H Υποσχόμενη Λύση του Χαλυβοσκυροδέματος για...

15
1. ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΚΑΙ ΚΟΜΒΩΝ ΜΕ ΔΙΑΣΠΑΡΤΟ ΤΟΝ ΔΙΑΜΗΚΗ ΚΑΙ ΕΓΚΑΡΣΙΟ ΟΠΛΙΣΜΟ Η ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΗ ΛΥΣΗ ΤΟΥ «ΧΑΛΥΒΟΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ» Προτείνεται διάταξη του διαμήκους και εγκάρσιου οπλισμού των υποστυ- λωμάτων από σκυρόδεμα διάσπαρτη σ΄όλη την έκταση της διατομής τους με αποτέλεσμα ένα ομοιομορφισμένο υλικό από σκυρόδεμα και χάλυβα, το χαλυβοσκυρόδεμα. Η διάταξη αυτή σε συνδυασμό με διάταξη του διαμήκους οπλισμού καθ΄ύψος των δοκών αίρει τις κατασκευαστικές δυσχέρειες και τα τεχνολογικά προβλήματα στην περιοχή των κόμβων των δομικών στοιχείων από σκυρόδεμα, επιτρέπει τυποποίηση και εκβιομηχάνιση του συνόλου του οπλισμού των υποστυ- λωμάτων, αυξάνει την ασφάλεια και επισκευασιμότητά τους και εξασφαλίζει μεγαλύτερη πυρασφάλεια και διάρκεια των κατασκευών. Η ίδια καμπτική αντοχή, η μεγαλύτερη διατμητική αντοχή και η καλύτερη υστερητική συμπεριφορά δομικών στοιχείων και κόμβων με την προτεινό- μενη λύση απ΄ αυτήν αντίστοιχων στοιχείων με συμβατική διάταξη του οπλισμού και ίδιο συνολικό οπλισμό επιβεβαιώνεται από τα αποτελέσματα δοκιμασίας σε εναλλασσόμενη καμπτοδιατμητική επιπόνηση δώδεκα γραμμικών στοιχείων και δύο ημιπλαισίων. 1.1 Προβλήματα με τη Συμβατική Όπλιση των Στοιχείων Ο.Σ. Η όπλιση και σκυροδέτηση των κατασκευών από σκυρόδεμα στην περιοχή των κόμβων των γραμμικών μελών του φέροντα οργανι- σμού αποτελεί μια από τις πλέον δυσχερείς και προβληματικές εργασίες της όλης κατα- σκευής. Οι αυξημένες απαιτήσεις των σύγχρονων αντισεισμικών κανονισμών οδηγούν σε περί- που συμμετρικό διαμήκη οπλισμό των δοκών και πυκνή διάταξη των συνδετήρων στην περιοχή των κόμβων και κοντά σ΄ αυτούς με συνέπεια: Η ορθή συμπύκνωση του σκυροδέματος στην περιοχή του κόμβου με τη συνήθη πρακτική της εσωτερικής δόνησης να είναι πρακτικά ανέφικτη. Μη ορθή συμπύκνωση και, ως εκ τούτου, μειωμένη αντοχή του σκυροδέματος οδηγεί σε πρόωρη αστοχία των λοξών θλιπτήρων του κόμβου με τις γνωστές, ιδιαίτερα δυσμενείς, συνέπειες για όλο τον φέροντα οργανισμό της κατασκευής. Είναι πρακτικά ανέφικτη η τήρηση των μικρών διαμέτρων που απαιτούνται για τις διαμήκεις ράβδους των δομικών στοιχείων ώστε να μην υπερβαίνεται η τάση συνάφειας των ακραίων διαμήκων ράβδων στην περιοχή των κόμβων. Όπως φαίνεται στο Σχ. 1, λόγω του αντί- θετου πρόσημου της ροπής στις διατομές Α και Β εκατέρωθεν του κόμβου, η μεταβολή της δύναμης των ράβδων του οπλισμού στο μήκος ΑΒ του κόμβου προκύπτει ίση με ΔFs= 2.Αs.fy. Σχ. 1.1 Εντατική κατάσταση στην περιοχή του κόμβου Fs2 Fs1 Fs1 Fs2 A τb Fs2 Fs1 A Τb Β B Δ. Μη Συμβατικά Υποσχόμενα Αντισεισμικά Υλικά 122

description

 

Transcript of H Υποσχόμενη Λύση του Χαλυβοσκυροδέματος για...

Page 1: H Υποσχόμενη Λύση του Χαλυβοσκυροδέματος για Αντισεισμικές Κατασκευές

1. ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΚΑΙ ΚΟΜΒΩΝ ΜΕ ΔΙΑΣΠΑΡΤΟ ΤΟΝ

ΔΙΑΜΗΚΗ ΚΑΙ ΕΓΚΑΡΣΙΟ ΟΠΛΙΣΜΟ Η ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΗ ΛΥΣΗ ΤΟΥ «ΧΑΛΥΒΟΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ»

Προτείνεται διάταξη του διαμήκους και εγκάρσιου οπλισμού των υποστυ-λωμάτων από σκυρόδεμα διάσπαρτη σ΄όλη την έκταση της διατομής τους με αποτέλεσμα ένα ομοιομορφισμένο υλικό από σκυρόδεμα και χάλυβα, το χαλυβοσκυρόδεμα. Η διάταξη αυτή σε συνδυασμό με διάταξη του διαμήκους οπλισμού καθ΄ύψος των δοκών αίρει τις κατασκευαστικές δυσχέρειες και τα τεχνολογικά προβλήματα στην περιοχή των κόμβων των δομικών στοιχείων από σκυρόδεμα, επιτρέπει τυποποίηση και εκβιομηχάνιση του συνόλου του οπλισμού των υποστυ-λωμάτων, αυξάνει την ασφάλεια και επισκευασιμότητά τους και εξασφαλίζει μεγαλύτερη πυρασφάλεια και διάρκεια των κατασκευών. Η ίδια καμπτική αντοχή, η μεγαλύτερη διατμητική αντοχή και η καλύτερη υστερητική συμπεριφορά δομικών στοιχείων και κόμβων με την προτεινό-μενη λύση απ΄ αυτήν αντίστοιχων στοιχείων με συμβατική διάταξη του οπλισμού και ίδιο συνολικό οπλισμό επιβεβαιώνεται από τα αποτελέσματα δοκιμασίας σε εναλλασσόμενη καμπτοδιατμητική επιπόνηση δώδεκα γραμμικών στοιχείων και δύο ημιπλαισίων.

1.1 Προβλήματα με τη Συμβατική Όπλιση των Στοιχείων Ο.Σ. Η όπλιση και σκυροδέτηση των κατασκευών από σκυρόδεμα στην περιοχή των κόμβων των γραμμικών μελών του φέροντα οργανι-σμού αποτελεί μια από τις πλέον δυσχερείς και προβληματικές εργασίες της όλης κατα-σκευής.

Οι αυξημένες απαιτήσεις των σύγχρονων αντισεισμικών κανονισμών οδηγούν σε περί-που συμμετρικό διαμήκη οπλισμό των δοκών και πυκνή διάταξη των συνδετήρων στην περιοχή των κόμβων και κοντά σ΄ αυτούς με συνέπεια:

• Η ορθή συμπύκνωση τουσκυροδέματος στην περιοχή τουκόμβου με τη συνήθη πρακτική τηςεσωτερικής δόνησης να είναι πρακτικάανέφικτη.

Μη ορθή συμπύκνωση και, ως εκτούτου, μειωμένη αντοχή τουσκυροδέματος οδηγεί σε πρόωρηαστοχία των λοξών θλιπτήρων τουκόμβου με τις γνωστές, ιδιαίτεραδυσμενείς, συνέπειες για όλο τονφέροντα οργανισμό της κατασκευής.

• Είναι πρακτικά ανέφικτη η τήρησητων μικρών διαμέτρων πουαπαιτούνται για τις διαμήκεις ράβδουςτων δομικών στοιχείων ώστε να μηνυπερβαίνεται η τάση συνάφειας τωνακραίων διαμήκων ράβδων στηνπεριοχή των κόμβων.

