ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Σχολή Πολιτικών Μηχανικών Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Πολιτικών Μηχανικών Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών Απλοποιημένη υπολογιστική θεώρηση συμμίκτων κτιρίων με «ευρεία» χρήση των κανονισμών Εφαρμογή στο σύστημα INSTED Φαίδων Σόλων Καρυδάκης Εκδήλωση ΕΤΑΜ: Κανονισμοί Κτιριακών Έργων

Καινοτόμο σύστημα δυσκαμψίας και απορρόφησης ενέργειας για πολυώροφα αντισεισμικά κτίρια Innovative system for Stiffness and Energy Dissipation IN IN ST E D E D

Υπάρχουν (κανονιστικά) σύμμικτα κτίρια; Θάλεγα πως όχι, δεν υπάρχουν, αυτό που υπάρχει είναι «κτίρια με σύμμικτα μέλη», και αυτό γιατί δεν υπάρχουν «σύμμικτοι κόμβοι». (Οι κόμβοι, στους οποίους αναφέρεται ο κανονισμός και αρκετή αντίστοιχη βιβλιογραφία, είναι στην ουσία η συνέχεια συμμίκτων δοκών σε περιοχές αρνητικών ροπών και όχι κόμβοι δοκώνυποστυλωμάτων). Άρα αναφερόμαστε σε σύμμικτες δοκούς και υποστυλώματα, που συνδέονται με μεταλλικούς κόμβους (ίσως τοπικά προστατευμένους έναντι τοπικού λυγισμού).

Επομένως ο EC4, χρειάζεται κοντά του τον EC3, ειδικότερα στον αντισεισμικό σχεδιασμό. Στα σύμμικτα μέλη και τον σχεδιασμό τους λοιπόν και ειδικότερα στις σύμμικτες δοκούς, (μάλλον το αποδοτικότερο από τα σύμμικτα μέλη).

Ένα από τα στοιχεία που απομειώνουν την εν δυνάμει μεγάλη οικονομική απόδοση των συμμίκτων στοιχείων, (ειδικότερα) των δοκών, είναι η δυσκολία προσαρμογής τους στα ελαστικά διαγράμματα εντατικών μεγεθών από πλαισιακές αναλύσεις.

Ας δούμε ένα τυπικό επίπεδο πλαίσιο πολυωρόφου κτιρίου για κατακόρυφα και σεισμικά φορτία, Σεισμικά φορτία: Κατακόρυφα φορτία, για μέγιστο και σεισμικό συνδυασμό

Με μία καλοσχεδιασμένη σύμμικτη δοκό,

Που για θετικές ροπές έχει αντοχή σχεδιασμού: M (+) plrd = 951 knm

Και για αρνητικές ροπές (χωρίς συμμετοχή του σκυροδέματος, η τυχόν συνελκόμενου οπλισμού) M (-) plrd = 300 knm M (+) plrd / M (-) plrd = 3,17

Αν αναλύσουμε αυτό το πλαίσιο για κατακόρυφα φορτία συνδυασμού αστοχίας: Με αρηγμάτωτη ανάλυση

Παρατηρούμε μια σημαντική αναντιστοιχία με τις καμπτικές αντοχές της δοκού: M 1 sd =688 knm > M (-) plrd= 300 knm M max sd=318 knm < M (+) plrd= 951 knm

Μπορούμε να καταφύγουμε σε μία πιο ρεαλιστική ανάλυση, με μειωμένη δυσκαμψία των δοκών (μόνον το μεταλλικό τμήμα) στις περιοχές των στηρίξεων, σε μήκος 0,15 του l. Ρηγματωμένη ανάλυση

Και η κατανομή βελτιώνεται σημαντικά Ρηγματωμένη ανάλυση

Η προηγούμενη αναντιστοιχία βελτιώνεται, αλλά όχι αρκετά: Ρηγματωμένη ανάλυση M 1 sd =374 knm > M (-) plrd= 300 knm M max sd=591 knm < M (+) plrd= 951 knm

Προχωρώντας περισσότερο, μπορούμε να κάνουμε πρόσθετη ανακατανομή, Η και πλήρη πλαστική ανάλυση, με παραδοχή πλαστικών αρθρώσεων στις στηρίξεις: Πλαστική ανάλυση M 1 sd =300 knm = M (-) plrd= 300 knm M max sd=664 knm < M (+) plrd= 951 knm

Προχωρώντας περισσότερο, μπορούμε να κάνουμε ανακατανομή, Η και πλήρη πλαστική ανάλυση, με παραδοχή πλαστικών αρθρώσεων στις στηρίξεις: Πλαστική ανάλυση M 1 sd =300 knm = M (-) plrd= 300 knm M max sd=664 knm < M (+) plrd= 951 knm Η πλαστική ανάλυση όμως έχει θέματα, ειδικά όταν υπάρχουν μεγάλοι αριθμοί φορτικών συνδυασμών, όπως στην περίπτωση του σεισμού.

Αλλά το πρόβλημα είναι πραγματικό και όχι μόνο υπολογιστικό. Έχουμε εξαντλήσει την πλαστική αντοχή στο στήριγμα: M 1 sd =300 knm = M (-) plrd= 300 knm Και όταν έρθει η σεισμική φόρτιση,

Υπάρχει πρόσθετη απαίτηση στο στήριγμα, για τις σεισμικές φορτίσεις Ρηγματωμένη ανάλυση Σεισμική φόρτιση

που συνολικά ξεπερνάει την καμπτική αντοχή, M 1 sd =450 knm >M (-) plrd= 300 knm Ρηγματωμένη ανάλυση Σεισμικός συνδυασμός

Μια λύση είναι να εγκαταλείψουμε την πλαστική ανάλυση, Απεμπολώντας προσωρινά την καμπτική ικανότητα του στηρίγματος, οπότε η δοκός μετατρέπεται υπολογιστικά σε αμφιέρειστη: M 1 sd =0 knm M max sd=950 knm < M (+) plrd= 951 knm Έτσι η αντοχή της δοκού στο στήριγμα, μπορεί υπολογιστικά να περιμένει την σεισμική ροπή. Και αυτό μπορούμε να το κάνουμε, σύμφωνα με τον EC3 και EC4 υπό την προϋπόθεση ότι: η διατομή στη θέση ανακατανομής, στο στήριγμα, είναι κατηγορίας 1.

Αντοχή για κατακόρυφα φορτία M max sd=950 knm < M (+) plrd= 951 knm Αντοχή για σεισμικά φορτία: M 1 sd =243 knm < M (-) plrd= 300 knm

Μπορούμε λοιπόν να απλοποιήσουμε την ανάλυση μας, διαχωρίζοντας την σε αλληλουχία αμφιερείστων δοκών για κατακόρυφα φορτία, Και πλαισιακού φορέα για την σεισμική φόρτιση μόνο! M max sd=950 knm < M (+) plrd= 951 knm M 1 sd =243 knm < M (-) plrd= 300 knm

Αν ο φορέας μας είναι πλάστιμος, Αν η διατομή των στοιχείων στα οποία αναμένονται οι πλαστικές αρθρώσεις είναι κατηγορίας 1. Αν οι διατομές είναι αρκετά συμπαγείς (compact) ώστε να μην αστοχούν σε τοπικό λυγισμό για μεγάλες στροφές. Είναι όμως αυτό αρκετό;

Και η ερώτηση είναι : «πόσο πιο πλάστιμη είναι η κατηγορία 1» όπου δεν υπάρχει (;) αστοχία σε τοπικό λυγισμό... από τις άλλες κατηγορίες και είναι σε τελική ανάλυση «ικανά» πλάστιμη

Στη διάρκεια δοκιμών στο εργαστήριο μας (ΕΜΚ ΕΜΠ) αλλά και στο RWTH του Aachen, στα πλαίσια των ερευνητικών προγραμμάτων INSTED και FUSEIS 1, Παρατηρήθηκαν γρήγορες αστοχίες σε ανακυκλιζόμενες φορτίσεις σε διατομές κατηγορίας 1, με διάρρηξη του πέλματος και άμεση απώλεια αντοχής (ολιγοκυκλική φόρτιση).

