Ξύλινες Κατασκευές και Σεισμοί - - Οι Συνδέσεις Άρης B. Αβδελάς Καθηγητής Eργ. Μεταλλικών Κατασκευών Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών A.Π.Θ.
Aντικείμενο Η κατανόηση της συμπεριφοράς των συνδέσεων των ξύλινων κατασκευών σε σεισμογενείς περιοχές
Γενικά Η ικανότητα μιας κατασκευής 1. Nα αναπτυχθούν πλαστικές παραμορφώσεις στα δομικά στοιχεία της και 2. Nα απορροφήσει ενέργεια χωρίς να αστοχήσει είναι βασικά στοιχεία της ικανότητας της κατασκευής να παραλάβει σεισμικές δυνάμεις.
Γενικά Μία κατασκευή με πλαστικούς κόμβους και με κόμβους απελευθέρωσης ενέργειας αντέχει μεγαλύτερες σεισμικές δυνάμεις από μια ίδια κατασκευή όπου οι κόμβοι είναι άκαμπτοι και χωρίς δυνατότητα απελευθέρωσης ενέργειας. Στις ξύλινες κατασκευές πρέπει να έχουμε επιπλέον υπόψη μας ότι:
Πρόσθετα στοιχεία για κατασκευές από ξύλο Υπό εναλλασσόμενη φόρτιση τα δομικά στοιχεία από ξύλο έχουν γενικά γραμμική ελαστική συμπεριφορά. Καθαρό ξύλο
Η αστοχία είναι ψαθυρή, κυρίως λόγω της ύπαρξης φυσικών ατελειών όπως οι ρόζοι, και η απελευθέρωση ενέργειας είναι μικρή, με πιθανή εξαίρεση σε περιοχές με θλίψη κάθετα στις ίνες. Οι κολλητές συνδέσεις συμπεριφέρονται επίσης γραμμικά-ελαστικά και επομένως ούτε αυτές συνεισφέρουν στην πλαστική συμπεριφορά της κατασκευής ή στην απελευθέρωση ενέργειας.
Επομένως θα μπορούσε να θεωρηθεί ότι οι ξύλινες κατασκευές όταν έχουν κολλητές συνδέσεις και μέλη συνδεδεμένα με τέλειες αρθρώσεις δεν έχουν πλαστική συμπεριφορά και δεν μπορούν να απελευθερώσουν ενέργεια. Δεν είναι όμως έτσι:
Υπάρχει η δυνατότητα απελευθέρωσης ενέργειας και πλαστικής συμπεριφοράς αν οι συνδέσεις ανάμεσα στα δομικά στοιχεία είναι "ημιάκαμπτες" (όπως είναι οι περισσότερες συνδέσεις με μηχανικά μέσα σύνδεσης) και όχι "άκαμπτες" (όπως είναι οι κολλητές).
Ημιάκαμπτες Συνδέσεις: Συνδέσεις με σημαντική ευκαμψία της οποίας η επιρροή πρέπει να παίρνεται υπόψη στην στατική επίλυση (δες ΕΚ 5-π.χ. συνδέσεις μορφής βλήτρου) Άκαμπτες Συνδέσεις: Συνδέσεις με αμελητέα ευκαμψία (δες ΕΚ 5-π.χ. κολλητές συνδέσεις συμπαγούς ξυλείας)
Συνδέσεις με μηχανικά μέσα σύνδεσης Μορφής Βλήτρου: ήλοι, συνδετήρες, ξυλόβιδες, βλήτρα, κοχλίες κλπ) φορτιζόμενα κάθετα στον άξονά τους. Ήλοι Συνδετήρες
Αποκατάσταση Συνέχειας με Συνδετήρες
Ξυλόβιδες
βλήτρα
Σύνθλιψη της άντυγας του ξύλου από τον κοχλία ο οποίος παραμένει ευθύγραμμος (δεν παραμορφώνεται) Κοχλίες
Πλαστιμότητα D = πλαστιμότητα F = φορτίο ν = ολίσθηση Μηχανικές συνδέσεις: Παρουσιάζουν πολύ καλή πλαστική συμπεριφορά, υπό την προϋπόθεση τήρησης των αποστάσεων από τα άκρα που επιβάλλει ο Ευρωκώδικας 5 (ΕΚ5). Αυτό οφείλεται τόσο στην συμπεριφορά του ξύλου όσο και στην πλαστική συμπεριφορά και τη δυνατότητα απελευθέρωσης ενέργειας των μέσων σύνδεσης από χάλυβα.
