Seismic behavior and assessment of reinforced concrete elements with brittle details & retrofitting using engineered cementitious composites

Abstract

Το αντικείμενο της σεισμικής αποτίμησης υφιστάμενων κατασκευών και της αντιμετώπισης του σεισμικού κινδύνου που αυτές εκπροσωπούν για τον ευρύτερο πληθυσμό και την οικονομία ετέθη σε προτεραιότητα μετά από τους σεισμούς της δεκαετίας του 1990 που προκάλεσαν σημαντικές καταστροφές σε μεγάλα αστικά κέντρα (Loma Prieta 1989, Northridge 1994, Athens 1999, Izmit 1999). Για την επόμενη εικοσαετία έγινε εντατική προσπάθεια για την ανάπτυξη μεθοδολογιών αξιολόγησης των υφιστάμενων κατασκευών, με έμφαση στην αποτίμηση της φέρουσας ικανότητάς τους σε ενδεχόμενου μελλοντικού σεισμού αλλά και σε μεθόδους σεισμικής αναβάθμισής τους. Στο χώρο αυτό εισήλθαν δυναμικά οι τεχνολογίες νέων υλικών οι οποίες σε πολλές περιπτώσεις προσέφεραν εύχρηστες και αποτελεσματικές λύσεις για την εξάλειψη πολλών από τις συστημικές ανεπάρκειες των υφιστάμενων έργων. Για την πρόβλεψη σύνθετων μηχανισμών συμπεριφοράς των δομικών στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα (ΟΣ) οι μέθοδοι αποτίμησης στηρίχθηκαν κυρίως στην πειραματική έρευνα, και κατόπιν στην συνθετική αξιολόγηση βάσεων πειραματικών δεδομένων από το σύνολο της διαθέσιμης πειραματικής βιβλιογραφίας. Λόγω της διαφοροποίησης στις πειραματικές διατάξεις των επιμέρους ερευνών που τροφοδότησαν τις βάσεις δεδομένων, σήμερα ακόμη υφίσταται μεγάλη αβεβαιότητα ως προς τα κριτήρια αντοχής και παραμορφωσιμότητας που έχουν εξαχθεί από αυτές τις μελέτες και τα οποία στην συνέχεια έχουν αποτελέσει την βάση των κανονιστικών μεθόδων σεισμικής αποτίμησης. Η επίδραση αυτή, και οι γεωμετρικές μη-γραμμικότητες που εισάγονται στην συμπεριφορά των δομικών στοιχείων αποτελεί ένα από τα αντικείμενα μελέτης της παρούσας διατριβής. Η εργασία επικεντρώνεται σε στοιχεία με έντονη απομείωση της αντοχής με προϊούσα παραμόρφωση, με χαρακτηριστικά ψαθυρής αστοχίας. Διερευνάται η απομείωση διατμητικής αντοχής που αποδίδεται στην επίδραση του μεγέθους της επιβαλλόμενης πλαστιμότητας ( ως δείκτη βλάβης) και εξετάζεται τι μέρος αυτής της απομείωσης είναι φαινομενικό, είναι δηλαδή συνέπεια της μη γραμμικότητας που εισάγει η διάταξη φόρτισης. Σημειώνεται ότι ενώ οι διαθέσιμες μέθοδοι εκτίμησης της διατμητικής αντοχής διαφέρουν καθώς είναι κατά κανόνα εμπειρικές, αναγνωρίζουν τη συνεισφορά των επιμέρους μηχανισμών αντίστασης, δηλ. του σκυροδέματος, του οπλισμού διάτμησης και του αξονικού φορτίου. Η μη γραμμικότητα που μελετάται και αφορά την διάταξη φόρτισης επηρεάζει την τελευταία εκ των τριών αυτών συμμετοχών. Κατόπιν διόρθωσης των τιμών, τα πειραματικά αποτελέσματα συσχετίζονται με μια αναθεωρημένη διατύπωση της διατμητικής αντοχής υποστυλωμάτων, με ιδιαίτερο ενδιαφέρον στα στοιχεία με ανεπαρκείς κατασκευαστικές λεπτομέρειες διαμόρφωσης οπλισμών. Στα πλαίσια της συσχέτισης αυτής πραγματοποιείται αναλυτική διερεύνηση των υφιστάμενων μοντέλων που έχουν ήδη προταθεί χρησιμοποιώντας αριθμητική προσομοίωση με μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων και αλγορίθμων βελτιστοποίησης. Παράλληλα, εξετάζονται οι σημαντικές παράμετροι συμπεριφοράς που επηρεάζουν την ικανότητα παραμόρφωσης του δομικού στοιχείου, συχνά αναφερόμενη και ως σχετική στροφή. Η παράμετρος αυτή επηρεάζεται καθοριστικά από το ρυθμό απομείωσης της διατμητικής αντοχής με αύξουσα επιβαλλόμενη πλαστιμότητα, καθώς δεν είναι εγγενής αλλά αντίθετα ορίζεται σε σχέση με ένα χαρακτηριστικό σημείο στον φθιττό κλάδο της περιβάλλουσας αντίστασης. Για τον λόγο αυτό οι επιπτώσεις της διάταξης φόρτισης στο ρυθμό απομείωσης της περιβάλλουσας