Η παρούσα Διατριβή Διπλώματος Ειδίκευσης πραγματεύεται την ενίσχυση υποστυλωμάτων σχεδιασμένων με βάση παλαιότερους Ελληνικούς Κανονισμούς με ανεπαρκείς λεπτομέρειες όπλισης. Η ενίσχυση πραγματοποιήθηκε τόσο με μανδύες ινοπλισμένων πολυμερών, η χρήση των οποίων έχει ήδη γίνει ευρύτερα διαδεδομένη στην χώρα μας, όσο και με μανδύες ινοπλεγμάτων σε ανόργανη μήτρα, μία νέα μέθοδος ενίσχυσης η οποία εξελίσσεται με γοργούς ρυθμούς την τελευταία πενταετία. Το πειραματικό πρόγραμμα διεξήχθη στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Το πρόγραμμα αυτό περιελάμβανε τέσσερα δοκίμια τύπου προβόλου αναπαριστώντας σε πλήρη κλίμακα υποστυλώματα με ύψος ίσο με το μισό του ύψους τυπικού ορόφου. Το ένα από αυτά τα δοκίμια δοκιμάστηκε χωρίς ενίσχυση. Τα υπόλοιπα ενισχύθηκαν στην κρίσιμη περιοχή (πόδας) με υφάσματα και ινοπλέγματα άνθρακα και γυαλιού σε οργανική και ανόργανη μήτρα. Εξάγονται συμπεράσματα τόσο για την επίδραση του είδους της μήτρας στην απόκριση των ενισχυόμενων δοκιμίων, όσο και για τον τύπο του σύνθετου υλικού. Η εργασία χωρίζεται σε πέντε Κεφάλαια. Στο πρώτο Κεφάλαιο αρχικά γίνεται αναφορά στην χρήση των συνθέτων υλικών στο πεδίο των ενισχύσεων, στα συστατικά από τα οποία αποτελείται ένα σύστημα ενίσχυσης, στις τεχνικές εφαρμογής τους και σε διάφορους παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την ανθεκτικότητά τους. Στην συνέχεια γίνεται περιγραφή του φαινομένου του πρόωρου λυγισμού του διαμήκους οπλισμού στην περιοχή της πλαστικής άρθρωσης σε παλαιού τύπου υποστυλώματα όπως και βιβλιογραφική αναφορά για την περίσφιγξη της κρίσιμης αυτής περιοχής τους με μανδύες ινοπλισμένων πολυμερών. Στο δεύτερο Κεφάλαιο εισάγεται η μέθοδος των ινοπλεγμάτων σε ανόργανη μήτρα και αναλύονται οι απαιτήσεις που αυτή καλείται να καλύψει. Ακολουθεί βιβλιογραφική ανασκόπηση της καινοτόμου αυτής μεθόδου η οποία αφορά κυρίως σε δοκούς. Εξετάζεται ακόμη η σύσταση αυτής της μήτρας και γίνεται αναφορά στα πλεονεκτήματα και στα μειονεκτήματα των ινοπλεγμάτων σε ανόργανη μήτρα έναντι των ινοπλισμένων πολυμερών. Στο τρίτο Κεφάλαιο γίνεται μία εκτενής περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας. Η περιγραφή αυτή αναφέρεται στον οπλισμό και στις διαστάσεις των δοκιμίων, στα χρησιμοποιούμενα υλικά, στην φάση της σκυροδέτησης και στην διαδικασία ενίσχυσής τους. Στο τέλος του Κεφαλαίου γίνεται αναφορά στην πειραματική διάταξη και στο είδος της φόρτισης στην οποία υπεβλήθησαν τα δοκίμια. Στο τέταρτο Κεφάλαιο περιγράφονται τα αποτελέσματα των πειραμάτων ξεχωριστά για κάθε ένα δοκίμιο και παρατίθεται μία σειρά διαγραμμάτων τα οποία περιγράφουν την συμπεριφορά και τον τρόπο αστοχίας τους. Παρουσιάζονται και συγκεντρωτικά διαγράμματα τα οποία ακολουθεί μία σειρά σχολίων. Τέλος, στο πέμπτο Κεφάλαιο γίνεται ένας σύντομος αριθμητικός υπολογισμός του απαιτούμενου πάχους μανδύα συνθέτων υλικών στην περιοχή της πλαστικής άρθρωσης για την καθυστέρηση του λυγισμού με βάση δύο προσομοιώματα της διεθνούς βιβλιογραφίας. Στο τέλος του Κεφαλαίου συνοψίζονται τα συμπεράσματα της παρούσης Διατριβής Διπλώματος Ειδίκευσης. Η αποτελεσματικότητα των συνθέτων υλικών σε ανόργανη μήτρα ως προς την καθυστέρηση των δυσμενών συνεπειών του λυγισμού των διαμήκων ράβδων ήταν αρκετά υψηλή. Η διαπίστωση αυτή, σε συνδυασμό με τα πολλά πλεονεκτήματα που απορρέουν από την αντικατάσταση των οργανικών ρητινών από τις ανόργανες αυτές μήτρες, καθιστούν την υπόψη τεχνική ενδιαφέρουσα και πολλά υποσχόμενη στο εγγύς μέλλον όσον αφορά την ενίσχυση μελών οπλισμένου σκυροδέματος. / -

Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η μοντελοποίηση στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα και συγκεκριμένα υποστυλώματα μονολιθικά αλλά και ενισχυμένα με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Τα δοκίμια τα οποία εξετάζονται έχουν υποβληθεί σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση στο Εργαστήριο Κατασκευών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών και τα αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της αξιοπιστίας των αναλύσεων. Τα μοντέλα που κατασκευάστηκαν έχουν την δυνατότητα να λαμβάνουν υπόψιν την σχετική ολίσθηση μεταξύ του χάλυβα οπλισμού και του σκυροδέματος και επομένως και την εξόλκευση των ράβδων οπλισμού από το πέδιλο. Ωστόσο στα ενισχυμένα δοκίμια εξετάζονται διαφορετικοί τρόποι μοντελοποίησης της διεπιφάνειας μεταξύ παλαιού και νέου σκυροδέματος. Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας παρουσιάζονται ορισμένα γενικά θεωρητικά θέματα σχετικά με τις ενισχύσεις και επισκευές στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα και κυρίως υποστυλωμάτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναφέρονται λίγα πράγματα για την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και στην συνέχεια γίνεται μια σύντομη περιγραφή του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων ANSYS και των δυνατοτήτων που έχει. Στο τρίτο κεφάλαιο υπάρχει λεπτομερής περιγραφή των παραδοχών καθώς και των στοιχείων που χρησιμοποιούνται για την μοντελοποίηση στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα. Στο τέταρτο κεφάλαιο πραγματοποιείται μία βιβλιογραφική ανασκόπηση με σκοπό την τεκμηρίωση παραδοχών που χρησιμοποιούνται για την καλύτερη πρόβλεψη της συμπεριφοράς στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται δύο αναλυτικές προσεγγίσεις του φαινομένου της εξόλκευσης των ράβδων οπλισμού από το πέδιλο. Η περιγραφή των πειραματικών δοκιμών που πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Κατασκευών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, τα αποτελέσματα των οποίων χρησιμοποιούνται, για τον έλεγχο της αξιοπιστίας των αναλύσεων, πραγματοποιείται στο κεφάλαιο έξι. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των αναλύσεων που πραγματοποιήθηκαν για τρία μονολιθικά δοκίμια. Επιπλέον εξετάζεται και ένας εναλλακτικός απλοποιητικός τρόπος μοντελοποίησης με τον οποίο θεωρείται πλήρης συνάφεια χάλυβα – σκυροδέματος. Χρησιμοποιώντας την παραδοχή αυτή, αγνοείται το φαινόμενο της εξόλκευσης των ράβδων από το πέδιλο. Για το λόγο αυτό πραγματοποιείται και μια αναλυτική προσέγγιση της πρόσθετης μετατόπισης λόγω της εξόλκευσης και προκύπτουν τα τελικά αποτελέσματα τα οποία είναι αντίστοιχα με αυτά στα οποία γίνεται θεώρηση σχετικής ολίσθησης χάλυβα – σκυροδέματος. Στο όγδοο κεφάλαιο εξετάζονται πέντε ενισχυμένα δοκίμια. Παρουσιάζονται τρεις διαφορετικοί τρόποι μοντελοποίησης της διεπιφάνειας μεταξύ παλαιού – νέου σκυροδέματος γίνονται, ενώ προσομοιώνεται και η δράση βλήτρου κάνοντας χρήση ειδικών πολυγραμμικών ελατηρίων. Στην συνέχεια παρουσιάζονται τέσσερις διαφορετικού τρόποι για την έμμεση προσομοίωση της επίδρασης της ανακύκλισης στην συμπεριφορά της διεπιφάνειας. Επιπλέον εξετάζεται και η επίδραση της ανακυκλιζόμενης φόρτισης στην δράση του βλήτρου. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται τόσο με τα αντίστοιχα πειραματικά όσο και με αυτά στα οποία αγνοείται η επίδραση της ανακύκλισης. Τέλος στο ένατο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα τελικά συμπεράσματα που προέκυψαν καθώς και οι προτάσεις για μελλοντική έρευνα. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα εργασία είναι αρχικά, ότι η επιδραση του φαινομένου της εξόλκευσης στην συμπεριφορά των υποστυλωμάτων είναι αρκετά σημαντική. Ωστόσο τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την ανάλυση που συμπεριλάμβανε το φαινόμενο αυτό καθώς και τα αντίστοιχα που προέκυψαν από τον συνδυασμό της απλοποιητικής ανάλυσης (πλήρη συνάφεια χάλυβα – σκυροδέματος) σε συνδυασμό με την αναλυτική μέθοδο είναι αρκετά ικανοποιητικά και προσεγγίζουν σχετικά καλά την περιβάλλουσα που προκύπτει από τα πειραματικά αποτελέσματα. Από τα αποτελέσματα που προέκυψαν για τα ενισχυμένα δοκίμια φαίνεται η επίδραση των χαρακτηριστικών της διεπιφάνειας στην συμπεριφορά των ενισχυμένων στοιχείων καθώς και η συμβολή των βλήτρων τόσο στην γενικότερη συμπεριφορά όσο και στην μείωση της ολίσθησης στην διεπιφάνεια. Ωστόσο σύμφωνα με τα αποτελέσματα η επίδραση της ανακύκλισης της φόρτισης είναι αρκετά σημαντική και επηρεάζει την συμπεριφορά του στοιχείου. / This thesis examines the simulation of reinforced concrete elements. In particular, the finite element method is used to investigate the behaviour of monolithic and strengthened columns that were tested under cyclic loading in the Structural Laboratory of the Department of Civil Engineering at the University of Patras. The reliability of the analytical models is examined by comparing experimental and numerical results. The numerical models created included modelling the sliding between the reinforcing steel and the concrete, the consequence of bar elongation and the total extension of a reinforcing bar at a particular point in relation to the surrounding concrete. Therefore, for strengthened specimens, different ways of modelling the interface between old and new concrete are examined. The first chapter presents some theoretical models for the strengthening and repair of reinforced concrete elements with particular reference to reinforced concrete columns. A brief review of the finite element method and the finite element program ANSYS is presented in the second chapter. The third chapter presents a detailed description of the basic assumptions and the elements that were used to model reinforced concrete members. A literature review is presented in the fourth chapter in order to explain assumptions and to describe the elements that were used for the models. Two analytical approaches for the phenomenon of bar elongation are presented in the fifth chapter. A description of the experimental tests performed in the Structural Laboratory of the Department of Civil Engineering at the University of Patras and the experimental results that were used to examine the reliability of the numerical results is presented in chapter six. In the seventh chapter, the results of the analysis of three monolithic specimens are presented. In this way, a simplified method is examined by considering a perfect bond between the steel and the concrete. By using this assumption, the phenomenon of bar elongation is neglected. In addition, an analytical approach for the supplementary deflection due to bar elongation is presented and the total result, including the supplement deflection, is similar to that using the assumption of relative slip between the steel and the concrete. Five strengthened columns are investigated in the eighth chapter. Three different methods of modelling the interface between the old and the new concrete are proposed and the presence of dowels is simulated by using special multi-linear springs. Therefore, four different processes for the simulation of the effect of cyclic loading on the behaviour at the interface are proposed. Furthermore, the effect of cyclic loading on the behaviour of dowels is examined. The results are compared to the relevant experimental results and to results where the effects of cyclic loading are neglected. Finally, the ninth chapter presents results and recommendations for further research. One conclusion that arises from this thesis is that the effect of bar elongation on the behaviour of reinforced concrete columns is quite significant. It was found that the results from the analysis that took into account bar elongation due to relative slippage and the analysis using the simplified method (perfect bond between steel and concrete) in combination with the supplementary deflection due to the bar elongation calculated using analytical methods are similar to the experimental results. Using the results of the strengthened specimens that have been presented, the effect of the properties at the interface and the contribution of the dowels on the behaviour of the strengthened specimens and in the reduction of sliding on the interface can been noted. However, according to the results, it must be stressed that the effects of cyclic loading are significant and affects the behaviour of the model.

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. / --

Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε παραμετρική μελέτη μεταλλικών καμπτικών επίπεδων πλαισίων με υποστυλώματα τύπου τετραγωνικής κοιλοδοκού (Square Hollow Section, SHS) και δοκών τύπου διπλού ταυ (IPE). Ζητούμενο αποτελούσε η ανάπτυξη εξισώσεων που θα συνδέουν χαρακτηριστικά της ανελαστικής απόκρισης των κατασκευών με την δυνατότητα αντισεισμικού σχεδιασμού σύμφωνα με την μέθοδο των δυνάμεων έχοντας όμως σαν αρχικό στόχο ένα επιθυμητό επίπεδο επιτελεστικότητας σύμφωνα με τον αντισεισμικό σχεδιασμό που βασίζεται στην νεότερη μέθοδο των μετακινήσεων και εκτιμούν πιο σωστά την επιρροή των φαινομένων Ρ-Δ στην ανελαστική απόκριση των δισδιάτατων καμπτικών πλαισίων. Αναδεικνύεται η επιρροή του ελέγχου ευστάθειας στον σχεδιασμό μεταλλικών καμπτικών πλαισίων. Χρησιμοποιούνται διάφορες παράμετροι που εκτιμήθηκε πως επηρεάζουν την ελαστική και ανελαστική απόκριση των κατασκευών όπως το όριο διαρροής του χάλυβα fy των μελών, ο αριθμός των ορόφων ns, που επηρεάζει άμεσα την ιδιοπερίοδο του συστήματος, η μορφή της ελαστικής απόκρισης των κατασκευών, οι οποίες διακρίνονται σε καμπτικού και διατμητικού τύπου (shear type, flexural type) σύμφωνα με τον συντελεστή ρ όπως ορίζεται από τον Chopra (2007a), καθώς επίσης και την παράμετρο πλαστικών ροπών a που σχετίζεται με το είδος του αναπτυσσόμενου ανελαστικού μηχανισμού. Ο υστερητικός νόμος που χρησιμοποιήθηκε και περιγράφει την ανελαστική απόκριση των μελών υπό ανακυκλιζόμενη δράση ταυτίζεται με το διγραμμικό υστερητικό νόμο με κράτυνση 3%, με απομείωση της αντοχής των μελών που συνδέεται άμεσα με την τοπική πλαστιμότητα των μελών σε κάθε ανελαστικό κύκλο φόρτισης. Παραμετρικές αναλύσεις έγιναν επίσης με τη χρήση διγραμμικού νόμου υστέρησης με κράτυνση 3% χωρίς την απομείωση της αντοχής των μελών κατά την ανελαστική τους απόκριση, με στόχο την διερεύνηση της επιρροής στην αντοχή των μελών κατά την ανελαστική τους απόκριση. Για την πραγματοποίηση της παρούσας μελέτης 57 καταγραφές παρελθοντικών σεισμών μακριά από το σεισμικό ρήγμα, αποτέλεσαν την διέγερση για την εκτέλεση των δυναμικών μη-γραμμικών αναλύσεων ώστε να ληφθεί υπόψη η επιρροή του συχνοτικού περιεχομένου των επιταχυνσιογραφημάτων στην απόκριση των συστημάτων. Τέλος, παρουσιάζεται παράδειγμα που συγκρίνει την προτεινόμενη μέθοδο με την μέθοδο των δυνάμεων αποδεικνύοντας την αποτελεσματικότητά της. / In this project, a parametric design of steel moment resisting frames with square hollow section type columns (Square Hollow Section, SHS) and double tee type of section (IPE) beams was made. It was desired to develop an equation connecting the inelastic response characteristics of structures designed according to the force-based method but having as initial target a desired performance level in accordance with seismic design based on the direct displacement-design method. Furthermore, it was desired to estimate the influence of P-Δ phenomena to the inelastic response of 2D moment resisting steel frames in a more correct way. The influence of stability control in the design moment resisting steel frames is highlighted. Various parameters that affect the elastic and inelastic response of structures are used, such as the yield strength of steel members fy, the number of storeys ns, which directly affects the eigenperiod of the system, the type of the elastic response of the structures, which are divided into flexural and shear type according to the coefficient ρ as defined by Chopra (2007a), and also the parameter of plastic moments α associated with the type of the developing plastic mechanism. The hysteretic law used, which describes the inelastic response of members under cyclic action, is the bilinear hysteretic law with hardening 3% and deterioration of members’ strength directly associated with the local ductility of members in each inelastic loading cycle. In addition, extra parametric analyses were made by using bilinear hysteretic law with 3% hardening without deterioration of strength of members in their inelastic response, in order to investigate the influence of strength deterioration on the resistance for members in the inelastic range. To carry out this study, 57 records of past earthquakes far from the seismic fault were used to perform the dynamic non - linear analyses, in order to take into account the influence of the frequency content of the accelerograms on the response of the systems. Finally, examples are presented comparing the proposed method with the method of forces demonstrating the effectiveness of the proposed method.

Η παρούσα Διατριβή Διπλώματος Ειδίκευσης πραγματεύεται το ζήτημα της καμπτικής ενίσχυσης υποστυλωμάτων οπλισμένου σκυροδέματος υφισταμένων κατασκευών. Συγκεκριμένα, διερευνάται η αποτελεσματικότητα μίας νέας μεθόδου ενίσχυσης, η οποία συνίσταται στην επικόλληση υφάσματος ινοπλισμένων πολυμερών στις παρειές του μέλους, η αγκύρωση του οποίου πέραν της κρίσιμης διατομής εξασφαλίζεται με χρήση αγκυρίων μορφής θυσάνου ινών άνθρακα. Επιπλέον, και εξωτερικά των αγκυρίων, εφαρμόζεται τοπικός μανδύας συνθέτων υλικών. Για το σκοπό αυτό, διεξήχθησαν στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών συνολικά πέντε πειραματικές δοκιμές επί υποστυλωμάτων πλήρους κλίμακας. Τα χρησιμοποιηθέντα δοκίμια ήταν υποστυλώματα τετραγωνικής διατομής τύπου προβόλου, με ύψος ίσο με το μισό ύψος τυπικού ορόφου, σχεδιασμένα με ανεπαρκείς λεπτομέρειες όπλισης. Ένα εξ αυτών ενισχύθηκε με τοπικό μανδύα στον πόδα του και υπεβλήθη σε δοκιμή ανακυκλιζόμενης πλευρικής μετακίνησης της κορυφής του, με ταυτόχρονη επιβολή σταθερού θλιπτικού αξονικού φορτίου. Στην ίδια ιστορία φόρτισης υπεβλήθησαν τρία ακόμα δοκίμια, ενισχυμένα σύμφωνα με την υπό διερεύνηση μέθοδο, μελετώντας την επιρροή του αριθμού των εφαρμοσθέντων αγκυρίων και της συνολικής ποσότητας των ινών τους στην αποτελεσματικότητα της μεθόδου. Τέλος, ένα δοκίμιο υπεβλήθη σε μονοτονική φόρτιση αυξανομένης πλευρικής μετακίνησης με ταυτόχρονη επιβολή σταθερού θλιπτικού αξονικού φορτίου, με σκοπό τη μελέτη της επίδρασης της ανακύκλισης της φόρτισης στην αποτελεσματικότητα της μεθόδου. Το σύνολο των χρησιμοποιηθέντων συνθέτων υλικών στο πειραματικό πρόγραμμα, συνίστατο από ίνες άνθρακα σε μήτρα εποξειδικής ρητίνης. Η παρούσα εργασία χωρίζεται σε επτά Κεφάλαια. Το πρώτο Κεφάλαιο αποτελεί την εισαγωγή της παρούσης διατριβής. Παρουσιάζονται οι λόγοι που καθιστούν αναγκαία την καμπτική ενίσχυση υποστυλωμάτων σημαντικού μέρους των υφισταμένων κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος, γίνεται σύντομη αναφορά στη χρήση των συνθέτων υλικών στο πεδίο των ενισχύσεων καθώς και στις μηχανικές ιδιότητες αυτών και τέλος γίνεται αναφορά στο αντικείμενο της παρούσης διατριβής. Στο δεύτερο Κεφάλαιο, παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο της υπό διερεύνηση μεθόδου ενίσχυσης. Στο τρίτο Κεφάλαιο, συνοψίζονται στοιχεία από τη διεθνή βιβλιογραφία, σχετικά με προγενέστερες έρευνες που έχουν λάβει χώρα και που έχουν άμεση σχέση με το αντικείμενο της παρούσης διατριβής. Στο τέταρτο Κεφάλαιο, παρουσιάζεται το πειραματικό πρόγραμμα που έλαβε χώρα, προκειμένου να αξιολογηθεί η αποτελεσματικότητα της υπό διερεύνηση μεθόδου και η επίδραση των διαφόρων παραμέτρων σε αυτήν. Στο πέμπτο Κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των διεξαχθέντων πειραματικών δοκιμών. Γίνεται παρουσίαση των πειραματικών αποτελεσμάτων για το σύνολο των δοκιμίων, σε διαγραμματική κατά κανόνα μορφή. Ακολουθεί συγκριτική παρουσίαση της συμπεριφοράς αυτών. Επίσης, γίνεται προσπάθεια, μέσω των πειραματικών καταγραφών, εκτίμησης των μέσων παραμορφώσεων αστοχίας των χρησιμοποιηθέντων αγκυρίων. Στο έκτο Κεφάλαιο, παρουσιάζεται μια προσπάθεια εκτίμησης των μέσων παραμορφώσεων αστοχίας των χρησιμοποιηθέντων αγκυρίων, μέσω των καταγεγραμμένων κατά τις πειραματικές δοκιμές ροπών αντίστασής των δοκιμίων, κάνοντας χρήση ενός υπολογιστικού εργαλείου, το οποίο αναπτύχθηκε από τον ίδιο το συγγράφοντα για το σκοπό αυτό. Τα εξαγχθέντα συμπεράσματα, εν συνεχεία, αξιολογούνται βάσει των πειραματικών καταγραφών. Στο έβδομο Κεφάλαιο, τέλος, το οποίο αποτελεί και τον επίλογο της παρούσης διατριβής, παρουσιάζονται συγκεντρωτικά τα εξαγχθέντα συμπεράσματα και γίνονται προτάσεις για μελλοντική έρευνα. Μέσω των διεξαχθέντων πειραματικών δοκιμών και της επεξεργασίας των αποτελεσμάτων αυτών, κατέστη σαφές πως η υπό διερεύνηση μέθοδος καμπτικής ενίσχυσης υποστυλωμάτων είναι επαρκώς αποτελεσματική, ώστε να αποτελέσει βιώσιμη λύση στο πεδίο των ενισχύσεων, σε περιπτώσεις που απαιτείται αύξηση της καμπτικής αντοχής υποστυλωμάτων χωρίς παράλληλη απαίτηση αύξησης της ικανότητας παραμόρφωσης αυτών, κυρίως λόγω της ευκολίας εφαρμογής της. / This master thesis presents the results of an experimental program aiming to study the behavior of RC columns under simulated seismic loading, strengthened in flexure (of crucial importance in capacity design) using Carbon Composite Anchors. The role of different parameters is examined, mostly by comparison of the lateral load versus displacement response characteristics. With proper design, it seems that column strength enhancement does not develop at the expense of low deformation capacity.

Η παρούσα εργασία στοχεύει στην δημιουργία αξιόπιστων προσομοιωμάτων για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς υποστυλωμάτων ενισχυμένων με μανδύα και πρόσθετες στρώσεις από οπλισμένο σκυρόδεμα. Ειδικότερα στην εργασία διερευνάται η επιρροή της διεπιφάνειας παλαιού - νέου σκυροδέματος, η συστολή ξήρανσης του σκυροδέματος καθώς και η προφόρτιση των αρχικών υποστυλωμάτων στην συμπεριφορά των ενισχυμένων στοιχείων. Για την διερεύνηση της επιρροής του φαινομένου της δεσμευμένης συστολής ξήρανσης στην αντοχή του πρόσθετου σκυροδέματος ενίσχυσης, πραγματοποιούνται πειραματικές δοκιμές. Στην συνέχεια και αφού ελέγχεται η αξιοπιστία των προσομοιωμάτων, αυτά χρησιμοποιούνται σε παραμετρική διερεύνηση με σκοπό την εξαγωγή συντελεστών μονολιθικότητας οι οποίοι συσχετίζουν την συμπεριφορά των ενισχυμένων στοιχείων με αυτή των αντίστοιχων μονολιθικών. Ο υπολογισμός αξιόπιστων τιμών για τους συντελεστές μονολιθικότητας έχει ιδιαίτερη σημασία για τον σχεδιασμό καθώς με την εφαρμογή τους μπορούν εύκολα να εκτιμηθούν τα χαρακτηριστικά των ενισχυμένων στοιχείων. Από την αριθμητική διερεύνηση που πραγματοποιήθηκε, βρέθηκαν οι κατάλληλες παραδοχές με χρήση των οποίων μπορεί να επιτευχθεί αξιόπιστη πρόβλεψη μονολιθικών αλλά και ενισχυμένων στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα. Ιδιαίτερη σημασία βρέθηκε να έχει το φαινόμενο της συστολής ξήρανσης του σκυροδέματος ο συνυπολογισμός του οποίου φαίνεται να αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για την προσομοίωση της συμπεριφοράς κυρίως των ενισχυμένων στοιχείων. Η προφόρτιση του αρχικού υποστυλώματος βρέθηκε να μην επηρεάζει σημαντικά τα αποτελέσματα και ο συνυπολογισμός του μπορεί να αγνοείται. Στα τελευταία κεφάλαια της Διατριβής προτείνονται τιμές για τους συντελεστές μονολιθικότητας ανάλογα με τον τύπο ενίσχυσης οι οποίες βρέθηκαν να επηρεάζονται από το αξονικό φορτίο και το πάχος του μανδύα ενίσχυσης. Μια συνοπτική παρουσίαση των περιεχομένων κάθε κεφαλαίου ακολουθεί στην συνέχεια. Το πρώτο Κεφάλαιο της εργασίας περιλαμβάνει την βιβλιογραφική ανασκόπηση του θέματος. Περιλαμβάνει ερευνητικές εργασίες που έχουν πραγματοποιηθεί σε ενισχυμένα στοιχεία με πρόσθετες στρώσεις και μανδύες από οπλισμένο σκυρόδεμα. Στην συνέχεια παρουσιάζονται προσομοιώματα που έχουν προταθεί για την συμπεριφορά της διεπιφάνειας παλαιού - νέου σκυροδέματος καθώς και διαδικασίες προσομοίωσης της συμπεριφοράς στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα με χρήση πεπερασμένων στοιχείων. Στο τέλος του Κεφαλαίου παρουσιάζεται μια ανασκόπηση για την ελεύθερη και την δεσμευμένη συστολή ξήρανσης σε στοιχεία σκυροδέματος. Το δεύτερο Κεφάλαιο περιλαμβάνει αρχικά μια αναλυτική προσέγγιση της επιρροής του φαινομένου της συστολής ξήρανσης σε ενισχυμένα στοιχεία από οπλισμένο σκυρόδεμα ενώ στην συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα πειραματικής διαδικασίας για την διερεύνηση της επιρροής της δεσμευμένης συστολής ξήρανσης στην συμπεριφορά των χαρακτηριστικών του σκυροδέματος. Τα αποτελέσματα αυτά χρησιμοποιούνται για την διερεύνηση της αξιοπιστίας της προσομοίωσης του φαινομένου της συστολής ξήρανσης. Στο τρίτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η προσομοίωση μονολιθικών και ενισχυμένων στοιχείων με χρήση του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων γενικής χρήσης, ΑΝSYS. Αρχικά εξετάζονται διαφορετικές διαδικασίες προσομοίωσης για την ολίσθηση μεταξύ χάλυβα και σκυροδέματος σε μονολιθικά στοιχεία ενώ στην συνέχεια εξετάζεται η προσομοίωση της διεπιφάνειας παλαιού - νέου σκυροδέματος. Στο τέταρτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η προσομοίωση μονολιθικών και ενισχυμένων στοιχείων με χρήση του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων ΑΤΕΝΑ το οποίο απευθύνεται αποκλειστικά στην προσομοίωση στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα. Με το συγκεκριμένο λογισμικό υπάρχει η δυνατότητα προσομοίωσης της συμπεριφοράς των στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα και μετά το μέγιστο της καμπύλης δύναμης μετατόπισης. Επιπλέον προσομοιώνεται και το φαινόμενο της συστολής ξήρανσης του σκυροδέματος. Στο πέμπτο Κεφάλαιο εξετάζεται η επιρροή της προφόρτισης και της συστολής ξήρανσης στην συμπεριφορά των ενισχυμένων στοιχείων. Στο έκτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται μια παραμετρική διερεύνηση της επιρροής του πάχους του μανδύα ενίσχυσης και της τιμής του αξονικού φορτίου για υποστυλώματα ενισχυμένα με μη συρρικνούμενο σκυρόδεμα. Στο έβδομο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα παραμετρικών αναλύσεων συνυπολογίζοντας το φαινόμενο της συστολής ξήρανσης του σκυροδέματος και υπολογίζονται συντελεστές μονολιθικότητας ανάλογα με το πάχος του μανδύα ενίσχυσης, τη τιμή του ανηγμένου αξονικού φορτίου καθώς και την αντοχή του σκυροδέματος του μανδύα. Στο όγδοο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα γενικά συμπεράσματα που προέκυψαν ενώ γίνονται και προτάσεις για μελλοντική έρευνα. / The main aim of the thesis is the development of reliable numerical models to simulate the behaviour of columns strengthened with reinforced concrete jackets or additional layers. Specifically in this work, the effect of concrete shrinkage and the preloading of the initial column are investigated. For the investigation of the concrete shrinkage effect on the strength of the concrete of the jacket, an experimental procedure is performed. The experimental results are used to validate the numerical models and numerical analyses are used to calculate monolithic coefficients that correlate the behaviour of strengthened specimens with respective monolithic specimens. Monolithic coefficient values are of main importance as they can be simply used to estimate the characteristics of strengthened elements. From the numerical investigation, appropriate simulation assumptions for the reliable prediction of the behaviour of monolithic and strengthened reinforced elements have been found. The concrete shrinkage effect was found to be of main importance for the reliable simulation of the monolithic and especially strengthened specimens. The preloading of the initial column was found to have a negligible effect on the behaviour of strengthened specimens. In the final chapters of the thesis, monolithic coefficient values are proposed depending on the type of the jacket, the axial load value and the thickness of the concrete jacket. A brief description of the contents of each chapter follows: The first chapter presents a literature review. Research work involving elements strengthened with additional layers or jackets is initially presented. Then, available proposed models for the behaviour of the interface between the old and the new concrete and assumptions for the simulation of reinforced concrete elements using the finite element method are presented. The end of the chapter concerns a literature review covering free and restrained concrete shrinkage. The second chapter begins by presenting an analytical approximation of the effect of concrete shrinkage in strengthened specimens. Next, experimental results are presented concerning the compressive strength of concrete elements under restrained concrete shrinkage. These results are then used to validate the simulation procedure of the concrete shrinkage effect. The simulation of monolithic and strengthened reinforced concrete elements using the general purpose finite element program ANSYS is presented in the third chapter. Different assumptions for the simulation of bond slip between the steel bars and the concrete and for the interface between the old and the new concrete are examined. In the fourth chapter, the simulation of monolithic and strengthened elements using finite element program ATENA is presented. This software specialises in the simulation of reinforced concrete elements and the behaviour of the elements can be predicted even in the post peak region of the load deflection curve. In addition, the concrete shrinkage effect is simulated. The effect of the preloading of the initial column and the concrete shrinkage on the behaviour of the strengthened specimens is investigated in the fifth chapter. The sixth chapter presents a parametric study concerning the effect of the thickness of the concrete jacket and the axial load value on the behaviour of columns strengthened with a non-shrink concrete. In the seventh chapter, a parametric study is presented for columns strengthened with a normal (subject to shrinkage) concrete and monolithic coefficient values are calculated for different values of the thickness of the jacket, the axial load and the strength of the concrete of the jacket. Conclusions of the thesis are presented in the eighth chapter together with proposals for future research.

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.