Μηχανισμοί αστοχίας και πειραματική διερεύνηση στοιχείων ωπλισμένου σκυροδέματος με προβλήματα διάτμησης

Abstract

The use of composite materials (Fiber Reinforced Polymers - FRP) as internal and strengthening reinforcement in concrete structural members is becoming increasingly apparent. The ageing of the materials, the poorly detailed concrete members of the existing old Reinforced Concrete (RC) structures designed prior to 1970, the exposure of extremely important (RC) structures (e.g. bridges, highways etc.) in high corrosive environment owing to climate conditions or chemicals and the design requirements of modern seismic codes have led since several years the scientific community to investigate alternative methods of reinforcing and strengthening of the structural elements. In some cases, the use of FRP materials seem to be more advantageous than the use of the conventional steel reinforcement. The present research focuses on the investigation of innovative materials as main internal reinforcement or strengthening reinforcement of RC members with shear problems under monotonic and cyclic loading. The main axis is the interpretation and understanding the parameters that affect and determine the overall behaviour and failure mechanisms of these elements. For this purpose, an extensive experimental program was carried out which was divided into three parts. The first part concerns the experimental and analytical investigation of the use of Carbon FPR bars (C-FRP bars) as the main longitudinal reinforcement of structural RC members. In comparison with other commercially available FRP bars with lower cost such as FRP of glass fibers (G-FRP bars) C-FRP bars exhibit higher tensile strength and modulus of elasticity and an excellent corrosive resistance in harsh and aggressive environments (Fib bulletin 40 2007, ACI 440.1R-15 2015). In the first phase, seven (7) slender RC beams with rectangular cross-section were constructed and tested under 4-point monotonic loading with constantly increasing deformation: two (2) beams are reinforced with conventional steel tensional bars as the reference specimens and five (5) with C-FRP bars. Two types of C-FRP bars with different nominal diameter were chosen (df = 5.5 mm and df = 10 mm). The examined specimens were designed according to the design guidelines of ACI 440.1R-15 (2015). Special attention has been given on the bond conditions of the anchorage lengths of the tensile C-FRP bars. In this direction, an additional enhanced anchorage configuration along the straight anchorage length of the tensional FRP bars consisted of a continuous mild steel spiral with circular shape was also investigated. According to the experimental observations useful findings have been conducted regarding the overall response and the failure mechanism of these structural members.Concerning the analytical part of this research a feasible and easy-to-apply numerical approach for the evaluation of the flexural and the shear strength of slender concrete beams reinforced with longitudinal FRP bars, with or without steel stirrups, and consequently for the prediction of the expected failure mode is proposed. A unified flexural/shear approach was developed in flow chart which can be used to estimate their ultimate strength and their expected failure mode. The proposed methodology can be a useful tool for the flexural and shear design of these structural members with proper use of the safety factors proposed by the existing design codes. Test results of concrete beams with various types of FRP bars under monotonic flexural loading from the literature were used to validate the accuracy of the proposed methodology. Comparisons between the experimental data of the collected 162 beams from the literature and the predictions according to the design guidelines of three available codes (JSCE-97 1997, CSA S806-12 2012, ACI 440.1R-15 2015) are also included in this research. From these comparisons it is observed that the developed approach provides greater accuracy regarding the ultimate strength of the examined cases compared with the existing design codes.In the second phase, four (4) full-scale exterior T-shaped beam-column RC joints were constructed and tested under pseudo-seismic loading. The longitudinal and transverse reinforcement of the columns consists of conventional steel bars whereas for the beams two types of C-FRP bars with different nominal diameter (df = 5.5 mm and df = 10 mm) were used for the longitudinal reinforcement and steel stirrups for the shear reinforcement. The anchorage of the longitudinal FRP bars of the beams was designed according to the requirements of the ACI 440.1R-15 (2015) and a straight anchorage type was chosen. Two (2) specimens have steel spirals along the anchorage length of the longitudinal bars of the beams. The specimens were tested under cyclic loading with increasing applied deformation to investigate a) their overall hysteretic response, b) the bond conditions of the FRP bars inside the core of the examined joints and c) the