ΣΧΟΛΗ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΜΠ ΤΕΧΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ 12 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΤΟΙΧΟΠΟΙΙΑ Ε. Βιντζηλαίου (Συντονιστής), Ε. Βουγιούκας, Ε. Μπαδογιάννης
Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες Χρήσης Creative Commons. για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.
ΕΙΣΑΓΩΓΗ AΞΟΝΙΚH ΘΛIΨΗ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΙΑΚA ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚA ΕΦΕΛΚΥΣΜOΣ ΑΠO ΚAΜΨΗ ΕΚΤOΣ ΕΠΙΠEΔΟΥ ΣΥΝAΦΕΙΑ ΜΕΤΑΞY ΛΙΘΟΣΩΜAΤΩΝ ΚΑΙ ΚΟΝΙAΜΑΤΟΣ ΔΙAΤΜΗΣΗ ΚΑΙ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΣ ΕΝΤOΣ ΕΠΙΠEΔΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ 3
Λιθόσωμα (brick) -> t b, f b κτλ. Κονίαμα (mortar) -> t m, f m κτλ. 4
σύνθετο δομικό υλικό - παρόμοιο με το σκυρόδεμα από τα αρχαιότερα υλικά δόμησης Πλεονεκτήματα: χαμηλό κόστος, προστασία έναντι πυρκαϊάς, θερμοκρασίας, ήχου ταχύτητα και ευκολία στην κατασκευή, πολύ καλή αισθητική και ανθεκτικότητα στο χρόνο. Μειονεκτήματα: ψαθυρή φύση θραύσης μικρότερη αντοχή 5
Από το φωτ. αρχείο της Καθ. Ε. Βιντζηλαίου6
Από παρουσίαση της Καθ. Ε. Βιντληλαίου για το μάθημα «Μηχανική της Τοιχοποιίας» 7
Θλιπτική αντοχή: θλιπτική αντοχή πρισματικών δοκιμίων Τυπική μορφή πρίσματος τοιχοποιίας για τη δοκιμή θλίψης 8
Από Ερευνητική Εργασία της Καθ. Ε. Βιντληλαίου ανάπτυξη ρωγμών στα λιθοσώματα, με διεύθυνση παράλληλη προς τον άξονα φόρτισης, ως αποτέλεσμα της δράσης εγκάρσιων εφελκυστικών τάσεων. 9
θλιπτικές αντοχές λιθοσωμάτων και κονιάματος: άνω και κάτω όρια Συμπεριφορά πρίσματος τοιχοδομής υπό θλίψη: (α) σχέσεις τάσης-παραμόρφωσης, (β) εντατική κατάσταση 10
Εντατική κατάσταση στα τοιχοσώματα και στο κονίαμα: τριαξονική τα λιθοσώματα παρεμποδίζουν εν μέρει την εγκάρσια παραμόρφωση του κονιάματος το κονίαμα επιφέρει πρόσθετη εγκάρσια παραμόρφωση στα λιθοσώματα (δράσηαντίδραση) Οι εγκάρσιες εφελκυστικές τάσεις στο επίπεδο των λιθοσωμάτων είναι υπεύθυνες για την ανάπτυξη ρωγμών κάθετα σε αυτές και άρα παράλληλα στον άξονα φόρτισης 11
12
Είδος λιθοσωμάτων τοιχοδομές με διάτρητα λιθοσώματα: μειωμένη θλιπτική αντοχή (μικρότερη διαθέσιμη εγκάρσια επιφάνεια παράλληλα στον άξονα φόρτισης) Επίδραση οπών και πάχους αρμών στη θλιπτική αντοχή τοιχοποιίας 13
Ύψος τοιχοποιίας η αντοχή πρισμάτων τοιχοδομών μειώνεται αυξάνοντας το ύψος των λιθοσωμάτων, στα λιθοσώματα μικρού ύψους αναπτύσσεται εντονότερη τριβή (εγκιβωτισμός) στα άκρα των δοκιμίων Επίδραση ύψους λιθοσωμάτων στη θλιπτική αντοχή τοιχοποιίας 14
