ΟΠΛΙΣΜEΝΟ ΣΚΥΡOΔΕΜΑ Eνισχύσεις κατασκευών με προηγμένα υλικά του Aθανάσιου Χ. Τριανταφύλλου Καθηγητή, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών Πανεπιστημίου Πατρών, Εργαστήριο Μηχανικής & Τεχνολογίας Υλικών ([email protected]) Γενικά Τα τελευταία 15 χρόνια περίπου έχει αναπτυχθεί διεθνώς, αλλά και στη χώρα μας, η τεχνική ενίσχυσης κατασκευών που βασίζεται στην εξωτερική επικόλληση συνθέτων υλικών (ινοπλισμένων πολυμερών – Fibre Reinforced Polymers – FRP) σε στοιχεία (υποστυλώματα, δοκοί, τοιχεία, κόμβοι, τοιχοποιίες κ.τ.λ.) τα οποία, είτε έχουν υποστεί βλάβες από σεισμό, είτε έχουν ανεπάρκεια αντοχής ή/και πλαστιμότητας. Τα σύνθετα υλικά αποτελούνται από συνεχείς ίνες (συνήθως άνθρακα ή γυαλιού) σε συνδυασμό με εποξειδική ρητίνη και διατίθενται σε μορφή σχετικά δύσκαμπτων “λωρίδων” (πάχους της τάξης του 1 mm, κατά κανόνα με βάση τις ίνες άνθρακα) ή εύκαμπτων “υφασμάτων” (πάχους της τάξης των 0.1-0.8 mm) με ίνες (π.χ. άνθρακα ή γυαλιού) σε μία (συνήθως) ή περισσότερες διευθύνσεις. Σχ. 1 Ίνες άνθρακα, γυαλιού και αραμιδίου. 1 BUILDNET (π.χ. επικόλληση χαλυβοελασμάτων, μεταλλικοί μανδύες) παρά το υψηλότερο κόστος υλικών, γι’ αυτό και οι εφαρμογές της, οι οποίες στην Ελλάδα ήδη ξεπερνούν τις 1200, αυξάνονται με ραγδαίους ρυθμούς. Σχ. 2 Ενδεικτικές μορφές συνθέτων υλικών: ράβδοι οπλισμού, τένοντες προέντασης, λωρίδες ενίσχυσης, σπειροειδείς οπλισμοί. Βασικά χαρακτηριστικά των συνθέτων υλικών είναι η εξαιρετικά υψηλή εφελκυστική αντοχή (5-6 φορές μεγαλύτερη από αυτή του χάλυβα), το χαμηλό βάρος (περίπου 1/4 του χάλυβα) και η ικανοποιητική ανθεκτικότητα σε διάρκεια (ιδιαίτερα για υλικά με ίνες άνθρακα). Η αντίστοιχη τεχνική ενίσχυσης, η οποία συνίσταται στη μέσω εποξειδικών ρητινών επικόλληση των συνθέτων υλικών στις εξωτερικές επιφάνειες δομικών στοιχείων (π.χ. επικόλληση λωρίδων σε εφελκυόμενα πέλματα, περιτύλιξη/περίσφιγξη υποστυλωμάτων με υφάσματα), χαρακτηρίζεται από εξαιρετική ευκολία, ευελιξία και ταχύτητα εφαρμογής και έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της αντοχής και της ικανότητας παραμόρφωσης των στοιχείων χωρίς να μεταβάλλεται η γεωμετρία ή να αυξάνεται η δυσκαμψία τους (Σχ. 3-8). Έτσι, η τεχνική των συνθέτων υλικών είναι ιδιαίτερα ανταγωνιστική με συμβατικές τεχνικές επεμβάσεων Σχ. 3 Ενίσχυση δοκού σε κάμψη με πρόσθετο εφελκυόμενο οπλισμό και σε διάτμηση με υφάσματα ινών στα άκρα Σχ. 4 Ενίσχυση υποστυλωμάτων μέσω μανδύα σύνθετων υλικών με στόχο την