effectiveness of the proposed anchorage system. The experimental results confirm the effectiveness of the proposed anchorage system as these specimens showed improved hysteretic performance with increased or constant bearing capacity even after significant slippages were recorded for the FRP bars of the beams. It was observed that the anchorage configuration was “activated” after the slippage of the FRP bars and the specimens exhibited additional or constant load-carrying capacity in comparison with the reference specimens without spirals. Two existing analytical models from the literature (Karayannis 2015, Tsonos 2019) were selected and properly modified to determine the shear strength and the predicted failure mode of the examined specimens. In addition, the relationship of the average bond stress acting on the surface of the bars, u’m, according to ACI 440.1R-15 (2015) was properly modified by taking account the favourable contribution of the spiral anchorage system to the concrete strength along the confined FRP bars and the horizontal joint shear force was recalculated. Comparisons between experimental and analytical results showed that ACI 440.1R-15 (2015) provides a rather conservative relationship for the average bond stress of the FRP bars, u’m. Based on this finding a parametric analysis was carried out to study the influence of a) the axial force acting on column, b) the compressive strength of concrete, c) the nominal diameter and d) the number of the FRP bars in one layer to the average bond stress along the anchorage length of the FRP bars by developing an analytical methodology for exterior beam-column RC joints without horizontal shear reinforcement in the joint area. The parametric analysis confirmed the above findings.In the second part the influence of steel fibers on the hysteretic response of RC beams with conventional steel reinforcements and a rather low steel transverse reinforcement ratio subjected to cyclic loading is experimentally investigated. The favorable contribution of Steel Fiber-Reinforced Concrete (SFRC) in structural members under monotonic loading and the limited knowledge on the hysteretic response of SFRC beams subjected to reversal loading has stimulated further investigation of the use of steel fibers in high volume fraction in shear-critical RC beams to partially replace the shear reinforcement and to improve their overall hysteretic response by altering the brittle shear failure to a ductile flexural one. Three (3) slender beams with a rectangular cross-section were constructed and tested under cyclic loading: two (2) beams using steel fibrous reinforced concrete and one (1) with plain reinforced concrete (reference specimen). Hook-ended steel fibers, with a length-to-diameter ratio equal to 44 and in two (2) different volumetric proportions (1% and 3%), were added to the SFRC beams. Test results of SFRC beams with conventional steel reinforcement under cyclic loading from the literature are also used to clarify the effectiveness of steel fibers and their role on the hysteretic response and the failure mode of RC structural members. According to the experimental results, a partially replacement of the shear reinforcement with steel fibers as mass reinforcement of the RC beams can be possible by taking an extra care to choose the right thickness of concrete cover with a rather high amount of steel fibers. Beams with increased steel fiber volume fractions exhibited an improved cyclic response achieving a pronounced flexural behaviour with significant ductility.In the third part a new strengthening technique to upgrade the structural behaviour of RC deep beams with low ratio or without steel stirrups using Carbon FRP ropes (C-FRP ropes) is proposed and experimentally investigated. Five (5) shear-critical beams with rectangular and T-shaped cross-section were tested under 4-point monotonic loading with constantly increasing deformation. The strengthening schemes include a) one (1) vertical and one (1) diagonal single-link C-FRP rope that are internally applied through the web of the rectangular beam using an Embedded Through-Section (“ETS”) system and b) two (2) vertical U-shaped double-link ropes that are applied around the perimeter of the web of the flanged beam using a Near-Surface Mounted (“NSM”) system. In both cases the free lengths of the C-FRP ropes have been properly anchored using epoxy bonded lap splices of the ropes as “NSM” a) at the top and the bottom of the web of the rectangular beam and b) at the top of the slab of the T-beam, respectively. The experimental results confirm the effectiveness of the proposed strengthening technique since the C-FRP ropes as the only transverse shear reinforcement enhanced the shear strength of the beams and altered the brittle shear failure to a ductile flexural one. Two (2) analytical expressions were also developed to predict the shear strength of deep beams strengthened in shear using FRP ropes as transverse link reinforcement according to the proposed strengthening techniques.

