Ο σεισμός της Αθήνας, στις 7/9/1999, προκάλεσε πολλές μη αναμενόμενες βλάβες στα κατακόρυφα στοιχεία κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα οι οποίες δεν μπορούν να αποδοθούν στην κακή ή ελλιπή εφαρμογή των διατάξεων των κανονισμών. Οι βλάβες αυτές παρατηρήθηκαν στο σημείο καμπής των στοιχείων, δηλαδή στο σημείο όπου η ροπή λαμβάνει μηδενική τιμή. Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία αποτελεί μέρος ενός ευρύτερου ερευνητικού προγράμματος με στόχο τη διερεύνηση των παραπάνω βλαβών και τη βελτίωση των μεθόδων σχεδιασμού κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα. Αντικείμενο της εργασίας είναι η συγκριτική αναλυτική διερεύνηση της συμπεριφοράς δομικών στοιχείων τα οποία σχεδιάστηκαν με δύο διαφορετικές μεθόδους σχεδιασμού, αυτή που είναι ενσωματωμένη στους ισχύοντες κανονισμούς και βασίζεται στην προσομοίωση ραβδόμορφων στοιχείων με δικτυώματα και μία εναλλακτική που βασίζεται στη θεωρία της τροχιάς της θλιπτικής δύναμης. 

 Η αναλυτική διερεύνηση πραγματοποιήθηκε κάνοντας χρήση ενός λογισμικού μη-γραμμικής ανάλυσης. Το λογισμικό αυτό έχει αναπτυχθεί χρησιμοποιώντας ως βάση ένα λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων, γραμμικής ανάλυσης, που είναι ενσωματωμένο σε μια επαναληπτική διαδικασία, παραλλαγή της μεθόδου Newton-Raphson, που χρησιμοποιεί την έννοια των υπολειμματικών (μη εξισιρροπούμενων) δυνάμεων (residual forces). Tο κύριο χαρακτηριστικό του λογισμικού είναι η εξάρτηση του από το καταστατικό προσομοίωμα του σκυροδέματος που χρησιμοποιεί. Το προσομοίωμα αυτό έχει χαρακτηριστικά που διαφέρουν ριζικά από αυτά των προσομοιωμάτων που χρησιμοποιούνται από τα αλλά λογισμικά με τα οποία θα μπορούσαν να αναλυθούν δομικά στοιχεία από οπλισμένο σκυρόδεμα. Η υιοθέτηση του παραπάνω προσομοιώματος όχι μόνο έχει επηρεάσει την ανάπτυξη της επαναληπτικής διαδικασίας με την οποία εκτελείται η μη-γραμμική ανάλυση, αλλά υπαγορεύει και τα κύρια χαρακτηριστικά της προβλεπόμενης συμπεριφοράς των κατασκευών που αναλύονται. 

Οι φορείς που αναλύονται είναι ραβδόμορφοι φορείς οπλισμένου σκυροδέματος στους οποίους επιβάλλεται συνδυασμός αξονικού και εγκάρσιου φορτίου. Αρχικά, επιβάλλεται το αξονικό φορτίο και στην συνέχεια, επιβάλλεται σταδιακά το εγκάρσιο μέχρι την αστοχία του φορέα. Οι τιμές του αξονικού φορτίου που επιλέγονται είναι 0 KN, 180 KN και 315 ΚΝ. Για κάθε μία από τις τιμές αυτές του αξονικού φορτίου ο υπολογισμός του εγκάρσιου οπλισμού γίνεται δύο φορές, μία σύμφωνα με τη μέθοδο του δικτυώματος (Δ), όπως αυτή εφαρμόζεται από τις διατάξεις του κανονισμού, και μια με τη μέθοδο της τροχιάς της θλιπτική δύναμης (ΤΘΔ). Στόχος των δύο μεθόδων σχεδιασμού είναι η πλάστιμη συμπεριφορά του φορέα. Για να επιτευχθεί ο στόχος αυτός η αστοχία του φορέα θα πρέπει να είναι καμπτική και να οφείλεται στην αστοχία της θλιβόμενης ζώνης του σκυροδέματος μετά από διαρροή του διαμήκη οπλισμού, γεγονός που οδηγεί στο σχηματισμό πλαστικών αρθρώσεων ικανών να καταστήσουν τον φορέα μηχανισμό.

