Γενικά περί σκελετού

Εσπερινό ΕΠΑΛ Βέροιας

Τμήμα Σχεδιαστών Δομικών Έργων

Μουσείο της Ακρόπολης, Αθήνα

Γέφυρα Ρίου - Αντιρρίου

ARLANDA CONTROL TOWER,

Στοκχόλμη Αrchitect: Jan Magasanik

Το οπλισμένο σκυρόδεμα είναι μία μέθοδος

κατασκευής τεχνικών έργων.

Αποτελείται από σκυρόδεμα το οποίο είναι

οπλισμένο από ένα άλλο υλικό, τις περισσότερες

φορές τον χάλυβα.

Έτσι, εκεί που το σκυρόδεμα πάει να ρηγματωθεί, ο

χάλυβας το εμποδίζει.

Οι πρώτες εφαρμογές του οπλισμένου σκυροδέματος

συναντώνται στα μέσα του 19ου αιώνα.

Το 1867 ο Monier(Γαλλία) κατασκευάζει δοχεία από

σκυρόδεμα με χαλύβδινο οπλισμό.

Το 1877 ο Hyatt(ΗΠΑ) δημοσιεύει πειραματικά

αποτελέσματα σε δομικά στοιχεία από οπλισμένο σκτρόδεμα.

Το 1884 εισάγεται το οπλισμένο σκυρόδεμα στη Γερμανία.

Από τις αρχές του 20ου αιώνα η πρόοδος είναι ταχύτατη.

Το 1930 αρχίζει η μελέτη και εφαρμογή του προεντεταμένου

σκυροδέματος.

Σύμφωνα με τις περισσότερες πηγές,

ιδιαίτερα αυτές των οργανισμών των

σχετιζόμενων με τη βιομηχανική παραγωγή

και εφαρμογή, το σκυρόδεμα εφευρέθηκε

κατά τους ρωμαϊκούς χρόνους και

αναπτύχθηκε ιδιαίτερα στον δυτικό κόσμο

από το 1824 και μετά, που ο Άγγλος Joseph

Aspdin παρασκεύασε πρώτος το λεγόμενο

τσιμέντο Portland.

Σε αρχαιολογικές πηγές, όμως, αναφέρονται

φυσικά αποθέματα τσιμέντου που εντοπίστηκαν

στο Ισραήλ χρονολογούμενα το 12000 π.χ.

Σκυρόδεμα έχει εντοπιστεί στη Συρία και τη

Γιουγκοσλαβία χρονολογούμενο το 6500 π.χ το

πρώτο και το 5500 π.χ το δεύτερο.

Το πρώτο έχει εντοπιστεί σε νεκροπόλεις και το

δεύτερο σε δάπεδα καταλυμάτων κοντά στον

ποταμό Danube.

Το 3.000 π.χ. οι Κινέζοι χρησιμοποίησαν

σκυρόδεμα σε δάπεδα στην περιοχή Gansu

στην Νότια Κίνα.

Το 2500 π.χ οι Αιγύπτιοι χρησιμοποίησαν

ασβέστη και γύψο ως τσιμέντο στις πυραμίδες.

Πριν χρησιμοποιούσαν λάσπη με άχυρα.

Το 800 π.χ οι Βαβυλώνιοι και οι Ασσύριοι

χρησιμοποίησαν στις κατασκευές τους

άσφαλτο με πέτρες και τούβλα σε διάφορα

μεγέθη.

Το 600 π.χ οι Έλληνες ανακάλυψαν στη

Σαντορίνη τη Θηραϊκή γη, η οποία είναι

φυσικό τσιμέντο. Αναμιγνυόμενη με το νερό

αποκτά αντοχή.

Το 300 π.χ. οι Ρωμαίοι χρησιμοποίησαν ως

τσιμέντο ηφαιστειακή τέφρα (όπως η θηραϊκή

γη) η οποία ονομάστηκε ποζουλάνη από την

περιοχή Pozzouli στην οποία πυρίτιο και

αλουμίνιο.

