Προσομοίωση προέντασης των στύλων της κατασκευής μεταξύ δώματος και του εδάφους

[seismic]

Περίληψη έρευνας από τον Γιάννη Ν. Λυμπέρη. ( seismic )
Σύντομη περιγραφή της εφεύρεσης
https://patents.google.com/patent/US9540783B2/en
Οι σεισμοί των τελευταίων δεκαετιών σε όλο τον κόσμο, καθώς και οι πρόσφατοι σεισμοί στη Ελλάδα, έχουν θέσει σε πρώτη προτεραιότητα το μείζον κοινωνικό και οικονομικό θέμα της σεισμικής συμπεριφοράς και της γενικότερης αντισεισμικής προστασίας των κατασκευών έναντι των σεισμών. Λόγω της αναγκαιότητας του περιορισμού των επιπτώσεων του σεισμού έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι βελτιστοποίησης της απόκρισης των κατασκευών προς τις σεισμικές κινήσεις.

Ο μηχανισμός του ελκυστήρα δομικών έργων της παρούσας εφεύρεσης καθώς και η μέθοδος κατασκευής των δομικών κατασκευών χρησιμοποιώντας τον μηχανισμό του ελκυστήρα της παρούσας εφεύρεσης έχουν ως κύριο σκοπό την ελαχιστοποίηση των προβλημάτων που σχετίζονται με την ασφάλεια των δομικών κατασκευών στην περίπτωση αντιμετώπισης φυσικών φαινομένων όπως είναι ο σεισμός, οι ανεμοστρόβιλοι και οι πολύ ισχυροί πλευρικοί άνεμοι.

Σύμφωνα με την εφεύρεση αυτό επιτυγχάνεται με μια συνεχή έλξη της δομικής κατασκευής προς το έδαφος και του εδάφους προς την κατασκευή, κάνοντας αυτά τα δύο μέρη ένα σώμα. Αυτή τη δύναμη έλξης την εφαρμόζει ένας μηχανισμός έλξης. Αυτός αποτελείται από έναν τένοντα ο οποίος διαπερνά ελεύθερα μέσα από σωλήνες διόδου τοποθετημένες στα άκρα τους στα καθ ύψος κάθετα στοιχεία στήριξης της δομικής κατασκευής, καθώς και το μήκος των γεωτρήσεων ευρισκόμενες κάτω από την βάση τους μέσα στο έδαφος. Στο κάτω άκρο του ο τένοντας είναι συνδεδεμένος με ένα μηχανισμό τύπου άγκυρας που ανοίγει και πακτώνεται στα βάθη της γεώτρησης πάνω στα πρανή της και δεν μπορεί να ανέλθει ή να κατέλθει. Στο επάνω μέρος του, ο τένοντας είναι συνδεδεμένος με έναν μηχανισμό έλξης ο οποίος το έλκει με μία συνεχή δύναμη ανόδου. Η ασκούμενη έλξη του άνω άκρου του τένοντα από τον μηχανισμό έλξης με τον οποίον συνδέεται και βρίσκεται τοποθετημένος στο ανώτατο δώμα της κατασκευής και η αντίδραση σ’ αυτήν την έλξη του τένοντα προερχόμενη από την πακτωμένη άγκυρα ευρισκόμενη συνδεδεμένη στο κάτω άκρο του μέσα στα βάθη της γεώτρησης γεννά την επιθυμητή θλίψη μεταξύ του εδάφους προς την κατασκευή και της κατασκευής προς το έδαφος εξασφαλίζοντας κατ αυτόν τον τρόπο την ένωση αυτών των δύο ανεξάρτητων σωμάτων κάνοντάς αυτά ένα σώμα.
Τι επιτυγχάνει αυτή η ένωση εδάφους δώματος
Με την μέθοδο σχεδιασμού πάκτωσης των κόμβων της ανώτατης στάθμης με το έδαφος ευελπιστώ να εκτρέψω τις εξωτερικές πλάγιες αδρανειακές εντάσεις του σεισμού σε πιο ισχυρές περιοχές της δομής από αυτές τις περιοχές που οδηγούνται σήμερα. Αυτές οι ισχυρές περιοχές που οδηγούνται οι εντάσεις του σεισμού είναι οι εγκάρσιες καθ ύψος δομές των επιμήκη υποστυλωμάτων καθώς και άλλων καθ ύψος κατακόρυφων φερόντων δομικών στοιχείων οι οποίες έχουν την ικανότητα να προλαμβάνουν και να αποτρέπουν την εμφάνιση της ελαστικής παραμόρφωσης και του στρεπτοκαμπτικού λυγισμού, πάνω στον κορμό των φερόντων στοιχείων, της δοκού και του υποστυλώματος οπότε ευελπιστώ να εμφανίζονται λιγότερες εντάσεις και αστοχίες.
Πως σχεδιάζουν σήμερα.
Όταν το υποστύλωμα είναι σχεδιασμένο με πεδιλοδοκούς και ο οπλισμός του σήμερα σταματάει μέσα σε αυτούς τότε είναι μοιραίο όλες οι πλάγιες φορτίσεις του σεισμού να οδηγούνται μέσο των ροπών του κόμβου πάνω στα φέροντα στοιχεία κάμπτοντας τον κορμό τους προκαλώντας την ελαστική παραμόρφωση και με την αύξηση της προσφοράς σεισμικής ενέργειας περνάνε σε ανελαστικές παραμορφώσεις και αστοχούν.
Λύση
Η αμφίπλευρη πάκτωση των κόμβων της ανώτατης στάθμης ενός επιμήκη υποστυλώματος με το έδαφος μέσο μηχανισμών τύπου πάκτωσης και έντασης αποτρέπει α) την ροπή ανατροπής του β) την ελαστική παραμόρφωση του κορμού των φερόντων στοιχείων γ) το αμφίπλευρο ανασήκωμα της βάσης του υποστυλώματος κατά το λίκνισμα της κατασκευής που μαζί με την ελαστική παραμόρφωση των καθ ύψος κορμών των υποστυλωμάτων συντελούν στην παραμόρφωση όλων των καθ ύψος κόμβων δοκών και πλακών συμπεριλαμβανομένων και αυτών της ανώτατης στάθμης . H πάκτωση στο ανώτατο επίπεδο όλων των άκρων των καθ ύψος επιμήκη υποστυλωμάτων με το έδαφος της γης, χρησιμοποιώντας τους μηχανισμούς της ευρεσιτεχνίας, διατηρεί την εγκάρσια καθετότητα τους κατά το λίκνισμα του σεισμού διότι αδυνατούν να ανατραπούν λόγο της ύπαρξης των μηχανισμών της ευρεσιτεχνίας ο οποίοι παραλαμβάνουν και εκτρέπουν τις πλάγιες φορτίσεις του σεισμού και τις μεταφέρουν μέσα από την εγκάρσια ισχυρή δομή των υποστυλωμάτων μέσα στο έδαφος. Η αντίθεση των δύο δυνάμεων επί της εγκάρσιας δομής των καθ ύψος υποστυλωμάτων δημιουργούμενες αφενός α) από το αρνητικό πρόσημο της έντασης του μηχανισμού ο οποίος δημιουργεί μια αντίρροπη ροπή ως προς την ροπή ανατροπής των καθ ύψος υποστυλωμάτων εφαρμοζόμενη πάνω στα ανώτατα άκρα του προερχόμενη από το έδαφος και αφετέρου β) η αντίδραση του εδάφους καθώς και η αντίδραση του άλλου αντικριστού μηχανισμού προς τα θλιπτικά στατικά φορτία ευρισκόμενος τοποθετημένος στο αντικριστό κάτω μέρος τις βάσης του, εκτρέπουν μέσα από την εγκάρσια ισχυρή δομή του τα φορτία του σεισμού και τα μεταφέρουν μέσα στο έδαφος δηλαδή τα επιστρέφει μέσα σε αυτό από το οποίον προήλθαν. Δηλαδή το έδαφος κάτω από την βάση ενός αμφίπλευρα πακτωμένου επιμήκη υποστυλώματος δέχεται δύο δυνάμεις ήτοι στο ένα άκρο θλίψη και στο άλλο έλξη. Ο μηχανισμός πάκτωσης κάτω από την βάση ανταποκρίνεται επιτυχώς τόσο στην θλίψη όσο και στην έλξη που του δημιουργεί εναλλάξ κατά την ταλάντωση η ροπή ανατροπής του επιμήκη υποστυλώματος διότι έχει ισχυρή πάκτωση με το έδαφος και μπορεί να δέχεται επιτυχώς ανοδικές και καθοδικές εντάσεις τις οποίες μεταβιβάζει στα βάθη των πρανών των γεωτρήσεων μέσα στο έδαφος.
Επίσης ο τένοντας του μηχανισμού κατά την κάμψη του κορμού των υποστυλωμάτων τείνει να επιμηκυνθεί και δέχεται μεγάλες εντάσεις εφελκυσμού στις οποίες όμως αντιδρά και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να αποτρέπει την ελαστική παραμόρφωση των φερόντων στοιχείων.
Κατ αυτόν τον τρόπο μειώνονται οι παραμορφωτικές ιδιομορφές του φέροντα οργανισμού που είναι τόσες πολλές όσες είναι και οι διαφόρων κατευθύνσεων μετατοπίσεις του σεισμού. Και με την κατάλληλη διαστασιολόγηση, πάκτωση όλων των άκρον, μορφοποίηση και σωστή τοποθέτηση των επιμήκη υποστυλωμάτων επί του φέροντα οργανισμού σταματάμε και τον στρεπτοκαμπτικό λυγισμό των ασύμμετρων κατασκευών.
Αυτές τις δυνάμεις που παίρνουμε από το έδαφος ( μέσο του μηχανισμού αγκύρωσης - πάκτωσης ) πρέπει να τις μεταφέρουμε πάνω στο δώμα ελεύθερες αποφεύγοντας την δημιουργία του μηχανισμό της συνάφειας πάνω στην διεπιφάνεια του τένοντα και του σκυροδέματος. Για να το κατορθώσουμε αυτό πρέπει ο τένοντας του μηχανισμού που μεταφέρει αυτές τις δυνάμεις πάνω στο δώμα να διαπερνά εγκάρσια το υποστύλωμα μέσα από μία σωλήνα διόδου.

Αυτό είναι αναγκαίο για να απαλλάξουμε τα υποστυλώματα από τα προβλήματα που παρουσιάζει ο μηχανισμός της συνάφειας ο οποίος πλέων καθ αυτόν τον τρόπο δεν υφίστανται και η νέα μέθοδος όπλισης αλλάζει τον μηχανισμό καταπόνησης των υποστυλωμάτων.
Με αυτήν την μέθοδο το τελευταίο υποστύλωμα καθ ύψος στο ανώτατο άκρο του δέχεται θλιπτικά φορτία με αρνητικό πρόσημο διότι κατά το λίκνισμα παρεμποδίζεται από τον μηχανισμό να ανέλθει και να στρέψει τον κορμό του κυκλικά σταματώντας καθ αυτόν τον τρόπο την ροπή ανατροπής. Αυτά τα θλιπτικά φορτία στο ανώτατο άκρο του υποστυλώματος προέρχονται από το έδαφος και τα μεταφέρει ο μηχανισμός της εν λόγο μεθόδου ώστε αυτά να αντιταχθούν αρνητικά ως προς την ροπή ανατροπής των καθ ύψος υποστυλωμάτων. Το σκυρόδεμα έχει τις προδιαγραφές να παραλάβει αυτές τις θλιπτικές εντάσεις με αρνητικό πρόσημο που του επιβάλει ο μηχανισμός διότι η θλιπτική ικανότητα αντοχής του σκυροδέματος είναι 12 φορές μεγαλύτερη από ότι είναι η ικανότητα του στον εφελκυσμό. Αυτή η θλίψη στο ανώτατο άκρο του υποστυλώματος προέρχεται από τον μηχανισμό και δεν περιλαμβάνει πρόσθετα στατικά φορτία της κατασκευής διότι έχει αρνητικό πρόσημο από αυτά οπότε δεν υφίσταται κίνδυνος υπέρβασης της θλιπτικής ικανότητας του σκυροδέματος. Καταργείται καθ αυτόν τον τρόπο η καταπόνηση που δέχεται το σκυρόδεμα επικάλυψης του υποστυλώματος από τον μηχανισμό της συνάφειας ο οποίος ισούται με την εμφάνισης ακτινωτών διατμητικών εντάσεων εξασκούμενες πάνω στην διεπιφάνεια του σκυροδέματος και του χάλυβα οι οποίες αν περάσουν ορισμένες τιμές έντασης επέρχεται το αποτέλεσμα της εμφάνισης διόρυξης του σκυροδέματος επικάλυψης και εξόλκησης του χάλυβα δηλαδή η πλήρη αστοχία. Ακόμα αποφεύγεται η εξόλκηση του χάλυβα από το σκυρόδεμα κοντά στην βάση λόγο του ότι ο οπλισμός του υποστυλώματος του ισογείου δεν σταματά στην βάση του αλλά επεκτείνεται μονοκόμματος μέχρι τα βάθη της γεώτρησης. Κατ αυτόν τον τρόπο αλλάζει η διαφορά δυναμικού των ροπών και αντίρροπων ροπών που παρατηρείται στην θέση του υπομοχλίου που δημιουργείται κοντά στην βάση του ισογείου πάνω στον κορμό του υποστυλώματος μεταξύ ελαστικής και άκαμπτης περιοχής και έχει σαν αποτέλεσμα την εξόλκηση του οπλισμού μέσα από την βάση του υποστυλώματος. Κατ αυτόν τον τρόπο ο χάλυβας εξαντλεί 100% τις εφελκυστικές αντοχές του οι οποίες δεν ακυρώνονται πια λόγο της εξόλκησής του μέσα από το σκυρόδεμα. Αυτό σημαίνει ότι με λιγότερο χάλυβα επιτυγχάνουμε τις επιθυμητές αντοχές με οικονομία.
Εάν με τους ίδιους μηχανισμούς έντασης και πάκτωσης του δώματος και του εδάφους εφαρμόσουμε από το δώμα και θλιπτικές εντάσεις πάνω στα καθ ύψος υποστυλώματα τις τάξεως έως και του 70% του σ.θρ του σκυροδέματος τότε εκτός των άλλων έχουμε πετύχει και την αύξηση της αντοχής του σκυροδέματος ως προς τις τέμνουσες, μεγαλύτερης του κανονικού έως και 37%.