Στην παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή, γίνεται διερεύνηση της αποτελεσματικότητας περίσφιγξης ορθογωνικών υποστυλωμάτων με μεγάλο λόγο πλευρών, με εφαρμογή διπλής στρώσης σύνθετων υλικών από ίνες άνθρακα. Χρησιμοποιούνται και αξιολογούνται διαφορετικοί τρόποι εφαρμογής των σύνθετων υλικών (σε δοκίμια με λόγους πλευρών 3:1 και 4:1), όπως η επιπλέον τοποθέτηση αγκυρίων από ίνες άνθρακα τύπου θυσάνου, με διαφορετικές διαμέτρους και η εφαρμογή ενισχυτικού κονιάματος για μείωση του λόγου των πλευρών των δοκιμίων. Η παραπάνω αξιολόγηση γίνεται, τόσο σε πειραματικό, όσο και σε αναλυτικό επίπεδο. Η διεξαγωγή των εργασιών και της πειραματικής διαδικασίας, έλαβε χώρα στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών, του Πανεπιστημίου Πατρών. Πιο συγκεκριμένα, η παρούσα διατριβή αποτελείται από έξι κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται εισαγωγή στα σύνθετα υλικά σχετικά με την εφαρμογή τους στο πεδίο των ενισχύσεων και τις ιδιότητες τους, καθώς και αναφορά των παγκόσμιων βιβλιογραφικών πηγών σχετικά με την περίσφιγξη υποστυλωμάτων με μεγάλο λόγο πλευρών με ινοπλισμένα πολυμερή. Το δεύτερο κεφάλαιο περιγράφει μερικά από τα πιο δημοφιλή αναλυτικά προσομοιώματα για περίσφιγξη οπλισμένου σκυροδέματος με σύνθετα υλικά και περιλαμβάνει την εφαρμογή ενός από αυτά, για προεκτίμηση του θλιπτικού φορτίου και της παραμόρφωσης αστοχίας, που αναμένεται να προκύψουν στα δοκίμια της παρούσας διατριβής. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά των υπό εξέταση δοκιμίων, οι εργασίες προετοιμασίας και ενίσχυσης τους, η πειραματική διαδικασία καθώς και η πειραματική διάταξη. Το τέταρτο κεφάλαιο, απαρτίζεται από την αναλυτική παρουσίαση των πειραματικών αποτελεσμάτων για όλες τις κατηγορίες δοκιμίων. Σχολιάζεται λεπτομερώς η συμπεριφορά του κάθε δοκιμίου ξεχωριστά και παρατίθενται τα αντίστοιχα διαγράμματα τάσεων-παραμορφώσεων και πίνακες τιμών θλιπτικών αντοχών, θλιπτικών φορτίων και παραμορφώσεων αστοχίας. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι συγκρίσεις των αποτελεσμάτων που προέκυψαν για όλα τα δοκίμια, τόσο από το αναλυτικό προσομοίωμα που χρησιμοποιήθηκε, όσο και από την πειραματική διαδικασία. Με αυτό τον τρόπο, γίνεται αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των διαφορετικών τρόπων εφαρμογής των ινοπλισμένων πολυμερών στα υποστυλώματα με μεγάλο λόγο πλευρών και της αξιοπιστίας εφαρμογής του αναλυτικού προσομοιώματος. Τέλος, το έκτο κεφάλαιο, περιλαμβάνει τα γενικά συμπεράσματα που προέκυψαν από την εκπόνηση της μεταπτυχιακής διατριβής, αλλά και προτάσεις για περαιτέρω έρευνα. / --

Αντικείμενο της παρούσας Διατριβής Διπλώματος Ειδίκευσης αποτελεί η πειραματική διερεύνηση της αποτελεσματικότητας της περίσφιγξης υποστυλωμάτων οπλισμένου σκυροδέματος με μεγάλο λόγο πλευρών με μανδύες ινοπλισμένων πολυμερών και με μανδύες ινοπλεγμάτων σε ανόργανη μήτρα. Για το σκοπό αυτό διενεργήθηκε εκτενές πειραματικό πρόγραμμα στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Το πειραματικό πρόγραμμα περιελάμβανε 18 υποστυλώματα υπό κλίμακα 3/5 ύψους 770 mm τα οποία χωρίστηκαν σε δύο ομάδες, ανάλογα με το λόγο των πλευρών τους (1η ομάδα: με λόγο πλευρών 1:3, 150×450mm, 2η ομάδα: με λόγο πλευρών 1:4, 150×600mm). Δύο από τα υποστυλώματα παρέμειναν χωρίς ενίσχυση και αποτέλεσαν τα δοκίμια αναφοράς για τα ενισχυμένα δοκίμια, τα οποία περισφίχθηκαν με μανδύες ΙΟΠ και ΙΑΜ. Τα συστήματα ενίσχυσης που χρησιμοποιήθηκαν περιελάμβαναν μανδύες ΙΟΠ ινών άνθρακα με μια, δύο ή τρεις στρώσεις, χωρίς ή με αγκύρια ινών άνθρακα μορφής θυσάνου καθώς και μανδύα με δύο στρώσεις περιμετρικά του δοκιμίου και μανδύα μορφής U και αγκύρια ινών. Επιπλέον, εξετάστηκαν και μανδύες με τέσσερεις στρώσεις ινοπλέγματος με ίνες άνθρακα σε ανόργανη μήτρα με και χωρίς αγκύρια ινών άνθρακα μορφής θυσάνου εμποτισμένων σε εποξειδική ρητίνη. Η παρούσα διατριβή αποτελείται από οχτώ κεφάλαια, κάθε ένα από τα οποία διαχωρίζεται σε κατάλληλες ενότητες, υποενότητες και παραγράφους. Στο πρώτο και δεύτερο Κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στα σύνθετα υλικά με περιγραφή των επιμέρους συστατικών τους, των χαρακτηριστικών ιδιοτήτων τους καθώς και των παραγόντων που επηρεάζουν τη συμπεριφορά τους. Στο τρίτο Κεφάλαιο πραγματοποιείται βιβλιογραφική ανασκόπηση για την περίσφιγξη υποστυλωμάτων, όπου αρχικά περιγράφονται συμβατικές τεχνικές ενίσχυσης που περιλαμβάνουν νέους μανδύες οπλισμένου σκυροδέματος, μεταλλικά ελάσματα, μεταλλικούς μανδύες κλπ και στη συνέχεια περιγράφονται τεχνικές ενίσχυσης με σύνθετα υλικά. Περιγράφεται ο καταστατικός νόμος που διέπει τη συμπεριφορά του περισφιγμένου με μανδύες σύνθετων υλικών σκυροδέματος και παρουσιάζονται συνοπτικά πειραματικές μελέτες από τη διεθνή βιβλιογραφία που αφορούν τη διερεύνηση της αποτελεσματικότητας της μεθόδου ενίσχυσης µε ΙΟΠ σε υποστυλώματα με μικρό και μεγάλο λόγο πλευρών. Τέλος, το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με συνοπτική αναφορά πειραματικών μελετών σε δοκίμια περισφιγμένα με μανδύες σε ανόργανη μήτρα. Στο τέταρτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε για την κατασκευή των δοκιμίων καθώς και οι παράμετροι που διερευνήθηκαν. Συγκεκριμένα, περιγράφονται όλα τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν, τα διάφορα συστήματα ενίσχυσης που εφαρμόστηκαν καθώς και οι διαδικασίες που ακολουθήθηκαν από την προετοιμασία των δοκιμίων μέχρι την ενίσχυσής τους. Στο τέλος του κεφαλαίου γίνεται μια σύντομη περιγραφή της πειραματικής διάταξης και του επιμέρους μηχανικού εξοπλισμού που χρησιμοποιήθηκε για την υλοποίηση των δοκιμών μονοαξονικής θλίψης. Στο πέμπτο Κεφάλαιο παρουσιάζονται διεξοδικά τα αποτελέσματα όλων των δοκιμίων που συμμετείχαν στο πειραματικό πρόγραμμα. Πιο συγκεκριμένα, περιγράφονται οι τρόποι αστοχίας των δοκιμίων συνοδεία φωτογραφικού υλικού και παρατίθενται οι καμπύλες τάσης – παραμόρφωσης τόσο για κάθε ένα ξεχωριστά όσο και συγκεντρωτικά για κάθε ομάδα. Στο έκτο Κεφάλαιο γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων όλων των πειραμάτων που διεξήχθησαν στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών σε υποστυλώματα με λόγους πλευρών 1:3 και 1:4 περισφιγμένα με μανδύες ΙΟΠ και ΙΑΜ προκειμένου να εξαχθούν γενικότερα συμπεράσματα πάνω στην επίδραση του υλικού της μήτρας, του αριθμού των στρώσεων και της ύπαρξης αγκυρίων στην αποτελεσματικότητα της περίσφιγξης. Στο έβδομο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από ένα αναλυτικό προσομοίωμα που χρησιμοποιήθηκε για την πρόβλεψη του μέγιστου θλιπτικού φορτίου και της οριακής παραμόρφωσης αστοχίας των περισφιγμένων με μανδύες ΙΟΠ και ΙΑΜ. Επιπλέον, γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων του αναλυτικού προσομοιώματος με τα πειραματικά δεδομένα και εξετάζεται κατά πόσο αυτό το προσομοίωμα μπορεί να χρησιμοποιείται για υποστυλώματα με μεγάλο λόγο πλευρών, μετά από αλλαγή κάποιων παραμέτρων του. Στο όγδοο και τελευταίο Κεφάλαιο, παρουσιάζονται συνοπτικά τα τελικά συμπεράσματα που προέκυψαν αρχικά από την πειραματική διαδικασία και στη συνέχεια από τη χρήση του αναλυτικού προσομοιώματος. Τέλος, γίνονται και μερικές προτάσεις για περαιτέρω έρευνα πάνω σε υποστυλώματα με μεγάλο λόγο πλευρών. / The present study investigates experimentally the effectiveness of the confinement of reinforced concrete (RC) columns with high aspect ratio (wall-like RC columns) retrofitted either with fiber-reinforced polymer (FRP) or with textile-reinforced mortars (TRM) jackets. For this purpose an extensive experimental program was conducted at the Structural Materials Laboratory of the Civil Engineering Department at the University of Patras. A total of 18 identical rectangular reinforced concrete columns were constructed in a scale of 3/5 and 770 mm height so that the slenderness effects could be eliminated and tested in uniaxial compression. The columns were separated in two groups according to their aspect ratio; the first group consisted of seven RC column specimens with cross section dimensions 150mm by 450mm and an aspect ratio equal to 3, and the second group consisted of eleven RC column specimens with cross section dimensions 150mm by 600mm and an aspect ratio equal to 4. To facilitate FRP and TRM wrapping, the four corners were chamfered with a radius equal to 20mm. A number of parameters were investigated such as the kind of the matrix material (organic and inorganic), the number of layers of the jackets (1, 2, 3 and 4), the role of different cross section aspect ratios (3 and 4), the effectiveness of spike anchors (resin-impregnated fiber rovings) and local strengthening with U shape jacketing placed at the smaller sides of the columns. The first chapter provides general information on FRP materials describing their individual components, their characteristic properties, the factors affecting their behavior as well as the basic techniques for their application. The second chapter describes the composite materials in inorganic matrix (TRM) and presents a comparison between the two composite material strengthening systems. In the third chapter a brief literature review is provided about the confinement of columns with conventional techniques (e.g. steel plating, steel jacketing, RC jacketing) as well as with composite materials. The constitutional law of confined concrete with jackets of composite materials is described. Furthermore some experimental studies from the international literature are presented concerning the effectiveness of the confinement with FRP jackets of columns with small and high aspect ratio. Finally, the chapter concludes with a brief reference to experimental studies on specimens confined with jackets in inorganic matrix (TRM jackets). The fourth chapter presents the procedure for constructing and retrofitting the specimens including the materials used (carbon fiber fabric and textile, carbon fiber spike anchors, epoxy resin, inorganic matrix) as well as the equipment used for uniaxial compression tests. In the fifth chapter the results for each specimen are given presenting their failure mode and the corresponding load - displacement curve. In the following chapter the results for each group are compared in order to establish general conclusions on the effect of the kind of the matrix material, the number of layers and the existence of FRP anchors in confinement of wall-like RC columns. The seventh chapter presents the results of an analytical model used to predict the maximum compressive load and the ultimate deformation of specimens confined with FRP or TRM jackets. A comparison between the experimental and the analytical results is made and it is examined whether this model can be used for columns with high aspect ratio after modifying some of the parameters. The eighth chapter summarises the most important conclusions of all investigations carried out by the present project for both the experimental procedure and the analytical model. Finally, some suggestions for further research on columns with high aspect ratio are listed.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύσσεται μια νέα τεχνική ενίσχυσης υποστυλωμάτων οπλισμένου σκυροδέματος με βάση τη χρήση συνθέτων υλικών, τα οποία αποτελούνται από πλέγματα ινών σε ανόργανη μήτρα (π.χ. κονίαµα µε βάση το τσιμέντο), αποσκοπώντας στην επίλυση προβλημάτων που χαρακτηρίζουν τα Ινοπλισμένα Πολυμερή (ΙΟΠ) σχετικά µε τη χρήση εποξειδικών ρητινών. Τα Ινοπλέγματα σε Ανόργανη Μήτρα (ΙΑΜ) δοκιμάζονται στη μορφή μανδύα µε στόχο την περίσφιγξη και την αύξηση της πλαστιμότητας υποστυλωμάτων παλαιού τύπου, σχεδιασμένων δηλαδή χωρίς τις νέες αντισεισμικές λεπτομέρειες όπλισης. Εξετάζονται διάφορες παράμετροι, που περιλαμβάνουν τη χρήση ράβδων λείων ή με νευρώσεις, την πιθανή ένωση των ράβδων με υπερκάλυψη στον πόδα των υποστυλωμάτων και το μήκος υπερκάλυψης. Έτσι προσδιορίζεται η αποτελεσματικότητα των μανδυών ΙΑΜ και συγκρίνεται με αυτή τον ΙΟΠ ως μέσου περίσφιγξης στις κρίσιμες περιοχές υφισταμένων υποστυλωμάτων για όλες τις περιπτώσεις καμπτικών αστοχιών στην περιοχή της πλαστικής άρθρωσης. Το πειραματικό πρόγραμμα που ακολουθείται για την απόκτηση δεδομένων γύρω από τη συμπεριφορά υποστυλωμάτων οπλισμένου σκυροδέματος, ενισχυμένων με μανδύες ανόργανης (ΙΑΜ) ή οργανικής (ΙΟΠ) μήτρας, περιλαμβάνει συνολικά 28 δοκιμές επί δοκιμίων υποστυλωμάτων δύο τύπων: (α) 15 πρισματικά δοκίμια οπλισμένου σκυροδέματος που δοκιμάζονται σε κεντρική θλίψη και (β) 13 δοκίμια υποστυλωμάτων πλήρους κλίμακας, τα οποία δοκιμάζονται σε ανακυκλιζόμενη κάμψη με σταθερό αξονικό φορτίο. Καταδεικνύεται ότι η αποτελεσµατικότητα των µανδυών ΙΑΜ είναι υψηλή και γενικώς παρόµοια µε αυτή των µανδυών ΙΟΠ για όλες τις περιπτώσεις που εξετάστηκαν. Επιπροσθέτως, τα πειραματικά αποτελέσματα των 13 υποστυλωμάτων πλήρους κλίμακας που υποβλήθηκαν σε ανακυκλιζόμενη κάμψη (με σταθερό αξονικό φορτίο), συμβάλλουν στη διερεύνηση δύο ακόμα “θολών” μέχρι σήμερα πεδίων, όπως: (α) Ο λυγισμός των διαμήκων ράβδων σε περισφιγμένο με μανδύες ΙΑΜ ή ΙΟΠ σκυρόδεμα. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη μελέτη της αλληλεπίδρασης μεταξύ του μανδύα ΙΑΜ ή ΙΟΠ και των διαμήκων ράβδων, κατά την έναρξη και εξέλιξη του λυγισμού των τελευταίων. (β) Η αντοχή σε συνάφεια μεταξύ των ενωμένων με παράθεση ράβδων και του περισφιγμένου με μανδύες ΙΑΜ ή ΙΟΠ σκυροδέματος. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην πειραματική και αναλυτική μελέτη του μηχανισμού με τον οποίο η περίσφιγξη με μανδύες ΙΟΠ και ΙΑΜ συνεισφέρει στη βελτίωση των συνθηκών συνάφειας μεταξύ ράβδων οπλισμού και σκυροδέματος. Ακόμα στην παρούσα διδακτορική διατριβή διεξάγεται η πρώτη συστηματική μελέτη καμπτικής ενίσχυσης υποστυλωμάτων υπό ανακυκλιζόμενη κάμψη (και σταθερό αξονικό φορτίο) με Πρόσθετους Οπλισμούς νέου τύπου σε Εγκοπές (ΠΟΕ). Εξετάζονται υποστυλώματα που έχουν ενισχυθεί με πρόσθετο οπλισμό ινοπλισμένων πολυμερών (ελάσματα άνθρακα ή ράβδους γυαλιού) καθώς και με ράβδους ανοξείδωτου χάλυβα τοποθετημένων σε εγκοπές. Άλλη μια καινοτομία που εισαγάγει η παρούσα διατριβή είναι ο συνδυασμός του ΠΟΕ με τοπικούς μανδύες ινοπλεγμάτων σε ανόργανη μήτρα (IAM), οι οποίοι αποτελούν ένα εξαιρετικά αποτελεσματικό και πολλά υποσχόμενο σύστημα περίσφιγξης, όπως αναπτύσσεται και περιγράφεται λεπτομερώς στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Η έρευνα που υλοποιείται για την απόκτηση δεδομένων γύρω από τη συμπεριφορά υποστυλωμάτων οπλισμένου σκυροδέματος ενισχυμένων σε κάμψη με ΠΟΕ, περιλαμβάνει τη διεξαγωγή 11 δοκιμών επί υποστυλωμάτων πλήρους κλίμακας, τα οποία υποβάλλονται σε ανακυκλιζόμενη κάμψη υπό σταθερό αξονικό φορτίο. . Καταδεικνύεται ότι μέσω ενός κατάλληλου σχεδιασμού, στα πλαίσια του οποίου ο ΠΟΕ συνδυάζεται με τοπικό μανδύα στα άκρα του υποστυλώματος (κορυφή και πόδα), είναι εφικτό η αύξηση της καμπτικής αντίστασης των υποστυλωμάτων να μην συνοδεύεται από μείωση της διαθέσιμης ικανότητας παραμόρφωσης. Τα χρήσιμα πειραματικά ευρήματα από τα ενισχυμένα με ΠΟΕ υποστυλώματα, συμπληρώνονται με την ανάπτυξη ενός αναλυτικού και υπολογιστικού προσομοιώματος, το οποίο έχει διττή συμβολή, καθώς επιτρέπει: (α) την εκτέλεση παραμετρικών αναλύσεων ώστε να μελετηθεί σε βάθος και χωρίς κόπο (πειραματικές δοκιμές) η επίδραση όλων σχεδόν των παραμέτρων, στην καμπτική αντίσταση των ενισχυμένων με ΠΟΕ υποστυλωμάτων. (β) Τη χρήση του ως πολύτιμου υπολογιστικού εργαλείου από το Μηχανικό για το σχεδιασμό καμπτικών ενισχύσεων υποστυλωμάτων με ΠΟΕ και / ή μανδύες συνθέτων υλικών. Η αξία της συμβολής του εν λόγω προσομοιώματος μεγιστοποιείται αν ληφθούν υπόψη ορισμένα χαρακτηριστικά του όπως: (1) Η μείωση των ροπών αντοχής ως προς τους δύο κύριους άξονες (ισχυρός και ασθενής), η οποία οφείλεται στην έντονη σύζευξή τους, για τα ενισχυμένα σε κάμψη υποστυλώματα που υποβάλλονται σε διαξονική κάμψη. (2) Η εφαρμογή ενός τραπεζοειδούς στερεού τάσεων για το σκυρόδεμα σε θλίψη, το οποίο σε σύγκριση με το κλασικό ορθογωνικό στερεό, προσομοιώνει με αρκετά μεγαλύτερη ακρίβεια τον όγκο του σκυροδέματος της θλιβόμενης ζώνης, ιδιαίτερα για τις ενισχυμένες διατομές. (3) Η ταυτόχρονη δράση της εξωτερικής περίσφιγξης με μανδύες συνθέτων υλικών στις ενισχυμένες σε κάμψη διατομές. / The effectiveness of a new structural material, namely Textile-Reinforced Mortar (TRM), was investigated experimentally in this PhD Thesis as a means of confining old-type reinforced concrete (RC) columns with limited capacity due to bar buckling or due to bond failure at lap splice regions. Comparisons with equal stiffness and strength fiber-reinforced polymer (FRP) jackets allow for the evaluation of the effectiveness of TRM versus FRP. Tests were carried out on nearly full scale non-seismically detailed RC columns subjected to cyclic uniaxial flexure under constant axial load. Thirteen cantilever-type specimens with either continuous or lap-spliced deformed longitudinal reinforcement at the floor level were constructed and tested. Experimental results indicated that TRM jacketing is quite effective as a means of increasing the cyclic deformation capacity of old-type RC columns with poor detailing, by delaying bar buckling and by preventing splitting bond failures in columns with lap-spliced bars. Compared with their FRP counterparts, the TRM jackets used in this study were found to be equally effective in terms of increasing both the strength and deformation capacity of the retrofitted columns. From the response of specimens tested in this study, it can be concluded that TRM jacketing is an extremely promising solution for the confinement of RC columns, including poorly detailed ones with or without lap splices in seismic regions. Moreover this PhD Thesis presents the results of a large-scale experimental program aiming to study the behavior of RC columns under simulated seismic loading, strengthened in flexure (of crucial importance in capacity design) with different types and configurations of near-surface mounted (NSM) reinforcing materials. The role of different parameters is examined, by comparison of the lateral load versus displacement response characteristics (peak force, drift ratios, energy dissipation, stiffness). Those parameters were as follows: carbon or glass fiber-reinforced polymers (FRP) versus stainless steel; configuration and amount of NSM reinforcement; confinement via local jacketing; and type of bonding agent (epoxy resin or mortar). The results demonstrate that NSM FRP or stainless steel reinforcement is a viable solution towards enhancing the flexural resistance of reinforced concrete columns subjected to seismic loads. With proper design, which should combine compulsory NSM reinforcement with local jacketing at column ends, it seems that column strength enhancement does not develop at the expense of low deformation capacity.