Αντοχή Κονιάματος και Λιθοσωμάτων η αντοχή τοιχοποιίας αυξάνεται με την αύξηση της αντοχής του κονιάματος και του λιθοσώματος Επίδραση αντοχής (α) κονιάματος και (β) λιθοσωμάτων στη θλιπτική αντοχή τοιχοποιίας 15
Πάχος Αρμών η αντοχή πρισμάτων τοιχοδομών μειώνεται όσο αυξάνεται το πάχος των αρμών βέλτιστο πάχος αρμών τοιχοποιίας γύρω στα 10 mm, Επίδραση του πάχους των αρμών στη θλιπτική αντοχή τοιχοποιίας 16
Χαρακτηριστική θλιπτική αντοχή f k : η αντοχή πρισμάτων τοιχοδομών, που προσδιορίζεται με πιθανότητα υποσκελισμού 5% δοκιμή θλίψης κάθετα στους οριζόντιους αρμούς (ΕΝ 1052-1) Εμπειρική σχέση μεταξύ f k και f b (λιθοσωμάτων), f m (κονιάματος). Γενική μορφή: f k=k f b fm 17
Τοιχοποιία Κατασκευασμένη με Κονίαμα Γενικής Εφαρμογής (6-15 mm) ή με ελαφροκονίαμα 0.7 0.3 f k=k f b fm Τοιχοποιία Κατασκευασμένη με Κονίαμα Λεπτής Στρώσης (0.5-3 mm) και Λιθοσώματα Οπτόπλινθου Ομάδας 1 και 4 ή Ασβεστοπυριτικά ή από Σκυρόδεμα f =K f k 0.85 b Τοιχοποιία Κατασκευασμένη με Κονίαμα Λεπτής Στρώσης (0.5-3 mm) και Λιθοσώματα Οπτόπλινθου Ομάδας 2 και 3 όπου, f =K f k 0.7 b Κ: σταθερά περ. 0,40 0,60 (Πίνακας 10.1) 18
f b : Προσδιορισμός f b σε διεύθυνση φόρτισης // διεύθυνση δράσης στην τοιχοποιία f b = max (75 MPa, 50 MPa) (κονιάματα γενικής εφαρμογής ή λεπτής στρώσης) f m : μέση θλιπτική αντοχή του κονιάματος, min (20 MPa, 2 f b ) πλάτος τοιχοποιιας ταυτίζεται με τις διαστάσεις των λίθων συντελεστής μεταβλητότητας αντοχής τοιχοποιίας <25% 19
Τυπικές καθ' ύψος τομές σε μονόστρωτους τοίχους: (α) τοίχοι χωρίς διαμήκεις αρμούς, (β) τοίχοι με διαμήκη αρμό. 20
(βραχυχρόνιο) μέτρο ελαστικότητας Ε: η κλίση της γραμμής του διαγράμματος η οποία ενώνει τα σημεία που αντιστοιχούν σε 5% και 33% της θλιπτικής αντοχής Προσδιορίζεται μέσω δοκιμών σε πρισματικά δοκίμια κατά το Πρότυπο ΕΝ 1052-1. Όταν δεν διατίθεται πειραματική τιμή, μπορεί να ληφθεί Ε=1000 f k Σχέσεις τάσης-παραμόρφωσης τοιχοποιίας (α) με οπτοπλίνθους και (β) με πλίνθους σκυροδέματος. 21
Μέτρο ελαστικότητας τοιχοποιίας συναρτήσει μέσης θλιπτικής αντοχής (πειραματικά δεδομένα, Grimm 1984, Hamid et al. 1987) (α) οπτόπλινθοι (β) πλίνθοι από σκυρόδεμα 22
Μέτρο ελαστικότητας τοιχοποιίας κατά τους Αμερικάνικους Κανονισμούς (ACI 530/ASCE5/TMS 402-92, 1992) E E όπου: t b b t b t 1 1 E m m t b = ύψος λιθοσώματος t m = πάχος αρμών E b = μέτρο ελαστικότητας λιθοσώματος E m = μέτρο ελαστικότητας κονιάματος αρμών 23
