Η απόλυτη μέθοδος αντισεισμικού σχεδιασμού
Ioannis N. Lymperis .. Independent researcher
Ios Island, Cyclades ZIP Code 84001, Greece. Date Written: 14/11/2023
Λέξεις-κλειδιά
Vibration, Control-System, Anti-Seismic, Earthquakes, Construction
Περίληψη
Οι μηχανισμοί σχεδιασμού και οι μέθοδοι της εφεύρεσης αποσκοπούν στην ελαχιστοποίηση των προβλημάτων που σχετίζονται με την ασφάλεια των κατασκευών σε περίπτωση φυσικών φαινομένων, όπως σεισμοί, ανεμοστρόβιλοι και ισχυροί άνεμοι. Αυτό επιτυγχάνεται με τον έλεγχο των παραμορφώσεων της κατασκευής. Οι βλάβες και οι παραμορφώσεις είναι έννοιες στενά συνδεδεμένες, αφού ο έλεγχος των παραμορφώσεων ελέγχει και τις βλάβες. Η μέθοδος σχεδιασμού της εφαρμογής τεχνητής συμπίεσης στα άκρα όλων των διαμήκων τοιχωμάτων από οπλισμένο σκυρόδεμα και, ταυτόχρονα, της σύνδεσης των άκρων των τοιχωμάτων με το έδαφος μέσω αγκυρίων εδάφους που τοποθετούνται στα βάθη των γεωτρήσεων, μεταφέρει τις αδρανειακές τάσεις της κατασκευής στο έδαφος, το οποίο αντιδρά ως εξωτερική δύναμη στην απόκριση της κατασκευής στις σεισμικές μετατοπίσεις. Ο τοίχος με την τεχνητή συμπίεση αποκτά δυναμική, μεγαλύτερη ενεργό διατομή και υψηλή αξονική και στροφική δυσκαμψία, αποτρέποντας όλες τις αστοχίες που προκαλούνται από ανελαστική παραμόρφωση. Συνδέοντας τα άκρα όλων των τοιχωμάτων με το έδαφος, ελέγχουμε την ιδιοσυχνότητα της κατασκευής και του εδάφους κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου σεισμικής φόρτισης, αποτρέποντας τις ανελαστικές μετατοπίσεις. Ταυτόχρονα, εξασφαλίζουμε την ισχυρή φέρουσα ικανότητα του εδάφους θεμελίωσης και της κατασκευής Με τον σωστό σχεδιασμό των τοιχωμάτων και την τοποθέτησή τους στις κατάλληλες θέσεις, αποτρέπουμε τον στρεπτικό καμπτικό λυγισμό που εμφανίζεται σε ασύμμετρες κατασκευές, ασύμμετρες κατόψεις και μεταλλικές και ψηλές κατασκευές. Η συμπίεση των διατομών των τοιχωμάτων στα άκρα και η αγκύρωσή τους στο έδαφος μετριάζει τη μεταφορά των παραμορφώσεων στους κόμβους σύνδεσης, ενισχύει τη διατομή του τοιχώματος όσον αφορά τη διατμητική δύναμη βάσης και τη διατμητική τάση των διατομών, αυξάνει την αντοχή των διατομών στον εφελκυσμό στα άκρα των τοιχωμάτων με την εισαγωγή αντίρροπων θλιπτικών δυνάμεων. Η χρήση τενόντων εντός των αγωγών αποτρέπει τη διαμήκη διάτμηση στο σκυρόδεμα επικάλυψης, ενώ η αγκύρωση των τοιχωμάτων στη θεμελίωση όχι μόνο διαχέει τις αδρανειακές δυνάμεις στο έδαφος αλλά και αποτρέπει την περιστροφή των τοιχωμάτων, διατηρώντας έτσι τη δομική ακεραιότητα των δοκών. Η προένταση στα αμφίπλευρα άκρα των τοιχωμάτων επαναφέρει την κατασκευή στην αρχική της θέση ακόμη και σε ανελαστικές μετατοπίσεις, κλείνοντας το άνοιγμα των αναπτυσσόμενων ρωγμών.
1. Εισαγωγή.
