Οι μέθοδοι αντισεισμικής προστασίας που εφαρμόζονται στα σύγχρονα κτίρια και οι καινοτόμες τεχνολογίες που πρωταγωνιστούν στον τομέα της δομοστατικής.

Οσύγχρονος κλάδος των κατασκευών έχει θέσει ως στόχο να βελτιώσει την ανθεκτικότητα των κτιριακών υποδομών, με την αντισεισμική θωράκιση να κατέχει πρωτεύοντα ρόλο σε σεισμογενείς χώρες, όπως είναι η Ελλάδα. Οι προηγμένες τεχνολογίες έχουν προσφέρει ποικίλα εργαλεία που μπορούν να κάνουν πιο εύκολο το έργο του δομοστατικού μηχανικού, παρέχοντας συνθήκες υψηλής ασφάλειας στους χρήστες κάθε οικοδομήματος. Στο παρόν τεύχος θα παρουσιάσουμε τις αποτελεσματικότερες αντισεισμικές μεθόδους που χρησιμοποιούνται στα σημερινά κτίρια, καθώς και τις καινοτομίες που εφαρμόζονται σε επίπεδο σχεδιασμού.

Διαφορετική προσέγγιση σε υφιστάμενα και νέα κτίρια
«Από άποψη υλικών δόμησης του φέροντος οργανισμού (σκελετού) τους, οι τύποι κτιρίων που συναντάμε στη χώρα μας κατά κύριο λόγο είναι τρεις: κτίρια οπλισμένου σκυροδέματος, κτίρια φέρουσας τοιχοποιίας και μεταλλικά κτίρια. Αν θα θέλαμε να κάνουμε έναν πρώτο διαχωρισμό σχετικά με την αντιμετώπισή τους σε επίπεδο στατικής μελέτης, αυτός θα ήταν τα νέα κτίρια και τα υφιστάμενα.

Όταν μιλάμε για ένα νέο κτίριο, η αντιμετώπισή του σε επίπεδο στατικής μελέτης γίνεται υπό ένα σύγχρονο κανονιστικό πλαίσιο, το οποίο διαθέτει όλους τους απαραίτητους κανόνες και τα πιο αυστηρά κριτήρια που πρέπει να πληροί ένα κτίριο για να επαρκεί έναντι των στατικών και σεισμικών φορτίσεων, που θα κληθεί να αντιμετωπίσει στη διάρκεια της ζωής του.

Η τοιχωματική λειτουργία, η επαρκής δυσκαμψία του κτιρίου, η συμμετρία στην κατανομή των φορτίων, η θεμελίωση σε όσο γίνεται ενιαίο επίπεδο, οι επαρκείς αγκυρώσεις των οπλισμών στις κατασκευές οπλισμένου σκυροδέματος και πολλά άλλα, απαρτίζουν ένα σύνολο κανόνων και οδηγιών που ο σύγχρονος στατικός ακολουθεί για την αντισεισμική θωράκιση ενός νέου κτιρίου» αναφέρει ο Αλέξανδρος Νικήτας, Πολιτικός Μηχανικός ΕΜΠ, Μέλος του ΔΣ του ΣΕΓΜ και συμπληρώνει ότι «μια επίσης αποτελεσματική μέθοδος στα σύγχρονα κτίρια που μάλλον είναι παρεξηγημένη, καθώς δεν χρησιμοποιείται ευρέως, είναι και αυτή της σεισμικής μόνωσης.

Τα κτίρια σχεδιάζονται στη θεμελίωσή τους με ελαστομεταλλικά ή άλλου τύπου εφέδρανα ή και αποσβεστήρες, τα οποία απορροφούν σε πολύ μεγάλο βαθμό τις μετακινήσεις από τους σεισμούς και κατά συνέπεια την επίδραση του σεισμού στο κτίριο.

Όταν όμως μιλάμε για υφιστάμενα κτίρια, τα πράγματα γίνονται λίγο πιο περίπλοκα. Ο μηχανικός πρέπει να ξεκινήσει από την πλήρη στατική αποτύπωση του κτιρίου και τις εργαστηριακές μετρήσεις, προκειμένου να κατανοήσει πλήρως τον τρόπο δόμησης, από ποια στοιχεία αποτελείται ο σκελετός του κτιρίου και τι αντοχές έχει η κατασκευή σε όλους τους πιθανούς (εκ του κανονισμού) σεισμούς.

