Διερεύνηση της επίδρασης του ελαφροσκυροδέματος στη σεισμική συμπεριφορά των κατασκευών
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Μορφή: | Μεταπτυχιακή εργασία |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ.
2020
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://okeanis.lib2.uniwa.gr/xmlui/handle/123456789/5360 |
| _version_ | 1780278380720029696 |
|---|---|
| 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…” |
| abstracttranslated | As structural one is characterized the lightweight aggregate concrete intended to bear loads in the construction. Significant studies on the applications of structural lightweight concrete, mainly produced with artificial lightweight aggregates, have been carried out by EU countries and the European program EuroLightCon (1998). The development of different types of lightweight concrete with aggregate of mineral origin depends mainly on the local availability of lightweight aggregates which can be natural (pumice, basaltic slag) or artificial (expanded perlite, expanded clay). Recently, artificial lightweight aggregates based on fly ash are used. Pumice is the natural lightweight aggregate found in Greece, quarried by LAVA SA. As pumice is a product of volcanic eruption no thermal energy is required for its expansion in contrast to other artificial lightweight aggregates. Among other applications, it is used in the production of lightweight concrete. Greek pumice has the highest compressive strength among all other lightweight aggregates of mineral origin affecting on the strength of pumice concrete. The structural pumice concrete of 25 MPa strength has the advantage of reduced dry density (~ 1500 kg/m3) combined with low thermal conductivity (λ ~ 0,6 W/m/K). The use of structural pumice concrete reduces the mass of a building expanding the number of structural solutions (additions or stories, applications in seismic environment, change of reinforcement structure) and contributes to energy savings.
The aim of this dissertation is to further contribute to the investigation of the industrial production and τηε use of structural pumice concrete produced in certain units of Lafarge Beton (HERACLES Group of Companies) and to continue the structural studies. It is formed into two main sections, the experimental and the computational: A. The experimental secτion concerns the technology of the structural pumice concrete. It includes the results from the tests carried out at the ‘HERACLES Group of Companies (EKET, Lafarge Beton) in the research project 716-BET-2013. The results are presented and commented on. In the same research project, the Laboratory of Reinforced Concrete NTUA participated, where extensive testing on real-size specimens showed that the technical properties of the structural crossover fully comply with EC2 and EC8 Eurocodes. B. The computational section was conducted at the University of West Attica and concerns the structural comparison between multi-story buildings constructed with Normal Density Concrete and Pumice Concrete. Analysis was based on the European codes EC2 and EC8. It focuses on the analysis of ground floor frames in residential buildings of 4, 8, 12, 16 and 20 stories and includes the sections: o Regulatory framework, where the design rules of EC2 and EC8 are reviewed with structural lightweight aggregate concrete o Documentation regarding the density of structural pumice concrete o The actual design of the frames with a height of 3 m and with two openings 6 m wide each. The buildings were solved using the CSI ETABS2016 commercial code and the frames are checked and compared at ultimate limit state and at the seismic combination according to Eurocodes EC2 and EC8 (maximum torque, maximum shear force, modal analysis) o Comments on the computational results
Briefly, the conclusions of the dissertation are: Structural pumice concrete technology • Using LAVA SA pumice with granulometry 0/8 mm and with cement content CEM II42.5 from 390 to 477 kg/m3, a structural lightweight concrete is produced in a Ready mix giving strength classes according to EN 206 from LC20/22 to LC35/38 or even larger. • The structural lighweight concrete produced with pumice aggregates that replace entirely or partially the limestone aggregates has fresh density in the range of 1600-1800 kg/m3. The density of the concrete mixtures covers the range of lightweight concrete according to EN 206 from D1.4 to D1.8. • The structural pumice concrete may be steel fiber reinforced or contain crushed sand to achieve economical compositions for prestressed elements. • Production, transport, pumping and placing of the structural pumice concrete do not differ from the corresponding normal density concrete. • Workability of the fresh structural pumice concrete is maintained at least for 3 h by using ordinary concrete additives (setting retarder, water reducer, superplasticizer) and with the of superplasticizer at the jobsite. • The mix design of structural pumice concrete composition, production, transport, pumping and placing, its properties and their correlation fully comply with the European standard EN 206 and the American standards ACI. • The results of the accelerated diffusion of chlorides in lightweight concrete specimens indicate very low permeability. • Using structural pumice concrete, a reduction of the thermal conductivity coefficient of 60% is achieved compared to normal density concrete. • The results of natural and accelerated carbonation experiments indicate a lifespan of construction of about 40 to 50 years, which is comparable to the conventional C20/25 concrete.
