Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του ΔΠΜΣ «Δομοστατικός Σχεδιασμός και Ανάλυση των Κατασκευών», στο εργαστήριο μεταλλικών κατασκευών της σχολής πολιτικών μηχανικών του ΕΜΠ. Αντικείμενό της είναι ο σχεδιασμός των βασικών φέροντων στοιχείων μιας πολύ συνηθισμένης περίπτωσης μεταλλικής κατασκευής, όπως είναι ένα βιομηχανικό υπόστεγο, στο οποίο λειτουργούν γερανογέφυρες, σύμφωνα με τους Ευρωκώδικες.

Στο εισαγωγικό τμήμα της εργασίας (κεφάλαιο 1) γίνεται μια γενική αναφορά σε κατασκευές από χάλυβα και στα πλεονεκτήματά τους και ειδικότερα παρουσιάζονται τα επιμέρους στοιχεία ενός μονώροφου, βιομηχανικού κτιρίου, καθώς και διαφορετικές εναλλακτικές διατάξεις τους. Τέλος, γίνεται αναφορά στις γερανογέφυρες και στα βασικά μέρη που τις αποτελούν.

Στο 2^ο κεφάλαιο, παρουσιάζεται το υπό μελέτη κτίριο, με τα βασικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά του και την τοπολογία των μελών του, καθώς και τα τεχνικά χαρακτηριστικά των γερανογεφυρών που λειτουργούν εντός αυτού. Το κτίριο που μελετάται στην παρούσα εργασία είναι ένα τυπικό μονώροφο μεταλλικό κτίριο βιομηχανικής και αποθηκευτικής χρήσης, με επιφάνεια κάτοψης 35 m x 30 m. Ο φέρων οργανισμός του κτιρίου μορφώνεται με επάλληλα τρίστηλα πλαίσια, ανοίγματος 15 m, τοποθετημένα σε απόσταση 7 m μεταξύ τους. Tο ύψος των υποστυλωμάτων είναι 10 m και το ύψος των ζυγωμάτων 1.5 m, συνεπώς το συνολικό ύψος του κτιρίου στους κορφιάδες είναι 11.5 m.  Κατά μήκος του κτιρίου, διήκουν οι κεφαλοδοκοί, οι οποίες συνδέουν τις κεφαλές των υποστυλωμάτων και τους κορφιάδες των διαδοχικών πλαισίων. Ο φέρων οργανισμός του κτιρίου συμπληρώνεται με την τοποθέτηση των οριζόντιων και των κατακόρυφων συνδέσμων δυσκαμψίας. Η υιοθέτηση τρίστηλων πλαισίων διαμορφώνει δύο αίθουσες και εντός της καθεμίας λειτουργεί γερανογέφυρα ανυψωτικής ικανότητας 5 ton. H μεταφορά των φορτίων των γερανογεφυρών στους κύριους φορείς γίνεται με τη μόρφωση κοντών προβόλων σε ύψος 8 m πάνω στα υποστυλώματα των πλαισίων, επί των οποίων εδράζονται οι δοκοί κύλισης.  Έπειτα αναλύονται οι παραδοχές προσομοίωσης του φορέα στο υπολογιστικό πρόγραμμα SAP 2000.

Στο 3^ο κεφάλαιο, υπολογίζονται όλες οι δράσεις επί της κατασκευής (μόνιμες, κινητές και τυχηματικές).

Τα φορτία που εφαρμόζονται στην οροφή του υποστέγου είναι μόνιμα και κινητά φορτία, τα οποία εφαρμόζονται απ’ευθείας ως γραμμικά, κατακόρυφα φορτία επί των ζυγωμάτων των κύριων φορέων. Αναφορικά με τα κινητά φορτία, αυτά αντιστοιχούν σε περίπτωση στεγών μη προσβάσιμων, παρά μόνο για την κανονική συντήρηση και για επισκευή (κατηγορία H) κατά EN 1991-1-1.

Για τον υπολογισμό των φορτίων χιονιού, αρχικά υποθέτουμε πως το κτίριο βρίσκεται στο νομό Καρδίτσας, επί του επαρχιακού δρόμου που συνδέει τα Τρίκαλα με την Καρδίτσα, σε υψόμετρο 115 m από τη στάθμη της θάλασσας. Το φορτίο χιονιού που ασκείται επί της στέγης θεωρείται ως κατακόρυφο, ομοιόμορφα κατανεμημένο στην οριζόντια προβολή της στέγης και αναφέρεται στην «με διάρκεια/παροδική» κατάσταση σχεδιασμού. Το φορτίο χιονιού κατατάσσεται στα κινητά φορτία, εφαρμόζεται ως γραμμικό, κατακόρυφο φορτίο πάνω σε κάθε ζύγωμα και θεωρείται πως προκύπτει από χιονόπτωση σε συνθήκες ηρεμίας, χωρίς να παρουσιάζονται φαινόμενα εξαιρετικών παρασύρσεων και αμελώντας παράγοντες ανακατανομής του φορτίου επί της στέγης.

Οι δράσεις του ανέμου είναι χρονικά και χωρικά μεταβαλλόμενες και οι παράγοντες που επηρεάζουν ως επί το πλείστον το μέγεθός τους είναι η θέση και η τοπογραφία, οι διαστάσεις και το σχήμα του κτιρίου, η κλίση της στέγης, η διεύθυνση και η μέση ταχύτητα του ανέμου. Ο υπολογισμός των φορτίων ανέμου γίνεται με βάση τα οριζόμενα στο EN 1991-1-4 για διευθύνσεις ανέμου 0°, 90°. Τα φορτία ανέμου είναι μεταβλητές δράσεις που επιβάλλονται πάνω στα υποστυλώματα και τα ζυγώματα των πλαισίων.

Η προσομοίωση και ο υπολογισμός των σεισμικών δράσεων γίνεται σύμφωνα με τα οριζόμενα στον EN 1998-1, και πιο συγκεκριμένα με χρήση του φάσματος απόκρισης. Ο φορέας αναμένεται να παρουσιάσει αντοχή και στη μη γραμμική περιοχή, παρ’ όλα αυτά στην περίπτωσή μας, λόγω της λειτουργίας γερανογεφυρών στο κτίριο, υπάρχουν σημαντικοί περιορισμοί στην παραμορφωσιμότητα των μελών. Συνεπώς επιλέγονται συντελεστές συμπεριφοράς που αντιστοιχούν σε σχεδόν ελαστική ανάλυση, ήτοι: q_x = q_y = 1.5. Η κατακόρυφη σεισμική δράση δεν εξετάζεται στην παρούσα εργασία, καθώς κρίνεται μη κρίσιμη.

 Τα φορτία των γερανογεφυρών που εξετάζονται είναι διλής φύσης: μόνιμα και κινητά. Μια άλλη διάκριση των φορτίων είναι σε κατακόρυφα και οριζόντια, τα οποία είναι προφανές ότι ασκούνται ταυτόχρονα. Τα κατακόρυφα φορτία οφείλονται στο ανυψούμενο φορτίο, το ίδιο βάρος της γερανογέφυρας και το βάρος του βαρουλκοφορείου. Η επιβολή των κατακόρυφων φορτίων επί των δοκών κυλίσεως γίνεται κατά δυναμικό τρόπο, μέσω της εφαρμογής δυναμικών, προσαυξητικών συντελεστών επί των στατικώς προσδιοριζόμενων δράσεων. Τα οριζόντια φορτία προκαλούνται αφ’ενός από την επιτάχυνση ή την επιβράδυνση κατά την κίνησή της και αφ’ετέρου από τη λοξή κίνηση της γερανογέφυρας ως προς τις τροχιές. Και επί των οριζόντιων φορτίων εφαρμόζονται δυναμικοί, προσαυξητικοί συντελεστές. Στο μοντέλο ανάλυσης, τα φορτία που οφείλονται στη λειτουργία των γερανογεφυρών εφαρμόζονται απευθείας στους κοντούς προβόλους και εξετάζονται όλες οι δυνατές, διαφορετικές, σχετικές θέσεις των γερανογεφυρών.

Τα ίδια βάρη των μεταλλικών στοιχείων της κατασκευής υπολογίζονται αυτόματα από το υπολογιστικό πρόγραμμα ανάλυσης, με βάση το ειδικό βάρος του χάλυβα και τις διαστάσεις του εκάστωτε μέλους.

Τα διάφορα φορτία πολλαπλασιάζονται με συντελεστές ασφαλείας γ και συνδυάζονται με συντελεστές συνδυασμού ψ, σύμφωνα με το EN 1990, ώστε να προκύψουν συνδυασμοί φορτίσεων που ανταποκρίνονται και στην Ο.Κ.Α. και στην Ο.Κ.Λ. Δημιουργούνται συνολικά 40 συνδυασμοί φορτίσεων (4x10), που αφορούν όλες τις δυνατές, διαφορετικές σχετικές θέσεις των γερανογεφυρών.

