Προσομοίωση προέντασης των στύλων της κατασκευής μεταξύ δώματος και του εδάφους

[seismic]

Από έρευνα που έχω κάνει τα παρακάτω.

Μέθοδος όπλισης σκυροδέματος της υπάρχουσας τεχνολογίας των κατασκευών καθώς και τα προβλήματα που παρουσιάζει
Μηχανισμός Συνάφειας
Η συνεργασία μεταξύ σκυροδέματος και χάλυβα σε μια κατασκευή από Ο.Σ. επιτυγχάνεται με τη συνάφεια. Με τον όρο συνάφεια ορίζεται η συνδυασμένη δράση των μηχανισμών που παρεμποδίζουν τη σχετική ολίσθηση μεταξύ των ράβδων του οπλισμού και του σκυροδέματος που τις περιβάλλει. Οι επιμέρους μηχανισμοί της συνάφειας είναι η πρόσφυση, η τριβή και, για την περίπτωση ράβδων χάλυβα με νευρώσεις, η αντίσταση του σκυροδέματος το οποίο εγκλωβίζεται μεταξύ των νευρώσεων. Η συνδυασμένη δράση των μηχανισμών αυτών θεωρείται ισοδύναμη με την ανάπτυξη διατμητικών τάσεων στη διεπιφάνεια επαφής σκυροδέματος και χάλυβα. Όταν οι τάσεις αυτές φθάσουν στην οριακή τιμή τους επέρχεται καταστροφή της συνάφειας με τη μορφή διάρρηξης του σκυροδέματος επικάλυψης κατά μήκος των ράβδων και αποκόλλησης των ράβδων του χάλυβα.
Συσχετισμός Προδιαγραφών σκυροδέματος – χάλυβα.
Από την βιβλιογραφία ξέρουμε ότι οι αντοχές του σκυροδέματος στην θλίψη είναι 12 φορές μεγαλύτερες από ότι είναι σε εφελκυσμό. Ξέρουμε ότι δεν είναι ιδιαίτερα ελαστικό υλικό όπως είναι ο χάλυβας. Ξέρουμε ότι δεν έχει ιδιαίτερες αντοχές στην διάτμηση και τις τέμνουσες όπως έχει ο χάλυβας.

Η μέθοδος όπλισης μέσο της συνάφειας χρησιμοποιείτε από τον σύγχρονο αντισεισμικό σχεδιασμό για την αύξηση των δυναμικών χαρακτηριστικών του σκυροδέματος.
Ωστόσο μετά από έρευνα που έκανα διαπίστωσα ότι εμφανίζονται πολλά προβλήματα τα οποία ακυρώνουν μετά από ορισμένες τιμές εντάσεων την συνεργασία μεταξύ του σκυροδέματος και του χάλυβα
Υπάρχει η ανάγκη να εφευρεθεί μία άλλη μέθοδος όπλισης η οποία να επιτρέπει την απόλυτη συνεργασία αυτών των δύο υλικών (του χάλυβα και του σκυροδέματος )ώστε αυτά τα δύο συνεργαζόμενα υλικά να μπορούν να εξαντλήσουν στο μέγιστο ( 100% ) τις ιδιαίτερες ικανότητές τους ως προς ορισμένες φορτίσεις όπως είναι η θλίψη για το σκυρόδεμα και ο εφελκυσμός για τον χάλυβα, χωρίς η πρόωρη αστοχία του σκυροδέματος να αναιρεί τις προδιαγραφές αντοχών του χάλυβα.
Με την μέθοδο όπλισης της συνάφειας παρατηρείται ότι ο οπλισμός του χάλυβα δεν εξαντλεί στο 100% τις πραγματικές του προδιαγραφές ως προς τον εφελκυσμό που καλείτε να αναλάβει, διότι αστοχεί πάντα πρώτο το σκυρόδεμα . Η πρόωρη αστοχία του σκυροδέματος εμφανίζεται όταν ενεργούν και άλλες εντάσεις πάνω του στις οποίες δεν εμφανίζετε να έχει και ιδιαίτερες αντοχές.
Αυτός είναι ο λόγος όπου σε πολλές σεισμικές αστοχίες του σκυροδέματος βλέπουμε τον χάλυβα πάντα ακέραιο, τραβηγμένο έξω από το σκυρόδεμα, αλλά ποτέ κομμένο.

Αυτή η πρωτιά της αστοχίας του σκυροδέματος σύμφωνα με την έρευνα που έκανα οφείλεται σε πολλούς ασύμμετρους παράγοντες. Τρις από αυτούς τους παράγοντες αναλύω πάρα κάτω Μετά ακολουθεί η λύση που δίνει η ευρεσιτεχνία σε κάθε ένα πρόβλημα.
Πρώτη αιτία αστοχίας της συνάφειας του σκυροδέματος και του χάλυβα
Ξέρουμε ότι η ελαστικότητα του σκυροδέματος και η ικανότητά του στον εφελκυσμό είναι μικρότερη αυτής του χάλυβα. Κατά το λίκνισμα του φέροντα σκελετού στον σεισμό τα φέροντα στοιχεία παρουσιάζουν τον στρεπτοκαμπτικό λυγισμό πάνω στον κορμό τους και αυτή η στροφή δημιουργεί την ακτίνα καμπυλότητας η οποία έχει την τάση να επιμηκύνει την μία πλευρά των στοιχείων και να συνθλίψει την άλλη τους πλευρά. Λόγο της εξωτερικής θέσεως που καταλαμβάνει το σκυρόδεμα επικάλυψης του οπλισμού έναντι του χάλυβα επάνω στο φέρον στοιχείο επιμηκύνεται περισσότερο από τον χάλυβα. Η αδυναμία όμως του σκυροδέματος επικάλυψης να ακολουθήσει αυτήν την παραμόρφωση επιμήκυνσης που δέχεται διότι δεν έχει την απαιτούμενη ελαστικότητα που χρειάζεται από την μία και η αδυναμία του από την άλλη στον εφελκυσμό που δέχεται, δημιουργεί διαφορετικές επιμηκύνσεις στα δύο συνεργαζόμενα υλικά με αποτέλεσμα την δημιουργία μικρών ρωγμών εξωτερικώς του σκυροδέματος επικάλυψης. Όταν οι τάσεις αυτές φθάσουν στην οριακή τιμή τους επέρχεται καταστροφή της συνάφειας με τη μορφή διάρρηξης του σκυροδέματος επικάλυψης κατά μήκος των ράβδων και αποκόλλησης των ράβδων χάλυβα με αποτέλεσμα να μην υφίσταται πια ο μηχανισμός της συνάφειας.
Βέβαια από την βιβλιογραφία ξέρουμε ότι η μείωση των τάσεων επιτυγχάνεται με αύξηση της επικάλυψης του σκυροδέματος και μείωση της διαμέτρου των ράβδων του οπλισμού. Η αύξηση της οριακής τιμής τους επιτυγχάνεται με αύξηση της αντοχής του σκυροδέματος. Η παρουσία εγκάρσιου οπλισμού (συνδετήρων) δρα ευνοϊκά περιορίζοντας το άνοιγμα των αναπτυσσόμενων ρωγμών στην διεπιφάνεια οπλισμού και σκυροδέματος.
Δεύτερη αιτία αστοχίας της συνάφειας του σκυροδέματος και του χάλυβα
Ξέρουμε ότι σε έναν φορέα εάν αρχίσει το φαινόμενο του λυγισμού, ο οπλισμός τείνει να επιμηκυνθεί, για να ακολουθήσει τον λυγισμό του κάθετου στοιχείου. Επειδή όμως ο χάλυβας υπόκεινται σε μεγάλες εφελκυστικές τάσεις, αντιδρά στην παραμόρφωση που του επιβάλουν τα εξωτερικά φορτία του σεισμού μέσο της συνεργασίας που έχει με το σκυρόδεμα με τον μηχανισμό της συνάφειας. Ώμος εμφανίζονται άλλοι διαφορετικοί μηχανισμοί (τύπου μοχλού) πάνω στους κορμούς των φερόντων στοιχείων οι οποίοι δημιουργούν ασύμμετρες και αντίρροπες εντάσεις σε επιμέρους σημεία του κορμού τους όπου δρα η συνάφεια με αποτέλεσμα η εντάσεις αυτές να εμφανίζουν μεγάλη αντίρροπη διαφορά δυναμικού.
Μηχανισμοί Ένα παράδειγμα μηχανισμού αποτελεί ένας απλός μοχλός στον οποίο ένα υπομόχλιο δημιουργεί έναν μηχανισμό ο οποίος αναλόγως της θέσεώς του επί του μοχλού μπορεί να πολλαπλασιάσει την δυνατότητα ανύψωσης φορτίων με μικρή εφαρμοζόμενη δύναμη. Τέτοιοι μηχανισμοί δημιουργούνται και στα φέροντα στοιχεία ενός δομικού έργου. Αυτοί οι μηχανισμοί καταπονούν με περισσότερες φορτίσεις συγκεκριμένα σημεία των φερόντων στοιχείων της κατασκευής. Αυτό το υπομόχλιο του απλού μοχλού, πάνω στις κατασκευές είναι αόρατο αλλά υπαρκτό και δημιουργείτε όταν ένα στοιχείο του φέροντα οργανισμού έχει ταυτόχρονα περιοχές του κορμού του που παρουσιάζουν επιμέρους ελαστική και άκαμπτη συμπεριφορά. Συνήθως άκαμπτη συμπεριφορά παρουσιάζεται στα άκρα τους κοντά στους κόμβους και ελαστική συμπεριφορά στον κεντρικό κορμό των στοιχείων.
Εκεί που συναντιέται η ελαστική συμπεριφορά του κορμού του στοιχείου με την ακαμψία του υπόλοιπου τμήματός του, δημιουργείται αυτός ο αόρατος μηχανισμός του υπομοχλίου. Αυτός ο μηχανισμός μιμούμενος τον απλό μοχλό, πολλαπλασιάζει τις εντάσεις του σεισμού πλησίον των κομβικών άκαμπτων τμημάτων του στοιχείου και για τον λόγο αυτό οι περισσότερες αστοχίες εμφανίζονται λίγο πιο μακριά από τα κομβικά τους σημεία , δηλαδή στην θέση του υπομοχλίου που ονομάζουμε κρίσιμη διατομή.
Ας εξετάσουμε τώρα την λειτουργία αυτού του μηχανισμού που δημιουργεί από την μια η ελαστική και από την άλλη η άκαμπτη συμπεριφορά του κορμού του στοιχείου εν σχέση με τον μηχανισμό της συνάφειας ώστε να βγάλουμε χρήσιμα συμπεράσματα ως προς τα προβλήματα που παρουσιάζονται .
Βασικά ο μηχανισμός του μοχλού είναι ένα κρίσιμο σημείο αστοχίας πάνω στον κορμό των στοιχείων ( δοκού ή υποστυλώματος ) όπου σε αυτήν την περιοχή του κορμού των διαχωρίζετε η φορά των εντάσεων δημιουργώντας αντίρροπες και ασύμμετρες ροπές.Βασικά ο μηχανισμός αυτός δημιουργεί εκ φύσεως πάντα αντίρροπες ροπές και είναι το σημείο εκείνο που διαχωρίζει τις τάσεις εφελκυσμού σε δεξιές και αριστερές στην μέγιστη τιμή τους.
Αυτός ο μηχανισμός αλλάζει την φορά των εντάσεων στην κρίσιμη περιοχή αφενός (δημιουργόντας αντίρροπες ροπές ) και αφετέρου δημιουργεί μεγαλύτερες εντάσεις στην ασθενέστερη περιοχή του κορμού των στοιχείων όπου δρα η μικρού δυναμικού αντοχή της συνάφειας. Οπότε εμφανίζονται μεγάλες εντάσεις σε περιοχές όπου η συνάφεια έχει μικρές εφεκλυστικές αντοχές εν σχέση με το άλλο τμήμα του κορμού του στοιχείου το οποίο έχει μεγαλύτερη συνάφεια και αντοχές εφελκυσμού λόγο του μεγαλύτερου μήκους του όπου δρα η συνάφεια. Αυτός ο μηχανισμός έχει σαν αποτέλεσμα να αστοχεί πρόωρα το σκυρόδεμα που ευρίσκεται από την μεριά της αδύναμης περιοχή αφήνοντας τον χάλυβα να εξοκείλει από αυτό, ακυρώνοντας τόσο τον μηχανισμό της συνάφειας όσο και τις εφεκλυστικές ικανότητες του χάλυβα που μπορεί να παραλάβει. Οπότε εδώ βλέπουμε ότι θα μπορούσαμε να έχουμε οικονομία στην ποσότητα του χάλυβα που τοποθετούμε στα υποστυλώματα αν μία άλλη μέθοδος οπλισμού εξαντλούσε 100% τις εφελκυστικές του ικανότητες.
Παράδειγμα. Υποθέστε ότι έχουμε ένα κερί το οποίο έχει μέσα του το φυτίλι Αν το σπάσουμε με τα χέρια μας στο κέντρο θα παρατηρήσουμε ότι στο σημείο του μηχανισμού και τελικά της αστοχίας θα υποχωρήσει μεν το κερί λόγο θλίψης, αλλά το φυτίλι δεν θα τραβηχτεί από καμία πλευρά έξω από το σώμα του κεριού. Αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχει διαφορά δυναμικού στην συνάφεια του δεξιού και αριστερού κορμού του κεριού.
Αν όμως σπάσουμε το κερί κοντά στα άκρα του τότε θα παρατηρήσουμε το φυτίλι να ολισθαίνει και τελικά να βγαίνει από το σώμα του κεριού από την μεριά που έχει την μικρότερη συνάφεια. Εδώ ο μηχανισμός της συνάφειας είναι διπλά αδύναμος λόγο της θέσεως του μηχανισμού που αφενός δουλεύει σαν μοχλός και πολλαπλασιάζει τον εφελκυσμό προς το αδύναμο μέρος του κεριού, και από την άλλη η μικρή συνάφεια του αδύναμου μέρους του κεριού εν σχέση με την μεγάλη συνάφεια του άλλου μέρους του εξελκούν το φυτίλι εύκολα έξω από το σώμα του.
Το ίδιο ακριβώς συμβαίνει και στα υποστυλώματα και τις δοκούς που παραλαμβάνουν ροπές στους κόμβους. Το πρόβλημα αυτό είναι πιο έντονο στους κάτω ορόφους και περισσότερο στο ισόγειο για τον εξής λόγο.
Τα καθ ύψος υποστυλώματα του φέροντα οργανισμού μιας πολυώροφης κατοικίας εκτείνονται από την βάση της κατασκευής μέχρι το δώμα. Η βάση του υποστυλώματος του ισογείου είναι εγκλωβισμένη μέσα στα θεμέλια του εδάφους ή των πετρωμάτων οπότε ο κορμός του υποστυλώματος κοντά στην βάση έχει μηδενική ελαστικότητα. Από την άλλη οι πάνω όροφοι έχουν πολύ μεγάλη ελαστικότητα. Λόγο αυτής της αναπόφευκτης διαφοράς ελαστικότητας και ακαμψίας πάνω στον κορμό του ιδίου υποστυλώματος δημιουργείτε μηχανισμός υποστυλώματος ( υπομόχλιο ) ένα μέτρο πάνω από την βάση.
.