Ενισχύσεις δομικών κατασκευών

Ινοπλισμένα πολυμερή – Σύνθετα υλικά (Fiber Reinforced Polymer Composites)

Τα σύνθετα υλικά τοποθετούνται στις επιφάνειες των δομικών στοιχείων και αποτελούν ένα είδος μόνιμου εξωτερικού τους οπλισμού. Η σύνδεση και η συνεργασία των διαφορετικών υλικών επιτυγχάνεται μέσω εποξειδικών ρητινών. Η χρήση τους αποτελεί σήμερα μία δημοφιλή τεχνική ενίσχυσης λόγω της ευκολίας εφαρμογής τους.
Τα ινοπλισμένα πολυμερή διακρίνονται σε :
1. Υφάσματα, ράβδους και ελάσματα ινών άνθρακα.
2. Υφάσματα ινών υάλου.
3. Υφάσματα ινών πολυαραμίδης (Kevlar)
Η επιλογή ενός εκ των ανωτέρω κατηγοριών εξαρτάται από το είδος της ενίσχυσης που θέλουμε να επιτύχουμε αλλά και από τις περιβαλλοντολογικές συνθήκες εφαρμογής.

Εφαρμογή ανθρακοϋφάσματος

Χρήσεις σύνθετων υλικών

• Ενίσχυση υποστυλωμάτων με επιβολή εξωτερικής περίσφιγξης και αύξηση πλαστιμότητας.
Η αύξηση της πλαστιμότητας επιτυγχάνεται μέσω της τριαξονικής θλίψης που αναπτύσσεται στο στοιχείο προς ενίσχυση με περίσφιγξη από μανδύα ινοπλισμένου πολυμερούς. Ως αποτέλεσμα έχουμε και αύξηση της θλιπτικής αντοχής του σκυροδέματος.
• Αύξηση αντοχής σε τέμνουσα
Σε αντιστοιχία με το συμβατικό οπλισμό διάτμησης, τοποθετούνται επικολλητά φύλλα ινοπλισμένων πολυμερών στο στοιχείο προς ενίσχυση τα οποία μπορούν να παραλάβουν τέμνουσα δύναμη. Η μορφή των σύνθετων υλικών μπορεί να έχουν μορφή είτε ολόσωμου μανδύα είτε μορφή μανδυών περιορισμένου ύψους (κολάρα).
• Αύξηση αντοχής σε κάμψη
Για την ενίσχυση κυρίως πλακών και δοκών οπλισμένου σκυροδέματος σε κάμψη, χρησιμοποιούμε επικολλητά φύλλα από ινοπλισμένα πολυμερή. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δωθεί κατά τη κατασκευή στην αγκύρωση του σύνθετου υλικού και στην ευθυγράμμιση των ινών του.
• Ενίσχυση σε κρούση.
Στην επίδραση της κρούσης, καλύτερη συμπεριφορά παρουσιάζει το σύνθετο υλικό με ίνες πολυαραμίδης και εφαρμόζονται σε υποστυλώματα και βάθρα γεφυρών.


Gunite - Εκτοξευόμενο σκυρόδεμα

Το εκτοξευόμενο σκυρόδεμα (sprayed concrete ή shotcrete ή gunite) που χρησιμοποιείται σε έργα ενισχύσεων είναι σκυρόδεμα λεπτής διαβάθμισης αδρανών το οποίο σκυροδετείται με εκτόξευση. Η εφαρμογή του απαιτεί ειδικό εξοπλισμό και κατάλληλα εκπαιδευμένο προσωπικό. Στα παρακάτω τέσσερα χαρακτηριστικά οφείλεται η διαδεδομένη χρήση του σε έργα επεμβάσεων:

Τοποθέτηση σιδηρού οπλισμού

1. Το εκτοξευόμενο σκυρόδεμα έχει υψηλή θλιπτική αντοχή επειδή ο συντελεστής Ν/Τ είναι χαμηλός και εξαιτίας της μεγάλης ταχύτητας εκτόξευσης η οποία επιφέρει ιδιαίτερα υψηλή συμπύκνωση.
2. Η πρόσφυση με το υφιστάμενο στοιχείο είναι ιδιαίτερα υψηλή λόγω της μεγάλης ταχύτητας εκτόξευσης.
3. Δεν απαιτούνται ξυλότυποι για τη στήριξη του, καθώς το εκτοξευόμενο σκυρόδεμα αυτοστηρίζεται.
4. Η σκυροδέτηση μπορεί να πραγματοποιηθεί σε δυσπρόσιτες θέσεις αφού η εγκατάσταση είναι κινητή.
Οι συνήθεις μέθοδοι παραγωγής είναι η ξηρά και η υγρή μέθοδος. Σε επεμβάσεις ενισχύσεων εφαρμόζεται κυρίως η ξηρά μέθοδος εφόσον αυτή πλεονεκτεί έναντι της υγρής σε κλειστούς χώρους.

