Συνδέσεις Μεταλλικών Κατασκευών

Ως γνωστόν, οι συνδέσεις των μεταλλικών κατασκευών προσδιορίζουν αφενός την ποιότητα του σχεδιασμού, της τεχνολογίας, των συνθηκών βιομηχανικής παραγωγής και της in situ δόμησης και αφετέρου τον λόγο της απαιτούμενης προς τη διατιθέμενη ασφάλεια. Ακολουθώντας την τεχνολογική ανάπτυξη των μεταλλικών κατασκευών, με την πάροδο του χρόνου οι συνδέσεις εξελίχθηκαν από αρχικά ηλωτές, αργότερα σε συγκολλητές και σε επί τόπου κοχλιωτές συνδέσεις. Όσον αφορά στους παραδοσιακούς κοχλίες, η διαφοροποίησή τους ήταν εξίσου σημαντική: από υλικό κοχλιών συνήθους ποιότητας (4.5, 4.6, 5.6) σε υλικό υψηλής αντοχής (8.8, 10.9, 12.9) και από σχεδίαση και σημείωση των οπών με το χέρι πριν από το κόψιμο και τη διάτρηση, σε παραγωγή με τη βοήθεια τεχνολογικά προηγμένων μηχανών ΝC απ’ ευθείας συνδεδεμένων με το λογισμικό σχεδιασμού, κοπή με τεχνολογία λέιζερ και τεχνολογία συνδέσεων με πριτσίνια ή κοχλίες μερικής διάτρησης για τυφλές κοχλιώσεις. Επιπρόσθετα, η ποιότητα των συγκολλήσεων διασφαλίζεται σήμερα λόγω της υψηλής ποιότητας των υλικών που επιτυγχάνεται με τη συνεχή χύτευση και τη χρήση αυτόματων μηχανών συγκόλλησης. Συγκριτικά με τις δομικές συνδέσεις μελών από άλλα υλικά, η μεγάλη αυτοματοποίηση της παραγωγής χαλύβδινων προϊόντων έχει δημιουργήσει ένα περιβάλλον υψηλής προτυποποίησης. Οι σωστές συνδέσεις στις μεταλλικές κατασκευές, οδηγούν σε υψηλό αισθητικό αποτέλεσμα και επάρκεια ασφάλειας σ’ αυτές.
Ο καθορισμός προτύπων για τα τελικά προϊόντα συμβάλλει στη δημιουργία μιας ευρύτερης και πιο ανταγωνιστικής αγοράς. Σήμερα τα πρότυπα σχεδιασμού, σε πλήρη αντιστοιχία με τα πρότυπα των προϊόντων, μετατρέπονται από προκαταρκτικά πρότυπα (pre-standards) σε πρότυπα (standards). Το μέγεθος της σπουδαιότητας των δομικών συνδέσεων στο σχεδιασμό των χαλύβδινων κατασκευών αποδεικνύεται από το γεγονός της ανάπτυξης ειδικού τμήματος στα πρότυπα σχεδιασμού κατασκευών που αφορά στις ενώσεις (prEN 1993-1-8: Σχεδιασμός συνδέσεων).
Η ανάπτυξη της τεχνολογίας συνδέσεων των μελών από χάλυβα απαιτούσε την εμβάθυνση της γνώσης στο αντικείμενο αυτό. Κατά την διάρκεια της προετοιμασίας των αρχικών προσχεδίων του Ευρωκώδικα 3 [Snijder 6.01 και 6.05, 1988] συγκεντρώθηκαν οι πιο προηγμένες ευρωπαϊκές τεχνικές συνδέσεων, καθώς επίσης και οι πλέον εξειδικευμένες θεωρητικές γνώσεις των ειδικών. Στα πλαίσια αυτά, τα προσομοιώματα σχεδιασμού εξετάστηκαν και συγκρίθηκαν με όλα τα διαθέσιμα πειραματικά αποτελέσματα. Η αφθονία των πληροφοριών, η εφαρμογή της μεθόδου των οριακών καταστάσεων και ο μεγάλος αριθμός πειραματικών δεδομένων είναι κυρίως τα στοιχεία που βοήθησαν στην ακριβέστερη εξέταση των μοντέλων. Σήμερα, η περιγραφή της συμπεριφοράς των συνδέσεων περιλαμβάνει πλέον την αρχική δυσκαμψία και την ικανότητα παραμόρφωσης, ενώ τα παραδοσιακά μοντέλα αναφέρονταν μόνο στην αντίσταση των συνδέσεων. Η μέθοδος που χρησιμοποιείται σήμερα για την ανάλυση της συμπεριφοράς των συνδέσεων είναι η μέθοδος των συστατικών (component method) που αποτελεί εφαρμογή παλαιότερων μεθόδων της επιστήμης του Μηχανικού. Η εφαρμογή της μεθόδου αυτής βασίζεται στην εργασία του Zoetemeijer [Zoetemeijer, 1983] που επέφερε σημαντική βελτίωση στα αποτελέσματα, ενσωματώνοντας πέρα από τα κρίσιμα σημεία, όλα τα συστατικά στοιχεία της σύνδεσης. Το ευρωπαϊκό δίκτυο των εθνικών προγραμμάτων (COST) προχώρησε στην ενδελεχή διερεύνηση της γνώσης του συγκεκριμένου επιστημονικού πεδίου. Στα πλαίσια του προγράμματος COST C1 «Ημιάκαμπτη συμπεριφορά των δομικών συνδέσεων σε έργα Πολιτικού Μηχανικού» πραγματοποιήθηκε πρόοδος όσον αφορά στην ανάπτυξη μεθόδων σχεδιασμού των συνδέσεων με γωνιακά [Jaspart, 1997], στις σύνθετες συνδέσεις [Anderson, 1998, Huber, 1999] και στις εδράσεις των υποστυλωμάτων [Wald, 1998]. Τα θέματα της μελέτης των συνδέσεων σε σεισμικές περιοχές αποτέλεσαν αντικείμενο ερευνητικής ενασχόλησης στα πλαίσια του προγράμματος Copernicus «Αξιοπιστία των συνδέσεων ροπής σε μεταλλικά πλαίσια σε σεισμικές περιοχές» (RECOS). Εξάλλου, σημαντικά βήματα όσον αφορά στη γνώση και στην επίδραση στην οικονομία των δομικών συνδέσεων, αντικατοπτρίζονται στα δύο Παραρτήματα του Ευρωκώδικα 3 σχετικά με τις συνδέσεις (Α1- Παράρτημα Κ: Συνδέσεις σε κοιλοδοκούς και Α2-Παράρτημα J: Δομικές συνδέσεις). Αυτά τα δύο Παραρτήματα μαζί με το Κεφάλαιο 6 του προκαταρκτικού προτύπου ENV 1993-1-1 συγχωνεύτηκαν σε συγκεντρωτικούς κανόνες για τον σχεδιασμό συνδέσεων (prEN1993-1-8), όπου συμπεριλήφθηκαν και οι νέοι κανόνες που ζητήθηκαν από την βιομηχανία. Οι τύποι των συνδέσεων που ήδη καλύπτονταν από τους παλιούς κανονισμούς επεκτάθηκαν σε περιπτώσεις όπως είναι η έδραση στύλων μέσω χαλύβδινης πλάκας και υιοθετήθηκαν νέοι κανόνες για την αλληλεπίδραση ροπών-ορθών δυνάμεων στις συνδέσεις, για την αντοχή αντίστασης για τις οπές ελλειψοειδούς μορφής, για τις συγκολλητές συνδέσεις ορθογωνικών κοιλοδοκών και για τα όρια λειτουργικότητας των ήλων.
Η πρώτη εξειδικευμένη εκπαιδευτική προσπάθεια όσον αφορά στις δομικές συνδέσεις παρουσιάστηκε από τον Owen [Owen, 1988]. Στις μέρες μας, η εκπαίδευση στον τομέα της συμπεριφοράς και της μελέτης του δομικού χάλυβα βασίζεται στη συλλογή των πληροφοριών και γνώσεων από το Ευρωπαϊκό Εκπαιδευτικό Πρόγραμμα Σχεδιασμού Χάλυβα (ESDEP). Κάτω από αυτό το πλαίσιο δημιουργήθηκαν και αναπτύχθηκαν τα τελευταία ευρωπαϊκά εκπαιδευτικά έργα στο πρόγραμμα Leonardo WIVISS (πιλοτικά μαθήματα σε CD), στο Steel Call (εικονικής πραγματικότητας γραφείο σχεδιασμού (virtual steel designer office)) και SSEDTA (βασικά μαθήματα σε PowerPoint για μεταλλικά και σύνθετα στοιχεία), εμπλουτισμένα βέβαια με καινούριες εκπαιδευτικές μεθόδους και περισσότερες γνώσεις όσον αφορά στην τεχνολογία, στη μελέτη και στη θεωρία των δομικών συνδέσεων.
H Τεχνική Επιτροπή 10 της Ευρωπαϊκής Σύμβασης για τις Χαλύβδινες Κατασκευές (ECCS TC10) υποστήριζε την ενίσχυση διάχυσης κάθε εμπειρίας καλής πρακτικής από την έναρξη της διαδικασίας υλοποίησης των Ευρωκωδίκων στη δεκαετία του ’80. Οι πρόσφατες εργασίες της επικεντρώθηκαν στις απαιτούμενες από τη βιομηχανία χάλυβα βελτιώσεις των κανόνων σχεδιασμού κατά την περίοδο μετάβασης από τα προκαταρκτικά πρότυπα ENV (pre-standard ENV) στα οριστικά κείμενα των προτύπων EN (standard EN). Στα πλαίσια αυτά, αποφασίστηκε και δημιουργήθηκε η εκπαιδευτική δράση CZ/PP-134049 «Συνεχιζόμενη Κατάρτιση στις Χαλύβδινες Συνδέσεις» (CESTRUCO) του Ευρωπαϊκού προγράμματος Leonardo, το υπόβαθρο της οποίας καθορίστηκε από τους κκ. Marc Braham (Astron, Λουξεμβούργο), Jan Stark (TU Delft, Ολλανδία) και Jouko Kouhi (VTT, Φινλανδία). Η δράση αυτή συνέβαλε στην εξέλιξη του Ευρωκώδικα δίνοντας απαντήσεις σε ερωτήματα που προκύπτουν στην πράξη, παρουσιάζοντας το υπόβαθρό του (δοκιμές και προσομοιώσεις) και εντοπίζοντας τις βέλτιστες λύσεις σε πρακτικά ζητήματα. Οι κ.κ. Frantisek Wald (CTU, Πράγα, Δημοκρατία της Τσεχίας) και Martin Steenhuis (Eindhoven, Ολλανδία) ορίστηκαν ως συντονιστές του έργου. H δράση ξεκίνησε το 2001 με την καταγραφή των προβλημάτων που προέκυπταν στην πράξη. Συνολικά κατεγράφησαν 362 ερωτήματα απ’ όλες τις Ευρωπαϊκές χώρες. Το παρόν εγχειρίδιο είναι μια μικρή προσπάθεια που προσπαθεί να δώσει απαντήσεις σε ορισμένα ερωτήματα από εκείνα που θεωρήθηκαν ως θεμελιώδη. Η τελική συνεισφορά της δράσης κατά το έτος 2003 θα είναι η δημιουργία μιας εύκολα προσβάσιμης στο διαδίκτυο σειράς συνεχιζόμενης κατάρτισης σε ζητήματα μεταλλικών δομικών συνδέσεων.
Η ομάδα υλοποίησης του έργου αποτελείται από τους εξής εταίρους: Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Building with Steel-Rotterdam, Building Research Establishment Ltd-London, Czech Constructional Steelwork Association-Ostrava, Czech Technical University in Prague, EXCON a.s.-Prague, Lulea University of Technology, KREKON Design office-Eindhoven, VTT Building Technology-Helsinki (μέχρι το 2001), Politechnica University of Timisoara και University of Coimbra.
Στην παραγωγή του υλικού του παρόντος βιβλίου συνεισέφεραν:

• ο καθηγητής Χ.Κ. Μπανιωτόπουλος (τα κεφάλαια Συγκολλήσεις και Συνδέσεις Αλουμινίου),
• ο καθηγητής F.S.K. Bijlaard,
• ο Ir. R. Block (επιφορτισμένος με τον εσωτερικό έλεγχο),
• ο κ. J. Brekelmans,
• ο καθηγητής L.S. da Silva (το κεφάλαιο του Σχεδιασμού έναντι Πυρκαγιάς),
• ο καθηγητής D. Dubina (το κεφάλαιο του Αντισεισμικού Σχεδιασμού),
• η κα M. Eliasova,
• ο κ. H.G.A. Evers (το κεφάλαιο Παραδείγματα Σχεδιασμού),
• ο Dr. D. Grecea (τα κεφάλαια Συνδέσεις Κοιλοδοκών και Συνδέσεις Εν Ψυχρώ Εξηλασμένων Διατομών),
• ο Ir. A.M. Gresnigt (το κεφάλαιο Συνδέσεις Μεταφοράς Ροπής),
• ο Dr. V. Janata (επιφορτισμένος με τον εσωτερικό έλεγχο),
• ο καθηγητής B. Johansson,
• ο κ. T. Leino,
• ο κ. T. Lennon,
• ο κ. T. Merinsky (επιφορτισμένος με τον εσωτερικό έλεγχο),
• ο Dr. D.B. Moore (το κεφάλαιο Απλές Συνδέσεις),
• η κα A. Santiago,
• ο κ. R.L. Shipholt,
• ο Dr. Z. Sokol (το κεφάλαιο Δομική Προσομοίωση)
• ο Ir. C.M. Steenhuis,
• ο κ. M. Veljkovic (το κεφάλαιο Κοχλιώσεις), και
• ο καθηγητής F. Wald (το Εισαγωγικό Κεφάλαιο και το κεφάλαιο Βάσεις Υποστυλωμάτων).

Περιεχόμενα

1. Εισαγωγή
2. Κοχλιώσεις
   1. Απώλεια της προέντασης κοχλιών
   2. Φέρουσα ικανότητα συνδέσεων ολίσθησης
   3. Αντίσταση σε διάτμηση προεντεταμένων κοχλιών υπό εφελκυσμό
   4. Μέγιστες επιτρεπόμενες αποστάσεις κοχλιών μεταξύ τους και από τα άκρα του ελάσματος
   5. Κριτήρια παραμόρφωσης για την αντίσταση σε σύνθλιψη άντυγας απλών κοχλιών
   6. Αποστάσεις από τα άκρα
   7. Αντίσταση σε σύνθλιψη άντυγας ομάδας κοχλιών
   8. Αντίσταση σε σύνθλιψη άντυγας σε επιμήκεις οπές
   9. Μέθοδος σχεδιασμού εφαρμοσμένων κοχλιών
   10. Συνδυασμός εφελκυσμού και διάτμησης
   11. Αντίσταση συνδέσεων κοχλιών υψηλής αντοχής
3. Συγκολλήσεις
   1. Σύνδεση δύο γωνιακών μέσω κομβοελάσματος
   2. Ενεργό πλάτος συγκολλητής σύνδεσης δοκού-υποστυλώματος
   3. Ακτίνα συγκόλλησης εξωραφής σε συνδέσεις κοιλοδοκών
   4. Προσομοίωση αντίστασης εξωραφών
   5. Σχεδιασμός εσωραφών μερικής διείσδυσης
   6. Σχεδιασμός συγκόλλησης για πλήρη αντοχή των συνδεόμενων μελών
4. Προσομοίωση της δομικής συμπεριφοράς
   1. Προκαταρκτικός σχεδιασμός συνδέσεων
   2. Εφαρμογή της Ελαστικής Θεωρίας στην καθολική ανάλυση κατασκευών
   3. Κριτήρια ταξινόμησης των εδράσεων υποστυλωμάτων
   4. Σχεδιασμός συνδέσεων που φορτίζονται με μικρές δυνάμεις
   5. Προσομοίωση της εκκεντρότητας κόμβου στο σχεδιασμό πλαισίων
5. Απλές συνδέσεις
   1. Αντίσταση κοχλιών σε σύνθλιψη άντυγας λαμβάνοντας υπόψη τις ανοχές
   2. Σύνδεση γωνιακού μέσω ενός ή δύο κοχλιών
   3. Στροφική ικανότητα
   4. Ασφάλεια φέρουσας κατασκευής
6. Συνδέσεις παραλαβής ροπών
   1. Συντελεστής τροποποίησης δυσκαμψίας η για συνδέσεις μέσω ακραίων πλακών
   2. Ενεργό μήκος βραχέως Τ με στοιχεία δυσκαμψίας
   3. Σχεδιασμός συνδέσεων μεταφοράς ροπής σε πλαίσια
   4. Διαγώνια και μορφής Κ στοιχεία δυσκαμψίας
   5. Δημιουργία γραμμών διαρροής σε ακραίες πλάκες σύνδεσης για τέσσερις κοχλίες ανά σειρά
   6. Κατανομή δυνάμεων σε ακραίες πλάκες μεγάλου πάχους
   7. Κατανομή των διατμητικών δυνάμεων σε κοχλιωτές συνδέσεις
   8. Δυνάμεις μοχλού σε βραχέα Τ σε σχεδιασμό κόπωσης
   9. Κόμβοι υπό καμπτική ροπή και αξονική δύναμη
7. Βάσεις υποστυλωμάτων
   1. Ελαστική αντίσταση βάσης υποστυλώματος
   2. Αντίσταση βάσης υποστυλώματος με χαμηλή ποιότητα κονιάματος
   3. Σύγκριση του υπολογισμού της αντοχής σκυροδέματος σύμφωνα με τον EC2 και τον EC3
   4. Συγκέντρωση τάσεων κάτω από βάση υποστυλώματος
   5. Ενεργό μήκος βάσης πλάκας βραχέως Τ
   6. Βάσεις υποστυλωμάτων με κοχλίες εκτός του πλάτους των πελμάτων
   7. Συντελεστής ολίσθησης μεταξύ χάλυβα και σκυροδέματος
   8. Μεταφορά των διατμητικών δυνάμεων μέσω αγκυρίων
   9. Μεταφορά των διατμητικών δυνάμεων μέσω τριβής και αγκυρίων
   10. Κανόνες αγκύρωσης αγκυρίων
8. Αντισεισμικός σχεδιασμός
   1. Σχεδιασμός συνδέσεων που υπόκεινται σε δυναμικές φορτίσεις
   2. Επιρροή μη συμμετρικής φόρτισης
   3. Επιρροή του ρυθμού μεταβολής της φόρτισης
   4. Τεχνολογία συγκόλλησης
   5. Χρήση των κοχλιών υψηλής αντοχής σε κόμβους αντισεισμικών κατασκευών
   6. Συμπεριφορά του κορμού υποστυλώματος
9. Σχεδιασμός έναντι πυρκαγιάς
   1. Αντίσταση κοχλιών σε υψηλές θερμοκρασίες
   2. Αντίσταση συγκόλλησης σε υψηλές θερμοκρασίες
   3. Κατανομή της θερμοκρασίας εντός της ένωσης σε συνάρτηση με τον χρόνο
   4. Η μέθοδος των συστατικών για υψηλές θερμοκρασίες
10. Συνδέσεις κοιλοδοκών
    1. Κόμβοι κυκλικών κοιλοδοκών
    2. Κόμβοι ορθογωνικών κοιλοδοκών
    3. Κόμβοι μεταξύ μελών κοίλων και ανοιχτών διατομών
    4. Διαγράμματα σχεδιασμού
    5. Τυφλά συστήματα κοχλιώσεων
    6. Κόμβοι κοιλοδοκών με χάλυβα υψηλής αντοχής
    7. Σχεδιασμός υπεράκτιων κατασκευών
11. Συνδέσεις εν ψυχρώ εξηλασμένων μελών
    1. Αυξημένη αντοχή διαρροής σε εν ψυχρώ εξηλασμένες διατομές
    2. Ικανότητα παραμόρφωσης των συνδέσεων διάτμησης
    3. Βίδες σε πάνελς τύπου σάντουιτς
    4. Αντίσταση σε σύνθλιψη άντυγας λεπτών πλακών
12. Συνδέσεις αλουμινίου
    1. Αντίσταση εξωραφών
    2. Ενεργό πλάτος και ακτίνα συγκόλλησης εξωραφών
    3. Εσωραφές σε συνδέσεις αλουμινίου
    4. Θερμικά επηρεασμένες ζώνες (Θ.Ε.Ζ.)
13. Περιπτώσεις σχεδιασμούΣυμβολισμοί