Από τη σύγκριση των διατάξεων του εγκάρσιου οπλισμού φαίνεται ότι οι λύσεις που προέκυψαν από τις δύο μεθόδους σχεδιασμού είναι διαμετρικά αντίθετες, γεγονός που οφείλεται στο διαφορετικό θεωρητικό υπόβαθρο των μεθόδων σχεδιασμού. Στις περιοχές που απαιτείται ελάχιστος οπλισμός η απόσταση των συνδετήρων που απαιτούν οι μέθοδοι σχεδιασμού είναι 230 mm για την περίπτωση σχεδιασμού με τη μέθοδο του Δ και 150 mm για την περίπτωση χρησιμοποίησης της μεθόδου της ΤΘΔ. Στις κρίσιμες περιοχές η μέθοδος της ΤΘΔ προδιαγράφει πολύ αραιότερο εγκάρσιο οπλισμό από εκείνον που απαιτεί η μέθοδος του Δ, ενώ, στην περιοχή του σημείου καμπής η μέθοδος της ΤΘΔ απαιτεί γενικά πυκνότερη διάταξη συνδετήρων. Οι παραπάνω διαφορές οφείλονται στο ότι τα κρίσιμα κατά τη μέθοδο του Δ μήκη δεν θεωρούνται κρίσιμα από τη μέθοδο του ΤΘΔ η οποία θεωρεί ως κρίσιμη περιοχή  την περιοχή του σημείου καμπής. Όμως, για την περίπτωση Ν=0 ο εγκάρσιος οπλισμός που απαιτεί η μέθοδος του Δ για αντοχή σε τέμνουσα στην περιοχή του σημείου καμπής είναι περισσότερος από αυτό που προκύπτει από τη μέθοδος της ΤΘΔ.     

Από τα αποτελέσματα της ανάλυσης των φορέων που σχεδιάστηκαν σύμφωνα με τις διατάξεις του κανονισμού βρέθηκε πως μόνο στην περίπτωση του μηδενικού αξονικού φορτίου η προβλεπόμενη συμπεριφορά ήταν αυτή που αναμενόταν από τη μέθοδο σχεδιασμού. Αντίθετα, στις περιπτώσεις αξονικού φορτίου Ν με τιμές  Ν = 180 ΚΝ και Ν = 315 ΚΝ οι αναλυτικές προβλέψεις βρέθηκαν να αποκλίνουν από εκείνες της μεθόδου σχεδιασμού. Συγκεκριμένα, η τιμή της φέρουσας ικανότητας που προβλέπει η ανάλυση είναι μικρότερη από αυτή που προβλέπει η μέθοδος σχεδιασμού. Για Ν=180 ΚΝ η φέρουσα ικανότητα  αντιστοιχεί σε εγκάρσιο φορτίο που προκαλεί τη δημιουργία μίας πλαστικής άρθρωσης και συνεπώς οι φορείς χαρακτηρίζονται από μειωμένη πλαστιμότητα σε σχέση με την αναμενόμενη από τη μέθοδο σχεδιασμού που αντιστοιχεί στη δημιουργία δύο πλαστικών αρθρώσεων. Για Ν=315 ΚΝ ο φορέας αστοχεί πριν αναπτυχθούν πλαστικές αρθρώσεις. Η ψαθυρή αυτή μορφή αστοχίας προκλήθηκε από οριζόντια ρηγμάτωση στην περιοχή του σημείου καμπής. Παρά το γεγονός ότι οι φορείς σχεδιάστηκαν σύμφωνα με τον κανονισμό έτσι ώστε η αστοχία λόγω της δημιουργίας δύο πλαστικών αρθρώσεων να προηγείται της αστοχίας έναντι τέμνουσας, παρατηρήθηκε εκ των υστέρων ότι εάν οι επιμέρους συντελεστές ασφάλειας ληφθούν ίσοι με την μονάδα η αστοχία σε τέμνουσα προηγείται της δημιουργίας των δύο πλαστικών αρθρώσεων. Από την παρατήρηση αυτή φαίνεται πως η χρήση των συντελεστών ασφάλειας δεν εξασφαλίζει πλάστιμη συμπεριφορά του φορέα, απαραίτητη προϋπόθεση για την οποία είναι η καμπτικής μορφής αστοχία.  

