1 Εισαγωγή στην Ανάλυση των Κατασκευών 1.1 Κατασκευές και δομοστατική

Transcript

1 1 Εισαγωγή στην Ανάλυση των Κατασκευών 1.1 Κατασκευές και δομοστατική Στη φύση μπορούμε να διακρίνουμε πάρα πολλά είδη διαφορετικών κατασκευών, οι οποίες άλλες προέκυψαν τυχαία και άλλες από ένστικτο επιβίωσης, όπως π.χ. ένα φυσικό γεφύρι το οποίο δημιουργήθηκε από το τυχαίο πέσιμο ενός δέντρου πάνω από ένα ποτάμι, τον ιστό μιας αράχνης στην προσπάθεια της να αιχμαλωτίσει την τροφή της ή τη φωλιά ενός πουλιού. Σε αντίθεση με αυτά τα παραδείγματα, οι τεχνικές κατασκευές που φτιάχνονται από τον άνθρωπο, με την εξέλιξη του πολιτισμού, σχεδιάζονται, αναλύονται και κατασκευάζονται μέσα σε λογικά, οικονομικά και χρονικά πλαίσια, με ορθολογιστικά κριτήρια, έτσι ώστε να εξυπηρετούν κάποιες συγκεκριμένες ανάγκες, ικανοποιώντας ταυτοχρόνως κάποια κριτήρια ασφαλείας και λειτουργικότητας. Αυτές οι ανθρώπινες ανάγκες είναι που οδήγησαν στη δημιουργία, εξέλιξη και πρόοδο της δομοστατικής, του τομέα της Πολιτικής Μηχανικής που έχει σαν αντικείμενο τη σχεδίαση, ανάλυση και διαστασιολόγηση των κατασκευών. Μέσα από τους αιώνες της ανθρώπινης ιστορίας, παρατηρούμε μια εξέλιξη στα δομικά υλικά που χρησιμοποιούνται, όπως οι λίθοι, το μάρμαρο, το ξύλο, ο σίδηρος, το σκυρόδεμα, ο χάλυβας, το οπλισμένο σκυρόδεμα, το προεντεταμένο σκυρόδεμα και, πιο πρόσφατα, τα σύνθετα υλικά. Αντίστοιχη πρόοδος, παρατηρείται στις μεθόδους κατασκευής με τους κίονες και τις κιονοστοιχίες στην αρχαία Ελλάδα, τα Ρωμαϊκά τόξα, τις αψίδες και τους θόλους, τις Γοτθικές κατασκευές με πιο εκλεπτυσμένες τοξωτές κατασκευές, ακολούθως τα δικτυώματα και αργότερα τις πλαισιακές κατασκευές και τις πιο μοντέρνες κατασκευές του 20 ου αιώνα. Η εξέλιξη των δομικών υλικών και των μεθόδων κατασκευής ήταν αλληλένδετη και αλληλοεξαρτώμενη. Επιπλέον, βασίστηκε στην πρόοδο που έγινε σε ό,τι αφορά την κατανόηση της συμπεριφοράς των κατασκευών, όπου από εμπειρική εξελίχθηκε σε επιστημονική και τις μεθόδους ανάλυσης, όπου από υπολογισμούς στο χέρι ή με τη βοήθεια του λογαριθμικού κανόνα φτάσαμε στην ευρεία χρήση των αριθμητικών μεθόδων και την αξιοποίηση των υπολογιστικών δυνατοτήτων των ηλεκτρονικών υπολογιστών (Η/Υ).

2 4 ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Η ανάλυση των κατασκευών, η οποία μπορεί να είναι στατική ή δυναμική, είναι η διαδικασία υπολογισμού της εντατικής και παραμορφωσιακής κατάστασης μιας κατασκευής, δηλαδή των εντατικών μεγεθών και των παραμορφώσεων των δομικών στοιχείων της κατασκευής, κάτω από κάποιες εξωτερικές δράσεις, δηλαδή τα φορτία ή τις εξαναγκασμένες παραμορφώσεις ή μετακινήσεις. Με αυτό τον υπολογισμό, ο μηχανικός πρέπει να εξασφαλίσει ότι πουθενά στην κατασκευή οι αναπτυσσόμενες τάσεις και παραμορφώσεις δεν θα υπερβούν κάποιες επιτρεπόμενες τιμές, χρησιμοποιώντας και συντελεστές ασφαλείας, ώστε να ληφθούν υπόψη αβεβαιότητες σχετικά με τις φορτίσεις, τις ιδιότητες των υλικών κατασκευής αλλά και την ακρίβεια των παραδοχών και προσομοιώσεων που χρησιμοποιήθηκαν. 1.2 Διαδικασία σχεδίασης κατασκευών Μια κατασκευή σχεδιάζεται έτσι ώστε να ικανοποιεί κάποιες συγκεκριμένες ανάγκες, τηρώντας ταυτοχρόνως συγκεκριμένες απαιτήσεις ασφάλειας και λειτουργικότητας και λαμβάνοντας υπόψη το οικονομικό κόστος, το χρόνο κατασκευής και πιθανές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Επίσης, πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η μέθοδος κατασκευής, η ύπαρξη κατάλληλου και έμπειρου τεχνικού προσωπικού και οι πιθανές πρακτικές δυσκολίες αλλά και επιπτώσεις από την κατασκευή του έργου. Για τον προσδιορισμό μιας βέλτιστης σχεδίασης απαιτείται η διερεύνηση αρκετών εναλλακτικών λύσεων και η σχετική σύγκριση τους, ώστε από αυτές να επιλεχθεί με ορθολογικά και τεχνοκρατικά κριτήρια η πιο κατάλληλη λύση. Η κάθε κατασκευή που προτείνεται, κατά το σχεδιασμό της, πρέπει να αναλυθεί χρησιμοποιώντας ένα προσομοίωμα το οποίο να προσεγγίζει σε ικανοποιητικό βαθμό την πραγματική κατασκευή, τόσο όσο αφορά τη συμπεριφορά της, όσο και τη δράση των επιβαλλόμενων φορτίων. Κατά την προσομοίωση μιας κατασκευής, πρέπει να γίνουν κάποιες παραδοχές για τη συμπεριφορά των επιμέρους δομικών στοιχείων, των συνδέσεων τους, αλλά και των ιδιοτήτων των υλικών που την αποτελούν. Επίσης, πρέπει να γίνουν κάποιες απλοποιητικές παραδοχές για τις αναμενόμενες φορτίσεις και δράσεις καθώς και τους συνδυασμούς τους. Τόσο όσο αφορά τις ιδιότητες των υλικών, όσο και τις επιβαλλόμενες δράσεις, πρέπει να χρησιμοποιηθούν κάποιοι συντελεστές ασφαλείας, οι οποίοι συνήθως καθορίζονται από τους αντίστοιχους κανονισμούς, ώστε να λαμβάνονται υπόψη οι σχετικές αβεβαιότητες και ανακρίβειες. Συγκεκριμένα, με τη στατική και δυναμική ανάλυση υπολογίζονται, για τους διάφορους συνδυασμούς φορτίσεων, τα εντατικά μεγέθη, συνήθως δυνάμεις και ροπές, στις κρίσιμες διατομές των δομικών στοιχείων και οι αναμενόμενες παραμορφώσεις και μετακινήσεις. Τα εντατικά μεγέθη χρησιμοποιούνται για τη διαστασιολόγηση όλων των δομικών στοιχείων ώστε να ικανοποιούνται τα κριτήρια ασφάλειας, βάσει της αντίστοιχης θεωρίας και σύμφωνα με τον αντίστοιχο κανονισμό σχεδιασμού. Παραδείγματος χάριν, ο κανονισμός διαστασιολόγησης κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της θέσης και ποσότητας των ράβδων οπλισμού σε δομικά στοιχεία οπλισμένου σκυροδέματος. Οι παραμορφώσεις και μετακινήσεις που υπολογίζονται, χρησιμοποιούνται κυρίως για τον έλεγχο ικανοποίησης των απαιτήσεων λειτουργικότητας,

3 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ 5 ικανοποιώντας το σχετικό κανονισμό σχεδιασμού, ώστε να διασφαλιστεί ότι η κατασκευή θα εξυπηρετεί το σκοπό για τον οποίο σχεδιάζεται, π.χ. αποφεύγοντας υπερβολικές παραμορφώσεις ή σχετικές μεταξύ των ορόφων μετακινήσεις. Διαδοχικά βήματα σχεδιασμού και ανάλυσης επαναλαμβάνονται, όπως φαίνονται στο πιο κάτω διάγραμμα (Σχήμα 1.1), μέχρι να ικανοποιηθούν οι στόχοι του έργου και οι απαιτήσεις ασφαλείας και λειτουργικότητας με το χαμηλότερο δυνατό κόστος. Διαφορετικές Επιλογές Σχεδίασης Εναλλακτικές λύσεις, πιθανόν και με διαφορετικά υλικά ή/και μεθόδους δόμησης οι οποίες θα διερευνηθούν περαιτέρω ώστε να επιλεγεί η πιο κατάλληλη λύση. Αρχική, εμπειρική διαστασιολόγηση Αρχική, εμπειρική διαστασιολόγηση... Αρχική, εμπειρική διαστασιολόγηση Ανάλυση κατασκευής χρησιμοποιώντας προσεγγιστικά φορτία και διαστάσεις δομικών στοιχείων Ανάλυση κατασκευής χρησιμοποιώντας προσεγγιστικά φορτία και διαστάσεις δομικών στοιχείων... Ανάλυση κατασκευής χρησιμοποιώντας προσεγγιστικά φορτία και διαστάσεις δομικών στοιχείων Επαναδιαστασιολόγηση των διατομών βάσει υπολογιζόμενων εντατικών μεγεθών και παραμορφώσεων Επαναδιαστασιολόγηση των διατομών βάσει υπολογιζόμενων εντατικών μεγεθών και παραμορφώσεων... Επαναδιαστασιολόγηση των διατομών βάσει υπολογιζόμενων εντατικών μεγεθών και παραμορφώσεων Απόρριψη όλων των αρχικών λύσεων Επιλογή καταλληλότερης σχεδίασης Τελική ανάλυση κατασκευής χρησιμοποιώντας ακριβή φορτία και διαστάσεις δομικών στοιχείων Τελική διαστασιολόγηση κατασκευής βάσει υπολογιζόμενων εντατικών μεγεθών και παραμορφώσεων - Κατασκευή του επιλεγόμενου σχεδίου - Επίβλεψη κατασκευής Σχήμα 1.1: Διαδικασία σχεδιασμού, ανάλυσης και διαστασιολόγησης κατασκευών.

4 6 ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ 1.3 Βασικά δομικά στοιχεία Μια κατασκευή αποτελείται από ένα συνδυασμό δομικών στοιχείων κατάλληλα συνδεδεμένων μεταξύ τους αξιοποιώντας τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του κάθε στοιχείου και υλικού κατασκευής. Μπορούμε να διακρίνουμε τα πιο κάτω βασικά δομικά στοιχεία: Ράβδοι: Ευθύγραμμα μέλη μικρής διατομής τα οποία φέρουν θλιπτικές ή εφελκυστικές δυνάμεις με ομοιόμορφες τάσεις, αξιοποιώντας πλήρως το υλικό κατασκευής. Δοκοί: Επιμήκη μέλη οριζόντιας συνήθως διεύθυνσης τα οποία φορτίζονται συνήθως με φορτία κάθετα στο διαμήκη άξονα τους, με συνέπεια η συμπεριφορά και η διαστασιολόγηση τους να εξαρτάται κυρίως από καμπτικές ροπές, εκτός όταν είναι σχετικά κοντές και ψηλές, οπότε έχουν ιδιαίτερη σημασία και οι τέμνουσες δυνάμεις. Οι καμπτικές ροπές μεταφέρονται από θλιπτικές τάσεις στο ένα πέλμα και εφελκυστικές τάσεις στο άλλο πέλμα. Συνήθως χαρακτηρίζονται ανάλογα με τον τρόπο στήριξης τους, βάσει του οποίου διακρίνονται μεταξύ άλλων σε προβόλους, αμφιέριστες, αμφίπακτες, κ.λπ. δοκούς (Σχήμα 1.2). Σχήμα 1.2: Είδη δοκών: (α) πρόβολος δοκός (β) αμφιέριστη δοκός (γ) αμφίπακτη δοκός. Πεδιλοδοκοί: Δοκοί οι οποίες συνδέουν τα πέδιλα στις βάσεις των υποστυλωμάτων στο επίπεδο της θεμελίωσης και χαρακτηρίζονται συνήθως από καμπτικές ροπές και παραμορφώσεις. Γενικά, υπάρχουν τρία βασικά είδη επιφανειακών θεμελιώσεων (Σχήμα 1.3.α-γ), τα μεμονωμένα πέδιλα, οι πεδιλοδοκοί και η γενική κοιτόστρωση. Σχήμα 1.3: (α) μεμονωμένο πέδιλο (β) πεδιλοδοκός (γ) γενική κοιτόστρωση. Υποστυλώματα: Κατακόρυφες συνήθως δοκοί οι οποίες πέρα από καμπτικές ροπές φέρουν σημαντικά αξονικά θλιπτικά φορτία. Πολλές φορές τα υποστυλώματα όταν έχουν μεγάλο μήκος και σχετικά μικρές διαστάσεις διατομής πρέπει να ελέγχονται έναντι λυγισμού. Το φορτίο που μπορούν να φέρουν τέτοια λυγηρά υποστυλώματα μπορεί να περιορίζεται από ενδεχόμενο λυγισμό, παρά από την αντοχή του υλικού. Έτσι, ο λυγισμός μπορεί να είναι καθοριστικός παράγοντας στη διαστασιολόγηση τους. Τοιχία: Κατακόρυφα στοιχεία, παρόμοια με τα υποστυλώματα αλλά με πολύ μεγαλύτερη τη μια διάσταση της διατομής, έτσι ώστε να είναι ιδιαίτερα δύσκαμπτα σε

5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ 7 εκείνη τη διεύθυνση, με αποτέλεσμα την παραλαβή μεγάλων τεμνουσών δυνάμεων, κατά την επιβολή οριζοντίων φορτίων όπως π.χ. σεισμικές δράσεις. Τόξα: Καμπύλα μέλη με μικρές τις διαστάσεις εγκάρσια στον καμπύλο άξονα τους. Με τη μορφή των τόξων εκμεταλλευόμαστε συνήθως τη μεγάλη θλιπτική αντοχή των διαθέσιμων υλικών κατασκευής τους, όπως π.χ. λίθοι και μάρμαρα, αφού καταπονούνται από ομοιόμορφες θλιπτικές τάσεις αξιοποιώντας αποδοτικά το υλικό κατασκευής (Σχήμα 1.4.α). Λόγω των θλιπτικών δυνάμεων πρέπει να ελέγχονται και αυτά για ενδεχόμενο λυγισμό ειδικά όταν είναι σχετικά εύκαμπτα. Καλώδια: Πολύ εύκαμπτα μέλη με πολύ μικρών διαστάσεων διατομές και μηδενική θλιπτική αντοχή. Με τα καλώδια (Σχήμα 1.4.β-γ) αξιοποιείται αποδοτικά το υλικό κατασκευής, όταν αυτό έχει μεγάλη εφελκυστική αντοχή, όπως π.χ. μεγάλης αντοχής χαλύβδινοι τένοντες, λόγω ομοιόμορφων εφελκυστικών τάσεων στη διατομή τους. Σχήμα 1.4: Τοξωτοί και καλωδιακοί φορείς: (α) τόξο (β)-(γ) καλώδια. Πλάκες: Επίπεδα, συνήθως οριζόντια, επιφανειακά δομικά στοιχεία με μικρό πάχος σε σχέση με τις άλλες διαστάσεις τα οποία μεταφέρουν συνήθως κατακόρυφα φορτία με καμπτικές ροπές και τέμνουσες δυνάμεις στις περιμετρικές δοκούς και υποστυλώματα, όπως π.χ. τα πατώματα κτιρίων. Η συμπεριφορά τους εξαρτάται από τις διαστάσεις και τον τρόπο στήριξης τους, τα οποία καθορίζουν τον τρόπο παραμόρφωσης τους και μεταφοράς των φορτίων στις δοκούς και τα υποστυλώματα που στηρίζουν τις πλάκες. Κελύφη: Καμπύλα επιφανειακά στοιχεία με πολύ μικρό πάχος, τα οποία κάτω από ομοιόμορφα φορτία αναπτύσσουν ομοιόμορφες τάσεις, κυρίως μέσα στο επίπεδο τους. Με αυτές τις ομοιόμορφες τάσεις, οι οποίες ονομάζονται τάσεις μεμβράνης, μεγιστοποιείται η αξιοποίηση του υλικού, επιτρέποντας την κάλυψη μεγάλων διαστάσεων. Πέδιλα: Χωρικά στοιχεία, με αναπτυγμένες και τις τρεις τους διαστάσεις, τα οποία χρησιμοποιούνται στις μεμονωμένες θεμελιώσεις υποστυλωμάτων. Τα δομικά στοιχεία μπορούν επίσης να ομαδοποιηθούν, βάσει των αναλογιών των διαστάσεων τους, ως γραμμικά, επιφανειακά και χωρικά στοιχεία ως εξής: Γραμμικά ή μονοδιάστατα δομικά στοιχεία: δοκοί, υποστυλώματα, ράβδοι, πεδιλοδοκοί, τόξα, καλώδια, κ.λπ., τα οποία χαρακτηρίζονται από μια μεσαία γραμμή ή καμπύλη, στην οποία οι κάθετες επιφάνειες έχουν πολύ μικρότερες διαστάσεις. Τα γραμμικά μέλη των οποίων οι διαστάσεις και ο προσανατολισμός των διατομών δεν μεταβάλλονται κατά μήκος του άξονα, δηλαδή της μεσαίας γραμμής ή καμπύλης, ονομάζονται πρισματικά.

6 8 ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Επιφανειακά ή δισδιάστατα δομικά στοιχεία: πλάκες, κελύφη, δίσκοι, κ.λπ., τα οποία χαρακτηρίζονται από μια μεσαία επιφάνεια όπου το κάθετο σε αυτή την επιφάνεια πάχος είναι πολύ μικρότερο από τις άλλες δύο διαστάσεις. Αν η μεσαία επιφάνεια είναι επίπεδη τότε το στοιχείο είναι πλάκα ή δίσκος, ενώ αν είναι καμπύλη τότε είναι κέλυφος. Οι πλάκες είναι συνήθως οριζόντιες με τα φορτία να ασκούνται στην κατακόρυφη διεύθυνση ενώ οι δίσκοι δέχονται φορτίσεις μέσα στο επίπεδο τους. Χωρικά δομικά στοιχεία: μεμονωμένα πέδιλα, θόλοι, κ.λπ., τα οποία έχουν αναπτυγμένες εξίσου και τις τρεις διαστάσεις παρουσιάζοντας τρισδιάστατη εντατική κατάσταση. Τα γραμμικά και τα επιφανειακά δομικά στοιχεία παραμορφώνονται με τέτοιο τρόπο, λόγω των σχετικών διαστάσεων τους, όπου η εύρεση του παραμορφωμένου άξονα ή επιφάνειας τους αντίστοιχα είναι αρκετή για να μπορεί να καθοριστεί η πλήρως παραμορφωμένη μορφή τους, βάσει κάποιων σχετικών παραδοχών. 1.4 Είδη κατασκευών Βάσει των κυρίων δομικών στοιχείων από τα οποία αποτελείται μια κατασκευή, τον τρόπο παραλαβής των φορτίων και τη γενική της συμπεριφορά μπορούμε να διακρίνουμε κάποια συνήθη είδη κατασκευών, όπως τα δικτυώματα, τις πλαισιακές, τοξωτές, καλωδιακές και κελυφωτές κατασκευές, οι οποίες παρουσιάζουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά και δομική συμπεριφορά. Στην πράξη χρησιμοποιούνται συχνά μικτά συστήματα κατασκευών, τα οποία συνδυάζουν κατάλληλα διάφορα είδη κατασκευών Δικτυώματα Τα δικτυώματα αποτελούνται από ράβδους, οι οποίες συνδέονται σε κόμβους με αρθρώσεις. Παραλαμβάνουν επικόμβια φορτία με εφελκυστικές και θλιπτικές αξονικές δυνάμεις, αξιοποιώντας πλήρως το υλικό κατασκευής, αφού τα μέλη τους υπόκεινται σε ομοιόμορφες τάσεις. Αν και είναι ικανά να καλύψουν μεγάλα ανοίγματα ( m) απαιτούν σημαντικό ύψος. Τα δικτυώματα διακρίνονται σε επίπεδα και χωρικά, ανάλογα με τις διαστάσεις τους ή σε απλά (Σχήμα 1.5.α), σύνθετα (Σχήμα 1.5.β) και πολύπλοκα (Σχήμα 1.5.γ), ανάλογα με τη διάταξη και σύνδεση των ράβδων τους. Σχήμα 1.5: Δικτυώματα: (α) απλό (β) σύνθετο και (γ) πολύπλοκο δικτύωμα Πλαισιακές κατασκευές Οι πλαισιακές κατασκευές (Σχήμα 1.6) αποτελούνται από δοκούς και υποστυλώματα τα οποία καταπονούνται ανάλογα με τις συνδέσεις και διαστάσεις τους από καμπτικές ροπές, τέμνουσες δυνάμεις, αξονικές δυνάμεις (ιδιαίτερα τα υποστυλώματα) και σε κάποιες

7 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ 9 περιπτώσεις και από στρεπτικές ροπές. Οι κόμβοι μεταξύ δοκών και υποστυλωμάτων θεωρούνται συνήθως απόλυτα άκαμπτοι και έτσι οι γωνίες των μελών στους κόμβους θεωρούνται ότι δεν μεταβάλλονται με την παραμόρφωση ενός πλαισίου (Σχήμα 1.6.β). Επίσης, τα υποστυλώματα θεωρούνται συνήθως αξονικά μη παραμορφώσιμα. Επειδή τα πλαίσια δεν είναι αρκετά δύσκαμπτα για ισχυρές οριζόντιες φορτίσεις, όπως αυτές από ένα ισχυρό σεισμό ή ανεμοπίεση, συχνά συνδυάζονται με τοιχία (άλλως τοιχώματα), ή διαγώνιες συνδέσεις, που παραλαμβάνουν τις οριζόντιες δυνάμεις και περιορίζουν τις αντίστοιχες μετακινήσεις με την επιπλέον δυσκαμψία που παρέχουν. Σχήμα 1.6: Πλαισιακές κατασκευές: (α)-(β) επίπεδα πλαίσια (γ) χωρικό πλαίσιο Τοξωτές κατασκευές Οι τοξωτές κατασκευές είναι γενικά δύσκαμπτες κατασκευές, όπως π.χ. οι τοξωτές γέφυρες (Σχήμα 1.7.α) και καμάρες, οι οποίες καταπονούνται κυρίως με θλίψη, αξιοποιώντας τη μεγάλη θλιπτική αντοχή υλικών, όπως οι λίθοι, το σκυρόδεμα, κ.λπ. Συνήθως απαιτούνται ογκώδη βάθρα θεμελίωσης ή σύνδεση των θεμελίων ενός τόξου ώστε να μπορεί να παραληφθούν με ασφάλεια οι ωθήσεις υπό γωνία που ασκούνται στις στηρίξεις ενός τόξου μεγάλου μήκους Καλωδιακές κατασκευές Αντιθέτως, οι καλωδιακές κατασκευές είναι γενικά εύκαμπτες κατασκευές μεγάλων συνήθως ανοιγμάτων, οι οποίες καταπονούνται κυρίως από εφελκυστικές τάσεις, αξιοποιώντας την εφελκυστική αντοχή υλικών, όπως π.χ. χαλύβδινων καλωδίων (δέσμες χαλύβδινων συρμάτων ψηλής αντοχής), με ομοιόμορφες τάσεις στις διατομές τους. Με τις καλωδιακές κατασκευές αποφεύγονται φαινόμενα λυγισμού, τα οποία πολλές φορές περιορίζουν τα φορτία που μπορεί να παραλάβει ένα θλιβόμενο δομικό στοιχείο σε πολύ χαμηλότερα επίπεδα από ό,τι θα επέτρεπε η αντοχή του υλικού σύμφωνα με τις αναμενόμενες τάσεις. Μια καλωδιακή γέφυρα (cable-stayed) διαφέρει από μια κρεμαστή (suspended) στο ότι τα καλώδια της στερεώνονται στους πυλώνες της γέφυρας και στηρίζουν κατευθείαν το κατάστρωμα της, αντί να αναρτάται το κατάστρωμα από καλώδια που κρέμονται από τα κύρια καμπύλα καλώδια της κρεμαστής γέφυρας. Παραδείγματα αποτελούν οι κρεμαστές (Σχήμα 1.7.β) και οι καλωδιακές γέφυρες (Σχήμα 1.7.γ), όπως και αναρτημένα στέγαστρα με τη χρήση καλωδίων.

8 10 ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Σχήμα 1.7: Είδη γεφυρών: (α) τοξωτή (β) κρεμαστή (γ) καλωδιακή Κελυφωτές κατασκευές Οι κελυφωτές κατασκευές (Σχήμα 1.8), είναι επιφανειακές κατασκευές με πολύ μικρό πάχος σε σχέση με τις άλλες διαστάσεις τους οι οποίες καταπονούνται κυρίως από εφελκυστικές και θλιπτικές δυνάμεις και πολύ λιγότερο από καμπτικές ροπές. Έτσι, λόγω των ομοιόμορφων τάσεων κατά το πάχος αυτών των κατασκευών πετυχαίνουμε αξιοποίηση του υλικού. Παραδείγματα τέτοιων κατασκευών συμπεριλαμβάνουν υπερβολικά παραβολοειδή (Σχήμα 1.8.α), τα οποία χρησιμοποιούνται συνήθως σαν στέγαστρα, κυλινδρικές και σφαιρικές κατασκευές (Σχήμα 1.8.β-δ), οι οποίες χρησιμοποιούνται συνήθως για αποθήκευση υλικών. (α) (β) (γ) (δ) Σχήμα 1.8: Κελυφωτές κατασκευές. 1.5 Δομικά υλικά Οι επιλογές του τύπου της κατασκευής και του είδους των επιμέρους δομικών στοιχείων είναι αλληλένδετες με την επιλογή των δομικών υλικών, οι οποίες εξαρτώνται, πέρα από τα μηχανικά τους χαρακτηριστικά, και από τη διάθεση και το κόστος των διαφόρων υλικών καθώς και τη σχετική τεχνογνωσία και εμπειρία του μηχανικού αλλά και του τεχνικού προσωπικού που θα κατασκευάσει το έργο. Τα κύρια δομικά υλικά στον κατασκευαστικό τομέα του ελληνικού χώρου είναι το σκυρόδεμα και ο χάλυβας και σε πολύ μικρότερο βαθμό το ξύλο και η πέτρα. Το σκυρόδεμα έχει μεγάλη θλιπτική αντοχή, χαμηλό κόστος παραγωγής, ανθεκτικότητα σε διάρκεια και μπορεί να χρησιμοποιηθεί εύκολα για να μορφωθεί σχεδόν οποιοδήποτε σχήμα με τη βοήθεια καλουπιών. Ωστόσο, δεν έχει ικανοποιητική εφελκυστική αντοχή. Ο χάλυβας έχει μεγάλη αντοχή και χαρακτηρίζεται από ολκιμότητα, δηλαδή ικανότητα ανάπτυξης μεγάλων παραμορφώσεων μετά τη διαρροή, σε σχέση με το σκυρόδεμα το οποίο είναι έντονα ψαθυρό υλικό και συνεπώς επικίνδυνο σε περίπτωση αστοχίας. Έτσι, στην πράξη χρησιμοποιείται το οπλισμένο σκυρόδεμα, όπου χαλύβδινες ράβδοι οπλισμού τοποθετούνται στις θέσεις όπου αναμένονται εφελκυστικές δυνάμεις ώστε να τις παραλάβουν με ασφάλεια. Ο συνδυασμός αυτών των δύο υλικών δίνει κάποια ευνοϊκά χαρακτηριστικά στις κατασκευές, ειδικά όταν αυτές υπόκεινται σε σεισμικά