Πειραματική και αριθμητική διερεύνηση της συμπεριφοράς δοκών Ο/Σ διατμητικά ενισχυμένων με αγκυρωμένες ή μη ανοιχτές λωρίδες ινοπλισμένων πολυμερών άνθρακα ή χάλυβα όταν υποβάλλονται σε μονότονες ή ανακυκλιζόμενες σεισμικού τύπου φορτίσεις

Abstract

The present PhD thesis aims to investigate the overall behavior of externally strengthened R/C beams using open hoop strips of either CFRP or SFRP with or without the combination of an anchoring scheme. The strengthened beams are subjected to either monotonic or cyclic loadings. The aforementioned investigation focuses on the use of a novel anchoring device developed at the Laboratory of Strength of Materials and Structures of Aristotle University of Thessaloniki and patented at Europe, USA and Canada.The basic investigated material is divided to four sections:1.From the synthetic evaluation of the extended experimental study the following summarised results have been arisen:SFRP strips can be used as an alternative material for strengthening applications.As long as the density of SFRP strips is increased the shear capacity of the strengthened beam is further increased. When an effective anchoring scheme is used the aforementioned remark lacks of importance.The use of an anchoring scheme removes the mode of failure from debonding to either FRP rapture or failure of the anchoring device itself.The influence of type of the imposed loading (monotonic vs. cyclic) is important especially when no anchoring device is utilized (QFRP,monotonic =1.7QFRP,cyclic). When an anchoring device is used the influence becomes less important (QFRP,monotonic =1.37QFRP,cyclic).The behaviour of pre-cracked shear strengthened R/C beams is similar to the behaviour of non-cracked initial beams.2.The proposed analytical model can predict the contribution of FRP strips (Vf,cal) of a shear strengthened R/C beam with accuracy. The ratio QFRP / Vf,cal varies between 0.92 and 1.173.The present PhD thesis is furthermore focusing on the development of a numerical 3D FE model utilizing the software ABAQUS. All non-linear behaviors are simulated (materials, modes of failure, anchoring device…). The comparison between numerical results and experimental results proved to be very good. As a result a tool has been developed to accurately predict the overall shear behavior of a strengthened R/C beam.4.The fourth and last section of the present PhD thesis is focusing on the prediction of the shear behavior of strengthened R/C beams utilizing three international design codes (ACI440-R2, Eurocode8-3, KAN.EPE). The experimental results are compared with the codes’ prediction. When a strengthened R/C beam is subjected to cyclic loadings, a reduction factor should be adopted. Finally all codes should adopt a procedure to safely design an anchoring device. At least the basic equation Qdesign ≤ QFRP,strip ≤ Qancchoring should be proposed.