Μετά την κατάρρευση της ρωμαϊκής

αυτοκρατορίας χάνεται η γνώση του

σκυροδέματος και επανεμφανίζεται τον 17ο

αιώνα.

Στις κατασκευές για 1300 χρόνια

χρησιμοποιείται ο ασβέστης ως συνδετικό

υλικό.

Το 1824 ο χτίστης Joseph Aspdin στο Leeds

της Αγγλίας εφηύρε το πρώτο τσιμέντο με

υψηλή αντοχή. Ήταν αποτέλεσμα καύσης

μίγματος ασβεστόλιθου και αργίλου και

άλεσης του προϊόντος (κλίνκερ) της καύσης.

Tο ονόμασε Portland γιατί έμοιαζε με το

πέτρωμα που εξορρυσσόταν στο νησί

Portland της Αγγλίας. Είναι το τσιμέντο που

έχει την πιο διαδεδομένη χρήση μέχρι

σήμερα.

Κάθε κτίριο εμπεριέχει τον

φέροντα οργανισμό του, που κατά

κανόνα είναι από οπλισμένο

σκυρόδεμα ή από δομικό χάλυβα,

ή και από το συνδυασμό τους.

Ο σκελετός του κτιρίου πρέπει να

έχει την απαιτούμενη αντοχή για

να φέρει με ασφάλεια τα φορτία

της βαρύτητας, σε όλη τη διάρκεια

της ζωής του κτιρίου.

.

Ο σκελετός αποτελείται από τα οριζόντια και κατακόρυφα φέροντα στοιχεία και από τα στοιχεία της θεμελίωσης.

Οριζόντια φέροντα στοιχεία είναι οι πλάκες και οι δοκοί. Κατακόρυφα φέροντα στοιχεία είναι τα υποστυλώματα.

Τα στοιχεία

θεμελίωσης του

κτιρίου είναι τα

πέδιλα, οι

συνδετήριες

δοκοί και οι

πεδιλοδοκοί.

• Οι πλάκες παραλαμβάνουν τα φορτία των δαπέδων κάθε ορόφου. Αυτά είναι μόνιμα (νεκρά), π.χ. οι επικαλύψεις δαπέδων από μάρμαρο, και κινητά (ή ωφέλιμα), π.χ. τα φορτία των ανθρώπων.

• Οι δοκοί παραλαμβάνουν τα φορτία τα οποία τους μεταφέρουν οι πλάκες, καθώς και τα φορτία των τοίχων που πατούν επάνω τους.

• Τα υποστυλώματα (κολόνες) παραλαμβάνουν τα φορτία των δοκών και τα μεταφέρουν στα θεμέλια.

• Τα πέδιλα (θεμέλια) παραλαμβάνουν τα φορτία των υποστυλωμάτων και τα μεταφέρουν στο έδαφος.

• Οι συνδετήριες δοκοί κρατούν τα πέδιλα στις θέσεις τους όταν η καταπόνησή τους είναι έντονη, όπως π.χ. στην περίπτωση σεισμού ή στην περίπτωση καθιζήσεων.

Τα φορτία σε ένα κτίριο διακρίνονται σε μόνιμα (νεκρά)

και κινητά (ωφέλιμα). Τα μόνιμα αποτελούνται από τα

ίδια βάρη των δομικών στοιχείων από οπλισμένο

σκυρόδεμα, από τα βάρη των τοίχων και από τα βάρη των

επιστρώσεων - επικαλύψεων. Κινητά είναι τα φορτία των

ανθρώπων, των επίπλων, των οχημάτων, κ.τ.λ

Η κυριότερη σεισμική παράμετρος είναι η επιτάχυνση του σεισμού, η οποία συμβολίζεται με το γράμμα α.

Ο ελληνικός χώρος χωρίζεται σε τρεις σεισμικές ζώνες Ζ1, Ζ2 και Ζ3.

Σε κάθε ζώνη, σε κτίρια επί εδάφους κατηγορίας Α (καλό έδαφος), λαμβάνεται μία τιμή του συντελεστή α που είναι ίση με 0.16 για την Ζ1, 0.24 για τη Ζ2 και 0.36 για την Ζ3.

Αν το α = 0,24, σημαίνει ότι κάθε στοιχείο του κτιρίου δέχεται, κατά μέσο όρο, οριζόντια δύναμη ίση με το 0,24 του βάρους του.

Τα κτίρια από οπλισμένο σκυρόδεμα έχουν μεγάλο ίδιο βάρος, γι’ αυτό και ο άνεμος δεν τα επηρεάζει στο βαθμό που επηρεάζει τις ξύλινες ή τις σιδηρές κατασκευές.

Σε αντισεισμικά κτίρια θεωρείται ότι θα έχουμε ή δράση ανέμου ή δράση σεισμού και όχι ταυτόχρονη δράση ανέμου και σεισμού.

Η δράση του σεισμού, που δίνει φόρτιση ανάλογη με αυτή του ανέμου, είναι κατά κανόνα ισχυρότερη και γι’ αυτό, πρακτικά, τα αντισεισμικά κτίρια δεν υπολογίζονται σε δράση ανέμου.

Η λειτουργία του σκελετού στηρίζεται στη λογική

της διαδοχικής καταπόνησης.

Τα κατακόρυφα φορτία αναλαμβάνονται από τις

πλάκες, οι οποίες στη συνέχεια τα μεταβιβάζουν

στις δοκούς, οι δοκοί μεταβιβάζουν τα φορτία στις

κολόνες, που με τη σειρά τους τα μεταβιβάζουν στα

θεμέλια. Τέλος, τα θεμέλια μεταφέρουν τα φορτία

στο έδαφος.

• Η αντισεισμική κρισιμότητα δεν είναι ίδια για όλα τα στοιχεία του σκελετού. Για παράδειγμα, σε ένα σεισμό, η κρισιμότητα της αντοχής ενός υποστυλώματος είναι πολύ μεγαλύτερη από την κρισιμότητα της αντοχής μίας δοκού. Αυτό γιατί η αστοχία μιας κολόνας μπορεί να συμπαρασύρει και τα εξαρτημένα γειτονικά στοιχεία, όπως δοκούς και πλάκες. Στη συνέχεια μπορεί να συμπαρασυρθούν αλυσιδωτά και άλλα υποστυλώματα, με αποτέλεσμα την κατάρρευση, ή μεγάλης έκτασης αστοχίες.

• Αντίθετα, η αστοχία μιας δοκού, συνήθως δημιουργεί τοπικής έκτασης βλάβες, που σε περίπτωση πολύ ισχυρού σεισμού μπορεί να είναι ακόμα και ευνοϊκές για τη συνολική ευστάθεια του κτιρίου. Αυτός είναι και ο λόγος που οι κολόνες των κτιρίων σε σεισμικές περιοχές έχουν ισχυρές διατομές, πολύ περισσότερο από τις διατομές κολονών κτιρίων σε χώρες που δεν έχουν σεισμούς.

• Για τη μεγαλύτερη

αντισεισμική αντοχή ενός

κτιρίου θα έπρεπε να

χρησιμοποιούμε μεγάλων

διαστάσεων (χοντρά)

υποστυλώματα, τα οποία όμως

δημιουργούν προβλήματα

στους εσωτερικούς χώρους.

Για το λόγο αυτό αντί για

μεγάλες κολόνες διατάσσονται

τοιχεία και προς τις δύο

διευθύνσεις του κτιρίου, τα

οποία εκτός από τη

συνεισφορά σε θλιπτική

αντοχή, αυξάνουν και

την ακαμψία του κτιρίου,

δηλαδή μειώνουν τις

μετακινήσεις του και κατά

συνέπεια και τις

παραμορφώσεις του στη

διάρκεια ενός σεισμού.

