| Abstract (croatian) | Približno 70 % svih zgrada na svijetu čine različite vrste zidanih zgrada prema Yavartanoo i Kang [1]. Vlačna čvrstoća kod takvih građevina prilično je mala, što ih čini ranjivima na horizontalna djelovanja, posebno potrese. Sukladno tome, procjena stanja i pojačanje postojećih zidanih građevina moraju se provoditi na visokoj razini. Metode pojačanja postojećih zidanih građevina mogu se podijeliti na tradicionalne i suvremene metode temeljene na upotrebi kompozitnih materijala. Vrhunac tehnologije u području suvremenih metoda su tkaninom armirane cementne matrice (Fabric-Reinforced Cementitious Matrix ili FRCM). FRCM sustavi se sastoje od jednog ili većeg broja slojeva mrežica utisnutih u cementnu matricu. Mrežice su najčešće staklene ili ugljične. Osnovni zadatak FRCM sustava je povećanje posmične nosivosti u ravnini te povećanje duktilnosti nepojačanog zida, a imaju i niz drugih prednosti. Moguće ih je koristiti i kod zidova od opeke i kod kamenih zidova, ugradnja je jednostavna i oni usporavaju propadanje zidanih građevina u agresivnim okolišima. Što se same ugradnje tiče, FRCM sustavi se najčešće postavljaju samo sa jedne strane zida pošto je postavljanje sa više strana teško ostvarivo (iseljavanje stanara, uklanjanje prozora itd.). U ovom radu predstavljen je poboljšani koncept jednostrano postavljenog FRCM sustava s inovativnim detaljima stezanja sa strane zida. Osnovni cilj je povećati duktilnost i posmičnu nosivost zidova u usporedbi s, prvo, nepojačanim zidovima, i, drugo, zidovima pojačanim tipičnim jednostrano postavljenim FRCM sustavom. Svaka vrsta zida ima po tri uzorka, a svaka vrsta bit će eksperimentalno i numerički istražena te će sve vrste zidova bit uspoređene. U skladu s navedenim ciljevima predložene su sljedeće hipoteze:
H1: Povećanje duktilnosti zidova od opeke pojačanih novim rasporedom FRCM sustava s inovativnim detaljima stezanja veće je od povećanja duktilnosti zidova od opeke pojačanih standardnim jednostranim FRCM sustavom.
H2: Povećanje posmične nosivosti zidova od opeke pojačanih novim rasporedom FRCM sustava s inovativnim detaljima stezanja veće je od povećanja posmične nosivosti zidova od opeke pojačanih standardnim jednostranim FRCM sustavom.
2. Pregled stanja područja
Ponašanje FRCM sustava ovisi o međudjelovanju između pojedinačnih ili višestrukih mreža i cementne matrice unutar koje se nalaze. Uz to, ponašanje sustava ovisi i o interakciji između čitavog sustava i zidanog elementa. Pojedinačno, cementna matrica i mreže imaju svoje zasebne uloge. Cementa matrica omogućava postavljanje mreža i zaštitu od djelovanja iz okoline. Mreže karakteriziraju vrlo visoka vlačna čvrstoća i krutost duž smjera pružanja vlakana, što je glavni cilj korištenja ovog sustava pojačanja. Vlakna u mrežama apsorbiraju većinu vlačnog djelovanja, dok u samoj matrici može doći do stvaranja pukotina. Prema Parisi et al. [44], to ne predstavlja problem. Ponašanje čitavog FRCM sustava opterećenog vlačnim djelovanjem može se podijeliti u tri faze prema Carozzi i Poggi [45]. U prvoj fazi ne dolazi do formiranja pukotina i čitav FRCM sustav se ponaša kao kompozitni materijal u kojem krutost uzorka određuju svojstva cemente matrice. U drugoj fazi dolazi do prvih pukotina u cementnoj matrici i smanjenja krutosti. U trećoj fazi dolazi do širenja pukotina te vlakna u mrežama preuzimaju cijelo vlačno djelovanje. Nakon toga