Απαιτήσεις από τους χάλυβες και επιπτώσεις στις μηχανικές ιδιότητες

Transcript

1 ΗΜΕΡΙΔΑ ΧΑΛΥΒΕΣ ΟΠΛΙΣΜΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ: ΟΙ ΝΕΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Απαιτήσεις από τους χάλυβες και επιπτώσεις στις μηχανικές ιδιότητες Κων/νος Γ. Τρέζος Εργ. Ω.Σ./ΕΜΠ Βόλος, 24 Νοεμβρίου 2008

2 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΙΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ ΑΠΟ ΩΠΛΙΣΜΕΝΟ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ ΥΠΟ ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΕΝΤΑΣΗ Η εκτίμηση του σεισμικού κινδύνου παρουσιάζει μεγάλες αβεβαιότητες ως προς: σεισμική δράση (επιτάχυνση, φάσμα, διάρκεια) Έδαφος (είδος, δυναμικά χαρακτηριστικά, συμβολή κυμάτων) ιδιότητες των υλικών συμπεριφορά των υλικών (ταχύτητα φόρτισης, ανακυκλίσεις, διαθέσιμη πλαστιμότητα, γήρανση) χαρακτηριστικά της κατασκευής (δυσκαμψία, απόσβεση, απορρόφηση ενέργειας, τοιχοποιία)

3 ΑΡΑ: Δύο είναι κυρίως τα μεγάλα θέματα που πρέπει να προσέξουμε: Οι αβεβαιότητες της σεισμικής δράσεως, σε συνδυασμό με την ανάγκη απορροφήσεως της σεισμικής ενέργειας, μας αναγκάζουν να εισάγουμε τους ικανοτικούς ελέγχους και να επιδιώκουμε πλάστιμη συμπεριφορά. Η εναλλασσόμενη - ανακυκλιζόμενη ένταση που εισάγεται από τον σεισμό επηρεάζει την συμπεριφορά των υλικών καθώς και τα προσομοιώματα των δομικών στοιχείων και κατά συνέπεια την αντίστοιχη όπλιση των στοιχείων.

4 πλάστιμη συμπεριφορά: μείωση σεισμικής δράσεως, απορρόφηση ενέργειας, ανακατανομή, προειδοποίηση ικανοτικοί έλεγχοι: θέσεις πιθανής αστοχίας, είδος πιθανής αστοχίας)

5 Πλαστιμότητα Μεγάλες μετελαστικές παραμορφώσεις χωρίς σημαντική μείωση της φέρουσας ικανότητάς τους. Δηλαδή μας ενδιαφέρουν δύο κυρίως ιδιότητες: α) οι πλαστικές παραμορφώσεις (από την διαρροή μέχρι την αστοχία) να είναι σημαντικά μεγαλύτερες από τις ελαστικές παραμορφώσεις (μέχρι την διαρροή), και β) η φέρουσα ικανότητα να μήν μειώνεται ουσιωδώς κατά τους διάφορους κύκλους φορτίσεως (δεν ενδιαφέρει τόσο το απόλυτο μέγεθος της φέρουσας ικανότητας, όσο το να μην μειώνεται).

6 60 40 Ασκούμενη δύναμη (kn) 20 Υ11 0 Υ Μετατόπιση κορυφής (mm)

7 Η πλαστιμότητα μιας κατασκευής εξαρτάται από την πλαστιμότητα των μελών που την απαρτίζουν. Η πλαστιμότητα κάθε μέλους εξαρτάται από την συμπεριφορά των δύο υλικών: σκυροδέματος και χάλυβα. Από τα δύο αυτά υλικά το μεν σκυρόδεμα είναι ψαθυρό, ο δε χάλυβας είναι πλάστιμος (μέσω της ολκιμότητάς του). Για να πετύχουμε λοιπόν πλάστιμα μέλη από Ω.Σ. θα πρέπει το υλικό που πρώτο θα αστοχήσει (διαρρεύσει) να είναι ο χάλυβας. Δηλαδή ο χάλυβας να είναι το πιο «αδύνατο» από τα δύο υλικά: ΑΡΑ πρόβλεψη για: κατάλληλη όπλιση και μόρφωση (ΕΚΩΣ: ρ max, Α c, A s2 ) μηχανικές ιδιότητες χαλύβων (ΚΤΧ)

8 0.6 µ r = 1.2ε cu -1 fsy ν + ( ρ 1 - λρ ) f 2 c E f s sy Από την παραπάνω προσεγγιστική έκφραση του δείκτη πλαστιμότητας σε όρους καμπυλοτήτων βλέπουμε ότι αυτός εξαρτάται από τα εξής έξι μεγέθη: το ποσοστό του θλιβόμενου οπλισμού ρ 2, την θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος f c, την παραμόρφωση αστοχίας του σκυροδέματος ε cu, το ποσοστό του εφελκυόμενου οπλισμού ρ 1, το όριο διαρροής του χάλυβα f sy, και την δρώσα ανηγμένη αξονική δύναμη ν.

9 Πρακτικά συμπεράσματα: α) φροντίζουμε να έχουμε «μεγάλες» διατομές β) θέτουμε θλιβόμενο οπλισμό ακόμη και αν δεν απαιτείται γ) φροντίζουμε να αυξήσουμε την παραμόρφωση αστοχίας του σκυροδέματος (περίσφιγξη).

10 Οριο διαρροής f y (και όχι μόνον!) Ολκιμότητα του χάλυβα: παραμόρφωση θραύσεως ε su (η ολκιμότητα είναι ιδιότητα του υλικού, ενώ η πλαστιμότητα είναι ιδιότητα ενός φορέα από Ω.Σ.. H ολκιμότητα του χάλυβα είναι μια από τις προϋποθέσεις για να αναπτύξει πλαστιμότητα ένα στοιχείο από Ω.Σ. Στα αγγλικά η ολκιμότητα και η πλαστιμότητα αποδίδονται με τον ίδιο όρο: ductility) Κράτυνση (f t /f y ) (ανακατανομή εντάσεως, απορρόφηση ενέργειας)

11 Οσο μεγαλώνει η κράτυνση f t /f y >1 τόσο μεγαλώνει το μήκος της «πλαστικής αρθρώσεως» (περιοχή εντός της οποίας γίνεται μεγάλη απορρόφηση ενέργειας) (Σχ. 1 και 2). Μ y Δ/μα ροπών κάμψεως, διαρροή στην στήριξη ε sy

12 Οσο μεγαλώνει η κράτυνση f t /f y >1 τόσο μεγαλώνει το μήκος της «πλαστικής αρθρώσεως» (περιοχή εντός της οποίας γίνεται μεγάλη απορρόφηση ενέργειας) (Σχ. 1 και 2). Μ Μ y u Δ/μα ροπών κάμψεως, διαρροή στην στήριξη Δ/μα ροπών κάμψεως, αστοχία στην στήριξη l pl ε sy ε su Σχ. 1 Μήκος πλαστικής αρθρώσεως l pl =l s (1-f y /f t )

13 Σχ. 2 Το μήκος της πλαστικής άρθρωσης μεγαλώνει με την αύξηση του λόγου f t /f y

14 Για να έχουμε μεγάλες πλαστικές στροφές θέλουμε μεγάλη καμπυλότητα και άρα θέλουμε ο χάλυβας να έχει μεγάλη παραμόρφωση θραύσεως. Για ίδιες τιμές των f y και f t, η αναπτυσσόμενη καμπυλότητα αυξάνει όσο αυξάνει η παραμόρφωση αστοχίας του χάλυβα.

15 Επίσης η ολκιμότητα χρειάζεται (εκτός από τον σεισμό): για να υπάρχει δυνατότητα κάμψεως χάλυβα για να υπάρχει επαρκής προειδοποίηση για αντοχή έναντι επιβαλλομένων παραμορφώσεων για αντοχή σε κρούσεις και άλλες τυχηματικές δράσεις για να υπάρχει δυνατότητα ανακατανομής της εντάσεως (μιας και η ελαστική δυσκαμψία του αρηγμάτωτου σκυροδέματος διαφέρει από την πραγματική δυσκαμψία του ρηγματωμένου σκυροδέματος). Πολλές φορές ο οπλισμός δεν είναι παράλληλος προς τις κύριες εφελκυστικές τάσεις (προσαρμογή από την ελαστική κατανομή σ αυτή του προσομοιώματος) Για ανακατανομή σε περίπτωση πυρκαγιάς

16 Από την άλλη πλευρά όμως: πολύ μεγάλες τιμές του λόγου f t /f y αλλοιώνουν: την μετελαστική συμπεριφορά, τους ικανοτικούς ελέγχους δοκών - υποστυλωμάτων σε κάμψη από την ανάπτυξη απρόβλεπτα μεγάλων ροπών αντοχής στις δοκούς Μ 4 Μ 1 +Μ 2 < Μ 3 +Μ 4 υπεραντοχή? Μ 1 Μ 2 Μ 3

17 τους ικανοτικούς ελέγχους τέμνουσας, ομοίως από την ανάπτυξη απρόβλεπτα μεγάλων ροπών αντοχής στις δοκούς V CD =[M 1 +M 2 ]/L+V 0 <V Rd2 V CD =[M 1 +M 2 ]/L+V 0 <V Rd3 Μ 1 Μ 2 L

18 Οι ιδιότητες του χάλυβα: f t, f y, f t /f y, και ε su σημαντικές διακυμάνσεις και διασπορές. παρουσιάζουν Γι αυτό στην πράξη ορίζονται χαρακτηριστικές τιμές (που συνήθως αντιστοιχούν σε ποσοστιμόριο 5%) ή και ονομαστικές τιμές (κατώτατο εγγυημένο όριο). Ετσι, το όριο διαρροής που ο χάλυβας θα επιδείξει επί τόπου του έργου f y,act είναι συνήθως μεγαλύτερο από την ονομαστική τιμή f y,nom, που λήφθηκε υπόψη στον σχεδιασμό. Αρα ανάγκη για περιορισμό της ανεξέλεγκτης υπεραντοχής του χάλυβα. Τέλος, μεγάλη τιμή του λόγου f t /f y αυξάνει τον κίνδυνο για αστοχία της αγκυρώσεως (ολίσθηση χάλυβα, ψαθυρή αστοχία) μιας και το απαιτούμενο μήκος αγκυρώσεως είναι ανάλογο της τάσεως του χάλυβα: L b,net =Φ*f yd /4f bd

19 Τυπικά διαγράμματα τάσεων παραμορφώσεων χαλύβων οπλισμού σκυροδέματος. Δ/μα τάσεων παραμορφώσεων με σαφές όριο διαρροής, χαρακτηριστικό πλατό και κράτυνση που αρχίζει για παραμόρφωση ε sh >ε y. (Χάλυβες Θερμής Ελασης και με Θερμική κατεργασία (ΘΕ-Θ)

20 Δ/μα τάσεων παραμορφώσεων όπου η διαρροή δεν είναι εμφανής και ορίζεται συμβατικώς ως εκείνη για την οποία έχουμε παραμένουσα παραμόρφωση ίση με 0.2%. Η αύξηση της τάσεως από την διαρροή μέχρι την θραύση είναι συνεχής. (Χάλυβες Ψυχρής Κατεργασίας με Ολκή του αρχικού προϊόντος (ΨΚ-Ο)

21 Ανακυκλιζόμενη ή επαναλαμβανόμενη ένταση Φαινόμενο Bauschinger: Καμπύλωση του διαγράμματος μετά την πρώτη διαρροή, με μηδενική απώλεια της αντοχής, αλλά με μείωση της ολκιμότητάς του.

22 Ανακυκλιζόμενη ή επαναλαμβανόμενη ένταση (συνχ) Επιπτώσεις στην σεισμική συμπεριφορά: Εστω OSU το σχηματικό μονοτονικό διάγραμμα. Αν αποφορτίσουμε στο σημείο Α, μετά την διαρροή (OSAO ) και ξαναφορτίσουμε (Ο S U ) παρατηρούμε ότι: καμπύλωση του δ/τος στην περιοχή της διαρροής το όριο διαρροής και η τάση θραύσεως μειώνονται ελάχιστα (BS B S και CU C U ) και η παραμόρφωση διαρροής δεν μεταβάλλεται ουσιαστικά (ΟΒ O B ) η μετελαστική παραμόρφωση μειώνεται δραστικά (B C <<BC) Αρα μείωση της διατιθέμενης πλαστιμότητας μετά από έναν μεγάλο σεισμό Τάση S S A U U L pl2 Παραμόρφωση O B O B C C

23 Συνεπως: τρία είναι τα χαρακτηριστικά μεγέθη που κυρίως μας ενδιαφέρουν στο διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων του χάλυβα: το όριο διαρροής f y (για τον υπολογισμό των οπλισμών) η εφελκυστική αντοχή f t, η οποία συνήθως εκφράζεται από την κράτυνση f t /f y, (για τους ικανοτικούς ελέγχους, και την ανακατανομή της εντάσεως) και η παραμόρφωση θραύσεως ε st (για την πλαστιμότητα)

24 Η παραμόρφωση θραύσεως μετριέται συνήθως με δύο τρόπους: Επιμήκυνση μετά την θραύση (ε 5 ) η οποία μετρούταν (κατά τα καταργηθέντα πλέον ΕΛΟΤ 959, 971) επί μήκους 5Φ εκατέρωθεν του λαιμού θραύσεως, και Ομοιόμορφη παραμόρφωση υπό μέγιστο φορτίο (ε u ) η οποία μετριέται μακριά από τον λαιμό (τις περισσότερες φορές μετριέται και αυτή μετά την θραύση, επειδή η μέτρηση την χρονική στιγμή που επιβάλλεται το μέγιστο φορτίο δεν είναι πάντα εφικτή) (έτσι προτείνεται από τους νεότερους κανονισμούς). Η παραμόρφωση μετά την θραύση είναι πολύ μεγαλύτερη από την παραμόρφωση υπό το μέγιστο φορτίο: ε 5 2.5ε su και πιο ομοιόμορφη.

25 Νέα πρότυπα: 1. ΕΛΟΤ ΕΝ (αυτούσιο με το ) Γενικό Μέρος και 2. ΕΛΟΤ Για Χάλυβες Τεχν Κατηγορίας Β500Α 3. ΕΛΟΤ Για Χάλυβες Τεχν Κατηγορίας Β500C B ράβδος οπλισμού από χάλυβα ( αντί του S) 500 Χαρακτηριστική αντοχή (MPa) A ή C Απαιτήσεις μηχανικών ιδιοτήτων ΑΡΑ: αντί S500s B500C

26 ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΚΑΝΟΝΙΣΜΩΝ Ιδιότητες σε εφελκυσμό: Κατά το ΕΛΟΤ ΕΝ Κατηγορία f t /f y ε u [%] f y,act /f y,nom διάμετροι B500A B500B B500C Κατά τα καταργηθέντα πρότυπα ΕΛΟΤ 959 και 971 ΕΛΟΤ 959- f y f t (MPa) f t /f y ε 5 (%) 971 (MPa) S S400 (S400s) (440) S500 (S500s)

27 ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΚΑΝΟΝΙΣΜΩΝ Ιδιότητες σε διάτμηση (για τα πλέγματα): 0,25f y,nom A Ικανότητα σε κάμψη: δοκιμή αναδίπλωσης Συμπεριφορά σε κόπωση (μόνο για τους Β500C) (Κυρίως για γερανογέφυρες, γέφυρες, προεντεταμένα στοιχεία): Πρέπει να αντέχουν: Ν=2*10 6 κύκλους εναλλασσόμενης φόρτισης με μέγιστη τιμή 300MPa και εύρος διακύμανσης τάσεων 150MPa

28 Σκοπός του οπλισμού: Παραλαβή εφελκυσμού (παράλληλα προς τις εφελκυστικές τάσεις: έως 20 ο απόκλιση, εξαιρούνται οι οπλισμοί διατμήσεως και στρέψεως: συμβιβαζόμαστε με τις 45 ο ) Ενίσχυση του σκυροδέματος σε θλίψη (είτε για λόγους μειωμένης αντοχής του σκυροδέματος είτε για να προσδώσει πλαστιμότητα) b i b 0 Αποφυγή λυγισμού διαμήκων ράβδων (όχι κενό μεταξύ διαμήκους ράβδου και της γωνιάς του συνδετήρα) Περίσφιγξη σκυροδέματος (τριαξονικότητα, αύξηση f c και ε cu ) σ c á n = 1-8/(3n) s á s = [1-s/(2b 0 )] 2 f c,conf f c μή περισφιγμένο σκυρόδεμα (μονοαξονική ένταση) περισφιγμένο σκυρόδεμα (τριαξονικότητα) 0.85f c á= á n á s b 0 ε c0 ε cu ε c0,conf ε cu,conf ε c

29 Συγκράτηση οπλισμού Σχηματισμός εσχάρας: δέσιμο με σύρμα Συγκόλληση (προκατασκευασμένοι κλωβοί, πλέγματα)

30 Εκλογή διαμέτρου Γενικώς προτιμώνται οι μεγάλες διάμετροι. ΑΛΛΑ: απαιτούν μεγάλα μήκη αγκύρωσης μεγάλες ακτίνες καμπύλωσης για τον περιορισμό των δυνάμεων άντυγας δεν είναι κατάλληλες για τον περιορισμό των ρηγματώσεων

31 Εξ άλλου οι μικρές διάμετροι: επειδή απαιτούν μεγάλο πλήθος ράβδων δημιουργούν προβλήματα στην διέλευση του σκυροδέματος και του δονητή λεπτόκοκκο σκυρόδεμα (γαρμπιλόδεμα) μεγάλη κάθιση (αυτοσυμπυκνούμενο!) δέσμες ράβδων

32 Ελάχιστες αποστάσεις ράβδων max{20mm, Φ L,max, (d aggr, max +5mm)} διάκενα δονήσεως 10cm πολλαπλές στρώσεις: η μία πάνω από την άλλη Λεπτομέρειες οπλίσεως σε κλίμακα 1:5 έως 1:1 Επικάλυψη (συνάφεια, πυρασφάλεια, διάβρωση) Για μεγάλες επικαλύψεις επιδερμικός (αναλισκόμενος!) οπλισμός. Διέλευση δονητή Διέλευση δονητή

33 Επικαλύψεις οπλισμών. Οι αποστατήρες πρέπει: Να συγκρατούν τον οπλισμό στην θέση του Να μην αλλοιώνονται και να μην αλλοιώνουν την επιφάνεια του σκυροδέματος Να μπορούν να περιβληθούν ικανοποιητικώς από σκυρόδεμα, Να μην αντιδρούν με τα υλικά του οπλισμένου σκυροδέματος, Να παρουσιάζουν ανοχές συμβιβαστές με εκείνες που απαιτούνται για τα δομικά στοιχεία και τη διάταξη του οπλισμού, και Να συμπεριφέρονται ικανοποιητικώς όσο αφορά τις θερμοκρασιακές επιρροές και την προστασία σκυροδέματος και οπλισμού.

34 Επικαλύψεις οπλισμών. Οι αποστατήρες δεν πρέπει: Να παρουσιάζουν ορατές ασυνέχειες στην επιφάνεια Να παρεμποδίζουν την διάστρωση Να παρεμποδίζουν την επεξεργασία της τελικής επιφάνειας του σκυροδέματος

35 Επικαλύψεις οπλισμών Σημειακοί ή γραμμικοί Από πλαστικό ή τσιμεντοκονία (όχι μεταλλικοί ή πέτρες, μάρμαρα) Μεταλλικοί αποστατήρες επιτρέπονται: μεταξύ διαδοχικών στρώσεων ράβδων οπλισμού (ράβδοι χάλυβα) για τα πάνω σίδερα πλακών (καβαλέτα ή κλωβοί συνδετήρων, να μην ακουμπούν όμως στον ξυλότυπο) Επ ουδενί επί του ξυλοτύπου και ανασήκωμα κατά την διάστρωση! Ο τύπος, η διάταξη και το πλήθος των αποστατήρων εξαρτώνται από το βάρος που συγκρατούν, την διάμετρο των ράβδων και το είδος των δομικών στοιχείων.

36 Γενικά οι αποστατήρες διατάσσονται: Σε πλάκες: στις κάτω ράβδους Σε δοκούς: στους συνδετήρες Σε υποστυλώματα (και πασσάλους): στους συνδετήρες Σε τοιχώματα και κάθε είδους τοιχεία (π.χ. υπογείων): στις εξωτερικές οριζόντιες ράβδους.

37 Αγκυρώσεις Ευθύγραμμες (συνάφεια, χάλυβες με νευρώσεις) Με άγκιστρα (+δυνάμεις άντυγας, D>4-7Φ)

38

39 Αγκυρώσεις Ευθύγραμμες (συνάφεια, χάλυβες με νευρώσεις) Με άγκιστρα (+δυνάμεις άντυγας, D>4-7Φ) Με εγκάρσια συγκολλημένη ράβδο Με σώματα αγκυρώσεως

40 Αγκυρώσεις Αγκύρωση στην εφελκυόμενη περιοχή επιτρέπεται? Βεβαίως ναι, αλλά να μην ξεχνάμε: Εφελκυσμός στο σκυρόδεμα παράλληλος προς την ράβδο (δηλ. πιθανές ρωγμές κάθετα στην ράβδο): δεν υπάρχει πρόβλημα αρκεί να καλύπτεται ο εφελκυσμός Αντιθέτως, είναι δυσμενής ο εφελκυσμός κάθετα προς την ράβδο (δηλ πιθανές ρωγμές κατά μήκος της ράβδου): να προβλέπεται εγκάρσιος οπλισμός

41 Αγκυρώσεις Παράμετροι που επηρεάζουν την αγκύρωση των ράβδων: Τάση συνάφειας Γεωμετρία νευρώσεων Θέση της ράβδου εντός του στοιχείου Οριο διαρροής χάλυβα Επικάλυψη Εγκάρσια θλίψη Εγκάρσιος οπλισμός

42 Ενώσεις ράβδων Ματίσματα Αμεσες ενώσεις: συγκόλληση, μούφες (πρεσαριστές, κοχλιωτές, έκκεντρες) Εμμεσες ενώσεις: με παράθεση των ράβδων

43 Τάση συνάφειας τ (MPa) τ 1 6 τ bu τ τ ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Ολίσθηση s (mm)

44

45

46 ISO = άϊζο ή ίζο (ή και ίσο)? από τον δικτυακό τόπο ( του Διεθνούς Οργανισμού για την Τυποποίηση (ISO) διαβάζουμε:

47 What ISO's name means? Because "International Organization for Standardization" would have different abbreviations in different languages ("IOS" in English, "OIN" in French for Organisation internationale de normalisation), it was decided at the outset to use a word derived from the Greek isos, meaning "equal". Therefore, whatever the country, whatever the language, the short form of the organization's name is always ISO. (Και όχι I.S.O.)