Structural calculations in frames • The decrease of pumice concrete density results in a 21% reduction in seismic mass for all frames in comparison with normal density concrete. The reduction in seismic mass in turn causes a reduction of the shear force at the base of the columns of the frames, which leads to less seismic stress. • The fundamental period increases in all frames of pumice concrete and is greater than Tc. Thus, the design accelerations are reduced and are in the declining branch of the elastic response spectrum. • The smaller modulus of elasticity of pumice concrete leads to larger horizontal relative movements in frames ranging from 8.0% (4 story building) up to 20% (16 and 20 story building). • At ultimate limit state, the reduction rate of torque on the frame beams was calculated to be equal to 12% in all frames. • At seismic action the rate of reduction of torque on the beams ranges from 18 to 22% with the largest reduction for 4 and 8 story building. • A decrease of the reinforcement of the pumice concrete beams is calculated in relation to the reinforcement of normal density concrete beams. o At ultimate limit state, the reduction rate is 12% for frames of 4 to 16 story building, while no difference is calculated for the frame of 20 story buiding. o At seismic action the reduction rate is ~ 26% for all frames. • At ultimate limit state, the rate of reduction of the torque on the columns was estimated at 12% in all frames. • At seismic action, the rate of reduction of torque on the columns ranges from 19% to 27% with the largest decrease for 4 and 8 story building. • Τhe reduction of the reinforcement of the columns with pumice concrete in relation to the reinforcement of the columns with normal density concrete was calculated. o At ultimate limit state and at seismic action, there is no difference in the reinforcement of the columns for 4, 8 and 12 story building. o At ultimate limit state and at seismic action, the reinforcement is estimated to be reduced by 60% in the central column (C2) for 16 and 20 story building. • Calculations with reduced column cross-section in relation to the reference cross-section indicate that there is no reduction in reinforcement for 4 and 8 story buiding. In the rest, the decrease occurs only in the central column (C2). In addition, it is observed that the reduction of the cross section of the column results in a smaller rate of reduction of reinforcement. It is worth mentioning at the prototype P.Kuman Mehta και Paulo J.M. Monteiro comments (”CONCRETE, Microstructure, Properties and Materials”, Third Edition, McGraw-Hill, New York, (2006), pp.457-458) regarding advantages of structural lightweight concrete use: “…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…” |
| advisor | |
| author | Νομικού, Μαρία |
| author_facet | Νομικού, Μαρία |
| author_sort | Νομικού, Μαρία |
| collection | Okeanis Institutional Repository |
| format | Μεταπτυχιακή εργασία |
| id | okeanis-123456789-5360 |
| institution | University of West Attica Campus II |
| keyword | Ελαφροσκυρόδεμα Δομικός σχεδιασμός Δομικό κισηρόδεμα Κισηρόδεμα Κίσηρη Σεισμική συμπεριφορά |
| language | Greek |
| physical | 136 |
| publishDate | 2020 |
| publisher | Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ. |
| record_format | dspace |
| spelling | okeanis-123456789-53602020-07-29T08:23:23Z Διερεύνηση της επίδρασης του ελαφροσκυροδέματος στη σεισμική συμπεριφορά των κατασκευών Investigation of lightweight concrete effect on structures seismic behavior Νομικού, Μαρία Ρεπαπής, Κωνσταντίνος TPSH::Τεχνολογία::Δομική Μηχανική::Αντισεισμικές Κατασκευές Ελαφροσκυρόδεμα Δομικός σχεδιασμός Δομικό κισηρόδεμα Κισηρόδεμα Κίσηρη Σεισμική συμπεριφορά 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…” As structural one is characterized the lightweight aggregate concrete intended to bear loads in the construction. Significant studies on the applications of structural lightweight concrete, mainly produced with artificial lightweight aggregates, have been carried out by EU countries and the European program EuroLightCon (1998). The development of different types of lightweight concrete with aggregate of mineral origin depends mainly on the local availability of lightweight aggregates which can be natural (pumice, basaltic slag) or artificial (expanded perlite, expanded clay). Recently, artificial lightweight aggregates