Μέτρο διάτμησης G 40% E Παραμορφωσιακές ιδιότητες τοιχοποιίας Τελικός συντελεστής ερπυσμού 1 Τελική συστολή λόγω ξήρανσης ή διαστολή λόγω υγρασίας 2 ( 10-3 ) Συντελεστής θερμικής διαστολής ( 10-6 / C) Οπτόπλινθοι 0.5 1.5-0.2 1.0 4 8 Πυριτικό ασβέστιο 1.0 2.0-0.4-0.1 7 11 Λιθοσώματα από σκυρόδεμα και τεχνητοί λίθοι Λιθοσώματα από ελαφροσκυρόδεμα 1.0 2.0-0.6-0.1 6 12 1.0 3.0-1.0-0.2 6 12 Ελαφρόπλινθοι από σκυρόδεμα 1.0 2.5-0.4 0.2 7 9 Φυσικοί λίθοι Πυριγενείς 5 9 Ιζηματογενείς Βλ. 3-0.4 0.7 2 7 Μεταμορφωσ. 1 18 1 Ισούται με το λόγο της τελικής ερπυστικής παραμόρφωσης προς την ελαστική 2 Αρνητική τελική τιμή διαστολής λόγω υγρασίας ή συστολής λόγω ξήρανσης δηλώνει βράχυνση, ενώ θετική δηλώνει μήκυνση 3 Οι τιμές είναι πολύ χαμηλές 24
φόρτιση λόγω ανέμου ή σεισμού κάθετα στο επίπεδο της τοιχοποιίας λόγω έκκεντρης θλίψης κ.τ.λ. κάμψη ως προς οριζόντιο άξονα => επίπεδο θραύσης παράλληλο προς τους οριζόντιους αρμούς κάμψη ως προς κατακόρυφο άξονα => επίπεδο θραύσης κάθετο προς τους οριζόντιους αρμούς Καμπτική αστοχία τοιχοποιίας 25
P/2 f xk2 P/2 P/2 f xk1 P/2 Πειραματικός προσδιορισμός εφελκυστικής αντοχής από κάμψη: (α) επίπεδο θραύσης παράλληλο στους οριζόντιους αρμούς, (β) επίπεδο θραύσης κάθετο στους οριζόντιους αρμούς. Καμπτική αντοχή, F f xk1 f xk2 (π.χ. F0.35/1.00). f xk1 Καμπτική αντοχή για εφελκυσμό κάθετα στους οριζόντιους αρμούς f xk2 Καμπτική αντοχή για εφελκυσμό παράλληλα στους οριζόντιους αρμούς 26
Μορφές καμπτικής αστοχίας για εφελκυσμό παράλληλα στους οριζόντιους αρμούς: (α) αποκόλληση αρμών και θραύση λιθοσωμάτων, (β) αποκόλληση αρμών. 27
Κυμαίνεται μεταξύ 0.2-1.5 MPa Διάταξη μέτρησης αντοχής συνάφειας μεταξύ λιθοσωμάτων και κονιάματος Παράγοντες τύπος κονιάματος και λιθοσωμάτων αρχικός ρυθμός απορρόφησης υγρασίας ποσοστό περιεχόμενης υγρασίας θερμοκρασία λιθοσωμάτων, αντοχή, ρευστότητα βαθμός συγκράτησης νερού του κονιάματος ποιότητα κτισίματος επιφανειακή κατάσταση των λιθοσωμάτων συνθήκες συντήρησης 28
Τύπος Κονιάματος και Λιθοσωμάτων βελτιώνεται αυξάνοντας την περιεκτικότητα του κονιάματος σε τσιμέντο εξαρτάται από τον τύπο λιθοσώματος (υλικό, επιφανειακή υφή κ.τ.λ.). Αρχικός ρυθμός απορρόφησης υγρασίας, περιεχόμενη υγρασία, θερμοκρασία πολύ μικρές αλλά και ιδιαίτερα μεγάλες τιμές του αρχικού ρυθμού απορρόφησης οδηγούν σε πτωχή συνάφεια Η περιεχόμενη στα λιθοσώματα υγρασία αλλά και η θερμοκρασία επηρεάζουν τη συνάφεια μεταβάλλοντας τα χαρακτηριστικά απορρόφησης. 29
