Μηχανική συμπεριφορά σκυροδέματος περισφιγμένου με σύνθετα υλικά

Abstract

The use of composite materials (Fiber Reinforced Polymers - FRP) as external confining reinforcement in concrete structural elements is worldwide spread. In many applications such as: structures in high corrosive environment owing to climate conditions or chemicals, strengthening of existing structures (bridges, buildings etc) to resist increased static, dynamic or seismic loads, rehabilitation /strengthening of earthquake damaged structures, FRPs appear to be - in some cases - more advantageous than conventional steel reinforcement. The present research focuses in the investigation of the mechanical behavior of FRP confined concrete from the viewpoint of plasticity theory. The plasticity theory as a powerful analytical tool provides the mathematical background that allows the precise physical interpretation of the inelastic response of concrete (with low, medium and high plain concrete strength) in agreement with experimental observations.Initially an experimental program of cylindrical concrete specimens is elaborated with different concrete qualities and strength ranging from 25.2 MPa to 82.1 MPa. Two confining techniques are applied including: wrapping of carbon sheets of usual (228 GPa - 240 GPa) and high (377 GPa) modulus of elasticity with axial rigidity range (2tjΕj/D) up to 4300 MPa as well as wrapping of prestressed carbon filament for the investigation of active confinement. The specimens are subjected to monotonic and gradually increasing compressive loading – unloading. Confinement effectiveness is evaluated in terms of strength, ductility and volumetric response of specimens. Thedependence of confinement effectiveness on main design parameters, on material mechanical properties and on prestress level is studied. Empirical relations are proposed for the prediction of strength and ultimate strain of FRP confined concrete, expressing the tensile strain of FRP at failure (and the confinement effectiveness coefficient) through its modulus of elasticity. The confinement effectiveness among confining FRP materials (glass or carbon) and steel is compared. The behavior of the jacket is investigated. In particular the effect of bond between jacket and concrete, the triaxial stress state of the jacket as well as its overlap configuration are investigated. The mechanical behavior of FRP confined concrete is investigated through plasticity theory analysis with Drucker-Prager load-failure criterion, nonassociated flow rule and consideration of hardening – softening material. The elastic and inelastic (plastic) behavior of concrete is estimated experimentally. The experimental curves of the (plasticity) dilatation parameter versus the plastic strain trajectory as well as of damage parameter versus the plastic strain trajectory are presented. Analytical relations are proposed for the calibration of basic parameters of the plasticity theory withexperimental observations. Thus a new plasticity model results with an upgraded hardening rule where all the inelastic parameters of concrete (except for damage parameter) are related with closed form expressions in terms of concrete strength. The dilation parameter depends also on the rigidity of the confining means. Τhe damage parameter is calibrated for each concrete strength. The predictions of the model are compared against published experimental data reported by several researchers as well as against models that are adopted from international design recommendations. The model provides analytical prediction of actively confined specimens as well. Furthermore, an experimental program is elaborated for the investigation of concrete subjected to non-uniform confinement. Square-section concrete specimens are constructed with different concrete qualities and strength from 33 MPa to 40 MPa. Wrapping with carbon and glass sheets of usual modulus of elasticity (240 GPa and 65 GPa respectively) is applied, with axial rigidity range in the x-direction (or in the ydirection, 2tjEj/b) ranging up to 1404 MPa. Confinement effectiveness is evaluated in terms of strength, ductility and volumetric response and energy absorption of specimens. The dependence of confinement effectiveness on main design parameters, on material mechanical properties and on section shape is studied. An analytical plasticity model is proposed with a modified loading – failure criterion so as to describe the concrete regions subjected to non-uniform confinement. The confined part of the section includes regions subjected to uniform biaxial confinement and others aresubjected to uniaxial confinement. The model is recalibrated and its predictions are compared against experimental data of several researchers as well as against a proposed constitutive model based on analytical relations adopted from international design recommendations. Finally, significant conclusions are drawn from the present research as well as recommendations for further research.

Η χρήση σύνθετων υλικών (Ινωπλισµένα Πολυµερή, Fiber Reinforced Polymers - FRP) ως εξωτερικού οπλισµού περίσφιγξης σε δοµικά στοιχεία από σκυρόδεµα είναι ευρέως διαδεδοµένη διεθνώς. Σε πολλές εφαρµογές, όπως: κατασκευών σε έντονο διαβρωτικό περιβάλλον εξαιτίας κλιµατολογικών συνθηκών ή ύπαρξης χηµικών ουσιών, ενίσχυσης υφιστάµενων κατασκευών (γεφυρών, κτιρίων κλπ) έναντι αυξηµένων στατικών, δυναµικών ή σεισµικών φορτίων, αποκατάστασης ή/και ενίσχυσης κατασκευών που έχουν υποστεί βλάβες, τα δοµικά ινωπλισµένα πολυµερή (ΙΩΠ) εµφανίζουν σε ορισµένες περιπτώσεις πλεονεκτήµατα σε σχέση µε τον συµβατικό χαλύβδινο οπλισµό. Η παρούσα έρευνα εµβαθύνει στην διερεύνηση της µηχανικής συµπεριφοράς του περισφιγµένου µε ΙΩΠ σκυροδέµατος από την σκοπιά της θεωρίας της πλαστικότητας.Η θεωρία της πλαστικότητας ως ένα ισχυρό αναλυτικό εργαλείο παρέχει το µαθηµατικό υπόβαθρο που επιτρέπει την ακριβή φυσική απόδοση της ανελαστικής συµπεριφοράς του σκυροδέµατος (χαµηλής, µέσης και υψηλής αντοχής) σε συµφωνία µε πειραµατικές παρατηρήσεις. Αρχικά καταρτίζεται πειραµατικό πρόγραµµα περισφιγµένων κυκλικών διατοµών σκυροδέµατος διαφορετικών ποιοτήτων µε κυλινδρική αντοχή σκυροδέµατος από 25.2 MPa έως 82.1 MPa. Εφαρµόζονται δύο τεχνικές περίσφιγξης: περιέλιξης ανθρακοϋφασµάτων συνήθους (234 GPa - 240 GPa) και υψηλού (377 GPa) µέτρου ελαστικότητας µε φάσµα δυστένειας (2tjΕj/D, εγκάρσια σε κυκλική διατοµή) έως 4300 MPa καθώς και περιέλιξης προεντεταµένης δέσµης ανθρακοϊνών µε δυστένεια 2833 MPa για την διερεύνηση της ενεργητικής περίσφιγξης. Τα δοκίµια υποβάλλονται σεµονότονη καθώς και σε σταδιακά αυξανόµενη θλιπτική φόρτιση - αποφόρτιση. Αποτιµάται η αποτελεσµατικότητα της περίσφιγξης του σκυροδέµατος σε µεγέθη αντοχής, παραµορφωσιµότητας και ογκοµετρικής συµπεριφοράς των δοκιµίων. Εξετάζεται ο βαθµός συσχέτισης της αποτελεσµατικότητας της περίσφιγξης µε βασικές παραµέτρους σχεδιασµού, τις ιδιότητες των υλικών καθώς και το επίπεδο προέντασης. Προτείνονται εµπειρικές σχέσεις πρόβλεψης της µέγιστης αναλαµβανόµενης τάσης και παραµορφωσιµότητας σκυροδέµατος περισφιγµένου µε ΙΩΠ όπου η παραµορφωσιακή κατάσταση του ΙΩΠ στην αστοχία (και ο συντελεστής αποτελεσµατικότητας τηςπερίσφιγξης) εκφράζονται µέσω του µέτρου ελαστικότητας του ΙΩΠ. Συγκρίνεται η αποτελεσµατικότητα της περίσφιγξης µεταξύ διατοµών περισφιγµένων µε ΙΩΠ (γυαλιού ή άνθρακα) ή µε χάλυβα. ∆ιερευνάται η διαφοροποίηση της συµπεριφοράς του µανδύα ΙΩΠ σε σχέση µε τις συνθήκες συνάφειας του µανδύα µε το σκυρόδεµα, σε σχέση µε τη διεύθυνση των ινών του υφάσµατος, καθώς και σε σχέση µε το µήκος αγκύρωσης της εξωτερικής στρώσης του υφάσµατος. Η συµπεριφορά του περισφιγµένου µε ΙΩΠ σκυροδέµατος προσεγγίζεται από τη σκοπιά της θεωρίας της πλαστικότητας, θεωρώντας συνάρτηση φόρτισης - αστοχίας τύπου