Γενικό στόχο της παρούσας διατριβής αποτελεί η διερεύνηση της συμπεριφοράς συστήματος διατμητικής ενίσχυσης με ανοιχτές λωρίδες ινοπλισμένων πολυμερών τόσο από ίνες άνθρακα (ΑΙΟΠ) όσο και από ίνες χάλυβα υψηλής αντοχής (ΧΙΟΠ), με ή χωρίς αγκυρώσεις όταν η ενίσχυση αυτή εφαρμόζεται σε δοκούς Ο/Σ που υποβάλλονται είτε σε μονότονες είτε σε ανακυκλιζόμενες φορτίσεις. Στα πλαίσια του ανωτέρω γενικού στόχου διερευνήθηκε σε βάθος η εν λόγω συμπεριφορά σε συνδυασμό με μια καινοτόμο διάταξη αγκύρωσης που αναπτύχθηκε για αυτόν τον σκοπό και κατοχυρώθηκε σε Ευρώπη, Αμερική και Καναδά στο Εργαστήριο Πειραματικής Αντοχής των Υλικών και των Κατασκευών υπό τη διεύθυνση του Καθηγητή Γεωργίου Χ. Μάνου.Το βασικό υλικό της διερεύνησης χωρίζεται σε 4 ενότητες: 1. Από την συνθετική επεξεργασία όλων των πειραματικών αποτελεσμάτων προκύπτουν τα εξής βασικά συνοπτικά συμπεράσματα:•Οι λωρίδες ΧΙΟΠ αποτελούν αξιόπιστη εναλλακτική λύση χρήσης υλικού διατμητικής ενίσχυσης.•Όσο πιο πυκνές είναι οι λωρίδες ΙΟΠ τόσο πιο αυξημένη προκύπτει η φέρουσα ικανότητα σε τέμνουσα. Στην περίπτωση χρήσης αποτελεσματικής αγκύρωσης η πυκνότητα των λωρίδων παύει να έχει κυρίαρχη σημασία. •Η χρήση διατάξεων αγκύρωσης σε συνδυασμό με λωρίδες ΙΟΠ μεταφέρει τη μορφή αστοχίας από την αποκόλληση των λωρίδων ΙΟΠ (χωρίς αγκύρωση) στην θραύση των λωρίδων ή στην αστοχία της διάταξης αγκύρωσης. •Η επιρροή του τύπου της φόρτισης είναι σημαντική ιδιαίτερα στην περίπτωση απουσίας αγκύρωσης (QΙΟΠ,μονότονης =1.7QΙΟΠ,ανακύκλ.). Στην περίπτωση χρήσης αγκύρωσης η επιρροή αυτή περιορίζεται (QΙΟΠ,μονότονης =1.37QΙΟΠ,ανακύκλ.) •Η συμπεριφορά των προ-ρηγματωμένων δομικών στοιχείων δοκών Ο/Σ δεν επηρεάζεται από την ύπαρξη των προϋφιστάμενων διαγώνιων ρηγματώσεων λόγω προηγούμενης φόρτισης των εν λόγω δομικών στοιχείων.2. Οι εκτιμήσεις της φέρουσας διατμητικής ικανότητας που συνεισφέρουν οι λωρίδες ΙΟΠ μέσω του αναλυτικού υπολογισμού (Vf,cal) έχουν αρκετά ικανοποιητική σύγκλιση με τις αντίστοιχες πειραματικές τιμές (QIOΠ), με τον λόγο QIOΠ / Vf,cal να παίρνει τιμές από 0.92 έως 1.17.3. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής γίνεται προσπάθεια πιστοποίησης της αριθμητικής προσομοίωσης της παρατηρηθείσης πειραματικά μετρημένης συμπεριφοράς με τη βοήθεια του προγράμματος ABAQUS. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής επιβεβαιώνεται η καταλληλότητα χρήσης ενός αξιόπιστου αριθμητικού εργαλείου πρόβλεψης της διατμητικής συμπεριφοράς δοκών Ο/Σ ενισχυμένων διατμητικά με ανοιχτές λωρίδες ΙΟΠ, είτε απλά επικολλημένες είτε αγκυρωμένες, ως ένα σύστημα διατμητικής ενίσχυσης των εν λόγω δοκών.4. Τέλος διερευνάται η ισχύς των προβλέψεων της συμπεριφοράς της εν λόγω διατμητικού τύπου ενίσχυσης μέσω τριών διεθνών κανονισμών: α) ACI440R2, β) EC8-3 και γ) ΚΑΝ.ΕΠΕ. Από την διεξοδική διερεύνηση αυτή τεκμαίρεται ότι η χρήση των κανονιστικών διατάξεων προβλέπουν εν γένει με ασφάλεια την διατμητική φέρουσα ικανότητα των λωρίδων ΙΟΠ (cVf,cal). Κρίνεται απαραίτητη η υιοθέτηση επιπρόσθετου συντελεστή ασφαλείας στην περίπτωση που ένα δομικό στοιχείο υποβάλλεται σε ανακυκλιζόμενη σεισμικού τύπου φόρτιση. Τέλος οι κανονιστικές διατάξεις που προβλέπουν την εκτίμηση της φέρουσας διατμητικής ικανότητας συστήματος διατμητικής ενίσχυσης με την χρήση ανοιχτών λωρίδων ΙΟΠ σε συνδυασμό με αγκυρώσεις προτείνεται να απαιτούν τον κατάλληλο σχεδιασμό και την πιστοποίηση της αποτελεσματικότητας του συστήματος αγκύρωσης για το φορτίο που καλείται να παραλάβει. Προτείνεται τουλάχιστον η υιοθέτηση της γενικής αρχής σχεδιασμού: QΙΟΠ ≤ Qλωριδων ≤ Qαγκύρωσης