Εκτόξευση σκυροδέματος με τη ξηρά μέθοδο

Επικόλληση μεταλλικών ελασμάτων και νέα μεταλλικά στοιχεία


Η προσθήκη νέων μεταλλικών μελών αποτελεί οικονομική και ιδιαίτερα αποδοτική μέθοδο ενίσχυσης δοκών και πλακών από οπλισμένο σκυρόδεμα. Το προφανές πλεονέκτημα είναι η μείωση των ανοιγμάτων, η δημιουργία νέων σύμμικτων διατομών μεγαλύτερης αντοχής από τις υφιστάμενες και η επιλογή ενεργητικής ή παθητικής προσέγγισης της ενίσχυσης.

Προσθήκη συνδέσμων δυσκαμψίας σε πλαίσιο

Μεταλλικά ελάσματα

Σε περιπτώσεις ενίσχυσης σε κάμψη ή διάτμηση δοκών από οπλισμένο σκυρόδεμα τοποθετούνται στο κάτω πέλμα ή στις παρειές της δοκού αντίστοιχα επικολλητά ελάσματα χάλυβα πάχους από 1mm έως 5mm. Τα ελάσματα αυτά συνεργάζονται με την υφιστάμενη δοκό μέσω βλήτρων, κοχλιών, χημικών αγκυρίων, εποξειδικής ρητίνης ή συνδυασμό αυτών δημιουργώντας μία νέα ισχυρότερη και πιο άκαμπτη σύμμεικτη διατομή.
Σε υποστυλώματα αντίστοιχα, με τη μέθοδο των επικολλητών ελασμάτων μπορούμε να πετύχουμε αύξηση αντοχής σε κάμψη και τέμνουσα, αντίσταση σε κάμψη και ενίσχυση με περίσφιγξη ενεργητική ή παθητική. Διαφορετικές μέθοδοι ενίσχυσης υποστυλωμάτων είναι η επικόλληση ολόκληρων φύλλων χάλυβα και η μέθοδος του μεταλλικού κλωβού.

Καμπτική ενίσχυση πλάκας με μεταλλικά ελάσματα

 

Ρητινενέσεις

Η χρήση των εποξειδικών ρητινών είναι ιδιαίτερα αυξημένη στις επεμβάσεις κυρίως για την αποκατάσταση ρωγμών αλλά και για άλλες εφαρμογές. Η τεχνική της ρητινένεσης απαντάται κυρίως στον φέροντα οργανισμό κατασκευών από σκυρόδεμα και στις τοιχοποιίες. Στοχεύει στην επανάκτηση της αρχικής φέρουσας ικανότητας ρηγματωμένων φορέων καθώς και της ακαμψίας τους. Συνιστάται για την προστασία κατά της διάβρωσης του οπλισμού, τη δημιουργία ανθεκτικής σύνδεσης τμημάτων σκυροδέματος και για τη στεγανοποίηση.
Τα βασικά πλεονεκτήματα της τεχνικής εισπίεσης εποξειδικών ρητινών είναι:
- Ως υλικό οι εποξειδικές ρητίνες έχουν αντοχή 5~10 φορές μεγαλύτερη από το σκυρόδεμα σε θλίψη και 2~6 φορές σε εφελκυσμό.
- Η πρόσφυση με το σκυρόδεμα και το χάλυβα είναι υψηλή.
- Παρουσιάζουν μικρή συστολή ξήρανσης και μικρό βαθμό ερπυσμού.
- Έχουν μεγάλη συγκολλητική ικανότητα.
- Είναι υλικό με χαμηλό ιξώδες, γεγονός που επιτρέπει την εισχώρηση σε όλο το βάθος της ρωγμής.
- Μικρή έως καθόλου μείωση της συνάφειας με τη πάροδο του χρόνου και εξαιρετική ανθεκτικότητα σε περιβαλλοντικές προσβολές.
- Δεν παρουσιάζουν γήρανση.
- Δεν επηρεάζουν τις διαστάσεις των στοιχείων προς εφαρμογή.
Θα πρέπει να αναφερθεί ότι για τη κατάλληλη επιλογή εποξειδικής ρητίνης θα πρέπει να εκτιμηθούν οι ιδιότητές της ανάλογα με την εφαρμογή στην οποία προορίζεται όπως το ιξώδες, το μέτρο ελαστικότητας και ο χρόνος πήξης.

