Διερεύνηση της επίδρασης του ελαφροσκυροδέματος στη σεισμική συμπεριφορά των κατασκευών

Abstract

Από πρακτική άποψη, ως δομικό χαρακτηρίζεται το ελαφροκυρόδεμα που προορίζεται για την ανάληψη φορτίων στην κατασκευή. Σημαντικές μελέτες για τις εφαρμογές του δομικού ελαφροσκυροδέματος, κυρίως με ορυκτής προέλευσης τεχνητά αδρανή, έχουν γίνει από χώρες της ΕΕ και από το Ευρωπαϊκό πρόγραμμα EuroLightCon (1998). Η ανάπτυξη των διαφόρων τύπων ελαφροσκυροδέματος με αδρανή ορυκτής προέλευσης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τα τοπικά διαθέσιμα ελαφροβαρή αδρανή τα οποία μπορεί να είναι φυσικά (κίσηρη, βασαλτική σκωρία) ή τεχνητά (διογκωμένος περλίτης, διογκωμένη άργιλος). Τελευταία χρησιμοποιούνται τεχνητά ελαφροβαρή αδρανή με βάση την ιπτάμενη τέφρα. Το φυσικό ελαφροβαρές αδρανές που βρίσκεται στην Ελλάδα είναι η κίσηρη, η οποία εξορύσσεται από την ΛΑΒΑ ΑΕ. Η κίσηρη είναι φυσικό ηφαιστειογενές υλικό για την διόγκωση του οποίου δεν απαιτείται θερμική ενέργεια σε αντίθεση με τα άλλα τεχνητά ελαφροβαρή αδρανή. Μεταξύ των άλλων εφαρμογών χρησιμοποιείται στην παραγωγή ελαφροβαρούς κισηροδέματος. Η ελληνική κίσηρη παρουσιάζει τη μεγαλύτερη θλιπτική αντοχή μεταξύ όλων των άλλων ελαφρών αδρανών ορυκτής προέλευσης με αντίστοιχη επίδραση στην αντοχή του κισηροδέματος. Το δομικό κισηρόδεμα χαρακτηριστικής αντοχής 25 MPa εμφανίζει το πλεονέκτημα της μειωμένης ξηρής πυκνότητας (~1500 kg/m3) σε συνδυασμό με την μειωμένη θερμική αγωγιμότητα (λ~0,6 W/m/K). Με την χρήση δομικού κισηροδέματος η μείωση της μάζας της κατασκευής διευρύνει το πλήθος των δομικών λύσεων (προσθήκες καθ΄ ύψος, εφαρμογές σε σεισμικό περιβάλλον, αλλαγή δομής οπλισμού) και συμβάλλει στην θερμομόνωση των κατασκευών. Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως σκοπό να συμβάλλει περαιτέρω στην διερεύνηση της βιομηχανικής παραγωγής και χρήσης του δομικού κισηροδέματος που παράγεται σε ορισμένες μονάδες της Lafarge Beton (Ομιλος Εταιρειών ΗΡΑΚΛΗΣ) και να επεκτείνει την δομοστατική αξιόλογηση του. Διαμορφώνεται σε δύο κύριες ενότητες, την πειραματική και την υπολογιστική: A. Η Πειραματική Θεώρηση αφορά στην τεχνολογία του δομικού κισηροδέματος. Παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα σχετικά αποτελέσματα από τις δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν στον ‘Ομιλο Εταιρειών ΗΡΑΚΛΗΣ (ΕΚΕΤ, Lafarge Beton) στο ερευνητικό εγχείρημα 716-ΒΕΤ-2013. Στο ίδιο ερευνητικό εγχείρημα συμμετείχε το Εργ. Οπλισμένου Σκυροδέματος του ΕΜΠ όπου σε εκτεταμένες δοκιμές σε δοκίμια πραγματικών διαστάσεων δείχθηκε ότι οι τεχνικές ιδιότητες του δομικού κισηροδέματος συμμορφώνονται πλήρως με τους Ευρωκώδικες EC2 και EC8. B. Η Υπολογιστική Θεώρηση διεξήχθη στο Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής και αφορά στην δομοστατική σύγκριση μεταξύ πολυώροφων κτηρίων από σκυρόδεμα κανονικής πυκνότητας και από κισηρόδεμα με βάση τους ευρωκώδικες EC2 και EC8. Εστιάζει στην ανάλυση πλαισίων ισογείου σε κτήρια χρήσης κατοικίας 4, 8, 12, 16 και 20 ορόφων και περιλαμβάνει τις ενότητες: o Κανονιστικό πλαίσιο, όπου γίνεται ανασκόπηση των κανόνων σχεδιασμού των EC2 και EC8 με δομικό ελαφροσκυρόδεμα. o Τεκμηρίωση σχετικά με την πυκνότητα. o Τον καθ’ αυτό σχεδιασμό των πλαισίων με ύψος 3 m και με δύο ανοίγματα πλάτους 6 m το καθένα. Τα κτήρια επιλύονται με την χρήση του εμπορικού κώδικα CSI ETABS2016 και τα πλαίσια ελέγχονται και συγκρίνονται στην οριακή κατάσταση αστοχίας και στον σεισμικό συνδυασμό (μέγιστη ροπή, μέγιστη τέμνουσα, συχνοτική ανάλυση). o Σχολιασμός των υπολογιστικών ευρημάτων. Συνοπτικά τα συμπεράσματα της διπλωματικής εργασίας. είναι: Τεχνολογία δομικού κισηροδέματος • Με την χρήση κίσηρης ΛΑΒΑ ΑΕ κοκκομετρίας 0/8 mm και περιεκτικότητα σε τσιμέντο CEM II42,5 από 390 εως και 477 kg/m3 παράγεται σε μονάδα σκυροδέματος δομικό ελαφροβαρές σκυρόδεμα με κατηγορίες αντοχής κατά ΕΝ 206 από LC20/22 έως και LC35/38 ή και μεγαλύτερες. • Το δομικό ΚΣ που παράγεται με αδρανή κίσηρης που αντικαθιστούν εν όλω ή εν μέρει τα ασβεστολιθικά αδρανή έχει ίδιο βάρος νωπού στην περιοχή των 1600-1800 kg/m3. Η πυκνότητα των παραγομένων συνθέσεων βρίσκεται στην περιοχή των τιμών του ελαφροβαρούς σκυροδέματος κατά ΕΝ 206 από D1,4 έως και D1,8. • Το δομικό κισηρόδεμα μπορεί να είναι ινοπλισμένο ή να περιέχει και θραυστή άμμο για την επίτευξη οικονομικών συνθέσεων για προεντεταμένα στοιχεία. • Η παραγωγή, μεταφορά, άντληση και η διάστρωση του δομικού κισηροδέματος δεν διαφέρουν από τις αντίστοιχες του σκυροδέματος κανονικού βάρους. • Η διατήρηση της εργασιμότητας του νωπού δομικού κισηροδέματος επιτυγχάνεται για τουλάχιστον 3 h με την χρήση συνήθων προσθέτων σκυροδέματος (επιβραδυντής πήξης, μειωτής νερού, υπερρευστοποιητής) και την προσθήκη υπερρευστοποιητή έργου. • Ο σχεδιασμός των συνθέσεων δομικού κισηροδέματος, η παραγωγή, μεταφορά, άντληση και διάστρωση, οι ιδιότητές του και οι συσχετισμοί τους βρίσκονται σε πλήρη συμφωνία με το ευρωπαϊκό πρότυπο ΕΝ 206 και τα αμερικανικά πρότυπα ACI. • Τα αποτελέσματα της επιταχυνόμενης διάχυσης χλωριόντων σε δοκίμια ελαφροσκυροδέματος υποδεικνύουν πολύ χαμηλή διαπερατότητα. • Με την χρήση δομικού κισηροδέματος επιτυγχάνεται μείωση του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας 60% σε σχέση με το σκυρόδεμα κανονικής πυκνότητας. • Τα αποτελέσματα των πειραμάτων φυσικής και επιταχυνόμενης ενανθράκωσης υποδεικνύουν διάρκεια ζωής της κατασκευής περί τα 40 έως 50 έτη, που είναι συγκρίσιμη με το σκυρόδεμα κανονικής πυκνότητας C20/25. Δομοστατικοί υπολογισμοί σε πλαίσια • Η μείωση της πυκνότητας του κισηροδέματος συγκριτικά με το σκυρόδεμα κανονικής πυκνότητας έχει ως αποτέλεσμα την μείωση της σεισμικής μάζα σε ποσοστό 21% σε όλα τα πλαίσια. Η μείωση της σεισμικής μάζας προκαλεί με τη σειρά της ανάλογη μείωση της τέμνουσας βάσης, η οποία οδηγεί σε μικρότερη σεισμική καταπόνηση. • Η ιδιοπερίοδος αυξάνεται σε όλα τα πλαίσια από κισηρόδεμα και είναι μεγαλύτερη από Tc. Ετσι, οι επιταχύνσεις σχεδιασμού μειώνονται και βρίσκονται στον φθίνοντα κλάδο του φάσματος σχεδιασμού. • Το μικρότερο μέτρο ελαστικότητας του κισηροδέματος οδηγεί σε μεγαλύτερες οριζόντιες σχετικές μετακινήσεις στα πλαίσια σε ποσοστό από 8,0% (4 όρ.) έως και 20% (16 και 20 ορ.). • Στην Οριακή Κατάσταση Αστοχίας το ποσοστό μείωσης των ροπών στις δοκούς των πλαισίων υπολογίσθηκε ίσο με 12% σε όλα τα πλαίσια. • Στην Σεισμική Δράση το ποσοστό μείωσης των ροπών στις δοκούς κυμαίνεται από 18 έως 22% με την μεγαλύτερη μείωση στα πλαίσια 4 και 8 ορόφων. • Στις δοκούς υπολογίζεται μείωση στον οπλισμό του κισηροδέματος σε σχέση με τον οπλισμό του σκυροδέματος κανονικής πυκνότητας. o Στην Οριακή Κατάσταση Αστοχίας το ποσοστό μείωσης ανέρχεται σε 12% για τα πλαίσια 4 έως και 16 ορόφων ενώ δεν υπολογίζεται διαφορά για το πλαίσιο των 20 ορόφων. o Στην Σεισμική Δράση το ποσοστό μείωσης ανέρχεται σε ~26% για όλα τα πλαίσια. • Στην Οριακή Κατάσταση Αστοχίας το ποσοστό μείωσης των ροπών στα υποστυλώματα υπολογίσθηκε ίσο με 12% σε όλα τα πλαίσια. • Στην Σεισμική Δράση το ποσοστό μείωσης των ροπών στα υποστυλώματα κυμαίνεται από 19% έως 27% με την μεγαλύτερη μείωση στα πλαίσια 4 και 8 ορόφων. • Στα υποστυλώματα υπολογίσθηκε η μείωση στον οπλισμό του κισηροδέματος σε σχέση με τον οπλισμό του σκυροδέματος κανονικής πυκνότητας. o Στην Οριακή Κατάσταση Αστοχίας και στην Σεισμική Δράση δεν παρατηρείται διαφορά στον οπλισμό των υποστυλωμάτων στα πλαίσια 4, 8 και 12 ορόφων. o Στην Οριακή Κατάσταση Αστοχίας και στην Σεισμική Δράση ο οπλισμός υπολογίζεται μειωμένος κατά 60% στο κεντρικό υποστύλωμα (C2) στα πλαίσια 16 και 20 ορόφων. • Υπολογισμοί με μειωμένη την διατομή των υποστυλωμάτων σε σχέση με την διατομή αναφοράς υποδεικνύουν ότι στα δομήματα 4 και 8 ορόφων δεν υπάρχει μείωση στον οπλισμό. Στα υπόλοιπα η μείωση εμφανίζεται μόνο στο κεντρικό υποστύλωμα (C2). Παρατηρείται παράλληλα ότι η μείωση της διατομής του υποστυλώματος επιφέρει μικρότερο ποσοστό μείωσης οπλισμού. Αξίζει να σημειωθούν στο πρωτότυπο οι παρατηρήσεις των P.Kuman Mehta και Paulo J.M. Monteiro, (”CONCRETE, Microstructure, Properties and Materials”, Third Edition, McGraw-Hill, New York, (2006), pp.457-458) σχετικά με τα ειδικά πλεονεκτήματα της χρήσης δομικού ελαφροσκυροδέματος: “…While light-weight concrete will cost more than normal-weight concrete per cubic-yard, the structure will cost less as a result of the reduced dead weight and lower foundation… application of lightweight concrete can result in lower costs for foundations and reinforcing steel… Strength is not a major consideration in floor slabs; therefore, a large amount of lightweight concrete is used to reduce the dead weight of concrete in floors of high-rise buildings… …One Shell Plaza, Houston, Texas, is an all-lightweight concrete structure of 52 stories, containing a 70 by 52 by 2.5 m lightweight concrete pad, 18 m below grade. A concrete mixture of 1840 kg/m3 density and 41.2 MPa compressive strength was used for shear walls, columns, and mat foundation. If normal concrete had been used, only a 35-story structure could have been safely designed due to the limited bearing capacity of the soil… Kulka and Polivka state that the basic economy of lightweight-aggregate concrete can be demonstrated by the savings in reinforcement… Among other advantages of reduction in the weight of concrete is the higher resistance of shear elements to earthquake loading since seismic forces are largely a direct function of the dead weight of the structure… Although expanded clay and shale aggregates are most suitable for the production of structural-quality lightweight concrete, the escalation of fuel costs in the 1970s has priced these aggregates out of many markets…”