Η εκτεταμένη έρευνά μου, που καλύπτει τους κλάδους της πολιτικής μηχανικής, της γεωλογικής μηχανικής και της μηχανολογίας, αποτελεί μια καινοτόμο και διεπιστημονική προσέγγιση στο κρίσιμο ζήτημα της απόκρισης των κατασκευών σε σεισμικές μετατοπίσεις. . Υπήρξε μια σημαντική αλλαγή στη σκέψη στον τομέα των αντισεισμικών κατασκευών. Αντί της απλής προσθήκης περισσότερης μάζας και οπλισμού, η οποία παραδόξως αυξάνει τα σεισμικά φορτία και το κόστος, έρχονται στο προσκήνιο νέες καινοτόμες λύσεις, οι οποίες αφενός εκμεταλλεύονται εξωτερικές δυνάμεις που προέρχονται από το έδαφος, για να βελτιώσουν τη δυναμική απόκριση των κατασκευών, συνδυάζοντας τα προεντεταμένα άκρα των διαμήκων τοιχωμάτων από οπλισμένο σκυρόδεμα, τα οποία αποκτούν πλήρως ενεργές, δύσκαμπτες και δυναμικές διατομές, χωρίς να προσθέτουν πρόσθετη μάζα, η οποία αυξάνει την αδράνεια και το κόστος.
Ο αμφίπλευρα στερεωμένος τοίχος με το έδαφος εκτρέπει τις θλιπτικές και εφελκυστικές ορθές δυνάμεις στο έδαφος και επιτρέπει στο έδαφος να συμμετέχει στην παραλαβή της έντασης, ενισχύοντας την απόκριση της κατασκευής στις σεισμικές μετατοπίσεις, αποτρέπει τη δημιουργία μεγάλων ροπών στους κόμβους λόγω του γεγονότος ότι σταματά τη στροφή των τοίχων και αυξάνει τη δυσκαμψία του κορμού τους διατηρώντας έτσι την κατακόρυφη θέση των τοίχων κατά την ταλάντωση του σεισμού αποτρέποντας την παραμόρφωση των δοκών, προ-συμπυκνώνει το έδαφος προς όλες τις κατευθύνσεις, μεταφέρει τα φορτία της κατασκευής βαθιά στο έδαφος όπου υπάρχουν ισχυρότερες περιοχές, μειώνει το κόστος θεμελίωσης.
Η ενσωμάτωση αυτής της τεχνολογίας σεισμικού σχεδιασμού, η οποία βασίζεται σε μηχανισμούς συμπίεσης των άκρων των διαμήκων τοιχωμάτων και ταυτόχρονης αγκύρωσής τους στο έδαφος θεμελίωσης, υπόσχεται να αυξήσει σημαντικά τη φέρουσα ικανότητα της κατασκευής υπό την επίδραση ισχυρής σεισμικής διέγερσης. Η ενδελεχής ανάλυση των αποτελεσμάτων της προκαταρκτικής προσομοίωσης και της μαθηματικής διερεύνησης, η οποία προσδιορίζει μεθοδικά τις αποκλίσεις, ο προσδιορισμός των ορθογωνίων αξονικών δυνάμεων και η καταγραφή τους σε πίνακες, η οποία προσδιορίζει τα φορτία που πρέπει να απορροφηθούν από το έδαφος, τα συγκρίσιμα σεισμικά πειράματα υπό κλίμακα σε σεισμική βάση και η γεωλογική πειραματική διερεύνηση τόσο του εδάφους όσο και του μηχανισμού αγκύρωσης, υπογραμμίζουν την ύψιστη σημασία της ακρίβειας και της μεθοδολογικής αυστηρότητας στην έρευνα και την ανάλυση.
Η ικανότητα της μεθοδολογίας να μετριάζει τις παραμορφώσεις, να εξαλείφει τις εφελκυστικές δυνάμεις και ροπές και να αυξάνει την ενεργό διατομή των τοιχωμάτων, αποτρέποντας τη διατμητική αστοχία της επικάλυψης σκυροδέματος κατά μήκος των χαλύβδινων ράβδων, που αναπτύσσεται στη διεπιφάνεια σκυροδέματος-χάλυβα λόγω της ανώτερης εφελκυστικής αντοχής του χάλυβα και της χαμηλής διατμητικής αντοχής του σκυροδέματος, παρουσιάζει μια ιδιαίτερα ενθαρρυντική μέθοδο σχεδιασμού φθηνών και ανθεκτικών σε σεισμούς κατασκευών. Επιπλέον, το πρόβλημα στην αναντιστοιχία μεταξύ της υπέρτατης εφελκυστικής αντοχής του χάλυβα και της μικρής διατμητικής αντοχής του σκυροδέματος, το οποίο επιλύθηκε με τη μεθοδολογία σχεδιασμού που αναπτύσσω, αναδεικνύει τις συχνά παραγνωρισμένες πολυπλοκότητες της συμπεριφοράς των υλικών κατά τη διάρκεια σεισμικών γεγονότων. Η διαρκής προσπάθειά μου να αντιμετωπίσω αυτές τις πολυπλοκότητες έχει ως στόχο να διαμορφώσει σημαντικά την ανάπτυξη οικονομικά αποδοτικών και στιβαρών μεθοδολογιών σεισμικής δόμησης.
