Συμπεριφορά και ενίσχυση υποωπλισμένων τοιχωμάτων από σκυρόδεμα - Χριστίδης, Κωνσταντίνος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Δομοστατικής. Εργαστήριο Ωπλισμένου Σκυροδέματος, 2017)
Η παρούσα διατριβή αφορά την πειραματική και αριθμητική/αναλυτική μελέτη της συμπεριφοράς υποωπλισμένων τοιχωμάτων από σκυρόδεμα αλλά και τους τρόπους ενίσχυσης αυτών. Με τον όρο «υποωπλισμένα» νοούνται τα τοιχία τα οποία έχουν σχεδιαστεί με βάση παλαιότερους κανονισμούς (στην Ελλάδα προ του 1985) και χαρακτηρίζονται από την απουσία διαμόρφωσης ακραίων κρυφοϋποστυλωμάτων αλλά και από μικρά ποσοστά διατμητικού οπλισμού, διαμορφώσεις οι οποίες πλέον θεωρούνται θεμελιώδεις στον σύγχρονο αντισεισμικό σχεδιασμό τοιχίων. Όσον αφορά τους τρόπους ενίσχυσής τους, εξετάστηκαν δύο τρόποι ενίσχυσης – η εφαρμογή υφάσματος (μανδύα) Ινοπλισμένων Πολυμερών (ΙΟΠ) και η εφαρμογή μεταλλικών στοιχείων (ελασμάτων και γωνιών). Η πειραματική διαδικασία περιελάμβανε την διερεύνηση της συμπεριφοράς συνολικά 15 τοιχίων-δοκιμίων μεσαίας λυγηρότητας (λόγος διάτμησης ίσος με 2), τα οποία μελετήθηκαν ως πρόβολοι υπό στατική ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Από αυτά, τα οκτώ ήταν μη ενισχυμένα τοιχία – τα έξι υποωπλισμένα σχεδιασμένα με βάση παλαιότερους κανονισμούς και τα δύο σχεδιασμένα σύμφωνα με τις σύγχρονες αντισεισμικές διατάξεις του Ευρωκώδικα 2 και 8 – τα υπόλοιπα επτά τοιχία περιελάμβαναν κάποια μορφή ενίσχυσης, ενώ, τέλος, ένα από τα μη ενισχυμένα τοιχία επισκευάστηκε, ενισχύθηκε με μανδύα ΙΟΠ και υποβλήθηκε εκ νέου σε δοκιμή. Ο σχεδιασμός των μη ενισχυμένων τοιχίων έγινε με γνώμονα το να μελετηθούν διάφορες μορφές αστοχίας που συναντώνται σε υφιστάμενα τοιχία (π.χ. λυγισμός των διαμήκων ράβδων, διατμητική αστοχία κ.α.). Από τα έξι υποωπλισμένα τοιχία μόνο τα δύο αποτελούν τυπικά υποωπλισμένα τοιχία σχεδιασμένα με βάση παλαιότερους κανονισμούς,αφού στα υπόλοιπα τέσσερα τοποθετήθηκαν επιπροσθέτως εσωτερικοί ανοικτοί συνδετήρες στα άκρα τους προκειμένου να αποφευχθεί το φαινόμενο του λυγισμού των διαμήκων ράβδων και να μελετηθεί αυτοτελώς η επιρροή που έχουν τα διαφορετικά ποσοστά διατμητικού οπλισμού στην συμπεριφορά τους. Όπως προέκυψε από την πειραματική δοκιμή των μη ενισχυμένων τοιχίων ο σημαντικότερος παράγοντας που καθορίζει την φέρουσα ικανότητα και την μετελαστική τους απόκριση είναι ο λυγισμός των θλιβόμενων ράβδων. Όπως διαπιστώθηκε πειραματικά, λόγοι L/D μεγαλύτεροι από 10 (όπου το L είναι η, από κέντρο σε κέντρο, απόσταση δύο διαδοχικών συνδετήρων και D η διάμετρος της διαμήκους ράβδου) οδηγούν σε πρόωρη αποδιοργάνωση της θλιβόμενης ζώνης με συνέπεια την άμεση πτώση της φέρουσας ικανότητας και την ανάπτυξη μικρών τιμών πλαστιμότητας. Όσον αφορά τον διατμητικό οπλισμό αυτός φάνηκε να επηρεάζει περισσότερο το εύρος της ρηγμάτωσης των τοιχίων (κύριες δισδιαγώνιες διατμητικές ρωγμές) και επομένως την μορφή των κύκλων υστέρησης (διάχυση ενέργειας) και λιγότερο την δυνατότητα παραμόρφωσης σε επίπεδο περιβάλλουσας. Σε όλες τις περιπτώσεις (υπό την προϋπόθεση περιορισμού του φαινομένου του λυγισμού των διαμήκων ράβδων) τα τοιχία ανέπτυξαν σημαντικές μετελαστικές μετακινήσεις