhalten der reparierten Prüfkörper im Vergleich zu den Referenzprüfkörpern als sehr zufriedenstellend. Diese Schlussfolgerungen basieren hauptsächlich auf der Beobachtung, dass die sanierten im Vergleich zu den nicht sanierten Prüfkörpern eine viel größere Tragfähigkeit und Steifigkeit aufwiesen. In der dritten Versuchsreihe wird die Verwendung von Bewehrungsstahl Stäben in X-Form als Hauptschubbewehrung im Knotenbereich untersucht und alternativ dazu die Verstärkung der Rahmenknoten mit C-FRP Filamentbündel und deren Vergleich mit den Referenzprüfkörpern. Die Schlussfolgerungen basieren hauptsächlich auf der Beobachtung, dass die Prüfkörper mit Bewehrungsstäben in X-Form im Knotenbereich und die verstärkten Prüfkörper mit C-FRP Filamentbündel im Vergleich zu den Referenzkörpern eine viel größere Tragfähigkeit und eine ähnliche Steifigkeiten aufweisen. Schließlich in der vierten Versuchsreihe wird die Verstärkung von Rahmenknoten aus Stahlbeton mit nachträglich als Querkraftbewehrung eingebrachten geraden Bewehrungsstäben mit einem Durchmesser von Ø10 mm, die zyklischer Belastung ausgesetzt sind, experimentell untersucht. Diese Längsbewehrungsstäbe befinden sich zwischen den oberen und unteren Längseisen des Riegels im Bereich des Knotens. Der Vergleich der Versuchsergebnisse der untersuchten Prüfkörper zeigt, dass die angewandte Verstärkungsmethode zu einer geringen Erhöhung der dissipierten Energie und damit auch der Tragfähigkeit, Steifigkeit und hysteretischen Leistung im Knoten führt. Tendenziell ist bei den höheren Laststufen eine leichte Erhöhung der Energiedissipation festzustellen, die jedoch bei besserer Verankerung wahrscheinlich noch deutlich gesteigert werden kann.