Drucker-Prager για το σκυρόδεµα, µε νόµο πλαστικής ροής µη σχετιζόµενο µε την συνάρτηση φόρτισης (µη συνεταιριστικό) και υλικό που εκδηλώνει κράτυνση και φθίνοντα κλάδο. Προσδιορίζεται πειραµατικά η ελαστική και ανελαστική (πλαστική) συµπεριφορά του περισφιγµένου σκυροδέµατος. Εξάγονται οι πειραµατικές καµπύλες (πλαστικής) διόγκωσης µε την τροχιά πλαστικής παραµόρφωσης καθώς και φθοράς (βλάβης σκυροδέµατος) µε την τροχιά πλαστικής παραµόρφωσης. Προτείνονται κατάλληλεςαναλυτικές σχέσεις για την βαθµονόµηση των βασικών παραµέτρων της θεωρίας της πλαστικότητας σε συµφωνία µε τις πειραµατικές παρατηρήσεις. Έτσι προτείνεται αναλυτικό προσοµοίωµα της θεωρίας της πλαστικότητας µε νέα αναβαθµισµένη συνάρτηση κράτυνσης όπου όλες οι ανελαστικές παράµετροι του σκυροδέµατος (εκτός της φθοράς) συσχετίζονται µονοσήµαντα µέσω κλειστών σχέσεων µε την αντοχή του σκυροδέµατος. Ο συντελεστής (πλαστικής) διόγκωσης προκύπτει ότι εξαρτάται και από τη δυστένεια του µέσου περίσφιγξης. Η παράµετρος φθοράς βαθµονοµείται για κάθε αντοχή σκυροδέµατος. Οι προβλέψεις του προσοµοιώµατος συγκρίνονται µε πειραµατικά δεδοµένα διαφόρων ερευνητών καθώς και µε προσοµοιώµατα τα οποία υιοθετούνται και από διεθνείς συστάσεις σχεδιασµού. Το προσοµοίωµα παρέχει πρόβλεψη και για τα δοκίµια όπου εφαρµόστηκε ενεργητική περίσφιγξη. Στην συνέχεια καταρτίζεται πειραµατικό πρόγραµµα για τη διερεύνηση σκυροδέµατος σε ανοµοιόµορφη περίσφιγξη. Κατασκευάζονται τετραγωνικές διατοµέςσκυροδέµατος διαφορετικών ποιοτήτων µε αντοχή σκυροδέµατος από 33 MPa έως 40 MPa. Εφαρµόζεται περιέλιξη ανθρακοϋφασµάτων και υαλοϋφασµάτων συνήθους µέτρου ελαστικότητας (240 GPa και 65 GPa αντίστοιχα) µε φάσµα δυστένειας κατά τη διεύθυνση χ (ή και κατά ψ, 2tjΕj/b, εγκάρσια σε τετραγωνική διατοµή) έως 1404 MPa. Αποτιµάται η αποτελεσµατικότητα της περίσφιγξης του σκυροδέµατος σε µεγέθη αντοχής, παραµορφωσιµότητας, ογκοµετρικής συµπεριφοράς, και απορρόφησης ενέργειας των δοκιµίων. Εξετάζεται ο βαθµός συσχέτισης της αποτελεσµατικότητας της περίσφιγξης µε βασικές παραµέτρους σχεδιασµού, των ιδιοτήτων των υλικών καθώς και του σχήµατος της διατοµής. Προτείνεται αναλυτικό προσοµοίωµα της θεωρίας τηςπλαστικότητας µε κατάλληλα τροποποιηµένη συνάρτηση φόρτισης - αστοχίας ώστε να αποδίδονται ταυτόχρονα οι περιοχές του σκυροδέµατος σε ανοµοιόµορφη περίσφιγξη. Πιο συγκεκριµένα η περισφιγµένη διατοµή διακριτοποιείται σε περιοχές σε οµοιόµορφη διαξονική περίσφιγξη ή σε µονοαξονική περίσφιγξη. Το προσοµοίωµα αναβαθµονοµείται και συγκρίνονται οι προβλέψεις του µε πειραµατικά δεδοµένα διαφόρων ερευνητών καθώς και µε προτεινόµενο καταστατικό προσοµοίωµα που βασίζεται σε σχέσεις οι οποίες υιοθετούνται και από διεθνείς συστάσεις σχεδιασµού. Τέλος γίνεται ανακεφαλαίωση µε τα συµπεράσµατα και τις προτάσεις για περαιτέρω έρευνα.