Κυκλική συμπεριφορά Κατά τη σεισμική διέγερση εμφανίζεται κυκλική φόρτιση με αντιστροφή της καταπόνησης μέσα σε δευτερόλεπτα. Αυτό μπορεί να προκαλέσει κενό γύρω από το μέσο σύνδεσης το οποίο πλέον δεν υποστηρίζεται στους επόμενους κύκλους της επιπόνησης.
Συνέπειες της κυκλικής φόρτισης Με εξόλκευση
"Στενοί" κύκλοι φόρτισης Συνέπεια του κενού γύρω από τον μέσο σύνδεσης (βλήτρο) F = δύναμη, t = χρόνος, ν = ολίσθηση
t = εφελκυσμός c = θλίψη (α) Απελευθέρωση ενέργειας από το ξύλο και από το μέσο σύνδεσης (βλήτρο) (b) Απελευθέρωση ενέργειας μόνο από το ξύλο (πολύ ισχυρό και άκαμπτο μέσο σύνδεσης) (c) Μέσο σύνδεσης χαλύβδινες λάμες με "δόντια" ("ευρύς" κύκλος φόρτισης). Αστοχία από ψαθυρή θραύση του χάλυβα ή από απότομη εξόλκευση των δοντιών
Κυκλική Φόρτιση Κανόνες για την αποφυγή απώλειας αντοχής Χρήση μέσων σύνδεσης που: Δεν εξολκεύονται εύκολα Δεν κινδυνεύουν από ψαθυρή αστοχία Διατηρούν ενιαία συμπεριφορά υπό επαναλαμβανόμενη φόρτιση
Υστερητική απελευθέρωση ενέργειας Στην ανελαστική περιοχή εκτιμάται της τάξης το 8-10% Στην ελαστική περιοχή είναι κατ' αρχήν μηδέν. Παίρνεται συνήθως ίση με 5% λόγω της τριβής μεταξύ των στοιχείων της σύνδεσης και της θλίψης κάθετα προς τις ίνες
Συμπεριφορά Συνδέσεων Βασική προϋπόθεση για να μην έχουμε ψαθυρή θραύση λόγω απόσχισης είναι η τήρηση των ελάχιστων αποστάσεων μεταξύ των μέσων σύνδεσης καθώς και των αποστάσεων από τα άκρα που δίνει ο ΕΚ5. Αποστάσεις του ΕΚ5 Αύξηση της πλαστιμότητας
Βελτίωση της πλαστιμότητας των Μεγαλύτερες αποστάσεις μεταξύ των μέσων σύνδεσης (ΜΣ) Χρήση μέσων σύνδεσης από μαλακό χάλυβα Χρήση μέσων σύνδεσης με αυξημένη ευκαμψία Μέσα σύνδεσης μορφής ήλου, βίδας κλπ: Αποφυγή λείων ήλων συνδέσεων Ι Αύξηση μήκους αν υπάρχει κίνδυνος εξόλκευσης Ευκαμψία τουλάχιστον 8 Πάχος Ξύλου = Διάμετρος ΜΣ
Βελτίωση της πλαστιμότητας των συνδέσεων ΙΙ Μέσα σύνδεσης μορφής βλήτρου: Υπάρχει δυνατότητα, ανάλογα με την ευκαμψία να έχουμε απελευθέρωση ενέργειας τόσο από τον χάλυβα όσο και από το ξύλο Ευκαμψία τουλάχιστον 8 Χοντρά βλήτρα+κανονικές αποστάσεις = η πλαστιμότητα εξαρτάται μόνο από το ξύλο
Βελτίωση της πλαστιμότητας των συνδέσεων ΙΙΙ Μέσα σύνδεσης μορφής κοχλία: Πρέπει να κατασκευάζονται με μεγάλη ακρίβεια. Οι μεγάλες οπές λόγω των κατασκευαστικών ανοχών προκαλούν ανομοιόμορφη κατανομή του φορτίου δεν γίνεται ανακατανομή της δύναμης Εύκαμπτα Καλό είναι να αποφεύγονται διάμετροι άνω των 16 mm (μεγάλη ακαμψία = μειωμένη απελευθέρωση ενέργειας)
Βελτίωση της πλαστιμότητας των συνδέσεων ΙV Μέσα σύνδεσης χαλύβδινες λάμες με"δόντια": Καλή πλαστική συμπεριφορά Προσοχή στις αποστάσεις για να αποφεύγεται η απόσχιση
Βελτίωση της πλαστιμότητας των συνδέσεων ΙV Μέσα σύνδεσης διάτρητες μεταλλικές λεπίδες: Η πιθανότητα ψαθυρής αστοχίας της λεπίδας και εξόλκευσης υπό κυκλική φόρτιση επιβάλλουν έλεγχο με πρότυπες δοκιμές
Ευρωκώδικας 8: Αντισεισμικός Σχεδιασμός των Κατασκευών Mέρος 1: Γενικοί Κανόνες, Σεισμικές Δράσεις και Κανόνες για Κτίρια
Οδηγίες του Ευρωκώδικα 8 Σχεδιασμός = Ο σχεδιασμός των σύμμικτων αντισεισμικών κατασκευών θα γίνεται σύμφωνα με μία από τις εξής παραδοχές (concept): a) Δομική συμπεριφορά απελευθέρωσης ενέργειας b) Δομική συμπεριφορά χαμηλής απελευθέρωσης ενέργειας
Οδηγίες του Ευρωκώδικα 8 Δομική συμπεριφορά απελευθέρωσης ενέργειας Παίρνεται υπόψη η ικανότητα των ζωνών απελευθέρωσης ενέργειας να αντέξουν τις σεισμικές δράσεις εκτός της ελαστικής περιοχής τους. Ο συντελεστής συμπεριφοράς q 1,5 Η τιμή του q εξαρτάται από την κατηγορία πλαστιμότητας (DCL, DCM, DCH) Oι κατασκευές πρέπει να ανήκουν στις κατηγορίες DCM ή DCH
Συντελεστής συμπεριφοράς q Προϋπόθεση: οι κόμβοι έχουν πλαστική συμπεριφορά και δυνατότητα απελευθέρωσης ενέργειας
Ο Συντελεστής συμπεριφοράς q προφανώς είναι q = 1 στην περίπτωση των πλήρως ελαστικών κατασκευών. DCL = Ductility Class Low DCM = Ductility Class Medium DCH = Ductility Class High
Οδηγίες του Ευρωκώδικα 8 Σχεδιασμός = Ο σχεδιασμός των αντισεισμικών κατασκευών από ξύλο θα γίνεται σύμφωνα με μία από τις εξής παραδοχές (concept): a) Δομική συμπεριφορά απελευθέρωσης ενέργειας b) Δομική συμπεριφορά χαμηλής απελευθέρωσης ενέργειας
Οδηγίες του Ευρωκώδικα 8 Δομική συμπεριφορά απελευθέρωσης ενέργειας Μία κατασκευή που ανήκει σε μία δεδομένη κατηγορία πλαστιμότητας, πρέπει να πληροί συγκεκριμένες απαιτήσεις σε ένα ή περισσότερα από τα ακόλουθα: Δομικός τύπος Τύπος και ικανότητα στρεπτικής πλαστιμότητας των συνδέσων Οι ζώνες απελευθέρωσης ενέργειας θα βρίσκονται σε κόμβους και συνδέσεις, ενώ τα ίδια τα δομικά στοιχεία από ξύλο θεωρούνται ότι συμπεριφέρονται ελαστικά
Οδηγίες του Ευρωκώδικα 8 Δομική συμπεριφορά χαμηλής απελευθέρωσης ενέργειας Αποτελέσματα δράσεων: Υπολογίζονται με ελαστική συνολική ανάλυση (όχι μη-γραμμική συμπεριφορά του υλικού) Ο συντελεστής συμπεριφοράς q 1,5 Υπολογισμός των μελών κατά ΕΚ5, χωρίς πρόσθετες απαιτήσεις (DCL).
Οδηγίες του Ευρωκώδικα 8 Υλικά και ιδιότητες των ζωνών απελευθέρωσης ενέργειας Κατά την εφαρμογή της παραδοχής δομικής συμπεριφοράς απελευθέρωσης ενέργειας θα πρέπει να τηρούνται οι εξής προϋποθέσεις: Μόνο υλικά και μηχανικά μέσα σύνδεσης που εξασφαλίζουν κατάλληλη συμπεριφορά σε κόπωση χαμηλού κύκλου μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συνδέσεις που θεωρούνται ζώνες απελευθέρωσης ενέργειας Οι κολλητές συνδέσεις δεν θα θεωρούνται ζώνες απελευθέρωσης ενέργειας
Οδηγίες του Ευρωκώδικα 8 Υλικά και ιδιότητες των ζωνών απελευθέρωσης ενέργειας Συνδέσεις ξυλουργού μπορούν να χρησιμοποιούνται μόνον εφόσον εξασφαλίζουν επαρκή ικανότητα απελευθέρωσης ενέργειας, χωρίς κίνδυνο ψαθυρής θραύσης από διάτμηση ή εφελκυσμό κάθετα στις ίνες. Η απόφαση για τη χρήση τους θα βασίζεται σε αποτελέσματα κατάλληλων δοκιμών.
Οδηγίες του Ευρωκώδικα 8 Τα παρακάτω ισχύουν για αντισεισμικά τμήματα κατασκευών που έχουν σχεδιασθεί με την παραδοχή της δομικής συμπεριφοράς απελευθέρωσης ενέργειας (DCM, DCH) Κατασκευές με ζώνες απελευθέρωσης ενέργειας θα σχεδιάζονται έτσι ώστε αυτές οι ζώνες να βρίσκονται σε τέτοιες περιοχές της κατασκευής ώστε διαρροή, τοπικός λυγισμός ή άλλα φαινόμενα που προκαλούνται από την υστερητική συμπεριφορά, να μην επηρεάζουν τη συνολική ευστάθεια της κατασκευής.
Οδηγίες του Ευρωκώδικα 8 Θλιβόμενα μέλη και οι συνδέσεις τους (π.χ. συνδέσεις ξυλουργού) που μπορεί να αστοχήσουν λόγω παραμορφώσεων από αντιστροφή φορτίου, θα σχεδιάζονται έτσι ώστε να εμποδίζεται ο αποχωρισμός τους και να παραμένουν στην αρχική τους θέση. Σε περίπτωση εφελκυσμού κάθετα στις ίνες, πρόσθετα μέτρα θα πρέπει να παρθούν για την αντιμετώπιση του κινδύνου απόσχισης (π.χ. με την ήλωση πλακών μεταλλικών ή από κόντρα πλακέ)
Kάμψη Eφελκυσμός στις Iνες Eφελκυσμός ꓕστις Iνες Θλίψη στις Iνες Θλίψη ꓕστις Iνες fm,k ft,0,k ft,90,k fc,0,k fc,90,k Διάτμηση και Στρέψη fv,k Mέτρο Eλαστ. στις Iνες E0,mean Mέτρο Eλαστ. στις Iνες E0,05 Mέτρο Eλαστ. ꓕστις Iνες E90,mean Mέτρο Διάτμησης Πυκνότητα Gmean ρk
Συνδέσεις Ξυλουργού: Συνδέσεις στις οποίες τα φορτία μεταφέρονται με την επαφή και χωρίς μηχανικά μέσα σύνδεσης
Οδηγίες της FEMA (Federal Emergency Management Agency) Διαφράγματα από ξύλο
Διαφράγματα από ξύλο-αντιμετώπιση ανεπάρκειας σε τέμνουσα Techniques. Deficient shear capacity of existing timber diaphragms can be improved by: 1. Increasing the capacity of the existing timber diaphragm by providing additional nails or staples with due regard for wood splitting problems. 2. Increasing the capacity of the existing timber diaphragm by means of a new plywood overlay. 3. Reducing the diaphragm span through the addition of supplemental vertical-resisting elements (i.e., shear wall or braced frames-σχήμα)
Διαφράγματα από ξύλο-αντιμετώπιση ανεπάρκειας σε αξονικές δυνάμεις Techniques. Deficient diaphragm chord capacity can be improved by: 1. Providing adequately nailed or bolted continuity splices along joists or fascia parallel to the chord (σχήμα). 2. 2. Providing a new continuous steel chord member along the top of the diaphragm. 3. Reducing the stresses on the existing chords by reducing the diaphragm's span through the addition of new shear walls or braced frames.
Διαφράγματα από ξύλο-αντιμετώπιση ανεπάρκειας σε διάτμηση σε θέσεις ανοιγμάτων Techniques. Excessive shear stresses at diaphragm openings or other plan irregularities can be improved by: 1. Reducing the local stresses by distributing the forces along the diaphragm by means of drag struts* (σχήμα). 2. Increasing the capacity of the diaphragm by overlaying the existing diaphragm with plywood and nailing the plywood through the sheathing at the perimeter of the sheets adjacent to the opening or irregularity. 3. Reducing the diaphragm stresses by reducing the diaphragm spans through the addition of supplemental shear walls or braced frames. *drag strut=στοιχείο του διαφράγματος παράλληλο προς τη δύναμη που παραλαμβάνει και μεταφέρει στα κατακόρυφα φέροντα στοιχεία
Διαφράγματα από ξύλο-αντιμετώπιση ανεπάρκειας σε ακαμψία Techniques. Excessive seismic displacement of an existing timber diaphragm can be prevented by: 1. Increasing the stiffness of the diaphragm by the addition of a new plywood overlay. 2. Reducing the diaphragm span and, hence, reducing the displacements by providing new supplemental verticalresisting elements such as shear walls or braced frames.