Συμπεριφορά στοιχείων σκυροδέματος ενισχυμένων με ελάσματα συνθετικού οπλισμού

Abstract

Externally bonded fiber reinforced polymers (FRP) are very popular in retrofit of reinforced concrete beams. They have high strength to weight ratio and geometric versatility while up to date research, has confirmed the upgraded response of carbon FRP (CFRP) strengthened reinforced concrete beams, both in flexure and shear. Recently, considerable interest has been attracted by the fatigue behavior of reinforced concrete members, especially beams and bridge girders. Fatigue experiments are very demanding as they are time and energy consuming, require thoroughly designed experimental setup and equipment, to resist millions of cycles of loading. Therefore, the beams are usually of small scale and the studied parameters limited. The aim of the present research is the experimental investigation of the response of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) strengthened reinforced concrete (RC) beams, of large scale, under fatigue loading. Reinforced concrete beams were cast for this purpose, both with rectangular and T cross sections, with web dimensions of 200 mm x 500 mm and 3050 mm in length. Beams were strengthened in flexure with externally bonded CFRP laminate (Externally Bonded Reinforcement, EBR) or with CFRP laminates bonded into slits on the concrete cover surface (Near Surface Mounted, NSM). Transverse CFRP sheets were placed on the shear spans of the beams to avoid fragile shear failure. All specimens were tested under fatigue loading, with load-unload cycles of 2Hz frequency. Two different amplitudes of cycles were investigated. The different fatigue life and modes of failures are discussed. Beams subjected to the low loading range, simulating the service loads of a bridge beam, could sustain more than 2 million cycles. Beams subjected to the high loading range, according to the maximum limit of the American Concrete Institute (ACI) Committee 440.2R-08, presented fatigue failure of the reinforcing steel in cycles less than 1.5 x 106. The ratio of the axial rigidity of the tensile steel bar ks to the axial rigidity of fiber reinforced polymer (FRP) strengthening kf plays a significant role in extending the fatigue life of steel and thus of RC FRP strengthened beams. The lower the ks/kf ratio, the higher the fatigue life of the retrofitted member. NSM strengthening may maintain a full bond with the concrete substrate even after the fatigue fracture of steel bars. Therefore, it may provide residual capacity to the retrofitted member to survive detrimental collapse. This research also presents an analytical study on the fatigue response of reinforced concrete beams strengthened with fiber reinforced polymers (FRP). The study gathers the experimental results from the international literature and from authors’ experiments and investigates the critical parameters that affect fatigue performance of reinforced concrete (RC) beams. The higher the maximum stress and the stress range on the longitudinal steel bars of the beam, the lower their fatigue life. ACI Committee 440.2R-08 guide recommends stress limits for FRP strengthening under tension and concrete under compression as well as a peak reinforcing bar stress of 80% of yield strength to estimate the upper limit of fatigue loading in Serviceability Limit State (SLS). It is acknowledged by the existing literature that the critical material vulnerable to fatigue failure is steel and that stresses on steel about 60% of its yielding