Θεραπεία ανεπάρκειας μήκους παράθεσης του διαμήκους οπλισμού υποστηλωμάτων παλαιών κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος

Abstract

Strong earthquakes of the last forty years have caused excessive damages and collapses of a large number of reinforced concrete (R/C) structures worldwide. The experience of earthquakes led to improved design methods of modern codes, which limit the damage of recent structures to acceptable levels. One of the most critical factors related to the safety of R/C structures is the premature failure of the lap-spliced column longitudinal reinforcement. This brittle failure significantly affects the hysteretic response of the columns, which are structural members of the vertical bearing system, resulting in rapid degradation of lateral strength, ductility, stiffness and energy dissipation capacity and possible loss of axial load carrying capacity, due to bond failure and excessive slipping of the bars. Consequently the inadequacy of lap splices may result in loss of the structural integrity and collapse.The last thirty years experimental and analytical investigation on the deficiency of lap splices in R/C columns was conducted and valuable knowledge has resulted. Thus, modern codes (EC2 and EC8, ACI-318) introduce the design of lap splices as tensile, rather than compressive splices. However, in existing structures of the 1960s–’70s and the older ones, the inadequacy of lap splices is also combined with poor (or even lack of) confinement and the use of plain steel bars and low strength concrete. Hence, these structures are extremely vulnerable to future strong earthquake excitations, since the seismic performance of the columns is significantly affected by the aforementioned deficiencies. Short length of lap splices (especially when unconfined) results in premature bond failure and slipping of the spliced column reinforcement prior to the development of the nominal moment flexural capacity. Moreover, when the columns of existing R/C structures are retrofitted, the flexural capacity of the strengthened columns may be overestimated if the spliced reinforcement is not effectively confined. The inadequacy of the lap splice length is also critical when the length of starter bars of columns found in existing R/C structures is short (or sometimes extremely short). Due to the severe deterioration of the overall seismic performance, caused by the inadequate lap splice length of the column reinforcement, special efforts is imperative to be made to prevent bar slipping and ensure load transfer between the bars and yielding of reinforcement. Therefore, the earthquake-resistant rehabilitation strategies aim to prevent lap splice failures mainly by implementing adequate confinement to the lap splice region. The restriction of bar slipping may also be achieved by welding the starter bars with the column reinforcement, although this requires more attention to the artful details of the welding. The last decades various strengthening techniques and retrofit schemes have been developed and applied by researchers, to prevent the early failure of lap splices in columns of existing structures. Nevertheless, due to the great importance of improving the load transfer mechanism between the spliced column reinforcement and the need for a reliable prediction of the lateral behaviour of columns with lap splices, further investigation is required in order to achieve a seismic response of existing pre-1960s-‘70s structures similar to that of modern ones. The present experimental and analytical investigation aimed to study: a.The effectiveness of thin steel jackets in improving the hysteretic response and