Συμπεριφορά κατασκευών υπό τυχηματικές δράσεις και επισκευή με προηγμένα υλικά και τεχνολογίες

Abstract

Οι υφιστάμενες κατασκευές δεν είναι διαστασιολογημένες έναντι τυχηματικών δράσεων. Ο όρος τυχηματικές δράσεις αφορά φορτία από μη αναμενόμενο αίτιο όπως εκρήξεις, κρουστικά φορτία από βλήματα κτλ., τα οποία δεν προβλέπονται από τους υφιστάμενους κανονισμούς καθώς δεν έχει μελετηθεί πλήρως η σχετική απόκριση των δομικών υλικών. Η παρούσα έρευνα φιλοδοξεί να συμβάλει στην διασφάλιση της απαιτούμενης αντίστασης υφιστάμενων ή νέων κατασκευών έναντι κρουστικού φορτίου από πυροβόλο όπλο. Ειδικά σε περιπτώσεις κτηρίων μείζονος κοινωνικής σημασίας (πχ νοσοκομεία, καταφύγια, στρατόπεδα κτλ.), είναι επιβεβλημένη η προστασία έναντι της κρούσης από σφαίρα πυροβόλου όπλου. Αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής αποτελεί η μελέτη του κρουστικού φορτίου από βλήμα πυροβόλου όπλου, η απόκριση των κατασκευών σε αυτές και η διερεύνηση/ βελτιστοποίηση των απαιτούμενων μηχανικών χαρακτηριστικών ενός Ινοπλισμένου Σκυροδέματος Υπερυψηλής Επιτελεστικότητας (UHPFRC) για την κατασκευή στοιχείων επικαλύψεως. Εξέταση των μιγμάτων UHPFRC έναντι κρούσης από πυροβόλο όπλο και η εύρεση μικρών διαστάσεων προκατασκευασμένων στοιχείων, στα οποία περιορίζεται ο θρυμματισμός και αποφεύγεται η διάτρηση, για την εφαρμογή σε νέες κατασκευές αλλά και σε υφιστάμενες ως υλικό ενίσχυσης. Τα στοιχεία πρωτοτυπίας της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής περιληπτικά είναι: i. εξετάσθηκαν μίγματα UHPFRC με ποσοστό μεταλλικών ινών έως και 6% κ. ο. και με συνδυασμό διαφορετικού μήκους ινών, ii. παρουσιάζονται πλήρεις καμπύλες τάσεων-παραμορφώσεων για όλα τα μίγματα από τις δοκιμές μονοαξονικής θλίψης, μονοαξονικού άμεσου και έμμεσου εφελκυσμού, iii. εύρεση του μέτρου ελαστικότητας και του λόγου Poisson από τις δοκιμές άμεσου εφελκυσμού, iv. επιβολή κρουστικού φορτίου με πραγματικά πυρά από πυροβόλο όπλο σε πλάκες UHPFRC και v. αξιοποίηση των μηχανικών χαρακτηριστικών που υπολογίστηκαν σε καταστατικό μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων του λογισμικού Abaqus. Με βάση την βιβλιογραφία, το βέλτιστο μίγμα απαιτείται να έχει υψηλή αντοχή και πλαστιμότητα. Πραγματοποιήθηκε εκτενής πειραματική διερεύνηση και μελετήθηκε η επιρροή παραμέτρων που αφορούν τη σύνθεση του εν λόγω υλικού, με στόχο την πλήρη περιγραφή των μηχανικών χαρακτηριστικών του και την επιλογή του βέλτιστου σχεδιασμού. Συγκεκριμένα, παρασκευάστηκαν συνθέσεις μιγμάτων UHPFRC με διαφοροποιήσεις στην ποσότητα του ρευστοποιητή, στην ποσότητα του νερού καθώς και στην ποσότητα και στο μήκος των μεταλλικών ινών. Παρουσιάζονται, πλήρεις καμπύλες τάσεων-παραμορφώσεων για όλες τις συνθέσεις από τις δοκιμές μονοαξονικής θλίψης, μονοαξονικού άμεσου και έμμεσου εφελκυσμού. Μετρήθηκε το μέτρο ελαστικότητας και ο λόγος Poisson από τις δοκιμές μονοαξονικής θλίψης και άμεσου εφελκυσμού. Η αξιοποίηση των πειραματικών αποτελεσμάτων οδήγησε στην επιλογή βέλτιστης σύνθεσης UHPFRC με τα απαιτούμενα μηχανικά χαρακτηριστικά για την καλύτερη απόκριση σε κρουστικό φορτίο. Επιπλέον, από τις επικρατέστερες συνθέσεις σκυροδετήθηκαν προκατασκευασμένες πλάκες, διαστάσεων 200x200mm και πάχους 15, 30, 50 και 70mm και εξετάστηκαν σε πραγματικά πυρά πυροβόλου όπλου σε πεδίο βολής. Αξιολογήθηκε η επιρροή των παραμέτρων που διαφοροποιήθηκαν στη σύνθεση στο βάθος διείσδυσης, στην απώλεια όγκου και στην διάμετρο κρατήρα. Εντοπίστηκε το μικρότερο πάχος, για την κάθε σύνθεση, για το οποίο δεν πραγματοποιήθηκε διάτρηση. Έγινε κατάταξη των πλακών, από όλες τις συνθέσεις, ανά τύπο αστοχίας και συσχετίστηκε η θλιπτική αντοχή κύβων με το βάθος διείσδυσης. Τέλος, έγινε προσομοίωση της δοκιμής κάμψης τριών σημείων του βέλτιστου UHPFRC με καταστατικό μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων του λογισμικού Abaqus. Από την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων προκύπτει ότι η θλιπτική και εφελκυστική αντοχή του UHPFRC (α) αυξάνονται με την προσθήκη ινών και την αύξηση του ποσοστού των ινών, (β) μειώνονται με την αύξηση της ποσότητας νερού και (γ) αυξάνονται με την αύξηση ρευστοποιητή. Όσον αφορά στην παραμορφωσιμότητα του UHPFRC, αυτή βελτιώνεται με την αύξηση της ποσότητας του ρευστοποιητή και με την αντικατάσταση μικρού μήκους ινών με μεγάλου μήκους, ενώ με την αύξηση του νερού μειώνεται. Η δυσθραυστότητα του υλικού βελτιώνεται με την μείωση του νερού στο μίγμα και με την προσθήκη μεταλλικών ινών. Το βέλτιστο μίγμα Ινοπλισμένου Σκυροδέματος Υπερυψηλής Επιτελεστικότητας που επιλέχθηκε παρουσιάζει διάτρηση μόνο σε πλάκες 15mm πάχους. Μπορούν να κατασκευαστούν προκατασκευασμένες μικρές κατασκευές (π.χ. κουβούκλια φρουρών) ή ακόμη να κατασκευαστούν μικρού μεγέθους πλάκες και να τοποθετηθούν με μεταλλικό σκελετό σε υφιστάμενα ή νέα κτήρια ως ενίσχυση. Η δυνατότητα του υλικού να μην παρουσιάζει διάτρηση σε μικρά πάχη επιτρέπει την εφαρμογή του για προστασία κτηρίων έναντι τρομοκρατικών επιθέσεων.