Αν και οι οικονομικές και επιστημονικές προκλήσεις αναγνώρισης που αντιμετωπίζω είναι αναμφίβολα τεράστιες, η ακλόνητη αφοσίωσή μου σε αυτή την καίρια έρευνα υπογραμμίζει τη δυνατότητά της να φέρει επανάσταση στον τομέα, προωθώντας τελικά ασφαλέστερα και φθηνότερα αστικά περιβάλλοντα έναντι σεισμικών κινδύνων.
Η εύρεση της βέλτιστης ισορροπίας μεταξύ ελαστικότητας, ολκιμότητας, δυναμικής και αποδοτικότητας κόστους παραμένει μια συνεχής πρόκληση. Ενώ τα ελαστικά υποστυλώματα και τα άκαμπτα τοιχώματα έχουν το καθένα τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά του, μια πιθανή λύση με την τοποθέτηση επιμήκων τοιχωμάτων με προεντεταμένα και στερεωμένα στο έδαφος άκρα αναδεικνύεται ως μια πολλά υποσχόμενη αλλά ανεκμετάλλευτη προσέγγιση. Αυτά τα επιμήκη τοιχώματα με ενσωματωμένα και προεντεταμένα άκρα προσφέρουν τη δυνατότητα να ενισχύσουν τη σεισμική ανθεκτικότητα των κατασκευών και των εδαφών στην ανακατεύθυνση των σεισμικών δυνάμεων τόσο με την εκτροπή της τάσης στο έδαφος και με την ενεργό συμμετοχή του εδάφους στην απόκριση της κατασκευής στις σεισμικές μετατοπίσεις, αυξάνοντας τη φέρουσα ικανότητα της κατασκευής. Ελέγχουμε πλέον τον συντονισμό της κατασκευής με το έδαφος, αφού έχουμε τη δυνατότητα, μέσω της δυναμικής συμμετοχής του εδάφους, να μετριάσουμε τη μετατόπιση σε κάθε κύκλο σεισμικής φόρτισης. Με τη δυναμική συμμετοχή του εδάφους και τα δύσκαμπτα τοιχώματα ελέγχουμε την ταλάντωση της κατασκευής έτσι ώστε να μετατοπίζεται εντός του εύρους των ελαστικών μετατοπίσεων, εξαλείφοντας τις ανελαστικές μετατοπίσεις ανεξάρτητα από το μέγεθος της επιτάχυνσης και τη διάρκεια του σεισμικού γεγονότος. Το έδαφος θεμελίωσης ενισχύεται με τη χρήση αγκυρίων επειδή συμπυκνώνεται προς κάθε κατεύθυνση πριν από την κατασκευή του κτιρίου και τα δείγματα εδάφους που συλλέγονται από τη διάνοιξη γεωτρήσεων αποκαλύπτουν την ποιότητα του εδάφους θεμελίωσης πριν από την ανέγερση της κατασκευής. Αυτή η καινοτόμος ιδέα υπόσχεται όχι μόνο να βελτιώσει τη δομική απόδοση αλλά και να αντιμετωπίσει τις ανησυχίες σχετικά με το κόστος, μειώνοντας σημαντικά την ανάγκη για υλικά ενίσχυσης, φέρνοντας ενδεχομένως επανάσταση στις πρακτικές σεισμικού σχεδιασμού στον κατασκευαστικό κλάδο. Επιπλέον, η μέθοδος όταν εφαρμόζεται σε προκατασκευασμένα σπίτια από οπλισμένο σκυρόδεμα τα οποία έχουν διαμήκεις τοίχους διπλού μοχλού, ( ύψος και πλάτος ) αυξάνουν την αποδοτικότητα του σχεδιασμού, αυξάνουν το ύψος των ορόφων, μειώνουν το κόστος σε σχέση με τις συμβατικές κατοικίες, αφού ως βιομηχανοποιημένα προϊόντα παραγωγής είναι 30 έως 50% φθηνότερα.
