Engineered Cementitious Composites for the Conservation of 20th Century Concrete Architectural Heritage

Abstract

Από τη δεκαετία του 1930, όπου για πρώτη φορά χρησιμοποιήθηκε το οπλισμένο σκυρόδεμα στην Κύπρο, ένα πλήθος κτιρίων με σημαντική ιστορική, πολιτιστική, αισθητική, αρχιτεκτονική και κοινωνική αξία έχουν κατασκευαστεί στο νησί. Η έλλειψη γνώσης για τη μηχανική συμπεριφορά του οπλισμένου σκυροδέματος κατά την εποχή της κατασκευής τους, και η έλλειψη κανονισμών σχεδιασμού και νομοθετικών ρυθμίσεων, οδήγησε σε κατασκευές που είναι με τις σημερινές γνώσεις ανεπαρκώς σχεδιασμένες, με υπο-οπλισμένα δομικά μέλη (υποστυλώματα και δοκάρια). Επιπλέον, η περιορισμένη γνώση της τότε εποχής για τη σεισμική συμπεριφορά των κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος και η ανύπαρκτη νομοθεσία για τον αντισεισμικό σχεδιασμό τους, είχε ως αποτέλεσμα να προκληθούν σοβαρές ζημιές σε πολλά ιστορικά κτίρια από σκυρόδεμα κατά τη διάρκεια παλαιότερων σεισμών. Η παρούσα μελέτη εξετάζει τη χρήση ινοπλισμένου (ενισχυμένου με μικρού μήκους ασυνεχείς ίνες) τσιμεντοκονιάματος, με ικανότητα κράτυνσης σε εφελκυσμό (Strain Hardening Cementitious Composites – SHCC), για την επισκευή και ενίσχυση ιστορικών υποστυλωμάτων σκυροδέματος με δεδομένα που λήφθηκαν από ένα διατηρητέο κτίριο που βρίσκεται στην Κύπρο, συγκεκριμένα την Έπαυλη του Διευθυντή του Ινστιτούτου Μελκονιάν. Αυτή η μελέτη υιοθετεί πειραματική διερεύνηση για να εξετάσει τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων που μπορεί να επιφέρει η ενίσχυση με μανδύα με SHCC σε ένα λεπτό πάχος στρώσης γύρω από χαμηλής αντοχής σκυρόδεμα. Από την ανάλυση συμπεραίνεται ότι η ενίσχυση υποστυλωμάτων με το προτεινόμενο SHCC σε μικρό πάχος υλικού οδηγεί σε αύξηση της αντοχής του περισφιγμένου σκυροδέματος της τάξης του 100%, ενώ η αύξηση της αντοχής του δομικού μέλους φτάνει μέχρι και 200% της αρχικής θλιπτικής αντοχής. Επιπλέον, παρέχονται απλές εξισώσεις και διαγράμματα για τη διευκόλυνση του σχεδιασμού μελλοντικών περιπτώσεων ενίσχυσης τυπικών κυκλικών υποστυλωμάτων.

Since the 1930s, when reinforced concrete was first introduced in Cyprus, a number of buildings with significant historical, cultural, aesthetic, architectural and social values have been constructed on the island. The lack of knowledge regarding reinforced concrete mechanics at the time these buildings were built led to under-detailed columns and beams. Furthermore, the lack of building codes at the time signifies the lack of any seismic resistance detailing, which led to severe damages in many historic concrete buildings during past seismic events. This thesis explores the use of novel Engineering (Fiber Reinforced) Cementitious Composites, with strain hardening abilities in tension (SHCC), for the repair and strengthening of a sub-standard reinforced concrete historic structure in Cyprus, specifically the Melkonian Institute Headmaster’s Mansion. The study adopts experimental investigation to assess the improvement of the mechanical properties of low strength concrete columns following jacketing with a thin layer of SHCC. The study concludes that the use of the thin jacketing of columns, with the proposed SHCC, can result in 100% increase in compressive strength of the confined concrete and 200% increase in the full member’s compressive strength. Finally, simple equations and diagrams are provided to facilitate future retrofitting designs of circular columns.