Στο 4^ο κεφάλαιο γίνεται η ανάλυση και η διαστασιολόγηση του φορέα, ώστε να πληρούνται τα κριτήρια στην Οριακή Κατάσταση Αστοχίας (Ο.Κ.Α.) και στην Οριακή Κατάσταση Λειτουργικότητας (Ο.Κ.Λ.). Η διαστασιολόγηση των μελών στην Ο.Κ.Α. γίνεται σύμφωνα με το EN 1993-1-1:2005. Προς διευκόλυνση της ανάλυσης, δημιουργείται και ένας πρόσθετος φορτικός συνδυασμός, που είναι η περιβάλλουσα των 24 προηγούμενων συνδυασμών σε Ο.Κ.Α. Με βάση αυτόν τον τελευταίο συνδυασμό πραγματοποιείται η διαστασιολόγηση των μελών. Χρησιμοποιείται η εντολή “Design”, που παρέχει το SAP 2000 και με τη χρήση του συντελεστή ανεπάρκειας (IF<1), επιλέγονται οι διατομές των μελών ώστε να ικανοποιούν τα πιο πάνω κριτήρια και επιπλέον να είναι οι βέλτιστες. Οι οριζόντιοι και οι κατακόρυφοι σύνδεσμοι δυσκμαψίας, καθώς και οι κεφαλοδοκοί ελέγχονται σε εφελκυσμό, ενώ τα υπόλοιπα μέλη ελέγχονται σε σύνθετη καταπόνηση.

Κατά την ανάλυση στην Ο.Κ.Λ., ελέγχονται οι μέγιστες μετακινήσεις των κόμβων και οι μέγιστες παραμορφώσεις των μελών που αναμένεται να εμφανιστούν, ώστε να βρίσκονται κάτω από τα επιτρεπόμενα όρια που ορίζονται από τον κανονισμό. Προς διευκόλυνση της ανάλυσης, δημιουργείται και ένας πρόσθετος φορτικός συνδυασμός, που είναι η περιβάλλουσα των 16 προηγούμενων συνδυασμών σε Ο.Κ.Λ. Με βάση αυτόν τον τελευταίο συνδυασμό γίνονται όλοι οι απαιτούμενοι έλεγχοι. Τα όρια των αποδεκτών παραμορφώσεων διαφοροποιούνται για τα μέλη που συνδέονται άμεσα με τη λειτουργία των γερανογεφυρών (EN 1993-6), σε σχέση με τα υπόλοιπα (EN 1993-1-1).

Παρ’ότι οι δοκοί κύλισης δεν προσομοιώνονται στο μοντέλο ανάλυσης, ελέγχονται σε Ο.Κ.Α., Ο.Κ.Λ. και σε κόπωση, σύμφωνα με το EN 1993-6.

Στο 5^ο κεφάλαιο υπολογίζονται και παρουσιάζονται σε σχέδια λεπτομερειών οι πιο χαρακτηριστικές κοχλιωτές και συγκολλητές συνδέσεις των μελών του φορέα, σύμφωνα με τα οριζόμενα στο EN 1993-1-8:

1.      Σύνδεση οριζόντιων συνδέσμων δυσκαμψίας επί των ζυγωμάτων

2.      Σύνδεση κατακόρυφων συνδέσμων δυσκαμψίας επί των υποστυλωμάτων

3.      Σύνδεση ζυγωμάτων με υποστυλώματα

4.      Σύνδεση ζυγωμάτων στις ψηλότερες θέσεις του υποστέγου

5.      Έδραση υποστυλωμάτων στη θεμελίωση

6.      Σύνδεση βραχέων προβόλων επί των υποστυλωμάτων

Εξ’ αυτών, οι συνδέσεις 1,2 υπολογίζονται με χρήση φύλλων Excel που δημιουργήθηκαν για αυτό το σκοπό, ενώ οι 3,4,5,6 με χρήση του λογισμικού υπολογισμού συνδέσεων PowerConnect 2017.

Η εργασία αυτή φιλοδοξεί να αποτελέσει ένα αναλυτικό παράδειγμα σχεδιασμού αντίστοιχων φορέων σύμφωνα με τις σύγχρονες απαιτήσεις των Ευρωκωδίκων.