Άρθρο του Δρ. Πολιτικού μηχανικού, Managing Director της Penelis Consulting Engineers, Γρηγόρη Πενέλη Το βασικό θέμα για τα κτίρια και εν γένει τις κατασκευές σε σχέση με τη σεισμική καταπόνηση είναι η ανάπτυξη μεγάλων εφελκυστικών τάσεων στα κατακόρυφα φέροντα στοιχεία. Από την αρχαιότητα μέχρι και τις αρχές του δέκατου ενάτου αιώνα, οι κατασκευές κτιρίων και εν γένει τεχνικών έργων γίνονταν με λίθους ή πλίνθους, συνδετική κονία είτε ασβεστοκονίαμα είτε τσιμεντοκονία ή από ρωμαϊκό σκυρόδεμα, ή από ξυλεία, ενώ σε ειδικές περιπτώσεις χρησιμοποιούνταν σιδηροκατασκευή.
Έργα μνημειακού χαρακτήρα με κατακόρυφα στοιχεία μεγάλων διαστάσεων
Πιο συγκεκριμένα, τα μνημειακού χαρακτήρα έργα όπως εκκλησίες, αίθουσες θρόνου ή χώροι εκδηλώσεων κατασκευάζονταν κατά βάση από φέρουσα τοιχοποιία, λιθοδομή ή πλινθοδομή, χρησιμοποιώντας μεγάλων διαστάσεων κατακόρυφα στοιχεία δηλαδή πεσσούς και τοίχους μεγάλου πάχους, έτσι ώστε να μην αναπτύσσονται σημαντικά ελκυστικά φορτία κατά τον σεισμό λόγω ακριβώς της μεγάλης τους διάστασης και του μεγάλου βάρους. Για τον ίδιο ακριβώς σκοπό και ο σχεδιασμός όλων των οριζόντιων συστημάτων σε αυτά τα κτίρια ήταν θόλοι, σταυροθόλια ή τόξα τα οποία μπορούσαν να αποφεύγουν τις εφελκυστικές τάσεις ή να τις κάνουν πολύ μικρές. Το μοναδικό δομικό υλικό το οποίο παρείχε σημαντική εφελκυστική αντοχή, ίση στην ουσία με την θλιπτική του, ήταν η ξυλεία και με αυτήν κατασκευάζονταν πατώματα και στέγες, τα οποία λόγω ακριβώς της ευαισθησίας του ξύλου στη φθορά του χρόνου όντας οργανικό υλικό, δυστυχώς στην συντριπτική τους πλειοψηφία δεν έχουν φτάσει στις μέρες μας.
Τα μη μνημειακά κτίρια
Από την άλλη, στα μη μνημειακά δομήματα, όπως λόγου χάρη οι κατοικίες, στα οποία δεν υπήρχε δυνατότητα για χρήση μεγάλων διατομών, λόγω υπερβολικής αύξησης του κόστους, χρησιμοποιούνταν μόνο έμμεσα στη δομή της τοιχοποιίας ως δεσίματα, οι γνωστές ξυλοδεσιές, έτσι ώστε να παραλαμβάνονται ελκυστικά φορτία σε τοιχοποιίες. Οι ξυλοδεσιές τοποθετούνταν είτε σε οριζόντια διάταξη ή σε χιαστί διάταξη, έτσι ώστε να παραλαμβάνονται οι εφελκυστικές και διατμητικές τάσεις στην τοιχοποιία από οριζόντια διέγερση, όπως είναι ο σεισμός. Καθίσταται, λοιπόν, σαφές ότι τα τελευταία τρεις χιλιάδες χρόνια ο άνθρωπος δημιουργούσε κατασκευές χρησιμοποιώντας τα αυτά υλικά, δηλαδή λίθους, πλίνθους, κονίαμα, σκυρόδεμα και ξύλο, την ίδια τεχνολογία και τις ίδιες τεχνικές. Είναι σχεδόν βέβαιο ότι σε ένα πολύ μικρό κομμάτι του πληθυσμού υπήρχε επίσης και η γνώση μαθηματικών αλλά και στοιχειώδους μηχανικής έτσι ώστε οι κατασκευές αυτές να έχουν ορθή ροή τάσεων όπως θα την εννοούσαμε με τα σημερινά επίπεδα της επιστήμης, όπως καταδεικνύουν το Πάνθεον, η Ροτόντα, ο τρούλος του Αγίου Πέτρου, η Αγία Σοφία και η Αγία Ειρήνη.
Η επανάσταση ξεκίνησε από τον χάλυβα
Με την έναρξη της βιομηχανικής επανάστασης, υπήρξε επανάσταση στον τρόπο δόμησης με την χρήση του δομικού χάλυβα, ο οποίος είχε πολύ υψηλή εφελκυστική και θλιπτική αντοχή. Οι αρχικές εφαρμογές του δομικού χάλυβα ήταν έτσι ώστε να καλυφθούν μεγάλα ανοίγματα τα οποία κατά το παρελθόν ήταν αδύνατο να επιτευχθούν και φυσικά αυτό επικεντρώθηκε στη γεφυροποιία. Δεν υπήρξε, λοιπόν, καμία σημαντική αλλαγή στον τρόπο δόμησης κτιρίων σε αρχικό στάδιο. Το βασικό μειονέκτημα του δομικού χάλυβα ήταν (και είναι ακόμη) το υψηλό του κόστος, καθώς και η ανάγκη βιομηχανικής παραγωγής, δηλαδή ότι υπάρχει έλεγχος της γεωμετρίας στο εργοτάξιο όπως παραδοσιακά γίνονταν με τις τοιχοποιίες αλλά και το ρωμαϊκό σκυρόδεμα. Η επανάσταση, πάντως, σαφώς ξεκίνησε από τον χάλυβα. Ο χάλυβας έδωσε νέα πνοή στο σκυρόδεμα, ένα υλικό δύο χιλιάδων ετών. Κατά τους ρωμαϊκούς χρόνους, το σκυρόδεμα παραγόταν με ποζολάνη, δηλαδή τριμμένο ηφαιστειακό πέτρωμα αντί για τσιμέντο και προσθήκη ασβέστη και αδρανών. Σημειώνω, ότι το σύγχρονο τσιμέντο αντί για ποζολάνη έχει κατά βάση κλίνκερ, πλην όμως όλες οι σύγχρονες προσεγγίσεις για φιλικό στο περιβάλλον τσιμέντο οδηγούν στη χρήση ιπτάμενης τέφρας, ηφαιστειακής γης ή σκωρίας, δηλαδή κάτι ανάλογο με ό,τι γινόταν δύο χιλιάδες χρόνια πριν.
