ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΣΕ ΗΥ Ενότητα 3: Λεπτομέρειες προσομοίωσης δομικών στοιχείων. Διδάσκων: Κίρτας Εμμανουήλ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

Transcript

1 ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΣΕ ΗΥ Ενότητα 3: Λεπτομέρειες προσομοίωσης δομικών στοιχείων Διδάσκων: Κίρτας Εμμανουήλ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ 1

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Κεντρικής Μακεδονίας» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

4 Ενότητα 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΣΕ ΗΥ Διδάσκων: Κίρτας Εμμανουήλ

5 Περιεχόμενα ενότητας 1. Προσομοίωση φορέα σε πρόγραμμα Η/Υ

6 Σκοποί ενότητας

7 Παραδοχές και απλοποιήσεις κατά την προσομοίωση Απλοποιήσεις της μορφολογίας του φορέα και των δομικών μελών της κατασκευής (γεωμετρία, στηρίξεις κτλ) Απαλοιφή στοιχείων που παίζουν δευτερεύοντα ρόλο στη συμπεριφορά του φορέα επιδιώκοντας απλοποιημένο προσομοίωμα Εξιδανικεύσεις και παραδοχές στην προσομοίωση των φορτίων που δρουν στο κτίριο (κατακόρυφα, σεισμικά κ.α.) 7

8 Παραδοχές και απλοποιήσεις κατά την προσομοίωση Ενδεικτικά: (α) Πλαίσιο Ο/Σ Σεισμικά φορτία (β) Προσομοίωμα Γεωμετρία: Χρήση γραμμικών στοιχείων Φορτία: απλοποιημένη εφαρμογή στον φορέα Σεισμός 8

9 Δεδομένα προσομοίωσης σε πρόγραμμα Η/Υ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ ΥΛΙΚΑ ΔΙΑΤΟΜΕΣ ΦΟΡΤΙΑ - Διαστάσεις μοντέλου (μήκη, ύψη ορόφων κτλ) - Θέσεις κόμβων - Στηρίξεις (πακτώσεις κτλ) - Εσωτερικές αρθρώσεις - Διαίρεση στοιχείων σε τμήματα - Μέτρο ελαστικότητας E - Πυκνότητα (t/m³) - Ειδικό βάρος (KN/m³) - Λόγος Poisson v - Σχήμα και διαστάσεις διατομών - Συντελεστές ιδιοτήτων διατομής (Modification factors) - Επιλογή υλικού κάθε διατομής - Φορτιστικές καταστάσεις (στατικές, φασματικές, δυναμικές) - Ορισμός φορτίων σε κάθε φορτιστική κατάσταση - Συνδυασμοί φορτιστικών καταστάσεων - Μάζες (για ιδιομορφική, φασματική ή δυναμική ανάλυση) ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑΤΟΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΠΙΠΡΟΣΘΕΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ - Διαφράγματα - Άκαμπτα άκρα στοιχείων - Βαθμοί ελευθερίας (2D ή 3D ανάλυση) 9

10 Γενικά στοιχεία προσομοίωσης φέροντος οργανισμού Πλάκες - Η προσομοίωση συνήθως παραλείπεται - Όταν προσομοιώνονται χρησιμοποιούνται επιφανειακά στοιχεία 10

11 Γενικά στοιχεία προσομοίωσης φέροντος οργανισμού Δοκοί - Προσομοίωση με γραμμικά στοιχεία 11

12 Γενικά στοιχεία προσομοίωσης φέροντος οργανισμού Υποστυλώματα - Προσομοίωση με γραμμικά στοιχεία 12

13 Γενικά στοιχεία προσομοίωσης φέροντος οργανισμού Τοιχώματα - Προσομοίωση συνήθως με γραμμικά στοιχεία αλλά ενίοτε και με επιφανειακά πεπερασμένα στοιχεία κελύφους 13

14 Γενικά στοιχεία προσομοίωσης φέροντος οργανισμού Στοιχεία θεμελίωσης - Συχνά δεν προσομοιώνονται αναλυτικά (πάκτωση ή απλά ελατήρια) - Αναλυτική προσομοίωση με συνδυασμό γραμμικών στοιχείων 14

15 Γενικά στοιχεία προσομοίωσης φέροντος οργανισμού Πραγματική εικόνα προσομοιώματος - Σύνολο γραμμικών ή/και επιφανειακών στοιχείων δίχως την εντυπωσιακή τρισδιάστατη απεικόνιση 15

16 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Πλάκες Ο/Σ α) Κατανομή των κατακόρυφων φορτίων στις δοκούς β) Εξασφάλιση διαφραγματικής λειτουργίας ορόφου Καταπόνηση σε κάμψη εκτός του επιπέδου τους (η ανάλυση γίνεται συνήθως αυτόνομα δίχως συμμετοχή στο προσομοίωμα του φορέα) Ανάλυση πλακών: Μέθοδος Czerny, Pieper-Martins κτλ Γνώση συνθηκών στήριξης της πλάκας 16

17 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Πλάκες Ο/Σ α) Κατανομή των κατακόρυφων φορτίων στις δοκούς β) Εξασφάλιση διαφραγματικής λειτουργίας ορόφου Καταπόνηση σε κάμψη εκτός του επιπέδου τους (η ανάλυση γίνεται συνήθως αυτόνομα δίχως συμμετοχή στο προσομοίωμα του φορέα) Ανάλυση πλακών: Μέθοδος Czerny, Pieper-Martins κτλ Γνώση συνθηκών στήριξης της πλάκας 17

18 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Πλάκες Ο/Σ α) Κατανομή των κατακόρυφων φορτίων στις δοκούς β) Εξασφάλιση διαφραγματικής λειτουργίας ορόφου Αυτόματη επιλογή για διαφραγματική λειτουργία πλάκας μειονέκτημα: κατόψεις «περίεργης» μορφολογίας 18

19 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Πλάκες Ο/Σ α) Κατανομή των κατακόρυφων φορτίων στις δοκούς β) Εξασφάλιση διαφραγματικής λειτουργίας ορόφου Αυτόματη επιλογή για διαφραγματική λειτουργία πλάκας μειονέκτημα: κατόψεις «περίεργης» μορφολογίας 19

20 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Δοκοί Ο/Σ α) Μεταφορά κατακόρυφων φορτίων στα τοιχώματα και τα υποστυλώματα β) Συμμετοχή στα πλαίσια για την παραλαβή των οριζόντιων φορτίων Κάμψη της δοκού «προς τα κάτω» Λαμβάνεται υπόψη συνεργαζόμενο τμήμα της δοκού (συνήθως έμμεσα) Προσομοίωση δοκού με ορθογωνική διατομή όταν προσομοιώνεται με επιφανειακά στοιχεία η πλάκα 20

21 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Δοκοί Ο/Σ α) Μεταφορά κατακόρυφων φορτίων στα τοιχώματα και τα υποστυλώματα β) Συμμετοχή στα πλαίσια για την παραλαβή των οριζόντιων φορτίων Κάμψη της δοκού «προς τα κάτω» Λαμβάνεται υπόψη συνεργαζόμενο τμήμα της δοκού (συνήθως έμμεσα) Προσομοίωση δοκού με διατομή πλακοδοκού όταν δεν προσομοιώνεται η πλάκα αμφίπλευρη πλακοδοκός μονόπλευρη πλακοδοκός 21

22 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Δοκοί Ο/Σ α) Μεταφορά κατακόρυφων φορτίων στα τοιχώματα και τα υποστυλώματα β) Συμμετοχή στα πλαίσια για την παραλαβή των οριζόντιων φορτίων Κάμψη της δοκού «προς τα κάτω» Λαμβάνεται υπόψη συνεργαζόμενο τμήμα της δοκού (συνήθως έμμεσα) Θεώρηση ρηγματωμένων διατομών σταδίου ΙΙ (ΕΑΚ 2000, 3.2.3[2]) ΕΑΚ 2000: - Ροπή αδράνειας σε κάμψη ίση με το 1/2 της τιμής της πλήρους διατομής - Στρεπτική ροπή αδράνειας ίση με το 1/10 της τιμής της πλήρους διατομής (Με βάση τον EC8 η απομείωση της δυσκαμψίας-δυστμησίας είναι στο ½) 22

23 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Υποστυλώματα Ο/Σ α) Μεταφορά φορτίων μέσω της θεμελίωσης στο έδαφος β) Συμμετοχή στα πλαίσια για την παραλαβή των οριζόντιων φορτίων Διαξονική κάμψη των στύλων Θεώρηση ρηγματωμένων διατομών σταδίου ΙΙ (ΕΑΚ 2000, 3.2.3[2]) - Στρεπτική ροπή αδράνειας ίση με το 1/10 της τιμής της πλήρους διατομής - Δυσκαμψία ίση με την τιμή της πλήρους διατομής (κλείσιμο ρωγμών λόγω θλιπτικού φορτίου) Τόσο ο ΕΑΚ 2000 στα σχόλια όσο και ο EC8 προτείνουν διαφορετικούς συντελεστές απομείωσης δυσκαμψίας. Ειδικότερα ο EC8 προτείνει δυσκαμψία και δυστμησία ίση με το ½ της πλήρους διατομής. 23

24 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Τοιχώματα Ο/Σ α) Μεταφορά φορτίων μέσω της θεμελίωσης στο έδαφος β) Παραλαβή των οριζόντιων φορτίων σε σημαντικό ποσοστό - Απαλλαγή από ικανοτικό έλεγχο των κόμβων δοκών-υποστυλωμάτων όταν παραλαμβάνουν άνω του 60% της σεισμικής τέμνουσας βάσης (ΕΑΚ β[2]) Κάμψη κυρίως κατά την ισχυρή διεύθυνση Θεώρηση ρηγματωμένων διατομών σταδίου ΙΙ (ΕΑΚ 2000, 3.2.3[2]) - Ροπή αδράνειας σε κάμψη ίση με το 2/3 της τιμής της πλήρους διατομής - Στρεπτική ροπή αδράνειας ίση με το 1/10 της τιμής της πλήρους διατομής Ο EC8 προτείνει δυσκαμψία και δυστμησία ίση με το ½ της πλήρους διατομής, όπως ακριβώς για τα υποστυλώματα και τις δοκούς. 24

25 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Τοιχώματα Ο/Σ Ορισμός τοιχώματος κατά ΕΑΚ 2000 (ΦΕΚ 781/ ) (σχετίζεται με την αντισεισμική συμπεριφορά του τοιχώματος) - Μήκος τοιχώματος 1.5m για κτίρια έως 4 ορόφους - Μήκος τοιχώματος 2.0m για κτίρια άνω των 4 ορόφων Ορισμός τοιχώματος κατά ΕΚΩΣ 2000 ( ) (σχετίζεται με την διαμόρφωση - διαστασιολόγηση του τοιχώματος) - Κατακόρυφα δομικά στοιχεία διαμορφώνονται και οπλίζονται ως τοιχώματα όταν L / b 4 25

26 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Τοιχώματα Ο/Σ Τοίχωμα κατά ΕΑΚ 2000 Τοίχωμα κατά ΕΚΩΣ L 1.5m (έως 4 ορόφους) - L / b 4 - L 2.0m ( > 4 ορόφων) Κτίριο 4 ορόφων Παραδείγματα L= 1.50m Κτίριο 4 ορόφων L= 1.20m b= 0.40m L/b= 3.75 b= 0.30m L/b= 4.0 Είναι τοίχωμα κατά ΕΑΚ αλλά όχι κατά ΕΚΩΣ (οπλίζεται ως στύλος) Είναι τοίχωμα κατά ΕΚΩΣ (οπλίζεται αντίστοιχα) αλλά όχι κατά ΕΑΚ 26

27 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Τοιχώματα Ο/Σ Προσομοίωση με γραμμικά πεπερασμένα στοιχεία - Τοποθετείται ισοδύναμος στύλος στον άξονα του τοιχώματος - Στο ύψος των ορόφων χρησιμοποιούνται στερεοί βραχίονες - Χάνει σε ακρίβεια για τοιχώματα μικρού ύψους και μεγάλου πλάτους ισοδύναμος στύλος διαστάσεων τοιχείου στερεός βραχίονας Πραγματικός φορέας Ισοδύναμο πλαίσιο 27

28 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Τοιχώματα Ο/Σ Προσομοίωση με γραμμικά πεπερασμένα στοιχεία - Τοποθετείται ισοδύναμος στύλος στον άξονα του τοιχώματος - Στο ύψος των ορόφων χρησιμοποιούνται στερεοί βραχίονες - Χάνει σε ακρίβεια για τοιχώματα μικρού ύψους και μεγάλου πλάτους Χαρακτηριστικά ισοδύναμου στύλου Παρόμοια τιμή δυστένειας, δυσκαμψίας και δυστμησίας με τη διατομή τοιχώματος που υποκαθιστά Συνήθως δίνεται στο γραμμικό στοιχείο ορθογωνική διατομή με διαστάσεις όμοιες με αυτές της διατομής τοιχώματος 28

29 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Τοιχώματα Ο/Σ Προσομοίωση με γραμμικά πεπερασμένα στοιχεία - Τοποθετείται ισοδύναμος στύλος στον άξονα του τοιχώματος - Στο ύψος των ορόφων χρησιμοποιούνται στερεοί βραχίονες Χαρακτηριστικά βραχίονα Ατενής, άκαμπτος και άτμητος βραχίονας (μεγάλη τιμή πολλαπλασιαστή στις ιδιότητες) Πεπερασμένη τιμή δυστρεψίας ιδίως όταν αναμένεται στρεπτική επιπόνηση 29

30 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Τοιχώματα Ο/Σ Προσομοίωση με γραμμικά πεπερασμένα στοιχεία - Τοποθετείται ισοδύναμος στύλος στον άξονα του τοιχώματος - Στο ύψος των ορόφων χρησιμοποιούνται στερεοί βραχίονες Χαρακτηριστικά βραχίονα Απαίτηση για σωστή εικόνα παραμόρφωσης Τιμή δυστρεψίας: όπου: J 3 αt h t πh α 1 tanh 5 3 π h 2 t Σωστή παραμόρφωση Λάθος παραμόρφωση h το ύψος από το μέσον του προηγούμενου έως το μέσον του επόμενου ορόφου t το πάχος του τοιχώματος 30

31 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Τοιχώματα Ο/Σ Προσομοίωση με επιφανειακά πεπερασμένα στοιχεία - Χρησιμοποιούνται στοιχεία κελύφους - Θεωρείται ακριβέστερη προσομοίωση και σε περίεργες μορφές τοιχωμάτων - Απαιτείται ειδική διαμόρφωση στις θέσεις σύνδεσης με γραμμικά στοιχεία δοκών για την «πάκτωση» των δοκών στο τοίχωμα 31

32 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Τοιχώματα Ο/Σ Στερεός βραχίονας με πεπερασμένη δυστρεψία Στερεοί βραχίονες για την σύνδεση γραμμικώνεπιφανειακών στοιχειών Ζ Υ Ισοδύναμος στύλος: Δυστένεια: Δυσκαμψία: Δυστρεψία: Δυστμησία: A I X JY b t 3 bt 12 3 αt h I Y bt t πh α 1 tanh 5 3 π h 2 t * * * A 5 A A 5 A X Y 6 6 Χ *Πρέπει να ληφθούν επιπλέον οι συντελεστές σταδίου ΙΙ του ΕΑΚ Επιφανειακά στοιχεία: Τετράκομβα επιφανειακά στοιχεία κελύφους με πάχος ίσο με το πάχος του τοιχώματος* 32

33 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Τοιχώματα Ο/Σ Στερεός βραχίονας με πεπερασμένη δυστρεψία Στερεοί βραχίονες για την σύνδεση γραμμικώνεπιφανειακών στοιχειών Ζ Υ Βοηθητικές δοκοί: Χ Βοηθητικές δοκοί: Δυστένεια: A Δυστένεια: A Δυσκαμψία: I I X Z Δυσκαμψία: I I X Z Δυστρεψία: Δυστμησία: 3 J αt h η Y A X A Z t πh α 1 tanh 5 3 π h 2 t Δυστρεψία: Δυστμησία: J Y A X A Z 33

34 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Τοιχώματα Ο/Σ Φέρων οργανισμός Ισοδύναμη πλαισιακή προσομοίωση Επιφανειακά πεπερασμένα στοιχεία φέρων οργανισμός ισοδύναμη πλαισιακή προσομοίωση επιφανειακά πεπερασμένα στοιχεία Φέρων οργανισμός Ισοδύναμη πλαισιακή προσομοίωση Επιφανειακά πεπερασμένα στοιχεία (υπερβολικό μοντέλο) φέρων οργανισμός ισοδύναμη πλαισιακή προσομοίωση επιφανειακά πεπερασμένα στοιχεία (υπερβολική σύλληψη μοντέλου) 34

35 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Τοιχώματα Ο/Σ Φέρων οργανισμός Ισοδύναμη πλαισιακή προσομοίωση Επιφανειακά πεπερασμένα στοιχεία (όμοια ή διαφόρων μεγεθών) τοίχωμα ισοδύναμη πλαισιακή προσομοίωση επιφανειακά πεπερασμένα στοιχεία (όμοια ή διαφόρων μεγεθών) 35

36 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Σύνθετα Τοιχώματα Ο/Σ - Πυρήνες Συνδυασμός 2 ή 3 τοιχωμάτων σε διατάξεις τύπου Γ Τ Π ή και κλειστές διατάξεις πυρήνων Η προσομοίωση μπορεί να γίνει είτε με γραμμικά είτε με επιφανειακά πεπερασμένα στοιχεία Απαιτείται μεγάλη προσοχή κατά την προσομοίωση για την αναπαραγωγή των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών συμπεριφοράς των σύνθετων τοιχωμάτων 36

37 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Σύνθετα Τοιχώματα Ο/Σ - Πυρήνες Προσομοίωση με γραμμικά πεπερασμένα στοιχεία - Τοποθετείται κατά τα γνωστά ισοδύναμος στύλος στο κέντρο βάρους του κάθε διακριτού τοιχώματος - Η σύνδεση στο επίπεδο των ορόφων γίνεται με βοηθητικούς βραχίονες βοηθητικοί βραχίονες ισοδύναμοι στύλοι στο ΚΒ κάθε τοιχώματος 37

38 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Σύνθετα Τοιχώματα Ο/Σ - Πυρήνες Προσομοίωση με γραμμικά πεπερασμένα στοιχεία - Τοποθετείται κατά τα γνωστά ισοδύναμος στύλος στο κέντρο βάρους του κάθε διακριτού τοιχώματος - Η σύνδεση στο επίπεδο των ορόφων γίνεται με βοηθητικούς βραχίονες - Απαιτείται υπολογισμός της δυστρεψίας ειδικά του βραχίονα πλάτης 38

39 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Σύνθετα Τοιχώματα Ο/Σ - Πυρήνες Προσομοίωση με επιφανειακά πεπερασμένα στοιχεία - Χρησιμοποιείται σύστημα επιφανειακών στοιχείων για τη μόρφωση της γεωμετρίας του τοιχώματος Στερεοί βραχίονες με - Η σύνδεση στο επίπεδο των πεπερασμένη δυστρεψία ορόφων με τα υπόλοιπα δομικά στοιχεία γίνεται με βοηθητικούς άκαμπτους βραχίονες Στερεοί βραχίονες για την σύνδεση γραμμικώνεπιφανειακών στοιχειών Ζ Υ Χ 39

40 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Σύνθετα Τοιχώματα Ο/Σ - Πυρήνες Στερεοί βραχίονες με πεπερασμένη δυστρεψία Στερεοί βραχίονες για την σύνδεση γραμμικώνεπιφανειακών στοιχειών Ζ Υ Ισοδύναμοι στύλοι: Δυστένεια: Δυσκαμψία: Δυστρεψία: Δυστμησία: A I X JY b t 3 bt 12 3 αt h I Y *Πρέπει να ληφθούν επιπλέον οι συντελεστές σταδίου ΙΙ του ΕΑΚ 3 bt t πh α 1 tanh 5 3 π h 2 t * * A 5 A A 5 A X Y 6 6 * Χ Επιφανειακά στοιχεία: Τετράκομβα επιφανειακά στοιχεία κελύφους με πάχος ίσο με το πάχος του τοιχώματος* 40

41 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Σύνθετα Τοιχώματα Ο/Σ - Πυρήνες Στερεοί βραχίονες με πεπερασμένη δυστρεψία Στερεοί βραχίονες για την σύνδεση γραμμικώνεπιφανειακών στοιχειών Ζ Υ Βοηθητικές δοκοί: Χ Βοηθητικές δοκοί: Δυστένεια: A Δυστένεια: A Δυσκαμψία: I Δυσκαμψία: I Δυστρεψία: Δυστμησία: 3 J αt h η A t πh α 1 tanh 5 3 π h 2 t Δυστρεψία: Δυστμησία: J A 41

42 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Κόμβοι Ο/Σ Θέσεις σύνδεσης γραμμικών συνήθως στοιχείων με μεγάλη δυσκαμψία Συχνά το άκαμπτο μήκος των στοιχείων επί των κόμβων αγνοείται στην προσομοίωση Σε πολλά προγράμματα υπάρχει αυτοματοποιημένη επιλογή για την δυσκαμψία στην περιοχή του κόμβου Μεγάλη σημασία έχει η σωστή απόδοση της δυσκαμψίας στις συνδέσεις με τοιχώματα 42

43 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Θεμελίωση (ενδοσιμότητα εδάφους) Μόνο θεμελίωση σε βράχο αντιστοιχεί σε συνθήκες πάκτωσης Η πλειοψηφία των εδαφών είναι ενδόσιμα τόσο υπό στατικά όσο και υπό σεισμικά φορτία Συνηθίζεται η χρήση ελατηριακών σταθερών για την προσομοίωση της ενδοσιμότητας του εδάφους θεμελίωσης Σημαντική η προσομοίωση στη θεμελίωση των τοιχωμάτων όπου αναπτύσσονται υψηλές τιμές εντατικών μεγεθών 43

44 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Θεμελίωση (ενδοσιμότητα εδάφους) Προσομοίωση βάση μοντέλου Winkler Χρήση δείκτη εμπέδησης (ή δείκτης δυσκαμψίας - ελατηριακή σταθερά) Απαιτούνται έξι ελατηριακές σταθερές για τους έξι βαθμούς ελευθερίας Υ 2B Χ K Y K KrY ry 2L 2L K X K rx Κάτοψη θεμελίου Όψη θεμελίου Συνήθως λαμβάνονται μόνο ο κατακόρυφος μεταφορικός δείκτης (Κ Ζ ) και οι δυο στροφικοί γύρω από τους οριζόντιους άξονες (Κ rx και Κ ry ) K rz K Z 44

45 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Θεμελίωση (ενδοσιμότητα εδάφους) Προτεινόμενες τιμές δεικτών εμπέδησης (Gazetas, 1991 και 1997) Τετραγωνικά θεμέλια Μορφή απόκρισης Κατακόρυφη z Οριζόντια y (εγκάρσια διεύθυνση) Οριζόντια x (επιμήκης διεύθυνση) Δυσκαμψία Κ K z K 4.54GB 1 v y K Δυναμικός συντελεστής δυσκαμψίας με τη συχνότητα L B k k z z, v, α, 0 διαγραμμα 9GB 2 v x K y L k k, α, y y 0 διαγραμμα B k 1 x Λικνιστική Rx (γύρω από άξονα x) K rx 3.6GB 1 v 3 k α rx 0 Λικνιστική Ry (γύρω από άξονα y) K ry K rx 0.30 v 0.45: k α ry 0 L v 0.50 : k α ry 0 B Στρεπτική Kt k α 3 8.3GB t 0 α 0 ωβ V S L=Β: ήμισυ πλάτους θεμελίου, G: μέτρο διάτμησης εδάφους 45

46 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Θεμελίωση (ενδοσιμότητα εδάφους) Προτεινόμενες τιμές δεικτών εμπέδησης (Gazetas, 1991 και 1997) Θεμέλια τυχούσας διατόμης Μορφή απόκρισης Κατακόρυφη z Οριζόντια y (εγκάρσια διεύθυνση) Οριζόντια x (επιμήκης διεύθυνση) Δυσκαμψία Κ 2GL K z χ 1 v 2GL K y χ 2 v B K K GL 1 x y 0.75 v L Δυναμικός συντελεστής δυσκαμψίας με τη συχνότητα L k k, v, α, z z 0 διαγραμμα B L k k, α, y y 0 διαγραμμα B k 1 x α Ab 0 χ ωβ V A S b 4L 2 2B 2L Λικνιστική Rx (γύρω από άξονα x) Λικνιστική Ry (γύρω από άξονα y) 0.25 G 0.75 L B K I rx bx 1 v B L K G 0.75 L I ry by 1 v B Στρεπτική B K GJ t b L I,I ροπές αδρανείας θεμελίου J I I b bx by bx by k α rx 0 v 0.45: k α ry L v 0.50 : k α ry 0 B k α t 0 G: μέτρο διάτμησης εδάφους 46

47 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Θεμελίωση (ενδοσιμότητα εδάφους) Υπολογισμός μέτρου διάτμησης εδάφους G 2 G ρv S ενώ G E 2 1 v Vs: η ταχύτητα των διατμητικών κυμάτων στο εδαφικό μέσο ρ: η πυκνότητα του εδαφικού υλικού Τα ελαστικά χαρακτηριστικά του εδάφους λαμβάνουν διαφορετικές τιμές υπό δυναμική φόρτιση σε σχέση με στατικές συνθήκες φόρτισης 47

48 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Θεμελίωση (ενδοσιμότητα εδάφους) Προσομοίωση ελαστικής έδρασης θεμελίων A A-A A συνεχής ελαστική έδραση s s s s s s cm,πεδ cn,πεδ cn cn cn cn cn cn cn cm,πεδ cn,πεδ μεμονωμένες ελατηριακές στηρίξεις 48

49 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Θεμελίωση (ενδοσιμότητα εδάφους) Παράδειγμα υπολογισμού δεικτών εμπέδησης θεμελίωσης (ζητείται η τοποθέτηση ελατηρίων στην συνδετήρια δοκό να γίνει ανά μέτρο) 6m Θεμέλιο 2x2m Συνδετήρια δοκός 6x1.2m A Τομή A-A Z X Y Έδαφος Vs=450m/s ρ=2t/m³ v=0.33 A 1.2m Εδαφικά χαρακτηριστικά Μονάδες: 2 t 2 m G ρ V KPa S 3 m s t m 1 m s 1 m s 1 N 3 t 1000 kgr 1000 kg Pa 1 KPa m s m s s m m s s m m s m 49

50 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Θεμελίωση (ενδοσιμότητα εδάφους) Παράδειγμα υπολογισμού δεικτών εμπέδησης θεμελίωσης (ζητείται η τοποθέτηση ελατηρίων στην συνδετήρια δοκό να γίνει ανά μέτρο) 6m Θεμέλιο 2x2m Συνδετήρια δοκός 6x1.2m A Τομή A-A Z X Y Έδαφος Θεμέλιο (L=B=1m) Vs=450m/s ρ=2t/m³ v= Μεταφορικό ελατήριο κατά z - Στροφικό ελατήριο γύρω από x - Στροφικό ελατήριο γύρω από y A 4.54GB KN C K N,πεδ z 1 v m 3 3.6GB C K KNm Μ,Χ rx 1 v C K K KNm Μ,Υ ry rx 1.2m 50

51 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Θεμελίωση (ενδοσιμότητα εδάφους) Παράδειγμα υπολογισμού δεικτών εμπέδησης θεμελίωσης (ζητείται η τοποθέτηση ελατηρίων στην συνδετήρια δοκό να γίνει ανά μέτρο) 6m Θεμέλιο 2x2m Συνδετήρια δοκός 6x1.2m A Τομή A-A Z X Y Συνδετήρια (αντιμετωπίζεται ως επιμήκες θεμέλιο (L=3m, B=0.6m) - Μεταφορικό ελατήριο κατά z Αλλά Έδαφος Vs=450m/s ρ=2t/m³ v=0.33 2GL K z χ 1 v Ab 2L 2B B KN χ 0.2 K z 4L 4L L m - 7 ελατήρια εν παραλλήλω άρα A C K C N z N m KN 1.2m για το κάθε ελατήριο 51

52 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Θεμελίωση (ενδοσιμότητα εδάφους) Προσομοίωση βάση μοντέλου Winkler Εναλλακτικός υπολογισμός ελατηριακών σταθερών Συνήθης χρήση στα διάφορα εμπορικά πακέτα λογισμικού Απαιτείται η γνώση του «δείκτη εδάφους» K s Τύπος εδάφους Όρια K s Μέση τιμή K s Χαλαρή (N SPT <10) (MN/m³) 12.9 (MN/m³) Άμμος* Μέση (10<N SPT <30) (MN/m³) 41.7 (MN/m³) Πυκνή (30<N SPT ) (MN/m³) 161 (MN/m³) Στιφρή (100kPa<c u <200kPa) (MN/m³) 24.1 (MN/m³) Άργιλος Πολύ Στιφρή (200kPa<c u <400kPa) (MN/m³) 48.2 (MN/m³) Σκληρή (400kPa<c u ) >96 (MN/m³) 96.4 (MN/m³) πηγή: Terzaghi, 1955 (αναδημοσίευση ΡΑΦ, 2011) 52

53 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Θεμελίωση (ενδοσιμότητα εδάφους) Προσομοίωση βάση μοντέλου Winkler Εναλλακτικός υπολογισμός ελατηριακών σταθερών Απαιτείται τροποποίηση τιμών K s (θεμέλιο BxL σε βάθος D) Αμμώδη εδάφη Αργιλικά εδάφη Συντελεστής διαστάσεων θεμελίου: (B πλ η διάσταση δοκιμαστικής πλάκας φόρτισης) n δ Β Β θ 2Β θ πλ 2 n δ Β Β πλ θ Συντελεστής σχήματος θεμελίου: 2 Βθ n 1 σ 3 2L θ 2 Βθ n 1 σ 3 2L θ Συντελεστής βάθους θεμελίου: D n 1 2 β Β θ Τελική τιμή K s : K n n n K s,τελ δ σ β s n 1 β 53

54 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Θεμελίωση (ενδοσιμότητα εδάφους) Προσομοίωση βάση μοντέλου Winkler Εναλλακτικός υπολογισμός ελατηριακών σταθερών Τελικός υπολογισμός ελατηριακών σταθερών Κατακόρυφο ελατήριο: K K L B z s Στροφικό ελατήριο γύρω από Χ: K rx K s L x L 12 3 y Στροφικό ελατήριο γύρω από Υ: K ry K s L 3 x L 12 y 54

55 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Θεμελίωση (ενδοσιμότητα εδάφους) Παράδειγμα συνυπολογισμού ενδοσιμότητας θεμελίωσης (Ποτουρίδου, 2005 ) 55

56 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Θεμελίωση (ενδοσιμότητα εδάφους) Παράδειγμα συνυπολογισμού ενδοσιμότητας θεμελίωσης (Ποτουρίδου, 2005 ) Προσομοίωμα Α: πακτώσεις Προσομοίωμα Β: ελατήρια σε μεμονωμένα θεμέλια Προσομοίωμα Γ: ελατήρια σε θεμέλια με συνδετήριες δοκούς 56

57 Ιδιοπερίοδος T (sec) Μετακίνηση X (cm) Προσομοίωση φορέα σε πρόγραμμα Η/Υ Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Θεμελίωση (ενδοσιμότητα εδάφους) Παράδειγμα συνυπολογισμού ενδοσιμότητας θεμελίωσης (Ποτουρίδου, 2005 ) Αποτελέσματα αναλύσεων Προσομοίωση Α Β Γ 0 Αύξηση ιδιοπεριόδου και γενικότερης ευκαμψίας του φορέα Α 2.53 Β Προσομοίωση 2.43 Γ 57

58 Ροπη (ΚΝm) Ροπή (KNm) Προσομοίωση φορέα σε πρόγραμμα Η/Υ Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Θεμελίωση (ενδοσιμότητα εδάφους) Παράδειγμα συνυπολογισμού ενδοσιμότητας θεμελίωσης (Ποτουρίδου, 2005 ) Αποτελέσματα αναλύσεων Ροπή δοκού στο άκρο Ροπή στη βάση του τοιχείου A B Γ προσομοίωση 0 Α Β Γ προσομοίωση Σημαντική μείωση των αναπτυσσόμενων ροπών στο τοίχωμα (η μεγάλη διαφορά εδώ οφείλεται στο αρκετά μαλακό έδαφος που θεωρήθηκε) 58

59 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Θεμελίωση (ενδοσιμότητα εδάφους) Παράδειγμα συνυπολογισμού ενδοσιμότητας θεμελίωσης (Ποτουρίδου, 2005 ) Αποτελέσματα αναλύσεων Λόγω της ενδόσιμης θεμελίωσης τμήμα της φόρτισης παραλαμβάνεται με παραμόρφωση (στροφή) στις στηρίξεις του φορέα 59

60 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Τοιχοποιίες πλήρωσης Δεν αποτελούν δομικό στοιχείο του φέροντος οργανισμού συνεπώς δεν συμμετέχουν στην προσομοίωση και τον υπολογισμό της παραλαβής φορτίων Οι πλινθοδομές κατασκευάζονται σε επαφή με το γύρω πλαίσιο Ο/Σ συνεπώς προσδίδουν πρόσθετη δυσκαμψία και αντοχή στον φορέα Παράλληλα επηρεάζουν την απόκριση παρεμποδίζοντας την παραμόρφωση του φέροντος οργανισμού σε σχέση με το γυμνό πλαίσιο Η επιρροή των τοιχοποιιών πλήρωσης είναι σημαντικότερη σε εύκαμπτα κτίρια 60

61 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Τοιχοποιίες πλήρωσης Επιρροή τοιχοποιίας πλήρωσης: Αύξηση δυσκαμψίας μείωση Τ διαφοροποίηση σεισμικού φορτίου από το φάσμα του σεισμού (συνήθως αύξηση ανάλογα με το φάσμα Πρώτη γραμμή άμυνας της κατασκευής παραλαμβάνοντας μέρος της σεισμικής δράσης Ενδέχεται να προκαλέσουν τοπικές συγκεντρώσεις τάσεων ιδίως σε περίπτωσης αστοχίας της τοιχοποιίας και μεταφοράς των φορτίων στο περιβάλλον πλαίσιο Ο/Σ Αυξάνεται γενικά η ικανότητα απορρόφησης σεισμικής ενέργειας με την προϋπόθεση ότι δεν μεταβάλλεται ο μηχανισμός ιεραρχημένης αστοχίας του φορέα 61

62 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Τοιχοποιίες πλήρωσης Προσομοίωση με ισοδύναμη ράβδο (μοντέλο θλιβόμενης διαγωνίου) Ιδιότητες ράβδου: E A G S S 2 W A W cos α sin α Η ράβδος λειτουργεί μόνο σε θλίψη Ενδεικτική αλλαγή του προσανατολισμού των ισοδύναμων ράβδων ανάλογα με τη φόρτιση Συμπεριφορά τοιχοποιίας λόγω αστοχιών σε επίπεδα σεισμού σχεδιασμού??? Αδυναμία συνυπολογισμού σε γραμμική ελαστική ανάλυση. 62

63 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Τοιχοποιίες πλήρωσης Προσομοίωση με επιφανειακά πεπερασμένα στοιχεία Ερωτηματικά: - Πρόωρη αστοχία σε σεισμό κοντά στον σεισμό σχεδιασμού δεν επιτρέπει γραμμική ελαστική προσομοίωση - Επιλογή θέσεων επαφής με το γύρω πλαίσιο Ο/Σ 63

64 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Τοιχοποιίες πλήρωσης Γενικότερα η συμπεριφορά των τοιχοποιιών πλήρωσης δεν μπορεί να εκτιμηθεί αξιόπιστα: - λόγω της αβέβαιης δυσκαμψίας και αντοχής του σύνθετου υλικού από το οποίο αποτελείται - λόγω της μεγάλης ποικιλίας στις μεθόδους/τεχνοτροπίες κατασκευής της - λόγω της συχνής μεταβολής της θέσης και του αριθμού των τοιχοποιιών σε ένα κτίριο ακόμη και μετά την κατασκευή του - λόγω της πρόωρης αστοχίας των τοιχοποιιών σε σχέση με τον φέροντα οργανισμό Ο/Σ που απαιτεί μη γραμμική ανελαστική ανάλυση του φορέα Κατά συνέπεια η τοιχοποιία πλήρωσης συνήθως δεν προσομοιώνεται κατά την ανάλυση του φέροντα οργανισμού ενός κοινού οικοδομικού έργου 64

65 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Τοιχοποιίες πλήρωσης Παράδειγμα συνυπολογισμού τοιχοποιίας πλήρωσης (Αλεξόπουλος 2004, Γκίνος 2005) - Εξετάστηκαν μικτά και αμιγή πλαίσια οπλισμένου σκυροδέματος - Κτίρια 2ώροφα 4ώροφα και 9ώροφα (α) πλήρως τοιχοπληρωμένα πλαίσια (β) πλαίσια με μερικό σύστημα πυλωτής (ανοίγματα σε κάποιες θέσεις) (γ) πλαίσια με πλήρες σύστημα πυλωτής (καμία τοιχοπλήρωση ισογείου) (δ) γυμνά πλαίσια - Μελετήθηκε τόσο ισχυρή όσο και ασθενής τοιχοποιία - Χρησιμοποιήθηκαν και οι δύο μέθοδοι προσομοίωσης 65

66 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Τοιχοποιίες πλήρωσης Παράδειγμα συνυπολογισμού τοιχοποιίας πλήρωσης (Αλεξόπουλος 2004, Γκίνος 2005) - Ενδεικτική εικόνα 9ώροφου φορέα με προσομοίωση τοιχοπληρώσεων με ισοδύναμες ράβδους (σύστημα πυλωτής) 66

67 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Τοιχοποιίες πλήρωσης Παράδειγμα συνυπολογισμού τοιχοποιίας πλήρωσης (Αλεξόπουλος 2004, Γκίνος 2005) - Αποτελέσματα (Μετακινήσεις οροφής ανηγμένες τιμές) Μικτά πλαίσια Αμιγή πλαίσια 67

68 Προσομοίωση δομικών στοιχείων: Τοιχοποιίες πλήρωσης Παράδειγμα συνυπολογισμού τοιχοποιίας πλήρωσης (Αλεξόπουλος 2004, Γκίνος 2005) - Αποτελέσματα (Θεμελιώδης ιδιοπερίοδος κτιρίου) Μικτά πλαίσια Αμιγή πλαίσια 68

69 Ειδικά Θέματα Προσομοίωσης Αδρανειακό προσομοίωμα φορέα - Καθορισμός αδρανειακών στοιχείων (μάζες) και στοιχείων δυσκαμψίας για την εκτέλεση ιδιομορφικών ή δυναμικών αναλύσεων - Ο καθορισμός των μαζών στο φορέα γίνεται με κάποιες παραδοχές βάση του ΕΑΚ Βάση των παραδοχών αποτελεί η θεώρηση διαφραγματικής λειτουργίας των πλακών στα επίπεδα των ορόφων (α) μάζα συγκεντρωμένη στα επίπεδα των ορόφων (β) μάζα συγκεντρωμένη στο κέντρο βάρους του ορόφου (εφόσον ισχύει η διαφραγματική λειτουργία) προβλέπεται τυχηματική εκκεντρότητα (γ) Ορίζονται οι μεταφορικές μάζες και η ροπή αδράνεια μάζας 69

70 Ειδικά Θέματα Προσομοίωσης Υπολογισμός ροπής αδράνειας μάζας σε ορθογωνική κάτοψη J μ I I m x y μ (t/m²): η κατανεμημένη μάζα του ορόφου στο επίπεδο της κάτοψης Ι X - I y : οι ροπές αδράνειας της ορθογωνικής κάτοψης γύρω από άξονες Χ - Υ m i Λόγω της δυνατότητας μετακίνησης κάθε μεμονωμένης μάζας προκαλείται και μια στρεπτική ταλάντωση του κτιρίου γύρω από άξονα Ζ 70

71 Ειδικά Θέματα Προσομοίωσης Υπολογισμός ροπής αδράνειας μάζας σε ορθογωνική κάτοψη J μ I I m x y μ (t/m²): η κατανεμημένη μάζα του ορόφου στο επίπεδο της κάτοψης Ι X - I y : οι ροπές αδράνειας της ορθογωνικής κάτοψης γύρω από άξονες Χ - Υ Σm i J m Κατά την απλοποίηση του προσομοιώματος με συγκεντρωμένη μάζα πρέπει να δοθεί η στρεπτική αδράνεια μάζας ώστε να αναπαραχθεί η στρεπτική ταλάντωση του πραγματικού φορέα με τις κατανεμημένες μάζες 71

72 2 4 Προσομοίωση φορέα σε πρόγραμμα Η/Υ Ειδικά Θέματα Προσομοίωσης Παράδειγμα υπολογισμού στρεπτικής αδράνειας μάζας Να υπολογιστεί η θέση της συγκεντρωμένης μάζας και η τιμή της στρεπτικής ροπής μάζας (ροπής αδράνειας μάζας) στη κάτοψη 5 3 y KB1 KB2 x Δίνεται G+0.3Q=7.78 KN/m² Σημείωση: Ο υπολογισμός που ακολουθεί θεωρεί όλη τη μάζα ομοιόμορφα κατανεμημένη στον όροφο. Στην πραγματικότητα, τμήμα της μάζας από τις τοιχοποιίες είναι διατεταγμένο κυρίως περιμετρικά, επηρεάζοντας την τελική τιμή της ροπής αδράνειας μάζας ιδίως σε απλούς φορείς (Κίρτας και Νέλιος, 2012) 72

73 2 4 Προσομοίωση φορέα σε πρόγραμμα Η/Υ Ειδικά Θέματα Προσομοίωσης Παράδειγμα υπολογισμού στρεπτικής αδράνειας μάζας Να υπολογιστεί η θέση της συγκεντρωμένης μάζας και η τιμή της στρεπτικής ροπής μάζας (ροπής αδράνειας μάζας) στη κάτοψη 5 3 Εμβαδά τμημάτων: Α1=30m² Α2=6m² ΚΒ1 (2.5,3.0) ΚΒ2 (6.5,1.0) y KB1 ΚΒ KB2 ΚΒ κάτοψης: x A x A 2.5m 30m 6.5m 6m x 3.17m 2 2 A A 30m 6m 1 2 y A y A 3m 30m 1m 6m y 2.67m 2 2 A A 30m 6m 1 2 x 73

74 2 4 Προσομοίωση φορέα σε πρόγραμμα Η/Υ Ειδικά Θέματα Προσομοίωσης Παράδειγμα υπολογισμού στρεπτικής αδράνειας μάζας Να υπολογιστεί η θέση της συγκεντρωμένης μάζας και η τιμή της στρεπτικής ροπής μάζας (ροπής αδράνειας μάζας) στη κάτοψη 5 3 Συνολικό βάρος και μάζα ορόφου: KN m 2 B m 280 KN 2 B 280 m t g 9.81 y KB1 ΚΒ KB2 Κατανεμημένη μάζα ορόφου: m t t μ A 36 m m 2 2 x Μάζα κάθε τμήματος κάτοψης: 2 2 A 30 m A 6 m 1 2 m m t t m m t 4.76 t A 36 m A 36 m 74

75 2 4 Προσομοίωση φορέα σε πρόγραμμα Η/Υ Ειδικά Θέματα Προσομοίωσης Παράδειγμα υπολογισμού στρεπτικής αδράνειας μάζας Να υπολογιστεί η θέση της συγκεντρωμένης μάζας και η τιμή της στρεπτικής ροπής μάζας (ροπής αδράνειας μάζας) στη κάτοψη 5 3 I x1 Ροπές αδράνειας τμημάτων: 3 3 5m 6 m 12 90m m 5 m I 62.5m y I x2 3m 2 m m m 3 m I 4.5m y KB1 ΚΒ Ροπές αδράνειας μάζας τμημάτων: J μ (I I ) t / m m tm m1 x1 y y KB2 J μ (I I ) t /m m 5.15 tm m2 x2 y x 75

76 2 4 Προσομοίωση φορέα σε πρόγραμμα Η/Υ Ειδικά Θέματα Προσομοίωσης Παράδειγμα υπολογισμού στρεπτικής αδράνειας μάζας Να υπολογιστεί η θέση της συγκεντρωμένης μάζας και η τιμή της στρεπτικής ροπής μάζας (ροπής αδράνειας μάζας) στη κάτοψη 5 3 Αποστάσεις μεταξύ ΚΒ: r x x y y m r x x y y y KB1 ΚΒ KB m Συνολική μαζική ροπή αδρανείας: J J m r 2 m ma A A x 2 2 J J m r J m r m m1 1 1 mb tm 23.78t m 5.15tm 4.76t m tm

77 Τέλος Ενότητας 77