Όπως φαίνεται στο Σχ. 1, λόγω του αντί-θετου πρόσημου της ροπής στις διατομές Α και Β εκατέρωθεν του κόμβου, η μεταβολή της δύναμης των ράβδων του οπλισμού στο μήκος ΑΒ του κόμβου προκύπτει ίση με ΔFs= 2.Αs.fy.

Σχ. 1.1 Εντατική κατάσταση στην περιοχή του κόμβου

Fs2 Fs1

Fs1 Fs2A

τb Fs2 Fs1

A Τb Β

B

Δ. Μη Συμβατικά Υποσχόμενα Αντισεισμικά Υλικά

122

Page 2: H Υποσχόμενη Λύση του Χαλυβοσκυροδέματος για Αντισεισμικές Κατασκευές

Εξισώνοντας την ΔFs με τη δύναμη συνά-φειας Τb=τb.π.Φ.lAB η οποία πρέπει να την εξισορροπήσει, η διάμετρος Φ των διαμήκων ράβδων για τη συνήθη διάσταση των κόμ-βων lAB = 0,300 m προκύπτει μικρότερη των 14 mm.

H απαίτηση αυτή για διαμήκεις ράβδους μικρής διαμέτρου σπανίως τηρείται στις κατασκευές, καθώς το σχετικά περιορισμένο πλάτος των δοκών δεν επιτρέπει διάταξη μεγάλου αριθμού διαμήκων ράβδων.

• Προβληματική, επίσης, αποδεικνύεταιστην πράξη και η διάταξη όλου τουαπαιτούμενου διατμητικού οπλισμούτου κόμβου.

Σ΄ αρκετές κατασκευές για ναδιευκολυνθεί η διάστρωση καισυμπύκνωση του σκυροδέματος στηνπεριοχή αυτή δεν επεκτείνονται στονκόμβο οι κατακόρυφοι συνδετήρες τωνδοκών με συνέπεια ανεπαρκή όπλισητων κόμβων.

Για την άρση των παραπάνω μειονεκτη-μάτων έχουν κατά καιρούς διερευνηθεί διάφορες τροποποιήσεις της όπλισης των πλαισίων οι οποίες, όμως, δεν οδήγησαν σε ικανοποιητική λύση.

Στην εργασία [1] προτάθηκε η προσθήκη στην περιοχή των κόμβων διαμήκων ράβ-δων ενδιάμεσα του ύψους των ζυγωμάτων.

Στις εργασίες [2] και [3] διερευνήθηκε η συμπεριφορά πλαισίου στο οποίο οι ενδιά-μεσες καθ΄ύψος ράβδοι εκτείνονταν και πέραν της περιοχής του κόμβου σ΄ όλο το άνοιγμα του ζυγώματος. Στον κόμβο του πλαισίου δεν διατάχθηκαν κατακόρυφοι συνδετήρες.

Η διάταξη αυτή απεδείχθη ανεπαρκής, καθώς η αστοχία του πλαισίου επικεντρώ-ηκε στη θέση του κόμβου.

Πέραν από τα κατασκευαστικά προβλήματα που περιγράφηκαν παραπάνω:

• Σημαντικό πρόβλημα των κατασκευώναπό οπλισμένο σκυρόδεμα αποτελεί καιη μικρή σχετικά ανθεκτικότητά τους.

Ο συνδυασμός σκυροδέματος και χάλυβα αποτέλεσε ορόσημο στην ιστορία των δομι-κών υλικών και συνετέλεσε στην εκρηκτική εξάπλωση των κατασκευών από σκυρόδεμα.

Το οπλισμένο σκυρόδεμα, όμως, ως το συνδυασμένο αποτέλεσμα σκυροδέματος και χάλυβα, επιδεικνύει εκτος από τα πλεονε-κτήματα και τα μειονεκτήματα των δύο συστατικών του.

Ένα από τα κυριότερα μειονεκτήματα του χάλυβα αποτελεί η διαβρωσιμότητά του και η, εν γένει, μικρή ανθεκτικότητά του.

Το σκυρόδεμα συνδυαζόμενο με το χάλυβα απώλεσε σε σημαντικό βαθμό την υψηλή ανθεκτικότητά του και την πυρασφάλειά του με συνέπεια σημαντική μείωση της διάρκειας ζωής των κατασκευών από σκυρόδεμα.

Στις ημέρες μας η αυξανόμενη ατμοσφαι-ρική μόλυνση από την υπερεκμετάλλευση των φυσικών πόρων της γης και η μόλυνση των υπόγειων υδάτων της από την υπερεν-τατική καλλιέργεια των εδαφών της μέσω τοξικών φυτοφαρμάκων επιταχύνει το ρυθ-μό απώλειας της ανθεκτικότητας και τη συνεπαγόμενη απώλεια της συνάφειας σκυ-ροδέματος και χάλυβα και θέτει ζήτημα αναζήτησης νέων τρόπων ενίσχυσης της ανθεκτικότητας των κατασκευών από σκυρόδεμα.

β

β α α β-β

α-α

Σχ. 1.2 Προτεινόμενη όπλιση

1.2 Προτεινόμενη Λύση Για την άρση των κατασκευαστικών δυσχε-ρειών και τεχνολογικών προβλημάτων που εντοπίστηκαν παραπάνω προτείνεται εναλ-λακτική διάταξη του οπλισμού που φαίνεται στο Σχ. 2.

Δ. Μη Συμβατικά Υποσχόμενα Αντισεισμικά Υλικά

123

Page 3: H Υποσχόμενη Λύση του Χαλυβοσκυροδέματος για Αντισεισμικές Κατασκευές

Αντί της συμβατικής τοποθέτησης του δια-μήκους οπλισμού στα πέλματα των δομικών στοιχείων από σκυρόδεμα, προτείνεται:

Διάταξη του διαμήκους και εγκάρσιουοπλισμού των υποστυλωμάτωνδιάσπαρτη σ΄όλη την έκταση τηςδιατομής τους με αποτέλεσμα έναομοιομορφισμένο υλικό από σκυρόδεμακαι χάλυβα, το χαλυβοσκυρόδεμα.

Ο διαμήκης οπλισμός των δοκώνκατανέμεται καθ΄ ύψος τους.

Η όπλιση των κόμβων διαμορφώνεταιαπό τις διαμήκεις ράβδους των δοκών,τις διαμήκεις ράβδους τωνυποστυλωμάτων και τους συνδετήρεςτων υποστυλωμάτων.

Ο κλωβός του οπλισμού των υποστυλω-μάτων συντίθεται από περισσότερους, επί μέρους κλωβούς διαφορετικού μεγέθους οι οποίοι τοποθετούνται ο ένας μέσα στον άλλο υπό μορφή ρώσικης κούκλας.

Ο διαμήκης οπλισμός ισοκατανέμεται στην περίμετρο των επί μέρους κλωβών.

Εναλλακτικές δυνατότητες είναι:

(α) οι επί μέρους κλωβοί να προκύπτουν με αναδίπλωση δομικού πλέγματος (δύο διευθύνσεων) και

(β) ο συνολικός κλωβός του οπλισμού να προκύπτει με αναδίπλωση δομικού πλέγματος (δύο διευθύνσεων) υπό μορφή μαιάνδρου.

Το εμβαδόν του συνολικού διαμήκουςκαι εγκάρσιου οπλισμού παραμένει τοίδιο μ΄ αυτό αντίστοιχων στοιχείων μεσυμβατική όπλιση και μπορεί ναπροκύπτει από τις ίδιες υπολογιστικέςσχέσεις.

Λόγω του μεγαλύτερου αριθμού τωνράβδων που επιτρέπει η προτεινόμενηλύση, οι διάμετροι τόσο του διαμήκουςόσο και του εγκάρσιου οπλισμούπροκύπτουν σημαντικά μικρότερες απ΄αυτές των αντίστοιχων στοιχείων μεσυμβατική όπλιση.

