2 Περιοχές εφαρµογής συµµίκτων κατασκευών

Transcript

1 Εισαγωγή στο Σύµµικτο σχεδιασµό κτιρίων. 1 Γενικά Ο πλέον συµαντικός και συχνά απαντώµενος συνδυασµός δοµικών υλικών που εφαρµόζεται σε κτίρια και γέφυρες είναι χάλυβας µε σκυρόδεµα [1]. Παρόλο που τα υλικά αυτά διαφέρουν ως προς την φύση τους, συνεργάζονται και αλληλοσυµπληρώνουν το ένα το άλλο: Το σκυρόδεµα είναι αποτελεσµατικό σε θλίψη και ο χάλυβας σε εφελκυσµό. Τα χαλύβδινα µέλη είναι σχετικά λεπτά και ευπαθή σε λυγισµό, ενώ το σκυρόδεµα µπορεί να περιορίσει το λυγισµό. Το σκυρόδεµα εξασφαλίζει προστασία έναντι διάβρωσης και παρέχει µόνωση σε υψηλές θερµοκρασίες. Ο χάλυβας αυξάνει την πλαστικότητα της κατασκευής. Ο σχεδιασµός κτιρίων και γεφυρών επικεντρώνεται κυρίως στον υπολογισµό και τη στήριξη οριζοντίων επιφανειών. Στα κτίρια, οι όροφοι γίνονται συνήθως από σκυρόδεµα που οπλίζεται µε χάλυβα για την παραλαβή εφελκυσµού. Καθώς όµως µεγαλώνει το άνοιγµα, είναι οικονοµικότερο να υποστηριχθεί η πλάκα παρά να αυξηθεί το πάχος της. Στις κτιριακές κατασκευές, η εσχάρα δοκών στηρίζεται µε τη σειρά της στους στύλους. Οι στύλοι και οι δοκοί µπορούν εύκολα να κατασκευασθούν από πρότυπες χαλύβδινες διατοµές, όπως διατοµές Ι και διπλού ταύ. Μέχρι το 1950 ο σχεδιασµός προέβλεπε ότι όλα τα φορτία παραλαµβάνονται από τα χαλύβδινα µέλη, αλλά κατόπιν έγινε συνήθης πρακτική η σύνδεση των στοιχείων σκυροδέµατος επί των δοκών µε µηχανικά µέσα. Αυτά εξουδετερώνουν ή τουλάχιστον µειώνουν την ολίσθηση στη διεπιφάνεια χάλυβα σκυροδέµατος ούτως ώστε η πλάκα και χαλύβδινη δοκός να δρούν συνεργαζόµενες ως ενιαία δοκός που συνήθως καλείται «σύµµικτη δοκός». (Σχήµα 1) [7]. Σχήµα 1 Μη σύµµικτη και σύµµικτη δοκός Στην πράξη, η συνεργασία αυτή επιτυγχάνεται µέσω διατµητικών ήλων ή άλλων συνδέσµων που συγγολλούνται επί του χάλυβος και καλύπτονται από το σκυρόδεµα [8]. Σύνθετα µέλη όπως σύµµικτες δοκοί, στύλοι και πλάκες καταστρώµατα κατασκευάζονται ήδη εδώ και αρκετά χρόνια. ιάφορες απλοποιητικές παραδοχές για την αλληλεπίδραση µεταξύ στοιχείων σκυροδέµατος και χαλύβδινων δοκών βοηθούν στην καθιέρωση των σύµµικτων κατασκευών σαν µια απλή επέκταση των µεταλλικών κατασκευών. Καθώς η τεχνολογία αυτή αποδείχτηκε πολύ αποτελεσµατική, ξεκίνησε πολλά ερευνητικά προγράµµατα παγκοσµίως µε σκοπό την περεταίρω βελτίωσή της. Μια ερευνητική περιοχή αποτέλεσε η αλληλεπίδραση µεταξύ χαλύβδινων δοκών και σκυροδέµατος. Προφανώς τα πλεονεκτήµατα µιάς σύµµικτης δοκού σε σχέση µε µια ίδια χωρίς σύµµικτη δράση είναι η µεγαλύτερη ακαµψία και η υψηλότερη αντοχή. Σαν πρώτο βήµα, θεωρήθηκε τέλεια συνεργασία των δύο στοιχείων που δεν επιτρέπει οποιαδήποτε ολίσθηση στη διεπιφάνεια. Ως συνήθως, ο οικονοµικότερος τρόπος είναι όχι η ακραία αυτή θεώρηση αλλά µια µέση οδός (πρακτικά είναι αδύνατον να υλοποιηθεί µια πλήρης συνεργασία καθ όσον θα απαιτούσε αρκετά µεγάλο αριθµό διατµητικών συνδέσµων και συνεπώς θα ήταν αντιοικονοµική). Αντίθετα, αν αγνοηθεί εντελώς η συνεργασία χάλυβα σκυροδέµατος θεωρώντας χωριστά τα δύο στοιχεία, τούτο θα οδηγούσε σε υψηλό κόστος υλικών που πάλι σηµαίνει αντιοικονοµική κατασκευή. Σήµερα, πληθώρα ερευνών που βασίζονται σε πειραµατικά αλλά και αριθµητικά αποτελέσµατα παρέχουν ένα σαφές υπόβαθρο για την κατανόηση της λεγόµενης «µερικής συνεργασίας» µεταξύ χάλυβα σκυροδέµατοςσε µια σύµµικτη δοκό. 2 Περιοχές εφαρµογής συµµίκτων κατασκευών

2 Μια γενική µεθοδολογία σχεδιασµού περιλαµβάνει όχι µόνο την βελτιστοποίηση της φέρουσας ικανότητας (αντοχής), ακαµψίας και πλαστιµότητας, αλλά επίσης λαµβάνει υπόψιν αρχιτεκτονικές, οικονοµικές κατασκευαστικές κλπ. απαιτήσεις για δοκούς, πλάκες και στύλους. 2.1 Αρχιτεκτονικά Ο σχεδιασµός συµµίκτων κατασκευών προσφέρει πολλές αρχιτεκτονικές δυνατότητες για το συνδυαµό διαφορετικών τύπων σύµµικτων στοιχείων. Εκτός από την µείωση των διαστάσεων των δοκών µεγαλύτερα ανοίγµατα λεπτότερες πλάκες πιό λεπτοί στύλοι παρέχουν ευελιξία και πιο πολλές δυνατότητες στο σχεδιασµό. 2.2 Οικονοµικά Λόγω των µικρότερων διαστάσεων (υψηλότερη ακαµψία σηµαίνει µικρότερες µετατοπίσεις, µεγαλύτερα ανοίγµατα και µικρότερο ύψος δοκού) και της σύντοµης ανέγερσης προκύπτουν σηµαντικά οικονοµικά οφέλη. Ο πλεονεκτικός λόγος ανοίγµατος προς ύψος (l/h=35) είναι σηµαντικός: Μείωση του ύψους µειώνει το συνολικό ύψος του κτιρίου Μειώνεται ο χώρος οροφής Μεγαλύτερα ανοίγµατα µε το ίδιο ύψος (συγκριτικά µε άλλες µεθόδους) -->Περισσότεροι χώροι άνευ υποστηλωµάτων ενδιάµεσα Πρισσότεροι όροφοι µε το ίδιο συνολικά ύψος κτιρίου. Οι σύµµικτες κατασκευές είναι εύκολες στην ανέγερσή τους και έχουν µικρότερους χρόνους ανέγερσης. -->Μείωση κόστους, ενωρίτερη αποπεράτωση του κτιρίου --> Χαµηλότερο κόστος χρηµατοδότησης -->Ενωρίτερη έναρξη χρήσης και συνεπώς αύξηση εισοδήµατος από ενοίκια. 2.3 Λειτουργικά Στις συµβατικές µεταλλικές κατασκευές χρησιµοποιούνται συστήµατα πυροπροστασίας που βασίζονται στην µόνωση του χάλυβα έναντι της θερµότητας της φωτιάς. Στις σύγχρονες µεταλλικές και σύµµικτες κατασκευές εφαρµόζονται συστήµατα πυροπροστασίας όπου το σκυρόδεµα αποτελεί το µονωτικό υλικό λόγω της µεγάλης µάζας του και της χαµηλής θερµοπερατότητας. Οπως οι σύµµικτες πλάκες έχουν πυραντίσταση, έτσι και οι σύµµικτες δοκοί µπορούν να χρησιµοποιηθούν µε απροστάτευτα πέλµατα, αλλά το διάστηµα µεταξύ των πελµάτων πληρώνεται µε σκυρόδεµα και πρόσθετο οπλισµό. Αυτό εξασφαλίζει χαµηλότερες θερµοκρασίες στον κορµό και το άνω πέλµα, αλλά επίσης και καµπτική αντοχή που αντισταθµίζει την µείωση λόγω αύξησης της θερµοκρασίας του κάτω πέλµατος. 2.4 Λειτουργικότητα και ευκαµψία κτιρίων Οι σύµµικτες κατασκευές είναι ευέλικτες. Μπορούν εύκολα να υποστούν τροποποιήσεις κατά τη διάρκεια ζωής τους. Αυτό είναι εύκολο όταν υπάρχουν σύµµικτες πλάκες µε µεταλλικό σκελετό στο κτίριο. Έτσι, µπορεί να τοποθετηθεί π.χ. µια σκάλα µεταξύ ορόφων µε την απλή προσθήκη των απαραίτητων δοκών. Οι πρόσφατες εξελίξεις και αλλαγές στις επικοινωνίες, πληροφορική και υπολογιστική τεχνολογία καταδεικνύουν τη σηµασία του να µπορούν να γίνουν εύκολα τροποποιήσεις στην λειτουργική δοµή ενός κτιρίου. Επιπλέον, σε κτίρια εµπορικής χρήσης ή µε πολλές ιδιοκτησίες πρέπει να είναι εφικτή η τροποποίηση της λειτουργικότητας χωρίς να προσβάλλεται η γειτονική ιδιοκτησία. Για την αντιµετώπιση των προβληµάτων αυτών, οι µηχανικοί έχουν να επιλέξουν µεταξύ διαφόρων δυνατοτήτων. Γενικά υπάρχουν τρείς εναλλακτικές λύσεις για την διευθέτηση λειτουργικών αναγκών: εντός της οροφής εντός του δαπέδου εντός κιβωτίου που διανύει κατά µήκος των τοίχων Το διάκενο µεταξύ της κάτω παρειάς του σκυροδέµατος και του κάτω πέλµατος µιάς σύµµικτης δοκού αποτελεί ιδεατό µέρος για την τοποθέτηση των λειτουργικών αναγκών.

3 2.5 Συναρµολόγηση Τα σύµµικτα δάπεδα αποτελούν πλέον την προτιµώµενη επιλογή για πληθώρα κατασκευών, προσφέροντας στο µηχανικό και τους πελάτες τα ακόλουθα πλεονεκτήµατα: Πλατφόρµα εργασίας: Πρίν τη σκυροδέτηση, το κατάστρωµα παρέχει εξαιρετικά ασφαλή πλατφόρµα εργασίας που επιταχύνει τις δοµικές εργασίες στην κατασκευή. Μόνιµο καλούπι: Το σιδηρό κατάστρωµα τρέχει από δοκό σε δοκό αποτελώντας µόνιµο καλούπι για το σκυρόδεµα χωρίς να χρειάζεται η αφαίρεσή του.το κατάστρωµα επίσης αποτελεί ένα καλό φράγµα. Το κάτω µέρος του δαπέδου µετά την σκυροδέτηση παραµένει καθαρό και ο χρωµατισµός των επιφανειών των χαλυβδοφύλλων δίνει αισθητική χροιά στην οροφή παρόλο ότι µπορεί να προκαλέσει προβλήµατα στη συγκόλληση των διατµητικών συνδέσµων. Σιδηρός οπλισµός: Η διατοµή του χαλυβδόφυλλου εξασφαλίζει επαρκή οπλισµό στη σύµµικτη διατοµή για την ανάληψη των ροπών κάµψης. Πρόσθετος οπλισµός όπως πλέγµα µπορεί να τοποθετηθεί για την αποφυγή συρρίκνωσης ή θερµοκρασιακής συστολοδιαστολής ή ακόµα για να εξασφαλίσει συνέχεια, πάνω σε ενδιάµεσες στηρίξεις (ροπές συστροφής). Η σύµµικτη δράση εξασφαλίζεται µέσω του σχήµατος της πρότυπης διατοµής ή µε µηχανικά µέσα που τοποθετούνται εντός του σκυροδέµατος. Ταχύτητα και απλούστευση στην κατασκευή: Οι µοναδικές ιδιότητες των χαλυβδοφύλλων καταστρώµατος πού συνδυάζουν υψηλή ακαµψία µε µικρό βάρος διευκολύνουν σηµαντικά την µεταφορά και προσωρινή φύλαξη των υλικών. Συχνά ένα φορτηγό µπορεί να µεταφέρει έως 1500 µ 2 δαπέδου. Ένα συνεργείο τεσσάρων ατόµων µπορεί να διαστρώσει 400 µ 2 καταστρώµατος την ηµέρα. Τα πανέλα είναι ελαφρά, προκατασκευασµένα στοιχεία που µπορούν εύκολα να µεταφερθούν και να τοποθετηθούν από δύο ως τρία άτοµα. Ποιοτικός έλεγχος προϊόντων: Τα µεταλλικά µέρη των συµµίκτων κατασκευών υφίστανται επεξεργασία υπό συνθήκες ποιοτικού ελέγχου εργοταξίου. Τούτο επιτρέπει την καθιέρωση πρακτικών µε αυστηρές προδιαγραφές και µειώνει τις εργασίες επί τόπου του έργου. Έτσι επιτυγχάνεται υψηλότερη πιστότητα στην κατασκευή. 2.6 Σύγκριση µε λοιπές µεθόδους Είναι απαραίτητο να χρησιµοποιούνται σύµµικτα στοιχεία κατά τον σχεδιασµό ώστε να γίνεται εκµετάλλευση όλων των δυνατοτήτων και πλεονεκτηµάτων καθώς και του αποτελέσµατος συνεργασίας των υλικών. Έτσι, τα σύµµικτα στοιχεία έχουν υψηλότερη ακαµψία και φέρουσα ικανότητα µε τις ίδιες διαστάσεις συγκρινόµενα µε τα απλά στοιχεία από χάλυβα.

4 h h h Σύµµικτη δοκός Σιδηρά δοκός χωρίς διατ. Συνδέσµους ιατοµή από χάλυβα IPE 400 IPE 550 HE 360 B Ύψος δοκού [mm] Φέρουσα ικανότητα 100% 100% 100% Βάρος διατοµής 100% 159% 214% Ύψος δοκού 100% 127% 93% Ακαµψία 100% 72% 46% Πίνακας 1 Σύµµικτη δοκός χαλύβδινη δοκός [8] Στον πίνακα 1 µια σύµµικτη δοκός συγκρίνεται µε δύο τύπους χαλύβδινων δοκών χωρίς διατµητικούς συνδέσµους χάλυβα σκυροδέµατος. Η φέρουσα ικανότητα είναι περίπου η ίδια, αλλά παρουσιάζονται οι διαφορές στην ακαµψία και το ύψος της δοκού. Γενικά οι διαστάσεις των συµµίκτων διατοµών είναι πολύ µικρότερες από αυτές των διατοµών από σκυρόδεµα ή από χάλυβα. Στον πίνακα 2 γίνεται σύγκριση των διαστάσεων στυλών και δοκών µε σύµµικτη διατοµή µε τα αντίστοιχα στοιχεία τους από σκυρόδεµα. Σύµµικτη Οπλ. Σκυρόδεµα Στύλος ιαστάσεις [cm] 70 / / 120 οκός ιαστάσεις [cm] 160 / / 120 Πίνακας 2 Σύγκριση συµµίκτων διατοµών διατοµών από σκυρόδεµα [8] 3 Μέθοδοι κατασκευής Παραδοσιακά, δύο αλληλοανταγωνιζόµενες µέθοδοι κατασκευής απαντώνται στην πράξη, κάθε µία απ τις οποίες έχει τα πλεονεκτήµατα και τα µειονεκτήµατά της. Η µέθοδος κατασκευής µε συµβατικό οπλισµένο σκυρόδεµα είναι εξαιρετικά τυποποιηµένη, παρέχει διατοµές οιουδήποτε σχήµατος, είναι εύκολη στην επιτόπου εφαρµογή και παρέχει θερµική, ηχητική και περιβαλλοντική µόνωση. Αντίθετα, παρουσιάζει πτωχή συµπεριφορά εξ αιτίας του λόγου µεταξύ φέρουσας

5 ικανότητας νεκρών φορτίων, χρονοβόρας διαδικασίας καλουπώµατος και χρονικής παράτασης της κατασκευής λόγω αναµονής σκλήρυνσης του σκυροδέµατος. Επιπλέον, επειδή το σκυρόδεµα δεν µπορεί να παραλάβει εφελκυστικές δράσεις απαιτείται οπλισµός ή τοποθέτηση του οποίου είναι επίσης χρονοβόρα. Το κύριο πλεονέκτηµα της Μεθόδου κατασκευής µε δοµικό χάλυβα είναι ο µεγάλος λόγος µεταξύ φέρουσας ικανότητας και βάρους. Καθώς η κατασκευή των µελών µπορεί να γίνει από πρίν ανεξάρτητα, από καιρικές συνθήκες, η ανέγερση είναι πολύ εύκολη και µικρές ανοχές. Η πυραντίσταση των χαλύβδινων µελών µπορεί να είναι προβληµατική. Το πρόβληµα αυτό µπορεί να λυθεί µε χρήση περισσότερου υλικού ή µε ακριβά µέτρα πυροπροστασίας. Επιπλέον πρέπει να σηµειωθεί η ανάγκη χρησιµοποίησης εξειδικευµένου προσωπικού σαν ένα από τα µειονεκτήµατα της µεθόδου αυτής. Με τη σύγκριση των δύο αυτών µεθόδων κατασκευής ανακύπτει ότι ο συνδυασµός τους θα είναι ο πλέον οικονοµικός τρόπος. Εκτός από την εκµετάλλευση µόνο των πλεονεκτηµάτων κάθε µεθόδου προκύπτουν επίσης πρόσθετα οφέλη από τον συνδυασµό των µεθόδων. Για παράδειγµα, στην σύµµικτη κατασκευή επιτυγχάνεται φέρουσα ικανότητα υψηλότερη απότι στο χάλυβα ή στο σκυρόδεµα. Επίσης η ακαµψία και η αναδιανοµή πλαστικών αρθρώσεων, µπορεί να βελτιωθεί µε το συνδυασµό χάλυβα σκυροδέµατος. Αυτό καθιστά πλεονεκτική την χρησιµοποίηση των πλαστικών ενεργειακών αποθεµάτων του συστήµατος και επίσης βοηθά στη µείωση των συντελεστών ασφαλείας λόγω της φύσης των µορφών αστοχίας από πλαστιµότητα. Μιλώντας για σύµµικτες κατασκευές, στη συνέχεια πρέπει να σηµειωθεί ότι η πλέον αποτελεσµατική λύση είναι η µικτή κτιριακή τεχνολογία. Ο όρος σύµµικτο αφορά µε την αυστηρή του έννοια την συνεργασία δύο υλικών στο αυτό δοµικό στοιχείο (π.χ. χαλύβδινος σωλήνας γεµάτος µε σκυρόδεµα), ενώ ο όρος µικτή κτιριακή τεχνολογία περιλαµβάνει τον συνδυασµό δοµικών στοιχείων και µελών που έχουν κατασκευασθεί µε διαφορετική µέθοδο το καθένα (π.χ. στύλοι από οπλισµένο σκυρόδεµα σε συνδυασµό µε σύµµικτες δοκούς και προκατασκευασµένες πλάκες). Η κατασκευή ενός σύµµικτου φορέα µε τον οικονοµικότερο τρόπο µπορεί να διαχωριστεί στα ακόλουθα στάδια: Πρώτα απ όλα αναγείρεται ο κλασσικός σκελετός της κατασκευής από δοµικό χάλυβα µε ή χωρίς συνδέσµους ακαµψίας. Αν οι στύλοι είναι από κοίλες διατοµές, µπορούν να τοποθετηθούν από πρίν αναµονές οπλισµού για τη σύνδεση µε τις πλάκες. Επίσης, όλα τα απαραίτητα µέλη όπως πλάκες έδρασης, σύνδεσµοι ακαµψίας (ήλοι που συγκολλούνται) που εξασφαλίζουν την µεταφορά φορτίου από το χάλυβα στο σκυρόδεµα καθώς και τα καλούπια σκυροδέµατος πρέπει να προετοιµαστούν στο εργοτάξιο ώστε να επιταχυνθεί η ανέγερση απαιτώντας έτσι λεπτοµερή σχεδιασµό. Αφού τοποθετηθούν οι στύλοι, οι δοκοί τοποθετούνται αµφιαρθρωτά στα ενδιάµεσα ανοίγµατα. Προκατασκευασµένα στοιχεία σκυροδέµατος ή τυποποιηµένα χαλυβδόφυλλα τοποθετούνται στα ανοίγµατα µεταξύ δοκών αποτελώντας ταυτόχρονα προστατευτικά καλύµατα και πλατφόρµες εργασίας. Τέλος, σκυροδετώντας ταυτόχρονα τις πλάκες και τους στύλους αυξάνεται η ακαµψία και η φέρουσα ικανότητα των µελών και οι κόµβοι από αρθρώσεις γίνονται ελαστικές πακτώσεις.

6 Σύµµικτες πλάκες µε πρότυπα χαλυβδόφυλλα 1. Εισαγωγή Η ευρύτατη χρήση του χάλυβα στην κατασκευή πολυορόφων κτιρίων οφείλεται µερικώς στα σύµµικτα δάπεδα. Μια σύµµικτη πλάκα αποτελείται από χαλύβδινο κατάστρωµα, οπλισµό και επί τόπου σκυροδέτηση (Σχήµα 1). Μετά τη σκλήρυνση του σκυροδέµατος, το σύστηµα συµπεριφέρεται ενιαία σαν σύµµικτο στοιχείο χάλυβασκυροδέµατος. Σύγχρονα πρότυπα χαλυβδόφυλλα µπορούν να χρησιµοποιηθούν και σαν µόνιµο καλούπι σκυροδέτησης και σαν οπλισµός σε εφελκυσµό αφού σκληρυνθεί το σκυρόδεµα. Μετά την αποπεράτωση, η σύµµικτη πλάκα αποτελείται από χαλυβδόφυλλα κάτω και σκυρόδεµα άνω, τα οποία διασυνδέονται κατά τρόπον ώστε οι οριζόντιες διατµητικές δράσεις να µεταφέρονται στη διεπειφάνεια χάλυβα σκυροδέµατος. in-situ Επι-τόπου concrete σκυροδετούµενη slab πλάκα reinforcement Οπλισµός Support οκός στήριξης beam Support οκός beam στήριξης Σχήµα 1 Σύµµικτη πλάκα µε πρότυπα χαλυβδόφυλλα Η κατασκευή σύµµικτων δαπέδων σηµαίνει την γεφύρωση ανοιγµάτων κατά µία κατεύθυνση. Οι πλάκες πατούν επί των δοκών στήριξης, που µε τη σειρά τους πατούν επί των κυρίων δοκών. Οι κύριες δοκοί στηρίζονται τελικά στους στύλους. Η διαδροµή αυτή των φορτίων οδηγεί σε ορθογωνικές εσχάρες µε µεγάλα ανοίγµατα τουλάχιστον κατά τη µία διεύθυνση (12, 15 έως και 20 m). Οι σύµµικτες πλάκες στηρίζονται επί σιδηρών δοκών, οι οποίες επίσης δρουν σύµµικτα µε τις πλάκες. Η απόσταση µεταξύ των δοκών, δηλαδή το άνοιγµα της πλάκας, εξαρτάται από την µέθοδο κατασκευής. Εάν η απόσταση µεταξύ δοκών είναι έως περίπου 3,5 m, δεν απαιτείται προσωρινή στήριξη κατά τη σκυροδέτηση. Στην περίπτωση αυτή, ο σχεδιασµός του µεταλλικού καταστρώµατος γίνεται µε κρίσιµη φόρτιση την φάση σκυροδέτησης. Λόγω του βραχέως µήκους ανοίγµατος, οι τάσεις στο σκυρόδεµα κατά το τελικό στάδιο µετά την σκλήρυνση είναι πολύ χαµηλές. Σε αυτά τα δάπεδα χρησιµοποιούνται κυρίως χαλυβδόφυλλα τραπεζοειδούς διατοµής µε περιορισµένη οριζόντια διατµητική αντοχή και πλαστιµότητα. Έχουν το ελάχιστο δυνατό βάρος χάλυβα ανά τετραγωνικό µέτρο επιφάνειας της πλάκας. Σε άλλες, διατάξεις δαπέδων όπου το διάστηµα µεταξύ δοκών στήριξης είναι αρκετά µεγαλύτερο, απαιτούνται ενδιάµεσα στηρίγµατα στο µεταλλικό κατάστρωµα στη φάση σκυροδέτησης. Λόγω του µεγαλύτερου ανοίγµατος πλάκας, η τελική σύµµικτη πλάκα αναπτύσσει υψηλές τάσεις. Σαν αποτέλεσµα, η τελική φάση µπορεί να είναι η κρίσιµη φάση για τον σχεδιασµό. Στην περίπτωση αυτή, το µεταλλικό κατάστρωµα θα πρέπει να εξασφαλίζει καλή οριζόντια διατµητική συνεργασία µε το σκυρόδεµα. ιατοµές ανάποδου τραπεζοειδούς χρησιµοποιούνται συχνά στην περίπτωση αυτή αλλά οδηγούν σε αυξηµένο βάρος χάλυβα ανά τετραγωνικό µέτρο επιφάνειας της πλάκας. Η κατασκευή συµµίκτων πλακών σε εµπορικά και άλλα πολυόροφα κτίρια προσφέρει σηµαντικά πλεονεκτήµατα στον σχεδιαστή και τον πελάτη: ταχύτητα και απλούστευση της κατασκευής ασφαλή πλατφόρµα εργασίας που προστατεύει το προσωπικό που εργάζεται από κάτω ελαφρότερη κατασκευή σε σύγκριση µε ένα συµβατικό κτίριο από Ω.Σ. λιγότερες εργασίες επί-τόπου του έργου

7 αυστηρές ανοχές που επιτυγχάνονται µε την χρήση χαλύβδινων µελών που κατασκευάζονται σε οργανωµένα εργοτάξια µε υψηλές προδιαγραφές. Η χρήση πρότυπων χαλυβδοφύλλων αναµφίβολα επιταχύνει την κατασκευή. Επίσης χρησιµοποιούνται συχνά µε ελαφροσκυρόδεµα ώστε να µειωθούν τα νεκρά φορτία στον όροφο. Στην Αγγλία και τις ΗΠΑ, η χρήση ελαφροσκυροδέµατος αποτελεί συνήθη πρακτική στα εµπορικά κτίρια. 1.1 Τύποι µεταλλικών καταστρωµάτων Ευάριθµοι τύποι µεταλλικών καταστρωµάτων χρησιµοποιούνται στις σύµµικτες πλάκες (Σχήµα 1). Οι διαφορετικοί τύποι χαλυβδοφύλλων έχουν διάφορα σχήµατα διατοµής, ύψους και απόσταση µεταξύ των νευρώσεων, πλάτος, πλευρική προστασία, επίπεδους συνδέσµους ακαµψίας και µηχανικές συνδέσεις µεταξύ χαλυβδοφύλλων και σκυροδέµατος. Τα κύρια χαρακτηριστικά των πρότυπων χαλυβδοφύλλων είναι γενικά τα ακόλουθα: Πάχος µεταξύ 0,75mm και 1,5mm, και στις περισσότερες περιπτώσεις µεταξύ 0,75mm και 1mm. Ύψος µεταξύ 40mm και 80mm (µεγαλύτερα ύψη απαντώνται σε συστήµατα λεπτού ορόφου ιάλεξη 10). Τυποποιηµένη προστασία έναντι διάβρωσης µε λεπτή στρώση γαλβανισµού και στις δύο όψεις. Σχήµα 2 Τύποι µεταλλικών καταστρωµάτων Τα µεταλλικά καταστρώµατα είναι από διατοµές ψυχρής έλασης: ένα γαλβανισµένο χαλυβδόφυλλο περνά από διάφορα έλαστρα όπου γίνονται διαδοχική και προοδευτική διαµόρφωση. Η ψυχρή έλαση προκαλεί παραµένουσες παραµορφώσεις που συνεπάγονται αύξηση των µέσων χαρακτηριστικών αντοχής της διατοµής. Γενικώς, ένα χαλυβδόφυλλο ποιότητας S235 παρουσιάζει όριο διαρροής περίπου 300 N/mm 2 µετά την ψυχρή έλαση. 1.2 Σύνδεση χάλυβα - σκυροδέµατος Το πρότυπο χαλυβδόφυλλο πρέπει να µπορεί να µεταφέρει διαµήκη διάτµηση στο σκυρόδεµα µέσω της διεπιφάνειας ώστε να εξασφαλίζεται η σύµµικτη δράση στην πλάκα. Η συνάφεια µεταξύ χαλυβδοφύλλων και σκυροδέµατος γενικά δεν επαρκεί ώστε να εξασφαλίσει σύµµικτη δράση στην πλάκα και συνεπώς µια αποτελεσµατική σύνδεση επιτυγχάνεται µέσω ενός εκ των ακόλουθων τρόπων (Σχήµα 1): Κατάλληλο σχήµα διατοµής (τραχεία διατοµή ανάποδου τραπεζοειδούς), που εξασφαλίζει διατµητική συνεργασία λόγω παρεµπόδισης της παραµόρφωσης. Μηχανική αγκύρωση που επιτυγχάνεται µε τοπικές παραµορφώσεις (κοιλώµατα ή εξογκώµατα) της διατοµής. Οπές ή ατελή διάτρηση της διατοµής. Στοιχεία αγκύρωσης που συγγολλάται και διατρέχει την διατοµή. Αγκύρωση άκρων που εξασφαλίζεται µε συγγολούµενους ήλους ή άλλα στοιχεία συνδέσµων µεταξύ χάλυβα και σκυροδέµατος. Αγκύρωση άκρων µε τοπική παραµόρφωση των νευρώσεων της διατοµής στα άκρα.

8 b o b o h c h p h h c h p h b b ιατοµή re-entrant ανάποδου trough profile τραπεζοειδούς b b Open Ανοιχτή trough profile τραπεζοειδής διατοµή (a) ( Μηχανική a ) mechanical αγκύρωση anchorage (c) ( Αγκύρωση c ) end anchorage άκρων (b) Αγκύρωση λόγω παρεµπόδισης (d) Αγκύρωση άκρων λόγω ( b ) frictional interlock ( d ) end anchorage by deformation της παραµόρφωσης παραµόρφωσης Σχήµα 3 Τυπικές µορφές αγκύρωσης σε σύµµικτες πλάκες 1.3 Οπλισµός εντός των πλακών Γενικά είναι απαραίτητη η τοποθέτηση οπλισµού εντός των συµµίκτων πλακών για τους ακόλουθους λόγους: Καλύτερη διανοµή γραµµικών ή σηµειακών φορτίων. Τοπικές απαιτήσεις οπλισµού σε ανοίγµατα πλακών. Αντοχή σε φωτιά. Απαίτηση άνω οπλισµού σε περιοχές αρνητικών ροπών. Αποφυγή ρηγµάτωσης του σκυροδέµατος λόγω συρρίκνωσης. Πλέγµα οπλισµού µπορεί να τοποθετηθεί πάνω στις νευρώσεις των χαλυβδοφύλλων. Τα µήκη των ράβδων οπλισµού και η υπερκάλυψή τους πρέπει να πληρούν τις συνήθεις προδιαγραφές για το οπλισµένο σκυρόδεµα. 1.4 Απαιτήσεις σχεδιασµού Ο σχεδιασµός των συµµίκτων πλακών παρουσιάζεται στο κεφ. 9 του Ευρωκώδικα 4. Ο κώδικας επικεντρώνεται στο σχεδιασµό συµµίκτων πλακών σε πολυόροφα κτίρια, όπου γενικά εφαρµόζονται κυρίως στατικά φορτία, ή πλακών σε βιοµηχανικά κτίρια όπου δρουν κινητά φορτία. Σύµµικτες πλάκες µπορούν επίσης να χρησιµοποιηθούν σε κατασκευές που υποβάλλονται σε επαναλαµβανόµενη φόρτιση ή αιφνιδίως επιβαλλόµενα φορτία τα οποία προκαλούν δυναµικές επιδράσεις. Όµως, πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στις κατασκευαστικές λεπτοµέρειες ώστε να αποφευχθεί διατάραξη της σύµµικτης δράσης. Αναφορικά µε το σχήµα 3, το συνολικό ύψος h της σύµµικτης πλάκας δεν πρέπει να είναι µικρότερο από 80 mm.

9 Το πάχος h c του σκυροδέµατος πάνω από τις νευρώσεις του καταστρώµατος πρέπει να είναι µεγαλύτερο από 40 mm ώστε να διασφαλίζεται η πλάστιµη συµπεριφορά της πλάκας και επαρκής επικάλυψη των ράβδων οπλισµού. Εάν η πλάκα δρά σύµµικτα µε µία δοκό ή εάν χρησιµοποιείται ως διάφραγµα, το ελάχιστο συνολικό πάχος h είναι 90 mm και το ελάχιστο πάχος σκυροδέµατος h c αυξάνεται σε 50 mm. Το ονοµαστικό µέγεθος των σκύρων εξαρτάται από την ελάχιστη διάσταση του στοιχείου επί του οποίου γίνεται η σκυροδέτηση, και δεν πρέπει να υπερβαίνει το ελάχιστο από: 0,40 h c, όπου h c είναι το πάχος σκυροδέµατος πάνω από την νεύρωση b o /3, όπου b o είναι το µέσο πλάτος των νεύρων (ή το ελάχιστο πλάτος στα ανάποδα τραπεζοειδή) 31,5 mm (κόσκινο C 31,5). Τα κριτήρια αυτά διασφαλίζουν ότι τα σκύρα θα διέλθουν εύκολα εντός των νευρώσεων. Οι σύµµικτες πλάκες απαιτούν ελάχιστο πλάτος στήριξης 75mm προκειµένου για χάλυβα-σκυρόδεµα και 100mm για άλλα υλικά. 2. Συµπεριφορά συµµίκτων πλακών Σύµµικτη συµπεριφορά είναι αυτή που προκύπτει όταν σε µιά σύµµικτη πλάκα η διατοµή των χαλυβδοφύλλων, ο πρόσθετος οπλισµός και το σκληρυµένο σκυρόδεµα σχηµατίζουν ένα ενιαίο δοµικό στοιχείο. Τα χαλυβδόφυλλα πρέπει να µπορούν να µεταφέρουν οριζόντια διάτµηση στην διεπιφάνεια χάλυβα-σκυροδέµατος. Λόγω επιβαλλόµενων φορτίων, η σύµµικτη πλάκα αποκτά βέλος κάµψεως και στη διεπιφάνεια χάλυβασκυροδέµατος εµφανίζονται διατµητικές τάσεις. Εάν η σύνδεση χάλυβα-σκυροδέµατος είναι τέλεια, δηλαδή αν οι διαµήκεις παραµορφώσεις είναι οι ίδιες και στο χαλυβδόφυλλο και στο σκυρόδεµα, η σύνδεση παρέχει πλήρη συνεργασία. Εάν υπάρχει σχετική διαµήκης µετατόπιση µεταξύ χαλυβδόφυλλου και σκυροδέµατος, η πλάκα έχει µερική συνεργασία. Η διαφορική αυτή µετατόπιση µεταξύ χάλυβα-σκυροδέµατος κατά την διαµήκη έννοια χαρακτηρίζεται ως ολίσθηση. Η συµπεριφορά συµµίκτων πλακών προσδιορίζεται µέσω πρότυπου πειράµατος όπως φαίνεται στο Σχήµα 4: µια σύµµικτη πλάκα εδράζεται στις δύο απέναντι πλευρές της και φορτίζεται συµµετρικά µε δύο φορτία P που δρουν στο ¼ και τα ¾ του µήκους του ανοίγµατος. Αν το βέλος κάµψεως στο µέσον είναι δ, η καµπύλη φορτίου-µετατόπισης P-δ είναι αντιπροσωπευτική της συµπεριφοράς της σύµµικτης πλάκας υπό φορτίο P. Η συµπεριφορά αυτή εξαρτάται κυρίως από το είδος σύνδεσης χαλυβδόφυλλου-σκυροδέµατος (σχήµα διατοµής, µηχανική αγκύρωση, σύνδεσµοι κ.λ.π.). P P h c h p b h t L s = L 4 L s= L 4 L Σχήµα 4 Προτυποποιηµένο πείραµα Στη διεπιφάνεια χάλυβα-σκυροδέµατος παρατηρούνται δύο είδη σχετικής µετατόπισης: τοπική µικροολίσθηση που δεν είναι ορατή δια γυµνού οφθαλµού. Είναι πολύ µικρή και επιτρέπει την ανάπτυξη δυνάµεων τριβής στη διεπιφάνεια,

10 γενική ολίσθηση µεγάλης κλίµακας που είναι ορατή και προσδιοριστέα µέσω οργάνων και εξαρτάται από τον τύπο σύνδεσης µεταξύ χάλυβα-σκυροδέµατος. ιακρίνονται τρείς τύποι συµπεριφοράς συµµίκτων πλακών (Σχήµα 5): Πλήρης συνεργασία µεταξύ χάλυβα και σκυροδέµατος: δεν παρατηρείται γενική ολίσθηση στην διεπειφάνεια χάλυβα-σκυροδέµατος. Η οριζόντια µεταφορά της διατµητικής δράσης είναι πλήρης, το οριακό φορτίο P u είναι µέγιστο και η σύµµικτη δράση είναι πλήρης. Η αστοχία µπορεί να είναι ψαθυρή, αν συµβεί αιφνίδια, ή πλάστιµη αν συµβαίνει προοδευτικά. Μηδενική συνεργασία µεταξύ χάλυβα-σκυροδέµατος: παρατηρείται απεριόριστη γενική ολίσθηση στη διεπιφάνεια και δεν υπάρχει σχεδόν καθόλου µεταφορά διατµητικής δράσης. Το οριακό φορτίο είναι ελάχιστο και δεν υπάρχει σχεδόν καθόλου σύµµικτη δράση. Η αστοχία συµβαίνει προοδευτικά. Μερική συνεργασία µεταξύ χάλυβα και σκυροδέµατος: παρατηρείται περιορισµένη γενική ολίσθηση στη διεπιφάνεια χάλυβα-σκυροδέµατος. Η µεταφορά της διατµητικής δράσης γίνεται µερικώς και το οριακό φορτίο λαµβάνει ενδιάµεσες τιµές σε σχέση µε τις δύο προηγούµενες περιπτώσεις. Η αστοχία µπορεί να είναι ψαθυρή ή πλάστιµη. Φορτίο P load P P P P u δ Πλήρης P u: συνεργασία complete interaction Μερική P u : partial συνεργασία interaction P f 0 Φορτίο πρώτης First crack αστοχίας load Μηδενική P u: no συνεργασία interaction Μετατόπιση deflection δ δ Σχήµα 5: Συµπεριφορά σύµµικτης πλάκας Η ακαµψία της σύµµικτης πλάκας, όπως φαίνεται από το πρώτο τµήµα της καµπύλης P-δ, είναι διαφορετική για κάθε τύπο συµπεριφοράς. Η ακαµψία είναι µέγιστη για την πλήρη συνεργασία και ελάχιστη όταν δεν υπάρχει συνεργασία. Υπάρχουν τρία είδη σύνδεσης µεταξύ χάλυβα-σκυροδέµατος: Φυσικο-χηµική σύνδεση που είναι πολύ µικρή αλλά υπάρχει σε όλες τις διατοµές Σύνδεση λόγω τριβής που αναπτύσσεται µε την εµφάνιση µικροολίσθησης Μηχανική σύνδεση αγκύρωσης που δρα µετά την πρώτη ολίσθηση και εξαρτάται από την µορφή της διεπιφάνειας χάλυβα-σκυροδέµατος (κοιλώµατα, εξογκώµατα). Για τιµές του φορτίου µεταξύ 0 to P f, τα φυσικο-χηµικά φαινόµενα προκαλούν το µεγαλύτερο µέρος της αρχικής σύνδεσης µεταξύ χάλυβα και σκυροδέµατος. Μετά την πρώτη ρηγµάτωση, η τριβή και µηχανική αγκύρωση αρχίζουν να αναπτύσσονται καθώς εµφανίζονται µικρο-ολισθήσεις. Η ακαµψία µεταβάλλεται αρκετά ανάλογα µε την αποτελεσµατικότητα του τύπου σύνδεσης. Η αστοχία σύµµικτης πλάκας µπορεί να συµβεί µε µια από τις ακόλουθες µορφές αστοχίας (Σχήµα 6). III I II Shear sp an L s

11 Σχήµα 6 Μορφές αστοχίας συµµίκτων πλακών Αστοχία µορφής Ι: Η αστοχία λαµβάνει χώρα λόγω υπερβολικής ροπής κάµψεως (διατοµή Ι) που υπερβαίνει την αντοχή σε κάµψη της πλάκας M pl.rd. Αυτή η µορφή αστοχίας συµβαίνει σε πλάκες µε µεσαία ή µεγάλα ανοίγµατα µε µεγάλο βαθµό συνεργασίας χάλυβα-σκυροδέµατος. Αστοχία µορφής II: Η αστοχία αυτή οφείλεται σε υπερβολική διαµήκη διάτµηση. Το φορτίο οριακής αντοχής απαντάται στη διεπιφάνεια χάλυβα-σκυροδέµατος. Η αστοχία συµβαίνει στη διατοµή ΙΙ κατά µήκος του διατµητικού ανοίγµατος L s. Αστοχία µορφής III: Η αστοχία οφείλεται σε υπερβολική τέµνουσα κοντά στη στήριξη (διατοµή ΙΙΙ) όπου και λαµβάνει µεγάλες τιµές. Η µορφή αυτή αστοχίας µπορεί να είναι κρίσιµη σε παχιές πλάκες µε µικρά ανοίγµατα υπό µεγάλα κατακόρυφα φορτία. Η αστοχία µιάς σύµµικτης πλάκας µπορεί να είναι είτε ψαθυρή (βλ. Σχήµα 7) και συµβαίνει αιφνίδια χωρίς προηγουµένως να παρατηρηθούν σηµαντικές παραµορφώσεις, είτε πλάστιµη οπότε συµβαίνει προοδευτικά µε σηµαντικές παραµορφώσεις πριν την κατάρρευση χαρακτηριζόµενη από σηµάδια αποφόρτισης. Φορτίο Load Ρ P Πλαστιµή συµπεριφορά Ductile behaviour Ψαθυρή Brittle συµπεριφορά behaviour Μετατόπιση δ deflection δ Σχήµα 7 Καµπύλες φορτίου µετατόπισης για ψαθυρές και πλάστιµες πλάκες Η ψαθυρή ή πλάστιµη µορφή αστοχίας εξαρτάται από τά χαρακτηριστικά της διεπιφάνειας χάλυβασκυροδέµατος. Πλάκες µε χαλυβδόφυλλα ανοικτού τραπεζοειδούς διατοµής χαρακτηρίζονται από ψαθυρές µορφές αστοχίας, ενώ πλάκες µε χαλυβδόφυλλα διατοµής ανάποδου τραπεζοειδούς τείνουν να παρουσιάζουν πιο πλάστιµη συµπεριφορά. Όµως οι κατασκευαστές χαλυβδοφύλλων αντιµετωπίζουν την ψαθυρή συµπεριφορά µε µηχανικά µέσα, όπως κοιλώµατα ή εξογκώµατα και ειδικά σχήµατα στη διατοµή. Η ύπαρξη διατµητικών συνδέσµων µεταξύ δοκού και πλάκας επηρρεάζει επίσης την µορφή αστοχίας.