Αντοχή, ρευστότητα, βαθμός συγκράτησης νερού του κονιάματος συσχέτιση αντοχής κονιάματοςσυνάφειας. συσχέτιση συνάφειας και ρευστότητας του κονιάματος βέλτιστο ποσοστό συγκράτησης νερού (εξαρτάται από την αρχική απορρόφηση και από τα χαρακτηριστικά των λιθοσωμάτων) Επίδραση Ν/Τ στη συνάφεια κονιάματος-λιθοσωμάτων 30
Ποιότητα Κτισίματος, Επιφανειακή Κατάσταση Λιθοσωμάτων χρόνος μεταξύ της διάστρωσης του κονιάματος και της τοποθέτησης των λιθοσωμάτων πίεση που εφαρμόζεται κατά την τοποθέτηση των λιθοσωμάτων πάχος της στρώσης κονιάματος σε σχέση με το τελικό πάχος των αρμών ελλιπής πλήρωση των αρμών, οι μικρομετακινήσεις κατά την εφαρμογή των λιθοσωμάτων. Η επιφανειακή κατάσταση των λιθοσωμάτων (σκόνη, λάσπη, κλειστοί πόροι) Συντήρηση αντίστοιχος ο ρόλος της συντήρησης με αυτόν στην αντοχή του σκυροδέματος 31
Λόγος Εφελκυστικών Αντοχών, R: Εφελκυστική αντοχή από κάμψη για εφελκυσμό παράλληλα στους οριζόντιους αρμούς Εφελκυστική αντοχή από κάμψη για εφελκυσμό κάθετα σε αυτούς, εκφράζει τον βαθμό ανισοτροπίας R 1.5-8 Παράγοντες: εφελκυστική αντοχή των λιθοσωμάτων ποσοστό πλήρωσης των κατακόρυφων οπών με κονίαμα όγκος κενών των λιθοσωμάτων λόγος μήκους προς ύψος των λιθοσωμάτων ύπαρξη θλιπτικών τάσεων σε συνδυασμό με αυτές λόγω κάμψης. 32
Κάμψη παράλληλα και κάθετα στους οριζόντιους αρμούς: Αντοχή τοιχοποιίας σε διαξονική κάμψη 33
Δράση παράλληλη στους οριζ. αρμούς Ρηγμάτωση και ολίσθηση κατά μήκος της διεπιφάνειας μεταξύ του κονιάματος και των λιθοσωμάτων εξαρτάται από την ύπαρξη αξονικής δύναμης (θλίψης) Πειράματα διατμητικής αντοχής παράλληλα στους οριζόντιους αρμούς 34
<40% της θλιπτικής αντοχής αύξηση της διατμητικής αντοχής, με τη θλιπτική >40% διάρρηξη, όχι διάτμηση Πειράματα διατμητικής αντοχής παράλληλα στους οριζόντιους αρμούς 35
τ = τ 0 + μ σ n όπου τ 0 είναι η διατμητική αντοχή για σ n = 0 μ είναι ο συντελεστής τριβής ισχύει μόνο για καθαρά διατμητική αστοχία στους αρμούς Απουσία πειραματικών αποτελεσμάτων f vk = f vko + 0.4σ d f vk <0.065f b ή f vlt : f vko είναι η διατμητική αντοχή υπό μηδενική θλιπτική τάση, σ d είναι η τιμή σχεδιασμού της θλιπτικής τάσης κάθετα προς την διατμητική δύναμη f b είναι η ανηγμένη θλιπτική αντοχή του λιθοσώματος, για διεύθυνση εφαρμογής του φορτίου κάθετη προς τους οριζόντιους αρμούς f vlt οριακή τιμή της f vk Όταν οι κατακόρυφοι αρμοί δεν είναι πλήρεις, αλλά οι γειτονικές όψεις των λιθοσωμάτων είναι σε επαφή: f vk = 0.5 f vko + 0.4σ d όχι μεγαλύτερη από 0.045f b ή f vlt : 36