αύξηση της περίσφιγξης και της αντοχής σε τέμνουσα Σχ. 5 Ενίσχυση υποστυλωμάτων, δοκών και κόμβων με υφάσματα σύνθετων υλικών ΟΠΛΙΣΜEΝΟ ΣΚΥΡOΔΕΜΑ Σχ. 6 Ενίσχυση προβόλου με υφάσματα ινών Τα Υλικά Οι καθοριστικές για τη διαστασιολόγηση επεμβάσεων μηχανικές ιδιότητες των συνθέτων υλικών είναι το μέτρο ελαστικότητας, Εf, και η εφελκυστική παραμόρφωση θραύσης, εfu (το γινόμενό τους δίνει την εφελκυστική αντοχή, ff). Εδώ πρέπει να επισημάνουμε την απουσία πλαστικής διαρροής (βασικό χαρακτηριστικό του χάλυβα), η οποία οδηγεί σε γραμμικά ελαστική συμπεριφορά των υλικών μέχρι τη θραύση τους. Ας σημειωθεί όμως ότι η τελευταία επέρχεται σε εξαιρετικά μεγάλες παραμορφώσεις, της τάξης του 1.5% για υλικά με (κοινές) ίνες άνθρακα και του 3% για υλικά με ίνες γυαλιού ή αραμιδίου, με αποτέλεσμα την τεράστια ικανότητα παραμόρφωσης των ενισχυμένων με σύνθετα υλικά δομικών στοιχείων. Οι παραπάνω ιδιότητες (μέτρο ελαστικότητας, εφελκυστική αντοχή) καθορίζονται κυρίως από τις αντίστοιχες των ινών αλλά και από την κατ’ όγκο περιεκτικότητα ινών στο σύνθετο υλικό μέσω των παρακάτω σχέσεων: (1) (2) όπου Εfib = μέτρο ελαστικότητας ινών (π.χ. 225 GPa για ίνες άνθραΕΝΙΣΧΥΣΕΙΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΜΕ ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΥΛΙΚΑ Σχ. 7 Ενίσχυση τοιχοποιίας για τέμνουσα εντός του επιπεδου της. κα, 70 GPa για ίνες γυαλιού), ffib = εφελκυστική αντοχή ινών (π.χ. 3500 MPa για ίνες άνθρακα, 2200 ΜPa για ίνες γυαλιού) και Vfib = ογκομετρικό ποσοστό ινών. Σχ. 8 Περίσφιγξη υποστηλωμάτων από φέρουσα τοιχοποιία Σχ. 9 Διαγράμματα τάσεων – παραμορφώσεων σχεδιασμού. Το διάγραμμα τάσεων – παραμορφώσεων σχεδιασμού για τα σύνθετα υλικά, καθώς και τα αντίστοιχα για χάλυβα και σκυρόδεμα, για λόγους σύγκρισης, δίνονται στο Σχ. 9. Η τιμή της εφελκυστικής αντοχής σχεδιασμού προκύπτει διαιρώντας τη χαρακτηριστική τιμή με το συντελεστή υλικού, ffd = ffk/γf, η τιμή του οποίου κυμαίνεται μεταξύ 1.2 – 1.5, αναλόγως του τύπου ινών και των συνθηκών εφαρμογής. Ακολούθως, η εφελκυστική αντοχή σχεδιασμού θα πρέπει να μειώνεται στην ενεργό τιμή της, ffde = ηeffd, μέσω πολλαπλασιασμού επί μειωτικό συντελεστή ηe. Με τον τρόπο αυτό λαμβάνεται υπόψη ότι η επιτόπου αντοχή των συνθέτων υλικών είναι μικρότερη αυτής στο εργαστήριο, λόγω π.