ductility of columns with inadequate lap splices and in preventing the premature failure of the splices.b.The suitability of mechanical anchorages and efficiency of welded spliced reinforcing bars in restoring the load transfer mechanism between the starter bars and the column longitudinal reinforcement, when a column of an existing structure is extended.c.The influence of confinement in the overall seismic performance of columns with deficient lap splices when strengthened by R/C jacketing. The main objective of the analytical part of the present dissertation was to propose a model for predicting the lateral behaviour of lap splices of columns found in either existing or modern structures and also for determining the required amount of confinement during the retrofit process. The experimental part of the research (funded by the Greek Ministry of Infrastructures, Transportation and Networks and the Earthquake Planning and Protection Organization) included three series of almost full-scale column sub-assemblages (Series I, II and III). The first series included eleven (11) specimens and the main parameters examined were the lap splice length (equal to either twenty or twenty-four times the bar diameter, ds) and the steel jacket width (two values). The seismic behaviour of the pre-earthquake retrofitted column specimens was compared with the hysteresis of two original sub-assemblages with inadequate lap splices and a similar control specimen with continuous longitudinal reinforcement. The steel jacket width was calculated according to a proposed equation (Eq. 6.14a) in the Greek Code for Interventions and also according to a simplified form of this equation, which was not included in the Greek Code for Interventions. Both equations were subsequently evaluated.Series II included four (4) column sub-assemblages, in three of which the starter bars and the reinforcement of the new column were welded. In the forth specimen the continuity of reinforcement was achieved via mechanical anchorages. The effectiveness of the welding and mechanical anchorage of reinforcement was evaluated by comparing the hysteresis of the specimens with the seismic behaviour of a control specimen with continuous longitudinal reinforcement. In the third series ten (10) column sub-assemblages (five original and five pre-earthquake retrofitted) were constructed. One specimen, representative of poorly detailed columns found in pre-1960s structures with continuous longitudinal reinforcement, was strengthened by R/C jacketing and used as the control specimen. The other four original columns had deficient lap splices of length equal to either twenty (two sub-assemblages) or twenty four (two sub-assemblages) times the bar diameter. All columns were strengthened with R/C jackets according to the provisions of EC2 and 8. In one of the specimens with lap splices of 20ds length and in one of these with 24ds length the spliced reinforcing bars were welded prior to the construction of the jacket. In the case of the other two columns, additional transverse reinforcement in the form of ties (which was not part of the transverse reinforcement of the R/C jacket) was used to further confine the splice region of the existing structural member. This reinforcement was calculated according to an equation (Eq.8.3) proposed by the Greek Code for Interventions for improving the lap splice behaviour under seismic excitations to achieve yielding of reinforcement. Hysteresis of the sub-assemblages was evaluated with respect to the lateral performance of the control specimen, while Eq.8.3 was also evaluated. The proposed analytical model for predicting the lateral performance of column lap splices is an extended form of the analytical model proposed by the professor of Aristotle University of Thessaloniki A.-D. Tsonos, for preventing the collapse of R/C buildings subjected to seismic loading. Thus, the Tsonos model was slightly transformed to be applied in the lap splice region. With the proposed analytical model the following can be achieved:1.Adequacy control of the lap-splice length in columns of existing structures.2.Adequacy control of the lap-splice length in columns of modern structures.3.Adequacy control of the confinement provided by the jacket (from R/C, steel or from composite materials) during the retrofit process. Moreover, the implementation of the proposed model ensures the yielding of the spliced reinforcement and prevention of premature bond failure by accurately determining the required confinement that has to be applied to the splice region from the strengthening material. The accuracy of the analytical method was checked against experimental results from both the literature and the experimental work included in the present research.

Τις τελευταίες τέσσερις δεκαετίες ισχυροί καταστροφικοί σεισμοί που συνέβησαν παγκοσμίως προκάλεσαν αναρίθμητες απώλειες ανθρώπινων ζωών, σοβαρούς τραυματισμούς και ανυπολόγιστο υλικό κόστος. Η εμπειρία που αποκτήθηκε, ωστόσο, με αυτόν τον ιδιαίτερα δυσάρεστο τρόπο συνετέλεσε στη διαπίστωση των αδυναμιών και των ανεπαρκειών των κατασκευών καθώς και του τρόπου σχεδιασμού και υπολογισμού τους. Έτσι, σε πολλές περιπτώσεις ο τρόπος και η φιλοσοφία σχεδιασμού άλλαξαν σταδιακά σημαντικά, ώστε να ενσωματώσουν τις σύγχρονες αντιλήψεις της αντισεισμικής τεχνολογίας των κατασκευών. Ως ένα από τα κρισιμότερα προβλήματα για την ασφάλεια των κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα (Ο/Σ) έναντι δυναμικών φαινομένων όπως ο σεισμός αναγνωρίστηκε η αστοχία των μελών του κατακόρυφου φέροντος συστήματος των κατασκευών, που δύναται να οδηγήσει σε απώλεια της ικανότητος παραλαβής αξονικής φορτίσεως, με συνέπεια τη μερική ή ολική κατάρρευση. Τα πλέον αδύναμα μέλη του κατακόρυφου φέροντος οργανισμού είναι τα υποστυλώματα και ιδίως οι κόμβοι δοκών-υποστυλωμάτων, που, παρ᾽ότι αποτελούν τμήμα των υποστυλωμάτων, συγκεντρώνονται σε αυτούς τεράστιες δυνάμες, κατά πολύ μεγαλύτερες εκείνων που καταπονούν τα υποστυλώματα (εκτός από την περίπτωση των βραχέων στύλων). Για τον λόγο αυτό η σύνθετη εντατική κατάσταση που αναπτύσσεται στο δομικό στοιχείο του κόμβου δοκού-υποστυλώματος επιχειρήθηκε από πολλούς ερευνητές παγκοσμίως να διαπιστωθεί και προβλεφθεί με αναλυτικά μοντέλα, προκειμένου να σχεδιάζονται οι κόμβοι με ασφάλεια. Ένα μάλιστα εκ των πλέον αξιόπιστων και αναγνωρισμένων αναλυτικών μοντέλων διεθνώς, εκείνο που πρότεινε ο καθηγητής κ. Α.-Δ. Τσώνος (Tsonos Model), προβλέπει με μεγάλη ακρίβεια τη συμπεριφορά του κόμβου σε σεισμό, παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα υπολογισμού της απαιτούμενης ενίσχυσης (για υφιστάμενα κτίρια) και της κατάλληλης όπλισης (σε σύγχρονες κατασκευές) προκειμένου να οδηγηθεί η αστοχία και ο σχηματισμός των πλαστικών αρθρώσεων στις συντρέχουσες στον κόμβο δοκούς και να παραμείνουν ο κόμβος και τα υποστυλώματα ανέπαφα κατά τη διάρκεια του σεισμού (ικανοποίηση κριτηρίου του ικανοτικού σχεδιασμού). Το μοντέλο μάλιστα εφαρμόζεται με ιδιαίτερη επιτυχία και στις περιπτώσεις βραχέων υποστυλωμάτων, βραχέων δοκών και βραχέων τοιχωμάτων.Εκτός από την αδυναμία που παρουσιάζουν κατά κόρον οι κοινές περιοχές δοκών-υποστυλωμάτων στις παλαιές κατασκευές Ο/Σ (της δεκαετίας του 1960-70 και οι παλαιότερες), μία από τις σοβαρότερες αδυναμίες των υφιστάμενων κατασκευών αποδείχθηκε ότι είναι και η ανεπάρκεια του μήκους πλευρικής παράθεσης των διαμήκων οπλισμών των υποστυλωμάτων. Το πρόβλημα της ανεπαρκούς παράθεσης των ράβδων επηρεάζει σημαντικά και ιδιαίτερα δυσμενώς την υστερητική απόκριση των υποστυλωμάτων, προκαλώντας υποβάθμιση όλων των μηχανικών αντισεισμικών ιδιοτήτων. Συνδυαζόμενο δε το μικρό και ανεπαρκές μήκος παράθεσης των οπλισμών με το ενδεχόμενο χρήσης λείου χάλυβα και με την πτωχή περίσφιγξη της περιοχής της παράθεσης, δύναται να οδηγήσει σε ραγδαία υποβάθμιση της σεισμικής συμπεριφοράς και σε απώλεια της ικανότητος του υποστυλώματος να παραλάβει αξονικό φορτίο, λόγω των μεγάλων ολισθήσεων (πιθανόν και εξολκεύσεως) των ράβδων. Είναι πιθανό επομένως σε υφιστάμενες παλαιές κατασκευές η πρώιμη αυτή ψαθυρού τύπου αστοχία να προκαλέσει καταρρεύσεις, με άμεσο κίνδυνο για την ασφάλεια και την ακεραιότητα των ανθρώπων. Η εξασφάλιση του μηχανισμού μεταφοράς δυνάμεων μεταξύ των παρατιθέμενων πλευρικά ράβδων οπλισμού και ο περιορισμός των ολισθήσεων των ράβδων αποτελούν επομένως βασικές επιδιώξεις κατά την ενίσχυση των υφιστάμενων κατασκευών, ώστε να αποφευχθεί η αστοχία των παραθέσεων και να διατηρηθεί η δομική ακεραιότητα. Επίσης, πέραν της αδυναμίας ανάπτυξης της καμπτικής αντοχής των υποστυλωμάτων σε υφιστάμενες κατασκευές, η ανεπάρκεια της παραθέσεως των διαμήκων οπλισμών δύναται, στην περίπτωση υποστυλωμάτων που ενισχύονται μέσω μανδύα περίσφιγξης, να οδηγήσει σε εσφαλμένα συμπεράσματα σχετικά με την καμπτική αντοχή των ενισχυμένων δομικών στοιχείων, εφόσον ληφθεί (χωρίς τον απαραίτητο έλεγχο επάρκειας της εφαρμοζόμενης περίσφιγξης) υπ᾽όψιν στους υπολογισμούς η συνεισφορά των ανεπαρκώς παρατιθέμενων οπλισμών στην καμπτική λειτουργία. Στην περίπτωση επέκτασης καθ᾽ύψος υφιστάμενων κατασκευών σε μεταγενέστερο στάδιο από την αρχική φάση κατασκευής τους, το μικρό (ή ακόμα και ιδιαίτερα μικρό) μήκος αναμονών προκαλεί επίσης πρόβλημα στη μεταφορά δυνάμεων μεταξύ των αναμονών και του οπλισμού των νέων υποστυλωμάτων. Η σύγχρονη αντίληψη διεθνώς σχετικά με τη θεραπεία του προβλήματος της ανεπαρκούς παράθεσης οπλισμών υποστυλωμάτων Ο/Σ είναι πως αυτή δύναται να επιτεχθεί κυρίως μέσω της επιβολής στο υφιστάμενο δομικό στοιχείο εξωτερικής περίσφιγξης, ικανής να περιορίσει τις ολισθήσεις και να εξασφαλίσει τη διαρροή του διαμήκους οπλισμού. Με μεγαλύτερη επιφύλαξη αντιμετωπίζεται η διασφάλιση της συνέχειας του διαμήκους οπλισμού των υποστυλωμάτων μέσω συγκόλλησης των ράβδων. Τις τελευταίες τρεις δεκαετίες έχουν πραγματοποιηθεί σχετικές ερευνητικές εργασίες (αναλυτικές και πειραματικές) με αντικείμενο την ανεπάρκεια του μήκους παράθεσης των διαμήκων οπλισμών υποστυλωμάτων Ο/Σ, που προσέφεραν πολύτιμη γνώση η οποία άλλαξε τον τρόπο σχεδιασμού τους (από θλιπτικές στο παρελθόν σε εφελκυστικές). Έτσι, οι σύγχρονοι κανονισμοί (ευρωπαϊκοί, αμερικανικοί) ενσωμάτωσαν τη νέα αντίληψη σχεδιασμού των παραθέσεων οπλισμών για το σχεδιασμό των σύγχρονων κατασκευών. Στην περίπτωση ωστόσο των υφιστάμενων δομών κρίνεται απαραίτητη η μεγαλύτερη εμβάθυνση στον τρόπο λειτουργίας των παραθέσεων, ώστε να εξασφαλιστεί η επιτυχής συμπεριφορά τους σε σεισμό. Το γεγονός αυτό αποτέλεσε το έναυσμα για την έναρξη της παρούσης διατριβής, που περιλαμβάνει αναλυτικό και πειραματικό μέρος. Το πειραματικό μέρος, που χρηματοδοτήθηκε από το Ελληνικό Υπουργείο Υποδομών, Μεταφορών και Δικτύων και τον Οργανισμό Αντισεισμικού Σχεδιασμού και Προστασίας (ΟΑΣΠ) στο πλαίσιο σχετικού ερευνητικού προγράμματος με τίτλο “Διερεύνηση της συμπεριφοράς υποστυλωμάτων Ο/Σ μετά από επεμβάσεις στις περιοχές ανεπαρκών αναμονών”, περιελάμβανε τρεις σειρές δοκιμίων υποστυλωμάτων, σχεδόν φυσικής κλίμακας, με τη βοήθεια των οποίων μελετήθηκαν τα προαναφερθέντα προβλήματα που προκαλούνται από την ανεπάρκεια των παραθέσεων. Συγκεκριμένα, με την πρώτη σειρά δοκιμίων (ένδεκα δοκίμια) μελετήθηκε η υστερητική απόκριση υποστυλωμάτων υφιστάμενων κατασκευών της δεκαετίας του 1960-70 και των παλαιότερων με ανεπαρκείς παραθέσεις οπλισμού μήκους ίσου με είκοσι και εικοσι-τέσσερις φορές τη διάμετρο των παρατιθέμενων ράβδων, τόσο σε αρχική μορφή (παρθενικά δοκίμια) όσο και σε ενισχυμένη (προσεισμική ενίσχυση) μέσω λεπτών χαλύβδινων μανδυών περίσφιγξης. Η σεισμική συμπεριφορά των υποστυλωμάτων συγκρίθηκε, επίσης, με εκείνη ενός όμοιου παρθενικού δοκιμίου αναφοράς με συνεχείς διαμήκεις οπλισμούς. Βασική επιδίωξη ήταν, μέσω της εφαρμοζόμενης περίσφιγξης, να αυξηθεί η πλαστιμότητα των υποστυλωμάτων και να περιοριστούν οι ολισθήσεις ώστε να επέλθη διαρροή του οπλισμού. Βαθμονομήθηκε η σχέση Σ6.14α του Κανονισμού Επεμβάσεων (ΚΑΝΕΠΕ), ενώ εξετάστηκε και η αποτελεσματικότητα μιας απλοποιημένης μορφής της σχέσεως Σ6.14α που δεν περιλαμβάνετο στο σώμα του ΚΑΝΕΠΕ. Με τη δεύτερη σειρά δοκιμίων (τέσσερα δοκίμια) επιδιώχθηκε να διαπιστωθεί η αποτελεσματικότητα των τριών τύπων συγκολλήσεως (κατά παράθεση, κατά μέτωπο και κατά λωρίδες) που προβλέπονται στον Κανονισμό Τεχνολογίας Χαλύβων (ΚΤΧ), καθώς και των μηχανικών αγκυρώσεων, στη διασφάλιση της συνέχειας του διαμήκους οπλισμού των υποστυλωμάτων κατά την καθ᾽ύψος επέκταση κατασκευών σε μεταγενέστερο στάδιο από την αρχική φάση κατασκευής τους. Η συμπεριφορά των δοκιμίων της Σειράς ΙΙ σε σεισμό συγκρίθηκε με εκείνη του παρθενικού δοκιμίου αναφοράς υφιστάμενης κατασκευής με συνεχείς διαμήκεις οπλισμούς. Στην τρίτη σειρά δοκιμίων (δέκα δοκίμια) εξετάστηκε η αποτελεσματικότητα προσεισμικής ενίσχυσης με μανδύα Ο/Σ υφιστάμενων κατασκευών της δεκαετίας του 1960-70 και των παλαιότερων με ανεπαρκείς παραθέσεις οπλισμού μήκους ίσου με είκοσι και εικοσι-τέσσερις φορές τη διάμετρο των παρατιθέμενων ράβδων. Στα δοκίμια προηγήθηκε της κατασκευής του μανδύα η θεραπεία των ανεπαρκούς μήκους παραθέσεων είτε μέσω τοποθέτησης εν επαφή με το υφιστάμενο δομικό στοιχείο (μετά την αφαίρεση της επικάλυψης) πρόσθετου οπλισμού περίσφιγξης υπολογισμένου βάσει της σχέσεως 8.3 του ΚΑΝΕΠΕ ειδικά για την αντιμετώπιση της ανεπάρκειας των παραθέσεων (δύο δοκίμια), είτε μέσω συγκόλλησης των παρατιθέμενων ράβδων (δύο δοκίμια). Η συμπεριφορά των δοκιμίων συγκρίθηκε με την υστέρηση που επέδειξε όμοιο δοκίμιο υφιστάμενης κατασκευής με συνεχείς διαμήκεις οπλισμούς που ενισχύθηκε προσεισμικά με μανδύα Ο/Σ. Βαθμονομήθηκε επίσης η σχέση 8.3 του ΚΑΝΕΠΕ. Στο αναλυτικό μέρος της διατριβής επιδιώχθηκε η διατύπωση μιας μεθοδολογίας πρόβλεψης της συμπεριφοράς της παράθεσης οπλισμών κατά τη διάρκεια ενός σεισμού, ώστε να είναι εφικτός α) ο έλεγχος της επάρκειας του μήκους παράθεσης σε υφιστάμενες κατασκευές, β) ο έλεγχος της επάρκειας του υλικού περίσφιγξης (συνδετήρες, χαλύβδινος μανδύας, μανδύας από σύνθετα υλικά) κατά το σχεδιασμό της ενίσχυσης υποστυλωμάτων υφιστάμενων κατασκευών και γ) ο έλεγχος της συμπεριφοράς σε σεισμό των παραθέσεων σύγχρονων κατασκευών. Σκοπός της αναλυτικής μεθοδολογίας ήταν επίσης η δυνατότητα κατάλληλου σχεδιασμού των ενισχύσεων (επιβολή περίσφιγξης) ώστε να αποφευχθεί η πρώιμη αστοχία των παραθέσεων και να διασφαλισθεί η διαρροή του παρατιθέμενου οπλισμού. Η μεθοδολογία που προτάθηκε στην παρούσα διατριβή αποτελεί ουσιαστικά επέκταση εφαρμογής στην περιοχή της παράθεσης των οπλισμών του μοντέλου αποφυγής κατάρρευσης κτιρίων από Ο/Σ, το οποίο ενεπνεύσθη και ανέπτυξε ο καθηγητής του Α.Π.Θ. κ. Α.-Δ. Τσώνος. Η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόστηκε προβλέποντας επιτυχώς την υστερητική απόκριση που επέδειξαν πειραματικά τόσο τα δοκίμια της παρούσης διατριβής, όσο και δοκίμια της διεθνούς βιβλιογραφίας.