Reinforced concrete interfaces under cyclic actions

Abstract

The subject of the present Thesis is the investigation of concrete-to-concrete interfaces formed at cold joints, with post-installed bars fastened with adhesives or post-installed mechanical connectors, under cyclic actions. The first experimental part of this study addresses twenty-five (25) short interfaces crossed by a small number of connectors subjected to pure shear. The effect of alternative connectors, different diameters, embedment length and interface roughness was investigated. It was observed that different failure modes occur, depending on the different connector types and embedment depths. The positive effect of roughness on the interface resistance was confirmed, but the results indicate that, for very high roughness values, the resistance may be smaller than for moderate values. It was also noticed that the behavior of interfaces crossed by mechanical anchors was less stiff in the ascending branch and exhibited a less steep falling branch. The extension of the project on testing thin overlays showed that the resistance was significantly affected in case of cyclic loading, suggesting that the use of any type of anchor in seismic conditions needs to be supported by adequate experimental evidence. The investigation of interfaces under pure shear was extended to the second experimental part including six (6) long interfaces crossed by a large number of connectors subjected to cyclic shear. Those interfaces represent real practice connections between e.g., a slab and a shear wall or a beam and a wall. The results were compared with those acquired from testing short interfaces of similar characteristics. In long interfaces crossed by reinforcing bars, high shear resistance was reached, accompanied by brittle failure, which was also observed in small-scale interfaces with shallow embeds, thus suggesting that reinforcing bars should be post-installed to concrete at an adequate depth. The failure of rough long interfaces reinforced with mechanical anchors was less brittle, their resistance significantly lower, with a smooth post-peak behavior, and they were able to sustain greater shear slips. The rough interfaces, short or long, reinforced with different connectors, reach their maximum resistance at different shear slips, but, in all cases, at rather small values of slips. For large values of the shear slip, imposed at one end of the interface, the shear slips along it tended to be uniform in long interfaces. The asymmetry of resistance between the two loading directions that was observed in short interfaces was alleviated in the long ones, where also the scatter of the results was limited among duplicate specimens. Recognizing that a major difference exists between the experimental results obtained from testing interfaces under pure shear and the state of forces in interfaces within real retrofitting applications, where the latter is significantly more complex, the decision was made to conduct application tests on half-scale subassemblies consisting of RC frames infilled with a RC wall, a strengthening strategy widely adopted in practice due to its significant benefits. The efficiency of this intervention depends, among others, on the behavior of interfaces between the shear wall and the perimetric frame elements. To investigate the cyclic behavior of interfaces within the composite frame-to-wall members, four (4) frames filled with RC walls, as well as two (2) reference specimens (a bare frame and a monolithic frame/wall specimen), were subjected to cyclic horizontal displacements. The crucial effect of the interface reinforcement ratio and the embedment length on the behavior of the specimens, in terms of maximum capacity, drift, and failure mode, was confirmed. Finally, the experimental investigation of this work was complemented by its analytical component. The design equation and the global model developed at NTUA were evaluated in terms of their ability to predict the maximum interface resistance and to reproduce the full cyclic response for the tests of this Thesis. It was demonstrated that both approaches remain applicable not only to interfaces subjected to pure shear, but also to those under more complex stress states. The global model was implemented in the Python programming language, enabling its practical use and further development. Furthermore, a preliminary numerical investigation of selected subassemblies using nonlinear finite element software yielded promising results for future study.

Αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής αποτελεί η διερεύνηση της συμπεριφοράς διεπιφανειών σκυροδέματος προς σκυρόδεμα, ωπλισμένων με μετατοποθετούμενες ράβδους με ρητίνες (χημικά αγκύρια) ή με μετατοποθετούμενους μηχανικούς συνδέσμους (μηχανικά αγκύρια), υπό ανακυκλιζόμενες δράσεις. Στο πρώτο μέρος της Διατριβής παρουσιάζεται η πειραματική διερεύνηση είκοσι πέντε (25) διεπιφανειών σχετικώς μικρών διαστάσεων, διατεμνόμενων από περιορισμένο πλήθος συνδέσμων και υποβαλλόμενων σε διάτμηση χωρίς εκκεντρότητα. Διερευνήθηκε η επίδραση της χρήσης εναλλακτικών τύπων συνδέσμων, διαφορετικών διαμέτρων, διαφορετικών μηκών εγκιβωτισμού καθώς και διαφορετικών επιπέδων τραχύτητας διεπιφάνειας. Παρατηρήθηκε η εκδήλωση διαφορετικών μορφών αστοχίας, αναλόγως του τύπου των συνδέσμων και του βάθους αγκύρωσης, ενώ επιβεβαιώθηκε η θετική συμβολή της τραχύτητας στη διατμητική αντίσταση της διεπιφάνειας, με τα αποτελέσματα να υποδεικνύουν, ωστόσο, ότι, για πολύ υψηλές τιμές τραχύτητας, η ασυμμετρία είναι εντονότερη και η αντίσταση ενδέχεται να μην υπερβαίνει αυτήν που επιτυγχάνεται σε διεπιφάνειες με μέση τραχύτητα. Διαπιστώθηκε, επίσης, ότι, οι διεπιφάνειες με μηχανικά αγκύρια, συγκριτικά με τις ωπλισμένες με ράβδους, παρουσίασαν μικρότερη δυσκαμψία στον ανιόντα κλάδο και ηπιότερη πτώση στον φθίνοντα. Η επέκταση αυτού του πειραματικού προγράμματος σε δοκίμια με μικρό πάχος μετασκυροδετούμενου τμήματος (thin overlays) κατέδειξε ότι, στην περίπτωση αυτή, η αντίσταση μειώνεται σημαντικά και η χρήση οποιουδήποτε τύπου αγκυρίου απαιτεί επαρκή πειραματική τεκμηρίωση. Η διερεύνηση διεπιφανειών υπό καθαρή διάτμηση επεκτάθηκε και σε δεύτερο πειραματικό σκέλος, το οποίο περιελάμβανε έξι (6) διεπιφάνειες μεγαλύτερων διαστάσεων με μεγαλύτερο πλήθος συνδέσμων. Οι διεπιφάνειες αυτές προσιδιάζουν σε ρεαλιστικές εφαρμογές, που αφορούν συνδέσεις λ.χ. μεταξύ πλάκας και τοιχώματος ή δοκού και τοιχώματος. Τα αποκτώμενα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με εκείνα των δοκιμίων μικρότερων διαστάσεων με παρόμοια χαρακτηριστικά. Στις μεγάλες διεπιφάνειες, ωπλισμένες με συμβατικές ράβδους με μικρό βάθος αγκύρωσης, επιτεύχθηκε υψηλή διατμητική αντίσταση η οποία συνοδεύτηκε από ψαθυρή αστοχία, φαινόμενο που παρατηρήθηκε και στις αντίστοιχες μικρές διεπιφάνειες. Αντιθέτως, η αστοχία των μεγάλων, τραχειών διεπιφανειών ωπλισμένων με μηχανικά αγκύρια ήταν λιγότερο ψαθυρή, ενώ η αντίστασή τους ήταν σημαντικά χαμηλότερη, με ομαλότερη κλίση του φθίνοντος κλάδου, ενώ παρουσίασαν ικανότητα ανάληψης μεγαλύτερων διατμητικών ολισθήσεων. Όλες οι τραχιές διεπιφάνειες, ανεξαρτήτως διαστάσεων και όπλισης, σημείωσαν την μέγιστη αντίστασή τους σε χαμηλές τιμές της ολίσθησης. Για μεγάλες τιμές της ολίσθησης επιβαλλόμενες στο ένα άκρο, οι ολισθήσεις κατά μήκος των μεγάλων διεπιφανειών έτειναν να καταστούν ομοιόμορφες. Η ασυμμετρία της αντίστασης μεταξύ των δύο κατευθύνσεων φόρτισης που παρατηρήθηκε στα μικρά δοκίμια περιορίστηκε στα μεγάλα, όπου επίσης μειώθηκε η διασπορά των αποτελεσμάτων μεταξύ σχεδόν πανομοιότυπων δοκιμίων. Αναγνωρίζοντας, όμως, την κρίσιμη διαφορά μεταξύ των αποτελεσμάτων από δοκιμές καθαρής διάτμησης και της πολύπλοκης εντατικής κατάστασης σε διεπιφάνειες που σχηματίζονται σε πραγματικές εφαρμογές ενίσχυσης, αποφασίστηκε η διεξαγωγή ενός τρίτου προγράμματος δοκιμών, σε δοκίμια εμφατνούμενων τοιχίων σε πλαίσια ωπλισμένου σκυροδέματος υπό κλίμακα 1:2, μια στρατηγική ενίσχυσης ιδιαίτερα διαδεδομένη λόγω των σημαντικών πλεονεκτημάτων της. Η αποτελεσματικότητα της επέμβασης εξαρτάται, μεταξύ άλλων, από τη συμπεριφορά των διεπιφανειών μεταξύ του τοιχώματος και των περιμετρικών στοιχείων του πλαισίου. Τέσσερα (4) πλαίσια εμφατνωμένα με τοιχώματα καθώς και δύο (2) δοκίμια αναφοράς (ένα γυμνό πλαίσιο και ένα μονολιθικό δοκίμιο πλαισίου/τοιχώματος) υποβλήθηκαν σε ανακυκλιζόμενες οριζόντιες μετατοπίσεις. Επιβεβαιώθηκε η καθοριστική επίδραση των χαρακτηριστικών της διεπιφάνειας στην συμπεριφορά των δοκιμίων ως προς την μέγιστη φέρουσα ικανότητα, την αντίστοιχη γωνιακή παραμόρφωση και την μορφή αστοχίας. Τέλος, η πειραματική έρευνα συμπληρώθηκε από το αναλυτικό της σκέλος, όπου η εξίσωση σχεδιασμού (design equation) και το προσομοίωμα συμπεριφοράς διεπιφανειών (global model) που έχουν αναπτυχθεί στο ΕΜΠ αξιολογήθηκαν ως προς την δυνατότητα πρόβλεψης της μέγιστης αντίστασης και της αναπαραγωγής της πλήρους ανακυκλιζόμενης, υστερητικής συμπεριφοράς διεπιφανειών, αντιστοίχως, για τις δοκιμές της παρούσας Διατριβής. Αποδείχθηκε ότι και οι δύο προσεγγίσεις παραμένουν εφαρμόσιμες όχι μόνο σε διεπιφάνειες υπό καθαρή διάτμηση, αλλά και σε εκείνες που υπόκεινται σε πολυπλοκότερες εντατικές καταστάσεις. Το προσομοίωμα συμπεριφοράς κωδικοποιήθηκε στην γλώσσα προγραμματισμού Python, επιτρέποντας την πρακτική του χρήση και περαιτέρω εξέλιξη. Επί πλέον, μια προκαταρκτική αριθμητική διερεύνηση επιλεγμένων δοκιμίων εμφατνούμενων τοιχίων με τη χρήση λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων απέδωσε υποσχόμενα αποτελέσματα για μελλοντική έρευνα.