Εφελκυστικές τάσεις κάθετα στους οριζ. αρμούς: αποκόλληση μεταξύ των λιθοσωμάτων και του κονιάματος σε έναν από τους οριζόντιους αρμούς Εφελκυστικές τάσεις // στους οριζ. αρμούς: αποκόλληση κατακόρυφων αρμών και θραύση λιθοσωμάτων ανά δεύτερη στρώση Εφελκυστικές τάσεις με λοξή διεύθυνση ως προς τους οριζ. αρμούς: προκαλούν αστοχία η οποία χαρακτηρίζεται από ρηγμάτωση κατά μήκος πολλών αρμών και/ή διαμέσου λιθοσωμάτων, σύμφωνα με την αρχή του ασθενέστερου "δρόμου" (εκεί δηλαδή όπου ελαχιστοποιείται η αντοχή). 37
0.707P f dt= A Ρ, φορτίο αστοχίας Α, είναι το εμβαδόν της μέσης επιφάνειας κατά μήκος των οριζόντιων και των κατακόρυφων αρμών Πείραμα διαγώνιου εφελκυσμού κατά (α) AST Μ Ε519-81 και (β) RILEM TC 76-LUM (1991) η σχηματιζόμενη ρωγμή (κατά την αστοχία) ακολουθεί κυρίως τη διαγώνιο του δοκιμίου και όχι το δρόμο της ελάχιστης αντοχής 38
Παράγοντες: η διεύθυνση της κύριας εφελκυστικής τάσης σε σχέση με τους οριζόντιους αρμούς η ποιότητα του κονιάματος (αυξανομένης της αντοχής του κονιάματος αυξάνεται και η εφελκυστική αντοχή της τοιχοποιίας) η εφελκυστική αντοχή των λιθοσωμάτων (κυρίως όταν το επίπεδο θραύσης διέρχεται από αυτά) Εφελκυστική αντοχή τοιχοποιίας συναρτήσει τύπου κονιάματος, λιθοσωμάτων και διεύθυνσης φόρτισης 39
Μορφές αστοχίας: απώλεια συνάφειας μεταξύ κονιάματος και λιθοσωμάτων κατά μήκος οριζόντιων και/ή κατακόρυφων αρμών σε ευθεία ή τεθλασμένη γραμμή θραύση των λιθοσωμάτων και απώλεια συνάφειας μεταξύ λιθοσωμάτων και κονιάματος στους κατακόρυφους αρμούς συνδυασμό των (α) και (β). Μορφές αστοχίας τοιχοποιίας υπό διαξονική φόρτιση 40
Επιφάνεια αστοχίας τοιχοποιίας υπό διαξονική φόρτιση 41
χημική και βιολογική επίδραση σε λιθοσώματα και/ή κονιάματα, λόγω του νερού (π.χ. βροχής), ατμοσφαιρικής ρύπανσης κ.τ.λ., διάβρωση τυχόν οπλισμών ή άλλων μεταλλικών στοιχείων, απότριψη, υδροφθορά, δράση παγετού και κρυστάλλωση αλάτων σε λιθοσώματα και κονιάματα μηχανικά φαινόμενα λόγω μετακινήσεων του εδάφους (π.χ. καθίζηση θεμελίων), ταλαντώσεων, υπερφόρτισης κ.τ.λ. κηλίδωση εξαιτίας εξανθημάτων. Το κονίαμα των αρμών στις τοιχοποιίες είναι γενικά περισσότερο επιρρεπές σε φθορά 42
Παράμετροι: πορώδες του κονιάματος (μικρή επίδραση) πορώδες των λιθοσωμάτων το ποσοστό κενών των λιθοσωμάτων. Επίδραση πυκνότητας και οπών λιθοσωμάτων στο συντελεστή θερμικής αντίστασης 43
ακαυστότητα υλικού σχετικά μικρή θερμική αγωγιμότητα και μεγάλη θερμοχωρητικότητα, ικανότητα του υλικού να διατηρεί τις ιδιότητές του σε θερμοκρασίες της τάξης των 1000 C. 44
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα Πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοιχτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση.