Ικανοτικός σχεδιασμός μεταλλικών κτηρίων

Ο ικανοτικός σχεδιασμός είναι μια ιεραρχημένη πρόβλεψη των πλάστιμων ζωνών απόσβεσης της σεισμικής ενέργειας στα μεταλλικά κτήρια.
Ο μηχανικός προβλέπει τις θέσεις δημιουργίας των πλάστιμων ζωνών απόσβεσης της σεισμικής ενέργειας. Συγχρόνως όμως στοχεύει στο να εξασφαλιστεί η υπεραντοχή έναντι σεισμικών δράσεων, όλων των υπολοίπων δομικών μελών του κτηρίου, ώστε αυτά να παραμείνουν στην ελαστική περιοχή.

Με την στοχευμένη δημιουργία πλάστιμων ζωνών, ο μηχανικός σκοπεύει στην δημιουργία ενός στιβαρού μηχανισμού ελεγχόμενης απόσβεσης.
Στιβαρός μηχανισμός απόσβεσης σεισμικής ενέργειας σημαίνει ότι αποφεύγονται κάθε είδους απρόβλεπτες ψαθυρές αστοχίες όπως π.χ. αστοχίες των υποστυλωμάτων σε λυγισμό, θραύσεις των συνδέσεων ή αστοχίες των μεταλλικών συνδέσμων.

Επιβάλλεται ελεγχόμενη πλαστιμότητα καθ’ ύψος του κτηρίου, ώστε να εξασφαλισθεί η αποφυγή μιας συνολικής αστοχίας του κτηρίου, ανεξάρτητα του αναμενόμενου πιθανώς μεγάλου αριθμού των επαναλαμβανόμενων και εναλλασσόμενων σεισμικών δράσεων. 

Τρία είναι τα μέσα που διαθέτουμε ως μηχανικοί:

• Τις στοχευμένες θέσεις δημιουργίας των πλάστιμων παραμορφώσεων.
•           Την θεώρηση υπεραντοχής του δομικού χάλυβα Rd >= 1.1 γov.Rfy - ΕΝ 1998.1 § 6.2.(3)
•           Τις εφεδρείες αντοχής Ωi = Rd,i / Ed,i επί των μη πλάστιμων μελών - ΕΝ 1998.1 § 6.6.3. 

Πέρα των απαιτήσεων πλαστιμότητας του στατικού συστήματος, υπάρχουν επίσης πρόσθετες απαιτήσεις για την ποιότητα του χάλυβα των μεταλλικών κτηρίων. Η επίτευξη πλαστιμότητας στις ζώνες απόδοσης ενέργειας, οδηγεί για αυτές τις ζώνες σε συγκεκριμένη ποιότητα χάλυβα και σε διαφορετική για τις ελαστικές περιοχές. Σύμφωνα με την § 6.2(3) του ΕΝ 1998-1 το μέγιστο όριο διαρροής του χάλυβα fy,max στις ζώνες απόδοσης ενέργειας περιορίζεται σε fy,max ≤ 1,1.γov.fy.

Ανάλογα με την κατηγορία πλαστιμότητας και το στατικό σύστημα, επιβάλλεται σύμφωνα με τον ΕΝ 1998.1 § 6.3.2, ένα όριο στην μέγιστη τιμή του συντελεστή σεισμικής συμπεριφοράς q.

Αν VEd η τέμνουσα βάσης από τη σεισμική δράση σχεδιασμού και V1 η τέμνουσα βάσης κατά την πρώτη πλαστικοποίηση τότε α₁ = V₁ / VEd . Επίσης αν Vu η τέμνουσα κατά την δημιουργία του πλήρους πλαστικού μηχανισμού του κτηρίου, τότε : αᵤ = Vu / VEd. 

Για καμπτόμενα πλαίσια και έκκεντρους συνδέσμους q=5·αᵤ/α₁

Συνήθεις τιμές πράξεις αᵤ/α₁ ≈ 1,1 – 1,3

Άρα q ≈ 5,5-6,5 οπότε μέση τιμή q= 6,0

Για καμπτόμενα δε πλαίσια με κεντρικούς συνδέσμους q=4·αᵤ/α₁ και πάλι αᵤ/α₁ ≈ 1,1 – 1,3

τότε q ≈ 4,4-5,2 οπότε μέση τιμή q= 4,8

Ο Ευρωκώδικας ΕΝ 1998-1, § 6.5.3 θέτει την απαίτηση της τοπικής πλαστιμότητας των μελών απόσβεσης ενέργειας. Λόγω αυτού, προκύπτουν περιορισμοί στις κατηγορίες των χρησιμοποιούμενων διατομών.

Οι θέσεις πλαστικοποίησης των μηχανισμών απόσβεσης στο ΡΑΦ επισημαίνονται στην παρούσα εικόνα.

Στα καμπτόμενα πλαίσια :

Ο μηχανισμός πλαστικοποίησης είναι καμπτικός και βρίσκεται στα άκρα των δοκών.

Στους κεντρικούς μεταλλικούς συνδέσμους Λ ή Χ :

Ο μηχανισμός πλαστικοποίησης είναι εφελκυστικός και βρίσκεται στις εφελκυόμενες διαγώνιους των συνδέσμων.

Στους έκκεντρους μεταλλικούς συνδέσμους Λ ή έκκεντρης μονής διαγωνίου :

Ο μηχανισμός πλαστικοποίησης καθορίζεται από το μήκος του πλάστιμου συνδέσμου της δοκού και μπορεί να είναι καμπτικός ή συνδυασμός καμπτικού και διατμητικού μηχανισμού.

Ο ικανοτικός σχεδιασμός των μεταλλικών κτηρίων έχει υλοποιηθεί στο ΡΑΦ και μπορεί να εφαρμοσθεί σε νέα μεταλλικά κτήρια, αλλά επίσης και σε ενισχύσεις υφισταμένων κτηρίων Ο/Σ, μέσω μεταλλικών πλαισίων και συνδέσμων.