Investigation of the application of high-strength steel in dissipative elements
Authors: Αυγερινού Στέλλα 
Published: September 2021

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι εξελίξεις στον τομέα της παραγωγής του δομικού χάλυβα, έχουν οδηγήσει σε υλικά με υψηλότερες αντοχές και άλλα βελτιωμένα χαρακτηριστικά. Η χρήση των χαλύβων υψηλής αντοχής στις κατασκευές θα μπορούσε να αποφέρει σημαντικά οικονομικά και περιβαλλοντικά οφέλη, ωστόσο είναι ακόμα περιορισμένη. Επιπλέον η εφαρμογή τους σε μέλη απορρόφησης ενέργειας δεν προβλέπεται στους ισχύοντες Αντισεισμικούς Κανονισμούς. Η παρούσα εργασία αποσκοπεί να συνεισφέρει στην τρέχουσα συζήτηση πάνω στις πιθανές εφαρμογές των δομικών χαλύβων υψηλής αντοχής. Σε αυτά τα πλαίσια, διερευνάται πειραματικά και αριθμητικά η χρήση χαλύβων υψηλής αντοχής στα στοιχεία απορρόφησης ενέργειας του καινοτόμου αντισεισμικού συστήματος FUSEIS. Το σύστημα FUSEIS αποτελείται από ένα ζεύγος ισχυρών υποστυλωμάτων σε μικρή απόσταση, τα οποία είναι άκαμπτα συνδεδεμένα μεταξύ τους με επάλληλα οριζόντια στοιχεία (δοκοί ή πείροι). Βασικό πλεονέκτημα του συστήματος είναι η επισκευασιμότητα καθώς τα FUSEIS σχεδιάζονται έτσι ώστε η κατανάλωση της σεισμικής ενέργειας να περιορίζεται στους αντικαταστάσιμους οριζόντιους συνδέσμους. Στόχος της μελέτης δεν είναι να δείξει πως η συγκεκριμένη εφαρμογή των χαλύβων υψηλής αντοχής πλεονεκτεί έναντι της χρήσης συμβατικών χαλύβων, αλλά να εξετάσει κατά πόσο η απόκριση του συστήματος είναι αποδεκτή. Η πειραματική διερεύνηση περιλαμβάνει οκτώ πειράματα σε συστήματα FUSEIS με χρήση διαφορετικών οριζόντιων στοιχείων απορρόφησης ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα εξετάστηκαν συστήματα με κοιλοδοκούς από χάλυβα S700MC, δοκούς ΗΕΑ από χάλυβα S355J2 και κυλινδρικούς πείρους από χάλυβα S500MC. Οι δοκιμές διεξήχθησαν υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση, στο Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών του ΕΜΠ. Επιπλέον, συνοψίζονται τα αποτελέσματα δοκιμών σε μεμονωμένα στοιχεία FUSEIS που πραγματοποιήθηκαν σε άλλο Εργαστήριο. Γίνεται, επίσης, αναφορά και σύγκριση (στο βαθμό που είναι εφικτό) με τα αποτελέσματα προγενέστερων πειραμάτων πάνω σε συστήματα FUSEIS με συνδέσμους από χάλυβα S235. Σημειώνεται ότι τα δοκίμια από χάλυβες υψηλής αντοχής επέδειξαν ικανοποιητική συμπεριφορά υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση παρότι τα πειραματικά δεδομένα επιβεβαίωσαν ότι η αύξηση της αντοχής του χάλυβα συνεπάγεται μείωση της πλαστιμότητας. Το σύστημα FUSEIS συμπεριφέρεται ως μια κατακόρυφη δοκός τύπου Vierendeel, ενώ στην περίπτωση που έχει συνδέσμους πείρους αναπτύσσεται επιπλέον λειτουργία καλωδίου, σε μεγάλες παραμορφώσεις. Βάση των παραπάνω, προτείνονται εξισώσεις που περιγράφουν την φέρουσα ικανότητα των FUSEIS. Τα πειράματα προσομοιώθηκαν με διαφορετικά λογισμικά αυξανόμενης πολυπλοκότητας, χρησιμοποιώντας δισδιάστατα ή τρισδιάστατα πεπερασμένα στοιχεία. Καθεμία από τις μεθόδους προσομοίωσης εξυπηρετεί διαφορετικό στόχο και περιγράφεται αναλυτικά. Τέλος, σχεδιάστηκαν με βάση τους Ευρωκώδικες δύο κτίρια (ένα διώροφο και ένα πενταώροφο) που υπεβλήθησαν σε μη γραμμικές αναλύσεις με στόχο την αποτίμηση της επιτελεστικότητας τους. Τα κτίρια περιλαμβάνουν συστήματα FUSEIS με συνδέσμους κοιλοδοκούς S700. Η απόκριση των φορέων αποτιμήθηκε για δύο στάθμες επιτελεστικότητας για τις οποίες επιβεβαιώθηκε ότι ο συντελεστής συμπεριφοράς που είχε υποτεθεί κατά τον σχεδιασμό (q=3,5) είναι αποδεκτός. Συνοψίζοντας, τα αποτελέσματα της διερεύνησης ήταν ενθαρρυντικά ως προς την χρήση χαλύβων υψηλής αντοχής σε αντισεισμικές διατάξεις. Προτείνεται, ωστόσο, εκτενής περαιτέρω έρευνα.