ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΤΡ. ΧΑΤΖΗΝΙΚΟΣ, ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΥΧΟΣ ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ.

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ (Α.Π.Θ.) ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΙΔΗΡΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΤΡ. ΧΑΤΖΗΝΙΚΟΣ, ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΥΧΟΣ ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑΣ ΑΠΟΤΙΜΗΣΗΣ ΤΗΣ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑΣ ΤΩΝ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΜΕ ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΤΗ ΣΤΑΤΙΚΗ ΤΟΥΣ ΕΠΑΡΚΕΙΑ ΚΑΙ ΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ ΤΟΥΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΠΟΥ ΥΠΟΒΛΗΘΗΚΕ ΣΤΟ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΥ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟΥ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2008

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης (Α.Π.Θ.) Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών Τομέας Επιστήμης και Τεχνολογίας Κατασκευών Εργαστήριο Σιδηρών Κατασκευών Κωνσταντίνος Τρ. Χατζηνίκος Διπλωματούχος Πολιτικός Μηχανικός Α.Π.Θ. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑΣ ΑΠΟΤΙΜΗΣΗΣ ΤΗΣ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑΣ ΤΩΝ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΜΕ ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΤΗ ΣΤΑΤΙΚΗ ΤΟΥΣ ΕΠΑΡΚΕΙΑ ΚΑΙ ΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ ΤΟΥΣ Διδακτορική διατριβή που υποβλήθηκε στο Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης Θεσσαλονίκη Σεπτέμβριος 2008

ii Είναι στο χέρι μας να δώσουμε στη ζωή μας νόημα, η αξία της ζωής είναι το νόημα που επιλέγουμε

iii

ΠΡΟΛΟΓΟΣ & ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε κατά το χρονικό διάστημα από το Σεπτέμβριο του 2002 ως τον Απρίλιο του 2008 στο Εργαστήριο Σιδηρών Κατασκευών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης (Α.Π.Θ.). Το έναυσμα για την εκπόνησή της αποτέλεσε η ολοκλήρωση της διπλωματικής εργασίας στο προαναφερόμενο εργαστήριο. Ως εκ τούτου οι προβληματισμοί και οι σκέψεις που ανέκυψαν στην πορεία ολοκλήρωσής της, αποτέλεσαν τον καταλύτη για την περαιτέρω πορεία στο μεταπτυχιακό πρόγραμμα του πανεπιστημίου. Η εκπόνηση της διατριβής αποτέλεσε μια μακροχρόνια και κοπιαστική προσπάθεια, κατά τη διάρκεια της οποίας η βοήθεια, η στήριξη και η συμβολή κάποιων ανθρώπων ήταν πολύ σημαντική και πρέπει να αναγνωριστεί. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον καθηγητή Χαράλαμπο Κ. Μπανιωτόπουλο, ο οποίος έλαβε την κύρια ευθύνη της επίβλεψης της συγκεκριμένης διατριβής, και να εκφράσω το σεβασμό και την ευγνωμοσύνη μου για την υπομονή και την εμπιστοσύνη που μου έδειξε καθ όλη την πορεία, πιστεύοντας και επενδύοντας στις δυνατότητές μου. Στο διάστημα της επίβλεψής του, η αμέριστη συμπαράστασή του, η ηθική και υλική υποστήριξή του και προπάντων η αδιάλειπτη και πολύτιμη καθοδήγησή του, στάθηκαν καθοριστικοί παράγοντες για τη διαμόρφωση της επιστημονικής μου σκέψης και την ολοκλήρωσή της. Η αρωγή του επέτρεψε μια πιο ρεαλιστική και ουσιαστική ματιά στον επιστημονικό χώρο της οικοδομικής και δομικής φυσικής των κτιριακών κατασκευών. Επιθυμώ ακόμα να ευχαριστήσω τα μέλη της τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής αξιολόγησης, καθηγητές Άρη Αβδελλά και Κίμωνα Θωμόπουλο, για τις εποικοδομητικές παρατηρήσεις και τα σχόλια τους, τις εύστοχες συμβουλές τους και την συνεργασία τους που συνετέλεσαν σε μία αρτιότερη διάρθρωση της δομής της εργασίας κατά την τελική φάση ολοκλήρωσής της. Θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες μου προς τη Γενική Γραμματεία Ερευνας και Τεχνολοιγίας για τη μεταπτυχιακή υποτροφία εκπόνησης διδακτορικού μέσω του ερευνητικού προγράμματος ΠΕΝΕΔ2003 με την οποία με τίμησε. Η υλική αρωγή ποου μου παρείχε ήταν ιδιαίτερα σημαντική και καθοριστική για την υλοποίηση της παρούσας ερευνητικής προσπάθειας. Στην προαναφερόμενη ερευνητική δράση συμμετέχει ως έμμεσος χρηματοδότης η DOMICAL Κοινωνία Κληρονόμων Μαστοροστέριου Πέτρου, η οποία διέθεσε τις εγκαταστάσεις της καθώς και iv

αναλώσιμα προκειμένου να διεξαχθούν με επιτυχία τα εργασηριακά πειράματα αντοχής σε πρότυπες διατομές αλουμινίου. Επιπλέον, ευχαριστώ τους συναδέλφους υποψηφίους διδάκτορες για το φιλικό κλίμα με το οποίο διαπνέονταν η συνερασία μας όλο το διάστημα της συνύπαρξής μας. Αισθάνομαι ευγνώμων, στο τέλος αυτού του σύντομου προλόγου, να εκφράσω τις ιδιαίτερες ευχαριστίες μου στους γονείς μου και στον αδελφό μου, που με συνέπεια και με περίσσευμα αγάπης μου έδωσαν τη δυνατότητα να φτάσω στο σημείο αυτό. Η εμπιστοσύνη, η ενθάρρυνση, η αρωγή και η πολύτιμη ηθική συμπαράστασή τους, αποτέλεσαν θεμέλιο λίθο για την ολοκλήρωσή της και την αντιμετώπιση των δυσκολιών που ανέκυπταν. Θέλω να τους ευχαριστήσω από τα βάθη της ψυχής μου όχι μόνο για τα ηθικά και υλικά αγαθά που μου παρείχαν, αλλά και για τα όσα μου έμαθαν, όχι μόνο με τα λόγια τους αλλά και με τις πράξεις τους. Θεσσαλονίκη, Σεπτέμβριος 2008 Κωνσταντίνος Τριαντάφυλλου Χατζηνίκος v

vi

Δ Η Μ Ο Σ Ι Ε Υ Σ Ε Ι Σ 1. Chatzinikos, K. T., Baniotopoulos C. C., On the performance of glass-aluminium curtain wall systems of mid-rise buildings during seismic events, Proceedings of the 10 th International Conference on Metal Structures, Timisoara, Romania, 16-17 October 2003, pp. 246-255, (2003). 2. Chatzinikos, K. T. & Baniotopoulos, C. C., Glass-Aluminium Façades in Steel Buildings: Analysis of their Performance under Dynamic Loading, Proceedings 4 th EUROSTEEL, Maastricht, 8-10.6.05, (2005). 3. Chatzinikos, K. T. & Baniotopoulos, C. C., Analysis of building glass-aluminium façades subjected to wind loadings, Proceedings of the 4 th European & African Conference on Wind Engineering, Prague, 11-15/7/2005, (2005). 4. Baniotopoulos, C. C. & Chatzinikos, K. T., Glass Façades of Mid-rise Buildings under Seismic Excitation, Research in Architectural Emgineering Series, Volume 1, EU COST C13 Final Report, Glass & Interactive Building Envelopes, pp. 239-246, (2005). 5. Chatzinikos K. T., Baniotopoulos C. C., Σχεδιασμός υαλοπετασμάτων αλουμινίου στα πλαίσια των ευρωκωδίκων, 2 nd International Congress Transparency and Architecture: Challenging the Limits, pp. 565-572, Thessaloniki, 1-3/6/2006, (2006). 6. Κ. Chatzinikos, C. C. Baniotopoulos, On the Analysis of Building Glass-Aluminium Facades, CISM Courses and lectures: Wind Effects on Buildings and Design of Wind- Sensitive Structures, SpringrerWienNewYork, pp. 218-227, (2006). 7. Χ. Κ. Μπανιωτόπουλος, Κ. Τ. Χατζηνίκος, Σχεδιασμός υαλοπετασμάτων αλουμινίου στα πλαίσια του Ευρωκώδικα 9, Aluminium magazine, σελ. 106-115, (2006). 8. Κ. Chatzinikos, C.C. Baniotopoulos, T. Stathopoulos, Wind Effects on Glass- Aluminium Facades, Proceedings 5 th EUROSTEEL, (2008), υπό έκδοση. vii

