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 λυγισμό και 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.
Οπότε το υποστύλωμα του ισογείου σε έναν σεισμό συγκεντρώνει τις πιο πολλές καταπονήσεις ένα μέτρο πάνω από την βάση του διότι αυτό διαχειρίζεται μεγαλύτερες εντάσεις λόγο τις πολλαπλής ελαστικότητα των πάνω ορόφων και της μεγαλύτερης ακαμψίας που του επιβάλουν τα πολύ μεγάλα στατικά φορτία που παραλαμβάνει.
Δηλαδή το κάθε ένα υποστύλωμα του φέροντα και προπαντός τα υποστυλώματα του ισογείου στον σεισμό μετατρέπονται σε έναν μοχλό για πέτρες με το υπομόχλιο να βρίσκετε πλησίον της βάσης. Αφού το υπομόχλιο διαχωρίζει τις ροπές σε δεξιές και αριστερές, στο υποστύλωμα της κατασκευής συμβαίνει το ίδιο. Δηλαδή από τον μηχανισμό του υποστυλώματος ισογείου προς την βάση έχουμε αντίθετης φοράς τάσεις από ότι έχουμε από τον μηχανισμό και πάνω.( αντίρροπες ροπές )


Τρίτη αιτία αστοχίας της συνάφειας του σκυροδέματος και του χάλυβα
Υποθέστε ότι τοποθετούμε ένα ράβδο από χάλυβα μέσα σε βούτυρο .Αν τραβήξουμε την ράβδο του χάλυβα με το χέρι μας το βούτυρο θα φέρει μία μικρή αντίδραση λόγο του μηχανισμού της συνάφειας που έχει με τον χάλυβα, και μετά δεν θα αντέξει το τράβηγμα και θα αφήσει το σίδερο να ολισθήσει και να εξωλκεύσει έξω από το βούτυρο. Συμπέρασμα Δεν φτάνει να έχουμε έναν ισχυρό ράβδο από χάλυβα ο οποίος να αντέχει τις τάσεις εφελκυσμού. Πρέπει και το άλλο υλικό που αγκαλιάζει τον χάλυβα να είναι αρκετά δυνατό ώστε με το μηχανισμό της συνάφειας να το συγκρατήσει μέσα του. Αν δεν είναι αρκετά δυνατό, και δέκα ράβδους να έχουμε τοποθετήσει μέσα στο βούτυρο δεν θα παρατηρήσουμε μεγάλη αύξηση στην ικανότητα παραλαβής περισσοτέρων τάσεων εφελκυσμού. Το ίδιο παρατηρείται και στα φέροντα στοιχεία μιας κατασκευής. Ο χάλυβας είναι πολύ πιο ισχυρός από το σκυρόδεμα, και δεν συνεργάζονται τόσο ώστε οι ικανότητες εφελκυσμού του χάλυβα να εξαντληθούν 100% διότι αδυνατεί το σκυρόδεμα να το συγκρατήσει μέσα του. Αυτό για μένα λέγετε ανεπάρκεια ορθού σχεδιασμού στον σημερινό σύγχρονο αντισεισμικό σχεδιασμό, και σπατάλη χάλυβα που ανεβάζει το κόστος χωρίς μεγάλο όφελος.
Από τα τρία πάρα πάνω προβλήματα που αναφέραμε ότι εμφανίζονται κατά το λίκνισμα του σεισμού στα υποστυλώματα συμπεραίνουμε ότι υπάρχει η ανάγκη να εφευρεθεί μία άλλη μέθοδος όπλισης των κατασκευών η οποία να επιτρέπει την απόλυτη συνεργασία αυτών των δύο υλικών ώστε αυτά τα δύο συνεργαζόμενα υλικά να μπορούν να εξαντλήσουν το κάθε ένα ξεχωριστά στο 100% τις αντοχές των προδιαγραφών τους ως προς την θλίψη τον εφελκυσμό την διάτμηση και την κάμψη χωρίς η αστοχία του ενός να καταστρέφει τις προδιαγραφές του άλλου υλικού. Αλλιώς δεν έχει νόημα η αύξηση του οπλισμού αφενός και η αύξησης της διαστασιολόγησης του σκυροδέματος των στοιχείων αφετέρου, όταν το μεν πρώτο δεν μπορεί να ανταπεξέλθει λόγο του προβληματικού μηχανισμού και της αναποτελεσματικής συνάφειας , το δε δεύτερο αυξάνει τις σεισμικές αδρανειακές εντάσεις καθιστώντας αναποτελεσματική την αύξηση του σκυροδέματος των στοιχείων πάνω από ορισμένες τιμές διαστασιολόγησης.