Οι εργαστηριακές μετρήσεις αποτελούνται από μια μεγάλη γκάμα μετρήσεων, οι οποίες καταλήγουν στις τελικές τιμές των αντοχών των υλικών (π.χ. σκυρόδεμα, χάλυβας, λίθοι, κονιάματα τοιχοποιίας) τα οποία τα παίρνει ο στατικός μελετητής και τα χρησιμοποιεί ως τιμές εισαγωγής στα στατικά προσομοιώματα στον υπολογιστή. Εκεί προσομοιώνει την πραγματική γεωμετρία του κτιρίου και την υποβάλλει σε όλες τις πιθανές φορτίσεις και τους συνδυασμούς τους, για να βρει τα τρωτά του σημεία.

Κατόπιν προτείνει τις διάφορες μεθόδους ενισχύσεων του εκάστοτε κτιρίου. Έτσι πρακτικά το κτίριο είναι και πάλι ικανό να φέρει με ασφάλεια όλα τα προβλεπόμενα μόνιμα και τυχηματικά φορτία, όπως είναι αυτό του σεισμού».

Σύγχρονοι μέθοδοι αντισεισμικής προστασίας
«Η αντισεισμική προστασία όλων των κτιριακών έργων βασίζεται στον σωστό σχεδιασμό τους που καλό είναι να υπερβαίνει τις ελάχιστες απαιτήσεις των εκάστοτε κανονισμών. Η συμμετρία του δομικού συστήματος, η πλαστιμότητα του φορέα και οι μικρές σχετικές μετακινήσεις των ορόφων, μέσω τοποθέτησης κατάλληλων τοιχωμάτων, οδηγούν σε καλή σεισμική συμπεριφορά και μειωμένες βλάβες. Η ιδιαιτερότητα των επαγγελματικών κτιρίων είναι ότι πολύ συχνά φιλοξενούν ακριβό εξοπλισμό που ενδέχεται να καταστραφεί κατά τη διάρκεια ενός ισχυρού σεισμού, αλλά και ότι το κόστος από την πιθανή διακοπή της λειτουργίας τους είναι σημαντικό. Το δεύτερο μπορεί να συμβεί ακόμη και λόγω βλαβών σε μη φέροντα στοιχεία π.χ. κουφώματα ή ψευδοροφές που πιθανότατα θα χρειαστούν σημαντικό χρόνο για να επιδιορθωθούν. Αυτοί οι δύο λόγοι συνέβαλαν σημαντικά στην εξάπλωση, σε πολλές σεισμογενείς χώρες, της χρήσης της σεισμικής μόνωσης μιας τεχνολογίας που, υπό προϋποθέσεις, μπορεί να εξασφαλίσει πλήρη αντισεισμική προστασία. Με τη σεισμική μόνωση διαχωρίζεται η ανωδομή του κτιρίου από τη βάση του και μειώνονται σημαντικά οι δυνάμεις του σεισμού (ενδεικτικά στο 20-25% του σεισμού σχεδιασμού).

Με τη χρήση της σεισμικής μόνωσης επιτυγχάνεται: η ελαχιστοποίηση της πιθανότητας βλάβης των δομικών στοιχείων του κτιρίου, η προστασία του περιεχομένου (του εξοπλισμού) του κτιρίου από τις αναπτυσσόμενες επιταχύνσεις κατά τη διάρκεια του σεισμού και η απρόσκοπτη συνέχεια της λειτουργίας του κτιρίου μετά από τον σεισμό σχεδιασμού» υπογραμμίζει ο Χρήστος Γιαρλέλης, εταίρος και επικεφαλής του Τμήματος Αντισεισμικού Σχεδιασμού, EQUIDAS Consulting Engineers.

Με τη σειρά του ο Γρηγόρης Πενέλης, Civil Engineer AUTH, Managing Director, Penelis Consulting Engineers, αναφέρει πως «η αντισεισμική προστασία δεν έχει ουσιαστικές διαφορές μεταξύ κτιρίων γραφείων ή κατοικιών. Οφείλουμε να είμαστε ειλικρινείς και να αναφέρουμε ότι βάσει σχεδιασμού τα κτίρια προ του 1985 -περίπου το 70% του κτιριακού αποθέματος- είναι σχεδιασμένα για σεισμική διέγερση στο 30-40% ενός σύγχρονου κτιρίου. Συνεπώς, η αντισεισμική αναβάθμιση τέτοιων κτιρίων συνήθως απαιτεί την ανάπτυξη ενός νέου συστήματος παραλαβής του μεγαλύτερου μέρους της σεισμικής διέγερσης. Τα συστήματα αυτά, με σειρά συχνότητας εφαρμογής είναι (α) προσθήκη νέων τοιχείων και πυρήνων Ο/Σ από την θεμελίωσης μέχρι το δώμα, (β) εξωτερικών η εξωτερικών μεταλλικών Χ δικτυωμάτων, (γ) προσθήκη συστημάτων απόσβεσης ενέργειας με dampers και Χ μεταλλικά δικτυώματα και (δ) η εισαγωγή σεισμικής μόνωσης στην οροφή υπογείου».

