Λειτουργία και οπλισμός δοκών και υποστυλωμάτων
Το πλαίσιο της εικόνας αποτελείται από δύο υποστυλώματα και μία δοκό και καταπονείται μόνο από φορτία βαρύτητας, δεν καταπονείται δηλαδή από σεισμό.
Στη συνέχεια φαίνονται οι παραμορφώσεις και οι ρηγματώσεις του σκυροδέματος. Αναπαρίστανται σε πολύ μεγάλη κλίμακα, για να γίνει κατανοητή η λειτουργία των στοιχείων. Στην πραγματικότητα είναι τόσο μικρές, ώστε δεν φαίνονται με το μάτι.
Σε όσα σημεία του πλαισίου υπάρχει εφελκυσμός, εμφανίζονται ρηγματώσεις στο σκυρόδεμα και γι’ αυτό στα σημεία αυτά τοποθετείται ο αναγκαίος οπλισμός. Όταν οι ρηγματώσεις είναι εγκάρσιες ως προς τον άξονα του στοιχείου, τοποθετείται διαμήκης οπλισμός, δηλαδή ράβδοι, για να εμποδίσουν τη διεύρυνση αυτών των τριχοειδών ρηγματώσεων. Όταν οι ρηγματώσεις είναι λοξές, τοποθετείται εγκάρσιος οπλισμός, δηλαδή συνδετήρες, για να τις περιορίσουν.
Αν δεν προβλέπεται να αναπτυχθούν και σεισμικές εντάσεις στο πλαίσιο, πέραν των εντάσεων που προκαλούν τα φορτία βαρύτητας, οι λοξές ρηγματώσεις θα μπορούσαν να αντιμετωπισθούν και με λοξό οπλισμό.
Το πλαίσιο της επόμενης εικόνας είναι ίδιο με το προηγούμενο και σε όλη τη διάρκεια της ζωής του έργου θα λειτουργεί με τον προηγούμενο τρόπο, εκτός από λίγα δευτερόλεπτα που θα διαρκέσει ο σεισμός.
Κατά τη διάρκεια ενός σεισμού προκαλούνται κυρίως οριζόντιες μετακινήσεις, οι οποίες δημιουργούν οριζόντιες αδρανειακές δυνάμεις, δηλαδή τις δυνάμεις που οφείλονται στην απότομη αλλαγή της κινητικής κατάστασης του σώματος.
Δίστυλο αντισεισμικό πλαίσιο
<μελέτη: frame1> Δίστυλο αντισεισμικό πλαίσιο
<μελέτη: frame1>
Κατά τη διάρκεια του σεισμού, οι οριζόντιες δυνάμεις που εξασκούνται αλλάζουν διαρκώς κατεύθυνση. Αυτό έχει ως συνέπεια να αλλάζει διαρκώς η λειτουργία του πλαισίου, με αποτέλεσμα οι εφελκυστικές τάσεις και η συνέπεια τους, οι ρηγματώσεις, να αλλάζουν διαρκώς και θέση και κατεύθυνση. Αυτή η εναλλαγή είναι που κάνει το πρόβλημα της αντιμετώπισης του σεισμού τόσο δύσκολο και την επιστήμη και την τέχνη της όπλισης του σκελετού τόσο κρίσιμες σε κάθε σεισμική περιοχή.
Βασικοί κανόνες όπλισης αντισεισμικού σκελετού
Από τον τρόπο λειτουργίας της κατασκευής προκύπτουν οι παρακάτω ανάγκες -κανόνες τοπο-θέτησης του οπλισμού:
(α) οι ράβδοι πρέπει να τοποθετούνται συμμετρικά σε όλη την περίμετρό τους, επειδή ο εφελκυσμός, άρα και οι ρηγματώσεις, αλλάζουν διαρκώς φορά.
(β) χρειάζεται πολύς εγκάρσιος οπλισμός από ισχυρούς και καλά κλειστούς συνδετήρες. Ο οπλισμός αυτός εξασφαλίζει από τις μεγάλες λοξές ρηγματώσεις εναλλασσόμενης φο-ράς, που οφείλονται στον λοξό εφελκυσμό (ή αλλιώς στη διάτμηση).
Αναπαράσταση λειτουργίας δίστυλου πλαισίου κατά τη διάρκεια του σεισμού Αναπαράσταση λειτουργίας δίστυλου πλαισίου κατά τη διάρκεια του σεισμού
(α) οι κάτω ράβδοι πρέπει να αγκυρώνονται το ίδιο ικανοποιητικά, όπως και οι πάνω, επειδή ο εφελκυσμός και οι επακόλουθες εγκάρσιες ρηγματώσεις, αλλάζουν θέση και περιοχή με την εναλλαγή του σεισμού, με αποτέλεσμα, σε κρίσιμους σεισμούς, να εμφανίζεται εφελκυσμός και στις κάτω ίνες των στηρίξεων.
(β) απαιτείται ισχυρός εγκάρσιος οπλισμός με πυκνούς και καλά κλειστούς συνδετήρες, επειδή η ένταση του λοξού εφελκυσμού και επομένως οι λοξές ρηγματώσεις, είναι μεγάλες και αλλάζουν φορά κατά τη διάρκεια του κρίσιμου σεισμού.
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 θέλου-με να έχουμε δύο γραμμές άμυνας:
1η γραμμή 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.
2η γραμμή άμυνας: 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 ικανοτικής αντοχής των κολονών.
Στη δεύτερη γραμμή άμυνας, η οποιαδήποτε αστοχία, θέλουμε να είναι λόγω κάμψης, που είναι πλαστικής συμπεριφοράς και όχι διατμητική αστοχία, που είναι ψαθυρής συμπεριφοράς (δηλαδή απότομης θραύσης).
Ενώ με το σχεδιασμό του κτιρίου έναντι ισχυρού σεισμού, που γίνεται με την επιλογή μεγάλου σεισμικού συντελεστή, αποφεύγουμε την εκτεταμένη αστοχία, με την επίτευξη πλαστιμότητας και ικανοτικής αντοχής, εξασφαλίζουμε την τοπική αστοχία. Η τοπική αστοχία μπορεί να συμβεί για πάρα πολλούς λόγους, και αν συμβεί, είναι πολύ πιθανό να οδηγήσει σε διαδοχική συνολική αστοχία.
Η ανάγκη πλαστιμότητας των δομικών στοιχείων
Τόσο στα υποστυλώματα όσο και στις δοκούς, στις περιοχές των στηρίξεων, υπάρχει ανάγκη τοποθέτησης ιδιαίτερα πυκνών συνδετήρων, οι οποίοι είναι αναγκαίοι, όχι μόνο για την παραλαβή του λοξού εφελκυσμού, αλλά και για την εξασφάλιση ισχυρής πλαστιμότητας, που είναι αναγκαία σε περίπτωση ισχυρών σεισμών.
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 σεισμό έντασης μεγαλύτερης της σχεδιαζόμενης, ένα μόνο στοιχείο, το πιο ευάλωτο, θα εξαντλήσει πρώτο την αντοχή του. Αν το στοιχείο αυτό είναι πλάστιμο, θα συνεχίσει να φέρει τα φορτία που μπορεί και θα δώσει τη δυνατότητα στο δεύτερο πιο ευάλωτο στοιχείο να συνεισφέ-ρει την αντοχή του και αν αυτό είναι επίσης πλάστιμο, θα δώσει τη δυνατότητα και στο επόμενο πιο ευάλωτο στοιχείο και έτσι, διαδοχικά, θα δίνεται η δυνατότητα σε όλα τα στοιχεία να συνει-σφέρουν την αντοχή τους.
Δηλαδή, αν όλα τα στοιχεία του σκελετού είναι πλάστιμα, η αντοχή του κτιρίου θα εξαρτάται από την αντοχή του συνόλου των στοιχείων του σκελετού, ενώ σε αντίθετη περίπτωση, η αντοχή του κτιρίου θα εξαρτάται μόνο από την αντοχή του πλέον ευάλωτου στοιχείου του σκελετού.
Η πλαστιμότητα, δηλαδή η δυνατότητα παραμόρφωσης του στοιχείου πέραν του ορίου διαρ-ροής, αφορά την κάμψη και προϋποθέτει την αντοχή σε διάτμηση. Γι’ αυτό και ο σχεδιασμός των στοιχείων σε διάτμηση γίνεται με τις ικανοτικές αντοχές των στοιχείων, έτσι ώστε να μην υπάρξει πιθανότητα να σπάσουν από διάτμηση.
Η αστοχία ενός υποστυλώματος ή μίας δοκού, κατά κανόνα γίνεται στην περιοχή του κόμβου, δηλαδή στην περιοχή της συμβολής του υποστυλώματος με τη δοκό. Γι’ αυτό είναι αναγκαία η εξασφάλιση πλαστιμότητας των κολονών και των δοκών στις περιοχές των κόμβων. Όταν υπάρχει κίνδυνος εμβολισμού υποστυλώματος από σκάλα ή από οπτοπλινθοδομή, τότε η ανάγκη πλαστιμότητας επεκτείνεται σε όλο το ύψος του υποστυλώματος.
Υποστύλωμα διατομής 500x500 με τρεις συνδετήρες ανά στρώση, που επιβάλλονται από τον αντισεισμικό κανονισμό για την επίτευξη πλαστιμότητας. Υποστύλωμα διατομής 500x500 με τρεις συνδετήρες ανά στρώση, που επιβάλλονται από τον αντισεισμικό κανονισμό για την επίτευξη πλαστιμότητας.
Δοκός με ανάγκη πλαστιμότητας Δοκός με ανάγκη πλαστιμότητας
Δοκός με αυξημένες απαιτήσεις πλαστιμότητας Δοκός με αυξημένες απαιτήσεις πλαστιμότητας
Η ανάγκη ικανοτικής αντοχής 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, ενώ αλλάζει η ιδιοσυχνότητα του κτιρίου και αποφεύγεται ο συντονισμός. 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.