Αντοχή σε Μονοαξονική Θλίψη

Η βασική μας απαίτηση από μία φέρουσα κατασκευή είναι να διατηρεί την ακεραιότητά της υπό την επίδραση των εξωτερικών φορτίων. Η απαίτηση αυτή ικανοποιείται αν το υλικό της κατασκευής έχει επαρκή αντοχή. Επειδή γενικά στις κατασκευές οπλισμένου σκυροδέματος, το σκυρόδεμα που δεν έχει ρηγματωθεί λόγω εφελκυσμού, είναι περίπου σε μονοαξονική θλίψη. Η μονοαξονική θλιπτική αντοχή είναι το κύριο χαρακτηριστικό μέγεθος του σκυροδέματος. Επιπλέον, αυτή η αντοχή είναι γενικό μέτρο της ποιότητας του υλικού, γιατί όλες σχεδόν οι ιδιότητες του σκληρυμένου σκυροδέματος βελτιώνονται με αύξηση της θλιπτικής αντοχής.

Τα αποτελέσματα της δοκιμασίας αντοχής σε θλίψη επηρεάζονται από το σχήμα του δοκιμίου και συγκεκριμένα το λόγο ύψους προς διάσταση βάσης, το μέγεθος του δοκιμίου και την ηλικία του δοκιμίου. Η επίδραση των παραγόντων αυτών στο αποτέλεσμα της δοκιμής περιγράφονται περιληπτικά παρακάτω :

• Κατά τη δοκιμή θλίψης το δοκίμιο είναι να διογκωθεί πλευρικά (κατά Poisson). Στις επιφάνειες επαφής με τις άκαμπτες πλάκες της μηχανής φόρτισης, η εγκάρσια παραμόρφωση εμποδίζεται από δυνάμεις τριβής με διεύθυνση προς το κέντρο της επιφάνειας επαφής. ο πλευρικός περιορισμός αυξάνει όμως τη θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος. Επειδή ο εγκάρσιος περιορισμός των ακραίων διατομών επηρεάζει μόνο την αντοχή των ακραίων περιοχών του δοκιμίου, η επίδραση στο αποτέλεσμα της δοκιμής θλίψης αυξάνει όσο πιο κοντόχονδρο είναι το δοκίμιο.
• Όσο μεγαλύτερο είναι το δοκίμιο τόσο μικρότερη είναι η αντοχή, γιατί η πιθανότητα να βρεθεί ένα αδύνατο σημείο απ΄ όπου θα αρχίσει η αστοχία αυξάνει με το μέγεθος του δοκιμίου. Επίσης η συντήρηση του δοκιμίου επηρεάζει περισσότερο ένα μικρό δοκίμιο από ένα μεγάλο, ενώ ακόμη και η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ επιφάνειας και εσωτερικού του δοκιμίου λόγω της θερμοκρασίας ενυδάτωσης είναι μεγαλύτερη και προκαλεί εντονότερη ρηγμάτωση της επιφάνειας όσο μεγαλύτερο είναι το δοκίμιο.
• Επειδή η ενυδάτωση του τσιμέντου συνεχίζεται για πάρα πολλά χρόνια μετά τη σκυροδέτηση, η αντοχή αυξάνεται με το χρόνο. Παίζοντας ως βάση αναφοράς την αντοχή στις 28 ημέρες, για το κοινό ή καθαρό τσιμέντο Portland κανονικής ανάπτυξης αντοχής. Η αντοχή του σκυροδέματος στις 7 ημέρες είναι περίπου το 70%-75% της αντοχής σε 28 ημέρες και στις 14 ημέρες το 80%. Στους 3 μήνες η αντοχή ξεπερνά την αντοχή των 28 ημερών κατά 15-20%, σε 1 χρόνο κατά 25-40% και σε 3 χρόνια κατά 50% περίπου.