Π Ε Ρ Ι Ε Χ Ο Μ Ε Ν Α ΠΡΟΛΟΓΟΣ & ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ. v ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ.vii ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ....viii ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ... 1 1.1. Εισαγωγή 1 1.2. Στόχοι της διατριβής 3 1.3. Γενικά στοιχεία σχετικά με τα υαλοπετάσματα 4 1.4. Ιστορική επισκόπηση της εξέλιξης των υαλοπετασμάτων ως προς την αντοχή τους Κανονισμοί και πρότυπα 6 1.5. Σύγχρονες εφαρμογές υαλοπετασμάτων 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΔΟΜΙΚΟΥ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΚΑΙ ΣΥΓΧΡΟΝΟΙ ΔΟΜΙΚΟΙ ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΙ ΦΕΡΟΥΣΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ....9 2.1. Εισαγωγή 9 2.2. Γενικά για το δομικό αλουμίνιο 11 2.2.1. Δομικά κράματα αλουμινίου 11 2.2.2. Φυσικές και μηχανικές ιδιότητες αλουμινίου 14 2.2.3. Νόμος τάσεων - παραμορφώσεων 15 2.3. Ευρωκώδικας 9 (EC9): Φέρουσες κατασκευές από αλουμίνιο 21 2.3.1. Έλεγχοι οριακής κατάστασης λειτουργικότητας 21 2.3.2. Έλεγχοι οριακής κατάστασης αστοχίας 22 2.3.3. Κατάταξη των διατομών από αλουμίνιο 25 2.3.4. Υπολογισμός απαιτούμενων στοιχείων αντοχής διατομών αλουμινίου 26 2.4. Ιδιότητες δομικού γυαλιού 34 2.5. Αναλυτικά μοντέλα προσομοίωσης της καμπύλης τάσης παραμόρφωσης 40 2.5.1. Γενικά 40 2.5.2. Κατάταξη κραμάτων αλουμινίου βάσει της παραμέτρου εργοκράτυνσης 40 2.5.3. Συνεχή μοντέλα υλικού 41 2.5.4. Γενικά για τα μοντέλα υλικού της μορφής σ=σ(ε) 41 2.5.5. Mοντέλo υλικού σύμφωνα με τον Mazzolani 42 2.5.6. Συνεχή μοντέλα της μορφής ε = ε(σ) 43 2.5.7. Σύγκριση αποτελεσμάτων μοντέλων υλικού 44 2.6. Επιρροή επιλογής δομικού κράματος 47 2.7. Επιλογή κατάλληλης διατομής 51 viii

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΦΟΡΤΙΣΕΙΣ ΑΝΕΜΟΥ ΕΠΙ ΤΩΝ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ 56 3.1. Εισαγωγή 56 3.2. Βασικές έννοιες για τις φορτίσεις ανέμου 58 3.2.1. Γενικά για τον άνεμο ` 58 3.2.2. Λογαριθμικός νόμος 60 3.2.3. Εκθετικός νόμος 61 3.2.4. Βασική ταχύτητα ανέμου 62 3.3. Φορτίσεις ανέμου και Ευρωκώδικας 1 63 3.4. Καναδικός κανονισμός για τις φορτίσεις ανέμου 77 3.5. Φορτίσεις ανέμου και Αμερικάνικος κανόνισμος 91 3.5.1. Απλοποιημένη διαδικασία 91 3.5.2. Αναλυτική διαδικασία 95 3.6. Βασικές διαφορές μεταξύ των κανονισμών 99 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4ο ΠΑΡΑΔΟΧΕΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ....100 4.1. Εισαγωγή 100 4.2. Σχετικά με την εφαρμογή της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων 101 4.3. Τύποι πεπερασμένων στοιχείων που χρησιμοποιούνται στις αναλύσεις 103 4.4. Προσομοίωση στατικής λειτουργίας 104 4.5. Προσομοίωση κατανομής φορτίσεων 108 4.6. Προσομοίωση υλικών που χρησιμοποιούνται 110 4.7. Αναφορικά με τη γεωμετρική μη γραμμικότητα 111 4.8. Ορισμός κανάβου μελέτης 114 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο ΣΕΙΣΜΙΚΑ ΦΟΡΤΙΑ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ....119 5.1. Εισαγωγή 119 5.2. Σύγχρονοι αντισεισμικοί κανονισμοί σχετικά με τα δευτερεύοντα φέροντα δομικά στοιχεία των κτιρίων 120 5.3. Προτεινόμενη μεθοδολογία υπολογισμού και σχεδιασμού υαλοπετασμάτων αλουμινίου σχετικά με τα σεισμικά φορτία 122 5.4. Αναλυτική μεθοδολογία υπολογισμού Αριθμητικό παράδειγμα 125 5.5. Συμπεράσματα 129 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6ο ΣΥΓΧΡΟΝΟΙ ΔΟΜΙΚΟΙ ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΙ ΦΟΡΤΙΣΕΩΝ ΑΝΕΜΟΥ: ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ...130 6.1. Εισαγωγή 130 6.2. Περιγραφή του υπό εξέταση αριθμητικού παραδείγματος 130 6.3. Επίλυση υπολογιστικού προσομοιώματος της υπό εξέταση περίπτωσης 133 6.3.1. Επίλυση προσομοιώματος σύμφωνα με τις προβλέψεις του EC1 134 6.3.2. Επίλυση προσομοιώματος σύμφωνα με τις προβλέψεις του NBCC2005 143 6.3.3. Επίλυση προσομοιώματος σύμφωνα με τις προβλέψεις του ASCE7-02 148 6.3.4. Συμπεράσματα σύγκρισης 154 6.3.5 Διερεύνηση της επίδρασης της επιλογής κατηγορίας τοπογραφικής διαμόρφωσης στα αποτελέσματα 156 ix

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7ο ΑΡΙΜΗΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΠΟΙΗΜΕΝΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑΤΟΣ ΒΑΣΕΙ EC-1...161 7.1. Εισαγωγή 161 7.2. Αποτίμηση συμπεριγοράς υαλοπετάσματος στήριξη ανά 3 ανοίγματα 162 7.3. Αποτίμηση συμπεριγοράς υαλοπετάσματος στήριξη ανά 6 ανοίγματα 169 7.4. Ανάλυση υαλοπετασμάτων αλουμινίου για διάφορες διαστάσεις κανάβου 174 7.5. Δυναμική ανάλυση υαλοπετασμάτων 179 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8ο ΕΙΔΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ...181 8.1. Εισαγωγή 181 8.2. Επίδραση κατακόρυφων εξωτερικών εξαρτημάτων των προσόψεων στον υπολογισμό των φορτίσεων ανέμου 181 8.3 Φορτία λόγω θερμοκρασιακής διαφοράς και έκθεσης σε υψηλες θερμοκρασίες 187 8.4 Κόμβος τραβέρσας κολώνας 191 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9ο ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...196 9.1. Εισαγωγή 196 9.2 Συμπεράσματα σχετικά με την αποτίμηση της συμπεριφοράς των υαλοπετασμάτων 196 ΠΕΡΙΛΗΨΗ....204 EXTENDED ENGLISH SUMMARY.212 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ......220 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...233 x

xi

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ 1.1 Εισαγωγή Η κατασκευή υψηλών κτιρίων απαιτεί ισχυρούς φέροντες οργανισμούς οι οποίοι να αντέχουν τα φορτία και τις καταπονήσεις που θα δεχθούν κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους. Το γεγονός αυτό δημιούργησε την ανάγκη αντικατάστασης των κλασικών δομικών υλικών επικάλυψης των προσόψεων όπως είναι επί παραδείγματι η πέτρα και τα τούβλα από άλλα ελαφρύτερα δομικά υλικά [37]. Επίσης σήμερα για οικονομικούς λόγους, υπάρχει το ζητούμενο, η όλη κατασκευή να ολοκληρώνεται σε όσο το δυνατόν συντομότερο χρονικό διάστημα. Στο ίδιο πλαίσιο οι βασικές αρχές σχεδιασμού είναι γενικά οι εξής: το κτίριο θα πρέπει να είναι εναρμονισμένο με το περιβάλλον, λειτουργικό και με όσο το δυνατόν μικρότερο κόστος. Πρέπει δε να εξασφαλίζει στους χρήστες αισθήματα ευφορίας με την όσο το δυνατόν μεγαλύτερη διείσδυση του φωτός και την καλή ορατότητα και παράλληλα να εξασφαλίζει την επιθυμητή ηχομόνωση και θερμομόνωση. Επιπλέον θα πρέπει τα υλικά που θα χρησιμοποιηθούν, να έχουν αντοχή στο χρόνο με την μικρότερη δυνατή συντήρηση. Η απάντηση σε όλες αυτές τις απαιτήσεις σχεδιασμού ήρθε με την ανάπτυξη κατάλληλων συστημάτων κελύφους κτιρίων, γνωστών με την ονομασία υαλοπετάσματα. Με τα υαλοπετάσματα κατασκευάζονται οι προσόψεις των κτιρίων με τη χρήση διατομών (προφίλ) αλουμινίου στις οποίες ενσωματώνονται υαλοπίνακες συγκεκριμένων ιδιοτήτων και προδιαγραφών. Τα υαλοπετάσματα (curtain-wall systems) αποτελούν καθοριστικό παράγοντα στην αρχιτεκτονική εμφάνιση των κτιρίων και συνδυάζονται με τα γνωστά υλικά, όπως είναι το μάρμαρο, ο γρανίτης, ο χάλυβας, το σκυρόδεμα και άλλα. Τα συστήματα υαλοπετασμάτων είναι αυτοφερόμενες κατασκευές, γεγονός που οδηγεί στο συμπέρασμα ότι εύκολα προσαρμόζονται σε κάθε τύπο κτιρίου με μικρή προετοιμασία. Η όψη των σύγχρονων υαλοπετασμάτων αποτελεί μέρος της αρχιτεκτονικής σύλληψης του κτιρίου και αντανακλά το επίπεδο τεχνολογικής εξέλιξης τη στιγμή της ανέγερσης κάθε τέτοιου κτιρίου [52]. Στις εικόνες που ακολουθούν παρουσιάζονται ορισμένες χαρακτηριστικές εφαρμογές υαλοπετασμάτων.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ Εικόνα 1.1 : Παράδειγμα εφαρμογής υαλοπετάσματος αλουμινίου μικρής κλίμακας σε κατοικίες Εικόνα 1.3 : Υαλοπετάσματα σε πολυώροφα κτίρια γραφείων Εικόνα 1.2 : Υαλοπέτασμα σε πολυώροφο κτίριο κατοικιών στο Montreal (Καναδάς) Εικόνα 1.4 : Υαλοπέτασμα στο αεροδρόμιο της Ζυρίχης 2

