Πειραματική και θεωρητική διερεύνηση της μηχανικής συμπεριφοράς ινοπλισμένου σκυροδέματος - Χουμανίδης, Δημήτριος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων-Μεταλλουργών. Τομέας Μεταλλευτικής - Τεχνολογίας Διάνοιξης Σηράγγων, 2016)
Στόχος της παρούσας έρευνας είναι η διερεύνηση της μηχανικής συμπεριφοράς ινοπλισμένου σκυροδέματος με διαφορετικούς τύπους ινών ή συνδυασμού τους. Προς τούτο επιλέχθηκαν 3 διαφορετικοί τύποι ινών, ήτοι: χαλύβδινες ίνες με γαντζωτά άκρα, μακροΐνες πολυπροπυλενίου και μικροΐνες πολυπροπυλενίου. Τα τρία είδη ινών επιλέχθηκαν να είναι διαφορετικού μήκους, ώστε να διερευνηθεί η προσφορά τους σε διαφορετικά στάδια παραμόρφωσης των δοκιμίων ινοπλισμένου σκυροδέματος. Οι ίνες πολυπροπυλενίου επιλέχθηκαν για τη συνεισφορά τους στην αντιμετώπιση της εκρηκτικής αποφλοίωσης του σκυροδέματος όταν υπόκειται σε υψηλές θερμικές καταπονήσεις και οι ίνες χάλυβα ως αναφορά σύγκρισης εφόσον αποτελούν την πλέον εφαρμόσιμη επιλογή. Για το σκοπό αυτό παρασκευάστηκαν 6 συνθέσεις ινοπλισμένου σκυροδέματος με συγκεντρώσεις ινών 0.5% και 1.0% κ.ό. σκυροδέματος χρησιμοποιώντας έναν τύπο ίνας κάθε φορά και 3 υβριδικές συνθέσεις με συγκέντρωση ινών 1.0% κ.ό. συνδυάζοντας ανά δύο τους τρεις τύπους ινών. Η προσφορά των ινών βασίστηκε σε σύγκριση των συνθέσεων ινοπλισμένου σκυροδέματος με μια αντίστοιχη άοπλου σκυροδέματος. Το σκυρόδεμα στη σήραγγα κινδυνεύει από πυρκαϊά. Για αυτό το λόγο η σύγκριση πραγματοποιήθηκε τόσο στη θερμοκρασία περιβάλλοντος, όσο και στη θερμοκρασία των 280°C, θερμοκρασία που φθάνει η διεπιφάνεια παθητικά πυροπροστατευμένου ινοπλισμένου σκυροδέματος το οποίο έχει υποστεί θερμική καταπόνηση, σύμφωνα με το δυσμενέστερο σενάριο πυρκαγιάς της καμπύλης Rijkswaterstaat (RWS) και σύμφωνα με διεθνή πειραματικά δεδομένα. Ο ρυθμός θέρμανσης ήταν ίσος με 2°C/min μέχρι την επίτευξη της θερμοκρασίας στόχου, ήτοι 280°C, η οποία διατηρήθηκε για 30 λεπτά και τα δοκίμια παρέμειναν εντός φούρνου για μία μέρα για την σταδιακή αποθέρμανσή τους μέχρι τη στιγμή της δοκιμής τους. Ο προσδιορισμός των μηχανικών χαρακτηριστικών πραγματοποιήθηκε με τρεις μεθόδους, ήτοι (α) δοκιμή μονοαξονικής θλίψης, (β) δοκιμή κάμψης τριών σημείων και (γ) δοκιμή σημειακής μονοαξονικής θλίψης (δοκιμή Barcelona), με τη βοήθεια των οποίων υπολογίστηκαν οι αντίστοιχες αντοχές και ικανότητες ανάπτυξης πλαστιμότητας μετά την επίτευξη του μέγιστου κάθε φορά φορτίου. Συνολικά παρασκευάστηκαν 3 δοκίμια για κάθε δοκιμή, σύνθεση και θερμοκρασία, έτσι ώστε να εξαχθούν μέσες τιμές των μηχανικών χαρακτηριστικών για κάθε περίπτωση. Για τη δοκιμή μονοαξονικής θλίψης παρασκευάστηκαν κύλινδροι διαμέτρου 10 εκ.και ύψους 20 εκ., για τη δοκιμή κάμψης τριών σημείων παρασκευάστηκαν πρισματικά δοκίμια μήκους 50 εκ. και τετραγωνικής διατομής πλευράς 10 εκ. και για τη δοκιμή Barcelona παρασκευάστηκαν κυλινδρικά δοκίμια διαμέτρου και ύψους 15 εκ. Κατά την εκτέλεση των δοκιμών καταγράφονταν τα σήματα ακουστικής εκπομπής για την περαιτέρω κατανόηση του μηχανισμού θραύσεως του ινοπλισμένου σκυροδέματος. Για το σκοπό αυτό τοποθετήθηκαν 8 πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες ακουστικής εκπομπής σε κάθε δοκίμιο και καταγράφησαν όλα τα σήματα που παρήχθησαν κατά τη διάρκεια των δοκιμών. Πραγματοποιήθηκε σύγκριση μεταξύ των συνθέσεων ως προς τον αριθμό των σημάτων και το είδος τους. Πιο συγκεκριμένα, ελέγχθηκαν τα σήματα ως προς τη μέση συχνότητά τους και το μέγιστο πλάτος τους. Επιπλέον, τα σήματα κατανεμήθηκαν σε 6 διαφορετικά στάδια ανάλογα το φορτίο και το στάδιο παραμόρφωσης των δοκιμίων για μια πιο λεπτομερή ανάλυση. Τέλος, εξήχθησαν εμπειρικές σχέσεις προσδιορισμού της αύξησης περιφέρειας των δοκιμίων Barcelona, συναρτήσει των μηχανικών χαρακτηριστικών των ινών και της αξονικής μετατόπισης. Οι εμπειρικές αυτές σχέσεις έχουν ως σκοπό την απλοποίηση της δοκιμής και την πραγματοποίησή της μόνο με τη μέτρηση της αξονικής μετατόπισης χωρίς την απαίτηση πολύπλοκων και ακριβών εργαστηριακών οργάνων. Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα της παρούσας διατριβής προτείνεται η βέλτιστη επιλογή ινών για την παρασκευή ινοπλισμένου σκυροδέματος συγκρίνοντας αποκλειστικά μηχανικά χαρακτηριστικά. Η πρόταση αυτή βασίστηκε κυρίως στην ικανότητα πλαστιμότητας πέραν του μέγιστου φορτίου και για τις δύο θερμοκρασιακές συνθήκες. Εκτός από την πλαστιμότητα πραγματοποιήθηκε μια γενική οικονομική ανάλυση συγκριτικού κόστους χρησιμοποίησης ινών προσφέροντας την πλέον ελκυστική λύση για την εφαρμογή ινοπλισμένου σκυροδέματος σε κατασκευές υπογείων έργων τόσο σε συνθήκες φυσικού περιβάλλοντος, όσο και πυρκαγιάς.