και άρα στον ορισμό της ικανότητας στροφής, αλλά και στα κριτήρια αποτίμησης των στοιχείων ΟΣ φαίνεται να εχουν σημαντική πρακτική συνέπεια. Σημειώνεται εδώ ότι οι μηχανισμοί διατμητικής αντίστασης επηρεάζονται σημαντικά από την απουσία επαρκών κατασκευαστικών λεπτομερειών όπλισης, και αποσυντίθενται γρήγορα παρουσία είτε σημαντικού αξονικού θλιπτικού φορτίου, είτε μεγάλου ποσοστού διαμήκους εφελκυόμενου οπλισμού, είτε απουσία επαρκών αγκυρώσεων. Ιδιαίτερα, η ικανότητα στροφής παλαιού τύπου στοιχείων με ψαθυρές λεπτομέρειες οπλισμών απομειώνεται δραματικά υπό την παρουσία υψηλού αξονικού φορτίου, ενώ επηρεάζεται το μήκος της πλαστικής άρθρωσης που επίσης συμβάλει στον ορισμό της ικανότητας παραμόρφωσης του στοιχείου. Οι ιδιότητες αυτές μελετώνται στην παρούσα διατριβή μέσω ανελαστικής προσομοίωσης με πεπερασμένα στοιχεία, ως συνέχεια της μελέτης για την σχέση διατμητικής αντοχής και αξονικού φορτίου που προαναφέρθηκε. Για την αποκατάσταση της φέρουσας ικανότητας στοιχείων ΟΣ παλαιού τύπου με ανεπάρκειες αντοχής και παραμορφωσιμότητας εξετάζεται η χρήση μιας νέας μεθοδολογίας η οποία θεωρείται τοπική ενίσχυση - υπό την έννοια ότι εισάγει ήπια αύξηση της αντοχής αλλά βελτιώνει σημαντικά την ικανότητα παραμόρφωσης χωρίς να επηρεάζει την γεωμετρία του δομικού στοιχείου ( όπως θα συνέβαινε με τις παραδοσιακές τεχνικές μανδύα ΟΣ). Ο στόχος αυτός που με πρόσφατες τεχνολογίες επιτυγχάνεται με την προσθήκη μανδυών από ινοπλισμένα πολυμερή (ΙΟΠ), στην παρούσα έρευνα πραγματοποιείται με την αντικατάσταση της επικάλυψης του στοιχείου με μανδύα από ινοπλισμένο τσιμεντούχο κονίαμα (Engineered Cementitious Composite, ECC) με χαρακτηριστικά κράτυνσης σε αξονικό εφελκυσμό. Η νέα αυτή κατηγορία υλικών προσφέρει πλεονεκτήματα σε σχέση με τις προηγούμενες μεθόδους καθώς απαλλάσει από τα ζητήματα περιορισμένης διαπνοής που αποτελούν χαρακτηριστικό μειονέκτημα των ΙΟΠ, έχει μεγάλη ανθεκτικότητα, αντοχή και παραμορφωσιμότητα, και εξασφαλίζει έλεγχο της ρηγμάτωσης. Η σημαντική εφελκυστική πλαστιμότητα των υλικών, και ο έλεγχος του ευρους των ρωγμών κατόπιν υπέρβασης του συμβατικού ορίου ρηγμάτωσης που μακροσκοπικά παρουσιάζει χαρακτηριστικά υλικού με κράτυνση οφείλεται αφενός στην ύπαρξη ενός πυκνού δικτύου ινών στην μάζα του υλικού, και αφετέρου στην πολύ λεπτόκκοκη και πυκνή σύνθεση του μητρικού κονιάματος. Η τεχνολογία των αντισεισμικών επισκευών / ενισχύσεων με ECC βρίσκεται ακόμη σε σχετικά πρώιμο στάδιο, καθώς για πολλά έτη η τεχνολογία επικεντρώθηκε στον χαρακτηρισμό των μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών και λιγότερο στην εφαρμογή τους σε ενισχύσεις. Στην προτεινόμενη μεθοδολογία η συνεργασία μεταξύ του ECC και του υποστρώματος από απλό σκυρόδεμα σχετικά χαμηλής αντοχής (για παλαιά κτίρια) κρίνεται σημαντική για την επιτυχία της επισκευής/ενίσχυσης. Με την χρήση ενός πειραματικού προγράμματος που περιλαμβάνει δοκιμές διατμητικής αντοχής κατά μήκος κεκλιμένου επιπέδου, άμεσου εφελκυσμού και θλίψης, η εργασία διερευνά τον μηχανισμό μεταφοράς μέσω της διεπιφάνειας των υλικών, με παραμέτρους μελέτης την κλίση της διεπιφάνειας, την τραχύτητα του υποστρώματος, την θλιπτική αντοχή και την σύνθεση του συμβατικού σκυροδέματος. Οι μορφές αστοχίας ελέγχονται τόσο από την τραχύτητα της διεπιφάνειας που προκαλείται από διαφορετικές συνθέσεις σκυροδέματος όσο και από τη γωνία κλίσης της διεπιφάνειας. Με τον υπολογισμό των διατμητικών και ορθών τάσεων στη διεπιφάνεια, το κριτήριο αστοχίας στο σημείο σύνδεσης των υλικών ECC-PC περιγράφεται με τη χρήση ενός μοντέλλου της περιβάλλουσας αστοχίας τύπου Mohr-Coulomb. Η αντικατάσταση της επικάλυψης με τη χρήση μανδυών