χωρίς απότομη πτώση της φέρουσας ικανότητας τους (πλαστιμότητα), ανεξάρτητα αν η θεωρητική διατμητική τους αντοχή ήταν μικρότερη ή μεγαλύτερη από την καμπτική. Τέλος, μικρή φάνηκε να είναι η επιρροή της περίσφιγξης στην συμπεριφορά των τοιχίων. Όσον αφορά τα ενισχυμένα τοιχία, η επιλογή και ο τύπος της ενίσχυσης έγινε με βάση τις παρατηρήσεις που έγιναν στα μη ενισχυμένα τοιχία. Η εφαρμογή ΙΟΠ και συγκεκριμένα υαλοϋφάσματος (GFRP) πραγματοποιήθηκε σε τρία δοκίμια μόνο στο κατώτατο 1/4 του ύψους τους με στόχο τον περιορισμό του λυγισμού των θλιβόμενων ράβδων. Η εφαρμογή του μανδύα ΙΟΠ πραγματοποιήθηκε σε τοιχία με διατμητική αντοχή μεγαλύτερη της καμπτικής, επομένως δεν κρίθηκε απαραίτητη η ενίσχυση του κορμού. Η χρήση μεταλλικών στοιχείων εφαρμόστηκε σε πέντε δοκίμια. Η ενίσχυση περιελάμβανε τέσσερις διαφορετικές διαμορφώσεις – εφαρμογή μόνο οριζόντιων μεταλλικών ελασμάτων σε όλο το ύψος (σε δύο δοκίμια), εφαρμογή μεταλλικών οριζόντιων ελασμάτων και κατακόρυφων μεταλλικών γωνιών σε όλο το ύψος, εφαρμογή οριζόντιων μεταλλικών ελασμάτων και κατακόρυφων μεταλλικών γωνιών αλλά μόνο στο κατώτατο 1/4 του τοιχίου και τέλος, εφαρμογή οριζόντιων μεταλλικών λωρίδων και κατακόρυφων μεταλλικών γωνιών στο κατώτατο 1/4 του τοιχίου και δισδιαγώνιων μεταλλικών γωνιών στο υπόλοιπο ύψος. Με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα της συγκεκριμένης διατριβής, η ενίσχυση με μεταλλικά στοιχεία και με τις τέσσερις διαφορετικές διαμορφώσεις, κυρίως λόγω του περιορισμού του λυγισμού των θλιβόμενων διαμήκων ράβδων, φάνηκε να οδηγεί σε βελτιωμένη συμπεριφορά όσον αφορά την δυνατότητα ανάπτυξης μεγαλύτερων μετατοπίσεων και, επομένως, υψηλότερων τιμών πλαστιμότητας περίπου διπλάσιων σε σχέση με αυτές των υποωπλισμένων τοιχίων και αντίστοιχες με αυτές των τοιχίων σχεδιασμένων με τους σύγχρονους κανονισμούς. Δευτερευόντως, ο έλεγχος των διατμητικών ρωγμών του κορμού (είτε με οριζόντια ελάσματα είτε με χιαστί γωνίες) φάνηκε να οδηγεί σε κύκλους υστέρησης με μικρότερο στένωμα και επομένως σε μεγαλύτερες τιμές απορρόφησης ενέργειας. Η αναλυτική και αριθμητική ανάλυση αφορά στην αποτίμηση/πρόβλεψη της συμπεριφοράς των τοιχίων, η οποία στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, πραγματοποιήθηκε με δύο διαφορετικές προσεγγίσεις – αφενός με την εφαρμογή των αναλυτικών/εμπειρικών σχέσεων που περιλαμβάνονται στον Ευρωκώδικα 8 – Μέρος 3 για την πρόβλεψη της φέρουσας ικανότητας και της μετατόπισης αστοχίας υφιστάμενων στοιχείων και αφετέρου με την χρήση γραμμικών πεπερασμένων στοιχείων (beam elements) που περιλαμβάνονται στην βιβλιοθήκη του λογισμικού OpenSees. Όσον αφορά την εφαρμογή των εμπειρικών και αναλυτικών σχέσεων του Ευρωκώδικα 8 – Μέρος 3, αυτές φάνηκαν να οδηγούν γενικά σε συντηρητικές τιμές κυρίως όσον αφορά την διατμητική αντοχή, αφού σε αρκετές περιπτώσεις, οι σχέσεις υπολογισμού οδηγούν σε μικρές τιμές διατμητικής αντοχής και, επομένως, σε πρόωρη διατμητική αστοχία πριν την καμπτική, κάτι το οποίο δεν επαληθεύτηκε πειραματικά. Όσον αφορά την αριθμητική ανάλυση στα πλαίσια της διατριβής χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικά γραμμικά πεπερασμένα στοιχεία για μη γραμμική ανάλυση: το Force-Based Beam-Column Element (FBE) που βασίζεται στην μη-γραμμική ανάλυση με την Μέθοδο των Δυνάμεων (Flexibility ή Force Method) και το Flexure-Shear Interaction Displacement-Based Beam-Column Element (FSI) το οποίο είναι ένα Displacement-Based Beam-Column Element (DBE) βασιζόμενο στην μη γραμμική ανάλυση με την Μέθοδο των Μετατοπίσεων (Stiffness ή Displacement Method) που ενσωματώνει επιπροσθέτως την επιρροή της διατμητικής συνιστώσας (ως δύναμη και ως παραμόρφωση). Και για τις δυο περιπτώσεις πραγματοποιήθηκε διερεύνηση ως προς τις παραμέτρους της ανάλυσης (επιρροή περίσφιγξης σκυροδέματος, λυγισμός θλιβόμενων ράβδων, αριθμός στοιχείων, σημεία ολοκλήρωσης, μήκος πλαστικής άρθρωσης) προκειμένου να επιτευχθεί η ορθότερη προσομοίωση. Όπως διαπιστώθηκε κατά την διαδικασία της ανάλυσης το καμπτικό στοιχείο FBE γενικά προσεγγίζει με ικανοποιητική ακρίβεια την μετακίνηση αστοχίας στις περιπτώσεις επαρκώς ωπλισμένων τοιχίων έναντι διάτμησης, ενώ ειδικότερα στις περιπτώσεις έντονου λυγισμού των θλιβόμενων ράβδων με ταυτόχρονη απουσία περισφιγμένου σκυροδέματος η ανάλυση με FBE οδήγησε σε έντονα φθιτούς μετελαστικούς κλάδους κάτι το όποιο παρατηρήθηκε και πειραματικά. Αντίθετα, στην περίπτωση των μη επαρκώς ωπλισμένων τοιχίων έναντι διάτμησης η χρήση του FSI προσεγγίζει καλύτερα την μικρή απομείωση της αντοχής στις μετελαστικές μετακινήσεις (shear degradation). Ωστόσο, σε κάποιες περιπτώσεις το FSI οδήγησε σε μεγάλη απομείωση της διατμητικής (και επομένως της συνολικής) αντοχής και σε έντονα φθιτούς κλάδους κάτι το οποίο δεν επιβεβαιώθηκε πειραματικά. Τέλος, ξεχωριστή αναφορά γίνεται στην επιρροή των διατμητικών παραμορφώσεων στην συνολική μετατόπιση στον μετελαστικό κλάδο των τοιχίων. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στην διαδικασία υπολογισμού των διατμητικών και των καμπτικών παραμορφώσεων και μετατοπίσεων όπου και προτείνονται απλές σχέσεις υπολογισμού τους με βάση τις διατιθέμενες πειραματικές μετρήσεις. Όπως προέκυψε πειραματικά ο λόγος των διατμητικών προς τις καμπτικές μετατοπίσεις τείνει να είναι μεγαλύτερος όσο μειώνεται το ποσοστό του διατμητικού οπλισμού, κάτι το οποίο έρχεται σε συμφωνία με αντίστοιχες αναφορές στην διεθνή βιβλιογραφία. Ο λόγος αυτός συγκρίθηκε με τις τιμές που δίνει η εφαρμογή αναλυτικής σχέσης που προτείνεται στην βιβλιογραφία καθώς και με τα αποτελέσματα της ανάλυσης με το στοιχείο FSI. Και στις δύο περιπτώσεις υπάρχουν σημαντικές αποκλίσεις σε σχέση με τις πειραματικές. Η αναλυτική σχέση της βιβλιογραφίας έχει εφαρμογή μόνο στην περίπτωση τοιχίων με μεγάλα ποσοστά διατμητικού οπλισμού όπου η παραμόρφωση του χάλυβα διάτμησης παραμένει στην ελαστική περιοχή, ενώ η ανάλυση του FSI υπερεκτιμά σε μεγάλο βαθμό τις διατμητικές παραμορφώσεις στις περιπτώσεις μικρών ποσοστών διατμητικού οπλισμού (όπως ομοίως κάνει και με τις αντοχές) οδηγώντας σε πολύ μεγαλύτερους λόγους διατμητικών προς καμπτικές μετατοπίσεις σε σχέση με τους πειραματικούς. Σημαντικό τμήμα των αποτελεσμάτων και συμπερασμάτων που προέκυψαν από την παραπάνω έρευνα έχει δημοσιευτεί σε τρία επιστημονικά άρθρα και δύο επιστημονικά συνέδρια.