χ. συγκεντρώσεων τάσεων στις ακμές διατομών, πολυαξονικότητας της εντατικής κατάστασης, ύπαρξης μεγάλου αριθμού στρώσεων, επιρροής του περιβάλλοντος κλπ. Κανόνες Εφαρμογής Οι γενικοί κανόνες που διέπουν την εφαρμογή των συνθέτων υλικών συνοψίζονται παρακάτω: • Απαιτείται επιμελημένη προετοιμασία της επιφάνειας όπου πρόκειται να γίνει επικόλληση των συνθέτων υλικών (αφαίρεση χαλαρών τμημάτων, πλήρωση ρωγμών, εξασφάλιση επίπεδου και “υγιούς” υποστρώματος). Στην περίπτωση επικόλλησης εύκαμπτων υφασμάτων, η εφαρμογή BUILDNET 2 ΟΠΛΙΣΜEΝΟ ΣΚΥΡOΔΕΜΑ των υλικών θα πρέπει να γίνεται έτσι ώστε οι ίνες να είναι απόλυτα ευθύγραμμες (με την καλύτερη δυνατή τάνυση). • Για την ανάληψη των πρόσθετων εντατικών μεγεθών (π.χ. ροπή κάμψης, τέμνουσα, αξονική δύναμη) τα σύνθετα υλικά δρουν ως εφελκυόμενος οπλισμός παραλαμβάνοντας δυνάμεις μόνο κατά τη διεύθυνση των ινών. • Στην οριακή κατάσταση αντοχής ο οπλισμός ενίσχυσης (συνθέτων υλικών) φθάνει σε μία οριακή παραμόρφωση (μικρότερη της μέγιστης εφελκυστικής παραμόρφωση των υλικών), η οποία εξαρτάται είτε από την ικανότητα του υποστρώματος (σκυρόδεμα, τοιχοποιία) να μεταφέρει (μέσω διάτμησης) τις εφελκυστικές δυνάμεις που αναπτύσσονται στα σύνθετα υλικά είτε από τον τρόπο αγκύρωσης. Σε κάθε περίπτωση, η επαρκής αγκύρωση των οπλισμών ενίσχυσης (στα άκρα τους) είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την εξασφάλιση της ικανότητας ανάληψης σημαντικών δυνάμεων. • Η διαστασιολόγηση δομικών στοιχείων ενισχυμένων με σύνθετα υλικά βασίζεται στις αρχές που διέπουν τη μελέτη συμβατικών κατασκευών (π.χ. οπλισμένου σκυροδέματος, οπλισμένης φέρουσας τοιχοποιίας). • Ο βαθμός ενίσχυσης (π.χ., για την περίπτωση ενίσχυσης στοιχείου σε κάμψη, ο λόγος της ροπής αντοχής μετά την ενίσχυση προς την αρχική) θα πρέπει να περιορίζεται έτσι ώστε, σε περίπτωση “αστοχίας” των οπλισμών ενίσχυσης (π.χ. πυρκαϊά), το στοιχείο να αναλαμβάνει ασφαλώς τουλάχιστον τα μόνιμα φορτία. Ενίσχυση Στοιχείων Οπλισμένου Σκυροδέματος Κάμψη Η εφαρμογή συνθέτων υλικών για 3 BUILDNET ενισχύσεις έναντι κάμψης γίνεται κυρίως σε στοιχεία τύπου δοκού ή πλάκας, μέσω ελασμάτων ή υφασμάτων ή ακόμα και ράβδων σε εγκοπές, τα οποία επικολλούνται στο εφελκυόμενο πέλμα με διεύθυνση των ινών τέτοια ώστε να παραλαμβάνουν τις λόγω κάμψης εφελκυστικές δυνάμεις (π.χ. παράλληλα στον άξονα του μέλους, για την περίπτωση δοκών, σε δύο κάθετες μεταξύ τους διευθύνσεις για την περίπτωση πλακών). Στην περίπτωση υποστυλωμάτων με κρίσιμες σε κάμψη τις ακραίες διατομές, η εφαρμογή των συνθέτων υλικών σε μορφή ελασμάτων ή υφασμάτων είναι γενικά δύσκολη, δεδομένου ότι στις περιπτώσεις αυτές πρέπει να εξασφαλισθεί η συνέχεια (αγκύρωση) των οπλισμών εντός των κόμβων. Τούτο γίνεται εφικτό όταν οι δοκοί έχουν μικρότερο πλάτος από τα υποστυλώματα ή όταν χρησιμοποιούνται οπλισμοί συνθέτων υλικών μικρού πλάτους (π.