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής διερευνάται πειραματικά και αναλυτικά η εφαρμογή προηγμένων υλικών ως κύριος οπλισμός ή οπλισμός ενίσχυσης σε δομικά στοιχεία από ωπλισμένο σκυρόδεμα (ΩΣ) με προβλήματα διάτμησης υπό αυξανόμενη στατική (μονότονη) ή εναλλασσόμενη (ψευδο-σεισμική) καταπόνηση. Βασικό άξονα αποτέλεσε η ερμηνεία και κατανόηση παραμέτρων που επηρεάζουν και καθορίζουν το μηχανισμό αστοχίας των εν λόγω στοιχείων. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε ένα εκτενές πειραματικό πρόγραμμα το οποίο χωρίστηκε σε τρία μέρη. Το πρώτο μέρος αφορά την πειραματική και αναλυτική διερεύνηση της εφαρμογής ράβδων από ινωπλισμένα πολυμερή (ΙΩΠ) με ίνες Άνθρακα ως διαμήκης οπλισμός σε δομικά στοιχεία από ΩΣ. Η επιλογή του συγκεκριμένου τύπου ράβδων έναντι άλλων χαμηλότερου σχετικά κόστους (ράβδοι ΙΩΠ με ίνες Υάλου ή ίνες Αραμιδίου) έγινε αφ’ ενός λόγω της έλλειψης ολοκληρωμένης γνώσης όσον αφορά την απόκριση στοιχείων με σύνθετες ράβδους με ίνες Άνθρακα και αφ’ ετέρου λόγω των αυξημένων μηχανικών ιδιοτήτων τους, όπως: υψηλή εφελκυστική αντοχή, υψηλότερο συγκριτικά μέτρο ελαστικότητας και υψηλή ανθεκτικότητα σε έντονα διαβρωτικά περιβάλλοντα. Σε πρώτο στάδιο κατασκευάστηκαν εφτά (7) δοκοί ΩΣ πραγματικών διαστάσεων με λόγο διατμητικού ανοίγματος προς στατικό ύψος διατομής α/d > 2.5, εκ των οποίων: δύο (2) με ράβδους από συμβατικό χάλυβα (δοκοί ελέγχου) και πέντε (5) με ράβδους από ΙΩΠ με ίνες Άνθρακα ως εφελκυόμενος οπλισμός. Επιλέχθηκαν δύο τύποι ράβδων ΙΩΠ με διαφορετική ονομαστική διάμετρο (df = 5.5 mm και df = 10 mm). Οι δοκοί δοκιμάσθηκαν σε μονότονη φόρτιση 4-σημείων με αυξανόμενη επιβαλλόμενη μετατόπιση. Επιλέχθηκε ευθύγραμμη αγκύρωση για τις ράβδους ΙΩΠ σε όλα τα δοκίμια και σε τρεις (3) από τις πέντε (5) δοκούς τοποθετήθηκε συνεχής σπειροειδής χαλύβδινος οπλισμός κυκλικού σχήματος κατά μήκος της αγκύρωσης τους προκειμένου να βελτιωθούν οι συνθήκες συνάφειας των ράβδων και του περιβάλλοντος σκυροδέματος στην εν λόγω περιοχή. Ο σχεδιασμός των πειραματικών δοκιμίων έγινε σύμφωνα με τις διατάξεις που υπαγορεύει ο ACI 440.1R-15 (2015) για δοκούς ΩΣ με ράβδους από ΙΩΠ. Από την πειραματική διερεύνηση προέκυψαν χρήσιμα συμπεράσματα όσον αφορά τις παραμέτρους που καθορίζουν την απόκριση και τους μηχανισμούς αστοχίας των εν λόγω στοιχείων. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε μία αναλυτική μεθοδολογία για την ολοκληρωμένη μελέτη της καμπτικής/διατμητικής συμπεριφοράς δοκών ΩΣ με ράβδους από ΙΩΠ με ή χωρίς εγκάρσιο χαλύβδινο οπλισμό διάτμησης με στόχο τον υπολογισμό της τελικής αντοχής τους και κατ’ επέκταση τον καθορισμό του αναμενόμενου μοντέλου αστοχίας τους. Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκαν δύο (2) διαφορετικά μοντέλα για τον υπολογισμό της καμπτικής και διατμητικής αντοχής των υπό μελέτη στοιχείων που υποβάλλονται σε μονοαξονική προέχουσα κάμψη. Τα δύο προτεινόμενα μοντέλα συνδυάζονται με τον κατάλληλο τρόπο (χρήση διαγράμματος ροής) προκειμένου να προσδιοριστεί η τελική αντοχή των εξεταζόμενων στοιχείων. Με ορθή χρήση των συντελεστών ασφαλείας η προτεινόμενη μεθοδολογία μπορεί να αποτελέσει ένα χρήσιμο εργαλείο για τον σχεδιασμό έναντι κάμψης και διάτμησης των εν λόγω στοιχείων. Για την επαλήθευση της προτεινόμενης μεθοδολογίας επιλέχθηκαν από τη Διεθνή βιβλιογραφία υπό-ωπλισμένες και υπέρ-ωπλισμένες δοκοί με σύνθετες ράβδους με ίνες Άνθρακα, Αραμιδίου, Βαζαλτίου/Βασαλτίου και Υάλου. Επιπρόσθετα, συγκρίνεται η πειραματική αντοχή τους με την αναλυτικά προβλεπόμενη με βάση γνωστούς Διεθνείς Κανονισμούς (JSCE-97 1997, CSA S806-12 2012, ACI 440.1R-15 2015). Από τις συγκρίσεις που πραγματοποιήθηκαν διαπιστώθηκε ότι η προτεινόμενη μεθοδολογία παρέχει μεγαλύτερη ακρίβεια όσον αφορά την αντοχή των υπό μελέτη δοκιμίων σε σύγκριση με τους υπό εξέταση κανονισμούς. Σε δεύτερο στάδιο κατασκευάστηκαν τέσσερις (4) ακραίοι κόμβοι δοκού-υποστυλώματος ΩΣ πραγματικών διαστάσεων. Για το υποστύλωμα χρησιμοποιήθηκαν διαμήκεις και εγκάρσιοι οπλισμοί από συμβατικό χάλυβα, ενώ για τις δοκούς επιλέχθηκαν δύο τύποι ράβδων από ΙΩΠ με ίνες Άνθρακα διαφορετικής ονομαστικής διαμέτρου (df = 5.5 mm και df = 10 mm) για τους διαμήκεις οπλισμούς. Επιλέχθηκε ευθύγραμμη αγκύρωση για τις ράβδους ΙΩΠ σε όλα τα δοκίμια, η οποία σχεδιάστηκε σύμφωνα με τις διατάξεις του ACI 440.1R-15 (2015). Επιπρόσθετα, σε δύο (2) από τα τέσσερα (4) δοκίμια τοποθετήθηκε συνεχής σπειροειδής χαλύβδινος οπλισμός κυκλικού σχήματος κατά μήκος της αγκύρωσης των διαμήκων ράβδων ΙΩΠ ως πρόσθετο σύστημα αγκύρωσης. Οι κόμβοι δοκιμάστηκαν σε εναλλασσόμενη φόρτιση με αυξανόμενη επιβαλλόμενη μετατόπιση προκειμένου να διερευνηθεί: α) η υστερητική απόκριση τους, β) οι συνθήκες συνάφειας των ράβδων ΙΩΠ στην περιοχή του κόμβου καθώς και γ) η αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου συστήματος αγκύρωσης. Από τα πειραματικά αποτελέσματα διαπιστώθηκε η αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου συστήματος αγκύρωσης, καθώς τα δοκίμια αυτά παρουσίασαν βελτιωμένη υστερητική απόκριση με αυξημένη ή και σταθερή ικανότητα παραλαβής φορτίου ακόμα και μετά την καταγραφή σημαντικής ολίσθησης για τις ράβδους ΙΩΠ. Ειδικώτερα, διαπιστώθηκε ότι το σύστημα αγκύρωσης ενεργοποιήθηκε μετά την ολίσθηση των σύνθετων ράβδων είτε αυξάνοντας την ικανότητα του δοκιμίου ανάληψης φορτίου είτε διατηρώντας τη σταθερή μέχρι την αστοχία τους. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε η αναλυτική διερεύνηση των υπό μελέτη κόμβων δοκού-υποστυλώματος ΩΣ προκειμένου να προσδιοριστεί η διατμητική αντοχή τους και η προβλεπόμενη μορφή αστοχίας τους. Για το σκοπό αυτό επιλέχθηκαν και τροποποιήθηκαν κατάλληλα δύο Διεθνώς αναγνωρισμένα μοντέλα της βιβλιογραφίας (Karayannis 2015, Tsonos 2019). Μελετήθηκε αναλυτικά η επιρροή του σπειροειδούς χαλύβδινου οπλισμού ως πρόσθετο σύστημα αγκύρωσης των διαμήκων ράβδων ΙΩΠ της δοκού τροποποιώντας κατάλληλα τη σχέση που έχει υιοθετήσει ο ACI 440.1R-15 (2015) για τον υπολογισμό της μέσης τάσης συνάφειας των διαμήκων ράβδων ΙΩΠ της δοκού, u’m, και υπολογίστηκε εκ νέου η οριζόντια τέμνουσα που εισάγεται στον κόμβο για κάθε μία περίπτωση ξεχωριστά. Από τη σύγκριση των αποτελεσμάτων διαπιστώθηκε ο ACI 440.1R-15 (2015) παρέχει μία αρκετά συντηρητική σχέση για τον υπολογισμό της μέσης αναπτυσσόμενης τάσης συνάφειας, u’m, κατά μήκος της αγκύρωσης των ράβδων ΙΩΠ. Επιπρόσθετα, συστάθηκε αναλυτικό μοντέλο για ακραίους κόμβους δοκού-υποστυλώματος από ΩΣ χωρίς οριζόντιο οπλισμό διάτμησης προκειμένου να μελετηθεί η επιρροή βασικών παραμέτρων στη μέση αναπτυσσόμενη τάση συνάφειας των διαμήκων ράβδων ΙΩΠ, που αγκυρώνουν εντός του πυρήνα του κόμβου, όπως: α) το αξονικό φορτίο του υποστυλώματος υπό τη μορφή της ανηγμένης τιμής, νc, β) η αντοχή του σκυροδέματος, fc, γ) η ονομαστική διάμετρος, df, και δ) ο αριθμός των ράβδων ΙΩΠ (σε μονή στρώση), nf. Το δεύτερο μέρος αφορά την πειραματική διερεύνηση της επιρροής χαλύβδινων ινών στην υστερητική απόκριση δοκών ΩΣ με λόγο α/d > 2.5. Για το σκοπό αυτό κατασκευάστηκαν τρεις (3) δοκοί ΩΣ με ράβδους από συμβατικό χάλυβα, πραγματικών διαστάσεων και μικρό γεωμετρικό ποσοστό εγκάρσιου χαλύβδινου οπλισμού διάτμησης, εκ των οποίων: μία (1) δοκός κατασκευάστηκε από απλό σκυρόδεμα (δοκός ελέγχου) και δύο (2) από ινωπλισμένο σκυρόδεμα στο οποίο προστέθηκαν βιομηχανικά παραγόμενες χαλύβδινες ίνες με ογκομετρικό ποσοστό 1.0 % κατ’ όγκο (κ.ό.) και 3.0 % κατ’ όγκο (κ.ό.). Οι δοκοί δοκιμάσθηκαν σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση με αυξανόμενη επιβαλλόμενη μετατόπιση στο μέσο του ανοίγματος. Από τα πειραματικά αποτελέσματα διαπιστώθηκε ότι είναι εφικτή η μερική αντικατάσταση του εγκάρσιου οπλισμού διάτμησης από χαλύβδινες ίνες σε δοκούς ΩΣ που υποβάλλονται σε εναλλασσόμενη φόρτιση. Ειδικώτερα, διαπιστώθηκε ότι με τη σωστή επιλογή του πάχους της επικάλυψης και σε συνδυασμό με ένα επαρκές ογκομετρικό ποσοστό χαλύβδινων ινών στη μάζα του σκυροδέματος μπορεί να εξασφαλιστεί το επιθυμητό μοντέλο αστοχίας, δηλαδή καμπτική αστοχία με σημαντική πλαστιμότητα, και να αποφευχθεί ο καταστροφικός