Συμβολή στη βελτίωση της μηχανικής συμπεριφοράς και την ορθολογική διαστασιολόγηση των πλακών κεφαλοδέσμων πασσάλων: αναλυτική και πειραματική έρευνα

Abstract

The main objective of the thesis is the investigation, analytical and experimental, of the mechanical behaviour of the structural elements whose function is to transfer load from a column to a group of piles. Pile caps are short elements featuring low shear span ratios, which requires strut-and-tie models for their design and detailing. In the experimental part of the research, conventional and non-conventional reinforcement arrangements are examined. The experimental results of the conventionally reinforced specimens showed that there is an upper limit for the amount of the tie reinforcement over which the ties do not develop their full strength and the failure load of the pile cap is determined by the strength of the inclined struts. This finding led the research towards the search of non-conventional reinforcement arrangements which would activate an additional strut-and-tie model in the pile cap and would maximize, for a given reinforcement - concrete ratio, the ultimate strength under concentric compressive loading. The experimental results of the non-conventionally reinforced specimens confirmed the activation of this additional load transfer mechanism and there was a 50% increase in the failure load compared to that of the conventionally reinforced specimen with the same reinforcement - concrete ratio. Another objective of this research is the distribution of the column load among the piles of a statically indeterminate pile cap. In such a case, the column load is not uniformly distributed among the piles of the group. The proposed load distribution criterion predicts pile reactions that are in good agreement with the available experimental results. The product of the analytical investigation of the mechanical behaviour of pile caps with conventional and non-conventional reinforcement arrangements is the proposed strut-and-tie design methods. The validity of the proposed analytical methods was checked against experimental results which were taken from both the literature and the experimental work conducted in the present research. The present study clearly shows that the proposed non-conventional reinforcement arrangements improve to a significant degree the mechanical behaviour of pile caps and that strut-and-tie models comprises a safe and reliable analytical tool towards a rational design of these structural elements.

Βασικός στόχος της διατριβής είναι η διερεύνηση, αναλυτική και πειραματική, της μηχανικής συμπεριφοράς των πλακών κεφαλοδέσμων πασσάλων. Οι πλάκες κεφαλόδεσμοι ανήκουν στα βραχέα στοιχεία, γεγονός που επιβάλλει την εφαρμογή της μεθόδου θλιπτήρων - ελκυστήρων στην ανάλυση και τη διαστασιολόγησή τους. Στο πειραματικό μέρος της διατριβής εξετάζονται συμβατικές και μη συμβατικές διατάξεις οπλίσεως πλακών κεφαλοδέσμων πασσάλων. Τα πειραματικά αποτελέσματα των συμβατικά οπλισμένων δοκιμίων έδειξαν ότι υπάρχει άνω όριο στο ποσοστό οπλισμού των ελκυστήρων πέραν του οποίου οι οπλισμοί δεν αποδίδουν πλήρως την αντοχή τους και η φέρουσα ικανότητα του κεφαλόδεσμου καθορίζεται πλέον από την αντοχή των θλιπτήρων. Μετά τη διαπίστωση αυτή, αναζητήθηκαν μη συμβατικές διατάξεις οπλίσεως έτσι ώστε, για την ίδια αναλογία χάλυβα - σκυροδέματος να επιτευχθεί μεγιστοποίηση της φέρουσας ικανότητας υπό κεντρική φόρτιση μέσω της ενεργοποίησης ενός πρόσθετου μηχανισμού θλιπτήρων - ελκυστήρων. Τα πειραματικά αποτελέσματα των μη συμβατικά οπλισμένων δοκιμίων επιβεβαίωσαν αυτήν την νέα οδό μεταφοράς φορτίων και διαπιστώθηκε αύξηση της φέρουσας ικανότητας της τάξεως του 50% έναντι της συμβατικής διάταξης όπλισης με την ίδια ποσότητα κύριου οπλισμού. Ένας ακόμη στόχος της παρούσας πειραματικής έρευνας είναι η διερεύνηση της κατανομής του φορτίου στους μη στατικώς ορισμένους κεφαλόδεσμους. Στις περιπτώσεις αυτές η κατανομή του φορτίου του υποστυλώματος στους πασσάλους δεν είναι ομοιόμορφη. Το προτεινόμενο κριτήριο κατανομής του φορτίου προσεγγίζει σε ικανοποιητικό βαθμό τα διαθέσιμα πειραματικά αποτελέσματα. Το αποτέλεσμα της αναλυτικής διερεύνησης του προβλήματος της μηχανικής συμπεριφοράς των πλακών κεφαλοδέσμων πασσάλων στις οποίες εφαρμόζονται συμβατικές και μη συμβατικές διατάξεις οπλίσεως είναι οι προτεινόμενες μέθοδοι υπολογισμού της αντοχής τους οι οποίες βασίζονται στις γενικές αρχές της μεθόδου θλιπτήρων - ελκυστήρων. Η αξιοπιστία των προτεινόμενων μεθόδων υπολογισμού ελέγχθηκε με πειραματικά αποτελέσματα τα οποία προέρχονται τόσο από τη διεθνή βιβλιογραφία όσο και από το πειραματικό υλικό της παρούσας διατριβής. Η παρούσα έρευνα αποδεικνύει ότι οι προτεινόμενες μη συμβατικές διατάξεις οπλίσεως βελτιώνουν σημαντικά τη μηχανική συμπεριφορά των πλακών κεφαλοδέσμων πασσάλων και ότι η μέθοδος θλιπτήρων - ελκυστήρων αποτελεί ένα ασφαλές και αξιόπιστο εργαλείο για την ορθολογική διαστασιολόγηση των στοιχείων αυτών.