Οι εξωτερικές γωνιακές διαμήκεις ράβδοιδιαμορφώνονται με μεγαλύτερη διάμετρο,Φ14 για τα υποστυλώματα και Φ12 για τιςδοκούς ώστε να προστατεύονται έναντιλυγισμού τους.

Για τη διευκόλυνση της συναρμολόγησης του οπλισμού, καθώς και της διάστρωσης και της συμπύκνωσης του σκυροδέματος των υποστυλωμάτων η αγκύρωση των συνδετήρων των εσωτερικών κλωβών του οπλισμού γίνεται υπό γωνία 90ο. Το σημαν-τικό στρώμα σκυροδέματος εκατέρωθεν των συνδετήρων αυτών εμποδίζει το άνοιγμά τους και επιτρέπει την απλοποίηση αυτή.

1.3. Πλεονεκτήματα του Χαλυβοσκυροδέματος Η προτεινόμενη όπλιση έχει σημαντικά πλεονεκτήματα, όπως:

Κατασκευαστική ευχέρεια καιΔυνατότητα Τυποποίησηςκαι Εκβιομηχάνισης

Με την προτεινόμενη όπλιση, ελλείψει πυκ-νού άνω διαμήκους οπλισμού και κατα-κόρυφων συνδετήρων στην περιοχή του κόμβου, αίρονται οι κατασκευαστικές δυσχέ-ρειες κατά την διάστρωση και συμπύκνωση του σκυροδέματος στην περιοχή αυτή, ‘οπως φαίνεται στο Σχ. 3.

ΔΟΝΗΤΗΣΔΟΝΗΤΗΣ

Σχ. 1.3 Ευχέρεια συμπύκνωσης για διάταξη οπλισμού καθύψος

Με την καθ΄ ύψος διάταξη των διαμήκων ράβδων στις δοκούς είναι δυνατή η τοποθέ-τηση περισσότερων ράβδων και, γι΄αυτό, είναι ιδιαίτερα ευχερής η υιοθέτηση ράβδων μικρής διαμέτρου η οποία, όπως σχολιά-στηκε στο κεφ. 2.1, είναι ιδιαίτερα σημαν-τική για την πλήρη ενεργοποίηση των δια-μήκων ράβδων.

Ως εκ του τρόπου διαμόρφωσής του, είναι δυνατή η τυποποίηση και εκβιομηχάνιση ολόκληρου του σκελετού των οπλισμών των υποστυλωμάτων και όχι μόνον του κλωβού των συνδετήρων που ισχύει σήμε-ρα.

α α-α β β-β

Δ. Μη Συμβατικά Υποσχόμενα Αντισεισμικά Υλικά

124

Page 4: H Υποσχόμενη Λύση του Χαλυβοσκυροδέματος για Αντισεισμικές Κατασκευές

Ο οπλισμός μπορεί να προκύπτει με συνδυ-ασμό επί μέρους συμβατικών κλωβών τυπο-ποιημένων διαστάσεων και τυποποιημένου συνολικού διαμήκους και εγκάρσιου οπλι-σμού.

Μια τέτοια βιομηχανική διαμόρφωση ολό-κληρου του κλωβού του οπλισμού των υποστυλωμάτων, εκτός από τα προφανή πλεονεκτήματα για την οικονομία της κατα-σκευής, θα εξασφαλίζει τα στοιχεία από τοπικές αστοχίες οφειλόμενες σε κακο-τεχνίες κατά τη συναρμολόγηση του οπλι-σμού επί τόπου του έργου.

Καλύτερη συνάφεια

Η συνάφεια, το κατ΄εξοχήν αποφασιστικό μέγεθος για την ασφάλεια των στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα, ιδιαίτερα στην περίπτωση σεισμικής επιπόνησης και στην περιοχή των κόμβων των δομικών στοι-χείων, βελτιώνεται σημαντικά με την προ-τεινόμενη λύση.

Λόγω των μικρών διαμέτρων των ράβδων του οπλισμού οι αναπτυσσόμενες τάσεις συνάφειας παραμένουν μικρές και σε ση-μαντικό μέρος του διαμήκους οπλισμού αμελητέες, καθώς, όπως φαίνεται στο Σχ. 4, οι ενδιάμεσες ράβδοι καθ΄ύψος των στοιχεί-ων παραμένουν εφελκυόμενες και στις δύο απέναντι πλευρές των κόμβων.

Σχ. 1.4 Εσωτερικές δυνάμεις εκατέρωθεν του κόμβου

Μεγαλύτερη Πυρασφάλεια καιΑνθεκτικότητα

Για την αντιμετώπιση της μικρής ανθεκτι-κότητας των κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα έχουν παραχθεί και ερευνώνται σε ευρεία κλίμακα ανοξείδωτοι χάλυβες για την αντικατάσταση των συνήθων χαλύβων.

Οι ερευνώμενοι χάλυβες έχουν ιδιαίτερα μεγάλο κόστος προοριζόμενοι εκ των πραγ-μάτων για «εκλεκτούς» χρήστες των κατα-σκευών.

Το χαλυβοσκυρόδεμα μπορεί να ειδωθεί ως μια απλή λύση προς την κατεύθυνση της αύξησης της ανθεκτικότητας των στοι-χείων από σκυρόδεμα η οποία δεν αυξάνει το κόστος της κατασκευής και δεν απαιτεί ιδιαίτερη οργάνωση.

Είναι προφανής η αυξημένη πυρασφάλεια και, εν γένει, ανθεκτικότητα των στοιχείων από χαλυβοσκυρόδεμα, καθώς το μεγαλύ-τερο ποσοστό του διαμήκους και εγκάρσιου οπλισμού τους είναι προστατευμένο από περιβαλλοντικές προσβολές, λόγω του μεγαλύτερου πάχους της επικάλυψής τους.

Περαιτέρω αύξηση της ανθεκτικότητας των στοιχείων από χαλυβοσκυρόδεμα προκύπτει και λόγω:

• της καλύτερης συνάφειας των ράβδωντου οπλισμού με το σκυρόδεμα, λόγωτων μικρότερων διαμέτρων τους και

• της μεγαλύτερης ομοιογένειας τουυλικου και, γι΄αυτό, μείωσης της«παρασιτικής» ρηγμάτωσης της οφει-λόμενης σε μη συμβιβαστά τεχνολογικάχαρακτηριστικά σκυροδέματος καιχάλυβα.

Η Μεγαλύτερη Ασφάλεια κατά τηνΑστοχία

Μειονέκτημα της προτεινόμενης λύσης φαί-νεται να αποτελεί ο αυξημένος κίνδυνος πρόωρου λυγισμού των εξωτερικών διαμή-κων ράβδων, λόγω της μικρής διαμέτρου τους.

Αν, όμως, ληφθούν υπόψη ότι:

• οι εξωτερικές ράβδοι που υπόκεινται σελυγισμό είναι μικρό, μόνον, ποσοστό τουσυνολικού οπλισμού,

• οι συνθήκες συνάφειας των ράβδωναυτών είναι βελτιωμένες και

• η παρουσία των ενδιάμεσων εγκάρσιωνκαι διαμήκων ράβδων εν είδει δεύτερηςγραμμής άμυνας σε περίπτωσηαστοχίας (καθώς η αστοχία τωνδομικών στοιχείων είναι μια εξελικτικήδιαδικασία από την επιφάνεια προς τοεσωτερικό των στοιχείων),

Fc Fs

B c A [ε]

Δ. Μη Συμβατικά Υποσχόμενα Αντισεισμικά Υλικά

125

Page 5: H Υποσχόμενη Λύση του Χαλυβοσκυροδέματος για Αντισεισμικές Κατασκευές

ενδεχόμενος πρόωρος λυγισμός ακραίας διαμήκους ράβδου δεν θα επηρεάσει σημαν-τικά την υστερητική συμπεριφορά των στοιχείων και δεν θα αποδιοργανώσει τα στοιχεία, όπως στην περίπτωση των συμ-βατικών στοιχείων.

Στα συμβατικά στοιχεία από οπλισμένο σκυρόδεμα έναρξη λυγισμού διαμήκους ράβδου τους σηματοδοτεί και την αστοχία τους οδηγώντας σε επιταχυνόιμενη απώλεια της δυσκαμψίας και της φέρουσας ικανότητάς τους ως αποτέλεσμα της επιτα-χυνόμενης αποδιοργάνωσης τους στην πε-ριοχή του λυγισμού.

Απλούστερη η Διαδικασία Επισκευής

Για την επισκευή των συμβατικά οπλισμέ-νων υποστυλωμάτων απαιτείται αποφόρτι-σή τους και υποστύλωσή τους.

Για την επισκευή των υποστυλωμάτων από χαλυβοσκυρόδεμα δεν απαιτείται πλήρης αποφόρτισή τους, ούτε υποστύλωσή τους, καθώς η περιοχή αστοχίας περιορίζεται στο εξωτερικό, μόνον, τμήμα τους.

1.4 Η Λογική της Λύσης

1.4.1 Η ίδια Καμπτική Αντοχή Στοιχείων με τη Συμβατική και την Προτεινόμενη Όπλιση

Η διάταξη των διαμήκων ράβδων καθ΄ ύψος των φορέων ή διάσπαρτη σ΄όλη τη διατομή τους έρχεται σ΄αντίθεση με τη συμβατική απαίτηση για διάταξη του καμπτόμενου οπλισμού στα πέλματα των στοιχείων.

Η απαίτηση αυτή αποτελεί τον ακρογωνιαίο λίθο του καμπτικού σχεδιασμού των δομι-κών στοιχείων, όπως αυτός αναγράφεται στα κλασσικά εγχειρίδια οπλισμένου σκυ-ροδέματος και προδιαγράφεται στους σύγ-χρονους κανονισμούς.

Σύμφωνα με την κλασσική αυτή αντίληψη, η φέρουσα ικανότητα των στοιχείων με την εναλλακτική διάταξη του διαμήκους οπλι-σμού αναμένεται να είναι σημαντικά μειω-μένη, λόγω του μειωμένου μοχλοβραχίονα των εσωτερικών δυνάμεων.

Προσεκτικότερη, όμως, εξέταση αποκαλύ-πτει ότι η φέρουσα ικανότητα των στοιχείων

αυτών δεν υστερεί αυτής αντίστοιχων στοιχείων με συμβατική όπλιση.

Στο Σχ. 5 δίνονται τα διαγράμματα παρα-μορφώσεων και εσωτερικών δυνάμεων καθ΄ύψος της διατομής στην κατάσταση αστοχίας (α) για στοιχεία με τον διαμήκη οπλισμό στα πέλματά τους και (β) για στοιχεία με μέρος του διαμήκους οπλισμού ενδιάμεσα του ύψους τους.

Όπως προκύπτει από τα παραπάνω διαγράμ-ματα, επειδή το βάθος x της θλιβόμενης ζώνης είναι μικρό στην περίπτωση στοιχείων με συμμετρικό οπλισμό, οι ενδιάμεσες ράβ-δοι εφελκύονται το ίδιο με τις ακραίες ράβδους στα πέλματα των στοιχείων και, γι αυτό, η συμβολή τους στην καμπτική αντο-χή δεν είναι αμελητέα.

Η συμβολή των ενδιάμεσων ράβδων στην αύξηση της (συνισταμένης) εφελκυστικής δύναμης Fs1 στοιχείου με καθ΄ύψος διάταξη του διαμήκους οπλισμού εξισορροπεί, όπως φαίνεται στο Σχ. 5, τον μειωμένο μοχλο-βραχίονα z των εσωτερικών δυνάμεων με αποτέλεσμα η αναλαμβανόμενη ροπή να είναι ίδια μ΄αυτήν αντίστοιχου στοιχείου με τον διαμήκη οπλισμό στα πέλματα του στοιχείου.

εc Fs2

Αs/2 x Fc

Αs/2 z1

εs1 Fs1

(α) εc

Fs2 Fc F

z2

Fs1

(β)

ΜRdu(α)

= As/2.fsd.z1

ΜRdu(β)

= 3As/4.fsd.z2

Σχ. 1.5 Εσωτερικές δυνάμεις σε κατάσταση αστοχίας για (α) συμβατική όπλιση και (β) εναλλακτική όπλιση

Δ. Μη Συμβατικά Υποσχόμενα Αντισεισμικά Υλικά

126

Page 6: H Υποσχόμενη Λύση του Χαλυβοσκυροδέματος για Αντισεισμικές Κατασκευές

Η γενικευμένη πεποίθηση του τεχνικού κό-σμου για υποχρεωτική διάταξη του καμπτι-κού οπλισμού στα πέλματα των στοιχείων φαίνεται να πηγάζει από την παραδοχή ότι ο ουδέτερος άξονας των καμπτόμενων φορέων είναι στην περιοχή του μέσου της διατομής και, γι΄ αυτό, οι ενδιάμεσες ράβδοι είναι ανενεργές.

Η παραδοχή αυτή φαίνεται να έχει την προέλευσή της σε περιόδους κατά τις οποίες:

Ο σχεδιασμός των στοιχείων γινόταν σεκατάσταση λειτουργικότητας (με τη μέθοδοτων επιτρεπομένων τάσεων) και, γι΄ αυτό,λόγω της μικρής τιμής της ροπήςσχεδιασμού (που ήταν η ροπή των φορτίωνλειτουργίας και όχι η ροπή αστοχίας), τοβάθος της θλιβόμενης ζώνης προέκυπτεσημαντικό.

Ο θλιβόμενος οπλισμός των στοιχείωνπεριοριζόταν σ΄ αυτόν τηςσυναρμολόγησης των συνδετήρων(οπλισμός montage), και το πλάτος τωνδομικών στοιχείων ήταν σχετικά μικρό.

Στο σύγχρονο σχεδιασμό των κατασκευών ο θλιβόμενος οπλισμός και το πλάτος των στοιχείων έχουν σημαντικά αυξηθεί για λόγους πλαστιμότητας και, γι΄ αυτό, το βάθος της θλιβόμενης ζώνης έχει μειωθεί περαιτέρω.

Για παράδειγμα, σ’ ένα στοιχείο με διατομή 300Χ300 mm και συμμετρικό οπλισμό 4Φ14, ποιότητας S500 το βάθος της θλιβόμενης ζώνης για το φορτίο αστοχίας προκύπτει ίσο με 3,5 cm.

1.4.2 Πλεονεκτήματα για τη Διατμητική Συμπεριφορά

Οι διαμήκεις ράβδοι ενδιάμεσα του ύψους των στοιχείων δρουν για τη διατμητική ρηγμάτωση με τον ίδιο τρόπο που δρούν οι ακραίες διαμήκεις ράβδοι για την καμπτική ρηγμάτωση.

Mε την εμφάνιση της πρώτης τριχοειδούς (λοξής) διατμητικής ρωγμής ενδιάμεσα του ύψους των στοιχείων ενεργοποιούνται οι ενδιάμεσες διαμήκεις ράβδοι παρεμποδί-ζοντας την ανεξέλεκτη διεύρυνση και επέ-κταση της ρωγμής αυτής, επιτρέποντας έτσι την εμφάνιση κι άλλων διατμητικών ρωγμών.

Με τον τρόπο αυτό: Αυξάνει η διατμητική αντοχή των στοιχείων,

καθώς ενεργοποιούνται περισσότεροισυνδετήρες.

Η διατμητική αστοχία αποκτά πλάστιμοχαρακτήρα.

Σχ. 1. 5 Διατμητική ρηγμάτωση στοιχείων με διαμήκεις ράβδους (α) στα πέλματα και (β) καθ΄ύψος των στοιχείων

Eικόνα 1 Διατμητική ρηγμάτωση σε στοιχείο με διαμήκεις ράβδους καθ΄ύψος του

Σ΄αντίθεση με τους συνδετήρες, η διατ-μητική απόδοση των οποίων εξαρτάται σημαντικά από τη σχετική θέση τους ως προς τη μη επακριβώς καθορισμένη θέση της διατμητικής ρωγμής, η διατμητική από-δοση των ενδιάμεσων ράβδων είναι ανε-ξάρτητη από τη θέση εμφάνισης της διατμητικής ρωγμής, καθώς οι διαμήκεις ράβδοι εκτείνονται σ΄ όλο το μήκος των στοιχείων.

Επιπρόσθετα: Λόγω των μεγαλύτερων τιμών των

εσωτερικών δυνάμεων, το βάθος τηςθλιβόμενης ζώνης προκύπτει μεγαλύτερο και,γι αυτό, είναι μεγαλύτερη η διατμητικήσυμβολή του σκυροδέματος της θλιβόμενηςζώνης.

Λόγω του μεγαλύτερου βάθους τηςθλιβόμενης ζώνης αποφεύγεται ήκαθυστερείται η αστοχία συνάφειας κατά

(β)

(α)

Δ. Μη Συμβατικά Υποσχόμενα Αντισεισμικά Υλικά

127

Page 7: H Υποσχόμενη Λύση του Χαλυβοσκυροδέματος για Αντισεισμικές Κατασκευές

μήκος του θλιβόμενου οπλισμού η οποία χαρακτηρίζει τη διατμητική συμπεριφορά των συνήθων στοιχείων, καθώς οι θλιπτικές τάσεις της θλιβόμενης ζώνης κλείνουν τη διατμητική ρωγμή.

5. Λόγω της συνύπαρξης των ορθώνεφελκυστικών τάσεων των ενδιάμεσων(καθ΄ύψος) ράβδων, η κλίση της κύριαςεφελκυστικής τάσης στην περιοχή του μέσουτου ύψους του στοιχείου διατηρείται σταθερή,όπως φαίνεται στο σχήμα, με αποτέλεσμα νακαθυστερείται η οριζοντίωσή της πουπαρατηρείται στα συνήθη στοιχεία λόγωαπώλειας συνάφειας των ακραίων διαμήκωνράβδων και να ενεργοποιούνταιπερισσότεροι συνδετήρες για την ανάληψητης δρώσας τέμνουσας.

1.5 Πειραματική Διερεύνηση της Σεισμικής Συμπεριφοράς

Γραμμικών Στοιχείων Για τη διερεύνηση της συμπεριφοράς των κόμβων των δομικών στοιχείων με την προτεινόμενη όπλιση υποβλήθηκαν σε εν-αλλασσόμενη επιπόνηση αμφιέρειστα πειρα-ματικά στοιχεία σε διάταξη που στήθηκε στο εργαστήριο σκυροδέματος του ΕΜΠ στα πλαίσια διπλωματικών εργασιών της περιό-δου 1981-1983 και 1998-2001.

1.5.1 Πειραματικά Στοιχεία

Το πειραματικό πρόγραμμα περιλαμβάνει δοκιμασία σε εναλλασσόμενη επιπόνηση δύο ομάδων αμφιέρειστων πειραματικών στοι-χείων μήκους 2200 mm με συμμετρικό δια-μήκη οπλισμό.

• Η πρώτη ομάδα περιλαμβάνει:

Δέκα στοιχεία διατομής 300 X 300 mm σχεδιασμένα για καμπτική αστοχία με ίδιο εγκάρσιο οπλισμό, αλλά με τέσσερις διαφορετικές διατάξεις του διαμήκους οπλισμού όπως φαίνεται στον Πίνακα1.διαφορετική διάταξη του διαμήκους οπλισμού.

Ο εγκάρσιος οπλισμός αποτελείται από συνδετήρες διαμέτρου 8 mm σ΄απόσταση 100 mm.

Η διάταξη του διαμήκους οπλισμού φαίνεται στον Πίνακα 1.

Πίνακας 1: Στοιχεία Πρώτης Ομάδας

α/α

Nr

Διάταξη Οπλισμού

Διαμήκης οπλισμός

ρ≈ 0.6% ρ≈ 1.0%

Ν1

Ν2

Ν3

4 Ø.14

6 Ø 14

4 Ø 16

Ε1

Ε1α

8 Ø 10

8 Ø 12

Ε2

Ε2α

12 Ø 8

8 Ø 12

Ε2β 4 Ø 14

+ 4 Ø 10

Ε3 4 Ø 14

+ 4 Ø 10

Ε4 4 Ø 10

+ 4 Ø 14

Η αντοχή του σκυροδέματος κατά τη δο-κιμασία των στοιχείων εκτιμήθηκε 28 MPa.

Δ. Μη Συμβατικά Υποσχόμενα Αντισεισμικά Υλικά

128

Page 8: H Υποσχόμενη Λύση του Χαλυβοσκυροδέματος για Αντισεισμικές Κατασκευές

• Η δεύτερη ομάδα περιλαμβάνει:

Δύο στοιχεία σχεδιασμένα για καμπτοδια-τμητική αστοχία διατομής 300x300 mm:

Το στοιχείο Ο.Σ με συμβατική όπλισηαποτελούμενη από έξι διαμήκεις ράβδουςδιαμέτρου 16 mm με τάση διαρροής590 MPa, τρεις σε κάθε πέλμα τουστοιχείου, και συνδετήρες διαμέτρου 8mm με τάση διαρροής 590 ΜPa σεαπόσταση 100 mm.

Το στοιχείο Χ.Σ με εναλλακτική όπλισηαποτελούμενη από τρεις συμβατικούςκλωβούς οπλισμού διαφορετικούμεγέθους οι οποίοι τοποθετήθηκαν οένας μέσα στον άλλο.

Κάθε κλωβός αποτελείται από οκτώδιαμήκεις ράβδους διαμέτρου 8 mm μετάση διαρροής 590 MPaισοκατανεμημένες στην περίμετρο καισυνδετήρες διαμέτρου 6 mm με τάσηδιαρροής 390 MPa σ΄απόσταση 100mm.

Το μηχανικό ποσοστό του συνολικού διαμήκη και εγκάρσιου οπλισμού είναι ίδιο και στα δύο στοιχεία.

Πίνακας 2: Στοιχεία Δεύτερης Ομάδας

1.5.2 Πειραματική Διάταξη και Πειραματική Διαδικασία

Τα στοιχεία αναρτήθηκαν αμφιέρειστα από

τα ζυγώματα χαλύβδινων πλαισίων πακτω-μένων στο δάπεδο δοκιμασίας του εργα-

στηρίου σκυροδέματος του ΕΜΠ, όπως φαίνεται στο Σχ 6 και την Εικόνα 2.

.

Για την επιβολή της εναλλασσόμενης μετα-τόπισης χρησιμοποιήθηκε γρύλος MTS (500 kΝ) ο οποίος πακτώθηκε στο δάπεδο δοκιμών.

Σχ. 1.6 Πειραματική διάταξη

Εικόνα 2 Πειραματική διάταξη για γραμμικά στοιχεία

.

Για την επιβολή της εναλλασσόμενης μετα-τόπισης χρησιμοποιήθηκε γρύλος MTS (500 kΝ) ο οποίος πακτώθηκε στο δάπεδο δοκιμών.

Εμετρούντο το βέλος στο μέσον του ανοίγ-ματος των στοιχείων και η δύναμη από-κρισης.

Τα στοιχεία υποβάλλοντο αρχικά σε τρεις έως τέσσερις ανακυκλήσεις μικρής στάθμης για σταθεροποίηση της πειραματικής διάτα-ξης και έλεγχο των μετρητικών οργάνων και στη συνέχεια σε ανακυκλήσεις σε στάθμη επιπόνησης η οποία αντιστοιχούσε σε τιμή του δείκτη πλαστιμότητας ίση με μ=3.

ΧΣ 24Φ8

ΟΣ 6Φ16

Δ. Μη Συμβατικά Υποσχόμενα Αντισεισμικά Υλικά

129

Page 9: H Υποσχόμενη Λύση του Χαλυβοσκυροδέματος για Αντισεισμικές Κατασκευές

Για την τήρηση σταθερής της ταχύτητας επιπόνησης καθ’ όλη την διάρκεια του πειράματος, ίσης περίπου με 0.2 mm/sec, (λόγω της ιδιαίτερης επιρροής της στη μετελαστική συμπεριφορά των στοιχείων), η παρακολούθηση της εξέλιξης των ρωγ-μών γινόταν με διαδοχική φωτογράφιση και βιντεοσκόπηση.

Η τήρηση του προγράμματος επιπόνησης γινόταν με οδηγό το διάγραμμα συμπερι-φοράς, (διάγραμμα δύναμης-βέλους), σε καταγραφικό δύο αξόνων συνδεδεμένο με τον γρύλο (βλ. Εικόνα 3).

Εικόνα 3 Καταγραφικό δύο αξόνων

Ως στάθμη διαρροής του χάλυβα ορίζετο η στάθμη απότομης κλίσης του διαγράμματος συμπεριφοράς.

1.5.3 Πειραματικά Αποτελέσματα

Στον Πίνακα 3 δίνονται οι πειραματικές και υπολογιστικές τιμές του φορτίου αστοχίας των στοιχείων και στο Σχ. 7 και 9 δίνονται οι καμπύλες συμπεριφοράς των πειραματι-κών στοιχείων όπως καταγράφηκαν στο καταγραφικό δύο αξόνων το συνδεδεμένο με τη διάταξη δοκιμασίας.

Από τη σύγκριση των τιμών του φορτίου αστοχίας και των διαγραμάτων συμπεριφο-ράς προκύπτουν τα παρακάτω:

Φέρουσα ικανότητα και μονότονησυμπεριφορά

Όπως φαίνεται από τον Πίνακα 3, τόσο τα στοιχεία με τη συμβατική όπλιση, όσο και τα αντίστοιχα στοιχεία με την εναλλακτική όπλιση, εμφανίζουν την ίδια περίπου τιμή του μέγιστου φορτίου και όπως φαίνεται

Πιν. 3 Πειραματικά και Υπολογιστικά Φορτία Αστοχίας .Pu

α/α Διάταξη οπλισμού

Πειρ.Pu [kN]

ρ≈0.6 ρ≈1.0 Υπολ.

Pu

Ν1

Ν2

Ν3

129

-

-

-

163

159

115 -

169

154

Ε1

Ε1α

135

-

-

145

117 -

158

Ε2

Ε2α

119

-

-

149

113 -

160

Ε2β - 169 170

Ε3 - 181 159

Ε4 - 180 154

Δ. Μη Συμβατικά Υποσχόμενα Αντισεισμικά Υλικά

130

Page 10: H Υποσχόμενη Λύση του Χαλυβοσκυροδέματος για Αντισεισμικές Κατασκευές

από τα διαγράμματα συμεπριφοράς την ίδια περίπου παραμορφωσιακή συμπεριφορά στον παρθενικό κύκλο επιπόνησης.

Μικρή διαφοροποίηση των διαγραμμάτων συμπεριφοράς στον παρθενικό κλάδο των στοιχείων με την εναλλακτική όπλιση απο-τελεί η ασαφής διαρροή και η μικρότερη κράτυνση του διαγράμματος μετά τη διαρ-ροή.

Η παρόμοια φέρουσα ικανότητα των στοι-χείων με την εναλλακτική όπλιση είναι, όπως αναπτύχθηκε στο κεφ. 1.4.1, αναμε-νόμενη.

Σχ 1.7 Διαγράμματα Ρ-δ πειραματικών στοιχείων πρώτης ομάδας

Η ασαφής διαρροή και η μικρότερη κράτυν-ση στα διαγράμματα των στοιχείων με την εναλλακτική όπλιση φαίνεται να αντανακλά τη σταδιακή διαρροή των ενδιάμεσων δια-

μήκων ράβδων τους, λόγω της διαφο-ρετικής παραμόρφωσής τους.

Υστερητική συμπεριφορά

Η υστερητική συμπεριφορά των στοιχείων με την εναλλακτική όπλιση εμφανίζει, όπως φαίνεται από τη σύγκριση των διαγραμ-μάτων συμπεριφοράς, δύο διακριτές δια-φορές απ’ αυτήν των αντίστοιχων στοι-χείων με τη συμβατική όπλιση:

Μεγαλύτερη πτώση του μέγιστουφορτίου μεταξύ παρθενικού και πρώτουκύκλου επιπόνησης και

Σημαντικά μεγαλύτερη σταθερότητα τωνυστερητικών κύκλων, ιδιαίτερα σταστοιχεία Ε4 και ΧΣ, τα οποία φαίνεται ν’αντέχουν πρακτικά άπειρους κύκλουςεπιπόνησης.

Η μείωση της καμπτικής αντοχής μετά την ανακύκληση της επιπόνησης προκύ-πτει γιατί:

μετά την ανακύκληση οι καμπτικές ρωγμές εκτείνονται σ΄ όλο το ύψος των στοιχείων και γιαυτό η εγκάρσια διατομή του φορέα στην κρίσιμη θέση (θέση ρωγμής) συνίσταται μόνον στη διατομή των ράβδων του διαμήκους οπλισμού.

1 εc Fs2= Αs/2.fs

z1

εs1 Fs1= Αs/2.fs2 ε1 = ε2 (α)

1 ε1

z2

Fs1

2 ε2 ε1 = ε2 (β)

Σχ. 1.8 Εσωτερικές δυνάμεις σε κατάσταση αστοχίας μετά την ανακύκληση για διάταξη (α) κατά πλάτος και (β) καθ΄ ύψος της διατομής

Δ. Μη Συμβατικά Υποσχόμενα Αντισεισμικά Υλικά

131

Page 11: H Υποσχόμενη Λύση του Χαλυβοσκυροδέματος για Αντισεισμικές Κατασκευές

Επειδή η διάταξη του διαμήκους οπλισμού είναι συμμετρική, το διάγραμμα των τάσεων καθ΄ ύψος της διατομής είναι συμμετρικό και ο ουδέτερος άξονας θα είναι στη θέση του μέσου του ύψους του φορέα, όπως φαίνεται στο Σχ. 8.

Στην περίπτωση στοιχείων με τον διαμήκη οπλισμό στα πέλματα δεν προκύπτει δια-κριτή διαφοροποίηση της καμπτικής αντοχής μετά την ανακύκληση, καθώς, όπως φαίνεται στο Σχ. 8(α), δεν μεταβάλλεται το μέγεθος των εσωτερικών δυνάμεων και η μεταβολή του μοχλοβραχίονα των εσωτε-ρικών δυνάμεων είναι αμελητέα.

Στην περίπτωση, όμως, στοιχείων με μέρος του διαμήκους οπλισμού καθ΄ ύψος της δια-τομής προκύπτει σημαντική μείωση της καμπτικής αντοχής καθώς, όπως φαίνεται στο Σχ. 8(β), μειώνεται και το μέγεθος και ο μοχλοβραχίονας των εσωτερικών δυνάμε-ων.

Η μείωση της καμπτικής αντοχής που εντο-πίστηκε παραπάνω δεν λαμβάνεται υπόψη στους κανονισμούς και εκτιμάται ότι αποτελεί τη βασική αιτία που επανειλημμένα παρατηρείται στις κατασκευές αστοχία υποστυλωμάτων, μολονότι έχουν τηρη-θεί οι απαιτήσεις των κανονισμών για ικανοτικό σχεδιασμό των υποστυλω-μάτων ώστε να αστοχήσουν οι δοκοί.

Στην πλειονότητά τους τα υποστυλώματα στις κατασκευές έχουν μέρος του διαμήκους οπλισμού τους ενδιάμεσα του ύψους της διατομής τους ως:

οπλισμό για καμπτική (σεισμική)επιπόνηση προς την κάθετη διεύθυνση,

οπλισμό συναρμολόγησης για τονπροσθετο οπλισμό «περίσφιξης» πουπροβλέπεται από τον κανονισμό και στηνπερίπτωση κυκλικών υποστυλωμάτωνλόγω κυκλικού σχήματος της διατομήςτους

Κατά τον ικανοτικό σχεδιασμό των υποστυ-λωμάτων σε κάμψη η καμπτική αντοχή τόσο των δοκών όσο και των υποστυλωμάτων τίθεται ίση μ΄ αυτή της μονότονης επιπό-νησης.

Όπως σχολιάστηκε παραπάνω, ενώ για τις δοκούς (η συμβατική διάταξη του οπλισμού είναι στα πέλματα) η παραδοχή αυτή είναι ορθή,

προκειμένου για τα υποστυλώματα είναι λανθασμένη. Υπερτιμά την αντοχή τους.

Με την προτεινόμενη όπλιση, ηπτώση του φορτίου μετά τηνανακύκληση της επιπόνησης συμβαίνεικαι στο υποστύλωμα και στη δοκό καιδεν προκύπτει πρόβλημα στον ικανοτικό σχεδιασμό του κόμβου.

Η μεγαλύτερη σταθερότητα των υστερη-τικών κύκλων των στοιχείων με την εν-αλλακτική όπλιση είναι στο κεφ. 1.2, αναμενόμενη:

Το στοιχείο ΧΣ εμφάνισε πρόωρολυγισμό μίας από τις εικοσιτέσσεριςράβδους του, η οποία, όμως, δενφάνηκε να επηρέασε διακριτά τημετέπειτα συμπεριφορά του στοιχείου,ενώ

Στο στοιχείο ΟΣ ο λυγισμός της μίας απότις έξι ράβδους του το οδήγησε σεπροοδευτική μείωση της δυσκαμψίας καιτης φέρουσας ικανότητάς τουσηματοδοτώντας την τελική αστοχία του.

Σχ. 1.9 Διαγράμματα Ρ-δ πειραματικών στοιχείων δεύτερης ομάδας

Δ. Μη Συμβατικά Υποσχόμενα Αντισεισμικά Υλικά

132

Page 12: H Υποσχόμενη Λύση του Χαλυβοσκυροδέματος για Αντισεισμικές Κατασκευές

1.6 Πειραματική Διερεύνηση Κόμβων με την Προτεινόμενη Όπλιση Για τη διερεύνηση της συμπεριφοράς των κόμβων των δομικών στοιχείων με την προτεινόμενη όπλιση υποβλήθηκαν σε εν-αλλασσόμενη επιπόνηση δύο ημιπλαίσια, το ΟΣ και ΧΣ, μορφής Τ, όπως φαίνεται στο Σχ. 10, σε διάταξη που στήθηκε στο εργαστήριο σκυροδέματος του ΕΜΠ στα πλαίσια διπλωματικών εργασιών της περιό-δου 2000-2002.

Πειραματικό πρόγραμμα

Τα πειραματικά ημιπλαίσια μπορούν να ειδωθούν ως το τμήμα μονώροφων πολύ-στυλων ή πολυώροφων δίστυλων πλαισίων το οριοθετούμενο εκατέρωθεν του κόμβου από τα σημεία μηδενισμού των ροπών, όπως φαίνεται στο Σχ. 10.

P P

Σχ. 1.10 Αντιστοιχία πειραματικών πλαισίων και κατασκευής

Τα δύο ημιπλαίσια έχουν: • Ίδιες γεωμετρικές διαστάσεις,• Ίδιο συνολικό διαμήκη• Ϊδιο εγκάρσιο οπλισμό

• Διαφορετική διάταξη του οπλισμού σταγραμμικά μέλη τους καθώς καιδιαφορετική όπλιση στον κόμβο, όπωςφαίνεται στο Σχ. 11 και την Εικόνα 4.

Στο ημιπλαίσιο ΧΣ συνδυάζεται χαλυβο-σκυρόδεμα στο κατακόρυφο μέλος και συμ-βατική διάταξη στα οριζόντια μέλη.

Δεν διατάσσεται πρόσθετος διατμητικός ο-πλισμός στον κόμβο.

Σχ. 1.11 Όπλιση πειραματικών ημιπλαισίων

Στο ημιπλαίσιο ΟΣ συνδυάζεται συμβατική όπλιση στο κατακόρυφο μέλος, καθύψος διάταξη του διαμήκους οπλισμού στα ορι-ζόντια μέλη.

Διατάσσεται πρόσθετος δισδιαγώνιος οπλι-σμός στον κόμβο.

Δ. Μη Συμβατικά Υποσχόμενα Αντισεισμικά Υλικά

133

Page 13: H Υποσχόμενη Λύση του Χαλυβοσκυροδέματος για Αντισεισμικές Κατασκευές

Δεν υιοθετείται στο ζύγωμα τουημιπλαισίου ΟΣ η συμβατική διάταξη τουδιαμήκους οπλισμού κατά πλάτος για νααποφευχθεί η πρόωρη αστοχία τουστύλου (βλ. Κεφ. 1.5.3).

Ο διατμητικός οπλισμός του κόμβου διαμορ-φώνεται:

Στο ημιπλαίσιο ΧΣ από τον οπλισμό τουκατακόρυφου μέλους, χωρίς νασυνεχίζονται στον κόμβο οι συνδετήρεςτων οριζόντιων μελών και χωρίς άλλονπρόσθετο οπλισμό,

Στο ημιπλαίσιο ΟΣ από τον οπλισμό τουκατακόρυφου μέλους οι συνδετήρες τουοποίου συνεχίζονται και μέσα στονκόμβο, από τις ενδιάμεσες διαμήκειςράβδους των οριζόντιων μελών και απόπρόσθετον δισδιαγώνιο οπλισμό.

• Ο δυσμενέστερος σχεδιασμός τουκόμβου στο ημιπλαίσιο ΧΣ απ΄αυτόν τηςπροτεινόμενης λύσης (δεν υπάρχει ηδιατμητική συμβολή των ενδιάμεσωνδιαμήκων ράβδων του ζυγώματος) και οευμενέστερος σχεδιασμός του κόμβουστο ημιπλαίσιο αναφοράς ΟΣ απ΄αυτόντης συμβατικής λύσης υιοθετήθηκε ώστενα αυξηθεί η αξιοπιστία τωνσυμπερασμάτων από τη σύγκρισητης συμπεριφοράς των δύοπλαισίων, καθώς δεν ήταν δυνατή ηδοκιμασία περισσότερων πειραματικώνπλαισίων.

Επίσης, για μεγαλύτερη αξιοπιστία στη σύγκριση των πειραματικών πλαισίων:

• Υιοθετείται εξωτερική αγκύρωση τωνδιαμήκων ράβδων των κατακόρυφωνμελών, όπως φαίνεται στο Σχ. 11, ώστενα μην υπεισέλθουν αστάθμητοιπαράγοντες από ενδεχομένωςδιαφορετικές συνθήκες αγκύρωσης τωνράβδων στα δύο πλαίσια.

Διαστασιολόγηση ΠειραματικώνΗμιπλαισίων

Οι γεωμετρικές διαστάσεις των ημιπλαισίων είναι:

• Οριζόντια μέλη: 250X350 mm• Κατακόρυφα μέλη: 350x350 mm

ΟΣ

ΧΣ

Εικόνα 4 Οπλισμός ημιπλαισίων

Επίσης, για μεγαλύτερη αξιοπιστία στη σύγ-κριση των πειραματικών πλαισίων:

• Υιοθετείται εξωτερική αγκύρωση τωνδιαμήκων ράβδων των κατακόρυφωνμελών, όπως φαίνεται στο Σχ. 11, ώστενα μην υπεισέλθουν αστάθμητοιπαράγοντες από ενδεχομένωςδιαφορετικές συνθήκες αγκύρωσης τωνράβδων στα δύο πλαίσια.