χ. μορφής ράβδων) σε εγκοπές. Οι υπολογισμοί για τους ελέγχους αντοχής και λειτουργικότητας σε εφαρμογές καμπτικών ενισχύσεων γίνονται κατ’ αναλογία με αυτούς για συμβατικά οπλισμένα (με χαλύβδινες ράβδους) στοιχεία, λαμβάνοντας υπόψη όμως: (α) τις ιδιαιτερότητες της μηχανικής συμπεριφοράς των συνθέτων υλικών (γραμμική ελαστικότητα μέχρι τη θραύση) και (β) το ενδεχόμενο πρόωρης αποκόλλησής τους από το σκυρόδεμα. Με δεδομένη τη ροπή σχεδιασμού του στοιχείου μετά την ενίσχυση, ΜRd, η απαιτούμενη διατομή του οπλισμού συνθέτων υλικών, Αf, επιλέγεται έτσι ώστε κατά την αστοχία του ενισχυμένου στοιχείου να έχει διαρρεύσει ο (υφιστάμενος) εφελκυόμενος χάλυβας. Μετά τη διαρροή αυτή μπορεί να αναπτυχθεί ο ένας από τους εξής δύο μηχανισμούς αστοχίας: • θραύση (σύνθλιψη) του σκυροδέματος, ενώ η παραμόρφωση στα σύνθετα υλικά, εf, παραμένει σε χαμηλά επίπεδα, κάτω από μία οριακή τιμή της τάξης του εf,lim 0.006. • ανάπτυξη της μέγιστης επιτρεπόμενης παραμόρφωσης στα σύνθετα υλικά (δηλαδή η εf φθάνει την οριακή τιμή εf,lim), χωρίς να υποστεί θραύση το σκυρόδεμα (μεγαλύτερη παραμόρφωση στα σύνθετα υλικά ενδέχεται να οδηγήσει σε αστοχία του υποστρώματος και αποκόλληση). Διάτμηση Η ενίσχυση στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος σε διάτμηση με σύνθετα υλικά επιτυγχάνεται μέσω της επικόλλησης υφασμάτων ή, σπανιότερα, ελασμάτων, τα οποία επικολλούνται στις εξωτερικές επιφάνειες με τις ίνες κατά το δυνατόν παράλληλες στις τροχιές των κυρίων τάσεων, δηλαδή περίπου κάθετα σε πιθανές ρωγμές. Τούτο βέβαια δεν είναι γενικά πρακτικό, γι’ αυτό, όπως και στην περίπτωση της χρήσης συνδετήρων για την ανάληψη τέμνουσας, οι ίνες εφαρμόζονται στις πιο πολλές περιπτώσεις με διεύθυνση κάθετη στον άξονα των δομικών στοιχείων. Ενδεικτικοί τρόποι ενίσχυσης δίνονται στο Σχ. 10. Η διάταξη των υλικών σε μορφή κλειστού μανδύα (Σχ. 10α) ή επαρκώς αγκυρωμένων (στη θλιβόμενη ζώνη) λωρίδων (Σχ. 10γ) αποτελεί τη βέλτιστη λύση από άποψεως μηχανικής συμπεριφοράς και θα πρέπει να επιδιώκεται, όπου βέβαια αυτό είναι πρακτικά εφικτό. Σε κάθε άλλη περίπτωση (π.