Ο σεισμός επιβάλλει στην κατασκευή μια οριζόντια μετατόπιση και κάποιες κατακόρυφες συνιστώσες, οι οποίες περιέχουν άγνωστο αριθμό συχνοτήτων, άγνωστο επίπεδο επιτάχυνσης, παράγοντες που συμβάλλουν στην ελαστική ή ανελαστική παραμόρφωση των κατασκευών. Εάν η παραμόρφωση είναι αρκετά μικρή ώστε να διατηρηθούν όλα τα μέλη της κατασκευής εντός της ελαστικής περιοχής, η παραγόμενη ενέργεια είναι ενέργεια που αποθηκεύεται στην κατασκευή και στη συνέχεια διαχέεται για να επιστρέψει η κατασκευή στην αρχική της θέση. Εφόσον η παραμόρφωση που προκύπτει από την ταλάντωση της κατασκευής στον σεισμό διατηρεί οποιοδήποτε τμήμα οποιουδήποτε μέλους εντός της ελαστικής περιοχής, ένα μέρος της ενέργειας θα μετατραπεί σε θερμότητα τριβής, ενώ η ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στην κατασκευή θα απελευθερωθεί στο τέλος του κύκλου προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτή η περιοχή μετατόπισης ονομάζεται ελαστική περιοχή, στην οποία δεν παρατηρούνται αστοχίες. Εάν η σεισμική ενέργεια (μετρούμενη από την επιτάχυνση του εδάφους) είναι πολύ μεγάλη, θα παράγει υπερβολικά μεγάλες μετατοπίσεις, προκαλώντας πολύ μεγάλη καμπυλότητα στα κατακόρυφα και οριζόντια στοιχεία. Εάν η καμπυλότητα είναι πολύ μεγάλη, αυτό σημαίνει ότι η στροφή των διατομών του υποστυλώματος και της δοκού θα είναι πολύ πάνω από την ελαστική περιοχή (θλιπτική παραμόρφωση σκυροδέματος πάνω από 0,35% και τάσεις ινών οπλισμού πάνω από 0,2%) πέρα από το όριο διαρροής. Όταν η περιστροφή ξεπεράσει αυτό το ελαστικό όριο, η κατασκευή αρχίζει να διαλύει την αποθήκευση ενέργειας μέσω πλαστικής μετατόπισης, πράγμα που σημαίνει ότι οι διατομές θα έχουν μια παραμένουσα μετατόπιση που δεν θα μπορεί να ανακτηθεί.
Ο σχεδιασμός αντοχής ενός σημερινού κτιρίου περιορίζεται στα όρια του εύρους ελαστικού σχεδιασμού και στη συνέχεια περνά σε ανελαστικές μετατοπίσεις, παρουσιάζοντας διαρροές και πλαστικές παραμορφώσεις. Εάν τα φέροντα στοιχεία της κατασκευής που παρουσιάζουν πλαστικές παραμορφώσεις υπερβούν το όριο θραύσης και υπάρχουν πάρα πολλά από αυτά στην κατασκευή, η κατασκευή θα καταρρεύσει. Με τη μέθοδο σχεδιασμού της σύνδεσης των άκρων του ανώτερου επιπέδου των διαμήκων τοίχων με το έδαφος και με την επιβολή τεχνητής συμπίεσης στις διατομές τους, ελπίζω να σταματήσω την περιστροφή τους, να εκτρέψω τις πλευρικές τάσεις αδράνειας στο έδαφος και να αυξήσω τη δυσκαμψία της κατασκευής, σταματώντας την ανελαστική παραμόρφωση που προκαλεί αστοχίες λόγω σεισμού
Στον σεισμό, τα υποστυλώματα χάνουν την εκκεντρότητά τους και οι βάσεις τους ανυψώνονται, δημιουργώντας ροπές σε όλους τους κόμβους της κατασκευής. Υπάρχει ένα όριο στην εκκεντρότητα της βάσης της οποίας μέρος της μιας ακμής ανυψώνεται από τη ροπή ανατροπής. Για να ελαχιστοποιήσουμε τη στρέψη των βάσεων, τοποθετούμε ισχυρές ποδοκνημικές δοκούς στα υποστυλώματα. Στα μεγάλα διαμήκη τοιχώματα, λόγω των μεγάλων ροπών που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια ενός σεισμού, είναι πρακτικά αδύνατο να αποτραπεί η στροφή με τον κλασικό τρόπο κατασκευής των ποδοδοδοκών.
Αν θέλουμε ισχυρότερες κατασκευές πρέπει να αποτρέψουμε τις αιτίες αστοχίας και τις αιτίες ανελαστικής παραμόρφωσης γενικά. Η ροπή ανατροπής της κατασκευής και των τοιχωμάτων, η τέμνουσα βάσης, η διατμητική αστοχία, η ανεπαρκής φέρουσα ικανότητα του εδάφους θεμελίωσης και η διατμητική αστοχία της επικάλυψης σκυροδέματος που αναπτύσσεται κατά μήκος των ράβδων πάνω από τη διεπιφάνεια σκυροδέματος και χάλυβα λόγω της υπερβολικής εφελκυστικής αντοχής του χάλυβα και της χαμηλής διατμητικής ικανότητας του σκυροδέματος, είναι μερικοί από τους παράγοντες καταστροφής των κατασκευών που χρήζουν περισσότερης έρευνας. Η αναπόφευκτη ανελαστική συμπεριφορά των κατασκευών πρέπει να ελεγχθεί. Τα τοιχώματα πρέπει να γίνουν ισχυρότερα, ικανά να απορροφήσουν όλες τις δυνάμεις. Η ροπή ανατροπής της κατασκευής και των τοιχωμάτων πρέπει να αποτραπεί, ώστε να μη δημιουργούνται οι ψαθυρές ροπές γύρω από τους κόμβους. Πρέπει να αυξήσουμε τη φέρουσα ικανότητα του εδάφους Πρέπει να εξαλείψουμε τις τάσεις στις επιφάνειες των τοίχων που προκαλούν τη διατμητική αστοχία στο σκυρόδεμα επικάλυψης.
Πρέπει να αυξήσουμε την ακαμψία των κατακόρυφων στοιχείων του σκυροδέματος, πρέπει να σταματήσουμε την αυξανόμενη παραμόρφωση από τη διάρκεια και το συντονισμό της κατασκευής του εδάφους Αλλά το κύριο πράγμα που πρέπει να κάνουμε είναι να εκτρέψουμε την αδράνεια της δομής στο έδαφος.
Η συμπίεση των τοιχωμάτων μέσω του μηχανισμού προέντασης αυξάνει την ενεργό διατομή, διορθώνει τα βέλη του λοξού εφελκυσμού, αυξάνει την ικανότητα έναντι της τέμνουσας βάσης και της διατμητικής αστοχίας των διατομών, αυξάνει την φέρουσα ικανότητα της κατασκευής, μειώνει την παραμόρφωση με την αύξηση της δυσκαμψίας των πλαισίων των τοιχωμάτων, μειώνει ή και εξαλείφει την εφελκυστική τάση στα άκρα, μειώνει την παραμόρφωση και αποτρέπει τη δημιουργία μεγάλων ροπών στους κόμβους.
2. Η εφαρμοσμένη έρευνα περιλαμβάνει
2.1. Μέθοδοι αντισεισμικού σχεδιασμού κτιρίων.
2.2.Μηχανική αγκύρωση ( σύνδεση ) του εδάφους και της κατασκευής
2.3. Μέθοδος ενεργοποίησης της διαστολής και της συμπίεσης του μηχανισμού αγκύρωσης στο βάθος της γεώτρησης και της σύνδεσης της κατασκευής με το έδαφος
2.4. Πειράματα σχετικά με τον μηχανισμό που τοποθετείται σε βράχο.
2.5. Πειράματα σεισμικών δοκιμών υψηλής επιτάχυνσης σε παρόμοια δομικά δοκίμια υπό κλίμακα σε σεισμική βάση, με και χωρίς την προτεινόμενη μέθοδο, προκειμένου να διεξαχθούν χρήσιμα συγκριτικά συμπεράσματα
2.6. Προκαταρκτική προσομοίωση και αριθμητική διερεύνηση με και χωρίς εφαρμογή θλίψης στις διατομές των υποστυλωμάτων, προκειμένου να εξεταστεί κατ' αρχήν η συμπεριφορά του κτιρίου όταν εφαρμόζεται θλίψη στα κατακόρυφα υποστυλώματα. Στο προσομοίωμα δεν περιλαμβάνεται η στήριξη της κατασκευής στο έδαφος, ούτε οι διαμήκεις τοίχοι όπου η μέθοδος έχει μεγαλύτερη απόδοση λόγω του διπλού μοχλοβραχίονα ( ύψος και πλάτος ) που έχουν. Εξετάζει μόνο τα οφέλη και τα μη οφέλη της προέντασης στα υποστυλώματα.
2.7. Να βρεθούν οι αξονικές θλιπτικές και εφελκυστικές δυνάμεις σε ένα μεγάλο σεισμό που πρέπει να μπορούν να παραλάβουν οι μηχανισμοί θεμελίωσης σε συνεργασία με τις διατομές του φέροντος οργανισμού.