dolazi do otkazivanja čitavog sustava. Osnovni zadatak FRCM sustava je povećanje posmične nosivosti i duktilnosti nepojačanih zidova opterećenih horizontalnim djelovanjima. Prema Celano et al. [47] zidovi mogu imati tri oblika otkazivanja tj. sloma: otkazivanje savijanjem, dijagonalni slom i slom klizanjem. Najčešći oblik otkazivanja je dijagonalni slom [47] te će se on pokušati spriječiti u ovom radu. Kako bi se to i ostvarilo, FRCM sustav mora biti postavljen na odgovarajući način i nekoliko stvari treba uzeti u obzir prilikom definiranja samog sustava. Proračun i dimenzioniranje FRCM sustava provodi se prema talijanskim CNR normama [51]. Na temelju niza istraživanja [52-54] dokazano je da su trenutne norme konzervativne kada se govori o povećanju posmične nosivosti i duktilnosti zidova pojačanih FRCM sustavom. Nakon analitičke i teoretske obrade FRCM sustava, ponašanje u praksi je obrađeno kroz niz istraživanja. Postoji nekoliko načina otkazivanja samog sustava koja je potrebno uzeti u obzir, no na temelju niza eksperimenata Ceroni i Salzano [56], Carozzi et al. [57] i Pelin et al. [59] zaključili su da je pucanje vlakana u mreži FRCM sustava najčešći oblik otkazivanja što se želi postići i u ovom radu. Ono što se želi izbjeći je delaminacija tj. odvajanje čitavog FRCM sustava od zida. Ovom tematikom su se u svojim istraživanjima bavili Mandor i El Rafai [60], Grande i Milani [61], Colombi i D’Antino [62] te brojni drugi. Zaključak svih istraživanja je da je, kako bi iskoristivost FRCM sustava bila maksimalna, potrebno čitavi sustav odgovarajuće povezati sa samim zidom. Kako bi se to postiglo, razvijeni su različiti tipovi mehaničkih sidara. Dokazano je da je, pravilnim postavljanjem i rasporedom te dovoljno velikim brojem sidara,
mogućnost delaminacije uvelike smanjenja [64-69]. Navedena istraživanja i brojna druga uzeta su u obzir prilikom definiranja novog rasporeda FRCM sustava predstavljenog u ovom radu. Proširivanje znanja u području potresnog pojačavanja zidova FRCM sustavom bit će od velikog značaja i važnosti za građevinsku i znanstvenu zajednicu.
3. Teorijska analiza zidova
Prije eksperimenata provest će se preliminarna teorijska analiza kako bi se definirale odgovarajuće dimenzije, broj i detalji uzoraka za testiranje. Prvo, to uključuje opsežan pregled literature koji je prikazan u prethodna dva odjeljka. Drugo, dimenzije i detalji opečnih zidova također su definirani provedbom terenske procjene i mjerenja na brojnim stambenim i kulturnim nepojačanim zidanim zgradama u gradu Zagrebu. Osnovni cilj ove teorijske analize jest dobiti procjenu ponašanja opečnih zidova prije provođenja eksperimenta. S takvom analizom ideja je postići dijagonalni slom opečnih zidova kako bi se potvrdile hipoteze disertacije. No, kako bi se to postiglo, potrebno je uzeti u obzir sva tri oblika sloma na temelju kojih će se dobiti interakcijski dijagrami i rezultirajuća anvelopa nosivosti promatranih zidova. Nakon što se definira ponašanje