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ 1.2 Στόχοι της διατριβής Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη μεθοδολογίας ελέγχου της αξιοπιστίας των υαλοπετασμάτων αλουμινίου με βάση τη μελέτη της δομικής συμπεριφοράς τους στις φορτίσεις που ορίζονται από τους Δομικούς Κανονισμούς (π.χ. σεισμοί και άνεμοι). Η μελέτη των υαλοπετασμάτων αλουμινίου λαμβάνει υπ όψιν την επίδραση διαφόρων παραγόντων (όπως επί παραδείγματι την αντοχή των υλικών που χρησιμοποιούνται, τις φορτίσεις, το σχεδιασμό και τη μεθοδολογία κατασκευής) στη δομική αξιοπιστία τους (στατική επάρκεια, λειτουργικότητα) στα πλαίσια ενός οικονομικού σχεδιασμού. Στόχος της ερευνητικής προσπάθειας είναι καταρχήν η ανάπτυξη της προαναφερόμενης μεθοδολογίας και η πιστοποίηση της ασφαλούς συμπεριφοράς των παραγόμενων συστημάτων υαλοπετασμάτων ειδικά σε περιοχές με υψηλή επικινδυνότητα ως προς σεισμούς και ανέμους. Επιδίωξη της παραπάνω προσπάθειας είναι η βελτίωση της συμπεριφοράς των υαλοπετασμάτων αλουμινίου ως προς τη λειτουργικότητά τους, έτσι ώστε αυτά να προσδίδουν με ασφάλεια στις προσόψεις των κτιρίων του αστικού δομημένου περιβάλλοντος διαφάνεια, θερμομόνωση, ηχομόνωση, πυροπροστασία και στεγανότητα υψηλής στάθμης. Βεβαίως, όλες οι παραπάνω ιδιότητες επιδιώκεται να επιτευχθούν στα πλαίσια ενός οικονομικού σχεδιασμού, έτσι ώστε να προσφέρεται η δυνατότητα στη βιομηχανία αλουμινίου, μαζικής και ασφαλούς παραγωγής των συστημάτων υαλοπετασμάτων με βάση τις προτεινόμενες προδιαγραφές. Η μελέτη εκείνων των παραγόντων που επηρεάζουν την αξιοπιστία της απόκρισης των συστημάτων υαλοπετασμάτων αλουμινίου γίνεται στα πλαίσια αριθμητικής υπολογιστικής προσομοίωσης. Τα αποτελέσματα των υπολογιστικών προσομοιωμάτων συγκρίνονται με αποτελέσματα σχετικών πειραματικών δοκιμών, ενώ στη συνέχεια τα αποτελέσματα συγκρίνονται με τα πορίσματα της κατασκευαστικής εμπειρίας. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκαν κατάλληλα προσομοιώματα διάφορων βασικών μορφών υαλοπετασμάτων αλουμινίου με τη βοήθεια πεπερασμένων στοιχείων. Ζητούμενο αναφορικά με τα προσομοιώματα είναι να αποδίδουν όσο το δυνατόν πιστότερα τη συμπεριφορά των υαλοπετασμάτων έναντι των κρίσιμων φορτίσεων που δέχονται, όπως είναι ο άνεμος και ο σεισμός. Τα προσομοιώματα λαμβάνουν υπόψη τα στατικά φορτία που παραλαμβάνει ένα υαλοπέτασμα, καθώς και τις δυναμικές φορτίσεις. Σε ό,τι αφορά στα δυναμικά φορτία, μελετάται η απόκριση των υαλοπετασμάτων στο σεισμό και στον άνεμο. Επιπρόσθετα μελετώνται και ειδικά ζητήματα μέσω της μόρφωσης κατάλληλων προσομοιωμάτων πεπερασμένων στοιχείων, όπως είναι η επίδραση των θερμοκρασιακών διαφορών (εσωτερικού και περιβάλλοντος) στα επιμέρους δομικά στοιχεία των υαλοπετασμάτων ή η επίδραση των εξωτερικών κατακόρυφων 3

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ στοιχείων της πρόσοψης στην αξιοπιστία των υαλοπετασμάτων αλουμινίου καθώς αυτά αυξάνουν έντονα τα φορτία ανέμου στις ακραίες ζώνες της πρόσοψης. Αξίζει να σημειωθεί ότι η παρούσα ερευνητική προσπάθεια έχει ως τελικό στόχο τη διατύπωση προδιαγραφών, κανόνων ορθής εφαρμογής και οικονομικού σχεδιασμού στη φάση του σχεδιασμού, της βιομηχανικής παραγωγής και της ανάρτησης των υαλοπετασμάτων αλουμινίου. Επιδίωξη της παρούσας ερευνητικής προσπάθειας είναι η βελτίωση της συμπεριφοράς των υαλοπετασμάτων αλουμινίου ως προς τη λειτουργικότητά τους, έτσι ώστε αυτά να προσδίδουν στις προσόψεις των κτιρίων του αστικού δομημένου περιβάλλοντος διαφάνεια, θερμομόνωση, ηχομόνωση, πυροπροστασία και στεγάνωση υψηλής στάθμης. 1.3 Γενικά στοιχεία σχετικά με τα υαλοπετάσματα Με την πάροδο των χρόνων και καθώς αναπτύσσονταν ολοένα και περισσότερο η τεχνολογία των υλικών και η κατασκευαστική βιομηχανία, υπήρξε παράλληλα ανάπτυξη της τεχνολογίας και της επιστημονικής γνώσης σχετικά με τις διαφανείς προσόψεις. Σε αυτό το πλαίσιο αναπτύχθηκαν καινοτόμες τεχνικές και πρακτικές κατασκευής που αφορούσαν στις διαφανείς προσόψεις. Η ανάπτυξη αυτή οδήγησε στη δημιουργία πολύπλοκων συστημάτων υαλοπετασμάτων που όμως έπρεπε να εξασφαλιστεί ότι θα ανθίστανται στις διάφορες καταπονήσεις. Για παράδειγμα, μια συνεχής πρόσοψη η οποία καλύπτει το εξωτερικό πολλών ορόφων, έπρεπε να ελεγχθεί ως προς τη στατική επάρκειά της. Αυτό το γεγονός ώθησε τους ερευνητές οι οποίοι διερευνούν θέματα γυάλινων προσόψεων στο να διερευνήσουν λύσεις που να συνδυάζουν τη λειτουργικότητα, την αισθητική και την επαρκή στήριξη των προσόψεων. Οι λύσεις αυτές αφορούν σε κατασκευαστικές υλοποιήσεις και σύγχρονα υλικά τέτοια που να εγγυώνται τις προαναφερθείσες απαιτήσεις. Διάφορες λύσεις στήριξης των προσόψεων αναπτύχθηκαν κατασκευαστικά. Οι κυριότερες από αυτές είναι τα υαλοπετάσματα αλουμινίου, οι καλωδιακοί φορείς στήριξης, οι αναρτημένες προσόψεις και οι προσόψεις με σημειακά στηριγμένους υαλοπίνακες. Οι προαναφερόμενες λύσεις χρησιμοποιούνται ανάλογα με τις ιδιαίτερες συνθήκες του έργου και οπωσδήποτε τη διαθέσιμη τεχνογνωσία [16]. Επίσης, τα υλικά που χρησιμοποιούνται περισσότερο στις διαφανείς προσόψεις πέραν του γυαλιού είναι το αλουμίνιο και ο χάλυβας (ανοξείδωτος ή απλός). Το αλουμίνιο και ο χάλυβας χρησιμοποιούνται ως υλικά του φέροντος οργανισμού της πρόσοψης, ενώ το γυαλί 4

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ χρησιμοποιείται ως υλικό επικάλυψης. Πέραν του γυαλιού συχνά χρησιμοποιούνται και θερμομονωτικά πάνελ για επικάλυψη. Η παρούσα διατριβή εστιάζεται στη διερεύνηση της δομικής συμπεριφοράς των φερόντων συστημάτων υαλοπετασμάτων αλουμινίου στα οποία προσαρμόζονται υαλοπίνακες ή/και θερμομονωτικά πάνελ επικάλυψης. Σε γενικές γραμμές ένα υαλοπέτασμα αλουμινίου απαρτίζεται από τις εξής δομικές ενότητες [14]: τον φέροντα οργανισμό που είναι διατομές αλουμινίου (προφίλ) που τοποθετούνται οριζόντια και κατακόρυφα σχηματίζοντας έναν δομικό κάνναβο, ο οποίος συνδέεται απευθείας με τον κυρίως φέροντα οργανισμό του κτιρίου, συνήθως μέσω χαλύβδινων στηριγμάτων (Σχήμα 1.1 στοιχείο 1), τα συνδετικά στοιχεία μεταξύ των διατομών αλουμινίου και των στοιχείων της επικάλυψης που είναι συνήθως από ελαστικό υλικό (Σχήμα 1.1 στοιχεία 2 και 4), τα στοιχεία επικάλυψης, τα οποία μπορεί να είναι είτε υαλοπίνακες διαφόρων τύπων, είτε θερμομονωτικά πάνελ (Σχήμα 1.1 στοιχείο 3). Σχήμα 1.1: Δομικές ενότητες των υαλοπετασμάτων αλουμινίου [34] Τα υαλοπετάσματα αποτελούν σήμερα παγκοσμίως μια ιδιαίτερα συνηθισμένη κατασκευή. Συγκεκριμένα, στις Ευρωπαϊκές πόλεις 1 στα 6 ψηλά κτίρια (με αριθμό ορόφων μεγαλύτερο των 4) που κατασκευάστηκαν τη δεκαετία 1990 2000 έχουν ως πρόσοψη υαλοπετάσματα αλουμινίου. Στους ουρανοξύστες οι προσόψεις είναι υαλοπετάσματα αλουμινίου ή χάλυβα. Σε πόλεις όπως το Λονδίνο, όπου το 82% των κτιρίων γραφείων είναι από χαλύβδινο σκελετό, οι προσόψεις τους είναι σχεδόν παντού υαλοπετάσματα αλουμινίου. 5

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ Η Εικόνα 1.5 είναι ενδεικτική της συχνότητας χρήσης των υαλοπετασμάτων αλουμινίου στα ψηλά κτίρια και ειδικότερα στους ουρανοξύστες. Ακόμη και στη Ελλάδα παρατηρείται τα τελευταία χρόνια μια συνεχώς αυξανόμενη χρήση των υαλοπετασμάτων αλουμινίου, κυρίως σε κτίρια γραφείων. Εικόνα 1.5: Χρήση υαλοπετασμάτων αλουμινίου σε ψηλά κτίρια Εικόνα 1.6: Υαλοπέτασμα σε κτίριο 1.4 Ιστορική επισκόπηση της εξέλιξης των υαλοπετασμάτων ως προς την αντοχή τους Κανονισμοί και πρότυπα Από το 1960 έως το 1975 ο σχεδιασμός των υαλοπετασμάτων βασίζονταν στην ελεύθερη κίνηση των υαλοπινάκων εντός των πλαισίων αλουμινίου, ενώ από το 1975 έως το 1980 χρησιμοποιήθηκαν υαλοπετάσματα με κινητά πλαίσια. Επίσης, χρησιμοποιήθηκε δομική σιλικόνη για την εξασφάλιση της σταθεροποίησης των υαλοπινάκων. Από το 1980 έως σήμερα οι απαιτήσεις συμπεριφοράς των υαλοπετασμάτων ως προς μια σειρά έκτακτων περιστατικών, όπως η πτώση των υαλοπινάκων, οι πράξεις βανδαλισμού, εκρήξεις βομβών και άλλα επέβαλαν στα προηγμένα κράτη τη χρήση υαλοπινάκων υψηλής αντοχής που να πληρούν τα κριτήρια αντοχής, λειτουργικότητας και στιβαρότητας που επιβάλλουν οι σχετικοί Δομικοί Κανονισμοί. Φαίνεται δε ότι μελλοντικά τα υαλοπετάσματα θα σχεδιάζονται έτσι ώστε να διαθέτουν επαρκή αντοχή προκειμένου να περιορίζουν ή να αποσβένουν τις μετακινήσεις του κτιρίου σε περιπτώσεις σεισμού, θυελλωδών ανέμων και εκρήξεων. Έτσι τα υαλοπετάσματα θα αποτελούν στοιχείο που θα εισφέρει τη φέρουσα ικανότητά του στη συνολική αντοχή του κτιρίου (όπως επί παραδείγματι στο κτίριο της εικόνας 1.7 που κατασκευάστηκε πρόσφατα στο Μαϊάμι), οπότε ο έλεγχος της αξιοπιστίας 6

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ των στοιχείων και των δομικών τους συνδέσεων θα είναι επιβεβλημένος στο πλαίσιο των εφαρμοζόμενων Δομικών Κανονισμών. Εικόνα 1.7 : Ουρανοξύστης όπου το υαλοπέτασμα είναι στοιχείο αντοχής του κτιρίου Προφανώς, τα υαλοπετάσματα αλουμινίου αποτελούν μια δευτερεύουσα φέρουσα κατασκευή συναρτημένη στην κύρια κατασκευή. Ωστόσο, είναι μια κατασκευή μεγάλης σπουδαιότητας. Για αυτόν τον λόγο είναι ζητούμενο τόσο σε εθνικό όσο και σε διεθνές επίπεδο η διασφάλιση της ποιότητας του σχεδιασμού και της ανέγερσης, καθώς και η αξιοπιστία της συμπεριφοράς των υαλοπετασμάτων κάτω από την επίδραση των διαφόρων καταπονήσεων. Συγκεκριμένα, οι Ευρωκώδικες αποτελούν σήμερα το ασφαλές πλαίσιο κανόνων και διατάξεων για τον σχεδιασμό και την ποιοτική κατασκευή των φερόντων κατασκευών αλουμινίου. Ο CEN (Ευρωπαϊκός Οργανισμός Προτυποποίησης) δημιούργησε τους Ευρωκώδικες 1 9 από τους οποίους εφαρμογή στα υαλοπετάσματα αλουμινίου έχουν ο Ευρωκώδικας 1 (EC1: Δράσεις επί των κατασκευών) [10], ο Ευρωκώδικας 8 (EC8: Σεισμικά φορτία επί των κατασκευών) [18] και ο Ευρωκώδικας 9 (EC9 : Φέρουσες κατασκευές αλουμινίου) [19]. 1.5 Σύγχρονες εφαρμογές υαλοπετασμάτων αλουμινίου Εκτός από τη χρήση των υαλοπετασμάτων αλουμινίου στις προσόψεις κτιρίων γραφείων, τα υαλοπετάσματα αλουμινίου έχουν ευρεία εφαρμογή και σε κτίρια στα οποία γίνεται εκμετάλλευση της αιολικής και ηλιακής ενέργειας, όπου οι προσόψεις που αποτελούν ιδιαίτερα ευαίσθητο τμήμα τους, αποτελούνται συνήθως από υαλοπετάσματα αλουμινίου [32]. Στην Εικόνα 1.8 παρουσιάζεται ένα κτίριο, το οποίο όταν κατασκευαστεί θα 7

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ χρησιμοποιεί αιολική ενέργεια για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του. Η πρόσοψη του συγκεκριμένου κτιρίου αποτελείται από υαλοπέτασμα αλουμινίου το οποίο συνεργάζεται με άλλα δομικά στοιχεία στην παραγωγή ενέργειας. Σημαντικό ενδιαφέρον παρουσιάζει και η χρήση φωτοβολταϊκών στοιχείων τα οποία είναι ενσωματωμένα σε υαλοπίνακες που αποτελούν την επικάλυψη υαλοπετασμάτων (Εικόνα 1.9). Η τελευταία αυτή εφαρμογή παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον, ειδικά για τον Ελλαδικό χώρο [64]. Εικόνα 1.8 : Υαλοπέτασμα αλουμινίου σε ενεργειακά αυτοδύναμο κτίριο Εικόνα 1.9 : Κτίριο γραφείων με χρήση φωτοβολταϊκών στοιχείων στην πρόσοψη 8

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΝΟΝΙΣΜΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΝΟΝΙΣΜΩΝ 2.1 Εισαγωγή Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζονται οι ιδιότητες του δομικού αλουμινίου το οποίο αποτελεί το δομικό υλικό του φέροντος δομικού πλέγματος των υαλοπετασμάτων αλουμινίου. Ένα υαλοπέτασμα αλουμινίου αποτελείται από ένα πλέγμα οριζόντιων και κατακόρυφων δοκών λεπτότοιχων διατομών (προφίλ) αλουμινίου, οι οποίες συνήθως στηρίζουν περιμετρικά τους διπλούς υαλοπίνακες ή τα θερμομονωτικά πανέλα που χρησιμοποιούνται ως στοιχεία επικάλυψης της πρόσοψης. Το πλέγμα των διατομών αλουμινίου είναι μια αυτοφερόμενη κατασκευή, ενώ οι υαλοπίνακες θεωρείται ότι δεν παραλαμβάνουν φορτία, αλλά τα μεταβιβάζουν απευθείας στο πλέγμα των διατομών αλουμινίου. Επομένως, δημιουργείται η ανάγκη της διερεύνησης, πιστοποίησης και εξασφάλισης του δομικού πλέγματος διατομών αλουμινίου έναντι των φορτίων που δέχεται [39]. Η απάντηση στην προαναφερόμενη ανάγκη δίνεται από τους σύγχρονους Δομικούς Κανονισμούς και τις διατάξεις που αφορούν στις φέρουσες κατασκευές αλουμινίου και ειδικότερα στα συστήματα υαλοπετασμάτων που χρησιμοποιούν φέροντα δομικά στοιχεία αλουμινίου. Οι πιο διαδεδομένοι Κανονισμοί αναφορικά με τις φέρουσες κατασκευές αλουμινίου είναι ο Ευρωκώδικας 9 [19], ο οποίος είναι ο σχετικός Ευρωπαϊκός Δομικός Κανονισμός, ο Καναδικός κανονισμός και οι Αμερικανικές προδιαγραφές. Συγκεκριμένα, στο παρόν κεφάλαιο διερευνάται το κανονιστικό πλαίσιο που ισχύει σήμερα σε ό,τι αφορά στους απαιτούμενους ελέγχους για την εξασφάλιση των υαλοπετασμάτων αλουμινίου με ιδιαίτερη έμφαση στον Ευρωκώδικα 9. 9

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΝΟΝΙΣΜΩΝ Συγκεκριμένα, ο Ευρωκώδικας 9 καθορίζει τις ιδιότητες του υλικού καθώς και τους απαιτούμενους ελέγχους για την εξασφάλιση των μελών από αλουμίνιο και των δομικών τους συνδέσεων έναντι των οριακών καταστάσεων φορτίσεων. Οι απαιτούμενοι έλεγχοι αξιοπιστίας των υαλοπετασμάτων απαιτούν την ακριβή γνώση των φορτίσεων που δέχεται η συγκεκριμένη κατασκευή [15]. Η υπό εξέταση κατασκευή πέραν του ιδίου βάρους της (υαλοπίνακες, στοιχεία αλουμινίου) οφείλει να είναι ικανή να μεταφέρει με ασφάλεια στη κυρίως φέρουσα κατασκευή σημαντικές φορτίσεις, όπως τον άνεμο και τον σεισμό. Επιπλέον, η κατασκευή πρέπει να ανθίσταται αποτελεσματικά στα σημαντικά θερμικά φορτία στα οποία υπόκειται εξαιτίας των θερμοκρασιακών μεταβολών που παρουσιάζονται. Το μέγεθος των παραπάνω φορτίσεων, καθώς και οι συνδυασμοί τους καθορίζονται από τις διατάξεις του Ευρωκώδικα 1 [10], ο οποίος είναι ο Ευρωπαϊκός κανονισμός για τον υπολογισμό των φορτίσεων επί των κατασκευών. Αναφορικά με τα φορτία ανέμου γίνεται ενδελεχής έρευνα των σύγχρονων κανονισμών φορτίσεων και ειδικότερα του τμήματος 1-4 του Ευρωκώδικα 1 [11], του Καναδικού Kανονισμού [8] και του Αμερικανικού Κανονισμού [3]. Πέρα, όμως, από τις προαναφερθείσες φορτίσεις, η κατασκευή πρέπει να εξασφαλιστεί έναντι σεισμικών δράσεων. Σε ζητήματα αντοχής και ασφάλειας δομικών κατασκευών αναφέρεται τόσο ο Ευρωκώδικας 8 [18], όσο και ο Ελληνικός Αντισεισμικός Κανονισμός [67]. Τα ζητήματα που αφορούν στις σεισμικές φορτίσεις που δέχονται οι φέρουσες διατομές αλουμινίου των υαλοπετασμάτων αναλύονται σε επόμενο κεφάλαιο. Σε αυτό το σημείο αξίζει να αναφερθεί ότι δεν υπάρχει Ευρωπαϊκό κανονιστικό πλαίσιο σε ό,τι αφορά στις ιδιότητες και στις μηχανικές αντοχές των στοιχείων από γυαλί που χρησιμοποιούνται ως υλικό επικάλυψης στα υαλοπετάσματα. Επιπλέον, δεν υπάρχει ούτε κάποια μεθοδολογία διασφάλισης αυτών των στοιχείων έναντι των φορτίσεων, παρά μόνο αποσπασματικά κάποια πρότυπα χωρών. Πέραν τούτου, η φιλοσοφία σχεδιασμού κατασκευών όπου γίνεται χρήση γυάλινων στοιχείων, όπως είναι τα εξεταζόμενα υαλοπετάσματα, απαιτεί το γυαλί να μη φέρει φορτία, αλλά να τα μεταβιβάζει στον φέροντα οργανισμό από αλουμίνιο ή χάλυβα. Άλλωστε, ο Ευρωκώδικας 9 αναφέρει ότι τα βέλη κάμψης των στοιχείων του δομικού πλέγματος αλουμινίου πρέπει να βρίσκονται μέσα σε τέτοια όρια που να εξασφαλίζεται ότι οι στηριζόμενοι υαλοπίνακες δεν θα αναπτύξουν μεγάλες παραμορφώσεις εις βάρος της ακεραιότητας και της ανθεκτικότητάς τους. Αυτή η φιλοσοφία σχεδιασμού ακολουθείται και στην παρούσα διατριβή. Οι φέρουσες διατομές αλουμινίου παράγονται από μήτρες προορισμένες για την αντίστοιχη χρήση. Τα σχήματά τους μπορεί να είναι είτε απλά είτε πιο πολύπλοκα με 10

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΝΟΝΙΣΜΩΝ έμφαση στη δυσκαμψία. Στο Σχήμα 2.1 παρουσιάζεται μια τυπική διατομή η οποία χρησιμοποιείται στα υαλοπετάσματα αλουμινίου. Σχήμα 2.1: Τυπική διατομή αλουμινίου υαλοπετασμάτων [1] 2.2 Γενικά για το δομικό αλουμίνιο 2.2.1 Δομικά κράματα αλουμινίου Το καθαρό αλουμίνιο είναι ένα ασθενές υλικό με αντοχή σε εφελκυσμό που κυμαίνεται μεταξύ 90 και 140 Ν/mm 2. Για κατασκευαστικούς σκοπούς ενισχύεται με διάφορα χημικά στοιχεία και κατ αυτόν τον τρόπο προκύπτουν τα κράματα αλουμινίου. Τα ισχυρότερα κράματα έχουν αντοχή σε εφελκυσμό που φτάνει έως τα 500 Ν/mm 2. Τα διάφορα κράματα του αλουμινίου κατατάσσονται σε σειρές ανάλογα με τα βασικά συστατικά τους. Ο πίνακας 2.1 παρουσιάζει τις σειρές των κραμάτων και τα κύρια πλην του αλουμινίου συστατικά από τα οποία συντίθενται. Σε κάθε κράμα αλουμινίου δίνεται ένας 4ψήφιος αριθμός ο οποίος αντιστοιχεί σε συγκεκριμένη σύσταση. Παραδείγματος χάριν, η σύσταση του κράματος 6082 είναι [9]: Si (0.7-1.3 %), Mg (0.6 1.2 %), Mn (0.4 1.0%), Fe (0.5%), Cu (0.1%), Cr (0.25%), Zn (0.2%) 11

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΝΟΝΙΣΜΩΝ Για τα πρώτα τρία στοιχεία δίνονται δύο τιμές εκ των οποίων η πρώτη αντιστοιχεί στο ελάχιστο και η δεύτερη στο μέγιστο επιτρεπόμενο ποσοστό περιεκτικότητας του συγκεκριμένου στοιχείου στο κράμα. Για τα υπόλοιπα στοιχεία δίνεται το μέγιστο επιτρεπόμενο ποσοστό του αντίστοιχου συστατικού. Σειρές κραμάτων Κύρια συστατικά (εκτός αλουμινίου) 1xxx 2xxx 3xxx 4xxx 5xxx 6xxx 7xxx Καθαρό αλουμίνιο Χαλκός Μαγγάνιο Πυρίτιο Μαγνήσιο Μαγνήσιο και Πυρίτιο Ψευδάργυρος και Μαγνήσιο Πίνακας 2.1: Σειρές κραμάτων αλουμινίου [19] Τα κράματα που χρησιμοποιούνται για κατασκευαστικούς σκοπούς, όπως για την παραγωγή προφίλ αλουμινίου, είναι εκείνα της σειράς 6xxx. Για παράδειγμα, αναφέρεται το κράμα 6082, το οποίο χρησιμοποιείται για κατασκευαστικούς σκοπούς σε διάφορες μορφές, όπως σε ράβδους και διατομές και έχει μεγάλη απήχηση στον Ευρωπαϊκό χώρο. Διαθέτει καλή συγκολλησιμότητα, αντίσταση στη διάβρωση και άριστη διελασιμότητα, τέτοια έτσι ώστε να είναι δυνατόν να παραχθούν διατομές πολύπλοκου σχήματος. Επιπλέον, διαθέτει πολύ καλή αντίσταση σε διάβρωση, ενώ είναι δυνατόν να υποστεί θερμική επεξεργασία, βελτιώνοντας έτσι την αντοχή του. Οι παραπάνω ιδιότητες ισχύουν και για τα υπόλοιπα κράματα της σειράς 6xxx, τα οποία χρησιμοποιούνται στην κατασκευή διατομών αλουμινίου που προορίζονται για τα υαλοπετάσματα, όπως είναι π.χ. τα κράματα 6061 και 6063. Τα κράματα αλουμινίου πέρα από την κατάταξή τους ανάλογα με τη σύνθεσή τους κατατάσσονται και σε κατηγορίες ανάλογα με τις κατεργασίες που έχουν υποστεί. Έτσι γενικά χωρίζονται στα κράματα που έχουν υποστεί θερμική κατεργασία και σε αυτά που δεν την έχουν υποστεί. Στην πρώτη κατηγορία υπάρχουν διαβαθμίσεις ανάλογα με το βαθμό της κατεργασίας. Για τις εφαρμογές Πολιτικού Μηχανικού μας ενδιαφέρουν τρεις καταστάσεις θερμικής κατεργασίας, οι Τ4, Τ5 και Τ6. Επί παραδείγματι, το κράμα αλουμινίου περιέρχεται σε κατάσταση Τ4 μετά από μια σχετικά ήπια θερμική κατεργασία κατά την 12