χαρακτήρας της διατμητικής αστοχίας που παρατηρείται σε στοιχεία που υποβάλλονται σε εναλλασσόμενη καταπόνηση. Το τρίτο μέρος αφορά τη διερεύνηση της αποτελεσματικότητας μίας νέας τεχνικής ενίσχυσης έναντι τέμνουσας με την εφαρμογή σύνθετων κορδονιών με ίνες Άνθρακα σε κρίσιμες διατμητικές δοκούς ΩΣ με ελάχιστο ή χωρίς συμβατικό διατμητικό οπλισμό (συνδετήρες). Για το σκοπό αυτό κατασκευάστηκαν πέντε (5) κοντές δοκοί ΩΣ με ορθογωνική διατομή και διατομή σχήματος Τ, εκ των οποίων: δύο (2) δοκοί (δοκοί ελέγχου) δεν έχουν εγκάρσιο οπλισμό διάτμησης (συνδετήρες), μία (1) δοκός (δοκός ελέγχου) έχει χαμηλό γεωμετρικό ποσοστό συνδετήρων και δύο (2) δοκοί ενισχύθηκαν έναντι τέμνουσας με σύνθετο οπλισμό από κορδόνια με ίνες Άνθρακα ως μοναδικός οπλισμός διάτμησης. Ειδικώτερα, προτείνονται δύο (2) διαφορετικοί τρόποι ενίσχυσης για δοκούς με ορθογωνική διατομή και διατομή σχήματος Τ (πλακοδοκοί): α) στη δοκό με ορθογωνική διατομή τα σύνθετα κορδόνια τοποθετήθηκαν εσωτερικά εντός διανοιγμένων οπών στο μέσο του πλάτους του κορμού της διατομής κάθετα και υπό ευνοϊκή γωνία έναντι τέμνουσας ως μονότμητος οπλισμός (χρήση τεχνικής Embedded Through-Section, “ETS”) και β) στη δοκό με διατομή σχήματος Τ τα κορδόνια τοποθετήθηκαν και επικολλώνται μέσω εποξειδικής ρητίνης σε διανοιγμένες εγκοπές κοντά στην περίμετρο του κορμού της διατομής υπό μορφή U, ως δίτμητος οπλισμός (χρήση τεχνική Near-Surface Mounted, “NSM”). Ιδιαίτερη μέριμνα δόθηκε στην εξασφάλιση αποτελεσματικής αγκύρωσης του σύνθετου κορδονιού ενίσχυσης. Οι δοκοί δοκιμάσθηκαν σε μονότονη φόρτιση 4-σημείων με αυξανόμενη επιβαλλόμενη μετατόπιση. Από τα πειραματικά αποτελέσματα διαπιστώθηκε η αποτελεσματικότητα και των δύο προτεινόμενων τεχνικών ενίσχυσης σε δοκούς ΩΣ με ορθογωνική διατομή και διατομή σχήματος Τ, καθώς τα κορδόνια ως μοναδικός οπλισμός έναντι διάτμησης κατάφεραν να αυξήσουν την αντοχή των δοκιμίων και ειδικώτερα την ικανότητα παραμόρφωσης τους, αλλά και να εμποδίσουν την καταστροφική ψαθυρή διατμητική αστοχία, που παρατηρήθηκε στα δοκίμια ελέγχου. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκαν δύο (2) αναλυτικές σχέσεις για τον υπολογισμό της διατμητικής αντοχής κοντών δοκών ΩΣ για κάθε μία από τις προτεινόμενες τεχνικές ενίσχυσης υιοθετώντας κατάλληλα παραδοχές και αναλυτικά μοντέλα της υπάρχουσας Διεθνούς βιβλιογραφίας. Μελετήθηκε συνολικά η συμπεριφορά των υπό μελέτη δοκών προκειμένου να προβλεφθεί η αναμενόμενη μορφή αστοχίας τους και να εξακριβωθεί η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης τεχνικής ενίσχυσης. Ως κρίσιμος μηχανισμός αστοχίας ελήφθη η αστοχία της συνάφειας των κορδονιών κατά τη διάνοιξη της κρίσιμης διατμητικής ρωγμής.