nepojačanog opečnog zida, potrebno je izračunati i doprinos FRCM pojačanja. Kao što je već definirano, razlikuju se tri grupe uzoraka. U prvoj grupi nalaze se tri nepojačana opečna zida dimenzija l/h/t = 142/186,5/25 cm zidani pomoću pune opeke dimenzija b/h/l = 12/6,5/25 cm povezane vapnenim mortom debljine 1 cm. Iznad i ispod zida nalaze se armiranobetonske grede dimenzija b/h/l = 45/25/172 cm sa uzdužnom armaturom u obliku šipki 8ϕ12 i poprečnom armaturom u vidu vilica ϕ8 svakih 15 cm. Isti takvi uzorci se koriste u ostale dvije grupe. U drugoj grupi nalaze se zidovi pojačani FRCM sustavom duž jednog lica zida. Koriste se mreže sa 12 mm × 12 mm otvorima izrađene od staklenih vlakanaca promjera d = 0,6 mm. Za povezivanje mreža sa zidom koristi se cementa matrica u dva sloja ukupne debljine 15 mm, a čitav sustav je povezan sa zidom pomoću staklenih sidara promjera d = 10 mm i duljine l = 150 mm kojih se treba postaviti 4/m 2. Treću skupinu uzoraka čine zidovi koji uz jednostrano postavljeni FRCM sustav, imaju dodani FRCM sustav do polovice debljine zida uključujući staklena sidra. Osim dimenzija uzoraka, potrebno je definirati i mehaničke karakteristike materijala koji se koriste. U preliminarnoj teorijskoj analizi sve potrebne vrijednosti uzete su iz literature i tehničkih listova prodavača. Beton kod greda je C25/30, a armatura je B500B. Zidani opečni elementi imaju tlačnu čvrstoću f b = 40 N/mm 2 i težinu od 2,95 kg po elementu. Korišteni mort je klase M5. Komponente FRCM sustava su također definirane od strane proizvođača. Staklena mreža ima težinu od 300 g/m 2, vlačnu čvrstoću od 1400 N/mm 2 i modul elastičnosti od E f = 74000 N/mm 2. Cementa matrica ima tlačnu čvrstoću od 15 N/mm 2 i modul elastičnosti od E mm = 6000 N/mm 2. Mehanička sidra imaju vlačnu čvrstoću od 800 N/mm 2 i modul elastičnosti od 68500 N/mm 2.
Na temelju iznad navedenih parametara i mehaničkih karakteristika materijala,definiraju se interakcijski dijagrami za nepojačane zidove. Na x osi se nalaze vrijednosti vertikalne tlačne sile N [kN], a na y osi se nalaze vrijednosti horizontalne poprečne sile duž zida V [kN]. Sedam različitih oblika otkazivanja i pripadajućih poprečnih sila je potrebno uzeti u obzir u ovoj analizi:
1) poprečna sila koja odgovara slomu savijanjem V f
2) poprečna sila koja odgovara slomu klizanjem (veliki ekscentircitet e n , f vk < f vlt ) V Rd,1A
3) poprečna sila koja odgovara slomu klizanjem (veliki ekscentircitet e n , f vk = f vlt ) V Rd,1B
4) poprečna sila koja odgovara slomu klizanjem (mali ekscentircitet e n , f vk < f vlt ) V Rd,2A
5) poprečna sila koja odgovara slomu klizanjem (mali ekscentircitet e n , f vk = f vlt ) V Rd,2B
6) poprečna sila koja odgovara dijagonalnom slomu V d
7) granična vrijednost poprečne sile koja odgovara dijagonalnom slomu V d, lim
Uz to, provodi se parametarska analiza gdje se karakteristične vrijednosti mehaničkih karakteristika materijala (Verzija 2) kod nepojačanih zidova umanjuju za 25 % (Verzija 1) i povećavaju za 25 % (Verzija 3) kako ne bi došlo do podcjenjivanja
vrijednosti vertikalne tlačne sile koju je potrebno unijeti u zid sa ciljem postizanja dijagonalnog sloma. Ovo pojednostavljenje napravljeno je prema Soriću [93] i prema EN 1052-3:2002 [91]. Na temelju dobivenih interakcijskih dijagrama, uzimajući u obzir maksimalne vrijednosti u pojedinim dijelovima dijagrama, dobivaju se anvelope za sve tri verzije odnosno slučaja. Anvelope su prikazane na slici 3.8.
Maksimalna vertikalna sila koja se može postići u laboratoriju je 300 kN. Kako jetežina samog zida 30 kN, odabire se sila od 250 kN. S ukupnom vrijednošću od 280 kN vertikalne sile, sve tri verzije u parametarskoj analizi imaju dijagonalni slom (klizanje prestaje u području od 150 do 200 kN vertikalne sile N ovisno o verziji kada dolazi do promjene u nagib anvelope).