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΝΟΝΙΣΜΩΝ οποία θερμαίνεται το υλικό αρχικά στους 500 C και στη συνέχεια είτε ωριμάζει φυσικά για μερικές ημέρες σε θερμοκρασία δωματίου, είτε τεχνητά σε φούρνο σε θερμοκρασία 150 C για μερικές ώρες, ούτως ώστε να αποκτήσει την απαιτούμενη σκληρότητα. Αντίστοιχα στην περίπτωση των μη-θερμικά επεξεργασμένων κραμάτων (μηχανική σκλήρυνση) διακρίνονται οι καταστάσεις Ο και F [31]. Γενικά, η επιλογή του καταλληλότερου κράματος αλουμινίου για τις διατομές του φέροντα οργανισμού του υαλοπετάσματος είναι συνδυασμός πολλών παραγόντων, όπως: η αντοχή, η ανθεκτικότητα, οι φυσικές ιδιότητες, η διελασιμότητα και η διαθεσιμότητα. Τα κράματα του αλουμινίου κατατάσσονται σε τρεις κατηγορίες ανθεκτικότητας που είναι οι εξής: Α (άριστη), Β (μέση) και C (χαμηλή). Η κατάταξη χρησιμεύει στον καθορισμό του βαθμού προστασίας που απαιτείται για τη διατομή. Από τα κράματα αλουμινίου που αναφέρονται στον Ευρωκώδικα 9 χρησιμοποιούνται για την παραγωγή διατομών αλουμινίου, όπως προαναφέρθηκε, εκείνα της σειράς 6xxx και συγκεκριμένα τα πιο κατάλληλα για εφαρμογή σε κατασκευές Πολιτικού Μηχανικού είναι τα ΕΝ ΑW 6082, ΕΝ ΑW 6061, ΕΝ ΑW 6005Α, ΕΝ ΑW 6060 και ΕΝ ΑW 6063 τα οποία κατατάσσονται στην Β κατηγορία ανθεκτικότητας γεγονός που τα καθιστά αποδεκτά για τη χρήση τους στα υαλοπετάσματα. Επίσης, τα συγκεκριμένα κράματα διαθέτουν καλή διελασιμότητα (γεγονός σημαντικό αφού χρησιμοποιούνται διατομές πολύπλοκου σχήματος), άριστη συγκολλησιμότητα και ικανοποιητική αντίσταση σε διάβρωση. Έτσι η παραγωγή τους γίνεται εύκολα σε λεπτές και πολύπλοκου σχήματος διατομές, οι οποίες έχουν το πλεονέκτημα ότι διαθέτουν αυξημένη δυσκαμψία και είναι κατά κανόνα αισθητικά βελτιωμένες. Παρακάτω παρατίθεται τμήμα του πίνακα Β.1, όπως παρουσιάζεται στον Ευρωκώδικα 9, ο οποίος μας πληροφορεί συνοπτικά για τις παραμέτρους συμπεριφοράς των διάφορων κραμάτων. 13

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΝΟΝΙΣΜΩΝ Κράμα Αντοχή Αντίσταση στη διάβρωση Διελασιμότητα Επεξεργασιμότητα Συγκολλησιμότητα EN AW-6060 II/III II II/III II/III I EN AW-6061 II/III II II/III II I EN AW-6063 II/III II II/III II/III I EN AW-6005A II II III II I EN AW-6082 I/II II II/III II I όπου: Ι Άριστη συμπεριφορά ΙΙ Καλή συμπεριφορά ΙΙΙ Μέτρια συμπεριφορά ΙV Φτωχή συμπεριφορά Πίνακας 2.2: Παράμετροι συμπεριφοράς διαφόρων δομικών κραμάτων αλουμινίου σειράς 6xxx [19] 2.2.2 Φυσικές και μηχανικές ιδιότητες δομικού αλουμινίου Η πυκνότητα του καθαρού αλουμινίου είναι ίση με ρ = 2.70 gr/cm 3, όταν του χάλυβα ισούται με 7.90 gr/cm 3 και των κραμάτων του κυμαίνεται από 2.67 μέχρι 2.80 gr/cm 3. Σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 9 λαμβάνεται στο σχεδιασμό στοιχείων από αλουμίνιο μια στρογγυλοποιημένη τιμή ίση με 2.70 gr/cm 3, οπότε για τους υπολογισμούς της μάζας και του ιδίου βάρους των διατομών προκύπτει: Μάζα m = 0.0027*A kg/m Bάρος W = 0.027*A N/m όπου Α το εμβαδόν της διατομής σε mm 2 Αναφορικά με τις μηχανικές ιδιότητες του δομικού αλουμινίου σημειώνεται ότι το αλουμίνιο είναι ένα υλικό με σχετικά χαμηλό μέτρο ελαστικότητας, τρεις φορές περίπου μικρότερο σε σύγκριση με αυτό του χάλυβα. Το καθαρό αλουμίνιο έχει μέτρο ελαστικότητας ίσο με 69 kn/mm 2 (του χάλυβα ισούται με 205 kn/mm 2 ) και των κραμάτων του κυμαίνεται από 69 μέχρι 72 kn/mm 2. Για τις ανάγκες των υπολογισμών η τιμή του θεωρείται ίση με 70 kn/mm 2, η οποία είναι ίση με την τιμή του μέτρου ελαστικότητας του γυαλιού. Το μέτρο ελαστικότητας των κραμάτων αλουμινίου μειώνεται σταθερά με την αύξηση της θερμοκρασίας. Στον παρακάτω πίνακα δίνονται οι τιμές του μέτρου ελαστικότητας που προκύπτουν ύστερα από θερμική έκθεση 2 ωρών σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες. Αυτές οι τιμές του μέτρου ελαστικότητας πρέπει να λαμβάνονται υπ όψιν στις διάφορες αναλύσεις. 14

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΝΟΝΙΣΜΩΝ Θερμοκρασία έκθεσης κράματος αλουμινίου θ( C) Mέτρο Ελαστικότητας (Ν/mm 2 ) 20 70000 50 69300 100 67900 150 65100 200 60200 250 54600 300 47600 350 37800 400 28000 550 0 Πίνακας 2.3: Μέτρο ελαστικότητας κραμάτων αλουμινίου για δίωρη θερμική έκθεση [20] O λόγος του Poisson λαμβάνεται ίσος με ν = 0.30 και επομένως το μέτρο διάτμησης ισούται με: G = Ε 2(1 + ν ) = 70 2.6 27kN / mm 2 Τέλος, ο συντελεστής θερμικής διαστολής του καθαρού αλουμινίου σε θερμοκρασία δωματίου λαμβάνεται α=23.5*10-6 1/ C (του χάλυβα είναι ίσος με 12*10-6 1/ C). Η τιμή του για τα κράματα αλουμινίου κυμαίνεται από 22 μέχρι 24.5*10-6 1/ C και για τους υπολογισμούς υιοθετούμε μια τιμή ίση με 23*10-6 1/ C. Επισημαίνεται ότι ο συντελεστής θερμικής διαστολής αυξάνεται ανάλογα με τη θερμοκρασία και φτάνει στην τιμή των 26*10-6 1/ C στους 200 C. 2.2.3 Νόμος τάσεων παραμορφώσεων Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα κατά την αριθμοϋπολογιστική ανάλυση κατασκευών από δομικό αλουμίνιο σχετίζεται με τον καθορισμό και την περιγραφή ενός κατάλληλου νόμου τάσεων-παραμορφώσεων. Αυτό συμβαίνει για δύο λόγους. Συγκεκριμένα: 1. Οι μηχανικές ιδιότητες εξαρτώνται από τον τύπο του κράματος αλουμινίου, ενώ οι ιδιότητες ακόμη και στοιχείων ιδίου κράματος αλλά διαφορετικής κατεργασίας διαφέρουν σημαντικά (διαδικασία παρασκευής, θερμική κατεργασία). 15

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΝΟΝΙΣΜΩΝ 2. Επίσης, όπως προκύπτει από εργαστηριακά πειράματα, το αλουμίνιο δεν μπορεί να θεωρηθεί ως απολύτως ελαστοπλαστικό υλικό, οπότε απαιτούνται πιο πολύπλοκα μοντέλα μη γραμμικής συμπεριφοράς του υλικού. Για μέλη διατομών αλουμινίου, ο Ευρωκώδικας 9 ορίζει για τα συνήθως χρησιμοποιούμενα κράματα αλουμινίου τις μηχανικές ιδιότητες του Πίνακα 2.4. Κράμα Κατάσταση Πάχος (mm) Τάση f 0.2 (N/mm 2 ) Τάση f u (N/mm 2 ) Ελάχιστη τελική παραμόρφωση (%) EN-AW-6060 T5 t 5 120 160 8-10 T5 5<t 25 100 140 8-10 T6 t 15 140 170 8-10 EN-AW-6061 T6 t 20 240 260 6-10 EN-AW-6063 T5 t 3 130 175 5-8 T5 3<t 25 110 160 6-8 T6 t 10 170 215 6-8 EN-AW-6082 T4 t 25 110 205 12-14 Πίνακας 2.4: Μηχανικές ιδιότητες των κυριότερων κραμάτων διατομών αλουμινίου [19] Στην πρώτη στήλη του πίνακα αναφέρεται η σήμανση του κράματος, στη δεύτερη ο τύπος της κατεργασίας που έχει υποστεί και στην τρίτη το πάχος των διατομών. Στις τρεις επόμενες στήλες αναγράφονται οι μηχανικές αντοχές (όριο ελαστικότητας, τάση θραύσης), καθώς και η ελάχιστη τελική παραμόρφωση των μελών που κατασκευάζονται από το αντίστοιχο κράμα αλουμινίου. Η τάση f 0.2, η οποία αντιστοιχεί σε μόνιμη παραμόρφωση 0.2% θεωρείται εξ ορισμού το ελαστικό όριο, πέρα από το οποίο η συμπεριφορά του υλικού είναι ανελαστική. Αυτή η τάση συμβολίζεται ως f 0.2 και χρησιμοποιείται στους υπολογισμούς κατά τον ίδιο τρόπο που χρησιμοποιείται και η τάση διαρροής του χάλυβα. Όπως γίνεται αντιληπτό από τον παραπάνω πίνακα, το ελαστικό όριο f 0.2 το οποίο προδιαγράφει κάθε κράμα αλουμινίου δεν επαρκεί για την περιγραφή της σχέσης τάσεωνπαραμορφώσεων. Πρέπει να ληφθεί υπ όψιν το φαινόμενο της κράτυνσης του υλικού που σχετίζεται με τη διαδικασία παραγωγής. 16