strength practically do not lead to fatigue failure. The available fatigue prediction models provide the number of cycles to failure with respect to the steel stress range assuming indirectly a sustained load between a minimum and maximum level. Given the SLS design approach for steel stress limitation, the present research aims to introduce directly and clearly the ratio of maximum steel stress to the yielding strength of steel σmax/fy into the fatigue design. A new analytical model is proposed for predicting the fatigue life of FRP strengthened RC beams. The parameters used are the maximum stress of tensile steel (σmax) to the yielding strength (fy) ratio, as well as the axial rigidity of longitudinal steel (ks) and FRP (kf) reinforcement. The predictions of the proposed model are compared against the experimental results as well as against the predictions of fatigue models in the literature. Keywords: Fatigue, Fiber Reinforced Polymers, Laminates, NSM, Strengthening, Steel to FRP axial stiffness ratio, Analysis

Αντικείμενο της παρούσας έρευνας είναι η πειραματική και αναλυτική διερεύνηση της συμπεριφοράς, κάτω από φορτίο κόπωσης, δοκών ωπλισμένου σκυροδέματος ενισχυμένων έναντι ροπής και τέμνουσας με ελάσματα και υφάσματα ινωπλισμένων πολυμερών, αντίστοιχα. Για τους σκοπούς της έρευνας συστάθηκε πειραματικό πρόγραμμα που περιελάβανε τη δοκιμή δοκών ωπλισμένου σκυροδέματος μεγάλης κλίμακας, διαστάσεων 3,050 mm μήκους, 500 mm ύψους και 200 mm πλάτους, το οποίο πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ωπλισμένου Σκυροδέματος του Δημοκριτείου Πανεπιστημίου Θράκης. Οι δοκοί και οι ενισχύσεις σχεδιάστηκαν με βάση τις κανονιστικές διατάξεις του Αμερικάνικου Κανονισμού ACI Committee 315Μ-05 και 440.2R-08, αντίστοιχα. Τα πειραματικά δοκίμια χωρίσθηκαν σε δύο ομάδες και μελετήθηκε η απόκρισή τους κάτω από δύο διαφορετικά εύρη φόρτισης. Το πρώτο εύρος κυμάνθηκε μεταξύ 20% και 60% του φορτίου αστοχίας Pu της ενισχυμένης δοκού και το δεύτερο μεταξύ 20% του φορτίου αστοχίας Pu και 80% του φορτίου διαρροής Py της ενισχυμένης δοκού. Στόχος ήταν η προσομοίωση δύο φορτιστικών σεναρίων που να δηλώνουν α) τα φορτία νεκρά φορτία μιας γέφυρας (20%Pu), β) τα φορτία λειτουργίας της (60% Pu) και γ) τα όρια σχεδιασμού (80% Py) που επιβάλλει ο Αμερικάνικος Κανονισμός ενισχύσεων με ινωπλισμένα πολυμερή, ACI Committee 440.2R-08. Η καμπτική ενίσχυση πραγματοποιήθηκε με δύο διαφορετικές μεθόδους τοποθέτησης ελασμάτων ΙΩΠ, η πρώτη αφορούσε στην τοποθέτηση των ελασμάτων εξωτερικά στο εφελκυόμενο πέλμα των δοκών (EBR FRP) και η δεύτερη στην τοποθέτησή τους σε εγκοπές μέσα στην επικάλυψη του σκυροδέματος του εφελκυόμενου πέλματος των δοκών (NSM FRP). Τέλος, η διερεύνηση περιέλαβε δοκίμια τόσο ορθογωνικής διατομής όσο και πλακοδοκούς. Η καμπτική ενίσχυση των δοκών σχεδιάστηκε με σκοπό να επιφέρει αύξηση της καμπτικής τους ικανότητας κατά 30% περίπου. Για το λόγο αυτό, απαιτήθηκε εμβαδόν οπλισμού EBR διπλάσιο από αυτό των ελασμάτων εγκοπής. Το εμβαδόν του εφελκυόμενου χαλύβδινου οπλισμού παρέμεινε σε όλες τις περιπτώσεις ίδιο. Μελετήθηκε επομένως στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, η επιρροή της δυστένειας του χαλύβδινου οπλισμού (ks=AsEs) σε σχέση με αυτή του οπλισμού ΙΩΠ (kf=AfEf). Η μελέτη της υπάρχουσας διεθνούς βιβλιογραφίας αναδεικνύει την επίδραση του ποσοστού του οπλισμού ΙΩΠ σε σχέση με το ποσοστό του οπλισμού χάλυβα στην απόκριση των δοκών ωπλισμένου σκυροδέματος σε κόπωση. Σε κάθε περίπτωση, κρίσιμο υλικό σε κόπωση παραμένει ο χάλυβας, εντούτοις η εκτίμηση των κύκλων φόρτισης κόπωσης ως την αστοχία μίας δοκού ωπλισμένου σκυροδέματος ενισχυμένης με ινωπλισμένα πολυμερή μπορεί να γίνει ακριβέστερη αν ληφθούν υπόψη στους υπολογισμούς η δυστένεια των οπλισμών χάλυβα και ΙΩΠ, η τάση που ασκείται στο χάλυβα και το όριο διαρροής του. Η συνεισφορά του χάλυβα στην καμπτική ικανότητα της δοκού μειώνεται λόγω της φόρτισης κόπωσης και της ανάπτυξης ρηγματώσεων, εξαιτίας της μείωσης της ενεργούς επιφάνειάς του λόγω εφελκυστικών τάσεων. Στις δοκούς με ενίσχυση ΙΩΠ, η συνεισφορά του ελάσματος είναι τέτοια ώστε ο χαλύβδινος οπλισμός να αστοχήσει σε μεγαλύτερο αριθμό κύκλων κόπωσης. Συνεπώς, όσο χαμηλότερος είναι ο λόγος δυστένειας χάλυβα και ΙΩΠ, ks/kf, τόσο μεγαλύτερη είναι η αντοχή της δοκού ωπλισμένου σκυροδέματος σε κόπωση. Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται και προτείνεται μία αναλυτική σχέση υπολογισμού των κύκλων επαναλαμβανόμενης φόρτισης η οποία περιλαμβάνει τη συνεισφορά του ινωπλισμένου πολυμερούς, τη δυστένεια του χάλυβα και του ΙΩΠ, της τάση στο χάλυβα και το όριο διαρροής και καταλήγει σε ακριβέστερες προβλέψεις συγκριτικά με τις υφιστάμενες σχέσεις της βιβλιογραφίας στις οποίες λαμβάνεται υπόψη μόνο το εύρος φόρτισης κόπωσης.Η παρούσα διατριβή αποτελείται από πέντε κεφάλαια και χωρίζεται σε τρία μέρη όσες και οι φάσεις της έρευνας που διεξήχθη. Κάθε φάση στοχεύει στην ολοκλήρωση μιας συνιστώσας για την κατανόηση της συμπεριφοράς και σχεδιασμού της ενίσχυσης υφιστάμενου στοιχείου δοκού ωπλισμένου σκυροδέματος υπό φορτία κόπωσης. Αρχικά, γίνεται παρουσίαση των Ινωπλισμένων Πολυμερών ως μεθόδου ενίσχυσης των στοιχείων σκυροδέματος και αναλύονται τα μηχανικά χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες τόσο των συστατικών μελών όσο και του συνθετικού υλικού. Στη συνέχεια καταγράφεται η υφιστάμενη γνώση γύρω από το πεδίο της ενίσχυσης δοκών ωπλισμένου σκυροδέματος με ινωπλισμένα πολυμερή και αναδεικνύονται οι σημαντικότερες περιοχές για περαιτέρω διερεύνηση (Κεφ. 2ο ). Έπειτα, γίνεται παρουσίαση των πειραματικών δοκιμών που έλαβαν χώρα στο Εργαστήριο Ωπλισμένου Σκυροδέματος του Δημοκριτείου Πανεπιστημίου Θράκης. Παρουσιάζεται βήμα προς βήμα, ο σχεδιασμός της ενίσχυσης δοκών ΩΣ μεγάλης κλίμακας με βάση τις διατάξεις της ACI 440.2R-08, η διαδικασία προετοιμασίας της επιφάνειας σκυροδέματος που δέχθηκε τα υλικά ενίσχυσης και η τοποθέτηση των υλικών σύμφωνα με τις ισχύουσες προδιαγραφές (ΠΕΤΕΠ – ACI). Επιπλέον αναλύεται το ιστορικό φόρτισης για την προσομοίωση της κόπωσης σε τυπικές δοκούς οδογεφυρών (Κεφ. 3ο). Παρουσιάζεται λεπτομερώς η πειραματική διαδικασία δοκιμής κόπωσης, η συμπεριφορά των δοκιμίων καθώς και των υλικών, υφισταμένων και ενίσχυσης, και διερευνώνται τα αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών. Τα αποτελέσματα ερμηνεύονται σε όρους φορτίου βυθίσεων, βυθίσεων και διάρκειας ζωής και παραμόρφωσης (Κεφ. 4ο). Τέλος, παρουσιάζεται η αναλυτική μεθοδολογία εκτίμησης της συμπεριφοράς των δοκιμίων. Προτείνεται μια καινοτόμος αναλυτική σχέση υπολογισμού του αριθμού κύκλων φόρτισης σε κόπωση ως την αστοχία μιας δοκού ωπλισμένου σκυροδέματος ενισχυμένης με ινωπλισμένα πολυμερή. Η σχέση λαμβάνει υπόψη την επιρροή του ορίου διαρροής του χάλυβα (fy) και της μέγιστης επιβαλλόμενης τάσης σε αυτόν (σmax), καθώς και του υλικού ενίσχυσης στη συμπεριφορά του ενισχυμένου στοιχείου μέσω του λόγου δυστένειας ks/kf του εφελκυόμενου χαλύβδινου οπλισμού (ks) προς αυτήν του εφελκυόμενου οπλισμού ΙΩΠ (kf) (Κεφ.5ο). Λέξεις κλειδιά: Κόπωση, Ινωπλισμένα Πολυμερή, Ελάσματα, NSM, Ενίσχυση, Λόγος δυστένειας χάλυβα – ΙΩΠ, Ανάλυση