• Σε ότι αφορά τις δοκούς και

τα πέλματα θεμελίωσης, είναι

προφανές ότι τυχόν αστοχία

τους θα παρασύρει ακαριαία

τα υποστυλώματα, που στη

συνέχεια θα παρασύρουν τις

δοκούς και αυτές τις πλάκες.

Όλα αυτά μάλιστα θα

συμβούν σε όλους τους

ορόφους, δηλαδή θα έχουμε

συνολική αστοχία.

• Η κατασκευή υπογείου και η

χρησιμοποίηση τοιχωμάτων

στην περίμετρό του βοηθά

πολύ στην αντισεισμικότητα

του κτιρίου.

Ανεξάρτητα από τον καλό σχεδιασμό της

κατασκευής, είτε λόγω μεγαλύτερης έντασης του

σεισμού από τη σχεδιαζόμενη, είτε λόγω τοπικών

συγκυριών στην κατασκευή, κάποιο, ή κάποια από

τα δομικά στοιχεία θα εξαντλήσουν πρώτα την

αντοχή τους. Σ’ αυτή την περίπτωση θέλουμε να

έχουμε δύο γραμμές άμυνας:

Σε ένα σεισμό, ισχυρότερο του σεισμού

σχεδιασμού, δεν θέλουμε να αστοχήσει (σπάσει)

κανένα στοιχείο, ακόμα και αν παραμορφωθεί

μόνιμα, δηλαδή έχουμε ανάγκη πλαστιμότητας

των δομικών στοιχείων.

Πλαστιμότητα είναι η ιδιότητα που έχει ένα

στοιχείο από οπλισμένο σκυρόδεμα να συνεχίζει να

παραμορφώνεται και μετά την εξάντληση της

αντοχής του, χωρίς να σπάει.

Σε ένα εξαιρετικά ισχυρό σεισμό, που η αστοχία κάποιων στοιχείων είναι αναπόφευκτη, τα στοιχεία που δεν πρέπει να σπάσουν είναι οι κολόνες, δηλαδή έχουμε ανάγκη ικανοτικήςαντοχής των κολονών.

Ο ικανοτικός σχεδιασμός εξασφαλίζει ότι η κολόνα θα έχει μεγαλύτερη αντοχή από την αντοχή των δοκών που συντρέχουν σ’ αυτή, οπότε όσο ισχυρός και αν είναι ο σεισμός, τα στοιχεία που θα αστοχήσουν θα είναι οι δοκοί και όχι η κολόνα. Αστοχώντας οι δοκοί, απορροφούν ενέργεια που εκτονώνει το σεισμό. Η αστοχία μίας ή περισσοτέρων δοκών, κατά κανόνα, δεν οδηγεί σε αλυσιδωτή αστοχία και γι’ αυτό ακόμα και σε εξαιρετικά ισχυρό σεισμό, το κτίριο παραμένει στη θέση του, με δυνατότητες τουλάχιστον στοιχειώδους λειτουργίας που επιτρέπουν την απομάκρυνση των ενοίκων του κτιρίου και τις περισσότερες φορές δίνει τη δυνατότητα επισκευής του κτιρίου.

Οι κώδικες συμβατικού αντισεισμικού σχεδιασμού στοχεύουν στο

σχεδιασμό οικοδομημάτων ικανών να ανθίστανται :

1) σε ασθενείς σεισμικές δονήσεις εν τη απουσία βλαβών στο φέροντα οργανισμό.

2) σε σεισμικές δονήσεις μεσαίου μεγέθους, υφιστάμενα όμως,

περιορισμένες και επιδιορθώσιμες βλάβες σε φέροντα στοιχεία.

3) σε ισχυρές σεισμικές δονήσεις, αποτρέποντας την κατάρρευση και αναπτύσσοντας εκτεταμένες δομικές βλάβες.