Χρήστος Γιαρλέλης, Εταίρος & Επικεφαλής του Τμήματος Αντισεισμικού Σχεδιασμού, EQUIDAS Consulting Engineers

Ιδιαιτερότητες κτιρίων μεγάλου ύψους
«Tα ψηλά κτίρια επιδεικνύουν συνήθως ιδιαίτερα καλή συμπεριφορά σε σεισμικές διεγέρσεις παρά την ευρέως διαδεδομένη άποψη περί του αντιθέτου. Αυτό συμβαίνει επειδή είναι εύκαμπτα, δηλαδή έχουν μεγάλη ιδιοπερίοδο. Ωστόσο, ακριβώς αυτό το χαρακτηριστικό τους είναι που τα κάνει πιο ευάλωτα στις ανεμοπιέσεις. Τα φορτία ανέμου είναι σημαντικά λόγω της μεγάλης επιφάνειας αυτών των κατασκευών, αλλά και της απρόσκοπτης έκθεσής τους λόγω ύψους. Επιπλέον, λόγω της μικρής σχετικά δυσκαμψίας, οι ταλαντώσεις από τον άνεμο ενδέχεται να προκαλέσουν σημαντικές μετακινήσεις. Έτσι, το δομικό σύστημα χρειάζεται κατάλληλο σχεδιασμό ή και συμπληρωματικά τη χρήση συστημάτων απόσβεσης. Για τον ακριβή υπολογισμό των ανεμοπιέσεων συνήθως προτείνονται δοκιμές σε αεροδυναμική σήραγγα» τονίζει ο Χ. Γιαρλέλης και προσθέτει ότι «ιδιαίτερη πρόκληση για τα υψηλά κτίρια είναι ο σχεδιασμός της θεμελίωσής τους. Τα φορτία της ανωδομής είναι μεγάλα και πρέπει να βρεθεί ο κατάλληλος τύπος θεμελίωσης, ώστε αφενός να μην υπάρχει υπέρβαση της αντοχής του εδάφους και αφετέρου οι καθιζήσεις να είναι όσο το δυνατό περιορισμένες. Επίσης, λόγω της ευαισθησίας των κατασκευών αυτών στα φορτία ανέμου, όπως προαναφέρθηκε, ο ρόλος της αλληλεπίδρασης εδάφους-κατασκευής είναι σημαντικός και έτσι η κατάλληλη προσομοίωση του εδάφους στους στατικούς υπολογισμούς είναι κρίσιμη. H φωτιά είναι μια κρίσιμη τυχηματική δράση για τα υψηλά κτίρια. Πέρα από τις ΗΜ λύσεις, ο σχεδιασμός έναντι φωτιάς αποτελεί ξεχωριστό στατικό αντικείμενο και απαιτεί σειρά προσομοιώσεων με στόχο την καλύτερη διαστασιολόγηση δομικών στοιχείων για τη βέλτιστη απόκριση του κτιρίου. Τέλος, υπάρχουν σημαντικές προκλήσεις κατά τη διάρκεια της κατασκευής που είναι αντικείμενο ξεχωριστών μελετών: η μεταφορά και η διάστρωση του σκυροδέματος, η τοποθέτηση ικριωμάτων, η κατακόρυφη μεταφορά δομικών υλικών, οι δευτερεύουσες κατασκευές για την ασφάλεια του εργατικού δυναμικού κλπ».

Γρηγόρης Πενέλης, Civil Engineer AUTH, Managing Director, Penelis Consulting Engineers

«Οι ουρανοξύστες, δηλαδή κτίρια με πάνω από 150μ ύψος, έχουν ιδιαίτερα μεγάλη ιδιοπερίοδο ταλάντωσης (περί τα 4-5sec). Συνεπώς, τα κτίρια αυτά δεν κινδυνεύουν από τον σεισμό σε συνήθη φυσικά εδάφη, διότι βρίσκονται εκτός φάσης με την σεισμική διέγερση, η οποία είναι σε ιδιοπεριόδους ταλάντωσης 0,3-1,5sec, με εξαίρεση περιπτώσεις ιδιαίτερα μαλακών εδαφών σε μεγάλο βάθος που δημιουργείται φασματική ενίσχυση, όπως στο Mexico City. Αντιθέτως, τα βασικά προβλήματα των ουρανοξυστών προέρχονται από τα φορτία ανέμου, τα οποία επιβαρύνουν τόσο τις απαιτήσεις σε αντοχή όσο και σε λειτουργικότητα. Δηλαδή η βασική παράμετρος σχεδιασμού είναι η άνεση της χρησης έναντι επιταχύσεων από τον συχνό άνεμο, δηλαδή αυτόν που συβάινει μία φορά το έτος ή μια φορά στα 10 έτη. Τα όρια επιταχύνσεων άνεσης από άνεμο είναι διαφορετικά για κτίρια κατοικίας, ξενοδοχεία ή γραφεία, με φθίνουσα αυστηρότητα. Η αιτία είναι ότι στην κατοικία μας είμαστε κάθε βράδυ που χαλαρώνουμε και δεν θέλουμε να αισθανόμαστε κίνηση λόγω ανέμου, ενώ στα γραφεία μας από την άλλη μπορεί και να μην είμαστε όταν έχει πολύ ισχυρή καταιγίδα, με τα ξενοδοχεία να είναι κάπου στο ενδιάμεσο σε απαιτήσεις άνεσης» εξηγεί ο Γ. Πενέλης.

Αλέξανδρος Νικήτας, Πολιτικός Μηχανικός ΕΜΠ, Μέλος ΔΣ του ΣΕΓΜ

Στη συνέχεια, ο Α. Νικήτας σημειώνει πως «ως μεγάλου ύψους κτίρια στον ελληνικό κανονισμό νοούνται τα κτίρια που έχουν πάνω από 7 ορόφους, δηλαδή πάνω από 21 μέτρα ύψος. Αν και στις πόλεις της Ελλάδας δεν υπάρχουν πολλά τέτοια κτίρια, οι προκλήσεις που συναντά ένας στατικός μελετητής σε αυτές τις περιπτώσεις είναι κατά κύριο λόγο η τρωτότητα στα σεισμικά φορτία και πώς θα μπορέσει να εξασφαλίσει ότι δεν θα είναι στρεπτικά ευαίσθητο. Όταν ένα κτίριο είναι εύστρεπτο, εκτός από την ανεπιθύμητη επίδραση που μπορεί αυτό να έχει στα δομικά μέλη, όπως τα υποστυλώματα και τις δοκούς, υπάρχει και ο κίνδυνος να δημιουργούνται συνεχώς βλάβες στις τοιχοποιίες και τα κουφώματα, γεγονός που καθιστά ακριβή την επισκευή τους. Μια άλλη πρόκληση για τα πολύ ψηλά κτίρια είναι οι ταλαντώσεις λόγω δυναμικών φορτίσεων, όπως είναι αυτές του ανέμου. Ιδιαίτερα επιρρεπή σε αυτές τις περιπτώσεις είναι τα συστήματα προσόψεων και ειδικά τα συστήματα στερέωσής τους, τα οποία πρέπει να είναι πολύ προσεκτικά μελετημένα».

Καινοτόμα υλικά και τεχνολογίες
«Από τα τέλη του 19ου αιώνα τα υλικά δεν έχουν αλλάξει, είναι ο δομικός χάλυβας και το οπλισμένο σκυρόδεμα. Προγενέστερα, τα δομικά υλικά από την αρχαιότητα μέχρι την Βιομηχανική Επανάσταση, ήταν η λιθοδομή, η πλινθοδομή, το ρωμαϊκό σκυρόδεμα, το ξύλο και το σίδερο. Συνεπώς, στην διάρκεια της ανάπτυξης του πολιτισμού να υλικά είναι πρακτικά τα ίδια. Η τελευταία προσθήκη του 20ου αιώνα ήταν τα σύνθετα ινοπλισμένα πολυμερή υλικά, όχι τόσο ως υλικό δόμησης, αλλά ως υλικό επέμβασης. Εντούτοις τα ίδια αυτά υλικά στην εποχή μας έχουν τυποποιηθεί, έχουν βελτιωθεί σε επίπεδο ιδιοτήτων. Δηλαδή το Ρωμαϊκό Σκυρόδεμα είχε αντοχή περί τα 10-15MPA, το σκυρόδεμα μέχρι το 1960-1970 είχε πάλι 12-16MPa και σήμερα έχει φθάσει τα 70Mpa. Συνεπώς, η αύξηση των ιδιοτήτων των υλικών έδωσε την δυνατότητα για μεγαλύτερα ανοίγματα, μεγαλύτερα ύψη και περισσότερα φορτία» επισημαίνει ο Γ. Πενέλης και συμπληρώνει πως «η επιστήμη της μηχανικής, επίσης, δεν έχει αλλάξει ιδιαίτερα τα τελευταία 100 έτη και σχεδόν καθόλου τα τελευταία 50 έτη. Αυτό που άλλαξε δραματικά είναι η εισαγωγή των Η/Υ και η αύξηση της ταχύτητας των συστημάτων αυτών, οδηγώντας την δυνατότητα για εκτέλεση πολύπλοκων υπολογισμών σε μικρό χρονικό διάστημα.

