Βασικές Αρχές Σχεδιασμού Υλικά

Transcript

1 Βασικές Αρχές Σχεδιασμού Υλικά Δομική Μηχανική ΙΙΙ Χρ. Ζέρης Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, ΕΜΠ

2 Το Ευρωπαϊκό πλαίσιο Μελετών και Εκτέλεσης έργων ΕΝ Χάλυβας οπλισμού Νοέμ Χ. Ζέρης 2

3 ΕΚΩΣ, ΕΝ1992: Μονάδες Σύστημα SI : Θεμελιώδη μεγέθη 1) Μήκος 1 m 2) Μάζα 1 Kg 3) Χρόνος 1 s Άλλα σχετικά μεγέθη κατά το σχεδιασμό: Δύναμη (Βάρος, Φορτίο, Τέμνουσα) 1 N = 1 Kg m/s 2 1 Kgf (Kp) ~ 10 N 1 ton ~ 10 kn 1 kn = 1000 N ~ 0,1 ton Τάση (πίεση), Αντοχή σ= P/A Pa = N/m 2 1 MPa = 1000 kn/m 2 = 1 N/mm 2 Μέτρο ελαστικότητας E = σ/ε MPa 1 GPa = 1000 MPa Δυσκαμψία Κ = F/ δ kn/m Θερμοκρασία o K, o C Κ = C + 273,15 ο Νοέμ Χ. Ζέρης 3

4 ΕΚΩΣ, ΕΝ1992: Μονάδες Κατανεμημένο φορτίο = F/A 1 kn/m 2 Γραμμικά κατανεμημένο φορτίο = F/L 1 kn/m Ροπή 1 knm ql 2 /8 Ίδια βάρη (πυκνότητα g) W/V kn/m 3 Οπλισμένο σκυρόδεμα : g c = 25 kn/m 3 Νοέμ Χ. Ζέρης 4

5 Υλικά στο οπλισμένο σκυρόδεμα Σκυρόδεμα Χάλυβας Συνάφεια Ιδιότητες Τυποποίηση Προσομοίωση Έλεγχος ποιότητας Νοέμ Χ. Ζέρης 5

6 Δεδομένα για το σκυρόδεμα Ιδιότητες σκληρυμένου σκυροδέματος Αντοχή Μηχανικά χαρακτηριστικά σχεδιασμού Αντοχή σε θλίψη f c Αντοχή σε εφελκυσμό f ct Αντοχή σε κάμψη f ct,fl Άμεσες και χρόνιες παραμορφώσεις Μέτρο ελαστικότητας E c Συντελεστής ερπυσμού φ Πρότυποι έλεγχοι (ΚΤΣ 97 και ΕΝ 206-1) Νοέμ Χ. Ζέρης 6

7 1.1) Δοκιμές σε θλίψη Ελέγχονται δοκίμια κύβου 15/15 (10/10) και κυλίνδρου Φ15/30 με πρότυπη παρασκευή και συντήρηση. Δοκιμή σε θλίψη στις 28 (αλλά και σε 7) ημέρες. Παραλαβή συντήρηση και έλεγχος δοκιμίων στο έργο. Σκυρόδεμα με Πιστοποίηση Ελέγχου Παραγωγής (ΕΝ 206-1). Νοέμ Χ. Ζέρης 7

8 1.2) Χαρακτηριστικά συμπεριφοράς στη θλίψη Θλιπτική αντοχή f c Παραμόρφωση ε ο, ε cu Τέμνον μέτρο ελαστικότητας E c Μπλοκ τάσεων Νοέμ Χ. Ζέρης 8

9 1.3) Τριαξονικότητα - Περίσφιγξη Περίσφιγξη: Η ουσιαστική αύξηση της αντοχής σε θλίψη όταν παρεμποδίζεται η εγκάρσια παραμόρφωσή του σκυροδέματος. Στην πράξη υλοποιείται με διατάξεις εγκάρσιων συνδετήρων, σε περιπτώσεις όπου θέλουμε να αυξήσουμε την φέρουσα ικανότητα σε θλίψη: Υποστυλώματα, δοκοί και βάση τοιχωμάτων, κόμβοι ΟΣ Κρίσιμες ζώνες Περίσφιγξη με ΙΟΠ Περίσφιγξη Συνδετήρες Απερίσφιγκτο Με διαμήκη οπλισμό Χωρίς διαμήκη οπλισμό Περισφιγμένη περιοχή από εγκάρσιους συνδετήρες Επικάλυψη Διαμήκης οπλισμός Νοέμ Χ. Ζέρης 9

10 1.4) Προσομοίωμα σχεδιασμού για το σκυρόδεμα Μηχανικά χαρακτηριστικά συμπεριφοράς στη θλίψη Αντοχή f c Χαρακτηριστική αντοχή Παραμόρφωση ε ο, ε cu Τέμνον μέτρο ελαστικότητας E c Απλοποιημένο διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων Ο εφελκυσμός αγνοείται EC2 (EN ) ΕΚΟΣ Νοέμ Χ. Ζέρης 10

11 1.5) Κατηγορίες θλιπτικής αντοχής Επιρροή του δοκιμίου: Η αστοχία και η αντοχή του δοκιμίου επηρεάζεται από τη μορφή του. Ως εκ τούτου, στο σχεδιασμό θεωρούμε την αντοχή σε θλίψη του κυλίνδρου. Ταυτοποιούμε όμως είτε κύβο είτε κύλινδρο, ενώ ελέγχουμε τη χαρακτηριστική τιμή: Παράδειγμα: C20/25 = Χαρακτηριστική αντοχή κυλίνδρου 20 MPa/ κύβου 25 MPa σε 28 ημέρες Άλλες πρότυπες Κατηγορίες Αντοχής (ΕΝ 206-1): C12/16 (Β120), C16/20 (Β160), C20/25 (Β225), C25/30, C26/32, C28/35, C30/37 κλπ. Νοέμ Χ. Ζέρης 11

12 1.6) Συσχέτιση των μηχανικών χαρακτηριστικών ως προς την f c Ο Ευρωκώδικας 2 δίνει σε Πίνακα τα μηχανικά χαρακτηριστικά του σκυροδέματος ανά Κατηγορία αντοχής. Νοέμ Χ. Ζέρης 12

13 1.7) Συμπεριφορά σε εφελκυσμό Η αντοχή σε καθαρό εφελκυσμό εμφανίζει έντονες διασπορές για αυτό χρησιμοποιούνται έμμεσες μέθοδοι: κάμψη και διάρρηξη. Εφελκυστική αντοχή και αντίστοιχη δοκιμή σε άμεσο εφελκυσμό f ctm = 0,3 f ck 2/3 Εφελκυστική αντοχή και αντίστοιχη δοκιμή σε κάμψη πρίσματος 10/10/50 εκ. f ct,fl = 2 f ctm Νοέμ Χ. Ζέρης 13

14 1.8) Συμπεριφορά σε κάμψη: Σκυρόδεμα οπλισμένο με ίνες χάλυβα 85 Kg/m Kg/m 3 Νοέμ Χ. Ζέρης 14

15 1.9) Παραμορφώσεις στο σκυρόδεμα Το υλικό χαρακτηρίζεται από άμεσες και χρόνιες παραμορφώσεις. Οι άμεσες παραμορφώσεις είναι συνάρτηση του μέτρου ελαστικότητας του σκυροδέματος (τέμνον μέτρο E c ) : E c = 9,5 (f ck + 8) 1/3 (f ck εκφράζεται σε MPa) Ο ερπυσμός αφορά μακροχρόνιες παραμορφώσεις του σκυροδέματος λόγω της σταδιακής εκτόνωσης της περιεχόμενης υγρασίας από το υλικό σε βάθος χρόνου. Νοέμ Χ. Ζέρης 15

16 1.10) Παραμορφώσεις στο σκυρόδεμα Ο ερπυσμός είναι ιδιότητα του σκληρυμένου σκυροδέματος και είναι ανάλογος προς την διεύθυνση της φόρτισης. Πρακτικά: δ(t,t 0 ) = δ(1+φ(t,t 0 )) Ο ερπυσμός εξαρτάται από: Το χρόνο εφαρμογής της φόρτισης t 0 (ο ερπυσμός μεγαλώνει όσο νωρίτερα φορτίζεται το στοιχείο) βαθμός ενυδάτωσης Τη σχετική υγρασία του περιβάλλοντος (μειώνεται σε κορεσμένο περιβάλλον) Το λεπτότοιχο της διατομής (διάσταση του στοιχείου 2Α c /u) Τη σύνθεση (μικρός Ν/Τ και μεγάλος Α/Τ) Νοέμ Χ. Ζέρης 16

17 2.1) Χάλυβας οπλισμού: Δεδομένα ΚΤΧ 2000 και ΕΝ & ΕΛΟΤ 959 και 971 Κατηγορίες αντοχής S220, S400, S500 (σε MPa) Παραμόρφωση ή συμβατικό όριο διαρροής (ε παρ = 0,2%) Ελαστική περιοχή Μέτρο ελαστικότητας - Κράτυνση Αντοχή και παραμόρφωση διάρρηξης Ολκιμότητα ε u, Υπεραντοχή f u /f y Θερμοκρασία μετάπτωσης (αφορά την πυρκαγιά) Νοέμ Χ. Ζέρης 17

18 2.2) Ταξινόμηση του χάλυβα οπλισμού Μέθοδος παραγωγής Θερμής έλασης χωρίς άλλη κατεργασία Θερμής έλασης με περαιτέρω θερμική κατεργασία Ψυχρής κατεργασίας (χάλυβα προερχόμενου από θερμή έλαση Ονομαστικές διάμετροι 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 32 Επιφάνεια Λείος Με νευρώσεις Με αυλακώσεις Ολκιμότητα Κανονική (Ν) πλάκες Αυξημένη (Η) σεισμικά Συγκολησιμότητα Συγκολήσιμοι (S400s, S500s, Β500s) Υπό προϋποθέσεις (S220, S400, S500) Νοέμ Χ. Ζέρης 18

19 2.2) Ανακυκλιζόμενη συμπεριφορά Φαινόμενο Bauschinger Ανακυκλιζόμενο μέτρο δυσκαμψίας Κράτυνση Λυγισμός στη θλίψη Επιρροές στον Α/Σ σχεδιασμό Εγκάρσια στήριξη (συνδετήρες) Αγκύρωση για ανάπτυξη τάσης διαρροής Bauschinger Νοέμ Χ. Ζέρης 19

20 2.4) Αναγνώριση του χάλυβα οπλισμού S400s: Δύο σειρές παράλληλων νευρώσεων αντίθετης φοράς διαφορετικών αποστάσεων S500s: Δύο σειρές παράλληλων νευρώσεων αντίθετης φοράς με τη μία σειρά με εναλλασσόμενη γωνία S400 S500 : Δύο σειρές παράλληλων νευρώσεων αντίθετης φοράς ίσων αποστάσεων Αναγνώριση χώρας προέλευσης Νοέμ Χ. Ζέρης 20

21 3) Προσομοίωμα υπολογισμού σκυροδέματος και χάλυβα Νοέμ Χ. Ζέρης 21