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.

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.