Στην περίπτωση των φορέων που σχεδιάστηκαν σύμφωνα με την θεωρία της τροχιάς της θλιπτικής δύναμης (ΤΘΔ) παρατηρήθηκε πως για τις περιπτώσεις αξονικού φορτίου Ν = 0 ΚΝ και Ν= 180 ΚΝ οι αναλυτικές προβλέψεις συγκλίνουν με εκείνες της μεθόδου σχεδιασμού. Στην περίπτωση όμως που το αξονικό φορτίου είναι Ν = 315 ΚΝ παρατηρείται απόκλιση μεταξύ των παραπάνω προβλέψεων. Η απόκλιση αυτή οφείλεται στην αδυναμία της πρώτης πλαστικής άρθρωσης  να παραμορφωθεί όσο απαιτείται για το σχηματισμό της δεύτερης πλαστικής άρθρωσης. Αυτό οφείλεται στην ύπαρξη του αξονικού φορτίου που οδηγεί σε αστοχία της θλιβόμενης ζώνης του σκυροδέματος στην θέση της πρώτης πλαστικής άρθρωσης πριν το σχηματισμό της δεύτερης πλαστικής άρθρωσης σε άλλη θέση του στοιχείου. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσμα ο φορέας να έχει μειωμένη φέρουσα ικανότητα και πλαστιμότητα σε σχέση με τις τιμές που αντιστοιχούν στην εμφάνιση των δύο πλαστικών αρθρώσεων.  

Το πρώτο κεφάλαιο της μεταπτυχιακής εργασίας αποτελεί ένα εισαγωγικό κεφάλαιο. Στο δεύτερο κεφαλαίο γίνεται μια συνοπτική παρουσίαση του καταστατικού προσομοίωματος που περιγράφει τη μη γραμμική συμπεριφορά του σκυροδέματος. Ο τρόπος προσομοίωσης της ρηγμάτωσης παρουσιάζεται στο τρίτο κεφάλαιο της παρούσας εργασίας όπου γίνεται μια σύντομη περιγραφή του λογισμικού που χρησιμοποιήθηκε. Στο ίδιο κεφάλαιο γίνεται επίσης και η παρουσίαση του καταστατικού προσομοιώματος που περιγράφει την μη γραμμική συμπεριφορά του χάλυβα και σχολιάζεται και το θέμα της αλληλεπίδρασης του οπλισμού με το σκυρόδεμα. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι λεπτομέρειες σχεδιασμού των φορέων που πρόκειται να αναλυθούν στην συνέχεια καθώς και ο τρόπος με τον οποίο γίνεται η προσομοίωση τους. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης παρουσιάζονται στο πέμπτο κεφάλαιο ενώ στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα τα οποία επαληθεύουν τα αναλυτικά. Στο έβδομο κεφάλαιο συμπεριλαμβάνονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν από παρούσα εργασία. Τέλος ακολουθούν τέσσερα παραρτήματα στα οποία περιέχονται (α) οι αναλυτικοί υπολογισμοί για το σχεδιασμό των φορέων, (β) ο υπολογισμός της φέρουσας ικανότητας τους, (γ) η σύγκριση των αποτελεσμάτων του σχεδιασμού με και χωρίς συντελεστές ασφαλείας και (δ) η στατική επίλυση του φορέα.