Μελέτη κατασκευής υποστέγου οχημάτων από σιδηροτροχιές

Transcript

1 ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΑΞΙΩΜΑΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ Μελέτη κατασκευής υποστέγου οχημάτων από σιδηροτροχιές ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Λγος (ΜΧ) Πέτσας Κωνσταντίνος Επιβλέποντες Καθηγητές Ραυτογιάννης Ιωάννης Αναπλ. Καθηγητής Ε.Μ.Π. Σταματόπουλος Γεώργιος Δρ. Πολ. Μηχανικός Ε.Μ.Π. Αθήνα, Ιανουάριος 2015

2 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Ευχαριστίες 4 Κεφάλαιο 1. Εισαγωγή- Γενικά Στοιχεία 1.1 Αντικείμενο μελέτης Ιστορία του χάλυβα Δομή και σύνθεση χάλυβα Είδη χαλύβων Βασικά χαρακτηριστικά του χάλυβα Μεταλλικές κατασκευές Πλεονεκτήματα μειονεκτήματα χάλυβα 15 1,8 Διατομές σιδηροτροχιάς Στοιχεία σιδηροτροχιών 18 Κεφάλαιο 2. Παρουσίαση 2.1 Παρουσίαση του έργου Κύριοι φορείς Κεφαλοδοκοί Μετωπικοί στύλοι Σύνδεσμοι δυσκαμψίας Οριζόντιοι σύνδεσμοι δυσκαμψίας Κατακόρυφοι σύνδεσμοι δυσκαμψίας 23 2,6 Τεγίδες Μηκίδες Επικάλυψη 27 Κεφάλαιο 3. Φορτία 3.1 Γενικά Μόνιμα φορτία Κινητά φορτία Φορτία χιονιού Φορτία ανέμου Εξωτερική πίεση 35 2

3 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Εσωτερική πίεση Τελική πίεση Θερμικές δράσεις Ατέλειες Σεισμικές δράσεις Βασικές αρχές σχεδιασμού 60 Κεφάλαιο 4. Ανάλυση έλεγχος φορέα 4.1 Διαγράμματα φορτίσεως, εντατικών μεγεθών, ιδιομορφών Έλεγχοι στοιχείων φορέα 76 Κεφάλαιο 5. Συνδέσεις 5.1 Συνδέσεις μελών Τυπικός έλεγχος σύνδεσης «Α» 89 Κεφάλαιο 6. Αποτλέσματα 6.1 Συμπεράσματα 91 Βιβλιογραφία 93 3

4 Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τους κ.κ. Ραυτογιάννη Ιωάννη και Σταματόπουλο Γεώργιο, Καθηγητές της ΣΤΕΑΜΧ,για την άριστη συνεργασία, την ουσιαστική καθοδήγηση και τον πολύτιμο χρόνο που διέθεσαν για την ολοκλήρωση της διπλωματική εργασίας. Επίσης ένα μεγάλο ευχαριστώ στην οικογένειά μου και ιδιαίτερα στη σύζυγό μου για την ηθική υποστήριξη και υπομονή, σε όλη τη διάρκεια της φοίτησής μου στη ΣΤΕΑΜΧ. 4

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Αντικείμενο μελέτης Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο μελέτης το σχεδιασμό (ανάλυση και διαστασιολόγηση) ενός μεταλλικού υποστέγου με φέρων οργανισμό από σιδηροτροχιά. Η υπό μελέτη κατασκευή σχεδιάστηκε για να χρησιμοποιηθεί ως υπόστεγο στάθμευσης οχημάτων και μηχανημάτων ΜΧ και ως τοποθεσία της κατασκευής επιλέχθηκε η Χίος. Η προσομοίωση και επίλυση της κατασκευής έγινε με τη χρήση του λογισμικού SAP2000 v και ο έλεγχος των συνδέσεων με το πρόγραμμα Excel. Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με τους Ευρωκώδικες EN 1990, 1991,1993, τα Ελληνικά Εθνικά Προσαρτήματα καθώς και τον ΕΑΚ Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν: Ευρωκώδικας 0: Βάσεις Σχεδιασμού Ευρωκώδικας 1: Βασικές Αρχές Σχεδιασμού και Δράσεις στις Κατασκευές Ευρωκώδικας 3: Σχεδιασμός Κατασκευών από Χάλυβα Ελληνικός Αντισεισμικός Κανονισμός (2003). 1.2 Ιστορία του χάλυβα Η ανάπτυξη του χάλυβα εντοπίζεται περίπου χρόνια πριν, στην απαρχή της εποχής του σιδήρου. Όντας ανθεκτικότερος και σκληρότερος από το χαλκό που μέχρι τότε αποτελούσε το πιο διαδεδομένο σε χρήση μέταλλο, ο σίδηρος άρχισε σταδιακά να αντικαθιστά το χαλκό στην παραγωγή όπλων και εργαλείων. Για τα επόμενα χιλιάδες χρόνια οι μεταλλουργοί με την επεξεργασία του σιδήρου, θα κατασκευάσουν αρχικά το χυτοσίδηρο ο οποίος όμως ήταν εύθραυστος και δύσκολος στην διαμόρφωση και στη συνέχεια τον κατεργασμένο σίδηρο η παραγωγή του οποίου όμως ήταν αρκετά δαπανηρή. Μέχρι το 17ο αιώνα οι ιδιότητες του σιδήρου είχαν πλήρως κατανοηθεί, όμως η αυξανόμενη αστικοποίηση στην Ευρώπη και η ταχεία ανάπτυξη των σιδηροδρόμων απαιτούσε την παραγωγή ενός πιο πολύπλευρου δομικού μετάλλου. Η σύγχρονη εποχή του χάλυβα ξεκινάει ουσιαστικά το 1856 με την ανακάλυψη της μεθόδου Μπέσεμερ που πήρε το όνομά της από τον εφευρέτη της Henry Bessemer ( ) έναν Βρετανό μηχανολόγο και μεταλλουργό. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή λιωμένος κοινός χυτοσίδηρος οδηγείται σε μετατροπέα (μεγάλο κυλινδρικό περίπου δοχείο με εσωτερική επένδυση από αργιλόλιθο) από 5

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 τον πυθμένα του οποίου διοχετεύεται αέρας υπό πίεση, μέσω οπών. Το οξυγόνο του αέρα προκαλεί οξείδωση των προσμίξεων του χυτοσιδήρου, οι οποίες απομακρύνονται παγιδευμένες στα προϊόντα οξείδωσης ή στα παραγόμενα αέρια. Αν και γρήγορη και ανέξοδη η μέθοδος υστερούσε διότι από το τελικό προϊόν απομακρυνόταν μεγάλη ποσότητα άνθρακα, ενώ παρέμενε μεγάλη ποσότητα οξυγόνου. Τελικά με την υπόδειξη ενός άλλου Βρετανού μεταλλουργού του Robert Mushet ο οποίος την ίδια περίοδο διεξήγαγε σχετικά πειράματα, προστέθηκε στο μετατροπέα ένα μείγμα από σίδηρο, άνθρακα και μαγγάνιο για την απομάκρυνση του πρόσθετου οξυγόνου και τον έλεγχο της ποσότητας άνθρακα. Παρόλα αυτά ένα σημαντικό πρόβλημα παρέμενε. Ο Μπέσεμερ δεν είχε καταφέρει να βρει έναν τρόπο για την απομάκρυνση του φωσφόρου από το τελικό προϊόν με αποτέλεσμα μόνο μεταλλεύματα από τη Σουηδία και Ουαλία που δεν περιείχαν φώσφορο να μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Τη λύση έδωσε το 1876 ο Ουαλός Sidney Gilchrist Thomas o οποίος υπέδειξε την επένδυση του μετατροπέα με τοίχωμα. Η ανακάλυψη αυτή σήμαινε ότι επιτέλους σίδηρος από όλον τον κόσμο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή χάλυβα. Το κόστος της παραγωγής άρχισε να πέφτει δραματικά. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι οι τιμές του σιδηροδρομικού χάλυβα μεταξύ 1867 και 1884 μειώθηκαν κατά 80%. Μέχρι το 1900 η μέθοδος είχε αντικατασταθεί από την κάμινο ανοικτής εστίας (ή κάμινος Siemens-Martin) για να αντικατασταθεί και αυτή με τη σειρά της γύρω στο 1960 από τη βασική κάμινο οξυγόνου (παραλλαγή της μεθόδου Μπεσεμερ). Σήμερα χρησιμοποιείται επίσης και ηλεκτρικός κλίβανος.. Εικόνα 1.1 Μετατροπέας Bessemer, μουσείο Kelham island, Sheffield, Αγγλία 6

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Δομή και Σύνθεση Χάλυβα Ο χάλυβας είναι κράμα σιδήρου με περιεκτικότητα σε άνθρακα που δεν υπερβαίνει το 2%. Λαμβάνεται από τον κοινό χυτοσίδηρο με αφαίρεση σημαντικού ποσοστού άνθρακα και άλλων προσμίξεων. Η βασική γνώση της δομής και σύνθεσης του χάλυβα είναι χρήσιμη για την κατανόηση των ιδιοτήτων του. Ανάλογα με τη θερμοκρασία και την την περιεκτικότητα σε άνθρακα, τα κράματα σιδήρουάνθρακα βρίσκονται σε μορφή ωστενίτη, φερρίτη, σεμενίτη και περλίτη. Αυτό δείχνεται και στο λεγόμενο διάγραμμα κατάστασης για το χάλυβα που έχει τη μορφή του Σχ.1.2. Ο ωστενίτης ή σίδηρος-γ σχηματίζεται μόνο σε υψηλές θερμοκρασίες, ο φερρίτης ή σίδηρος-α χαρακτηρίζεται από μεγάλη πλαστιμότητα αλλά μικρή αντοχή, ο σεμενίτης είναι πολύ σκληρός με μεγάλη αντοχή, αλλά ψαθυρός, ενώ ο περλίτης χαρακτηρίζεται από ενδιάμεση αντοχή και πλαστιμότητα Σχήμα 1.2 Διάγραμμα κατάστασης χάλυβα Ο ρόλος του άνθρακα στο χάλυβα είναι καθοριστικής σημασίας. Αύξηση της περιεκτικότητας σε άνθρακα έχει ως αποτέλεσμα αύξηση της αντοχής και της σκληρότητας, αλλά μείωση της πλαστιμότητας, της δυσθραυστότητας και της συγκολλησιμότητας. Εκτός όμως από τον άνθρακα ο χάλυβας ενδέχεται να περιέχει και άλλες προσμίξεις όπως μαγγάνιο, φώσφορο, χρώμιο, θείο κ.α., οι οποίες ανάλογα με την ποσοστιαία συμμετοχή τους δίδουν στο χάλυβα διαφορετικές ιδιότητες. 7

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Είδη Χαλύβων Ανάλογα με την περιεκτικότητα σε άνθρακα οι χάλυβες διακρίνονται σε: Μαλακούς χάλυβες Οι μαλακοί χάλυβες έχουν μικρή περιεκτικότητα σε άνθρακα (μικρότερη των 0,2%), είναι μαλακοί και ελατοί. Η κατηγορία αυτή περιλαμβάνει όλους τους χάλυβες από το μαλακό σίδηρο μέχρι και τους κατασκευαστικούς χάλυβες, που αποτελούν το 90% της παραγωγής της βιομηχανίας χαλύβων. Μορφές δομικών χαλύβων που ενδιαφέρουν τη δομική βιομηχανία είναι οι ράβδοι οπλισμένου σκυροδέματος, σωλήνες, φύλλα, ήλοι, κλπ. Κατασκευαστικούς χάλυβες Ο κατασκευαστικός χάλυβας χρησιμοποιείται σε ειδικές διατομές για υποστυλώματα, δικούς κλπ., η δε περιεκτικότητά του σε άνθρακα κυμαίνεται μεταξύ 0,15 και 0,25%. Χάλυβες υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα Υπάρχουν χάλυβες, που η περιεκτικότητά τους σε άνθρακα κυμαίνεται μεταξύ 0,5 και 2%. Είναι φθηνότεροι των συνήθων κραμάτων χάλυβος, αλλά δεν έχουν την ίδια αξία με εκείνους. Στη δομική βιομηχανία χρησιμοποιούνται για σφύρες, τρυπάνια κλπ. Ειδικοί χάλυβες Έχουν περιεκτικότητα σε άνθρακα που κυμαίνεται και περιέχουν στοιχεία και άλλων μετάλλων όπως το χρώμιο, το νικέλιο, το μαγγάνιο κλπ., σε μικρότερη ή μεγαλύτερη αναλογία σύμφωνα με τις προδιαγραφόμενες απαιτήσεις και χρησιμοποιούνται σε ειδικές εφαρμογές όπως σε κοπτικά εργαλεία, κατασκευή ελατηρίων, καρφιών υψηλής αντοχής σε εφελκυσμό και άλλες. Τα προϊόντα χάλυβα που προορίζονται για δομικές κατασκευές διακρίνονται ως προς τη μορφή τους σε : o o o Επίπεδα (πλάκες, ελάσματα, φύλλα, ταινίες) Επιμήκη (δοκοί, ράβδοι, σωλήνες, σύρματα) Λοιπών μορφών (χυτά, σφυρήλατα, συρματόσχοινα) και ως προς την κατεργασία σε: 8

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 o o o o Θερμής ή ψυχρής έλασης Επικαλλυμένα (γαλβανισμένα, επιμεταλλωμένα, βαμμένα) ή μη Διαμορφωμένα ελάσματα Προϊόντα σύνθετα (μονωτικά πανό) Εικόνα 1.3 Ενδιάμεσο στάδιο θερμής έλασης χαλύβδινης πλάκας 1.5 Βασικά χαρακτηριστικά του χάλυβα Βασικά χαρακτηριστικά του χάλυβα όπως και των περισσοτέρων μετάλλων αποτελούν η μεγάλη μηχανική αντοχή ανεξάρτητα από τον τρόπο καταπόνησης, η σκληρότητα, η ελαστικότητα για μικρές παραμορφώσεις και η πλαστικότητα που επιτρέπει την ανάπτυξη σημαντικών παραμορφώσεων πριν από τη θραύση, η μεγάλη θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα, η ολκιμότητα, η ελατότητα, η ευτικτότητα και η συγκολλησιμότητα. Ως κοινά αποδεκτές τιμές για ορισμένα από τα βασικά χαρακτηριστικά του δομικού χάλυβα είναι δυνατόν να αναφερθούν το μέτρο ελαστικότητας Ε s =210 Gpa, το μέτρο κράτυνσης Ε sh 5-6 Gpa, ο λόγος Poisson ν=0,3, το μέτρο διάτμησης 80 Gpa, η πυκνότητα 7850 kg/m 3 και ο συντελεστής θερμικής διαστολής 12x10-6 /K. 9

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Μεταλλικές κατασκευές Η πρώτη εφαρμογή του χυτοσιδήρου στην κατασκευή θα είναι η ανέγερση γέφυρας πάνω από τον ποταμό Severn ανοίγματος 100,5 ποδών από τov Abraham Darby στην Αγγλία το Αυτή η απλά κατασκευασμένη γέφυρα ανοίγει τον Εικόνα 1.4 Γέφυρα στον ποταμό Severn δρόμο για τις επερχόμενες εξαιρετικής σημασίας εξελίξεις. Οι ξύλινες στέγες θεάτρων, εργοστασίων και αποθηκών καταστρέφονταν Εικόνα 1.5 Gallerie des Machines, Παρίσι 1889, Λεπτομέρεια φορέα που συχνά ολοσχερώς από πυρκαγιές αντικαθίστανται σταδιακά από μεταλλικές δοκούς, οι οποίες ήταν πλέον διαθέσιμες σε μεγάλες ποσότητες. Μία από τις πρώτες προσπάθειες είναι η κατασκευή της στέγης τoυ Theatres Francais από τον Victor Louis τo Παραλλήλως πραγματoπoιoύvται και τα πρώτα θαρραλέα βήματα προς την κατασκευή του φέροντας οργανισμού του κτιρίου εξ ολοκλήρου από σίδηρο. Ήδη τo 1801 oι Boulton και Watt κατασκευάζουν ένα επταώροφο εργοστάσιο στο Salford του Μάντσεστερ, του οποίου o φέρων οργανισμός αποτελείται από δοκούς και υποστυλώματα από σίδηρο. Το κτίριο αυτό θα αποτελέσει τον προπομπό, το πρώτο σημαντικό βήμα στην εξέλιξη που θα οδηγήσει στον χαλύβδινο σκελετό των υψηλών κτιρίων του Σικάγου περί τα τέλη του αιώνα. Με την ανέγερση του δεκαόροφου κτιρίου της εταιρείας Home Insurance από τον William Le Baron Jenney τo 1883 στο Σικάγο ξεκινά η εποχή των υψηλών κτιρίων τα οποία αποκλήθηκαν «ουρανοξύστες». Ο φέρων οργανισμός των πρώτων πολυώροφων κτιρίων γραφείων είναι 10

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ένας χαλύβδινος σκελετός μειωμένης ακαμψίας, τα μέλη του οποίου συνδέονται με αρθρώσεις και κόμβους, που διαμορφώνονταν με ηλώσεις και μπουλόνια. Το νέο αυτό σύστημα δομής που συγκροτείται είναι εύκαμπτο και εκ του λόγου αυτού ευάλωτο στις στατικές δράσεις με την αύξηση του αριθμού των ορόφων. Όμως το εν λόγω σύστημα αποτελεί μόνο την αρχή της εξελικτικής πορείας των κατασκευαστικών συστημάτων των υψηλών κτιρίων, τα οποία θα φτάσουν σε πρωτοφανή ύψη στα τέλη του εικοστού αιώνα με την εφαρμογή σύνθετων πλαισιωτών κατασκευών από χάλυβα. Και στον τομέα της γεφυροποιίας η εξέλιξη που επιτυγχάνεται τον 19o αιώνα είναι ιδιαιτέρως σημαντική. Η αναρτημένη καλωδιωτή γέφυρα επινοήθηκε στις αρχές του αιώνα αυτού. Ο Marc Seguin είναι o πρώτος που κατασκεύασε μία τέτοια γέφυρα πάνω από τον ποταμό Ρoδαvό (Rhone) κοντά στην πόλη Tournon, το 1824, χρησιμοποιώντας συρματόσχοινα τα οποία είχε υποβάλλει σε επισταμένους επιστημονικούς ελέγχους προτού τα εφαρμόσει στο έργο. Το τέλος του 19oυ αιώνα σηματοδοτείται από την εξέλιξη του χάλυβα και την σταδιακή εφαρμογή του στις κατασκευές σε αντικατάσταση του σιδήρου, κυρίως λόγω της μεγαλύτερης αντοχής του χάλυβα στην οξείδωση. Το 1889 αποτελεί το ορόσημο. Τα κτίρια της Διεθνούς Έκθεσης των Παρισίων και το πασίγνωστο σύμβολό της, o Πύργος του Eiffel, είναι οι τελευταίες σημαντικές κατασκευές από χυτοσίδηρο. Ήδη την ίδια Εικόνα 1.6 Γέφυρα Firth of Forthbrug, χρονιά εγκαινιάζεται στο Εδιμβούργο, 1889 Εδιμβούργο η γέφυρα Firth of Forthbrug, η οποία αποτελείται από κοίλες διατομές συντεθειμένες από πιρτσιvωμέvα ελάσματα χάλυβα. Έκτοτε η γενικότερη εξέλιξη στο χώρο της τεχνολογίας με την εισαγωγή νέων μεθόδων κατεργασίας όπως η έλαση, η όλκιση και η εφέλκυση σε συνδυασμό με την πρόοδο της τεχνολογίας των κατασκευών, των μαθηματικών υπολογισμών καθώς και τη δημιουργία εξειδικευμένων σχολών για μηχανικούς έδωσε νέα ώθηση στην υλοποίηση των χαλύβδινων κατασκευών. Σήμερα πολλές φορές κατασκευές από χάλυβα όπως βιομηχανικές εγκαταστάσεις και βιομηχανικά κτίρια, πύργοι, αποθήκες πολυώροφα κτίρια, στέγες μεγάλων 11

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ανοιγμάτων αποτελούν μονόδρομο καθώς είναι περισσότερο πρακτικές, γρήγορες και κοστίζουν λιγότερο. Εικόνα 1.7 Διεθνές Αεροδρόμιο Kansai, Ιαπωνία. Εικόνα 1.8 Γέφυρα Akashi Kaikyo, Ιαπωνία, Η μεγαλύτερη κρεμαστή γέφυρα στον κόσμο με μήκος 3911 μ. 12

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Στη χώρα μας επί μακρό χρονικό διάστημα κυριάρχησε το οπλισμένο σκυρόδεμα ως δομικό υλικό. Με την πάροδο του χρόνου όμως, και ιδιαίτερα από τα μέσα του 1990 άρχισε η εφαρμογή του χάλυβα σε κτίρια γραφείων, ξενοδοχείων, πέρα από τις συνηθισμένες εφαρμογές σε βιομηχανικά, αγροτικά, εμπορικά και αθλητικά κέντρα. Καταλύτης για την ανάπτυξη των μεταλλικών κτιρίων αποτέλεσε η προετοιμασία των Ολυμπιακών έργων της Αθήνας 2004, για τα οποία αποτελεί κοινό μυστικό ότι δε θα μπορούσαν να ολοκληρωθούν έγκαιρα χωρίς την ευρεία εφαρμογή του χάλυβα. Με αυτήν την ευκαιρία αναπτύχθηκε και εκσυγχρονίστηκε η εγχώρια βιομηχανία των μεταλλικών κατασκευών όχι μόνο στην Αθήνα αλλά και σε πόλεις της επαρχίας. Εικόνα 1.9 Στέγαστρο Ολυμπιακού Σταδίου της Αθήνας. Ανάλογα με το είδος της καταπόνησης των μελών τους, αλλά και τη μορφή τους, οι μεταλλικές κατασκευές διακρίνονται στις ακόλουθες τρεις κυρίως κατηγορίες, οι οποίες εμφανίζονται είτε μεμονωμένα, είτε και σε συνδυασμό μεταξύ τους : Πλαισιωτές κατασκευές Πρόκειται για επίπεδους ή χωρικούς φορείς που συντίθεται από ραβδωτά κυρίως μέλη, μέσω στερεών ή αρθρωτών κόμβων. Τα μέλη των κατασκευών της κατηγορίας αυτής καταπονούνται από αξονικές και διατμητικές δυνάμεις, καθώς και καμπτικές και στρεπτικές ροπές. Βιομηχανικά κτίρια και πολυώροφα κτίρια 13

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 γραφείων, αποθηκευτικοί χώροι, χωροδικτυώματα, διάφορες μορφές σιδηρών γεφυρών, είναι μερικές από τις κατασκευές που ανήκουν στην κατηγορία αυτή. Κελυφωτές κατασκευές Συντίθενται κυρίως από επιφανειακά μέλη (επίπεδα ή καμπυλωμένα χαλύβδινα φύλλα), με προεξάρχουσα καταπόνηση τον εφελκυσμό. Πολλές φορές συνδυάζονται και με ραβδωτά μέλη, τα οποία είτε προσδίδουν ακαμψία στο φορέα, ή ακόμη μεταφέρουν μέρος των φορτίων στο έδαφος. Στην κατηγορία αυτή παραδείγματος χάριν ανήκουν οι δεξαμενές αποθήκευσης υγρών, σιλό, καπνοδόχοι και το κυρίως σώμα των πλοίων, αεροπλάνων και διαστημικών σκαφών. Αναρτημένες κατασκευές Στις κατασκευές αυτές το βασικό κατασκευαστικό στοιχείο είναι τα καλώδια (ευθύγραμμα ή καμπυλωμένα), τα οποία υπόκεινται σε εφελκυστικές δυνάμεις. Οι οροφές χώρων μεγάλης επιφάνειας και οι κρεμαστές γέφυρες αποτελούν χαρακτηριστικά δείγματα της κατηγορίας αυτής. Εικόνα 1.10 New century global center. Εμπορικό κέντρο στην Κίνα. Το μεγαλύτερο κτίριο στον κόσμο. 14

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα χρήσης του χάλυβα Τα βασικά πλεονεκτήματα των μεταλλικών κατασκευών από χάλυβα είναι: Η ασφάλεια της κατασκευής κατά τη διάρκεια λειτουργίας λόγω αυξημένης ομοιογένειας του υλικού καθώς και της εγγυημένα ελεγχόμενης ποιότητας του χάλυβα (βιομηχανικό προϊόν). Αυξημένη αντοχή σε σχέση με το ίδιο βάρος με αποτέλεσμα την κατασκευή ελαφρότερων δομικών στοιχείων, μικρότερες διατομές κτλ. Κάλυψη μεγάλων ανοιγμάτων με οικονομικό τρόπο. Μειωμένο μόνιμο (νεκρό) φορτίο με αποτέλεσμα οικονομικότερη θεμελίωση και ευνοϊκότερη συμπεριφορά σε προβληματικά εδάφη θεμελίωσης. Ταχύτητα κατασκευής και ανέγερσης. Αυξημένη δυνατότητα μελλοντικών επεμβάσεων (προσθήκες, αναρτήσεις) σύμφωνα με τις νέες λειτουργικές ανάγκες. Επανάχρηση των δομικών στοιχείων στην ίδια ή άλλη κατασκευή. Τυποποίηση των φορέων και διασφάλιση της ποιότητας. Απόλυτη στεγανότητα κατά περίπτωση (π.χ. δεξαμενές). Στον αντίποδα τα κυριότερα μειονεκτήματα είναι τα παρακάτω: Μειωμένη αντίσταση έναντι διάβρωσης που συνεπάγεται υψηλό κόστος αντιδιαβρωτικής προστασίας. Αυξημένο κόστος πυροπροστασίας καθώς η αντοχή του χάλυβα μειώνεται σημαντικά σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυξημένο κόστος αγοράς του χάλυβα. Αυξημένη απαίτηση για συντήρηση. Τα πολλαπλά πλεονεκτήματα του υλικού σε συνδυασμό με τη δυνατότητα περιορισμού των μειονεκτημάτων του χάρη στην αλματώδη ανάπτυξη της τεχνολογίας (είναι ενδεικτικό ότι αν χτιζόταν σήμερα ο Πύργος του Άιφελ θα χρειαζόταν το ένα τρίτο της ποσότητας χάλυβα) είναι βέβαιο ότι θα οδηγήσουν σε ακόμα εντυπωσιακότερες κατασκευές στο μέλλον και θα καταστήσουν το χάλυβα το υλικό του 21ου αιώνα. 15

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Διατομές Σιδηροτροχιάς Η διατομή της σιδηροτροχιάς βελτιώνεται συνεχώς από την εμφάνιση του σιδηροδρόμου μέχρι και σήμερα. Ο τύπος της διατομής που επικράτησε και χρησιμοποιείται μέχρι σήμερα είναι η διατομή με πέλμα γνωστή ως τύπου Vignole, η οποία αποτελείται από την κεφαλή, το πέλμα και τον κορμό. Σχήμα 1.11 Σιδηροτροχιά με πέλμα. Η κεφαλή αποτελεί το ανώτερο τμήμα της διατομής της σιδηροτροχιάς και περιλαμβάνει την επιφάνεια κύλισης και τις εσωτερικές και εξωτερικές παρειές που διαμορφώνονται με κατάλληλη κλίση. Τα βασικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά της κεφαλής είναι το πλάτος, το ύψος, η ακτίνα καμπυλότητας και η κλίση των παρειών της κεφαλής. Το πλάτος της κεφαλής ανάλογα με τον τύπο της σιδηροτροχιάς κυμαίνεται μεταξύ mm, το ύψος γύρω στα 50mm και η συνήθης ακτίνα καμπυλότητας είναι 300mm. To πέλμα αποτελεί το κατώτερο τμήμα της διατομής της σιδηροτροχιάς και τα βασικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά του είναι το πλάτος και το πάχος και σχήμα πέλματος. 16

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο κορμός είναι το τμήμα της σιδηροτροχιάς που συνδέει την κεφαλή με το πέλμα. Τα βασικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά του είναι το πάχος, ο τύπος συναρμογής με την κεφαλή και το πέλμα και η κλίση της επιφάνειας επαφής. Μάζα βάρος σιδηροτροχιάς m = 0,1 F ρ [kg /m] F επιφάνεια διατομής [cm 2 ] ρ πυκνότητα του χάλυβα = 7,85 t/m 3 m = 0,785 F [kg /m] Για παραγγελία και αγορά καθοριστική η μάζα m Για μετακίνηση και τοποθέτηση καθοριστικό το βάρος G G = 0,1 F γ [10N /m] ή F γ [N /m] ειδικό βάρος γ = 78,5 kn/m 3 G = 7,85 F [N /m] Παγκοσμίως χρησιμοποιούνται πολλές διαφορετικές διατομές σιδηροτροχιάς. Μερικές από τις πιο γνωστές σιδηροτροχιές που χρησιμοποιούνται σήμερα στη Ευρώπη παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα στον οποίο φαίνεται και η αντιστοιχίας της παλιάς με τη νέα ονομασία. Σιδηροτροχιές τύπου Vignol (Ονομασίες) Νέα Πρώην 30 Ε1 S30 33 Ε1 S33 49 Ε1 S49 50 E4 UIC Ε1 UIC Ε1 UIC 60 Πίνακας

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Πίνακας 1.2 Τεχνικά χαρακτηριστικά σιδηροτροχιών 18

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Παρουσίαση του έργου Αντικείμενο της εργασίας είναι η ανάλυση και μελέτη μεταλλικού υπόστεγου στάθμευσης στρατιωτικών οχημάτων μηχανημάτων ΜΧ, με διαστάσεις κάτοψης 40m 14m, και ύψος 4m στο χαμηλότερο σημείο των ζυγωμάτων και 5m στο υψηλότερο σημείο (κορφιάς). Η ιδιαιτερότητα του υποστέγου είναι ότι ο φέρων οργανισμός (υποστυλώματα και ζυγώματα) αποτελείται από σιδηροτροχιά, με σκοπό την αξιοποίηση των σιδηροτροχιών που διαθέτει η Υπηρεσία και οι οποίες προέρχονται από την εκποίηση του μη τροχαίου σιδηροδρομικού υλικού του ΟΣΕ. Συγκεκριμένα επιλέχθηκε διατομή UIC 50 με τεχνικά χαρακτηριστικά που αναφέρθηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο και ποιότητα χάλυβα S235. Η κύρια όψη του υποστέγου αποτελείται από δέκα θέσεις εισόδου με πλάτος 4m και μήκος 14m έκαστη. Σε κάθε θέση εισόδου μπορούν να σταθμεύσουν 2 οχήματα μηχανήματα, το ένα πίσω από το άλλο. Επίσης επιλέχθηκε να τοποθετηθεί επικάλυψη στις τρεις πλευρές του υποστέγου με ανοιχτή την πλευρά εισόδου εξόδου των οχημάτων. Εκτενέστερη αναφορά στα επιμέρους στοιχεία του υποστέγου γίνεται στη συνέχεια του κεφαλαίου. Σχήμα 2.1 Τρισδιάστατη απεικόνιση μοντέλου υποστέγου στο SAP

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Κύριοι φορείς Οι κύριοι φορείς είναι συνήθως πλαίσια που διατάσσονται ανά ίσες κατά κανόνα αποστάσεις και έχουν την δυνατότητα παραλαβής των φορτίων της κατασκευής (οριζοντίων και κατακόρυφων) όπως φορτίσεις ανέμου, σεισμού ή ακόμη και αυτές που προκύπτουν από την λειτουργία γερανογέφυρας και μεταβίβασης μέσω της θεμελίωσής τους στο έδαφος. Τα κύρια δομικά στοιχεία των πλαισιωτών φορέων αποτελούν τα υποστυλώματα και οι δοκοί (ή ζυγώματα για στέγες υποστέγου). Όσον αφορά τον προσανατολισμό των κύριων φορέων, οι διατομές των μελών τους τοποθετούνται έτσι ώστε κατά τη δράση μεγάλων φορτίων κατά μια ορισμένη κατεύθυνση να ενεργοποιούνται (αντιστέκονται) οι ισχυροί τους άξονες. Στην παρούσα εργασία ο σκελετός απαρτίζεται από 11 όμοια τρίστηλα δίρριχτα πλαίσια με κλίση 5,71 ο, διατεταγμένα σε απόσταση 4m μεταξύ τους και συνολικού ανοίγματος 14m έκαστο. Ο προσανατολισμός τους έγινε με κανόνα τόσο τη θέση του ισχυρού άξονα της σιδηροτροχιάς όσο και την ευκολία μόρφωσης των κόμβων στα σημεία ένωσης των σιδηροτροχιών. Σχήμα 2.2 Κύριος φορέας υποστέγου. 20

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η έδραση των κύριων φορέων στο έδαφος εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποιότητα του εδάφους και μπορεί να είναι είτε πακτωμένοι με χαρακτηριστικό την επιβάρυνση της θεμελίωσης και ανακούφιση της ανωδομής, είτε αρθρωτοί με ανακούφιση της θεμελίωσης και επιβάρυνση της ανωδομής. Εδώ τα υποστυλώματα σχεδιάστηκαν ως αρθρωτά με σκοπό την ανακούφιση της θεμελίωσης καθώς δεν είναι γνωστή εκ των προτέρων η ποιότητα του εδάφους έδρασης. 2.3 Κεφαλοδοκοί Η κεφαλοδοκός είναι οριζόντιο γραμμικό στοιχείο, που συνδέει τις κεφαλές των υποστυλωμάτων κάθε κιονοστοιχίας και διατρέχει το μήκος του κτιρίου κατά τη διεύθυνση την κάθετη προς τα επίπεδα των κύριων φορέων. Μέσω των κεφαλοδοκών οι σεισμικές και λοιπές οριζόντιες δυνάμεις που ασκούνται στο επίπεδο της επικάλυψης και παραλαμβάνονται από τα οριζόντια συστήματα (συνδέσμους) δυσκαμψίας, μεταφέρονται και κατά προσέγγιση ισοκατανέμονται στα κατακόρυφα (μεταξύ υποστυλωμάτων) συστήματα δυσκαμψίας, έτσι ώστε οι ωθήσεις να καταλήγουν στη θεμελίωση μέσω περισσότερων θέσεων στήριξης και να υπάρχουν περισσότερες θέσεις απορρόφησης σεισμικής ενέργειας σε περίπτωση σεισμικής καταπόνησης. Οι κεφαλοδοκοί αποτελούν επιπλέον σημαντικό στοιχείο συναρμολόγησης της κατασκευής κατά τη φάση της ανέγερσης, επειδή συνδέουν εγκάρσια τους ανεγειρόμενους διαδοχικά επίπεδους φορείς. Η σύνδεση, εξ άλλου, κατά τη φάση αυτή, ενός νέου τοποθετούμενου υποστυλώματος με το προηγούμενό του μέσω της κεφαλοδοκού, καθοδηγεί στην τήρηση της ακριβούς θέσης του οριζοντιογραφικά και υψομετρικά. Στην παρούσα μελέτη οι κεφαλοδοκοί είναι διατομής σιδηροτροχιάς UIC 50 και έχουν τοποθετηθεί στο ύψος των 4m. 2.4 Μετωπικοί στύλοι Για να καλυφθούν τα μέτωπα του κτιρίου, που αντιστοιχούν στα δύο ακραία κύρια πλαίσια (πρώτο και τελευταίο) του κτιρίου, τοποθετούνται ανά αποστάσεις μετωπικά υποστυλώματα τα οποία εδράζονται σε θεμέλια ενώ άνω στηρίζονται στα ακραία πλαίσια. Οι μετωπικοί στύλοι προσφέρουν στήριξη στις μηκίδες και επομένως οι αποστάσεις μεταξύ τους συνδέονται με το άνοιγμα που οι χρησιμοποιούμενες διατομές μηκίδων μπορούν να γεφυρώσουν (συνήθως 4,00 έως 7,00m). Η θέση των μετωπικών στύλων καθορίζεται επίσης σε συνδυασμό με τη 21

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 διάταξη των τεγίδων και των οριζόντιων συστημάτων δυσκαμψίας. Κύρια φόρτιση για τους μετωπικούς στύλους είναι η ανεμοπίεση, πρόκειται δηλαδή για στοιχεία καταπονούμενα κυρίως σε κάμψη, ενώ κατά κανόνα χρησιμοποιούμενη διατομή είναι διπλό ταυ με πέλματα παράλληλα προς την όψη. Στην παρούσα μελέτη δεν έχουν χρησιμοποιηθεί μετωπικοί στύλοι. 2.5 Σύνδεσμοι δυσκαμψίας Οριζόντιοι σύνδεσμοι δυσκαμψίας Οι οριζόντιοι σύνδεσμοι δυσκαμψίας (ή αλλιώς αντιανέμιοι σύνδεσμοι), διατάσσονται στο επίπεδο των ζυγωμάτων των πλαισίων, παρακολουθούν την κλίση τους και διαμορφώνουν φατνώματα δυσκαμψίας μεταξύ διαδοχικών κύριων φορέων. Σε περιπτώσεις δικλινών πλαισίων με τις συνήθεις, σχετικά μικρές, κλίσεις οι δικτυωτοί αυτοί φορείς, όταν γίνονται αρχικοί ή απλοποιημένοι υπολογισμοί, επιτρέπεται να θεωρούνται ως επίπεδοι, χαρακτηρίζονται δε ως «οριζόντιοι», παρ όλο που δεν είναι παράλληλοι προς το δάπεδο του κτιρίου. Οι κύριες λειτουργίες των συνδέσμων της κατηγορίας αυτής είναι: Η μεταφορά στα κατακόρυφα (μεταξύ υποστυλωμάτων) συστήματα δυσκαμψίας των οριζόντιων ανεμοπιέσεων οι οποίες ασκούνται στα μέτωπα και φτάνουν στο επίπεδο των ζυγωμάτων μέσω των μετωπικών υποστυλωμάτων. Η μεταφορά στα κατακόρυφα συστήματα δυσκαμψίας των οριζόντιων σεισμικών δυνάμεων που ασκούνται στο επίπεδο των ζυγωμάτων. Η διαμόρφωση στοιχείου δυσκαμψίας στο οποίο αγκυρώνονται οι τεγίδες εκείνες που προσφέρουν πλευρική στήριξη (εξασφάλιση έναντι στρεπτοκαμπτικού λυγισμού) στα ζυγώματα. Η συμβολή στην ευστάθεια της κατασκευής κατά τη διάρκεια της ανέγερσης. Επειδή οι σύνδεσμοι δυσκαμψίας είναι δικτυωτοί φορείς όλα τους τα μέλη θεωρούνται ότι καταπονούνται αξονικά. Οι διαγώνιοι των δικτυωμάτων είτε εφελκύονται είτε θλίβονται και δεν παραλαμβάνουν καμπτικά φορτία γιατί δεν έρχονται σε επαφή με την επικάλυψη, ενώ κατά κανόνα, για την τυποποίηση των κατασκευαστικών λεπτομερειών και την ομοιομορφία, χρησιμοποιείται η ίδια διατομή για όλες τις διαγώνιες ράβδους. Η διαστασιολόγηση μπορεί επομένως να γίνει με 22

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 βάση τις διαγωνίους των ακραίων φατνωμάτων, οι οποίες είναι οι περισσότερο καταπονούμενες. Η συνήθως χρησιμοποιούμενη διατομή είναι τα ισοσκελή γωνιακά. Σύνδεσμοι δυσκαμψίας στέγης τοποθετούνται υποχρεωτικά στα δύο ακραία φατνώματα της κατασκευής για να παραλάβουν τα θλιπτικά ή εφελκυστικά φορτία των κεφαλών των μετωπικών στύλων. Ύπαρξη επιπλέον συνδέσμων δυσκαμψίας σε ενδιάμεσα φατνώματα του υποστέγου, κρίνεται απαραίτητη για μεγάλου μήκους κτίρια. Στην κατασκευή μας μορφώθηκαν οριζόντιοι σύνδεσμοι δυσκαμψίας στα δύο ακραία φατνώματα και σε δύο ενδιάμεσα με την προσθήκη διαγωνίων διατομής L70x7. Σχήμα 2.3 Μέλη οριζόντιων συνδέσμων δυσκαμψίας Κατακόρυφοι σύνδεσμοι δυσκαμψίας Οι κατακόρυφοι σύνδεσμοι δυσκαμψίας είναι συνήθως δικτυωτοί σχηματισμοί διαφόρων μορφών, που τοποθετούνται μεταξύ δύο διαδοχικών υποστυλωμάτων και μεταφέρουν στη θεμελίωση τα οριζόντια φορτία, τα οποία παραλαμβάνονται από τους οριζόντιους συνδέσμους και τις κεφαλοδοκούς. Στα παραπάνω δικτυώματα, πέλματα αποτελούν τα εκατέρωθεν υποστυλώματα, ανώτερο οριζόντιο στοιχείο η κεφαλοδοκός, ορθοστάτες οι μηκίδες, συμπληρώνονται δε με πρόσθετα διαγώνια στοιχεία διατομής συνήθως διπλών γωνιακών ή διπλών U. Οι κύριες λειτουργίες των συστημάτων εγκάρσιας δυσκαμψίας των υποστέγων μπορούν να συνοψισθούν ως εξής: 23

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Παραλαβή από τα οριζόντια συστήματα δυσκαμψίας των οριζόντιων φορτίων που δρουν κατά τη διαμήκη διεύθυνση του υποστέγου και μεταφορά τους στη θεμελίωση. Παροχή ενός δύσκαμπτου συστήματος στο οποίο να απολήγουν οι μηκίδες που παρέχουν πλευρική στήριξη στα υποστυλώματα. Παροχή προσωρινής ευστάθειας στην κατασκευή κατά τη διάρκεια της ανέγερσής της. Επειδή οι κατακόρυφοι σύνδεσμοι δυσκαμψίας θεωρούνται δικτυωτοί φορείς, ισχύει για αυτούς ότι ειπώθηκε παραπάνω για τους συνδέσμους δυσκαμψίας στέγης. Στο έργο μας χρησιμοποιήθηκαν δικτυωτοί σύνδεσμοι τύπου Λ με στοιχεία κοίλης τετραγωνικής διατομής 80x80/4,5 οι οποίοι μορφώθηκαν σε δύο ενδιάμεσα φατνώματα όπως στο σχήμα με σκοπό την ελεύθερη είσοδο και έξοδο οχημάτων από τα συγκεκριμένα φατνώματα. Σχήμα 2.4 Μόρφωση κατακόρυφων συνδέσμων δυσκαμψίας. 2.6 Τεγίδες Οι τεγίδες είναι δοκοί που γεφυρώνουν τις αποστάσεις μεταξύ των κύριων φορέων και μεταφέρουν σε αυτούς τα φορτία τα οποία ασκούνται στην επιστέγαση, όπως το βάρος των φύλλων επικάλυψης, το φορτίο χιονιού, η ανεμοπίεση και τυχόν ωφέλιμο φορτίο. Σε ορισμένες περιπτώσεις είναι δυνατόν από τις τεγίδες (ή 24

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ορισμένες εξ αυτών) να αναρτώνται στοιχεία του μηχανολογικού εξοπλισμού του κτιρίου (π.χ. κανάλια κλιματισμού) ή ο σκελετός ψευδοροφής. Οι τεγίδες διατάσσονται κατά κανόνα ανά ίσες μεταξύ τους αποστάσεις, συνήθως μεταξύ 1,30m και 4,00m. Ο ρόλος των τεγίδων στο κτίριο είναι, επομένως, κυρίως να μεταφέρουν τις δράσεις από τα φύλλα επικάλυψης στους κύριους φορείς και δευτερευόντως να συμμετέχουν στους οριζόντιους συνδέσμους δυσκαμψίας και να προσφέρουν πλευρική στήριξη στα ζυγώματα. Οι τεγίδες τοποθετούνται με το κάτω πέλμα τους να εδράζεται στο πάνω πέλμα των δοκών του ζυγώματος. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται η ενεργοποίηση του ισχυρού τους άξονα έναντι της κύριας δράσης των κατακόρυφων φορτίων του χιονιού, του ιδίου βάρους της επικάλυψης και του ανέμου. Ανάλογα με τη θέση τους πάνω στο μέλος του ζυγώματος οι τεγίδες διακρίνονται σε ακροτεγίδες, μεσοτεγίδες και κορυφοτεγίδες. Οι τεγίδες είναι στοιχεία καταπονούμενα κυρίως σε κάμψη, μπορεί δε να σχεδιάζονται με ελατές ή διαμορφωμένες εν ψυχρώ διατομές. Από τις ελατές διατομές καταλληλότερες είναι οι διατομές Ι, συνηθέστερα από τη σειρά ΙΡΕ (συνήθη μεγέθη από ΙΡΕ100 έως ΙΡΕ200). Χρησιμοποιούνται επίσης διατομές U. Σε περιπτώσεις μεγάλων κλίσεων όπου η κάμψη και ως προς τους δύο άξονες είναι έντονη, χρησιμοποιούνται πλατύπελμες διατομές διπλού ταυ (συνηθέστερα από τη σειρά ΗΕΑ). Όταν ορισμένες τεγίδες χρησιμοποιούνται και ως θλιβόμενα στοιχεία οριζόντιων αντιανέμιων συνδέσμων, πέραν της κύριας καμπτικής τους καταπόνησης, επιλέγονται συχνά γι αυτές διατομές από τη σειρα ΗΕΒ. Ως προς το στατικό τους σύστημα, οι τεγίδες μπορεί να κατασκευάζονται ως αμφιέρειστα στοιχεία μεταξύ διαδοχικών κύριων φορέων ή ως συνεχείς δοκοί. Στην υπό μελέτη κατασκευή, επιλέχθηκαν τεγίδες διατομής ΙΡΕ140 και τοποθετήθηκαν έχοντας οριζόντια απόσταση μεταξύ τους 1,75m, ενώ σχεδιάστηκαν ως αμφιέρειστες με μήκος 4m (όση είναι και η απόσταση μεταξύ των κύριων φορέων). Επίσης έγινε η παραδοχή ότι όλες οι μεσοτεγίδες έχουν την ίδια φόρτιση με πλάτος ζώνης επιρροής του φορτίου τους 1,75m (δυσμενέστερες) και οι 25

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ακροτεγίδες με τις κορυφοτεγίδες έχουν το μισό πλάτος ζώνης επιρροής (καταπονούνται λιγότερο). Σχήμα 2.5 Τυπική διάταξη και πλάτη επιρροής τεγίδων. 2.7 Μηκίδες Οι μηκίδες είναι οριζόντιοι δοκοί που τοποθετούνται, ανά ίσες αποστάσεις (συνήθως από 1,50m έως 2,50m), σε όλες τις όψεις του κτιρίου, γεφυρώνουν τις αποστάσεις μεταξύ των υποστυλωμάτων (πλαισιακών και μετωπικών) και δέχονται τα φύλλα πλευρικής επένδυσης της κατασκευής. Οι μηκίδες σχεδιάζονται κατά τρόπο παρόμοιο με εκείνο των τεγίδων. Χρησιμοποιούνται οι ίδιες κατηγορίες, τύποι και μεγέθη διατομών που χρησιμοποιούνται και για τις τεγίδες, καθώς επίσης και οι ίδιοι τύποι στηριγμάτων. Κύρια φόρτιση για αυτές είναι η ανεμοπίεση, ενώ διαμορφώνονται συνήθως ως αμφιέρειστα, για τα οριζόντια φορτία, στοιχεία. Μπορεί όμως να κατασκευάζονται και ως αρθρωτές δοκοί. Συνοψίζοντας, οι μηκίδες: Αποτελούν μέσα σύνδεσης των στύλων των παράλληλων ζευκτών αλλά και των στύλων των δύο ακραίων κύριων φορέων. Αποτελούν βάση στήριξης της κατακόρυφης περιμετρικής επικάλυψης. 26

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Παραλαμβάνουν όλα τα φορτία της πλευρικής επικάλυψης. Τα φορτία αυτά μαζί με το ίδιο βάρος τους- τα μεταβιβάζουν στους στύλους των κύριων φορέων. Είναι σημαντικά στοιχεία οικονομίας του έργου, αφού λόγω του μεγάλου αριθμού τους αγγίζουν (μαζί με τις τεγίδες) το 30%-40% του συνολικού βάρους του φορέα που μελετάμε. Συνεπώς, έχει μεγάλη σημασία η σωστή επιλογή της διατομής τους, ο απαιτούμενος αριθμός τους, η μεταξύ τους απόσταση και η μόρφωση του καταλληλότερου στατικού τους συστήματος στην εκάστοτε κατασκευή. Οι μηκίδες καταπονούνται κυρίως από άνεμο, οπότε ο προσανατολισμός της διατομής τους γίνεται με τέτοιο τρόπο, ώστε ο ισχυρός άξονας να παραλαμβάνει τον άνεμο και ο ασθενής τα ίδια βάρη της επικάλυψης και του εαυτού τους. Με τον προσανατολισμό που φαίνεται στο σχήμα επιτυγχάνεται η ενεργοποίηση και των δύο κύριων αξόνων αδράνείας τους, έναντι της δράσης των φορτίων που έχουν οριζόντια αλλά και κατακόρυφη διεύθυνση.. Σχήμα 2.6 Τυπική διάταξη μηκίδων. 2.8 Επικάλυψη Τα φύλλα με τα οποία επικαλύπτεται και επενδύεται πλευρικά ο φέρων οργανισμός ή τα ισοδύναμα συστήματα που μπορεί εναλλακτικά να εφαρμόζονται για την επικάλυψη και την πλευρική επένδυση πρέπει να έχουν επαρκή αντοχή και να έχουν επίσης επαρκώς αγκυρωθεί επί των στοιχείων επί των οποίων στηρίζονται 27

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ώστε να μπορούν να μεταφέρουν σε αυτά (τεγίδες για τα φύλλα επικάλυψης και μηκίδες για τα φύλλα πλευρικής επένδυσης) τις πιέσεις και υποπιέσεις που εξασκούν ο άνεμος και οι άλλες δράσεις. Τα συστήματα επικάλυψης και επένδυσης πρέπει επιπλέον να διαθέτουν την απαιτούμενη θερμομονωτική ικανότητα. Τα μονωτικά φύλλα επικάλυψης και επένδυσης δεν θεωρείται γενικά ότι αποτελούν στοιχείο του φέροντος οργανισμού της κατασκευής προς το οποίο μεταφέρουν φορτία. Θεωρούνται αντίθετα ως μη φέροντα στοιχεία επειδή η επιλογή και ο σχεδιασμός τους αποτελεί συνήθως αντικείμενο της αρχιτεκτονικής μελέτης. Παρόλα αυτά ο Μηχανικός θα πρέπει να γνωρίζει ορισμένα στοιχεία τουλάχιστον της διαμόρφωσης και στήριξης των μη φερόντων στοιχείων από τα οποία εξαρτώνται η πυρασφάλεια, η θερμομόνωση, η ηχομόνωση και άλλες φυσικές ιδιότητες της κατασκευής και τελικώς η οικονομία και ο χρόνος κατασκευής του έργου. Τα συνήθη στοιχεία επικάλυψης στεγών είναι πολύχρωμα πετάσματα από απλά μεταλλικά χαλυβδόφυλλα ή θερμομονωτικά πανέλλα με επίπεδες ή αυλακωτές επιφάνειες. Τα μεταλλικά φύλλα διακρίνονται σε κουμπωτά, κυματοειδή, τραπεζοειδή και συρταρωτά. Ο συνηθέστερος τύπος φύλλων πλευρικής επένδυσης είναι τα θερμομονωτικά πανέλλα τύπου «σάντουιτς», σε διάφορες επιφανειακές διαμορφώσεις, με τις αυλακώσεις οριζόντιες ή κατακόρυφες. Στο υπόστεγο που μελετάμε θα χρησιμοποιήσουμε για την πλευρική επένδυση αλλά και την επικάλυψη της στέγης θερμομονωτικά πανέλλα τύπου «σάντουιτς», τα οποία αποτελούνται από ένα εσωτερικό και ένα εξωτερικό φύλλο χάλυβα και έχουν εσωτερικό πολυουρεθάνης πάχους 5cm (ίδιο βάρος περίπου 0,15kN/m2). Σχήμα 2.7 Προκατασκευασμένα θερμομονωτικά φύλλα επικάλυψης. 28

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Γενικά Η μελέτη και ανάλυση μιας κατασκευής πραγματοποιείται με βάση τις δράσεις που ασκούνται σε αυτήν και οι οποίες ποικίλουν ανάλογα με τη χρήση, τη μορφή και τη θέση του έργου. Οι δράσεις αυτές καθορίζονται από τους Ευρωκώδικες, όπου περιγράφεται τόσο η ποιοτική όσο και η ποσοτική τους διάσταση. Οι αριθμητικές τους τιμές έχουν προκύψει μέσα από συστηματικές μετρήσεις ή μακροχρόνιες μετεωρολογικές παρατηρήσεις, έχουν μικρή πιθανότητα υπέρβασης και ονομάζονται χαρακτηριστικές τιμές των δράσεων αυτών. Παρέχονται δε μέσα από τα Παραρτήματα ή τα Εθνικά Προσαρτήματα που συνοδεύουν τους αντίστοιχους Ευρωκώδικες. Τα κυριότερα λοιπόν φορτία που ασκούνται σε μια κατασκευή και που μελετήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι τα παρακάτω: Μόνιμα φορτία Ίδια βάρη φερόντων στοιχείων Ίδια βάρη επικάλυψης Κινητά φορτία Φορτίο χιονιού Φορτίο ανέμου Φορτίο λόγω θερμοκρασιακής μεταβολής Ατέλειες Σεισμός 3.2 Μόνιμα Φορτία Μόνιμα ονομάζονται όλα εκείνα τα φορτία για τα οποία η διαφοροποίηση του μεγέθους τους στο χρόνο είναι αμελητέα. Περιλαμβάνουν όλα τα κατακόρυφα φορτία που δρουν σε όλη τη διάρκεια ζωής της κατασκευής, όπως τα ιδία βάρη από τα φέροντα στοιχεία, αλλά και από τοίχους πληρώσεως, ψευδοροφές, επικαλύψεις και επενδύσεις, επιστρώσεις και μονώσεις δαπέδων, ηλεκτρικά και υδραυλικά δίκτυα κ.α. Στην παρούσα εργασία έγινε αρχική εκτίμηση του ιδίου βάρους των φερόντων 29

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 στοιχείων της κατασκευής η οποία ελάχιστα αποκλίνει από τα ιδία βάρη που υπολογίστηκαν από το πρόγραμμα ανάλυσης (SAP 2000). 3.3 Κινητά φορτία Τα κινητά φορτία ανήκουν στην κατηγορία των μεταβλητών δράσεων και περιλαμβάνουν τα φορτία εκείνα που προκύπτουν από τη χρήση του κτιρίου και προέρχονται από την παρουσία ανθρώπων, επίπλων, κινητού εξοπλισμού, οχημάτων κτλ. Λόγω της φύσεως των φορτίων αυτών, δεν είναι επακριβές το βάρος και η θέση τους για αυτό και προσδιορίζονται στατιστικά, οι δε χαρακτηριστικές τους τιμές δίνονται από τους Ευρωκώδικες. Στην παρούσα εργασία δεν υπολογίστηκαν κινητά φορτία καθώς η στέγη είναι μη βατή. 3.4 Φορτία χιονιού Το φορτίο χιονιού κατατάσσεται στις μεταβλητές σταθερές δράσεις. Προκαλείται από την εναπόθεση του χιονιού σε οριζόντιες ή κεκλιμένες στέγες και είναι ιδιαίτερα σημαντικό για περιοχές όπου επικρατεί κρύος καιρός και είναι συνήθεις μεγάλες χιονοπτώσεις. Η ποσότητα του χιονιού που εναποτίθεται σε μια στέγη εξαρτάται από την κλίση της στέγης και την τοποθεσία (υψόμετρο, προσανατολισμός κλπ.) του έργου. Εικόνα 3.1 Κατάρρευση οροφής λόγω χιονιού. 30

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο προσδιορισμός του φορτίου χιονιού γίνεται σύμφωνα με το Μέρος 1-3 του Ευρωκώδικα 1, για χιονοπτώσεις οι οποίες έλαβαν χώρα υπό συνθήκες νηνεμίας, ή με ταυτόχρονη ύπαρξη ανέμων. Το φορτίο αυτό αναφέρεται σε κτίρια ή έργα πολιτικού μηχανικού γενικά για υψόμετρα μικρότερα των 1500 μ. Η επιρροή της μορφής της στέγης λαμβάνεται υπόψη με τη χρήση των συντελεστών μορφής. Για περιοχές με ιδιαίτερες κλιματικές συνθήκες μπορεί να εφαρμοστεί το παράρτημα Β του Μέρους 1-3 στο οποίο δίνονται ειδικές μορφές συγκέντρωσης χιονιού. Για τοποθεσίες όπου επικρατούν κανονικές συνθήκες (δηλαδή χωρίς πιθανότητα να λάβει χώρα εξαιρετική χιονόπτωση ή μετατόπιση λόγω ανέμων) εφαρμόζεται ο συνδυασμός που αντιστοιχεί σε καταστάσεις διαρκείας ή παροδικές και δίνεται από τη σχέση: S=μ i C e C t s k [kn/m 2 ] όπου: μ i είναι ο συντελεστής μορφής φορτίου χιονιού C e είναι ο συντελεστής έκθεσης ο οποίος για κανονικές συνθήκες λαμβάνεται ίσος με 1. Συνιστώμενες τιμές για άλλες συνθήκες είναι 0,8 για έκθεση σε ισχυρούς ανέμους και 1,2 για κατασκευές προστατευμένες (από κτίρια ή δέντρα). C t s k είναι ο θερμικός συντελεστής ο οποίος είναι ίσος με 1 για κανονικές συνθήκες θερμικής μόνωσης της στέγης, μπορεί όμως να επιτρέπονται μικρότερες τιμές προκείμένου να ληφθεί υπόψη η επιρροή της απώλειας θερμότητας της στέγης. η χαρακτηριστική τιμή του φορτίου χιονιού επί του εδάφους. Συντελεστής μορφής φορτίου χιονιού μ i Ο συντελεστής μορφής δίνεται από τον παρακάτω πίνακα για διάφορες τιμές της γωνίας α της στέγης, όταν η ολίσθηση του χιονιού δεν παρεμποδίζεται. Κλιση στέγης α 0 ο α 30 ο 30 ο α 60 ο α 60 ο μ (60-α)/30 0 μ α/30 1,6 - Πίνακας 3.1 Συντελεστές μορφής φορτίου χιονιού 31

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται οι προβλεπόμενες διατάξεις για το συντελεστή μορφής φορτίου χιονιού για δικλινείς στέγες όπως και η περίπτωση του υποστέγου που εξετάζεται στην παρούσα εργασία. Εικόνα 3.2 Συντελεστές μορφής σε δικλινείς στέγες. Στο μεταλλικό υπόστεγο που μελετάται α 1 =α 2 =5,71 ο συνεπώς: μ 1,α1 =μ 1,α1 =0,8 Χαρακτηριστική τιμή του φορτίου χιονιού s k Η χαρακτηριστική τιμή του φορτίου χιονιού επί του εδάφους σε kn/m 2 δίνεται από την παρακάτω σχέση συναρτήσει της ζώνης και του αντίστοιχου υψομέτρου (Α) για μια συγκεκριμένη τοποθεσία: S k =S k,0 όπου: S k,0 είναι η χαρακτηριστική τιμή του φορτίου χιονιού στη στάθμη της θάλασσας (Α=0), σε kn/m 2 A το υψόμετρο της συγκεκριμένης τοποθεσίας από τη στάθμη της θάλασσας σε m. Μετριέται με ακρίβεια 100m. και στρογγυλεύεται στην αμέσως μεγαλύτερη εκατοντάδα. 32

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Για τις χώρες της ευρωπαϊκής ένωσης, οι τιμές του s k για περίοδο επαναφοράς 50 ετών δίνονται στο Προσάρτημα C του Ευρωκώδικα 1, Μέρος 1-3. Για την Ελλάδα σύμφωνα με το Εθνικό Προσάρτημα ορίζονται οι παρακάτω τρεις ζώνες χιονιού με τις αντίστοιχες χαρακτηριστικές τιμές S k,0 των φορτίων για έδαφος που βρίσκεται στη στάθμη της θάλασσας. Ζώνη I (S k,0 =0,4 kn/m 2 ): Νομοί Αρκαδίας, Ηλείας, Λακωνίας Μεσσηνίας και όλα τα νησιά πλην των Σποράδων και της Εύβοιας. Ζώνη II (S k,0 =1,7 kn/m 2 ): Νομοί Μαγνησίας, Φθοιώτιδας, Καρδίτσας, Τρικάλων, Λάρισας, Σποράδες και Εύβοια. Ζώνη IΙΙ (S k,0 =0,8 kn/m 2 ): Υπόλοιπη χώρα. Στην παρούσα εργασία θεωρήσαμε ότι η κατασκευή βρίσκεται στη Χίο επομένως ανήκει στη ζώνη Ι και: S k,0 =0,4 kn/m 2 Καθώς το υψηλότερο χωριό του νησιού είναι κοντά στα 500 μέτρα θεωρούμε για την επίληση Α=500m. Επομένως: S k =S k,0 = 0,4 =0,52 kn/m 2 Τελικά το φορτίο χιονιού της κατασκευής για τη δυσμενέστερη περίπτωση και θεωρώντας ότι οι συντελεστές έκθεσης C e και C t είναι ίσοι με 1, θα είναι: S 1,a1 =S 2,a2 = μ C e C t s k =0, ,52=0,416 kn/m 2 33

34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Φορτία ανέμου Οι δράσεις λόγω ανέμου στις κατασκευές από χάλυβα παίζουν ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο και αποτελούν σε πολλές περιπτώσεις τη βασική φόρτιση, ανεξάρτητα από τον τύπο τους (μονώροφες, πολυώροφες κλπ). Το μέγεθος των δράσεων αυτών μεταβάλλεται ανάλογα με την τοποθεσία, το ύψος της κατασκευής, το είδος του περιβάλλοντος χώρου κλπ. Στη γενική περίπτωση ο άνεμος ασκεί πίεση προς την προσήνεμη πλευρά και υποπίεση προς την υπήνεμη. Επίσης υποπίεση ασκεί έμμεσα και σε όλες τις εσωτερικές επιφάνειες της κατασκευής, μέσω του πορώδους των εξωτερικών επιφανειών. Οι δυνάμεις λόγω ανέμου είναι χρονικά μεταβαλλόμενες και μπορεί να προκαλέσουν ταλαντώσεις, για πολλές όμως κατασκευές (π.χ. δύσκαμπτες) η δυναμική αυτή επίδραση είναι μικρή, οπότε τα φορτία του ανέμου μπορεί να θεωρούντα στατικά. Σε εύκαμπτες κατασκευές οι επιρροές τους μπορεί να είναι σημαντικές οπότε πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η δυναμική τους συμπεριφορά. Η πλέον σημαντική παράμετρος για τον προσδιορισμό των δράσεων ανέμου είναι η ταχύτητα του ανέμου. Η βάση σχεδιασμού είναι η μέγιστη ταχύτητα (ριπή) που προβλέπεται για τη διάρκεια σχεδιασμού της κατασκευής. Εικόνα 3.3 Καταστροφή δεξαμενής λόγω ισχυρών ανέμων. 34

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Οι παράγοντες που επηρεάζουν το μέγεθος της ταχύτητας και της ασκούμενης πίεσης είναι: Η γεωγραφική θέση Η φυσική θέση Η τοπογραφία Οι διαστάσεις της κατασκευής Η μέση ταχύτητα του ανέμου Το σχήμα της κατασκευής Η κλίση της στέγης Η διεύθυνση του ανέμου Οι δράσεις του ανέμου επί του υπό μελέτη υποστέγου θα προσδιοριστούν λαμβάνοντας υπόψη το σύνολο των εξωτερικών και εσωτερικών πιέσεων ταυτόχρονα. Θα μελετηθούν οι δράσεις του ανέμου σε 3 διευθύνσεις μία κατά τον άξονα χ (θ=90 ο ) και δύο κατά τον άξονα y(θ=0 ο,θ=180 ο ) Εξωτερική πίεση Η πίεση ανέμου που δρα κάθετα στις εξωτερικές επιφάνειες μιας κατασκευής δίνεται από τη σχέση: W e =q p (z e ) c pe Όπου q p (ze) είναι η πίεση ταχύτητας αιχμής z e είναι το ύψος αναφοράς για την εξωτερική πίεση c pe είναι ο συντελεστής εξωτερικής πίεσης Πίεση ταχύτητας αιχμής q p (z) Η πίεση ταχύτητας αιχμής σε ύψος z, η οποία περιλαμβάνει μέσες και μικρής διάρκειας διακυμάνσεις της ταχύτητας, προσδιορίζεται από τη σχέση: q p (z)=[1+7 Ι v (z)] ρ (z) 35

36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 όπου p είναι η πυκνότητα του αέρα, που εξαρτάται από το υψόμετρο, τη θερμοκρασία και τη βαρομετρική πίεση που αναμένονται σε μια περιοχή κατά τη διάρκεια ανεμοθύελλας. Για την Ελλάδα p=1,25 kg/m 3 I v (z) V m (z) είναι η ένταση του στροβιλισμού σε ύψος z είναι η μέση ταχύτητα του ανέμου σε ύψος z Ένταση του στροβιλισμού I v (z) σε ύψος z Υπολογίζεται από τις παρακάτω σχέσεις: I v (z)= για z min z z max I v (z)= I v (z min ) για z< z min όπου k1 είναι ο συντελεστής στροβιλισμού (ίσος με 1). c o (z) είναι ο συντελεστής τοπογραφικής διαμόρφωσης (προτεινόμενη τιμή 1). z min το ελάχιστο ύψος το οποίο ορίζεται από πίνακα και εξαρτάται από την κατηγορία εδάφους που βρίσκεται η κατασκευή. z 0 είναι τη μήκος τραχύτητας σε μέτρα το οποίο ορίζεται από πίνακα και εξαρτάται από την κατηγορία εδάφους που βρίσκεται η κατασκευή. z max λαμβάνεται ίσο προς 200 m. Για κατηγορία εδάφους Ι (λίμνες ή επίπεδες και οριζόντιες περιοχές με αμελητέα βλάστηση και χωρίς εμπόδια) στην οποία έχουμε θεωρήσει ότι βρίσκεται το υπό μελέτη υπόστεγο z 0 = 0,01 και z min = 1. Επόμένως 1 z(=5) 200 και I v (z)= = 0,161 36

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Μέση ταχύτητα ανέμου V m (z) Η μέση ταχύτητα του ανέμου σε ύψος z πάνω από το έδαφος, εξαρτάται από την τραχύτητα του εδάφους και την τοπογραφική διαμόρφωση, προσδιορίζεται δε από τη σχέση: V m (z) = C r (z) C 0 (z) V b Όπου C r (z) είναι ο συντελεστής τραχύτητας C o (z) V b είναι ο συντελεστής τοπογραφικής διαμόρφωσης (προτεινόμενη τιμή 1) είναι η βασική ταχύτητα του ανέμου. Συντελεστής τραχύτητας C r (z) Λαμβάνει υπόψη τη μεταβλητότητα της μέσης ταχύτητας ανέμου στη θέση της κατασκευής, λόγω του ύψους πάνω από το έδαφος και λόγω της τραχύτητας του εδάφους και υπολογίζεται συναρτήσει του ύψους z με τις ακόλουθες σχέσεις: c r (z) = k r ln για z min z z max c r (z) = k r ln για z< z min όπου k r = 0,19, z 0,II = 0,05 m. Επομένως για την υπό μελέτη κατασκευή k r = 0,19 = 0,17 και C r (z) = 0,17 ln =1,056 Βασική ταχύτητα του ανέμου V b Ορίζεται ως συνάρτηση της διεύθυνσης του ανέμου και της εποχής του έτους, στα 10 m πάνω από έδαφος κατηγορίας ΙΙ, σύμφωνα με τη σχέση: V b = C dir C season V b,0 37

38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 όπου C dir είναι ο συντελεστής διέυθυνσης (ίσος με 1). C season είναι ο συντελεστής εποχής (ίσος με 1). V b,0 είναι η θεμελιώδης τιμή της βασικής ταχύτητας του ανέμου. Σύμφωνα με το Εθνικό Πρόσάρτημα η τιμή V b,0 για τη χώρα μας ορίζεται σε 33 m/s για τα νησιά και τα παράλια μέχρι 10 km από την ακτή και σε 27 m/s για την υπόλοιπη χώρα. Επόμένως για τη Χίο όπου βρίσκεται η κατασκευή έχουμε: V b = =33 m/s V m (z) =1, = m/s q p (z)=[1+7 0,161] 0,00125 (34,848) 2 = 1,61 kn/m 2 Ύψος αναφοράς για την εξωτερική πίεση z e Για τους προσήνεμους τοίχους προσδιορίζεται ανάλογα με τη σχέση μεταξύ του ύψους h και του πλάτους b του κτιρίου ενώ για τους υπήνεμους και παράπλευρους τοίχους λαμβάνεται ίσο με το ύψος του κτιρίου. Για ύψος κτιρίου h μικρότερο από το πλάτος b (h=5m < b=40m) το ύψος αναφοράς δίνεται από το παρακάτω σχήμα. Επομένως για την κατασκευή z e =h=5m Σχήμα 3.4 Ύψος αναφοράς z e συναρτήσει των b και h. Τελικά η εξωτερική πίεση στην κατασκευή δίνεται από τη σχέση W e =1,61 c pe 38

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Συντελεστής εξωτερικής πίεσης c pe Ο συντελεστής εξωτερικής πίεσης εξαρτάται από τις διαστάσεις της φορτιζόμενης επιφάνειας Α και δίνεται στο παρακάτω σχήμα, για δύο χαρακτηριστικές τιμές της δηλαδή για 1 m 2 και για 10 m 2. Σχήμα 3.5 Μεταβολή του συντελεστή εξωτερικής πίεσης συναρτήσει της φορτιζόμενης επιφάνειας. Για θ=0 ο διαστάσεις: ύψος 5 m, πλάτος 40 m. Δηλαδή Α=200 m 2 >10. Για θ=90 ο διαστάσεις: ύψος 5 m, πλάτος 14 m. Δηλαδή Α=70 m 2 >10. C pe =C pe,10 θ=0 ο Κατακόρυφοι τοίχοι e=min(b,2h)=min(40,10)=10<d h/d=5/14=0,357 Σχήμα

40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Σχήμα 3.7 θ=0 ο Ζώνη Α Β C D E h/d C pe,10 0,357-1,2-0,8-0,5 +0,714 0 Πίνακας 3.2 Δικλινής στέγη Κλίση a=arctan(0,7/7)=5,71 o Σχήμα 3.8 θ=0 ο α=5,71 ο F G H I J C pe,10-1,64-1,17-0,579-0,586 +0,115 +0,014 +0,014 +0, ,557 Πίνακας

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Τελικές εξωτερικές πιέσεις (θ=0 ο ) Α We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-1,2) = -1,932 kn/m 2 B We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-0,8) = -1,288 kn/m 2 C We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-0,5) = -0,805 kn/m 2 D We=1,61 c pe,10 = 1,61 (+0,714) = +1,150 kn/m 2 E We=1,61 c pe,10 = 1,61 (0) = 0 F We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-1,64) = -2,64 kn/m 2 We=1,61 c pe,10 = 1,61 (+0,014) = +0,023 kn/m 2 G We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-1,17) = -1,884 kn/m 2 We=1,61 c pe,10 = 1,61 (+0,014) = +0,023 kn/m 2 H We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-0,579) = -0,932 kn/m 2 We=1,61 c pe,10 = 1,61 (+0,014) = +0,023 kn/m 2 I We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-0,586) = -0,943 kn/m 2 J We=1,61 c pe,10 = 1,61 (+0,115) = +0,185 kn/m 2 We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-0,557) = -0,897 kn/m 2 Πίνακας 3.4 θ=180 ο Κατακόρυφοι τοίχοι e=min(b,2h)=min(40,10)=10<d h/d=5/14=0,357 Σχήμα 3.9 θ=180 ο Ζώνη Α Β C D E h/d C pe,10 0,357-1,2-0,8-0,5 0-0,329 Πίνακας

42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Δικλινής στέγη Κλίση a=arctan(0,7/7)=5,71 o Σχήμα 3.10 Τελικές εξωτερικές πιέσεις (θ=180 ο ) Α We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-1,2) = -1,932 kn/m 2 B We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-0,8) = -1,288 kn/m 2 C We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-0,5) = -0,805 kn/m 2 D We=1,61 c pe,10 = 1,61 (0) = 0 E We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-0,329) = -0,53 kn/m 2 F We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-1,64) = -2,64 kn/m 2 We=1,61 c pe,10 = 1,61 (+0,014) = +0,023 kn/m 2 G We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-1,17) = -1,884 kn/m 2 We=1,61 c pe,10 = 1,61 (+0,014) = +0,023 kn/m 2 H We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-0,579) = -0,932 kn/m 2 We=1,61 c pe,10 = 1,61 (+0,014) = +0,023 kn/m 2 I We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-0,586) = -0,943 kn/m 2 J We=1,61 c pe,10 = 1,61 (+0,115) = +0,185 kn/m 2 We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-0,557) = -0,897 kn/m 2 Πίνακας

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 θ=90 ο Κατακόρυφοι τοίχοι e=min(b,2h)=min(14,10)=14<d h/d=5/40=0,125 Σχήμα 3.11 θ=90 ο Ζώνη Α Β C D E h/d C pe,10 0,357-1,2-0,8-0,5 +0,7-0,3 Πίνακας 3.7 Δικλινής στέγη Κλίση a=arctan(0,7/7)=5,71 o Σχήμα 3.12 θ=90 ο α=5,71 ο F G H I C pe,10-1,579-1,3-0,693-0,593 Πίνακας

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Τελικές εξωτερικές πιέσεις (θ=90 ο ) Α We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-1,2) = -1,932 kn/m 2 B We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-0,8) = -1,288 kn/m 2 C We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-0,5) = -0,805 kn/m 2 D We=1,61 c pe,10 = 1,61 (+0,7) = +1,127 E We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-0,3) = -0,483 kn/m 2 F We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-1,579) = -2,54 kn/m 2 G We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-1,3) = -2,093 kn/m 2 H We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-0,693) = -1,116 kn/m 2 I We=1,61 c pe,10 = 1,61 (-0,593) = -0,955 kn/m 2 Πίνακας Εσωτερική πίεση Η εσωτερική πίεση δρα ταυτόχρονα με την εξωτερική πίεση και πρέπει στους υπολογισμούς να λαμβάνεται υπόψη μαζί με αυτήν, για κάθε συνδυασμό δυνατών ανοιγμάτων. Η εσωτερική πίεση δίνεται από την παρακάτω σχέση: W i =q p (z i ) c pi όπου: q p (z i ) η πίεση ταχύτητας αιχμής η οποία όπως και στην εξωτερική πίεση είναι ίση με 1,61 kn/m 2. z i είναι το ύψος αναφοράς για την εσωτερική πίεση το οποίο ομοίως θα είναι ίσο με 5 m. c pi είναι ο συντελεστής εσωτερικής πίεσης. Συντελεστής εσωτερικής πίεσης c pi Ο συντελεστής εσωτερικής πίεσης εξαρτάται από το μέγεθος και την κατανομή των ανοιγμάτων στη συνολική επιφάνεια του κτιρίου. Η πλευρά ενός κτιρίου πρέπει να θεωρείται καθοριστική όταν η επιφάνεια των ανοιγμάτων της είναι τουλάχιστον διπλάσια των ανοιγμάτων στις υπόλοιπες πλευρές του θεωρούμενου κτιρίου. Στην περίπτωση αυτή η εσωτερική πίεση θα λαμβάνεται ως ένα κλάσμα της εξωτερικής πίεσης στα ανοίγματα της καθοριστικής πλευράς. 44

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Στο υπό μελέτη υπόστεγο επειδή η μία πλευρά του είναι ανοιχτή και η επιφάνεια των ανοιγμάτων της είναι τουλάχιστον διπλάσια της επιφάνειας των ανοιγμάτων στις υπόλοιπες πλευρές, η πλευρά αυτή θεωρείται καθοριστική. Επομένως ο συντελεστής εσωτερικής πίεσης θα προκύψει από τη σχέση c pi =0,75c pe όπου c pe είναι η τιμή του συντελεστή εξωτερικής πίεσης στα ανοίγματα της καθοριστικής πλευράς. Υπολογίζουμε: θ=0 ο Κατακόρυφοι τοίχοι: c pe,10 =0,329 Στέγη: c pe,10 = -0,586 c pe,10 = 0 θ=180 ο Κατακόρυφοι τοίχοι: c pe,10 = 0,714 Στέγη: c pe,10 = 0,125 (-1,64)+0,875 (-1,17) = -1,23 c pe,10 = 0,014 θ=90 ο Κατακόρυφοι τοίχοι: c pe,10 = 0,05 (1,2) + 0,2 (0,8) + 0,75 (0,5)=0,595 Στέγη: c pe,10 = 0,025 (-1,579)+0,1 (-0,693) + 0,875 (-0,593) = -0,628 Τελικές εσωτερικές πιέσεις Κατακόρυφοι τοίχοι 0 ο Wi=1,61 0,75 c pe,10 = 1,61 0,75 0,329 = 0,397 kn/m ο Wi=1,61 0,75 c pe,10 = 1,61 0,75 0,714 = 0,862 kn/m 2 90 ο Wi=1,61 0,75 c pe,10 = 1,61 0,75 0,595 = 0,718 kn/m 2 Στέγη 0 ο Wi=1,61 0,75 c pe,10 = 1,61 0,75 (-0,586) = -0,708 kn/m ο Wi=1,61 0,75 c pe,10 = 1,61 0,75 (-1,23) = -1,485 kn/m 2 90 ο Wi=1,61 0,75 c pe,10 = 1,61 0,75 (-0,628) = -0,759 kn/m 2 Πίνακας

46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Τελική πίεση Η τελική πίεση του ανέμου επί ενός επιμέρους στοιχείου είναι η διαφορά των πιέσεων επί των επιφανειών του επιμέρους στοιχείου, λαμβάνοντας υπόψη τη φορά των πιέσεων αυτών. Η πίεση που κατευθύνεται προς την επιφάνεια, λαμβάνεται ως θετική, ενώ η αναρρόφηση, το διάνυσμα της οποίας απομακρύνεται από την επιφάνεια, λαμβάνεται ως αρνητική. Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται μερικά παραδέιγματα της πίεσης. Σχήμα 3.13 Πίεση επί των επιφανειών Εφαρμόζοντας τα παραπάνω προκύπτουν οι τελικές πιέσεις που ασκούνται στο υπόστεγο για κάθε διεύθυνση του ανέμου και φαίνονται αναλυτικά παρακάτω: θ=0 ο We (kn/m 2 ) Wi (kn/m 2 ) Τελική πίεση (kn/m 2 ) Α -1,932 +0,397-1,535 B -1,288 +0,397-0,891 C -0,805 +0,397-0,408 D +1,150 +0,397 +1,547 E F -2,64 +0,708-1,932 G -1,884 +0,708-1,176 H -0,932 +0,708-0,224 I -0,943 +0,708-0,235 J +0,185 +0,708 +0,893 Πίνακας

47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Εικόνα 3.14 Κατανομή ανεμοπιέσεων (θ=0 ο ) 47

48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 θ=180 ο We (kn/m 2 ) Wi (kn/m 2 ) Τελική πίεση (kn/m 2 ) Α -1,932-0,862-2,794 B -1,288-0,862-2,15 C -0,805-0,862-1,667 D E -0,53-0,862-1,392 F -2,64-1,485-4,125 G -1,884-1,485-3,369 H -0,932-1,485-2,417 I -0,943-1,485-2,428 J +0,185-1,485-1,3 Πίνακας 3.12 θ=90 ο We (kn/m 2 ) Wi (kn/m 2 ) Τελική πίεση (kn/m 2 ) Α -1,932 +0,718-1,214 B -1,288 +0,718-0,57 C -0,805 +0,718-0,087 D +1,127 +0,718 +1,845 E -0,483 +0,718 +0,235 F -2,54 +0,759-1,781 G -2,093 +0,759-1,334 H -1,116 +0,759-0,357 I -0,955 +0,759-0,196 Πίνακας

49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Εικόνα 3.15 Κατανομή ανεμοπιέσεων (θ=180 ο ) 49

50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Εικόνα 3.16 Κατανομή ανεμοπιέσεων (θ=90 ο ) 50

51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Θερμικές Δράσεις Οι θερμικές δράσεις κατατάσσονται στις μεταβλητές και ελεύθερες δράσεις, περιγράφονται από το Μέρος 1-5 του Ευρωκώδικα 1, και προσδιορίζονται για κάθε σχετική κατάσταση σχεδιασμού. Τα φέροντα στοιχεία των κατασκευών ελέγχοναι για να διασφαλιστεί ότι οι μετατοπίσεις λόγω θερμοκρασιακής συστολής διαστολής δεν προκαλούν υπερένταση της κατασκευής, αλλιώς είτε πρέπει να προβλεφθούν αρμοί συστολής διαστολής, είτε οι επιδράσεις αυτές να ληφθούν υπόψη στο σχεδιασμό. Σε κατασκευές που δεν είναι εκτεθειμένες σε ημερήσιες και εποχιακές κλιματολογικές και λειτουργικές θερμοκρασιακές μεταβολές, πιθανόν να μην χρειάζεται θεώρηση θερμικών δράσεων. Οι θερμικές δράσεις που οφείλονται σε θερμοκρασιακές μεταβολές, υπολογίζονται θεωρώντας ομοιόμορφη μεταβολή θερμοκρασίας στα στοιχεία του φορέα, οι οποίες οφείλονται στη μεταβολή θερμοκρασίας περιβάλλοντος (χειμώνας καλοκαίρι) και προσδιορίζοντας τις χαρακτηριστικές τιμές της μέγιστης διακύμανσης. Στην παρούσα εργασία η διαφορά θερμοκρασίας (ομοιόμορφη αύξηση ή μείωση της θερμοκρασίας ολόκληρου του σκελετού σε σχέση με τη θερμοκρασία συναρμολόγησής του) λήφθηκε ίση με ±20 o C. 3.7 Ατέλειες Η συμπεριφορά των πραγματικών μεταλλικών κατασκευών είναι πάντοτε διαφορετική από αυτήν που προβλέπεται θεωρητικά. Οι κύριες αιτίες της απόκλισης αυτής, λόγω της οποίας μπορεί να μειωθεί σοβαρά η φέρουσα ικανότητα του φορέα, είναι: Οι γεωμετρικές ατέλειες, οι οποίες οφείλονται σε απόκλιση από την ευθυγραμμία, σε μη παραλληλότητα των πελμάτων, σε ανοχές της συναρμολόγησης κλπ. Οι δομικές ατέλεις, οι οποίες οφείλονται σε παραμένουσες τάσεις που δημιουργούνται στην αφόρτιστη κατάσταση κατά τη διαδικασία παραγωγής, συγκόλλησης κλπ, ή στη μη γραμμική συμπεριφορά του υλικού. 51

52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Οι ατέλειες βρίσκονται στην περιοχή των συνήθων κατασκευαστικών ανοχών, είναι γενικά μη ορατές και δε μπορούν να καθοριστούν με ακρίβεια εκ των προτέρων, πρέπει όμως να λαμβάνονται υπόψη κατά το σχεδιασμό. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται ισοδύναμες γεωμετρικές ατέλειες, με τιμές που απεικονίζουν τις πιθανές επιδράσεις όλων των τύπων των ατελειών. Σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 3, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη οι παρακάτω ατέλειες: Καθολικές ατέλειες για πλαίσια και συστήματα δυσκαμψίας. Τοπικές ατέλειες για μεμονωμένα μέλη. Στην παρούσα εργασία θα εξετάσουμε τις ατέλειες για ανάλυση πλαισίων, μέσω μιας ισοδύναμης ατέλειας που περιλαμβάνει αρχική κλίση του πλαίσίου και στις δύο διευθύνσεις και υπολογίζεται όπως παρακάτω: Η γωνία κλίσης είναι φ=φ 0 a h a m όπου: φ 0 = είναι η βασική τιμή. a h = είναι ο μειωτικός συντελεστής σχετικός με το ύψος h, όπου ah 1. h είναι το ύψος της κατασκευής σε μέτρα. a m = είναι ο μειωτικός στντελεστής σχετικός με τον αριθμό των στύλων σε μία σειρα m είναι ο αριθμός των στύλων σε μία σειρά και περιλαμβάνει μόνο εκείνους τους στύλους που φέρουν κατακόρυφο φορτίο N ed όχι μικρότερο του 50% της μέσης τιμής του φορτίου των στύλων στο υπό θεώρηση κατακόρυφο επίπεδο. 52

53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Σχήμα 3.17 Ισοδύναμες ατέλειες κλίσεις και αρχικής καμπυλότητας. Για τον καθορισμό των οριζοντίων δυνάμεων στα διαφράγματα των ορόφων, εφρμόζεται η μορφή ατελειών όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, όπου φ είναι η αρχική κλίση που υπολογίζεται με τους προηγούμενους τύπους, θεωρώντας ότι υπάρχει μόνο ένας όροφος με ύψος h. Σχήμα 3.18 Μορφή αρχικής κλίσης φ για οριζόντια φορτία στους ορόφους. Εφαρμόζοντας τα παραπάνω για το υπό μελέτη υπόστεγο θα υπολογίσουμε ισοδύναμες οριζόντιες δυνάμεις λόγω ατελειών, για τις διευθύνσεις χ και y. 53

54 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Τυπικό πλαίσιο Διαστάσεις 14 4=56m 2 Φορτίο επικάλυψης : 56 m 2 0,15 KN/ m 2 =8,4 kn Υπολογισμός μαζών Η διατομή είναι UIC 50 με γραμμικό βάρος 76,9729 KN/m 3 0, m 2 =0,487KN/m Υποστυλώματα: Ζυγώματα: [2( 2 1 4,3) ]m 0,487 KN/m=3,31 KN [(2 14)+(3 4)]m 0,487 KN/m=19,48 KN Τεγίδες (IPE-140) [10 x 4]m 0,13 KN/m=5,20 KN Σύνολο: 19,48+3,31+8,4+5,2 =36,39 ΚN Περιμετρική επικάλυψη Εφαρμόζεται ως γραμμικό φορτίο 2,0 KN/m στα υποστύλωματα της μίας πλευράς άρα 2,0 KN/m 4,3m=8.6KN Τελικά Ν= 45,0 KN Άξονας χ : α h = 2 h 2 4,3 0, a m,x = 0,5(1 ) 0,5(1 ) 0, 745 mx 9 1 φ χ =φ ο a h a m,x = 0,964 0,745=0, Επομένως Η 1,x =φ x M 1,x =0, ,0 2 10=0,81 kn (ανά πολύστυλο πλαίσιο) Άξονας y : α h = 2 h 2 4,3 0, a m,y = 0,5(1 ) 0,5(1 ) 1 my 1 1 φy=φο a h a m,y = 0,964 1=0, Επομένως Η 1,y =φ y M 1,y =0, ,0=0,22 kn (ανά τρίστηλο πλαίσιο) 54

55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Σεισμικές δράσεις Κατά τη διάρκεια ενός σεισμού αναπτύσσονται στο έδαφος επιταχύνσεις (οριζόντιες και κατακόρυφες), που έχουν ως συνέπεια τη δημιουργία αδρανειακών δυνάμεων επί των κατασκευών. Από τις δυνάμεις αυτές οι οριζόντιες θεωρούνται οι πλέον σοβαρές, χωρίς αυτό να σημαίνει ότι και οι κατακόρυφες δε μπορούν να αποβούν καταστροφικές υπό ορισμένες συνθήκες. Οι κατασκευές αντιστέκονται στις ανακυκλιζόμενες αυτές μετακινήσεις που επιβάλλονται από το έδαφος μέσω της ακαμψίας που διαθέτουν και των αντοχών τους. Η χώρα μας βρίσκεται σε μία εξαιρετικά σεισμογενή περιοχή και ως εκ τούτου οι σεισμικές δράσεις παίζουν σημαντικό ρόλο στο σχεδιασμό των κατασκευών. Ως σεισμικές δράσεις σχεδιασμού θεωρούνται οι ταλαντώσεις του κτιρίου λόγω του σεισμού, οι οποίες ονομάζονται και σεισμικές διεγέρσεις ή σεισμικές δονήσεις. Οι σεισμικές δράσεις κατατάσσονται στις τυχηματικές και δεν συνδυάζονται με άλλες τυχηματικές δράσεις, όπως επίσης δεν συνδυάζονται με τις δράσεις λόγω ανέμου. Στην παρούσα εργασία οι σεισμικές δράσεις υπολογίστηκαν σύμφωνα με τον ΕΑΚ 2000 (Ελληνικός Αντισεισμικός Κανονισμός). Ο ΕΑΚ καλύπτει τα λεγόμενα έργα «κανονικού κινδύνου» (δηλ. έργα των οποίων η ενδεχόμενη βλάβη περιορίζεται στο ίδιο το έργο, το περιεχόμενό του και την άμεση γειτονία του) και περιέχει τις βασικές απαιτήσεις, τα κριτήρια σχεδιασμού, το μέγεθος των σεισμικών δράσεων καθώς και κανόνες εφαρμογής για κτιριακά κυρίως έργα. Η ένταση των εδαφικών σεισμικών διεγέρσεων, καθορίζεται συμβατικά με μία μόνη παράμετρο, τη μέγιστη εδαφική επιτάχυνση σχεδιασμού Α, ανάλογα με τη ζώνη σεισμικής επικινδυνότητας της χώρας στην οποία βρίσκεται το έργο. Η Ελλάδα σύμφωνα με τον ΕΑΚ, υποδιαιρείται σε τρεις ζώνες σεισμικής επικινδυνότητας. Σε κάθε ζώνη αντιστοιχεί μια τιμή εδαφικής επιτάχυνσης Α, η οποία έχει πιθανότητα υπέρβασης 10% στα 50 χρόνια, με βάση τη σχέση: Α=a g Όπου g είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας και α=0,16 για Ζώνη Ι α=0,24 για ζώνη ΙΙ α=0,36 για ζώνη ΙΙΙ 55

56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Εικόνα 3.19 Μέθοδοι υπολογισμού Σύμφωνα με τον ΕΑΚ προβλέπεται η εφαρμογή των παρακάτω δύο μεθόδων γραμμικού υπολογισμού της σεισμικής απόκρισης: o Δυναμική φασματική μέθοδος. o Απλοποιημένη φασματική μέθοδος (Ισοδύναμη στατική μέθοδος). Σε ειδικές περιπτώσεις έργων συμπληρωματικά προς τις παραπάνω μεθόδους επιτρέπεται η εφαρμογή άλλων δόκιμων μεθόδων υπολογισμού όπως γραμμική ή μη γραμμική ανάλυση με εν χρόνω ολοκλήρωση επιταχυνσιογραφημάτων κλπ. Στην παρούσα εργασία θα εφαρμόσουμε τη δυναμική φασματική μέθοδο η οποία περιλαμβάνει πλήρη ιδιομορφική ανάλυση του συστήματος, υπολογισμό της μέγιστης σεισμικής απόκρισης για κάθε ιδιομορφή ταλάντωσης και τετραγωνική επαλληλία των μέγιστων ιδιομορφικών αποκρίσεων. Εφαρμόζεται χωρίς περιορισμούς σε όλες τις περιπτώσεις των κατασκευών και είναι μεγαλύτερης ακρίβειας από την Ισοδύναμη στατική μέθοδο. 56

57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Φάσματα σχεδιασμού Τα φάσματα σχεδιασμού των οριζόντιων συνιστωσών του σεισμού καθορίζονται από τις παρακάτω εξισώσεις: Σχήμα

58 Φd(T)/g ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Στο υπό εξέταση μεταλλικό υπόστεγο θα χρησιμοποιήσουμε δύο φάσματα σχεδιασμού, ένα κατά τον άξονα χ όπου έχουμε δικτυωτούς συνδέσμους τύπου Λ, και ένα κατά τον άξονα y όπου έχουμε λειτουργία πλαισίου με τις παρακάτω παραμέτρους: Άξονας χ Ζώνη σεισμικής επικινδυνότητας: (Α=0,24g) Κατηγορία εδάφους: Β (Τ 1 =0,15s, T 2 =0,60s) Κατηγορία σπουδαιότητας: γ1=1,00 Συντελεστής θεμελίωσης: θ=1,00 Συντελεστής φασματικής ενίσχυσης: β 0 =2,5 Συντελεστής απόσβεσης (Κοχλίες): (ζ=4, η=1,08) Συντελεστής συμπεριφοράς :q=1,5 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 T(sec) Σχήμα 3.21 Φάσμα σχεδιασμού κατά χ. 58

59 Φd(T)/g ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Άξονας y Ζώνη σεισμικής επικινδυνότητας (Α=0,24g) Κατηγορία εδάφους: Β (Τ 1 =0,15s, T 2 =0,60s) Κατηγορία σπουδαιότητας: γ1=1,00 Συντελεστής θεμελίωσης: θ=1,00 Συντελεστής φασματικής ενίσχυσης: β 0 =2,5 Συντελεστής απόσβεσης (Κοχλίες): (ζ=4, η=1,08) Συντελεστής συμπεριφοράς :q=4 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 T(sec) Σχήμα 3.22 Φάσμα σχεδιασμού κατά y. 59

60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Βασικές αρχές σχεδιασμού. Οι κατασκευές που σχεδιάζονται και εκτελούνται με βάση το πλέγμα των Ευρωκωδίκων, θα πρέπει σε όλη την προβλεπόμενη διάρκεια ζωής τους να παραμένουν κατάλληλες για τη χρήση για την οποία προορίζονται καθώς και να παραλαμβάνουν όλες τις δράσεις και επιδράσεις που θα λάβουν χώρα κατά τη διάρκεια της χρήσης τους. Ο έλεγχος λοιπών των κατασκευών έναντι οριακών καταστάσεων επιτυγχάνεται με τη χρήση των λεγόμενων «καταστάσεων σχεδιασμού», που περιγράφουν με επαρκή αξιοπιστία όλους τους συνδυασμούς φορτικών καταστάσεων, στις οποίες θα εκτεθεί η κατασκευή κατά τη διάρκεια ζωής της (50 χρόνια για κτιριακά έργα και άλλες κοινές κατασκευές) και ταξινομούνται όπως παρακάτω: Καταστάσεις διαρκείας, που αντιστοιχούν σε κανονικές συνθήκες χρήσης. Παροδικές καταστάσεις, που αντιστοιχούν σε παροδικές συνθήκες (π.χ. διάρκεια ανέγερσης. Τυχηματικές καταστάσεις, που αντιστοιχούν σε εξαιρετικές συνθήκες (π.χ. έκρηξη, πρόσκρουση). Καταστάσεις σεισμού που αντιστοιχούν σε συνθήκες επιβολής σεισμικής καταπόνησης στην κατασκευή. Οριακές καταστάσεις Οριακές καταστάσεις είναι εκείνες πέραν των οποίων η κατασκευή δεν ικανοποιεί τις απαιτήσεις ασφαλείας και λειτουργικότητας του σχεδιασμού και διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: Οριακές καταστάσεις αστοχίας Οριακές καταστάσεις λειτουργικότητας. Οι καταστάσεις αυτές προσεγγίζονται με προσαύξηση των φορτίων λειτουργίας των φορέων μέσω των επιμέρους συντελεστών ασφαλείας οι οποίοι είναι σχεδόν πάντα μεγαλύτεροι ή ίσοι προς τη μονάδα. Τα προκύπτοντα φορτία ονομάζονται φορτία ή δράσεις σχεδιασμού και χρησιμοποιούνται υπό μορφή συνδυασμών για το σχεδιασμό του φορέα. 60

61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Συνδυασμοί δράσεων Ανάλογα με το είδος, τη μορφή και τη θέση της κατασκευής, προσδιορίζονται οι διάφορες χαρακτηριστικές τιμές των δράσεων, οι οποίες επενεργούν σε αυτήν. Οι δράσεις αυτές, πολλαπλασιασμένες με κατάλληλους συντελεστές (επιμέρους συντελεστές ασφαλείας γ), συνδυάζονται μεταξύ τους καταλλήλως (συντελεστές συνδυασμού ψ) για κάθε μία από τις δύο οριακές καταστάσεις και στη συνέχεια εφαρμόζονται επί του φορέα. Είναι προφανές ότι οι δράσεις που υπεισέρχονται στους συνδυασμούς, επενεργούν και εκδηλώνονται ταυτόχρονα. Οριακές καταστάσεις αστοχίας (ULS) Οι οριακές καταστάσεις αστοχίας σχετίζονται με την ασφάλεια των ανθρώπων, την ασφάλεια του φορέα, και την προστασία των περιεχομένων και αφορούν στις παρακάτω περιπτώσεις: Απώλεια ισορροπίας του φορέα ή οποιουδήποτε μέρους του. Αστοχία λόγω υπερβάλλουσας παραμόρφωσης, μετατροπής του φορέα σε μηχανισμό, θραύση, απώλεια ευστάθειας του φορέα, συμπεριλαμβανομένων των στηρίξεων και θεμελίων του. Αστοχία η οποία προκαλείται από κόπωση ή άλλες επιδράσεις που εξαρτώνται από το χρόνο. Οι συνδυασμοί σχεδιασμού που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο στην οριακή κατάσταση αστοχίας είναι οι παρακάτω: Για καταστάσεις διαρκείας ή παροδικές : Σγ G,j G k,j + γ p P + γ Q,1 Q k,1 + Σγ Q,i ψ Ο,i Q k,i Για τυχηματικές καταστάσεις: ΣG k,j + P + A d + ψ 1,1 (ή ψ 2,1 )Q k,1 + Σψ 2,i Q k,i Για καταστάσεις σεισμού : ΣG k,j + P + Α Εd + Σψ 2,i Q k,i 61

62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Τα σύμβολα στους συνδυασμούς είναι τα εξής + σημαίνει με «επαλληλία με» G k,j χαρακτηριστική τιμή των μόνιμων δράσεων P Q k,1 χαρακτηριστική τιμή της προέντασης χαρακτηριστική τιμή της επικρατέστερης μεταβλητής δράσης Q k,i Α d χαρακτηριστική τιμή των λοιπών μεταβλητών δράσεων i τιμή σχεδιασμού της τυχηματικής δράσης Α Ed τιμή σχεδιασμού της σεισμικής δράσης γ G,j επιμέρους συντελεστές ασφαλείας για τη μόνιμη δράση j γ P επιμέρους συντελεστές ασφαλείας για την προένταση γ Q,i επιμέρους συντελεστές ασφαλείας για τη μεταβλητή δράση i ψ 0,i, ψ 1,i, ψ 2,i συντελεστές συνδυασμού των μεταβλητών δράσεων Οι επί μέρους συντελεστές ασφαλείας χρησιμοποιούνται προκειμένου να ληφθούν υπόψη πιθανές δυσμενείς αποκλίσεις ή πιθανή μη ακριβής προσομοίωση των δράσεων καθώς καθώς και αβεβαιότητες στον προσδιορισμό των αποτελεσμάτων των δράσεων. Οι συντελεστές συνδυασμού ψ των μεταβλητών δράσεων, χρησιμοποιούνται προκειμένου να ληφθεί υπόψη η μειωμένη πιθανότητα για ταυτόχρονη συνύπαρξη των πλέον δυσμενών τιμών των διαφόρων ανεξαρτήτων δράσεων. Πίνακας

63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Πίνακας 3.15 Οριακές καταστάσεις λειτουργικότητας (SLS) Οι οριακές καταστάσεις λειτουργικότητας συνδέονται με συνθήκες πέραν των οποίων δεν πληρούνται πλέον οι καθορισμένες λειτουργικές απαιτήσεις του φορέα ή μέρους αυτού και αφορούν: Παραμορφώσεις που επηρεάζουν την εμφάνιση και λειτουργία του έργου καθώς και την άνεση των χρηστών. Δονήσεις που προκαλούν ενόχληση στους χρήστες και περιορίζουν τη λειτουργική απόδοση του έργου. Βλάβες οι οποίες είναι δυνατόν να επηρεάσουν αρνητικά την εμφάνιση, την ανθεκτικότητα και τη λειτουργία του έργου. 63

64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Οι συνδυασμοί σχεδιασμού που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο στην οριακή κατάσταση λειτουργικότητας είναι οι παρακάτω: Χαρακτηριστικός συνδυασμός : ΣG k,j + P + Q k,1 + Σψ 0,i Q k,i Συχνός συνδυασμός: ΣG k,j + P + ψ 1,1 Q k,1 + Σψ 2,i Q k,i Οιονεί μόνιμος συνδυασμός : ΣG k,j + P + Σψ 2,i Q k,i Έλεγχος επάρκειας Ο βασικός έλεγχος που επιτάσσεται από τους Ευρωκώδικες, προκειμένου να διαπιστωθεί η επάρκεια της κατασκευής σε καταστάσεις αστοχίας και λειτουργικότητας περιγράφεται από την ανίσωση: Ε d R d Όπου Ε d είναι το αποτέλεσμα των συνδυασμών δράσεων σχεδιασμού (εντατικά μεγέθη, μετακινήσεις κλπ.) R d είναι η αντίστοιχη αντοχή σχεδιασμού της διατομής ή του μέλους που ελέγχεται, ή επιτρεπόμενη παραμόρφωση εφόσον πρόκειται για έλεγχο σε λειτουργικότητα. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκαν οι παρακάτω συνδυασμοί φορτίσεων για κάθε οριακή κατάσταση με τους αντίστοιχους συμβολισμούς τους. Ιδίο βάρος (G) ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ (+20) (ΔΤ+) Χιόνι (S) ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ (-20) (ΔΤ-) Άνεμος θ=90 ο (Wx) Σεισμός κατά χ (Ex) Άνεμος θ=0 ο (Wy) Σεισμός κατά y (Ey) Άνεμος θ=180 ο (Wy-) Ατέλειες κατά χ (Ix) Ατέλειες κατά y (Iy) 64

65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Συνδυασμοί Οριακή κατάσταση αστοχίας COMB1 COMB2 COMB 3 COMB4 COMB5 COMB6 COMB7 COMB8 COMB9 COMB10 COMB11 COMB12 COMB13 COMB14 COMB15 COMB16 COMB17 COMB18 COMB19 COMB20 COMB21 1,35 *G + 1,50 * Wx 1,35 *G + 1,50 * Wx + 0,90* S 1,35 *G + 1,50 * Wx + 0,90* ΔT+ 1,35 *G + 1,50* Wx + 0,90* ΔT- 1,35 *G + 1,50* Wx + 0,90* S + 0,90* ΔT- + 0,90 * I x 1,35 *G + 1,50* Wx + 0,90* S + 0,90* ΔT+ + 0,90 * I x 1,35 *G + 1,50* Wy- 1,35 *G + 1,50* Wy- + 0,90* S 1,35 *G + 1,50* Wy- + 0,90* ΔT+ 1,35 *G + 1,50* Wy- + 0,90* ΔT- 1,35 *G + 1,50* Wy- + 0,90* S + 0,90* ΔT- + 0,90 * I y 1,35 *G + 1,50* Wy- + 0,90* S + 0,90* ΔT+ + 0,90 * I y 1,35 *G + 1,50* Wy 1,35 *G + 1,50* Wy + 0,90* S 1,35 *G + 1,50* Wy + 0,90* ΔT+ 1,35 *G + 1,50* Wy + 0,90* ΔT- 1,35 *G + 1,50* Wy + 0,90* S + 0,90* ΔT- + 0,90 * I y 1,35 *G + 1,50* Wy + 0,90* S + 0,90* ΔT+ + 0,90 * I y 1,35 *G +1,50* ΔT+ 1,35 *G +1,50* ΔT+ + 0,90* S 1,35 *G + 1,50* ΔT+ + 0,90* Wx 65

66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 COMB22 COMB23 COMB24 COMB25 COMB26 COMB27 COMB28 COMB29 COMB30 COMB31 COMB32 COMB33 COMB34 COMB35 COMB36 COMB37 1,35 *G + 1,50* ΔT+ + 0,90* Wy 1,35 *G + 1,50* ΔT+ + 0,90* Wy- 1,35 *G + 1,50* ΔT+ + 0,90* S + 0,90* Wx + 0,90 * I x 1,35 *G + 1,50* ΔT+ + 0,90* S + 0,90* Wy + 0,90 * I y 1,35 *G + 1,50* ΔT+ + 0,90* S + 0,90* Wy- + 0,90 * I y 1,35 *G +1,50* ΔT- 1,35 *G +1,50* ΔT- + 0,90* S 1,35 *G + 1,50* ΔT- + 0,90* Wx 1,35 *G + 1,50* ΔT- + 0,90* Wy 1,35 *G + 1,50* ΔT- + 0,90* Wy- 1,35 *G + 1,50* ΔT- + 0,90* S + 0,90* Wx 1,35 *G + 1,50* ΔT- + 0,90* S + 0,90* Wy 1,35 *G + 1,50* ΔT- + 0,90* S + 0,90* Wy- 1,35 *G + 1,50* ΔT- + 0,90* S + 0,90* Wx + 0,90 * I x 1,35 *G + 1,50* ΔT- + 0,90* S + 0,90* Wy + 0,90 * I y 1,35 *G + 1,50* ΔT- + 0,90* S + 0,90* Wy- + 0,90 * I y Οριακή κατάσταση λειτουργικότητας L1 L2 L3 L4 L5 L6 1,00*G + 1,00* Wx 1,00*G + 1,00* Wx + 0,60* S 1,00*G + 1,00* Wx + 0,60* ΔT+ 1,00*G + 1,00* Wx + 0,60* ΔT- 1,00*G + 1,00* Wx+ 0,60* S + 0,60* ΔT+ +0,60 * I x 1,00*G + 1,00* Wx+ 0,60* S + 0,60* ΔT- +0,60 * I x 66

67 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 L7 L8 L9 L10 L11 L12 L13 L14 L15 L16 L17 L18 L19 L20 L21 L22 L23 L24 L25 L26 L27 L28 L29 1,00*G + 1,00* Wy 1,00*G + 1,00* Wy + 0,60* S 1,00*G + 1,00* Wy + 0,60* ΔT+ 1,00*G + 1,00* Wy + 0,60* ΔT- 1,00*G + 1,00* Wy + 0,60* S + 0,60* ΔT+ +0,60 * I y 1,00*G + 1,00* Wy + 0,60* S + 0,60* ΔT- +0,60 * I y 1,00*G + 1,00* Wy- 1,00*G + 1,00* Wy- + 0,60* S 1,00*G + 1,00* Wy- + 0,60* ΔT+ 1,00*G + 1,00* Wy- + 0,60* ΔT- 1,00*G + 1,00* Wy- + 0,60* S + 0,60* ΔT+ +0,60 * I y 1,00*G + 1,00* Wy- + 0,60* S + 0,60* ΔT- +0,60 * I y 1,00*G + 1,00* ΔT+ 1,00*G + 1,00* ΔT+ + 0,60* Wx 1,00*G + 1,00* ΔT+ + 0,60* Wy 1,00*G + 1,00* ΔT+ + 0,60* Wy- 1,00*G + 1,00* ΔT+ + 0,60* S 1,00*G + 1,00* ΔT+ + 0,60* S + 0,60* Wx 1,00*G + 1,00* ΔT+ + 0,60* S + 0,60* Wy 1,00*G + 1,00* ΔT+ + 0,60* S + 0,60* Wy- 1,00*G + 1,00* ΔT- 1,00*G + 1,00* ΔT-+ 0,60* S 1,00*G + 1,00* ΔT-+ 0,60* Wx 67

68 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 L30 L31 L32 L33 L34 1,00*G + 1,00* ΔT-+ 0,60* Wy 1,00*G + 1,00* ΔT-+ 0,60* Wy- 1,00*G + 1,00* ΔT-+ 0,60* S + 0,60* Wx 1,00*G + 1,00* ΔT-+ 0,60* S + 0,60* Wy 1,00*G + 1,00* ΔT-+ 0,60* S + 0,60* Wy- Σεισμικοί συνδυασμοί S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 1,00*G + 0,30 *S +1,00*Ε x + 0,30*E y +1,00*I x 1,00*G + 0,30 *S +1,00*Ε x - 0,30*E y +1,00*I x 1,00*G + 0,30 *S - 1,00*Ε x + 0,30*E y - 1,00*I x 1,00*G + 0,30 *S - 1,00*Ε x - 0,30*E y - 1,00*I x 1,00*G + 0,30 *S +0,30*Ε x + 1,00*E y +1,00*I y 1,00*G + 0,30 *S +0,30*Ε x - 1,00*E y - 1,00*I y 1,00*G + 0,30 *S - 0,30*Ε x + 1,00*E y +1,00*I y 1,00*G + 0,30 *S - 0,30*Ε x - 1,00*E y - 1,00*I y 68

69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Διαγράμματα φορτίσεων, εντατικών μεγεθών, ιδιομορφών Κατά την ανάλυση του φορέα με το πρόγραμμα SAP2000 προέκυψε για κάθε ένα από τα μέλη του, ο δυσμενέστερος συνδυασμός φόρτισης καθώς και τα αντίστοιχα εντατικά μεγέθη. Παρακάτω παρατίθενται ενδεικτικά, συνδυασμοί φορτίσεως του φορέα, διαγράμματα εντατικών μεγεθών, και ιδιομορφές. Σχήμα 4.1 Φορτία ατελειών κατά χ. Σχήμα 4.2 Φορτία ατελειών κατά y. 69

70 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Σχήμα 4.3 Φορτία ανέμου κατά y(θ=0). 70

71 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Σχήμα 4.4 Διάγραμμα ροπών του φορέα για το συνδυασμό COMB7. 71

72 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Σχήμα 4.5 Διάγραμμα τεμνουσών του φορέα για το συνδυασμό COMB7. 72

73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Σχήμα η ιδιομορφή T=0,289 sec. 73

74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Σχήμα η ιδιομορφή T=0,192 sec. 74

75 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Σχήμα η ιδιομορφή T=0,138 sec. 75

76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Έλεγχοι στοιχείων φορέα Στο τμήμα αυτό παρουσιάζονται ενδεικτικά για κάθε διατομή, οι έλεγχοι που πραγματοποιήθηκαν σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 3, σε όλα τα στοιχεία του φορέα με βάση τα δυσμενέστερα εντατικά μεγέθη που προέκυψαν για κάθε ένα από αυτά. Σε κανένα στοιχείο του φορέα ο συντελεστής εκμετάλλευσης δεν υπερβαίνει τη μονάδα. Σχήμα 4.9 Συντελεστής εκμετάλλευσης σε ακραίο πλαίσιο. Σχήμα 4.10 Συντελεστής εκμετάλλευσης στην πλάγια όψη. 76

77 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Υποστύλωμα Πίνακας

78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Δοκός ζυγώματος Πίνακας

79 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Οριζόντιος σύνδεσμος δυσκαμψίας Πίνακας

80 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Κατακόρυφος σύνδεσμος δυσκαμψίας Πίνακας

81 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Συνδέσεις Μια μεταλλική κατασκευή αποτελείται από επιμέρους προκατασκευασμένα τμήματα, τα οποία μεταφέρονται στο έργο και συνδέονται κατάλληλα μεταξύ τους, ώστε να συνθέσουν το συνολικό φορέα. Αλλά και κάθε προκατασκευασμένο τμήμα αποτελείται από επιμέρους στοιχεία (μέλη), τα οποία συνδέονται μεταξύ τους. Σκοπός λοιπόν των συνδέσεων είναι αφενός η διαμόρφωση των μελών και των προκατασκευασμένων τμημάτων, αφετέρου η αποκατάσταση της συνέχειας των μελών και των επιμέρους τμημάτων. Ακολουθώντας την τεχνολογική ανάπτυξη των μεταλλικών κατασκευών, με την πάροδο του χρόνου οι συνδέσεις εξελίχθηκαν από αρχικά ηλωτές, αργότερα σε συγκολλητές και σε επί τόπου κοχλιωτές συνδέσεις. Όσον αφορά στους παραδοσιακούς κοχλίες, η διαφοροποίησή τους ήταν εξίσου σημαντική: από υλικό κοχλιών συνήθους ποιότητας σε υλικό υψηλής αντοχής και από σχεδίαση και σημείωση των οπών με το χέρι πριν από το κόψιμο και τη διάτρηση, σε παραγωγή με τη βοήθεια τεχνολογικά προηγμένων μηχανών απ ευθείας συνδεδεμένων με το λογισμικό σχεδιασμού, κοπή με τεχνολογία λέιζερ και τεχνολογία συνδέσεων με πριτσίνια ή κοχλίες μερικής διάτρησης για τυφλές κοχλιώσεις. Επιπρόσθετα, η ποιότητα των συγκολλήσεων διασφαλίζεται σήμερα λόγω της υψηλής ποιότητας των υλικών που επιτυγχάνεται με τη συνεχή χύτευση και τη χρήση αυτόματων μηχανών συγκόλλησης.. Οι σωστές συνδέσεις στις μεταλλικές κατασκευές, οδηγούν σε υψηλό αισθητικό αποτέλεσμα και επάρκεια ασφάλειας σ αυτές. Οι συνδέσεις διακρίνονται σε δύο κατηγορίες : Συνδέσεις με μηχανικά μέσα (κοχλίες, ήλοι, πείροι, κλέμες κτλ.) Συγκολλητές συνδέσεις (εσωραφές, εξωραφές κτλ.) Τα διάφορα μέσα συνδέσεων μπορούν να χρησιμοποιούνται στις συνδέσεις, είτε ανεξάρτητα είτε σε συνδυασμό. Οι συνδέσεις αποκλειστικά με κοχλίες ή ήλους είναι συνήθως πολύ μεγάλες και δαπανηρές και για αυτό το λόγο οι συνδέσεις με πλήρη ή μερική συγκόλληση και κοχλίωση είναι πιο διαδεδομένες. 81

82 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Σχήμα 5.1 Βασικές μορφές συγκολλήσεων. Σχήμα 5.2 Γεωμετρία κοχλία. 82

83 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Εικόνα 5.3 Σύνδεση με κοχλίες. Εικόνα 5.4 Συγκόλληση. 83

84 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Εάν θεωρήσουμε τη σύνδεση μαζί με την αντίστοιχη ζώνη αλληλεπίδρασης των συνδεόμενων μελών όπως φαίνεται στο σχήμα τότε έχουμε τον κόμβο. Εικόνα 5.5 Οι κόμβοι αποτελούν αναπόσπαστο τμήμα μιας πλαισιακής κατασκευής και επηρεάζουν καθοριστικά την κατανομή των εντατικών μεγεθών στα μέλη καθώς και το μέγεθος των μετακινήσεων. Με κριτήριο την αντοχή τους οι κόμβοι χαρακτηρίζονται ως πλήρους ή μερικής αντοχής, ενώ με κριτήριο τη δυσκαμψία τους οι κόμβοι χαρακτηρίζονται ως αρθρωτοί, ημιάκαμπτοι ή άκαμπτοι. Τέλος ανάλογα με τον τύπο τους διακρίνονται σε κόμβους: Αποκατάστασης συνέχειας μελών Δικτυωμάτων Δοκών υποστυλωμάτων Δοκών δοκών Βάσης υποστυλωμάτων Στη συνέχεια παρατίθενται λεπτομέρειες διαμόρφωσης των κόμβων για το υπό μελέτη υπόστεγο. Οι συνδέσεις των κόμβων πραγματοποιούνται με χρήση μετωπικής πλάκας και αποτελούνται τόσο από κοχλιώσεις όσο και από συγκολλήσεις. 84