Το οπλισμένο σκυρόδεμα με την προσθήκη χάλυβα
Έτσι, το σκυρόδεμα, με την προσθήκη του χάλυβα από το Hennebique to 1890, δημιούργησε ένα ανανεωμένο σύγχρονο υλικό, το οπλισμένο σκυρόδεμα, το οποίο έχει τη δυνατότητα να παραλαμβάνει εφελκυστικές τάσεις μεγαλύτερες από τις θλιπτικές, λόγω ακριβώς της ύπαρξης των οπλισμών και να παρασκευάζεται στο εργοτάξιο, δηλαδή να μπορεί να του δίνει μορφή ο χτίστης χωρίς να χρειάζεται προεργασία σε εργοστάσιο, ρίχνοντας σημαντικά το κόστος κατασκευής. Η χρήση ακριβώς αυτού του συστήματος δόμησης έδωσε τη δυνατότητα για κατασκευή πολυώροφων κτηρίων με σχετικά μικρές διατομές χωρίς παράλληλα να εκτινάσσεται το κόστος κατασκευής, αφού στην πραγματικότητα μείωσε το κόστος κατασκευής ανά τετραγωνικό μέτρο σε σχέση με την δόμηση από τοιχοποιία, ενώ παράλληλα, με την μεγάλη εφελκυστική και διατμητική
του αντοχή δια των οπλισμών, οδήγησε σε πολύ ασφαλέστερες κατασκευές.
Η συμβολή του οπλισμένου σκυροδέματος στην ανάπτυξη των κατασκευών κατά τον 20ό αιώνα
Οφείλουμε, βέβαια, να τονίσουμε, ότι η ανάπτυξη της αντισεισμικής τεχνολογίας και της επιστήμης της σεισμικής μηχανικής έλαβε τεράστια ώθηση από την χρήση του οπλισμένου σκυροδέματος, σε συγκεκριμένες περιόδους στην διάρκεια του εικοστού αιώνα. Οποιοσδήποτε κοιτάξει κτίρια κατασκευής του 1920 ή του 1930 από οπλισμένο σκυρόδεμα, θα παρατηρήσει τις πολύ μικρές διατομές στύλων και δοκών, τα μικρά ανοίγματα της τάξεως των τριών έως πέντε μέτρων και την απουσία τοιχωμάτων οπλισμένου σκυροδέματος.
Από τη δεκαετία του 1960 και μετά, τα κτίρια άρχισαν να αποκτούν μεγαλύτερα στοιχεία στύλων και δοκών, μεγαλύτερα ανοίγματα, 5-7 μέτρα, καθώς και ελαφρώς οπλισμένα τοιχώματα, τα οποία ήταν σαφές ότι συνέβαλαν σημαντικά στην ανάληψη των σεισμικών δράσεων και στην ασφαλή συμπεριφορά των κτιρίων έναντι σεισμικής δράσης, χωρίς να έχουν καμία απολύτως συμμετοχή στη μεταφορά κατακόρυφων φορτίων. Από τη δεκαετία του 1990 και μετά, οι διαστάσεις των δομικών στοιχείων αυξήθηκαν σημαντικά, τόσο σε επίπεδο στύλων και δοκών όσο και τοιχωμάτων ενώ αυτό που αυξήθηκε ακόμα περισσότερο είναι οι απαιτήσεις σε οπλισμό και σε ειδικές διατάξεις όπλισης, έτσι ώστε να παρέχεται στα στοιχεία οπλισμένου σκυροδέματος αυτό που αποκαλούμε πλαστιμότητα, δηλαδή η δυνατότητα παραμόρφωσης και παραλαβής δυνάμεων μετά την πρώτη ρηγμάτωση κάνοντας δυνατή την απόσβεση ενέργειας του σεισμού με καταστροφικό μεν τρόπο, δηλαδή δια της ρηγμάτωσης, χωρίς όμως να επιτρέπεται η πλήρης αστοχία ή την κατάρρευση.
Καταλυτικός ο ρόλος του στον αντισεισμικό σχεδιασμό κτιρίων και κατασκευών
Όλη αυτή η φιλοσοφία της μετελαστικής συμπεριφοράς των κτιρίων και των κατασκευών προέκυψε από τις ιδιότητες του οπλισμένου σκυροδέματος, οι οποίες διερευνήθηκαν εκτενώς θεωρητικά και πειραματικά στη διάρκεια της δεκαετίας του 1960 και, υπό αυτήν την έννοια, η συμβολή του οπλισμένου σκυροδέματος στον αντισεισμικό σχεδιασμό κτιρίων και κατασκευών, όπως επίσης και στην επιστήμη της σεισμικής μηχανικής, ήταν και είναι καταλυτική.