χ. ανοικτός μανδύας, Σχ. 10β) η αποτελεσματικότητα των συνθέτων υλικών είναι σχετικά περιορισμένη, λόγω πρόωρης αποκόλλησης. Εναλλακτική δυνατότητα αγκύρωσης στη θλιβόμενη ζώνη δίνεται στο Σχ. 10δ. ΕΝΙΣΧΥΣΕΙΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΜΕ ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΥΛΙΚΑ ΟΠΛΙΣΜEΝΟ ΣΚΥΡOΔΕΜΑ AΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΑ (α) (β) (γ) (δ) Σχ. 10 Διάταξη συνθέτων υλικών για ενίσχυση έναντι τέμνουσας: (α) κλειστός μανδύας υποστυλώματος, (β) ενίσχυση πλακοδοκού με μανδύα ανοικτού τύπου, (γ) αγκύρωση λωρίδων στη θλιβόμενη ζώνη. Η συμβολή των συνθέτων υλικών στην ανάληψη τέμνουσας υπολογίζεται προσθέτοντας έναν ακόμα όρο, VRd.f, στην εξίσωση για την τέμνουσα σχεδιασμού, VRd. Ο όρος αυτός λαμβάνει υπόψη τη δράση των ινών κατ’ αναλογία με τους συνδετήρες και προσδιορίζεται θεωρώντας ότι οι ίνες φτάνουν σε μια οριακή τάση, η οποία εξαρτάται κυρίως από τον τρόπο εφαρμογής των υλικών (π.χ. κλειστός μανδύας, ανοικτός τρίπλευρος μανδύας). Περίσφιγξη Η δράση των συνθέτων υλικών κατά την περίσφιγξη του σκυροδέματος είναι εξαιρετικά ευνοϊκή και γενικά ευνοϊκότερη σε σχέση με αυτή των μεταλλικών μανδυών ίσης δυσκαμψίας. Κατά την αξονική καταπόνηση υποστυλωμάτων (π.χ. λόγω κάμψης και/ή αξονικού φορτίου) το σκυρόδεμα διογκώνεται εγκάρσια, με αποτέλεσμα ο μανδύας συνθέτων υλικών που το περιβάλλει να ενεργοποιείται (μέσω της ανάπτυξης εφελκυστικών παραμορφώσεων στις ίνες), επιβάλλοντας έτσι εγκάρσιες θλιπτικές τάσεις περίσφιγξης. Οι τάσεις αυτές έχουν ως αποτέλεσμα: • Αύξηση της θλιπτικής αντοχής και της οριακής παραμόρφωσης του σκυροδέματος. • Αύξηση της γωνίας στροφής χορδής ενός μέλους στην (καμπτική) αστοχία, δηλαδή αύξηση ΕΝΙΣΧΥΣΕΙΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΜΕ ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΥΛΙΚΑ της πλαστιμότητας. • Καθυστέρηση της εμφάνισης λυγισμού των διαμήκων ράβδων σε περιοχές με αραιή διάταξη συνδετήρων. • Βελτίωση των συνθηκών συνάφειας μεταξύ ράβδων οπλισμού και σκυροδέματος σε περιοχές με ματίσεις και άρα παρεμπόδιση της ολίσθησης των διαμήκων ράβδων στις περιοχές αυτές. Σχ. 11 Περίσφιγξη στα άκρα υποστυλώματος με στόχο την αύξηση της ικανότητας παραμόρφωσης Σχ. 12 Περίσφιγξη στα άκρα υποστυλώματος με στόχο την αποτροπή αστοχίας λόγω ανεπαρκούς μήκους μάτισης. Ενίσχυση άλλων Κατασκευών Η εφαρμογή των συνθέτων υλικών στο πεδίο των ενισχύσεων δεν περιορίζεται μόνο σε στοιχεία οπλισμένου σκυροδέματος. Τα τελευταία χρόνια τα σύνθετα υλικά βρίσκουν εξαιρετικά ενδιαφέρουσες εφαρμογές και στην ενίσχυση κατασκευών από φέρουσα