Ενίσχυση άοπλης φέρουσας τοιχοποιίας με σύνθετα υλικά

Abstract

Unreinforced masonry (URM) walls present low shear strength and are prone to brittle failure when subjected to in-plane loads. A significant percentage of the global building stock concerns a structural system of load-bearing masonry with various types of masonry and binder, while over time the occurrence of significant seismic excitation in the wider area of these structures caused collapses or significant damage with the main characteristic of the absence of elemental behavior.The usual practice for increasing the strength and especially the ductility of these structures in recent decades has been revised with the use of new materials and techniques which relate to targeted interventions using synthetic fiber equipment (Fiber Reinforced Plastics). Additionally, to durability, compatibility, economy, durability modern reinforcement techniques compared to traditional, have also an advantage in reversibility, especially in constructions of great historical, cultural and architectural value. The present dissertation investigates the reinforcement of URM walls with glass textile in inorganic Matrix (TRM) that aims to improve their shear capacity and deformation, changing the failure mode from brittle to false-plastic. The Inorganic Matrix Fiber Mesh (TRM) is an external strengthening system consisting of an advanced system of reinforcement of high-performance materials. For the investigation conduct, a detailed review of the bibliographic research is presented, which contains results of strengthened URM walls of different units, e.g. brick, cement, and stone with TRM systems of different materials, subjected to a diagonal compression test. In addition, available prediction models are presented and compared to the experimental results in terms of shear capacity and failure mode. In addition, experimental research is carried out on two series of different masonry units and binding mortar and without central opening, strengthened with 1 to 3 layers of TRM glass textile and subjected to diagonal compression tests.In particular, the shear capacity of full-scale masonry walls, which are subjected to a diagonal compression test, is experimentally investigated. The masonry walls consist of bricks with vertical holes Orthoblock K300 and a thin-layer mortar joint, as well as solid bricks with a high-strength bonding mortar. The Orthoblock K300 bricks with vertical holes, due to their innovative design, their high mechanical strength, and their interlocking, offer high structural stability by multiplying the seismic characteristics, at the same time they have the advantage in reducing their weight. In addition, the ease and speed of construction and the thermal insulation they offer inside the building contribute to the economy both during construction and during its use. At the same time, the innovative thin-layer mortar, due to its ease of application compared to traditional mortar, achieves the increase of productivity and the economy of the masonry wall. With regard to high-strength solid bricks, they contribute to increasing the shear capacity and pseudo-plasticity, especially in the case of specimens with a central opening. The high compressive strength of fiber-reinforced binder mortar used in this series contributes significantly to the increase in shear capacity.In this context, two series of URM walls of different masonry units and different binder mortar were constructed. A total of 12 URM walls were studied and in particular a) a series of 8 masonry walls from Orthoblock K300 bricks, two of which were control, three strengthened with 1 to 3 layers of glass TRM, respectively, one control with a central opening and one strengthened with a central opening and one strengthened with a central opening with 1 layer of glass textile and b) a series of 4 masonry walls of solid bricks, of which one control and three strengthened with a central opening with 1 to 3 layers, respectively.For the experiments, a series of masonry dimensions of 1200 x 1200 x 300 mm3 were constructed, consisting of Orthoblock K300 bricks of dimensions 250 mm x 240 mm x 300 mm and a thin layer binder mortar of category M10 and nominal thickness 3 mm. Also, the second series of a masonry wall with dimensions 1200 mm x 1200 mm x 210 mm consisting of solid bricks of dimensions 50 mm x 100 mm x 200 mm and reinforced mortar of category M20 with a nominal thickness of 10 mm. The research focused on URM walls with a central opening of a nominal hole size of 450 mm x 300 mm x 300 mm in a ratio of 1: 1.5, in order to compare with those that did not have an opening. Furthermore, an important parameter of this study is the number of layers of external glass textile of the strengthened masonry walls, as well as the effect of the central opening on the shear capacity in both control and strengthened masonry walls. Strengthened with 1, 2 and 3 layers of TRM glass textile improves the shear capacity by 268%, 234%, and 306%, respectively, compared to the control wall. In the case of the strengthened specimen with 1 layer of TRM glass textile and a central opening, the increase reached 321%, compared to the control wall. The strengthened solid URM with 1, 2, and 3 layers of glass textile, respectively, showed 339%, 270%, and 701% higher shear capacity than that of the control wall. These strengthened walls showed 2.31, 2.71, and 3.04 times greater displacement compared to the control wall.The important role of the reinforcing mortar was therefore studied experimentally in a separate masonry specimen reinforced only with the reinforcing mortar externally on both sides of the specimen with a nominal thickness of 2 cm on each side. This test showed a 312% higher ultimate load than the two control tests, respectively. As a result, the proposed cross-sectional strength prediction simulation that takes into account the contribution of mortar thickness to the overall contribution of the shear capacity of unstrengthened masonry is confirmed.In addition, the pseudo-plasticity of deformations and the deformation coefficient of the reinforced masonry with and without a central opening were evaluated. There is a linear increase in the deformation rate of the strengthened masonry wall to unreinforced but also the plasticity index, especially in the strengthened solid masonry wall. Specifically, the Οrthoblock specimen without opening showed a deformation coefficient with values from 2.3 to 3.1, while those with an opening (Οrthoblock and solid) from 3.2 to 7. The strengthened masonry wall showed similar linearity with respect to the plasticity index μ, with values for Orthoblock specimen without opening from 1.02 to 1.57, while for those with an opening (Orthoblock and solid) from 2.1 to 6.89.A new model for predicting the shear capacity of the strengthened masonry walls is proposed, which takes into account the contribution of the strengthening mortar to the total shear capacity, as well as all the elements of the masonry e.g. of the wall, mortar, textile, and matrix, and modifies the relations of Regulation EC8. The experimental values of the shear capacity are compared with the predictions of the existing prediction simulations (ACI 2013, Triantafillou and Antonopoulos 2000, Triantafillou 1998, Triantafillou 2016, CNR 2018, CNR 2013, EC6, EC8) for both control and strengthened walls. The results showed that the proposed simulation is more accurate in predicting both the shear capacity of all the different masonry walls strengthened with various TRM systems with an average absolute error (ΑΑΕ) of 22.95% and can be used for reliable predictions.

Οι κατασκευές άοπλης φέρουσας τοιχοποιίας (ΑΦΤ) παρουσιάζουν χαμηλή διατμητική ικανότητα και είναι επιρρεπείς σε ψαθυρή αστοχία όταν υποβάλλονται σε φορτία εντός επιπέδου. Σημαντικό ποσοστό του παγκόσμιου δομικού αποθέματος αφορά σε δομικό σύστημα από φέρουσα τοιχοποιία με διάφορα είδη τοιχοσωμάτων και συνδετικού υλικού, ενώ διαχρονικά η εμφάνιση σημαντικής σεισμικής διέγερσης στην ευρύτερη περιοχή των κατασκευών αυτών προξενούσε καταρρεύσεις ή σημαντικές βλάβες με κύριο χαρακτηριστικό την απουσία στοιχειώδους όλκιμης συμπεριφοράς. Η συνήθης πρακτική για την αύξηση της αντοχής και κυρίως της ολκιμότητας των κατασκευών αυτών τις τελευταίες δεκαετίες έχει αναθεωρηθεί με χρήση νέων υλικών και τεχνικών οι οποίες αφορούν σε στοχευμένες επεμβάσεις με χρήση συνθετικών ινοοπλισμών (Fiber Reinforced Plastics). Οι σύγχρονες τεχνικές ενίσχυσης συγκριτικά με τις παραδοσιακές, εκτός από την αντοχή, τη συμβατότητα, την οικονομία την ανθεκτικότητα πλεονεκτούν και στην αναστρεψιμότητα ιδίως σε κατασκευές μεγάλης ιστορικής, πολιτισμικής και αρχιτεκτονικής αξίας. Στην παρούσα διατριβή ερευνάται η ενίσχυση άοπλων φερουσών τοιχοποιιών με μανδύα Ινοπλέγματος σε ανόργανη Μήτρα (ΙΑΜ) που στοχεύει στη βελτίωση της διατμητικής ικανότητας και παραμόρφωσής τους, μεταβάλλοντας τη μορφή αστοχίας από ψαθυρή σε ψευδο-πλάστιμη. Ο μανδύας Ινοπλέγματος Ανόργανης Μήτρας (ΙΑΜ) συνιστά έναν εξωτερικό οπλισμό αποτελούμενο από ένα προηγμένο σύστημα ενίσχυσης υλικών υψηλής απόδοσης. Προς διεξαγωγή της έρευνας παρουσιάζεται συνοπτικά μια διεξοδική ανασκόπηση της βιβλιογραφικής έρευνας στην οποία περιέχονται αποτελέσματα ενισχυμένων τοιχοποιιών διαφορετικών τοιχοσωμάτων, π.χ. οπτόπλινθο, τσιμεντόλιθο και λίθο με συστήματα ΙΑΜ διαφορετικών υλικών, υποκειμένων σε δοκιμή διαγώνιας θλίψης. Επιπροσθέτως, παρουσιάζονται προβλέψεις διαθέσιμων προσομοιωμάτων σχεδιασμού συγκριτικά με τα πειραματικά αποτελέσματα ως προς τη διατμητική ικανότητα και τη μορφή αστοχίας. Προσέτι, διεξάγεται πειραματική έρευνα επί δυο σειρών τοιχοποιιών διαφορετικών τοιχοσωμάτων και συνδετικού κονιάματος φερουσών και μη κεντρικό άνοιγμα, ενισχυμένων με 1 ως 3 στρώσεις υαλοπλέγματος μανδύα ΙΑΜ και υποκειμένων σε δοκιμές διαγώνιας θλίψης. Ειδικότερα, διερευνάται πειραματικά η διατμητική ικανότητα δοκιμίων τοιχοποιιών πλήρους κλίμακας, οι οποίες υπόκεινται σε δοκιμή διαγώνιας θλίψης. Οι τοιχοποιίες αποτελούνται από οπτόπλινθους με κατακόρυφες οπές Ορθοblock K300 και συνδετικό αρμό κονιάματος λεπτής στρώσης, καθώς και από συμπαγείς οπτόπλινθους με συνδετικό κονίαμα υψηλής αντοχής. Οι οπτόπλινθοι Ορθοblock K300 με κατακόρυφες οπές, λόγω του καινοτόμου σχεδιασμού τους, της υψηλής μηχανικής αντοχής τους, και της αλληλεμπλοκής τους, προσφέρουν υψηλή δομική σταθερότητα πολλαπλασιάζοντας τα αντισεισμικά χαρακτηριστικά, παράλληλα δε πλεονεκτούν στη μείωση τους βάρους τους. Επιπλέον, η ευκολία και ταχύτητα της κατασκευής αλλά και η θερμομόνωση που προσφέρουν στο εσωτερικό του κτιρίου συμβάλουν στη οικονομία τόσο κατά την κατασκευή όσο και κατά τη χρήση του. Παράλληλα, το πρωτοποριακό κονίαμα λεπτής στρώσης λόγω της ευκολίας εφαρμογής εν συγκρίσει με το παραδοσιακό κονίαμα, επιτυγχάνει την αύξηση της παραγωγικότητας και της οικονομίας της τοιχοποιίας. Αναφορικά με τους συμπαγείς οπτόπλινθους υψηλής αντοχής, αυτοί συμβάλλουν στην αύξηση της διατμητικής ικανότητας και ψευδοπλαστιμότητας, ιδίως στην περίπτωση των δοκιμίων με κεντρικό άνοιγμα. Το ινοπλισμένο συνδετικό κονίαμα υψηλής θλιπτικής αντοχής που χρησιμοποιείται στη σειρά αυτή συμβάλλει σημαντικά στην αύξηση της διατμητικής ικανότητας. Στο πλαίσιο αυτό, κατασκευάστηκαν δύο σειρές τοιχοποιιών διαφορετικού τοιχοσώματος και διαφορετικού συνδετικού κονιάματος. Συνολικά μελετήθηκαν 12 τοιχοποιίες και ειδικότερα α) μια σειρά 8 τοιχοποιιών από οπτόπλινθους Ορθοblock Κ300 εκ των οποίων δύο ήταν άοπλες, τρεις ενισχυμένες με 1 έως 3 στρώσεις υαλοπλέγματος μανδύα ΙΑΜ, αντίστοιχα, μία άοπλη με κεντρικό άνοιγμα και μία ενισχυμένη με κεντρικό άνοιγμα, μία άοπλη με κεντρικό άνοιγμα και μία ενισχυμένη με κεντρικό άνοιγμα με 1 στρώση μανδύα και β) μια σειρά 4 τοιχοποιιών από συμπαγείς οπτόπλινθους, εκ των οποίων μία άοπλη τοιχοποιία και τρεις ενισχυμένες με κεντρικό άνοιγμα με 1 έως 3 στρώσεις, αντίστοιχα.Για τη διεξαγωγή των πειραμάτων κατασκευάστηκε μια σειρά τοιχοποιιών διαστάσεων 1200 x 1200 x 300 mm3, αποτελούμενες από οπτόπλινθους Ορθοblock K300 διαστάσεων 250 mm x 240 mm x 300 mm και συνδετικό κονίαμα λεπτής στρώσης κατηγορίας Μ10 και ονομαστικού πάχους 3 mm. Επίσης, μια δεύτερη σειρά τοιχοποιιών διαστάσεων 1200 mm x 1200 mm x 210 mm αποτελούμενων από συμπαγείς οπτόπλινθους διαστάσεων 50 mm x 100 mm x 200 mm και ενισχυμένο κονίαμα κατηγορίας Μ20 ονομαστικού πάχους 10 mm. Η έρευνα επικεντρώθηκε στη διάνοιξη κεντρικού ανοίγματος επί των φερουσών τοιχοποιιών ονομαστικής διάστασης οπής 450 mm x 300 mm x 300 mm σε αναλογία 1:1.5, ώστε να γίνει σύγκριση με αυτές που δεν είχαν άνοιγμα. Περαιτέρω, σημαντική παράμετρο της μελέτης αυτής αποτελούν ο αριθμός των στρώσεων της εξωτερικής ενίσχυσης υαλοπλέγματος των ενισχυμένων τοιχοποιιών καθώς και η επίδραση του κεντρικού ανοίγματος στη διατμητική ικανότητα και στη μορφή αστοχίας τόσο στις άοπλες όσο και στις ενισχυμένες τοιχοποιίες. Η ενίσχυση με 1, 2 και 3 στρώσεις υαλοπλέγματος μανδύα ΙΑΜ βελτιώνει την διατμητική ικανότητα σε ποσοστό 268%, 234% και 306%, αντίστοιχα, συγκριτικά με την άοπλη ελέγχου. Στην περίπτωση του ενισχυμένου δοκιμίου με 1 στρώση υαλοπλέγματος μανδύα ΙΑΜ και κεντρικό άνοιγμα, η αύξηση έφτασε το 321%, σε σύγκριση με την τοιχοποιία ελέγχου. Οι ενισχυμένες συμπαγής ΑΦΤ με 1, 2 και 3 στρώσεις υαλοπλέγματος και άνοιγμα, αντίστοιχα επέδειξαν 339%, 270% και 701% μεγαλύτερη διατμητική ικανότητα από αυτήν της άοπλης ελέγχου. Οι ενισχυμένες αυτές τοιχοποιίες παρουσίασαν 2.31, 2.71 και 3.04 φορές μεγαλύτερη μετατόπιση συγκριτικά με την άοπλη τοιχοποιία αναφοράς.Ο σημαντικός ρόλος του κονιάματος ενίσχυσης μελετήθηκε πειραματικά σε ξεχωριστό δοκίμιο τοιχοποιίας που ενισχύθηκε μόνο με το κονίαμα του μανδύα ΙΑΜ εξωτερικά και στις δύο όψεις ονομαστικού πάχους 2 cm. Το δοκίμιο αυτό παρουσίασε 312% υψηλότερο φορτίο αστοχίας από τις δύο τοιχοποιίες ελέγχου. Ως αποτέλεσμα, επιβεβαιώνεται το προτεινόμενο προσομοίωμα πρόβλεψης διατμητικής ικανότητας, το οποίο λαμβάνει υπόψη τη σημαντική συνεισφορά του κονιάματος στη συνολική συνεισφορά της διατμητικής ικανότητας των ενισχυμένων άοπλων φερουσών τοιχοποιιών.Επιπρόσθετα, αξιολογήθηκε και η ψευδοπλαστιμότητα παραμορφώσεων και του συντελεστή παραμόρφωσης των ενισχυμένων τοιχοποιιών τόσο με κεντρικό άνοιγμα όσο και χωρίς αυτό. Παρατηρείται μια γραμμική αύξηση του συντελεστή παραμόρφωσης των ενισχυμένων τοιχοποιιών προς τις άοπλες αλλά και του δείκτη πλαστιμότητας, ιδιαίτερα στις ενισχυμένες συμπαγείς τοιχοποιίες. Συγκεκριμένα, οι τοιχοποιίες από Ορθοblock χωρίς άνοιγμα επέδειξαν συντελεστή παραμόρφωσης με τιμές από 2.3 έως 3.1, ενώ αυτές με άνοιγμα (Ορθοblock και συμπαγείς) από 3.2 έως 7. Ανάλογη γραμμικότητα επέδειξαν οι ενισχυμένες τοιχοποιίες και ως προς τον δείκτη πλαστιμότητας μ, με τιμές για τις τοιχοποιίες Ορθοblock χωρίς άνοιγμα από 1.02 έως 1.57, ενώ για αυτές με άνοιγμα (Ορθοblock και συμπαγείς) από 2.1 έως 6.89.Προτείνεται ένα νέο προσομοίωμα πρόβλεψης της διατμητικής ικανότητας των ενισχυμένων τοιχοποιιών, το οποίο λαμβάνει υπόψη τη συμβολή του κονιάματος ενίσχυσης στη συνολική διατμητική ικανότητα καθώς και όλων των στοιχείων της τοιχοποιίας π.χ. του τοιχοσώματος, του κονιάματος, του πλέγματος και της μήτρας, και τροποποιεί τις σχέσεις του κανονισμού EC8. Οι πειραματικές τιμές της διατμητικής ικανότητας συγκρίνονται με τις προβλέψεις των υφιστάμενων προσομοιωμάτων πρόβλεψης (ACI 2013, Triantafillou and Antonopoulos 2000, Triantafillou 1998, Triantafillou 2016, CNR 2018, CNR 2013, EC6, EC8) τόσο για τις άοπλες όσο και για τις ενισχυμένες τοιχοποιίες. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το προτεινόμενο προσομοιώματος παρουσιάζει μεγαλύτερη ακρίβεια στην πρόβλεψη τόσο της διατμητικής ικανότητας όσο και της μορφής αστοχίας όλων των διαφορετικών τοιχοποιιών που ενισχύονται με διάφορα συστήματα ΙΑΜ με Μέσο Απόλυτο Σφάλμα (ΜΑΣ) 22.95% και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αξιόπιστες προβλέψεις.