Budući da se laboratorijski eksperiment provodi kontroliranjem pomaka, horizontalna sila H u ravnini dobiva se kao rezultat
eksperimenta. [Očekivane vrijednosti H za N = 280 kN za različite verzije navedene su u tablici 3.4.]
[Tablica 3.4.] [Pogledati u radu]
Nakon nepojačanih zidova, potrebno je procijeniti i ponašanje jednostrano pojačanih zidova FRCM sustavom. Doprinos FRCM sustava od 119 kN koji je dobiven na temelju karakterističnih vrijednosti mehaničkih karakteristika materijala korištenih u FRCM sustavu dodaje se kapacitetu nepojačanih zidova na horizontalna djelovanja tj. vrijednostima iz tablice 3.4. Utjecaj inovativnih detalja stezanja na posmičnu otpornost zidova ne može se uzeti u obzir trenutno raspoloživim normama i izrazima.
4. Eksperimentalno ispitivanje
Eksperimentalni dio ovog istraživanja može se podijeliti u dvije faze. U prvoj fazi provode se ispitivanja mehaničkih karakteristika materijala koji su korišteni prilikom izgradnje zidova. Prva vrijednost koja je dobivena je tlačna čvrstoća betona koji je korišten za izgradnju betonskih greda. Na temelju ispitivanja dobivena je prosječna vrijednost f cm = 38,87 N/mm 2 te je obradom rezultata beton smješten u razred C30/37. Nakon toga dobivena je tlačna čvrstoća zidnih elemenata. Srednja vrijednost tlačne čvrstoće dobivena iz devet uzoraka, nakon obrade rezultata je f b = 37,02 N/mm 2. U idućem koraku dobivena je tlačna čvrstoća morta na temelju 12 uzoraka sa vrijednošću f m = 6,12 N/mm 2. Zadnje vrijednost koja je dobivena je početna posmična čvrstoća zidova. Ispitivanje je provedeno na 12 uzoraka, a na temelju obrađenih rezultata dobivena je vrijednost od of f vk0 = 0,23 N/mm 2.
Nakon provedenih ispitivanja na malim uzorcima, devet zidova u punoj veličini su sazidani i prevezeni u laboratorij Građevinskog i arhitektonskog fakulteta Sveučilišta u Osijeku gdje će se provoditi ispitivanja. Zidovi se mogu podijeliti u tri kategorije po tri zida. Nepojačani zidovi (URM) ispitani su u lipnju 2023. godine, zidovi pojačani jednostranim FRCM-om (FRCM) u lipnju i srpnju 2023. godine, a zidovi sa inovativnim detaljima stezanja (CFRCM) u rujnu 2023. godine. Eksperiment se provodi kao ravninsko nazovistatičko cikličko pomakom kontrolirano ispitivanje svih zidova. Takvo ispitivanje se provodi u dva osnovna koraka. U prvom koraku, vertikalno opterećenje od 250 kN se postupno nanosi pomoću dvije vertikalne preše. U idućem koraku horizontalni pomak se nanosi pomoću dvije horizontalne preše svaka sa svoje strane zida. Povijest nanošenja horizontalnog pomaka sastojala se od postupno rastućih amplituda. U jednom ciklusu
opterećivanja, ciljani pomak je nanesen u pozitivnom i negativnom smjeru opterećivanja, s povratkom u početni položaj zida. Kako bi se postigli najtočniji rezultati, koristi se velika količina opreme i mjernih uređaja. Sveukupno, koristi se već navedenih četiri preše, a od opreme se koristi pet žičanih senzora (draw-wire), dva linearna pretvarača promjenjivog pomaka (LVDT) i četiri mjerača tlaka. Nakon što su mjerni uređaji postavljeni i oprema namještena, provode se ispitivanja. Rezultati ispitivanja mogu se podijeliti na grafičke i numeričke rezultate. Grafički rezultati prikazani su u obliku histereza u pozitivnom i negativnom smjeru te anvelopa koje su iz njih izvedene. Anvelope su dobivene povezivanjem vršnih točaka
tijekom opterećenja u ciklusima pri rastućim deformacijama. Na horizontalnoj osi se nalaze horizontalni pomak u milimetrima (mm), a na vertikalnoj osi horizontalna sila u ravnini zida u kilonewtonima (kN). Prikaz histereze i izvedene anvelope za URM 2 zid (nepojačani zid koji je drugi ispitan) kao primjer prikaza rezultata dan je na slici 4.30. Histereza je prikazana crvenom bojom, a anvelopa crnom bojom.
[Slika 4.30 Histereza i anvelopa za zid URM 2] [Pogledati u radu]
Nakon što je provedeno svih devet ispitivanja, uspoređuju se dobiveni rezultati. U prvom koraku uspoređuju se anvelope svih zidova. Prikaz svih anvelopa dan je na slici 4.66. Crnom bojom su prikazani nepojačani zidovi (URM), narančastom bojom zidovi pojačani jednostranim FRCM-om (FRCM), a zidovi sa inovativnim detaljima stezanja (CFRCM) prikazani su ljubičastom bojom. Na temelju prikazanih anvelopa, dobivaju se najvažniji numerički rezultati. Oni uključuju maksimalnu
horizontalnu silu, maksimalni pomak i inicijalnu krutost u pozitivnom i negativnom smjeru. Srednje vrijednosti po pojedinoj grupi zidova su prikazane u tablici 4.13.
[Slika 4.66 Usporedba anvelopa svih ispitanih zidova] [Pogledati u radu]
[Tablica 4.13 Usporedba rezultata za sve vrste zidova] [Pogledati]
5. Numeričko modeliranje
Numeričko modeliranje provedeno je u DIANA FEA 10.4 računalnom programu. Za potrebe ove doktorske disertacije korišten je princip mikro modeliranja. Nakon što je kreiran model, zadani su rubni uvjeti i opterećenja kao i u eksperimentu. Po provođenju analize, rezultati se mogu podijeliti na grafičke i numeričke. Kao grafičke rezultate, za sve zidove, nacrtane su krivulje postupnog guranja prikazane na slici 5.37 u pozitivnom smjeru. Ista takva krivulja prikazana je i u negativnom smjeru za kvalitetniju usporedbu sa rezultatima eksperimenta. Iz dobivenih krivulja dobivaju se i najvažniji numerički rezultati. Uz to, praćene su i vrijednosti maksimalnih širina pukotina kod svih zidova. Srednje vrijednosti po pojedinoj grupi zidova su prikazane u tablici 5.6.
[Slika 5.37 Usporedba krivulja postupnog guranja za zidane zidove – numerički rezultati] [Pogledati u radu]
[Tablica 5.9 Usporedba rezultata za sve vrste zidova – numeričko modeliranje] [Pogledati u radu]
6. Usporedba rezultata i zaključci
Na temelju provedene teorijske analize, eksperimentalnih ispitivanja i numeričkog modeliranja može se zaključiti da i kod FRCM zidova i CFRCM zidova dolazi do povećanja posmične nosivosti i duktilnosti u odnosu na URM zidove. Kako je cilj postići povećanje posmične nosivosti i duktilnosti CFRCM zidova u odnosu na FRCM zidove, potrebno je usporediti rezultate tih dviju skupina zidova. Prosječne vrijednosti za duktilnost prikazane su u tablici 6.5, a prosječne vrijednosti za maksimalne posmične sile dane su u tablici 6.6.
[Tablica 6.5 Usporedba duktilnosti FRCM i CFRCM zidova] [Pogledati u radu]
[Tablica 6.6 Usporedba posmične nosivosti FRCM i CFRCM zidova] [Pogledati u radu]
Na temelju provedene usporedbe može se zaključiti da dolazi do povećanja duktilnosti kod CFRCM zidova u odnosu na FRCM zidove. S druge strane, ne može se sa sigurnošću utvrditi da dolazi i do povećanja posmične nosivosti. Uz to, kao rezultat ove doktorske disertacije moguće je donijeti još nekoliko zaključaka. Kao prvo, korištenje FRCM armature rezultira povećanjem posmične nosivosti i duktilnosti nepojačanih zidova. Drugo, kada se koristi FRCM pojačanje dolazi do savršenog dijagonalnog sloma. Konačno, dodavanjem detalja stezanja osigurava se stabilnije ponašanje zidova u potresu. |
