Αθανάσιος Χ. Τριανταφύλλου - Δομικά Υλικά

Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών

Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών

Εργαστήριο Μηχανικής & Τεχνολογίας Υλικών

[ www.sml.civil.upatras.gr ]

ΔΟΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ

ΠΑΤΡΑ 2005

7η Έκδοση

ΑΘ. Χ. ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΟΥ

Απαγορεύεται η ολική η εν μέρει αντιγραφή ή κατά οποιονδήποτε τρόπο αναπαραγωγή (εκτύπωση, φωτοτύπιση, φωτογράφηση, φιλμογράφηση, σάρωση κ.λ.π.) κειμένων, πι-νάκων, σχεδίων και διαγραμμάτων του βιβλίου αυτού, χωρίς γραπτή άδεια του συγγραφέα.

Η συμπεριφορά των υλικών, τα οποία χρησιμοποιούνται στην κατασκευή δομικών έργων, αποτελεί έναν από τους ιδιαιτέρως καθοριστικούς παράγοντες για τη συμπεριφορά των γων αυτών, γι' αυτό και η κατανόηση της αποτελεί επιτακτική ανάγκη. Την ανάγκη αυτή έρ-χεται να καλύψει, σε κάποιο βαθμό, το παρόν σύγγραμμα, το οποίο γράφτηκε ώστε να αποτελεί το βασικό βοήθημα των δευτεροετών φοιτητών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανι-κών του Πανεπιστημίου Πατρών στα πλαίσια του μαθήματος "Δομικά Υλικά". Θεωρούμενο όμως γενικό βοήθημα αναφοράς, το βιβλίο έχει ως αποδέκτες, εκτός από τους εν λόγω φοιτητές, φοιτητές και άλλων τμημάτων, και άλλων ΑΕΙ, σπουδαστές ΤΕΙ, μηχανικούς της πράξης και γενικά κάθε εμπλεκόμενο στην παραγωγική διαδικασία των δομικών έργων. Κύριος στόχος του βιβλίου είναι η παρουσίαση της βασικής συμπεριφοράς των σημαντι-κότερων δομικών υλικών (σκυρόδεμα, χάλυβας, τοιχοποιία, ξύλο, κονιάματα, κεραμικά και πολυμερή) με πρωτεύοντα άξονα το "γιατί" και δευτερεύοντα το "πώς". Έτσι πιστεύουμε ότι ο αναγνώστης θα μπορέσει να γίνει κύριος του αντικειμένου, αποκτώντας τη σχετική γνώση κατά τρόπο τεκμηριωμένο. Αθ. Χ. Τριανταφύλλου Πάτρα, Μάϊος 2005

1. Εισαγωγή...15 1.1. Γενικά...15 1.2. Οργάνωση του Βιβλίου...16 1.3. Βιβλιογραφία...16 2. Δομή των Υλικών...17 2.1. Εισαγωγή...17 2.2. Ατομικοί Δεσμοί...17 2.2.1. Ιοντικός Δεσμός...17 2.2.2. Ομοιοπολικός Δεσμός...17 2.2.3. Μεταλλικός Δεσμός...18

2.2.4. Δεσμοί van der Waals και Υδρογόνου...18

2.3. Δυνάμεις μεταξύ Ατόμων, Ενέργεια Δεσμού...19 2.4. Γεωμετρική Ταξινόμηση των Ατόμων...21 2.4.1. Κρυσταλλικά Υλικά...21 2.4.2. Άμορφα Υλικά...22 2.5. Κρυσταλλικές Ατέλειες...23 2.5.1. Σημειακές Ατέλειες...23 2.5.2. Γραμμικές Ατέλειες...23 2.5.3. Επιφανειακές και Χωρικές Ατέλειες...25 2.6. Βιβλιογραφία...25 3. Φυσικές και Μηχανικές Ιδιότητες...26 3.1. Γενικά...26 3.2. Φυσικές Ιδιότητες...26 3.2.1. Πυκνότητα και Πορώδες...26 3.2.2. Απορροφητικότητα, Διαπερατότητα, Υγροσκοπικότητα...26 3.2.3. Θερμική Διαστολή και Συστολή...27 3.2.4. Θερμική Αγωγιμότητα...27 3.3. Μηχανικές Ιδιότητες...28 3.3.1. Ελαστικές Ιδιότητες...30 3.4. Αντοχή, Άλλες Μηχανικές Ιδιότητες...30 3.4.1.1. Αντοχή σε Θλίψη, Εφελκυσμό και Διάτμηση...31 3.4.1.2. Καμπτική Αντοχή ή Μέτρο Θραύσης ή Αντοχή σε Εφελκυσμό από Κάμψη...31 3.4.1.3. Αντοχή σε Πολυαξονική Φόρτιση...31 3.4.1.4. Τα Φαινόμενα Ερπυσμού και Χαλάρωσης...32 3.4.1.5. Κόπωση...32 3.4.1.6. Αντοχή σε Κρούση...33 3.4.1.7. Θερμική Αντοχή και Αντοχή σε Πυρκαϊά...33 3.4.1.8. Ανθεκτικότητα σε Διάρκεια...34 3.4.1.9. Δυσθραυστότητα, Πλαστικότητα και Πλαστιμότητα...35 3.4.1.10. Απόσβεση...35 3.5. Βιβλιογραφία...36 4. Φυσικοί Λίθοι...38 4.1. Προέλευση Φυσικών Λίθων, Πετρώματα...38 4.2. Φυσικοί Λίθοι...39 4.3. Βιβλιογραφία...41 5. Κονίες και Κονιάματα...42

5.2. Αερικές Κονίες...42 5.2.1. Άργιλος, Πηλός...42 5.2.2. Άσβεστος...43 5.2.3. Μαγνησιακή Άσβεστος, Δολομmκή Άσβεστος...44 5.2.4. Μαγνησιακή Κονία...44 5.2.5. Γύψος...44 5.3. Υδραυλικές Κονίες...45 5.3.1. Υδραυλική Ασβεστος...45 5.3.2. Ρωμαϊκή Κονία...45 5.3.3. Ποζολανικές Κονίες...46 5.3.4. Φυσικό Τσιμέντο...46 5.3.5. Τεχνητά Τσιμέντα...46 5.4. Κονιάματα...46 5.4.1. Γενικά, Ταξινόμηση, Ιδιότητες...46 5.4.2. Μέθοδοι Μέτρησης Αντοχής...48 5.5. Βιβλιογραφία...49 6. Σκυρόδεμα...50 6.1. Εισαγωγή...50 6.2. Δομή του Σκυροδέματος...50 6.2.1. Αδρανή...51 6.2.2. Τσιμεντοπολτός...51 6.2.2.1. Τα Στερεά του Ενυδατωμένου Τσιμεντοπολτού...52 6.2.2.2. Τα Κενά του Ενυδατωμένου Τσιμεντοπολτού...53 6.2.2.3. Το Νερό του Ενυδατωμένου Τσιμεντοπολτού...54 6.2.2.4. Σχέσεις Δομής-Ιδιοτήτων του Ενυδατωμένου Τσιμεντοπολτού...55 6.2.3. Μεταβατική Ζώνη του Σκυροδέματος...57 6.2.3.1. Δομή της Μεταβατικής Ζώνης...57 6.2.3.2. Αντοχή της Μεταβατικής Ζώνης...58 6.2.3.3. Επιρροή της Μεταβατικής Ζώνης στις Ιδιότητες του Σκυροδέματος.58 6.3. Αντοχή...59 6.3.1. Σχέση Αντοχής-Πορώδους και Μορφές Αστοχίας στο Σκυρόδεμα...59 6.3.2. Παράγοντες που Επηρεάζουν την Αντοχή σε Θλίψη...59 6.3.2.1. Χαρακτηριστικά και Αναλογίες Υλικών...60 6.3.2.2. Συνθήκες Συντήρησης...63 6.3.2.3. Μέθοδος Πειραματικού Ελέγχου Αντοχής...65 6.3.3. Το Σκυρόδεμα υπό Φόρτιση...66 6.3.3.1. Συμπεριφορά σε Μονοαξονική Θλίψη...66 6.3.3.2. Συμπεριφορά σε Μονοαξονικό Εφελκυσμό...69 6.3.3.3. Σχέση μεταξύ Θλιπτικής και Εφελκυστικής Αντοχής...71 6.3.3.4. Συμπεριφορά σε Πολυαξονική Φόρτιση...71 6.3.4. Χαρακτηριστική και Συμβατική Αντοχή...73 6.4. Παραμορφώσεις...74 6.4.1. Ελαστικότητα...75 6.4.1.1. Παράγοντες που Επηρεάζουν το Μέτρο Ελαστικότητας...75 6.4.2. Συστολή Ξήρανσης Ερπυσμός...77 6.4.2.1. Παράγοντες που Επηρεάζουν τη Συστολή Ξήρανσης και τον Ερπυ-σμό...79 6.4.2.2. Υπολογισμός Χρόνιων Παραμορφώσεων...82 6.4.3. Παραμορφώσεις λόγω Θερμοκρασιακών Μεταβολών...84 6.5. Ανθεκτικότητα σε Διάρκεια...85 6.5.1. Υδατοπερατότητα...85

6.5.2.1. Ρηγμάτωση λόγω Κρυστάλλωσης Αλάτων στους Πόρους...88 6.5.2.2. Δράση Παγετού...88 6.5.2.3. Επίδραση Πυρκαϊάς...91 6.5.3. Χημικές Διεργασίες...92 6.5.3.1. Υδρόλυση των Συστατικών του Τσιμεντοπολτού...93 6.5.3.2. Αντιδράσεις Ανταλλαγής Μάζας...93 6.5.3.3. Σχηματισμός Προϊόντων που Προκαλούν Διόγκωση...94 6.5.3.4. Επίδραση Θαλασσινού Νερού...98 6.5.4. Βιολογική Επίδραση...99 6.6. Τσιμέντο...100 6.6.1. Το Τσιμέντο Portland...100 6.6.1.1. Παρασκευή...100 6.6.1.2. Χημική Σύνθεση...101 6.6.1.3. Λεπτότητα...102 6.6.2. Ενυδάτωση του Τσιμέντου Portland...103 6.6.2.1. Μηχανισμός Ενυδάτωσης...103 6.6.2.2. Θερμότητα Ενυδάτωσης...104 6.6.3. Μείωση Ρευστότητας, Πήξη και Σκλήρυνση...105 6.6.4. Τύποι Τσιμέντου Portland...106 6.6.5. Ειδικοί Τύποι Τσιμέντων...109 6.6.5.1. Διογκούμενα Τσιμέντα...109 6.6.5.2. Τσιμέντα Ταχείας Πήξης και Σκλήρυνσης...109 6.6.5.3. Λευκά ή Έγχρωμα Τσιμέντα...110 6.6.5.4. Αργιλικό Τσιμέντα...110 6.7. Αδρανή...110 6.7.1. Προέλευση Φυσικών Αδρανών Κανονικού Βάρους...111 6.7.2. Ειδικοί Τύποι Αδρανών...111 6.7.2.1. Ελαφρά Αδρανή...111 6.7.2.2. Βαριά Αδρανή...112 6.7.2.3. Αδρανή Σκωρίας Υψικαμίνων...112 6.7.2.4. Αδρανή Ιπτάμενης Τέφρας...112 6.7.2.5. Αδρανή από Ανακύκλωση...113 6.7.3. Χαρακτηριστικά των Αδρανών...113 6.7.3.1. Πραγματική και Φαινόμενη Πυκνότητα...113 6.7.3.2. Υγρασία και Ικανότητα Απορρόφησης...114 6.7.3.3. Καθαρότητα...114 6.7.3.4. Μηχανικές Ιδιότητες...115 6.7.3.5. Σχήμα, Επιφανειακή Υφή...116 6.7.3.6. Κοκκομετρική Διαβάθμιση, Μέγιστος Κόκκος...116 6.7.4. Αποθήκευση, Δειγματοληψία και Έλεγχοι των Αδρανών...122 6.8. Πρόσμικτα και Πρόσθετα...123 6.8.1. Χημικά Πρόσμικτα Επιφανειακής Δράσης...123 6.8.1.1. Αερακτικά...124 6.8.1.2. Ρευστοποιητικά...124 6.8.1.3. Υπερρευστοποιητικά...125 6.8.2. Χημικά Πρόσμικτα Ελέγχου της Πήξης...125 6.8.2.1. Επιταχυντικά της Πήξης...126 6.8.2.2. Επιβραδυντικά της Πήξης...127 6.8.3. Ορυκτά Πρόσθετα...127 6.8.3.1. Φυσικά Υλικά...128 6.8.3.2. Παραπροϊόντα...128