Εισπίεση εποξειδικής ρητίνης

Αποκατάσταση διατομής και μηχανικών χαρακτηριστικών μελών από οπλισμένο σκυρόδεμα

Η διαδικασία επισκευής ενός στοιχείου έχει ως στόχο την αποκατάσταση των αρχικών του μηχανικών χαρακτηριστικών που είχε πριν υποστεί τις βλάβες. Οι εργασίες που πραγματοποιούνται πραγματοποιούν πλήρη αποκατάσταση της διατομής του στοιχείου αλλά και επαναφορά της ακαμψίας του.
Η επιλογή της μεθόδου επισκευής εξαρτάται από το βαθμό της βλάβης που έχει υποστεί το δομικό στοιχείο
Σε περίπτωση ελαφρών βλαβών η επισκευή γίνεται με συγκόλληση των ρωγμών εισπίεζοντας εποξειδική ρητίνη κατάλληλων-συμβατών ηλεκτροχημικών και μηχανικών χαρακτηριστικών με το υφιστάμενο μέλος. Εάν επιπλέον της ρηγμάτωσης παρατηρείται επιφανειακή αποσάθρωση ή και αποφλοίωση του σκυροδέματος χωρίς όμως την αποδιοργάνωση του πυρήνα του μέλους, η βλάβη αποκαθιστάται με χρήση επισκευαστικού κονιάματος και χρήση αναστολέας διάβρωσης. Σε κάθε περίπτωση θα πρέπει να ελεγxθεί η κατάσταση του οπλισμού του στοιχείου και να ληφθούν τα απαραίτητα μέτρα αναστολής του φαινομένου της διάβρωσης.
Σε όλες τις περιπτώσεις αποκατάστασης πρέπει να τηρείται το ΕΝ 1504, Ευρωπαϊκή οδηγία.

Αποκατάσταση διατομής δοκού

 Τσιμεντενέσεις

Οι τσιμεντενέσεις χρησιμεύουν για την πλήρωση ρωγμών σε κτήρια από φέρουσα τοιχοποιία και λιθοδομή ή για τη βελτίωση των μηχανικών χαρακτηριστικών και τη στεγανοποίηση ενός εδαφικού ή βραχώδους σχηματισμού.
Για την σφράγιση των ρωγμών χρησιμοποιείται ισχυρή τσιμεντοκονία και στη συνέχεια εισπιέζεται το τσιμεντένεμα μέσα από τεμάχια πλαστικού σωλήνα που προσαρμόζονται σε οπές που έχουν ανοιχτεί από πριν σε περίπτωση τοιχοποιίας ή μέσω χαλύβδινων ακροφυσίων (packers) για τη περίπτωση βελτίωσης των εδαφικών σχηματισμών.
Η αναλογία της σύνθεσης του μίγματος ξεκινάει από αναλογία 1:1 κατά βάρος νερού και τσιμέντου. Κατά περίπτωση και ανάλογα τις συνθήκες και τη στατική μελέτη προστίθονται πρόσμικτα όπως θηραϊκή γη, διάλυμα άσβεστου, επιβραδυντικό ή επιταχυντικό πήξεως, αντισυρρικνωτικό, κλπ. Η μέθοδος των τσιμεντενέσεων μπορεί να εφαρμοστεί για τις παρακάτω κατηγορίες έργων:
• Στεγανοποίηση θεμελίωσης φραγμάτων.
• Σταθεροποίηση και στεγανοποίηση πυθμένα και πρανών βαθιών εκσκαφών.
• Σταθεροποίηση σηράγγων και θεμελιώσεων κτηρίων.
• Τσιμεντενέσεις ομογενοποίησης μάζας τοιχοποιίας.
• Τσιμεντενέσεις πλήρωσης ρωγμών.
• Τσιμεντενέσεις στεγανοποίησης κι ενίσχυσης εδαφών.
• Τσιμεντενέσεις πάκτωσης αγκυρίων.

Τσιμεντενέσεις ομογενοποίησης λιθοδομής

Βλήτρα - Ριζοπλισμοί - Αγκύρια

Ριζοπλισμοί
Η αρχή της χρήσης μεταλλικών στοιχείων σε κατασκευές από φέροντα οργανισμό από φυσικά λιθοσώματα έγινε από τους αρχαίους Έλληνες, οι οποίοι χρησιμοποιούσαν μεταλλικούς συνδέσμους για να ενώσουν τα λιθοσώματα μεταξύ τους τόσο σε οριζόντια όσο και κατακόρυφη διεύθυνση. Όμως αυτή η τεχνική αφορούσε την φάση της κατασκευής του κτίσματος.
Επινοητής της μεθόδου εισαγωγής κοντών χαλύβδινων ράβδου με σκοπό την ενίσχυση και επισκευή υφιστάμενων κατασκευών από φέρουσα τοιχοποιία υπήρξε ο Ιταλός F.Lizzi περί το 1950. Η τεχνική αυτή εφαρμόσθηκε για να «δέσει» δυνατά με αδύναμα σημεία της τοιχοποιίας και να αυξήσει την θλιπτική, εφελκυστική και διατμητική αντοχή της τοιχοποιίας. Εν ολίγοις, τοποθετώντας χαλύβδινες ράβδους στο εσωτερικό της τοιχοποιίας της προσδίδουμε καλύτερες ιδιότητες με τα οφέλη που συνοδεύουν τον χάλυβα.

Η μέθοδος της ενίσχυσης με ριζοπλισμούς βρίσκει εφαρμογή σε πληθώρα κατασκευών από φέρουσα τοιχοποιία. Οι συχνότερες περιπτώσεις είναι οι εξής:
• ενίσχυση πεσσών σε γέφυρες που έχουν ρηγματωθεί λόγω διαφορικών καθιζήσεων.
• ενίσχυση πεσσών σε παλαιές γέφυρες επειδή έχουν αυξηθεί τα κινητά φορτία για τα οποία έχουν μελετηθεί και κατασκευασθεί.
• σταθεροποίηση αψίδων, που έχουν υποστεί παραμορφώσεις.
• ενίσχυση υπογείων στοών, όπου το έδαφος έχει υποστεί καθίζηση ή μετακίνηση.
• ενίσχυση ασθενούς τοιχοποιίας σε περιοχές που εφαρμόζονται πλάκες αγκύρωσης τενόντων (προεντεταμένη τοιχοποιία ή ενίσχυση με ελκυστήρες).
• σύνδεση τμημάτων κατασκευών όπως αψίδες με τα ανώτερα τμήματα του τοίχου.
• ενδυνάμωση του σώματος του φέροντα οργανισμού και σύνδεση των σαθρών με τα δυνατά τμήματα της τοιχοποιίας.
• δημιουργία υψίκορμων δοκών.

Η μέθοδος έγκειται στην κατασκευή ενός δικτύου οπών στο σώμα της τοιχοποιίας στις οποίες τοποθετούνται ράβδοι οπλισμού. Στη συνέχεια γίνεται η πλήρωση των οπών αυτών με ένεμα. Η μέθοδος ενδείκνυται στις περιπτώσεις παλαιών λιθοδομών μεγάλου πάχους για επεμβάσεις τοπικού ή καθολικού χαρακτήρα. Το αποτέλεσμα είναι η αύξηση της θλιπτικής και διατμητικής αντοχής της τοιχοποιίας ανάλογα με την πυκνότητα τοποθέτησης και τη διάμετρο
των ριζοπλισμών. Βασικό μειονέκτημα της μεθόδου είναι η αλλοίωση της δομής της τοιχοποιίας κατά τρόπο μη αναστρέψιμο, ιδιαίτερα στις περιπτώσεις εφαρμογής σε μνημεία.

Κατασκευή και τοποθέτηση ριζοοπλισμών με εποξειδική ρητίνη

Βλήτρα και αγκύρια

Ως βλήτρα χαρακτηρίζονται οι μεταλλικοί σύνδεσμοι, όταν αυτοι καταπονούνται με διατμητικό φορτίο, ενώ ως αγκύρια όταν η εξωτερική φόρτιση είναι αξονική. Προφανώς όταν ένας μεταλλικός σύνδεσμος καταπονείται αξονικά και διατμητικά τότε δρα ως αγκύριο και βλήτρο ταυτόχρονα.

Είδη βλήτρων και αγκυρίων

α) Κατακόρυφα βλήτρα προς τα κάτω:
Κυρίως σε πέδιλα ή συγκόλληση αναμονής υποστυλώματος Χρησιμοποιείται λεπτόρρευστη ρητίνη χαμηλού ιξώδους για την πλήρωση του κενού. Σε πέδιλα κυρίως παλαιών οικοδομών μπορεί να υπάρχει λόγω κακής συμπύκνωσης διαρροή στα κενά. Επαναλαμβάνεται η εργασία με μεγαλύτερο ιξώδες αν χρειαστεί, μέχρι να γεμίσει πλήρως η οπή.

β) Οριζόντια βλήτρα:
Κυρίως σε υποστυλώματα – δοκούς – τοιχεία. Εδώ χρησιμοποιείται ρητίνη με αρκετά μεγάλο ιξώδες και γεμίζεται η οπή με πιστόλι χειρός, πριν τοποθετηθεί το βλήτρο. Έπειτα, σε ορισμένες περιπτώσεις, ακολουθεί επάλειψη του τμήματος του βλήτρου που θα εισέλθει στο σκυρόδεμα και η τοποθέτησή του. Σε ειδικές περιπτώσεις μπορεί να σφραγιστεί με ρητινόστοκο και να πρεσαριστεί ενέσιμη ρητίνη με δύο στόμια κάτω και πάνω, ώστε να επιτευχθεί 100% πλήρωση του κενού βλήτρου και της οπής. Αυτή η περίπτωση αν και αποτελεί πρόταση με μεγάλο κόστος, τα αποτελέσματα είναι σίγουρα.

γ) Κατακόρυφα βλήτρα οροφής:
Συνήθως χρησιμοποιούνται σε ενίσχυση πλακών. Επειδή εκεί συνήθως γίνεται διαμπερής διάτρηση, σφραγίζουμε από κάτω με ρητινόστοκο και ρίχνουμε από το πάνω μέρος της πλάκας ρητίνη μικρού ιξώδους. Σε άλλες περιπτώσεις, που δεν μπορούμε να διαπεράσουμε από κάτω, όπως π.χ. σε δοκούς, χρησιμοποιούμε ρητίνη μεγάλου ιξώδους και εφαρμόζουμε τη μέθοδο των οριζόντιων βλήτρων. Είναι πάντα απαραίτητο να γίνεται σχολαστικός καθαρισμός των οπών με αέρα υπό πίεση και μεταλλικό βουρτσάκι ανάλογης διαμέτρου ώστε να απομακρυνθεί η σκόνη που δημιουργήθηκε κατά τη διάτρηση. Επίσης προσπάθεια πρέπει να καταβληθεί ώστε πληρωθεί όσο το δυνατόν καλύτερα το κενό οπής και βλήτρου.

Τοποθετημένα βλήτρα σε έργο ενίσχυσης οχετού

Οι πιθανοί τρόποι αστοχίας ενός βλήτρου είναι τρεις και αναλύονται παρακάτω:

Α) Πρώτος τύπος. Υπάρχει αστοχία στο βλήτρο στην περιοχή της διεπιφάνειας
Β) Δεύτερος τύπος. Αστοχία σκυροδέματος από διάτμηση στο περιβάλλον του βλήτρου.
Γ) Τρίτος τύπος. Αστοχία με τη μορφή απόσχισης πλευρικού κώνου.

Παράγοντες που εππηρεάζουν την αντοχή ενός βλήτρου είναι:

• Η διάμετρος του βλήτρου.
• Η επικάλυψη σκυροδέματος στη σιεύθυνση του διατμητικού φορτίου.
• Η αντοχή του σκυροδέματος.
• Το όριο διαρροής του χάλυβα.
• Το μήκος αγκύρωσης του βλήτρου.
• Η ρηγμάτωση του σκυροδέματος και η ύπαρξη οπλισμού.
• Η ανακύκλιση της φόρτισης.
• Η γωνία κλίσης του βλήτρου ως προς τη διεπιφάνειας.

Δοκιμές εξόλκευσης βλήτρων