Συμβατική αντοχή σκυροδέματος

Επειδή η μονοαξονική θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος εξαρτάται από όλους τους παράγοντες που αναφέρθηκαν στην προηγούμενη παράγραφο, οι Κανονισμοί ορίζουν σα βάση για τον έλεγχο της ποιότητας του σκυροδέματος τη συμβατική αντοχή, δηλαδή αυτήν που εκτιμάται με δοκίμια τυποποιημένης μορφής και διαστάσεων, τα οποία παρασκευάζονται από νωπό σκυρόδεμα λίγο πριν τη διάστρωση του, συντηρούνται με καθορισμένο τρόπο και δοκιμάζονται σε θλίψη σε ορισμένη ηλικία με αυστηρά τυποποιημένο τρόπο.

Χαρακτηριστική αντοχή σκυροδέματος

Από την φύση του το σκυρόδεμα είναι ανομοιογενές υλικό. Η ανομοιογένεια αυτή οφείλεται σε μικροδιαφορές στην ποιότητα των υλικών (κυρίως των αδρανών) , την αναλογία τους στο μείγμα και σε διαφορές στη διάστρωση, συμπύκνωση ή συντήρηση του σκυροδέματος από θέση σε θέση κατασκευής. Λόγω της ανομοιομορφίας αυτής, η ποιότητα, και πιο συγκεκριμένα η θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος σ΄ένα σημείο της κατασκευής f_c θεωρείται ως τυχαία μεταβλητή, χαρακτηρίζεται δηλ. Από μία πιθανοτική κατανομή, με μέσο όρο f_cm  τυπική απόκλισης s. Καθοριστικά για την ασφάλεια μιας κατασκευής είναι τα αδύνατα σημεία της. Γι΄αυτό ο σχεδιασμός των δομικών στοιχείων βασίζεται όχι στη μέση θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος, f_cm αλλά σε μία μικρότερη τιμή, τη χαρακτηριστική αντοχή f_ck. Κατά γενικά αποδεκτή σήμερα σύμβαση, ως χαρακτηριστική αντοχή ορίζεται η τιμή εκείνη κάτω από την οποία έχει πιθανότητα 5% να βρεθεί η αντοχή ενός τυχαίου δοκιμίου σκυροδέματος, δηλαδή αν ολόκληρη η ποσότητα του σκυροδέματος μετατρέπονταν σε δοκίμια, μόνο το 5% των αντοχών αυτών των δοκιμίων θα ήταν κάτω από την χαρακτηριστική αντοχή και το υπόλοιπό 95% θα ήταν πάνω από αυτήν.

Κατηγορίες σκυροδέματος και πεδίο εφαρμογής τους

Ο Ευρωκώδικας 2 ορίζει κατηγορίες σκυροδέματος με βάση τη χαρακτηριστική θλιπτική αντοχή κυλίνδρου. Οι κατηγορίες σκυροδέματος, ανάλογα με τη χαρακτηριστική τιμή της συμβατικής θλιπτικής αντοχής (σε Mpa) κυλίνδρου διαμέτρου 150mm και ύψους 300mm (ο πρώτος αριθμός) ή ύβου πλευράς 150mm (ο δεύτερος αριθμός) είναι : C12/15, C16/20, C20/25, C25/30, C30/37, C35/45, C40/50, C45/55, C50/60, C55/67 κλπ.

Η χρήση δύο συμβατικών αντοχών για το χαρακτηρισμό της κατηγορίας σκυροδέματος δίνει τη δυνατότητα επιλογής είτε κυλινδρικών συμβατικών δοκιμίων ή κυβικών 150mm για την (εργαστηριακή) μελέτη σύνθεσης του σκυροδέματος.

Αντοχή του σκυροδέματος σε εφελκυσμό

Η αντοχή του σκυροδέματος σε εφελκυσμό είναι μικρή. Γι΄αυτό στις κατασκευές το σκυρόδεμα είναι συνήθως ρηγματωμένο όπου τα φορτία λειτουργίας ή η παρεμπόδιση της συστολής του σκυροδέματος λόγω ξήρανσης ή θερμοκρασιακών μεταβολών προκαλούν εφελκυστικές τάσεις.

Σχέση τάσης – παραμόρφωσης και μέτρο Ελαστικότητας του σκυροδέματος

Η παραμόρφωση, ε, του σκυροδέματος που προκαλείται από ορισμένη τάση θλίψης σ είναι συνάρτηση του χρόνου, δηλ. Για σταθερή τάση η παραμόρφωση του σκυροδέματος αυξάνεται με το χρόνο σχεδόν επ΄άπειρον. Στο σημείο όπου η τάση είναι μέγιστη και ίση με τη μονοαξονική αντοχή f_c, το διάγραμμα έχει οριζόντια εφαπτομένη. Ο κατερχόμενος κλάδος του διαγράμματος μετά τη μέγιστη τάση είναι πραγματοποιήσιμος μόνον όταν επιβάλλεται στο υλικό συνεχώς αυξανόμενη παραμόρφωση. Η τιμή της παραμόρφωσης ε_c1 στη μέγιστη τάση συνήθως ποικίλλει μεταξύ 0,2% και 0,25% και αυτή της ε_cu1 στη θραύση μεταξύ 0,35% και 0,7%.

Στους υπολογισμούς αντοχής και στη διαστασιολόγηση μελών οπλισμένου σκυροδέματος χρησιμοποιούνται ιδεατά διαγράμματα σ-ε με μορφή ανεξάρτητη της τιμής της αντοχής f_c. Η υπολογιστική αντοχή ισούται με αf_ck , όπου ο συντελεστής α μπορεί να λαμβάνει υπόψη μειωτικής επιρροής στην αντοχή. Ο κατερχόμενος κλάδος έχει αντικατασταθεί με οριζόντιο.

Χρόνιες παραμορφώσεις του σκυροδέματος

  Το σκυρόδεμα είναι ζωντανό υλικό. Με το χρόνο, όχι μόνον αυξάνει η αντοχή του λόγω της βαθμιαίας ενυδάτωσης του τσιμέντου, αλλά επιπλέον οι παραμορφώσεις του μεταβάλλονται, παρόλο που οι τάσεις του είναι σταθερές ή και μηδέν. Οι χρόνιες παραμορφώσεις του σκυροδέματος είναι δύο ειδών: Η συστολή ξήρανσης, που είναι ανεξάρτητη από τη τάση του σκυροδέματος, και ο ερπυσμός που εξαρτάται από την τάση.

Η συστολή ξήρανσης είναι ανεξάρτητη από την εξωτερικά επιβεβλημένη τάση και είναι ομοιόμορφη και προς τις τρεις διευθύνσεις. Οφείλεται στη βαθμιαία απομάκρυνση από τους πόρους του πήγματος, μορίων νερού που δεν είναι χημικά συνδεδεμένα με το τσιμέντο. Η συστολή ξήρανσης ελαττώνεται με αύξηση του συνολικού όγκου των αδρανών και μείωση του όγκου του τσιμεντοπολτού, την αύξηση του πάχους των στοιχείων και την αύξηση της υγρασίας του περιβάλλοντος.

Ο ερπυσμός είναι η αύξηση των παραμορφώσεων του σκυροδέματος υπό σταθερή τάση. Οφείλεται κυρίως στη μετακίνηση μορίων του νερού από θέσεις υψηλής πίεσης στους πόρους του πήγματος, προς θέσεις μικρότερης πίεσης. Αντίθετα με τη συστολή ξήρανσης, που γίνεται ομοιόμορφα προς όλες τις διευθύνσεις, οι ερπυστικές παραμορφώσεις γίνονται στην ίδια διεύθυνση με τις ελαστικές. Για θλιπτικές τάσεις μέχρι το 40-50% της αντοχής, οι ερπυστικές παραμορφώσεις είναι ανάλογες προς τις τάσεις και ισχύει η αρχή της επαλληλίας. Το συνολικό μέγεθος και η ταχύτητα του ερπυσμού μειώνεται με αύξηση της ποσότητας αδρανών ανά μονάδα όγκου σκυροδέματος και της σκληρότητας τους, με μείωση του λόγου νερού προς τσιμέντο ω=Ν/Τ και της περιεκτικότητας του σκυροδέματος σε τσιμέντο,  με αύξηση της σχετικής υγρασίας του περιβάλλοντος, με αύξηση του πάχους του στοιχείου και με το βαθμό σκλήρυνσης και την αντοχή του σκυροδέματος τη στιγμή της φόρτισης.

Βιβλιογραφία :    ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΜΙΧΑΗΛ Ν. ΦΑΡΔΗ Ομότιμος καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών Τομέας Κατασκευών