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΝΟΝΙΣΜΩΝ Επομένως προτείνεται η χρήση γενικών ανελαστικών μοντέλων συμπεριφοράς. Διάφορα μοντέλα έχουν προταθεί κατά καιρούς στη διεθνή βιβλιογραφία [41], [49] ορισμένα από τα οποία αναφέρονται και στο παράρτημα Ε του Ευρωκώδικα 9 [21]. Η τάση θραύσης f u αντιστοιχεί σε τιμή της παραμόρφωσης για την οποία στις εργαστηριακές δοκιμές παρατηρείται αστοχία των δοκιμίων. Για την ανάλυση των μοντέλων υαλοπετασμάτων αλουμινίου, τα οποία πρόκειται να μορφωθούν για τις ανάγκες των αναλύσεων της συμπεριφοράς τους, απαιτείται η επιλογή μιας κατάλληλης μαθηματικής εξίσωσης που να περιγράφει τη σχέση τάσεων - παραμορφώσεων. Μια κατάλληλη εμπειρική εξίσωση είναι αυτή των Ramberg-Osgood [49]: σ σ e = + 0.002 Ε σ 0 n (2.1) όπου: E το μέτρο ελαστικότητας σ 0 η τάση που αντιστοιχεί σε παραμόρφωση 0.2% n εκθέτης που καθορίζει το μέγεθος της κράτυνσης και την καμπυλότητα της καμπύλης τάσεων - παραμορφώσεων στην ανελαστική περιοχή Οι δύο όροι στην εξίσωση αντιστοιχούν στην ελαστική και πλαστική παραμόρφωση. Για διάφορες τιμές του εκθέτη n προκύπτει ότι η καμπύλη (όπως άλλωστε φαίνεται και στο Σχήμα 2.2) ικανοποιεί αυτόματα δύο απαραίτητες απαιτήσεις: υπάρχει επαρκής γραμμικά ελαστική περιοχή η πλαστική παραμόρφωση ισούται με 0.002 όταν η τάση φτάνει την τιμή σ 0 Ωστόσο, παρατηρείται ότι για κάθε κράμα οι πραγματικές ιδιότητες του υλικού (όπως παρέχονται στις προδιαγραφές) ποικίλουν σημαντικά για κάθε διατομή ίδιου κράματος. Άρα για υπολογιστικούς λόγους καθορίζεται μια καμπύλη σ-ε που αντιπροσωπεύει τη συμπεριφορά του «υλικού ελάχιστης αντοχής», δηλαδή του υλικού που θα διαθέτει τουλάχιστον τις προδιαγραφόμενες τιμές f 0.2 και f u.έτσι, σύμφωνα και με το Σχήμα 2.2 η καμπύλη του γραφήματος των τάσεων και των παραμορφώσεων θα είναι μια καμπύλη που θα διέρχεται από το σημείο Α που αντιστοιχεί σε τάση f 0.2 και παραμόρφωση 0.2% και στο σημείο θραύσης Β. Επομένως, θέτοντας στην εξίσωση (2.1) σ 0 = f 0.2 λαμβάνεται ο εκθέτης n ως εξής: 17

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΝΟΝΙΣΜΩΝ log(5el) n = (2.2) log( f / ) u f 0.2 όπου: el f u η παραμόρφωση σε ποσοστό % που αντιστοιχεί στη τάση θραύσης η τάση θραύσης Σχήμα 2.2: Διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων αλουμινίου (για διάφορες τιμές της σταθεράς n [31] Ως παράδειγμα καθορισμού της καμπύλης τάσεων-παραμορφώσεων λαμβάνεται υπ όψιν το κράμα 6082-Τ4. Για το παραπάνω κράμα προδιαγράφεται ότι η τάση f 0.2, δηλαδή η τάση που αντιστοιχεί σε μόνιμη παραμόρφωση 0.2%, είναι ίση με 110 MPa, ενώ η τάση θραύσης είναι 205 MΡa. Επίσης η τελική παραμόρφωση λαμβάνεται ίση με 13%. Επομένως ο δείκτης n βάσει της εξίσωσης (2.2) θα ισούται με: log(5x13) n = 6.7 (2.3) log(205/110) Η τιμή που προκύπτει είναι σχετικά χαμηλή (για τα κράματα αλουμινίου ποικίλει από 5 έως 40), γεγονός που σημαίνει ότι η καμπύλη στην πλαστική περιοχή θα είναι σχετικά ομαλή. Λαμβάνεται επίσης το μέτρο ελαστικότητας του Young ίσο με 70000 MΡa, οπότε η σχέση (2.1) γίνεται: σ σ = + 0.002 70000 110 6.7 e (2.4) 18

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΝΟΝΙΣΜΩΝ Εισάγοντας τιμές της τάσης ανά 25 ΜPa προκύπτει ο Πίνακας 2.5. Με βάση τις τιμές του πίνακα γίνεται ο σχεδιάσμος της καμπύλη τάσεων-παραμορφώσεων η οποία απεικονίζεται στο Σχήμα 2.3. Επίσης, με βάση τις τιμές του πίνακα 2.5 θα προσομοιωθεί η καμπύλη τάσεων-παραμορφώσεων για τις ανάγκες του υπολογισμού των διάφορων κατασκευών αλουμινίου κάνοντας χρήση κατάλληλου λογισμικού. Τάση (ΜPa) Συνολική παραμόρφωση % Ελαστική παραμόρφωση % Πλαστική παραμόρφωση % 0 0,00% 0,00% 0,00% 50 0,07% 0,07% 0,00% 75 0,13% 0,11% 0,02% 100 0,25% 0,14% 0,11% 110 0,36% 0,16% 0,20% 125 0,65% 0,18% 0,47% 150 1,81% 0,21% 1,60% 175 4,75% 0,25% 4,50% 200 11,30% 0,29% 11,02% 205 13,29% 0,29% 13,00% Πίνακας 2.5: Πίνακας τάσεων και παραμορφώσεων για το κράμα 6082-Τ4. Καμπύλη τάσεων-παραμορφώσεων 250 200 Τάση (MPa) 150 100 50 0 0,0% 5,0% 10,0% 15,0% Παραμόρφωση (%) Σχήμα 2.3: Καμπύλη τάσεων-παραμορφώσεων για το κράμα 6082-Τ4 19

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΝΟΝΙΣΜΩΝ Επισημαίνεται ότι η αντοχή του αλουμινίου μειώνεται με την άνοδο της θερμοκρασίας. Για παράδειγμα, η αντοχή του κράματος 6082-Τ6 στους 200 C μειώνεται στο 70% της αντοχής που διαθέτει υπό συνθήκες δωματίου. Ακόμη και η έκθεση του δομικού αλουμινίου σε μεγάλες θερμοκρασίες για μικρή χρονική διάρκεια προκαλεί αξιοσημείωτη πτώση της αντοχής, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.4. Σχήμα 2.4 : Πτώση της αντοχής του αλουμινίου λόγω αύξησης της θερμοκρασίας [31] Στον Πίνακα 2.6 δίδεται το ελαστικό όριο f 0 των κραμάτων 6061, 6063 και 6082 για δίωρη θερμική έκθεση σε διάφορες θερμοκρασίες ως ποσοστό του ελαστικού ορίου για θερμοκρασία δωματίου. Το παραπάνω γεγονός σε συνάρτηση με τη μείωση του μέτρου ελαστικότητας στις μεγάλες θερμοκρασίες επιβάλλει στον σχεδιασμό των κατασκευών από αλουμίνιο να λαμβάνεται υπ όψιν η συμπεριφορά της κατασκευής έναντι πυρκαγιάς, καθώς και λόγω θερμικών φορτίων. Kράμα Κατάσταση θερμικής Θερμοκρασία κράματος αλουμινίου ( C) αλουμινίου επεξεργασίας 20 100 150 200 ΕΝ-ΑW 6061 T6 1,00 1,00 0,92 0,79 EN-AW 6063 T6 1,00 1,00 0,90 0,74 EN-AW 6082 T6 1,00 1,00 0,79 0,65 Kράμα Κατάσταση θερμικής Θερμοκρασία κράματος αλουμινίου ( C) αλουμινίου επεξεργασίας 250 300 350 550 ΕΝ-ΑW 6061 T6 0,62 0,32 0,10 0,00 EN-AW 6063 T6 0,38 0,20 0,10 0,00 EN-AW 6082 T6 0,38 0,20 0,11 0,00 Πίνακας 2.6: Ελαστικό όριο κραμάτων αλουμινίου σε δίωρη θερμική έκθεση ως ποσοστό του ελαστικού ορίου για θερμοκρασία δωματίου [20] 20

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΝΟΝΙΣΜΩΝ 2.3 Ευρωκώδικας 9 (EC9): Φέρουσες κατασκευές από αλουμίνιο Ο Ευρωκώδικας 9 έχει εφαρμογή σε κατασκευές Πολιτικού Μηχανικού στις οποίες ο φέρων οργανισμός αποτελείται από κράματα δομικού αλουμινίου. Η ύλη του Κανονισμού περιλαμβάνει στοιχεία σχετικά με τη βάση σχεδιασμού, το υλικό, τις οριακές καταστάσεις λειτουργικότητας και αστοχίας και τις συνδέσεις. Επίσης, περιλαμβάνει θέματα σχετικά με την παραγωγή και εκτέλεση, καθώς και τον υποβοηθούμενο από πειράματα σχεδιασμό [40]. Στα Παραρτήματά του γίνεται αναφορά στην εξασφάλιση της αντίστασης των δομικών στοιχείων αλουμινίου σε περίπτωση πυρκαγιάς, καθώς και στην αντίστασή τους έναντι κόπωσης του υλικού. 2.3.1 Έλεγχοι οριακής κατάστασης λειτουργικότητας Οι οριακές καταστάσεις λειτουργικότητας των υαλοπετασμάτων αλουμινίου μπορεί να είναι: α) παραμορφώσεις ή βέλη κάμψης που επηρεάζουν δυσμενώς τη χρήση του κτιρίου, συμπεριλαμβανομένης και της απρόσκοπτης λειτουργίας μηχανολογικού εξοπλισμού ή υπηρεσιών, β) παραμορφώσεις ή βέλη κάμψης που μπορούν να προκαλέσουν βλάβες σε μη φέροντα στοιχεία (όπως στους υαλοπίνακες των υαλοπετασμάτων), γ) παραμορφώσεις ή βέλη κάμψης που μπορούν να αλλοιώσουν την αρχιτεκτονική εμφάνιση του κτιρίου, δ) ταλαντώσεις που προκαλούν βλάβες σε μη φέροντα στοιχεία και ε) αίσθημα ανασφάλειας στους χρήστες. Ειδικότερα, σε ό,τι αφορά στα υαλοπετάσματα που στηρίζονται σε φέροντα οργανισμό αλουμινίου το ζητούμενο είναι τα βέλη κάμψης των οριζόντιων και κατακόρυφων διατομών να βρίσκονται εντός τέτοιων ορίων που να εξασφαλίζεται ότι οι στηριζόμενοι υαλοπίνακες δεν θα δεχτούν μεγάλες παραμορφώσεις εις βάρος της αντοχής, της ανθεκτικότητας τους, καθώς και συνολικά της αισθητικής και της στεγανότητάς του υαλοπετάσματος. Επιπρόσθετα, οι παραμορφώσεις του φέροντα οργανισμού αλουμινίου πρέπει να είναι τέτοιες ώστε να μην προκαλείται αίσθημα ανασφάλειας στους χρήστες του κτιρίου [12], [28]. Σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 9 για τα κατακόρυφα και οριζόντια μέλη των υαλοπετασμάτων το μέγιστο επιτρεπόμενο βέλος κάμψης είναι η μικρότερη εκ των δύο εξής τιμών: L/250 ή 15 mm, όπου L είναι το μήκος μεταξύ δύο διαδοχικών στηρίξεων σε mm (για παράδειγμα άρθρωση-κύλιση ή άρθρωση άρθρωση). 21

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΝΟΝΙΣΜΩΝ Αξίζει να αναφερθεί ότι ο έλεγχος λειτουργικότητας σε βέλος κάμψης κυρίως των κατακόρυφων στοιχείων και κάποιες φορές των οριζόντιων στοιχείων είναι ο πλέον κρίσιμος για την εξασφάλιση της δομικής αξιοπιστίας των υαλοπετασμάτων αλουμινίου [68]. 2.3.2 Έλεγχοι οριακής κατάστασης αστοχίας Οι κατασκευές από αλουμίνιο πρέπει να διαστασιολογούνται και να κατασκευάζονται έτσι ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις των οριακών καταστάσεων αστοχίας, δηλαδή: Να παραμένουν κατάλληλες για τη χρήση για την οποία σχεδιάστηκαν μέσα στα όρια της προσδοκώμενης ζωής και του κόστους κατασκευής τους. Να μπορούν να φέρουν όλες τις αναμενόμενες δράσεις, καταναγκασμούς και άλλες επιρροές κατά τη διάρκεια της χρήσης τους και να έχουν ικανοποιητική διάρκεια μειώνοντας έτσι το κόστος συντήρησης. Να σχεδιάζονται έτσι ώστε να ανθίστανται σε γεγονότα όπως εκρήξεις, προσκρούσεις ή λανθασμένους ανθρώπινους χειρισμούς. Έτσι υπολογίζονται αρχικά οι χαρακτηριστικές αντοχές των διατομών και στη συνέχεια συγκρίνονται με τις χαρακτηριστικές τιμές των δράσεων. Η αντίσταση μιας διατομής [38] εξαρτάται από τις χαρακτηριστικές αντοχές του χρησιμοποιούμενου κράματος, στις οποίες υπεισέρχονται επιμέρους συντελεστές ασφαλείας. Οι συντελεστές ασφαλείας λαμβάνουν τιμή γ Μ1 =1,1 εκτός της περίπτωσης της αντίστασης της καθαρής διατομής στις περιοχές των οπών οπότε ισχύει ο συντελεστής ασφαλείας γ Μ2 =1,25. Οι υπολογισμοί των αντιστάσεων των μελών γίνονται κάνοντας χρήση των παρακάτω χαρακτηριστικών αντοχών: f 0 f α f ν f s χαρακτηριστική αντοχή σε κάμψη και συνολική διαρροή σε εφελκυσμό ή θλίψη χαρακτηριστική αντοχή σε τοπική αντίσταση μιας καθαρής διατομής σε εφελκυσμό ή θλίψη χαρακτηριστική αντοχή σε διάτμηση χαρακτηριστική αντοχή έναντι λυγισμού Συγκεκριμένα, για το κράμα 6082-Τ4 οι χαρακτηριστικές αντοχές λαμβάνουν τις παρακάτω τιμές: f 0 = f 0,2 = 110 ΜPa f α = f u = 205 Mpa f v = f / 3 63, 51MPa 0 = Στην περίπτωση των υαλοπετασμάτων εξετάζεται η αντίσταση των καμπτόμενων διατομών, οπότε υπάρχουν οι εξής περιπτώσεις: 22

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΝΟΝΙΣΜΩΝ Κάμψη με ενδεχόμενη διάτμηση (EC9 / 5.6.2) Διάτμηση (EC9 / 5.6.3) Φέρουσα ικανότητα κορμού (EC9 / 5.6.5) Στρέβλωση (EC9 / 5.6.6) Κατά την εξέταση των παραπάνω περιπτώσεων πρέπει να λαμβάνεται υπ όψιν η κατάταξη της διατομής και η παρουσία θερμικά επηρεασμένων ζωνών και οπών. Επιπλέον, προκειμένου να γίνουν οι έλεγχοι αυτοί πρέπει να είναι γνωστές οι ιδιότητες των διατομών. Αναφορικά με την αντίσταση σε μονοαξονική κάμψη και εφόσον δεν υπάρχει συνδυασμός κάμψης με διάτμηση, τότε η τιμή σχεδιασμού της καμπτικής αντίστασης δίδεται από την ακόλουθη σχέση: M c, Rd f 0 * a * Wel / γ M 1 = (2.5) όπου: W el α είναι η ελαστική ροπή αντίστασης της πλήρους διατομής είναι ο συντελεστής μορφής Ο συντελεστής μορφής για συγκολλήσιμες διατομές κλάσης 4 λαμβάνει μια τιμή ίση με W eff /W el, όπου W eff είναι η ελαστική ροπή αντίστασης της ενεργής διατομής που υπολογίζεται βάσει του μειωμένου πάχους t eff. Για τους υπολογισμούς δεν απαιτείται υπολογισμός του συντελεστή μορφής αφού έχει ήδη υπολογιστεί η ενεργός ελαστική ροπή αντίστασης W eff. Η αντίσταση της διατομής σε κάμψη μειώνεται εξαιτίας της παρουσίας τέμνουσας δύναμης. Για μικρές τιμές τέμνουσας η μείωση είναι τόσο μικρή που αγνοείται. Όταν όμως η δρώσα τέμνουσα σχεδιασμού υπερβαίνει το 50% της τιμής σχεδιασμού της αντίστασης σε τέμνουσα, τότε η αντίσταση σε κάμψη μειώνεται σημαντικά. Επομένως, κρίνεται απαραίτητος ο υπολογισμός της αντίστασης της διατομής σε διάτμηση. H αντίσταση σε διάτμηση δίδεται από την ακόλουθη σχέση: όπου: V c, Rd Av * f v / γ M 1 = (2.6) Α v είναι η επιφάνεια διάτμησης, η οποία υπολογίζεται από τη Σχέση 2.7. 23

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΝΟΝΙΣΜΩΝ όπου: D t w N A n = [.8* D * ( ) ] 0 (2.7) v t w 1 είναι το ύψος της διατομής μετρούμενο από τις εξωτερικές επιφάνειες των πελμάτων είναι το πάχος του κορμού είναι ο αριθμός των κορμών i Η φέρουσα ικανότητα κορμού αναφέρεται σε διατομές των οποίων οι κορμοί δέχονται τοπικές δυνάμεις, εξαιτίας συγκεντρωμένων φορτίων. Ο έλεγχος αυτός για τη συγκεκριμένη διατομή δεν είναι απαραίτητος καθώς οι φορτίσεις θεωρείται ότι ασκούνται ως κατανεμημένα φορτία και όχι ως συγκεντρωμένα φορτία. Η αντίσταση σχεδιασμού σε στρέβλωση δίδεται από τη σχέση: όπου: W α f s el M W el b, Rd = f s * a * (2.8) γ M1 είναι η ελαστική ροπή αντίστασης όλης της διατομής είναι ο συντελεστής μορφής ο οποίος ορίστηκε παραπάνω είναι η τάση στρέβλωσης Η τάση στρέβλωσης υπολογίζεται ως εξής: f = χ * f (2.9) s LT o όπου: χ LT LT φ LT + 1 = (2.10) φ 2 LT λ 2 LT 2 [ + α * ( λ λ ) λ ] φ + = (2.11) 0.5* 1 LT LT 0, LT LT a LT = 0.20 και 0, LT λ = 0.40 για διατομές κλάσης 3 και 4 1 f 0 λ LT = λlt * * (2.12) π E λ = l LT i (2.13) 24