Διαστασιολόγηση ΠειραματικώνΗμιπλαισίων

Οι γεωμετρικές διαστάσεις των ημιπλαισίων είναι:

• Οριζόντια μέλη: 250X350 mm• Κατακόρυφα μέλη: 350x350 mmΟ διαμήκης οπλισμός των οριζόντιων με-λών των πλαισίων αποτελείται από: • Hμιπλαίσιο ΧΣ: 4Φ14 στα πέλματα• Ημιπλαίσιο ΟΣ: 8Φ10 καθύψος της

διατομής

Δ. Μη Συμβατικά Υποσχόμενα Αντισεισμικά Υλικά

134

Page 14: H Υποσχόμενη Λύση του Χαλυβοσκυροδέματος για Αντισεισμικές Κατασκευές

Ο διαμήκης οπλισμός του κατακόρυφου μέλους, αποτελείται από:

• Ημιπλαίσιο ΟΣ: 6Φ16 στα πέλματα τουστοιχείου

• Ημιπλαίσιο ΧΣ: 24Φ8 σε τρεις κλωβούςοπλισμού διαφορετικού μεγέθους μεοκτώ διαμήκεις ράβδους διαμέτρου 8mm ο κάθε κλωβός, οι οποίοιτοποθετούνται ο ένας μέσα στον άλλο(εν είδει ρώσικης κούκλας).

Ο εγκάρσιος οπλισμός των οριζόντιων μελών αποτελείται από:

• Ημιπλαίσιο ΟΣ: Φ8/100

• Ημιπλαίσιο ΧΣ: Φ8/100

Ο εγκάρσιος οπλισμός των κατακόρυφων μελών αποτελείται από:

• Ημιπλαίσιο ΟΣ: Φ8/100

• Ημιπλαίσιο ΧΣ: Φ6/100

Η τάση διαρροής του οπλισμού με διάμετρο 8 mm μετρήθηκε ίση με 590 MPa και των ράβδων με διάμετρο 6 mm ίση με 390 MΡa.

Η αντοχή του σκυροδέματος κατά την δοκιμασία των πλαισίων εκτιμήθηκε στα MΡa.

Τα επί μέρους μέλη των πλαισίων σχεδιά-στηκαν για σχεδόν ταυτόχρονη αστοχία με τη ροπή αστοχίας του κατακόρυφου μέλους να υπολείπεται κατά τι αυτής του αθροίσματος του αθροίσματος των ροπών αστοχίας των οριζόντιων μελών ώστε να συγκρίνουμε την επιρροή της διαφορετικής όπλισης των στύλων των υμιπλαισίων στη εναλλασσόμενη επιπόνησή τους.

Πειραματική διάταξη και μεθόδευσηδοκιμών

Τα ημιπλαίσια αναρτήθηκαν από τα ζυγώ-ματα δύο χαλύβδινων πλαισίων πακτωμέ-νων στο δάπεδο δοκιμών του εργαστηρίου σκυροδέματος του ΕΜΠ,

Στηρίχθηκαν αμφιέρειστα στα άκρα των οριζοντίων μελών τους, όπως φαίνεται στο Σχ. 12 και την Εικόνα 4.

Η επιπόνηση, με τη μορφή επιβαλλόμενης μετακίνησης, επιβλήθηκε στην περιοχή του άκρου του κατακόρυφου μέλους μέσω ορι-ζόντιου γρύλου MTS δυναμικότητας 500 KN

πακτωμένου σε ανεξάρτητο χαλύβδινο στύ-λο. Μέσω ειδικής διάταξης παρεμποδίζονταν η οριζόντια μετακίνηση των πλαισίων.

Σχ. 1.12 Πειραματική διάταξη

Εικόνα 5 Πειραματική διάταξη

Τα ημιπλαίσια υποβάλλοντo αρχικά σε τρεις–τέσσερις ανακυκλήσεις μικρής στά-θμης για τη σταθεροποίηση της πειρα-ματικής διάταξης και έλεγχο των μετρη-τικών οργάνων και στη συνέχεια σε ανα-κυκλήσεις σε στάθμη επιπόνησης αντί-στοιχης σε τιμή του δείκτη πλαστιμότητας ίση με μ=2.

Για την τήρηση σταθερής της ταχύτητας επιπόνησης καθόλη την διάρκεια του πειράματος, ίσης με 0.2 mm/sec, η παρα-κολούθηση της εξέλιξης των ρωγμών γινόταν με διαδοχική φωτογράφιση και βιντεοσκόπηση.

Δ. Μη Συμβατικά Υποσχόμενα Αντισεισμικά Υλικά

135

Page 15: H Υποσχόμενη Λύση του Χαλυβοσκυροδέματος για Αντισεισμικές Κατασκευές

Η τήρηση του προγράμματος επιπόνησης γινόταν με οδηγό το διάγραμμα συμπερι-φοράς, (δύναμης-βέλους), σε καταγραφικό δύο αξόνων συνδεδεμένο με τα μετρητικά όργανα. Ως στάθμη διαρροής του χάλυβα ορίζετο η στάθμη απότομης κλίσης του διαγράμματος συμπεριφοράς.

Πειραματικά Αποτελέσματα καιΑξιολόγηση

Στο Σχ. 13 δίνονται τα διαγράμματα Ρ-δ των πειραματικών ημιπλαισίων, όπως προέκυ-ψαν από το καταγραγραφικό δύο αξόνων.

Οι αρχικές ρωγμές εμφανίστηκαν και στα δύο ημιπλαίσια στα οριζόντια μέλη στις διατομές εκατέρωθεν του κόμβου με τη μορφή καμπτικών ρωγμών.

Με την εξέλιξη της επιπόνησης εμφανί-στηκαν καμπτικές ρωγμές στο κατακόρυφο μέλος του ΧΣ και καμτοδιατμητικές στο κατακόρυφο μέλος του ΟΣ.

Εικόνα 6 Εικόνα ρηγμάτωσης ημιπλαισίου ΧΣ

Μετά τον πρώτο κύκλο επιπόνησης, στο ημιπλαίσιο ΟΣ εμφανίστηκε στην περιοχή του κόμβου διακριτή κεκλιμένη ρωγμή η οποία εξελίχθηκε σε δίκτυο δισδιαγώνιων ρωγμών.

Στο πλαίσο ΧΣ στην περιοχή του κόμβου δεν παρατηρήθηκε διακριτή λοξή ρηγμά-τωση, αλλά, όπως φαίνεται στην Εικόνα 1, η μορφή αστοχίας μετά από δέκα ανακυ-

κλήσεις της επιπόνησης είναι καμπτική στο κατακόρυφο μέλος.

Η υστερητική συμπεριφορά του ημιπλαισίου ΧΣ συγκρινόμενη μ’ αυτήν του ΟΣ εμφά-νισε, ως ανεμένετο (βλ. Κεφ.1.5.3):

• Μεγαλύτερη πτώση του μέγιστουφορτίου μετά τον παρθενικό κύκλο

Σημαντικά μεγαλύτερη σταθερότητα τωνυστερητικών κύκλων, διατηρώνταςσταθερή την φέρουσα ικανότητα, τηνδυσκαμψία και την ικανότηταμετασχηματισμού ενέργειας μετά απόπερισσότερους από δέκα κύκλους

Σχ. 1.13 Διαγράμματα Ρ-δ πειραματικών ημιπλαισίων

Το ημιπλαίσιο ΟΣ εμφάνισε προοδευτική απομείωση της δυσκαμψίας και της φέρου-σας ικανότητάς του, αντέχοντας τέσσερις μόνον κύκλους επιπόνησης, παρά:

την πρόσθετη διατμητική συμβολή τωνενδιάμεσων διαμήκων ράβδων τωνοριζόντιων μελών του, η οποίααποδείχθηκε ανεπαρκής ως διατμητικήόπλιση του κόμβου,

τις πρόσθετες δισδιαγώνιες ράβδους

τις καλύτερες συνθήκες συνάφειας,λόγω της μικρότερης διαμέτρου τωνδιαμήκων ράβδων των οριζόντιων μελώντου.

Δ. Μη Συμβατικά Υποσχόμενα Αντισεισμικά Υλικά

136