τοιχοποιία ή ακόμα και από ξύλο. Βασικό χαρακτηριστικό της τεχνικής ενίσχυσης τοιχοποιίας με λωρίδες συνθέτων υλικών είναι η αποφυγή εφαρμογής καθολικού μανδύα, με όλα τα πλεονεκτήματα που αυτό συνεπάγεται (αύξηση αντοχής και πλαστιμότητας χωρίς να αυξάνεται το βάρος, χωρίς να μεταβάλλονται οι διαστάσεις των τοίχων, χωρίς να απαιτείται πλήρης καθαίρεση του επιχρίσματος κ.τ.λ.). Κρίσιμη παράμετρος στο σχεδιασμό της ενίσχυσης είναι η επαρκής αγκύρωση στα άκρα των οπλισμών, έτσι ώστε να αποφεύγεται η πρόωρη αποκόλληση. Οι επεμβάσεις σε φέρουσες τοιχοποιίες με σύνθετα υλικά γίνονται κυρίως στις παρακάτω περιπτώσεις: • Εκτός επιπέδου κάμψη, π.χ. λόγω φόρτισης κάθετα στο επίπεδο ενός κατακόρυφου τοίχου ή σε περιπτώσεις θόλων, τρούλων κλπ. • Εντός επιπέδου κάμψη, π.χ. σε πεσσούς, υπέρθυρα, τόξα. • Εντός επιπέδου διάτμηση σε στοιχεία τύπου διατμητικού τοιBUILDNET 4 ΟΠΛΙΣΜEΝΟ ΣΚΥΡOΔΕΜΑ χώματος. • Εντός επιπέδου διάτμηση σε στοιχεία τύπου δοκού. • Περίσφιγξη θλιβομένων στοιχείων. Συμπεράσματα Συμπερασματικά μπορούμε να αναφέρουμε ότι ο τεχνικός κόσμος της χώρας μας έχει στη διάθεσή του σήμερα μία τουλάχιστον ενδιαφέρουσα τεχνική ενί- σχυσης, βασικά χαρακτηριστικά της οποίας είναι η ευκολία εφαρμογής και η αποτελεσματικότητα, υπό την προϋπόθεση βέβαια ότι η εφαρμογή γίνεται άρτια (από την πλευρά της “μηχανικής”) και επιμελημένα (από την πλευρά του εργατικού προσωπικού). Τα πλέον συνηθισμένα διαθέσιμα σήμερα στην αγορά συστήματα ενίσχυσης βασίζονται στη χρήση εύκαμπτων ανθρακοϋφασμάτων ή υαλοϋφασμάτων και σχετικά δύσκαμπτων λωρίδων συνθέτων υλικών με ίνες άνθρακα. Τα υλικά αυτά προσφέρουν εξαιρετικά πλεονεκτήματα, αλλά φυσικά δεν αποτελούν “πανάκεια”. Η τεχνική εφαρμογής τους δίνει λύσεις σε πληθώρα περιπτώσεων, ιδιαιτέρως αν στόχος των επεμβάσεων είναι η ελαχιστοποίηση της όχλησης, η διατήρηση των διαστάσεων των δομικών στοιχείων και η ολοκλήρωση των εργασιών σε μικρό χρονικό διάστημα. Βιβλιογραφία American Concrete Institute (2002), Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures, ACI Report 440.2R-02, Detroit, Michigan. Federation International du Beton – fib (2001), Externally Βonded FRP Reinforcement for RC Structures, Bulletin 14, Lausanne. Τριανταφύλλου, Αθ. (2004), Ενισχύσεις Κατασκευών Οπλισμένου Σκυροδέματος με Σύνθετα Υλικά, Βιβλιοπωλεία Παπασωτηρίου. 5 BUILDNET ΕΝΙΣΧΥΣΕΙΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΜΕ ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΥΛΙΚΑ