Εφέδρανα - Αποσβεστήρες

Transcript

1 Εφέδρανα - Αποσβεστήρες Εφέδρανα Τα εφέδρανα μεταβιβάζουν δυνάμεις από το φορέα στην θεμελίωση και παρέχουν τη δυνατότητα οριζοντίων μετατοπίσεων εφόσον αυτές δεν παρεμποδίζονται με κατασκευαστικά μέτρα καθώς και στροφών περί τους τρεις άξονες. Οι κατακόρυφες δυνάμεις προέρχονται κυρίως από τα ίδια βάρη και τα φορτία κυκλοφορίας οι οριζόντιες από τη θερμοκρασία την πέδηση επιτάχυνση τον άνεμο και το σεισμό. Τύποι εφεδράνων Ελαστομεταλλικά εφέδρανα Σφαιρικά εφέδρανα Εφέδρανα εγκιβωτισμένου ελαστομερούς (pot bearings) Κυλινδρικά εφέδρανα Εφέδρανα σταθερά κινητά σε μία διεύθυνση ή κινητά σε δύο διευθύνσεις. Παραλαβή θλιπτικών δυνάμεων Θλιπτικών και εφελκυστικών δυνάμεων Προδιαγραφή προϊόντων ΕΝ 1337

2 Ελαστομεταλλικά εφέδρανα Πρότυπο ΕΝ 1337 Μέρος 3 Σχήμα : Τύποι ελαστομεταλλικών εφεδράνων

3 Σχήμα 3 Σύνδεση εφεδράνου με σκυρόδεμα έδρασης και χαλύβδινο πέλμα δοκού Η φέρουσα ικανότητα ως προς το κατακόρυφο φορτίο συναρτάται με τις διαστάσεις κάτοψης του εφεδράνου. Η παραμορφωσιμότητα αυξάνει με το συνολικό ύψος των στρώσεων καουτσούκ. Πίνακας 1 Παράδειγμα περιγραφής εφεδράνων από Πίνακες κατασκευαστή Το ΕΝ 1337 Μέρος 3 περιγράφει τους απαραίτητους ελέγχους με ισχύ για εφέδρανα διαστάσεων κάτοψης μέχρι 100x100 mm και περιοχές θερμοκρασίας 5 0 C έως C. Στον Πίνακα δίνονται τα δεδομένα που απαιτούνται για τον έλεγχο.

4 Πίνακας Στοιχεία μελέτης για έλεγχο ελαστομεταλλικών εφεδράνων Υλικό Άνω επιφάνεια επιφανειών επαφής (σκυρόδεμα ή Κάτω επιφάνεια χάλυβας) Επιτρεπόμενη Άνω επιφάνεια OKA σm = μέση πίεση OKΛ σm = [ΜPa] Κάτω OKA σm = επιφάνεια OKΛ σm = Κατακόρυφα max Fz = μόνιμα Fz = min Fz = αντίστ. v y / vx = Φορτία OKA σχεδιασμού max v y / vx = [kn] αντίστ. Fzmin = Εγκάρσια Fy = Διαμήκη Fx = Κατακόρυφα max Fzk = OKΛ min Fzk = Εγκάρσια Fyk = Διαμήκη Fxk = Εγκάρσια v y = Μετατόπιση ΟΚΑ Διαμήκης v x [mm] = Εγκάρσια v y = ΟΚΛ Διαμήκης v x = Στροφή [mra] OKA Εγκάρσια y = Διαμήκης a = x

5 Έλεγχοι Α) Έλεγχος ανηγμένης παραμόρφωσης 7 t K L c q όπου = παραμόρφωση λόγω θλιπτικών κατακόρυφων φορτίων c q = διατμητική παραμόρφωση λόγω οριζόντιας μετατόπισης = παραμόρφωση λόγω στροφής KL = Συντελεστής εξαρτώμενος από το είδος φόρτισης Παραμόρφωση c 15 Fz c G Ar S όπου G = μέτρο διάτμησης ( = 09 MPa) Ar = μειωμένο εμβαδόν εφεδράνου S = συντελεστής μορφής vx v y A A r f 1 a b a b = μήκη χαλύβδινων πλακών Af = εμβαδόν χαλύβδινων πλακών πιθανώς απομειωμένο λόγω π.χ. οπών a b για εφέδρανα χωρίς οπές A f v x ( v y a b S t a b i ) = μέγιστες μετατοπίσεις εφεδράνου κατά τη διεύθυνση της πλευράς a (b) Παραμόρφωση q v xy q Tq T = συνολικό πάχος ελαστομερών στρώσεων συν της άνω και κάτω πλάκας q Παραμόρφωση a a b b t 3 n t i i a ( b ) = γωνία στροφής ως προς το πλάτος a (πλάτος b) του εφεδράνου ti = πάχος χαλύβδινων ελασμάτων

6 Β) Έλεγχος πάχους των χαλύβδινων ελασμάτων 1 y r m h z p s f A K t t F K t mm t1 t = πάχος ελαστομερούς εκατέρωθεν των ελασμάτων [mm] fy = όριο διαρροής χάλυβα [MPa] Ar [mm ] Fz [kn] Kp = 13 διορθωτικός συντελεστής Kh = 1 () χωρίς (με) οπές γm = 10 επιμέρους συντελεστής ασφαλείας Γ) Περιορισμός της στροφής r b a b i z K b a E S G A t n F Kr = 3 Eb = 000 MPa n = αριθμός ελαστομερών στρώσεων Δ) Ευστάθεια e r i z T S G a A t n F 3 Τe = συνολικό πάχος ελαστομερών στρώσεων n = αριθμός χαλύβδινων ελασμάτων Ε) Ασφάλεια μη αγκυρωμένων εφεδράνων σε ολίσθηση min x e xy F F και υπό μόνιμα φορτία r z c A F min min 3 ΜPa όπου Fxy = συνιστάμενη οριζόντια δύναμη Fzmin = ελάχιστη κατακόρυφη δύναμη σχεδιασμού που αντιστοιχεί στην Fxy m r e K = συντελεστής τριβής Κr = 06 για σκυρόδεμα 0 για όλα τα υπόλοιπα υλικά συμπεριλαμβανομένων των ρητινών σm = μέση θλιπτική τάση σε MPa που αντιστοιχεί στην Fzmin

7 Η προσομοίωση των εφεδράνων κατά την ανάλυση του φορέα γίνεται με τη βοήθεια γραμμικών αξονικών ελατηρίων που εκφράζουν την δυσκαμψία στις δύο κύριες διευθύνσεις. Η σταθερά ελατηρίου έχει τη τιμή: c AG T e όπου Α = συνολική επιφάνεια εφεδράνου G = μέτρο διάτμησης ( = 09 MPa) Τe = συνολικό πάχος ελαστομερών στρώσεων Σφαιρικά εφέδρανα Τα σφαιρικά εφέδρανα αποτελούνται από ένα χαλύβδινο σφαιρικό τμήμα μία βάση υποδοχής του σφαιρικού τμήματος ένα δίσκο τεφλόν στην επίπεδη επιφάνεια του σφαιρικού τμήματος και μία πλάκα από ευγενή χάλυβα πάνω από αυτήν (Σχ. 4). Τα εφέδρανα επιτρέπουν τόσο οριζόντιες μετακινήσεις μέσω ολίσθησης στο τεφλόν όσο και στροφές. Σχήμα 4 Σφαιρικό εφέδρανο Με κατάλληλες διατάξεις προκύπτουν εφέδρανα που εμποδίζουν τη μία ή και τις δύο οριζόντιες μετατοπίσεις (Σχ. 5). Γενικά δεν απαιτείται αγκύρωση στο φορέα ή τη βάση εκτός αν οι οριζόντιες δυνάμεις είναι μεγάλες και η πίεση μικρή. Σχήμα 5 Εφέδρανο ελεύθερο ελεύθερο στη μία διεύθυνση και σταθερό Στους Πίνακες των κατασκευαστών δίνονται τα γεωμετρικά στοιχεία των εφεδράνων καθώς και οι μέγιστες κατακόρυφες δυνάμεις μετακινήσεις και στροφές. Ένα παράδειγμα δίνεται στον Πίνακα 3. Πίνακας 3 Σφαιρικό εφέδρανο για μετακινήσεις σε δύο διευθύνσεις

8

9 Εφέδρανα εγκιβωτισμένου ελαστομερούς (pot bearings) Τα εφέδρανα εγκιβωτισμένου ελαστομερούς (pot bearings) επιτρέπουν την παραλαβή μεγάλων θλιπτικών δυνάμεων μέσω ενός άοπλου ελαστομερούς από φυσικό καουτσούκ το οποίο τοποθετείται σε ένα κλειστό δοχείο. Το μέγεθος του εφεδράνου εξαρτάται από την αντοχή του καουτσούκ και του σκυροδέματος κάτω από το εφέδρανο. Το ελαστομερές εντός του δοχείου είναι ασυμπίεστο και συμπεριφέρεται υπό υψηλές τάσεις ως υγρό επιτρέποντας στροφές περί όλους τους άξονες. Τα κύρια μέρη των εφεδράνων είναι: 1.1 Η βάση από ένα χαλύβδινο στρογγυλό δοχείο 1. Ένας ελαστομερής δίσκο τοποθετούμενος μέσα στη βάση 1.3 Το καπάκι στο άνω μέρος του οποίου εγκιβωτίζεται ένας δίσκος από τεφλόν που επιτρέπει την ολίσθηση 1.4 Η πλάκα ολίσθησης από ευγενή χάλυβα. 1.5 Μονωτικοί δακτύλιοι που σφραγίζουν το δοχείο εμποδίζοντας την εισδοχή σκόνης ή υγρασίας και την έξοδο του καουτσούκ υπό μεγάλες πιέσεις

10 Σχήμα 6 Εφέδρανο εγκιβωτισμένου ελαστομερούς (pot bearing) Από κατάλληλη διαμόρφωση του καπακιού προκύπτει το είδος του εφεδράνου ως κινητό κατά τις δύο ή μία διευθύνσεις ή ως σταθερό. Γενικά δεν απαιτείται αγκύρωση στο φορέα ή τη βάση εκτός αν οι οριζόντιες δυνάμεις είναι μεγάλες και η πίεση μικρή.

11 Πίνακας 4 Εφέδρανο εγκιβωτισμένου ελαστομερούς για μετακινήσεις σε δύο διευθύνσεις Μέγιστη εγκάρσια μετακίνηση ey = ± 0 mm

12 Μονωτήρες Αποσβεστήρες Η μείωση των σεισμικών δυνάμεων στην ανωδομή και τη θεμελίωση γίνεται ως γνωστόν μέσω σεισμικής μόνωσης και απόσβεσης. Η μείωση των σεισμικών δυνάμεων κατά την εφαρμογή σεισμικής μόνωσης εξασφαλίζεται μέσω αύξησης των ιδιοπεριόδων (Σχ. 7). Οι αποσβεστήρες προκαλούν μείωση των σεισμικών δυνάμεων μέσω πρόσθετης απορρόφησης ενέργειας λόγω απόσβεσης. Έτσι δεν χρειάζεται πρόσθετη απόσβεση λόγω ανελαστικών παραμορφώσεων οι οποίες μπορεί να προκαλέσουν βλάβες και μόνιμες οριζόντιες παραμορφώσεις στο φορέα. Σχήμα 7 Ιδιοπερίοδοι και φασματικές τιμές φορέα με σεισμική μόνωση Στην αγορά έχουν αναπτυχθεί διάφορα συστήματα μονωτήρων αποσβεστήρων τα οποία από μόνα τους ή συνδυαζόμενα φέρνουν το επιθυμητό αποτέλεσμα. Ελαστομεταλλικά εφέδρανα υψηλής απόσβεσης απόσβεση των κοινών εφεδράνων περί το 6% απόσβεση εφεδράνων από ελαστομερές υψηλής απόσβεσης περί το 10-0% εφέδρανα με πυρήνα μολύβδου απόσβεση μέχρι 40% Σχήμα 8 Ελαστομεταλλικά εφέδρανα με πυρήνα μολύβδου

13 Σχήμα 8 Βρόχος υστέρησης εφεδράνων με πυρήνα μολύβδου Η δύναμη διαρροής του εφεδράνου δίνεται από τη σχέση: CS A PB f PB όπου ΑPB = εμβαδόν διατομής πυρήνα μολύβδου fpb = όριο διαρροής πυρήνα μολύβδου ( 10 ΜPa) Η μετά τη διαρροή δυσκαμψία δίνεται από τη σχέση: K G A r T e όπου G = μέτρο διάτμησης ελαστομερούς Αr = εμβαδόν διατομής ελαστομερούς Τe = συνολικό πάχος ελαστομερούς Η συνολική δύναμη του εφεδράνου για αναπτυσσόμενη μετατόπιση είναι ίση με: F CS K από την οποία προκύπτει η ισοδύναμη ή ενεργός δυσκαμία K eff K CS

14 Αποσβεστήρες Οι αποσβεστήρες λειτουργούν όπως οι ζώνες ασφαλείας στα αυτοκίνητα αναπτύσσοντας μικρή αντίσταση σε αργές μετακινήσεις αλλά μεγάλη σε ταχείες μετακινήσεις (Σχ. 10). Έτσι δεν παρεμποδίζονται οι μετακινήσεις στη φάση λειτουργίας του έργου (π.χ. λόγω θερμοκρασιακών μεταβολών ερπυσμού συστολής ξήρανσης). Για ταχείες φορτίσεις (π.χ. σεισμός πέδηση) οι αποσβεστήρες «μπλοκάρουν» παρεμποδίζοντας τις μετακινήσεις. Σχήμα 10 Δυνάμεις αποσβεστήρων ως συνάρτηση της ταχύτητας φόρτισης Στην περίπτωση σεισμού όπου η φόρτιση είναι ταχεία και ανακυκλιζόμενη αναπτύσσεται αντίσταση και ταυτόχρονα απορρόφηση ενέργειας μέσω μετατροπής της σε θερμοκρασία. Οι βρόχοι υστέρησης δείχνουν ότι η μέγιστη δύναμη παραμένει σταθερή προστατεύοντας το έργο (Σχ. 11). Σχήμα 11 Βρόχοι υστέρησης αποσβεστήρων για σεισμική φόρτιση

15 Φορτίσεις για ελέγχους εφεδράνων σε παράδειγμα συνεχούς γέφυρας ανοιγμάτων

16 Συνδυασμοί για ελέγχους εφεδράνων Περιγραφή κατακόρυφα με άνεμο κατακόρυφα με θερμοκρασία οριζόντια με θερμοκρασία Αρ. συνδυ ασμού Συνδυασμός (με bol η κύρια φόρτιση) (G+C sec ) + S sec +135 gr1a W (G+C sec ) + S sec +135 gr1a Τ * (G+C sec ) + S sec +135 gr Τ * Θερμοκρασία (G+C sec ) + S sec +135 (075 TS+04 UDL+04 q fk ) + 15 Τ * με συχνά κατακόρυφα Άνεμος με (G+C sec ) + S sec +135 (075 TS+04 UDL+04 q fk ) ± 15W συχνά κατακόρυφα Άνεμος σε αφόρτιστη (G+C sec ) + S sec ± 15W (αφόρτιστη γέφυρα) *Τ είναι ΔΤ Ncon ή ΔΤ Nexp ή ΔΤ Mheat ή ΔΤ Mcool ή ΔΤ Mheat +035ΔΤ Nexp ή ΔΤ Mcool +035ΔΤ Ncon ή 075ΔΤ Mheat +ΔΤ Nexp ή 075ΔΤ Mcool +ΔΤ Ncon (συνολικά 8 συνσυασμοί) Υπενθυμίζεται ότι: το gr1a περιλαμβάνει τις χαρακτηριστικές τιμές των TS+UDL και τις τιμές συνδυασμού των κατακόρυφων δυνάμεων πεζοδρομίου και το gr περιλαμβάνει τις χαρακτηριστικές τιμές των δυνάμεων πέδησης/επιτάχυνσης και των φυγόκεντρων δυνάμεων και τις συχνές τιμές των TS+UDL (δεν περιλαμβάνει δυνάμεις πεζοδρομίων)