INSTED - Kαινοτόμο σύστημα δυσκαμψίας & απορρόφησης ενέργειας. Πείραμα #2: 5 συνδετήριες δοκοί δυσκαμψίας IPE 100 αστοχία

INSTED - Kαινοτόμο σύστημα δυσκαμψίας & απορρόφησης ενέργειας. Πείραμα #3.1 συνδετήριες δοκοί δυσκαμψίας SHS 80/5

Tests on frames with FUSEIS1 - RWTH

Αντίθετα, διατομές που παρουσίασαν τοπικό λυγισμό στα πέλματα, έδειξαν σημαντικά πιο πλάστιμη συμπεριφορά και πιο αποδοτικούς κύκλους υστέρησης.

Tests on frames with FUSEIS1 NTUA

Τίθεται λοιπόν ένα ερώτημα για την ορθότητα της εκτίμησης της πλαστιμότητας των διατομών, σε ανακυκλιζόμενες φορτίσεις, σύμφωνα με τις διατάξεις των EC3 και EC4

Η αντιμετώπιση όμως του σεισμικού προβλήματος με πλαισιακή λειτουργία, πλαίσια ροπής, είναι μία μέθοδος με πλεονεκτήματα αλλά και μειονεκτήματα.

Στα δομικά συστήματα όπου η οριζόντια δυσκαμψία και αντοχή, εξασφαλίζονται με πλαίσια ροπής, Το βασικό πλεονέκτημα είναι η πλαστιμότητα, με σύγχρονο όμως ικανοτικό σχεδιασμό κόμβων, και τα μειονεκτήματα είναι: η μικρή δυσκαμψία, ο ασαφής διαχωρισμός των λειτουργιών των στοιχείων του φορέα που συμμετέχουν στην παραλαβή οριζοντίων και κατακόρυφων φορτίων και η, εξ αιτίας αυτής της σύνθετης λειτουργίας, δυσκολία επισκευής και αντικατάστασης δοκών.

Οπότε ας δούμε μια ουσιαστική βελτίωση του πλαισιακού σχεδιασμού Σεισμικά φορτία: Προσθέτοντας σε οποιαδήποτε θέση, ένα δίστυλο πολυώροφο πλαίσιο, με ελεγχόμενη δυσκαμψία και αντοχή Κατακόρυφα φορτία, για μέγιστο και σεισμικό συνδυασμό

Μια κατακόρυφη vierendeel, στοιχείο ιδιαίτερα πλάστιμο, Σχεδιασμένο ειδικά για τα οριζόντια (σεισμικά) φορτία, που αποφορτίζει το υπόλοιπο πλαίσιο και περιορίζει τυχόν αστοχίες στην άμεση περιοχή του (σύστημα INSTED)

Με την ελεγχόμενη σχέση δυσκαμψίας και αντοχής, μεταξύ πλαισίου και INSTED μπορούμε να σχεδιάσουμε ώστε οι πλάστιμες περιοχές να βρίσκονται μόνον στο INSTED, Ρηγματωμένη ανάλυση Σεισμική φόρτιση

Η απορρόφηση ενέργειας γίνεται από τα πλάστιμα στοιχεία του INSTED και το υπόλοιπο πλαίσιο διατηρεί την δομική του ακεραιότητα, για πολύ μεγαλύτερους σεισμούς. Μία ιδιαίτερα επιθυμητή δεύτερη γραμμή άμυνας, μετά την αρχική σημαντική απορρόφηση ενέργειας, από τις πλαστικές αρθρώσεις του INSTED Ρηγματωμένη ανάλυση Σεισμική φόρτιση

Λόγω των μικρότερων σεισμικών απαιτήσεων στις στηρίξεις των δοκών του πλαισίου, μπορούμε να κάνουμε ένα ακόμη βήμα, στο σύμμικτο σχεδιασμό,

Απομειώνοντας ακόμη περισσότερο, την διατομή στην στήριξη:

Απομειώνουμε πραγματικά και υπολογιστικά (με ρηγματωμένη ανάλυση) την δυσκαμψία στα ακραία τμήματα, με μόνον το μεταλλικό τμήμα, αλλά και μικρότερη διατομή στις περιοχές των στηρίξεων. Ρηγματωμένη ανάλυση

Οπότε και η απομείωση γίνεται ακόμη πιο δελεαστική Και η συμπεριφορά του όλου δομήματος προσαρμόζεται ιδανικά στις σύμμικτες ιδιότητες. Ρηγματωμένη ανάλυση Σεισμική φόρτιση

Και τελειώνοντας δύο λόγια για το INSTED ή FUSEIS 1

Σε πολυώροφα μεταλλικά κτίρια η οριζόντια δυσκαμψία και αντοχή, συνήθως εξασφαλίζονται με, πλαίσια ροπής, αντιδιαγωνίους συνδέσμους δυσκαμψίας, χωρίς εκκεντρότητα αντιδιαγωνίους συνδέσμους δυσκαμψίας, με εκκεντρότητα

Στα δομικά συστήματα όπου η οριζόντια δυσκαμψία και αντοχή, εξασφαλίζονται με πλαίσια ροπής, Το βασικό πλεονέκτημα είναι η πλαστιμότητα, με σύγχρονο όμως ικανοτικό σχεδιασμό κόμβων, και τα μειονεκτήματα είναι, η μικρή δυσκαμψία, ο ασαφής διαχωρισμός των λειτουργιών των στοιχείων του φορέα που συμμετέχουν στην παραλαβή οριζοντίων και κατακόρυφων φορτίων και τέλος η, εξ αιτίας αυτής της σύνθετης λειτουργίας, δυσκολία επισκευής και αντικατάστασης δοκών.

Στα δομικά συστήματα όπου η οριζόντια δυσκαμψία και αντοχή, εξασφαλίζονται με αντιδιαγωνίους συνδέσμους δυσκαμψίας, χωρίς εκκεντρότητα, το βασικό μειονέκτημα είναι, η μικρή πλαστιμότητα, από την εναλλαγή φόρτισης των συμμετεχόντων στοιχείων (διαγώνιες), και τα πλεονεκτήματα είναι: η ελεγχόμενη (μεγάλη) δυσκαμψία και ο διαχωρισμός των λειτουργιών των μελών, σε σχέση με τα κατακόρυφα και οριζόντια φορτία, που εξασφαλίζει την σχετική ευκολία επισκευής και αντικατάστασης

Πολλά από τα μειονεκτήματα αυτά αμβλύνονται (εως εξαφανίζονται) με χρήση: είτε διαγωνίων προστατευμένων έναντι λυγισμού (buckling restraint braces) με δυνατότητα ενεργοποίησης μεγάλου μήκους εναλλασσόμενης πλαστικοποίησης των διαγωνίων είτε με χρήση συνδέσεων στα άκρα των διαγωνίων με ικανότητα πλαστικής απορρόφησης ενέργειας, όπως με εγκάρσια καμπτόμενους πείρους τύπου INERD η με visco-ελαστικές συσκευές απορρόφησης ενέργειας

Τέλος στα δομικά συστήματα όπου η οριζόντια δυσκαμψία και αντοχή, εξασφαλίζονται με αντιδιαγωνίους συνδέσμους δυσκαμψίας, με εκκεντρότητα, το πλεονέκτημα είναι η μεγάλη πλαστιμότητα, και τα μειονεκτήματα, η μικρή δυσκαμψία, η απαραίτητη στην αντισεισμική λειτουργία θλιβόμενη διαγωνίος και η συμμετοχή των αναλώσιμων πλάστιμων τμημάτων των δοκών, στην παραλαβή και κατακόρυφων φορτίων, με αποτέλεσμα πάλι την δυσκολία επισκευής και αντικατάστασης.

Με βάση τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα του κάθε ενός από τα συστήματα που αναφέρθηκαν, Έχει σχεδιαστεί μία νέα διάταξη, που αντικαθιστά τους συνδέσμους σε έναν κάνναβο, με μία κατακόρυφη σύνθετη δοκό.

Η κατακόρυφη σύνθετη δοκός, μορφώνεται: από δύο ισχυρούς στύλους, από κοίλη ορθογωνική διατομή, σε πυκνή σχετικά διάταξη, που ενώνονται μεταξύ τους με οριζόντιες δοκούς, δημιουργώντας μία δοκό τύπου Vierendeel Ένα δίστυλο, πολυώροφο πλαίσιο (σε κάθε όροφο).

Αυτό το καινοτόμο σύστημα, INSTED, προσομοιάζει με ένα τοιχείο δυσκαμψίας, αλλά με τα πρόσθετα πλεονεκτήματα: της απορρόφησης ενέργειας, μέσω της πλαστικής παραμόρφωσης των δοκών και της ιδιαίτερα εύκολης επιδιόρθωσης ή και αντικατάστασης, εφ όσον απαιτηθεί.

Το προτεινόμενο αυτό σύστημα διερευνήθηκε πειραματικά, με πειράματα σε πραγματική κλίμακα, στο Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών του ΕΜΠ με παράλληλη υποστήριξη από μη γραμμικές στατικές και δυναμικές αναλύσεις. Συνεχίστηκε με πολλά πρόσθετα πειράματα στα πλαίσια του διεθνούς ερευνητικού προγράμματος FUSEIS

Η έρευνα συνεχίζεται με δυναμικές δοκιμές σε σεισμική τράπεζα, σε συνεργασία με το εργαστήριο εδαφοδυναμικής του ΕΜΠ, σε προσομοιώματα υπό κλίμακα (1:10 και 1:3.33)

Δυναμικές δοκιμές του INSTED, σε προσομοιώματα υπό κλίμακα, στη σεισμική τράπεζα του Εργαστηρίου Εδαφοδυναμικής ΕΜΠ

Το σύστημα INSTED, συγκεντρώνει όλα τα πλεονεκτήματα των συνήθων συστημάτων, χωρίς τα μειονεκτήματα τους. Είναι απόλυτα πλάστιμο, αφού βασίζεται στην ανάπτυξη πλαστικών ζωνών σε ειδικές προς τούτο, αναλώσιμες δοκούς, Είναι επιλεκτικά δύσκαμπτο, εφ όσον λόγω του διαχωρισμού της λειτουργίας των στοιχείων του φορέα, για κατακόρυφα και οριζόντια φορτία, επιλέγεται, ανεξάρτητα από τον υπόλοιπο φορέα, ο αριθμός, η θέση αλλά και οι ιδιότητες των στοιχείων δυσκαμψίας,

στο σύστημα INSTED: Τα αναλώσιμα στοιχεία δυσκαμψίας είναι προσβάσιμα, δεν συμμετέχουν στην παραλαβή κατακόρυφων φορτίων, άρα είναι εύκολα επισκευάσιμα και (εφ όσον απαιτηθεί) εύκολα αντικαταστάσιμα. Και προφέρονται, από τον διαχωρισμό λειτουργιών, για την θεώρηση που αναλύθηκε προηγούμενα.

Παρατηρώντας το διάγραμμα καμπτικών ροπών του προτεινομένου συστήματος, εύκολα διακρίνεται ότι, τα υποστυλώματα παραμένουν σχετικά άτονα, με την μεγαλύτερη ποσότητα εσωτερικής ενέργειας να πηγαίνει στις δοκούς σύνδεσης.

Οι σχετικά ισχυροί στύλοι, λειτουργούν στην ελαστική περιοχή και με μικρές παραμορφώσεις, και δοκοί που να δημιουργούν πλαστικές αρθρώσεις για ροπές από καταπονήσεις πάνω από τον σεισμό σχεδιασμού.

Με αυτό τον τρόπο, οι δοκοί μπορούν να σχεδιαστούν κατάλληλα, με επιλογή της θέσης δημιουργίας της πλαστικής άρθρωσης. Όσο μακρύτερα τοποθετείται η θέση της πλαστικής άρθρωσης της δοκού από τον κόμβο δοκού-υποστυλώματος, τόσο μικρότερη αντοχή και δυσκαμψία πρέπει να διαθέτει η δοκός, για την ίδια συνολική αντοχή και δυσκαμψία του συστήματος.

INSTED - Kαινοτόμο σύστημα δυσκαμψίας & απορρόφησης ενέργειας. Μία συνδετήρια δοκός δυσκαμψίας IPE 100

Ισοδυναμεί με 2 δίδυμες συνδετήριες κεντρικές ράβδους ορθογωνικής διατομής 2*12/30

ή μία συνδετήρια κεντρική ράβδο, κυκλικής διατομής Φ33

Για την πειραματική διερεύνηση, χρησιμοποιήθηκε μια νέα συσκευή δοκιμών, που σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ειδικά. Η συσκευή είχε την δυνατότητα να υλοποιήσει πειράματα σε φυσική κλίμακα, για έναν τυπικό όροφο κτιρίου, με μεικτό ύψος 3.40 m. 3,40 m

INSTED - Kαινοτόμο σύστημα δυσκαμψίας & απορρόφησης ενέργειας. Η συσκευή στο εργαστήριο μεταλλικών κατασκευών του ΕΜΠ

Μερικά επιλεγμένα πειράματα:

INSTED - Kαινοτόμο σύστημα δυσκαμψίας & απορρόφησης ενέργειας. Πείραμα #2: 5 συνδετήριες δοκοί δυσκαμψίας IPE 100

INSTED - Kαινοτόμο σύστημα δυσκαμψίας & απορρόφησης ενέργειας. Πείραμα #2: 5 συνδετήριες δοκοί δυσκαμψίας IPE 100 αστοχία

INSTED - Kαινοτόμο σύστημα δυσκαμψίας & απορρόφησης ενέργειας. Πείραμα #2: 5 συνδετήριες δοκοί δυσκαμψίας, IPE 100 Οι βρόχοι υστέρησης. και η σύγκριση τους με την μία δοκό. Exp 1b+c - 5 IPE 100 125 100 75 50 Displ Δx (mm) 25 0-150 -125-100 -75-50 -25-25 0 25 50 75 100 125 150-50 -75-100 -125 Force Px (Kn)

Πείραμα #5: 5*2 δίδυμες συνδετήριες κεντρικές ράβδοι ορθογωνικής διατομής 2*12/30

Πείραμα #5: 5*2 δίδυμες συνδετήριες κεντρικές ράβδοι ορθογωνικής διατομής 2*12/30 Οι βρόχοι υστέρησης. και η σύγκριση τους με 5 IPE 100. Exp 1b+c - 5 IPE 100 125 100 75 50 Displ Δx (mm) 25 0-150 -125-100 -75-50 -25-25 0 25 50 75 100 125 150-50 -75-100 -125 Force Px (Kn)

Πείραμα #11: 1 συνδετήρια κεντρική ράβδος κυκλικής διατομής Φ33 με μονόπλευρο σπείρωμα

Πείραμα #11: 1 συνδετήρια κεντρική ράβδος κυκλικής διατομής Φ33 με μονόπλευρο σπείρωμα Κοχλίωση η ελεύθερη στήριξη ελεύθερη στήριξη σε καμπύλο υποδοχέα

Πείραμα #11: 1 συνδετήρια κεντρική ράβδος κυκλικής διατομής Φ33 με μονόπλευρο σπείρωμα

Πείραμα #11: 1 συνδετήρια κεντρική ράβδος κυκλικής διατομής Φ33 με μονόπλευρο σπείρωμα Οι βρόχοι υστέρησης. και η σύγκριση τους με 1 IPE 100.

Πείραμα #12: 1 συνδετήρια κεντρική ράβδος κυκλικής διατομής Φ33 με αμφίπλευρο σπείρωμα Οι βρόχοι υστέρησης. και η σύγκριση τους με μονόπλευρο.

Ίσως το ιδανικό συνδετήριο στοιχείο:

Σας ευχαριστώ για την παρουσία σας και την προσοχή σας