based on fly ash are used. Pumice is the natural lightweight aggregate found in Greece, quarried by LAVA SA. As pumice is a product of volcanic eruption no thermal energy is required for its expansion in contrast to other artificial lightweight aggregates. Among other applications, it is used in the production of lightweight concrete. Greek pumice has the highest compressive strength among all other lightweight aggregates of mineral origin affecting on the strength of pumice concrete. The structural pumice concrete of 25 MPa strength has the advantage of reduced dry density (~ 1500 kg/m3) combined with low thermal conductivity (λ ~ 0,6 W/m/K). The use of structural pumice concrete reduces the mass of a building expanding the number of structural solutions (additions or stories, applications in seismic environment, change of reinforcement structure) and contributes to energy savings. The aim of this dissertation is to further contribute to the investigation of the industrial production and τηε use of structural pumice concrete produced in certain units of Lafarge Beton (HERACLES Group of Companies) and to continue the structural studies. It is formed into two main sections, the experimental and the computational: A. The experimental secτion concerns the technology of the structural pumice concrete. It includes the results from the tests carried out at the ‘HERACLES Group of Companies (EKET, Lafarge Beton) in the research project 716-BET-2013. The results are presented and commented on. In the same research project, the Laboratory of Reinforced Concrete NTUA participated, where extensive testing on real-size specimens showed that the technical properties of the structural crossover fully comply with EC2 and EC8 Eurocodes. B. The computational section was conducted at the University of West Attica and concerns the structural comparison between multi-story buildings constructed with Normal Density Concrete and Pumice Concrete. Analysis was based on the European codes EC2 and EC8. It focuses on the analysis of ground floor frames in residential buildings of 4, 8, 12, 16 and 20 stories and includes the sections: o Regulatory framework, where the design rules of EC2 and EC8 are reviewed with structural lightweight aggregate concrete o Documentation regarding the density of structural pumice concrete o The actual design of the frames with a height of 3 m and with two openings 6 m wide each. The buildings were solved using the CSI ETABS2016 commercial code and the frames are checked and compared at ultimate limit state and at the seismic combination according to Eurocodes EC2 and EC8 (maximum torque, maximum shear force, modal analysis) o Comments on the computational results Briefly, the conclusions of the dissertation are: Structural pumice concrete technology • Using LAVA SA pumice with granulometry 0/8 mm and with cement content CEM II42.5 from 390 to 477 kg/m3, a structural lightweight concrete is produced in a Ready mix giving strength classes according to EN 206 from LC20/22 to LC35/38 or even larger. • The structural lighweight concrete produced with pumice aggregates that replace entirely or partially the limestone aggregates has fresh density in the range of 1600-1800 kg/m3. The density of the concrete mixtures covers the range of lightweight concrete according to EN 206 from D1.4 to D1.8. • The structural pumice concrete may be steel fiber reinforced or contain crushed sand to achieve economical compositions for prestressed elements. • Production, transport, pumping and placing of the structural pumice concrete do not differ from the corresponding normal density concrete. • Workability of the fresh structural pumice concrete is maintained at least for 3 h by using ordinary concrete additives (setting retarder, water reducer, superplasticizer) and with the of superplasticizer at the jobsite. • The mix design of structural pumice concrete composition, production, transport, pumping and placing, its properties and their correlation fully comply with the European standard EN 206 and the American standards ACI. • The results of the accelerated diffusion of chlorides in lightweight concrete specimens indicate very low permeability. • Using structural pumice concrete, a reduction of the thermal conductivity coefficient of 60% is achieved compared to normal density concrete. • The results of natural and accelerated carbonation experiments indicate a lifespan of construction of about 40 to 50 years, which is comparable to the conventional C20/25 concrete. Structural calculations in frames • The decrease of pumice concrete density results in a 21% reduction in seismic mass for all frames in comparison with normal density concrete. The reduction in seismic mass in turn causes a reduction of the shear force at the base of the columns of the frames, which leads to less seismic stress. • The fundamental period increases in all frames of pumice concrete and is greater than Tc. Thus, the design accelerations are reduced and are in the declining branch of the elastic response spectrum. • The smaller modulus of elasticity of pumice concrete leads to larger horizontal relative movements in frames ranging from 8.0% (4 story building) up to 20% (16 and 20 story building). • At ultimate limit state, the reduction rate of torque on the frame beams was calculated to be equal to 12% in all frames. • At seismic action the rate of reduction of torque on the beams ranges from 18 to 22% with the largest reduction for 4 and 8 story building. • A decrease of the reinforcement of the pumice concrete beams is calculated in relation to the reinforcement of normal density concrete beams. o At ultimate limit state, the reduction rate is 12% for frames of 4 to 16 story building, while no difference is calculated for the frame of 20 story buiding. o At seismic action the reduction rate is ~ 26% for all frames. • At ultimate limit state, the rate of reduction of the torque on the columns was estimated at 12% in all frames. • At seismic action, the rate of reduction of torque on the columns ranges from 19% to 27% with the largest decrease for 4 and 8 story building. • Τhe reduction of the reinforcement of the columns with pumice concrete in relation to the reinforcement of the columns with normal density concrete was calculated. o At ultimate limit state and at seismic action, there is no difference in the reinforcement of the columns for 4, 8 and 12 story building. o At ultimate limit state and at seismic action, the reinforcement is estimated to be reduced by 60% in the central column (C2) for 16 and 20 story building. • Calculations with reduced column cross-section in relation to the reference cross-section indicate that there is no reduction in reinforcement for 4 and 8 story buiding. In the rest, the decrease occurs only in the central column (C2). In addition, it is observed that the reduction of the cross section of the column results in a smaller rate of reduction of reinforcement. It is worth mentioning at the prototype P.Kuman Mehta και Paulo J.M. Monteiro comments (”CONCRETE, Microstructure, Properties and Materials”, Third Edition, McGraw-Hill, New York, (2006), pp.457-458) regarding advantages of structural lightweight concrete use: “…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…” 2020-07-10 Μεταπτυχιακή εργασία http://okeanis.lib2.uniwa.gr/xmlui/handle/123456789/5360 el http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/ Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ. 136 http://okeanis.lib2.uniwa.gr/xmlui/bitstream/123456789/5360/5/Retrofit-50.pdf.jpg http://okeanis.lib2.uniwa.gr/xmlui/bitstream/123456789/5360/7/%ce%94%ce%ae%ce%bb%cf%89%cf%83%ce%b7%20%cf%83%cf%85%ce%b3%ce%b3%cf%81%ce%b1%cf%86%ce%ad%ce%b1.pdf.jpg |
| spellingShingle | TPSH::Τεχνολογία::Δομική Μηχανική::Αντισεισμικές Κατασκευές Νομικού, Μαρία Διερεύνηση της επίδρασης του ελαφροσκυροδέματος στη σεισμική συμπεριφορά των κατασκευών |
| title | Διερεύνηση της επίδρασης του ελαφροσκυροδέματος στη σεισμική συμπεριφορά των κατασκευών |
| title_full | Διερεύνηση της επίδρασης του ελαφροσκυροδέματος στη σεισμική συμπεριφορά των κατασκευών |
| title_fullStr | Διερεύνηση της επίδρασης του ελαφροσκυροδέματος στη σεισμική συμπεριφορά των κατασκευών |
| title_full_unstemmed | Διερεύνηση της επίδρασης του ελαφροσκυροδέματος στη σεισμική συμπεριφορά των κατασκευών |
| title_short | Διερεύνηση της επίδρασης του ελαφροσκυροδέματος στη σεισμική συμπεριφορά των κατασκευών |
| title_sort | διερεύνηση της επίδρασης του ελαφροσκυροδέματος στη σεισμική συμπεριφορά των κατασκευών |
| title_translated | Investigation of lightweight concrete effect on structures seismic behavior |
| topic | TPSH::Τεχνολογία::Δομική Μηχανική::Αντισεισμικές Κατασκευές |
| url | http://okeanis.lib2.uniwa.gr/xmlui/handle/123456789/5360 |