περιορισμένου πάχους από υλικά του σύγχρονου αυτού τύπου (ECC) χρησιμοποιείται στην παρούσα πειραματική έρευνα για την εκ των υστέρων ενίσχυση στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος μετά από ρηγμάτωση και ευρύτερη βλάβη που έχει αναπτυχθεί σ' αυτά από προηγούμενη φόρτιση. Οι αρχικές κατασκευαστικές λεπτομέρειες των δοκιμίων αντιπροσωπεύουν εφαρμογή παλαιών τύπων μόρφωσης οπλισμού στις κατασκευές οπλισμένου σκυροδέματος, οδηγώντας σε πρόωρες και ψαθυρές αστοχίες. Οι ανεπάρκειες αφορούν τον διαθέσιμο εγκάρσιο οπλισμό και το μήκος αγκύρωσης/μάτισης των διαμηκών ράβδων στα αρχικά δοκίμια. Μετά την δοκιμή σε μονοτονική και ανακυκλιζόμενη φόρτιση των επισκευασμένων δοκιμίων διερευνήθηκε η συμβολή του περιορισμένου πάχους μανδύα στην ανάκτηση της αντοχής και της παραμόρφωσης του αρχικού δοκιμίου λαμβάνοντας υπόψη τα χαρακτηριστικά της προϋπάρχουσας βλάβης. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι οι μανδύες αντικατάστασης της επικάλυψης από πλάστιμα τσιμεντούχα υλικά (ECC) αποτελούν αποτελεσματική μέθοδο όχι μόνο για αποκατάσταση της αντοχής, αποτροπή ψαθυρών μορφών αστοχίας στο μήκος του στοιχείου, αλλά και ως προς την αύξηση της ικανότητας παραμόρφωσης των επισκευασμένων στοιχείων. Η περιβάλλουσα της πειραματικής απόκρισης βαθμονομήθηκε με την χρήση μη γραμμικής ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων, με κύριο στόχο την βελτίωση της κατανόησης των περιοχών συγκέντρωσης τάσεων και την βαθμονόμηση της μεθοδολογίας αντικατάστασης της επικάλυψης. Διαπιστώθηκε ότι η περίσφιγξη που ασκείται από το μανδύα μπορεί να συσχετιστεί με την εφελκυστική αντοχή του ινοπλισμένου τσιμεντούχου υλικού (ECC) με αποτέλεσμα να ρυθμίζει την ανάκτηση αντοχής. Ωστόσο με την μέθοδο αυτή, αποτρέποντας τις ψαθυρές μορφές αστοχίας στο μήκος του στοιχείου, καθίσταται κρίσιμος ο οπλισμός αγκύρωσης στη θεμελίωση που καθορίζει στη συνέχεια την ικανότητα στροφής του δομικού στοιχείου.

Following the seismic events of the 1990s, which caused significant damage to large urban centers, seismic evaluation of existing structures and the management of the seismic risk they represent for the safety of the public and the economy, were identified as pressing priorities by the earthquake engineering community (Loma Prieta 1989, Northridge 1994, Athens 1999, Izmit 1999). For the next two decades, an intensive effort was made to develop methodologies for evaluating existing structures, with the primary emphasis in determining their available load-carrying capacity in the event of a future earthquake, as well as, the design of seismic retrofitting methods. New materials technologies were introduced in this area dynamically and cost-effective solutions to many of the systemic problems of existing construction were developed. The assessment methods for estimating the behavior of the complex mechanics of reinforced concrete structural elements (R.C) were primarily based on experimental investigation, followed by collective evaluation of experimental databases from the available experimental literature. There is still a lot of uncertainty today about the strength and deformability criteria that have been derived from tests due to the differences in the experimental test setups of the individual research studies that fed into the databases. Following these investigations, the regulatory methods of seismic assessment were developed. One of the topics covered in this thesis is the effect of test setup on the derived criteria, and the second-order effects that the test setups have introduced into the behavior of structural elements. The research focuses on elements that exhibit pronounced strength degradation with plastic deformation and brittle failure characteristics. The shear strength reduction that has been attributed to the magnitude of the imposed ductility (as damage term) is investigated, and it is determined how much of this degradation is recognizable, i.e., how much is a consequence of the experimental set up nonlinearity. While the available methods of assessing shear strength differ because they are all empirical, they all acknowledge the contribution of individual resistance mechanisms, such as concrete, transverse reinforcement, and axial load. The experimental set up nonlinearity has an impact on the last of these three contributions. The experimental results are correlated with a revised formulation of column shear strength after the values have been corrected, with a special focus on elements with inadequate structural detailing configuration. A detailed investigation of the existing models that have already been proposed is carried out within the framework of this correlation using numerical simulation with finite element models and optimization algorithms. The important behavioral factors which affect the structural element's deformation capacity, which are commonly referred to as a relative drift, are also investigated. The degradation rate of shear strength with increasing imposed ductility has a significant impact on this parameter, which is defined in relation to a characteristic point in the decaying branch of the envelope resistance curve (i.e., at 80% residual load). As a result, the effects of the experimental setup on the rate of envelope resistance curve degradation and thus on the definition of drift capacity, as well as the criteria for evaluating R.C. elements, appear to have a significant practical consequence. It should be noted that the lack of adequate structural reinforcement details has a significant impact on shear resistance mechanisms, which are quickly decomposed in the presence of either a significant axial compressive load, a high percentage of longitudinal tensile reinforcement, or the absence of adequate anchorages. In the presence of a high axial load, the ability of old-type elements with insufficient construction details to develop lateral drift is dramatically reduced, whereas the length of the plastic hinge is affected significantly, which also contributes to the definition of the element's deformation capacity. As a continuation of the previous study on the relationship between shear strength and axial load, these properties are investigated in the current thesis using inelastic simulation with finite elements. To restore the load carrying capacity of old type reinforced concrete elements with inadequacies in strength and deformability, a new methodology is being investigated, which is considered to be a local retrofitting scheme – in the sense it that only induces a moderate increase of strength while significantly improving the deformation capacity without affecting the structural element's geometry (as would be the case with conventional jacketing). This goal, which was previously achieved by adding fiber-reinforced polymer (FRP) jackets, is now achieved in the current study by replacing the element's cover with a fiber reinforced cementitious mortar (this material type is known as Engineered Cementitious Composite - ECC) with tension hardening response. This new class of materials has several advantages over previous methods, including the elimination of the limited transpiration that is considered a negative aspect of FRP, high durability, fire resistance, strength, and deformability and crack control. The significant tensile ductility of the ECC materials, as well as the control of crack width after exceeding the conventional cracking limit that macroscopically is interpreted as tension hardening is owing to the presence of a dense fiber network in the mass of the material, and to the very fine and dense microstructure of the mortar matrix. The technology of seismic repairs / retrofitting with ECC is still at an early stage, as research has been focused for many years on the characterization of mechanical properties of materials rather than their application in retrofitting techniques. The proposed methodology considers the ECC's interaction with the relatively low strength plain concrete (PC) substrate (for old buildings) as a critical link to the repair / retrofitting success. The project investigates the transfer mechanism through the interface of the materials, with parameters under investigation including interface inclination, substrate roughness, and plain concrete compressive strength, using an experimental program that includes shear strength tests along an inclined plane, direct tensile and compressive tests. The failure modes are affected by the roughness of the interface, which is caused by various concrete mix designs, as well as the angle of the interface inclination. The failure criterion of the interface of ECC-PC materials is described using a model of the Mohr-Coulomb failure envelope type, by calculating the shear and normal stresses at the interface. The replacement of the plain concrete cover with a low thickness jacket comprising strain hardening ECC materials is used in this experimental investigation for the retrofitting of reinforced concrete elements after cracking and extensive damage that was imparted in them during previous loading. The initial construction details of the specimens represent the application of old reinforcement configuration practices in RC structures, leading to premature and brittle failures. Inadequacies were representative of sparse transverse reinforcement placement and insufficient anchorage/lap-splice lengths of longitudinal reinforcement in the original test specimens. After monotonic and cyclic loading test of the repaired examined specimens, the contribution of the limited jacket thickness to the recovery of the strength and deformation capacity of the original test specimens was investigated considering the characteristics of the pre-damaged condition. The experimental results showed that the cover replacement by ductile concrete materials (ECC) are an effective method not only to restore strength, to prevent brittle mode of failure along the element, but also to increase the deformation capacity of the repaired elements. The envelope curve of the experimental response was calibrated using nonlinear finite element analysis, with the main aim of improving the understanding of the stress concentration areas and calibrating the jacketing replacement methodology. It was found that the confinement exerted by the jacket can be associated with the high tensile strength of the fiber-reinforced cementitious material (ECC) thus improving the recovery of strength. It is noted however that by preventing the brittle types of failure in the length of the element through ECC jacketing, the anchorage of reinforcement in the foundation may become more vulnerable. This topic is beyond the scope of the present work, however it ought to be addressed in an overall retrofitting design, as it may eventually control the rotation capacity and strength of the retrofitted structural component.