Συνεχίζει πάντως, μέχρι και σήμερα, η ανάγκη σύνθεσης του στατικού συστήματος να απαιτεί ικανούς δομοστατικούς και όχι προγράμματα ανάλυσης ή AI. Ειδικά για το ΑΙ στην δομοστατική, επί του παρόντος περιορίζεται στην επίλυσης χαμηλής ευφυίας διεργασιών, όπως σχεδιασμό απλών κατασκευών και κτιρίων ή την παραγωγή κατασκευαστικών σχεδίων, όπως αναπτύγματα οπλισμών ή προσαρμογή συνδέσεων. Αυτό είναι σε αντίθεση με τις εφαρμογές στην αρχιτεκτονική, που γίνεται η χρήση της ΑΙ σε επίπεδο concept design».

Ακολούθως, ο Α. Νικήτας αναφέρει ότι «τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει πολλές έρευνες στο πεδίο των νέων δομικών υλικών. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι έρευνες που γίνονται προς την κατεύθυνση των υλικών μεγάλης αντοχής και ταυτόχρονα με χαμηλό περιβαλλοντικό αντίκτυπο. Εδώ και αρκετά χρόνια χρησιμοποιούνται τεχνολογίες, πολλές από τις οποίες αρχικά εφαρμόστηκαν στην κατασκευή των οχημάτων της Folmula-1 ή διαστημικών οχημάτων, όπως είναι αυτά των ανθρακοελασμάτων και ανθρακονημάτων που έχουν πολύ μεγάλη εφελκυστική αντοχή. Άλλα υλικά είναι το σκυρόδεμα πολύ μεγάλης αντοχής (ultra-high performance concrete UHPC), καθώς και άλλα πολυμερή ή ακόμα και βιολογικά υλικά τα οποία βρίσκονται σε πειραματικό στάδιο.

Σε ό,τι αφορά στις νέες τεχνολογίες που βοηθούν το έργο του δομοστατικού μηχανικού, αυτές επικεντρώνονται στα σύγχρονα υπολογιστικά εργαλεία. Λόγω της μεγάλης υπολογιστικής ισχύος που έχουν πλέον οι σύγχρονοι υπολογιστές, μέσα σε λίγα μόλις λεπτά μπορούν να υπολογιστούν πολύ μεγάλα κτίρια και κατασκευές, που μέχρι πριν από 10-15 χρόνια μπορεί να χρειάζονταν ολόκληρες μέρες. Εκτός από τα υπολογιστικά εργαλεία, αυτό που έχει πραγματικά εξελιχθεί σε μια επανάσταση είναι η παραμετρική σχεδίαση, καθώς και η τεχνολογία Building Information Modeling ή αλλιώς BIM.

Πρόκειται για μια πραγματική επανάσταση που αφορά όχι μόνο τον τομέα των δομοστατικών μηχανικών, αλλά και όλες τις ειδικότητες μηχανικών, όπως αρχιτέκτονες και μηχανολόγους. Το BIM είναι στην ουσία μια ολιστική προσέγγιση δημιουργίας και ελέγχου της πληροφορίας για ένα κτίριο. Βασισμένη πάνω σε ένα τρισδιάστατο μοντέλο μέσα από περιβάλλον cloud, το ΒΙΜ αναπαριστά ψηφιακά το κτίριο, όχι μόνο στις πραγματικές γεωμετρικές του διαστάσεις, αλλά και σε διαστάσεις όπως είναι αυτές του χρόνου κατασκευής του, αλλά και του χρόνου ζωής του. Αυτό ακριβώς το χαρακτηριστικό είναι που δίνει τόσο μεγάλη αξία στην νέα αυτή τεχνολογία».