Existing structures are not designed to withstand impact loading. The term impact loading refers to loads from unexpected causes like explosions, impact loading from bullets etc., for which there is no provision from existing codes because the relevant strength of the building materials has not been studied thoroughly. This study aims to contribute to the upgrade of existing and new structures to ensure that they have the required resistance from firearms. Especially in cases of buildings of great importance for the society (i.e., hospitals, military camps, airports etc.) the protection from the impact of firearms becomes a necessity. The subject of this dissertation thesis is the study of the impact load from a projectile impact, the response of structures to such load and the examination / optimization of the required mechanical characteristics of Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC). UHPFRC mixtures are examined against impact load from a projectile impact to determine small dimensioned prefabricated slabs, on which the formation of brittles is minimized and perforation is avoided, for use on new constructions as well as existing ones as a reinforcement material. The novelty items of this dissertation thesis in summary are: i. Mixtures of UHPFRC with percentage of steel fibers up to 6% per volume, combined with different length of fibers. ii. Full stress–strain curves from compression, direct tension, and flexural tests were obtained and presented iii. Measurements of the modulus of elasticity and Poisson’s ratio from direct tension test iv. Slabs of UHPFRC were produced and subjected to real shotgun fire in the field v. A numerical simulation was developed with Abaqus, using the mechanical properties of the UHPFRC with the best-performed mixture. According to literature, the best performing mixture must achieve high strength and ductile behaviour. An extensive experimental investigation was conducted and the influence of parameters regarding the mix design were examined in order to thoroughly describe the mechanical properties of an UHPFRC that provides optimal resistance to projectile impact. Specifically, fourteen different mixtures were produced and tested: four mixtures of Ultra-High-Performance Concrete (UHPC), nine mixtures of UHPFRC and one High Strength Concrete (HSC). The different mixtures of UHPC and UHPFRC were composed by changing the amount and length of the steel fibres, the quantity of the superplasticizer, and the water to binder (w/b) ratio. The compressive strength, direct tensile strength, flexural tensile strength, modulus of elasticity, and Poisson’s ratio from compression and direct tension were measured. Also, full stress–strain curves from compression, direct tension, and flexural tests were obtained to examine the influence of the above parameters on the mechanical properties. Based on the test results the optimum UHPFRC best suitable for impact loading was chosen. Moreover, the mixtures with the best characteristics were used to produce slabs with dimensions: 200x200mm and thickness of 15, 30, 50 and 70mm. These were tested under projectile impact. The penetration depth and material volume loss were measured and the failure mechanisms were investigated in order to find the minimum thickness which prevents perforation from occurring. Finally, the concrete damage plasticity model in ABAQUS was used for the numerical simulation of a three-point flexure test using the material properties obtained from this research. Based on the test results, the mixture with high volume (6%) and a combination of two lengths of steel fibres (3% each), water to binder ratio of 0.16% and 6.1% of superplasticizer to binder ratio exhibited the best mechanical characteristics and the best resistance to projectile impact loading. Only the 15 mm thickness slabs suffered perforation under projectile impact. This material can be used as an overlay surface placed on steel frames which can be attached to existing walls or to construct small precast guardrooms to provide protection from terrorist attacks.