4)Η κατασκευή πλήρως αντισεισμικών κτηρίων είναι ανέφικτη.

Τέσσερεις είναι οι κυριότερες προδιαγραφές

αντισεισμικής όπλισης:

oι επικαλύψεις των οπλισμών

οι ελάχιστες αποστάσεις των ράβδων του

οπλισμού

οι ήπιες κάμψεις του οπλισμού

οι αντισεισμικοί συνδετήρες.

Αν σε ένα υποστύλωμα τοποθετηθούν 10%

λιγότερες ράβδοι, η αντοχή του υποστυλώματος θα

είναι περίπου 10% μικρότερη. Αν όμως

αφαιρέσουμε έστω και ένα μόνο ενδιάμεσο

συνδετήρα στο ίδιο υποστύλωμα, η αντοχή του

μπορεί να μειωθεί ακόμη και 50%.

Ο τρόπος με τον οποίο αστοχούν τα

υποστυλώματα κατά τη διάρκεια ενός

σεισμού είναι πάντοτε ο ίδιος:

α. Αποδιοργανώνεται η κεφαλή, ή ο πόδας

του υποστυλώματος με το άνοιγμα των

συνδετήρων.

β. Μόλις λυθούν οι συνδετήρες, λυγίζουν τα

κολονοσίδερα και αποδιοργανώνεται το

σκυρόδεμα.

Αυτός ο τρόπος αστοχίας δεν συμβαίνει

μόνο στις κολόνες που κατασκευάστηκαν

παλιά και έχουν λίγα σίδερα.

Συμβαίνει το ίδιο ακριβώς και στις κολόνες

που έχουν πολλά σίδερα, εφόσον όμως αυτές

δεν κατασκευάζονται με τις σωστές

προδιαγραφές, δηλαδή:

• α. με επάρκεια συνδετήρων, εξωτερικών και

εσωτερικών,

• β. με σωστούς, αντισεισμικούς, συνδετήρες.

• Σε όλο τον κόσμο, έστω και αν έχουν πολλά

σίδερα οι κατασκευές, ο λόγος για τον οποίο

αυτές καταρρέουν είναι ο ίδιος, η έλλειψη

δηλαδή σωστά κατασκευασμένων και

τοποθετημένων συνδετήρων.

• Κατά τη διάρκεια ενός σεισμού ασκούνται

πολύ υψηλές δυνάμεις τόσο στο σκυρόδεμα

όσο και στις ράβδους οπλισμού. Οι δυνάμεις

αυτές αναγκάζουν το σκυρόδεμα να

διογκωθεί πλευρικά και τις ράβδους

οπλισμού να λυγίσουν και τελικά να

σπάσουν.

Η αντισεισμικότητα των δοκών, και ιδιαίτερα

των υποστυλωμάτων, εξαρτάται κυρίως από

τους συνδετήρες.

Αυτοί εξασφαλίζουν την περίσφιγξη των

κολονοσίδερων που περιβάλλουν και τη

συγκράτηση του σκυροδέματος που τείνει να

σπάσει λόγω πλευρικής διόγκωσης.

Αν μάλιστα οι συνδετήρες δεν είναι καλά

κλειστοί, ανοίγουν ακόμη και σε μικρής

έντασης σεισμούς.

1) Στην Ελλάδα, τι υλικά χρησιμοποιούμε για την κατασκευή

του φέροντος οργανισμού ενός κτιρίου.

2) Ποια είναι τα δομικά στοιχεία του σκελετού ενός κτιρίου.

3) Ποια είναι τα φορτία που δέχεται ένα κτίριο και

λαμβάνονται υπ΄ όψιν κατά τη στατική μελέτη.

4) Ποια ονομάζονται μόνιμα και ποια κινητά φορτία.

5) Τι ονομάζουμε διαδοχική καταπόνηση των δομικών

στοιχείων.

6) Σε πόσες ζώνες, από πλευράς σεισμικής δραστηριότητας,

χωρίζεται η Ελλάδα.