6.8.4. Στεγανοποιητικά Πρόσμικτα...130 6.8.5. Συμπεράσματα...130 6.9. Το Σκυρόδεμα σε Νεαρή Ηλικία...131 6.9.1. Ανάμιξη και Μεταφορά...131 6.9.2. Εργασιμότητα...132 6.9.2.1. Μέτρηση της Εργασιμότητας...132 6.9.2.2. Παράγοντες που Επηρεάζουν την Εργασιμότητα...136 6.9.3. Διάστρωση, Συμπύκνωση, Τελείωμα...136 6.9.4. Εκτοξευόμενο Σκυρόδεμα...140 6.9.5. Συντήρηση, Αφαίρεση Ξυλοτύπων...141 6.9.6. Απόμιξη, Εξίδρωση...142 6.9.7. Αρχικές Μεταβολές Όγκου...143 6.9.8. Χρόνος Πήξης...144 6.9.9. Ακραίες θερμοκρασίες...145 6.9.9.1. Σκυροδέτηση σε Χαμηλές Θερμοκρασίες...146 6.9.9.2. Σκυροδέτηση σε Υψηλές Θερμοκρασίες...147 6.9.10. Ρηγμάτωση...147 6.9.11. Ανακεφαλαίωση...149 6.10. Ταξινόμηση, Απαιτήσεις, Προδιαγραφές και Συμμόρφωση...149 6.10.1. Ταξινόμηση...149 6.10.2. Απαιτήσεις...151 6.10.3. Προδιαγραφές...154 6.10.4. Έλεγχος και Κριτήρια Συμμόρφωσης βάσει του Κανονισμού Τεχνολογίας Σκυροδέματος (1997)...154 6.10.4.1. Κριτήρια Συμμόρφωσης...154 6.10.4.2. Απαιτούμενη Αντοχή...159 6.10.4.3. Επανέλεγχος Σκληρυμένου Σκυροδέματος...160 6.10.4.4. Έλεγχος Κατηγορίας Κάθισης...162 6.10.5. Έλεγχος και Κριτήρια Συμμόρφωσης βάσει του ΕΝ 206-1...162 6.10.5.1. Έλεγχος Συμμόρφωσης για Σχεδιαζόμενο Σκυρόδεμα...162 6.10.5.2. Έλεγχος Συμμόρφωσης για Προδιαγραφόμενο Σκυρόδεμα...164 6.11. Μελέτη Σύνθεσης Σκυροδέματος...164 6.11.1. Γενικά...164 6.11.2. Διαδικασία Μελέτης Σύνθεσης...165 6.11.2.1. Αριθμητικό Παράδειγμα Μελέτης Σύνθεσης Σκυροδέματος...170 6.12. Μέθοδοι Μη-καταστροφικού Ελέγχου (Έμμεσες Μέθοδοι)...171 6.12.1. Το Κρουσίμετρο Αναπήδησης Schmidt...171 6.12.2. Δοκιμή Ταχύτητας Υπερήχων...173 6.12.3. Εξόλκευση Ηλου...174 6.12.4. Δοκιμή Διείσδυσης...175 6.12.5. Άλλες Μέθοδοι, Συνδυασμοί Μεθόδων...176 6.13. Προηγμένα και Νέα Σκυροδέματα...177 6.13.1. Ελαφροσκυροδέματα...177 6.13.1.1. Σκυρόδεμα με Ελαφρά Αδρανή...177 6.13.1.2. Κυψελωτό Σκυρόδεμα...181 6.13.1.3. Σκυρόδεμα Χωρίς Λεπτόκοκκα...182 6.13.2. Σκυρόδεμα Υψηλής Αντοχής...183 6.13.2.1. Υλικά, Αναλογίες Σύνθεσης...184 6.13.2.2. Ιδιότητες...184 6.13.3. Σκυρόδεμα Υψηλής Εργασιμότητας...185 6.13.4. Ινοπλισμένο Σκυρόδεμα...186

6.13.4.2. Ιδιότητες...190 6.13.4.3. Εφαρμογές...191 6.13.5. Σκυρόδεμα με Πολυμερή...191 6.13.5.1. Πολυμερικό Σκυρόδεμα...192 6.13.5.2. Σκυρόδεμα που Περιέχει Πολυμερή...192 6.13.5.3. Σκυρόδεμα Εμποτισμένο με Πολυμερή...193 6.13.6. Διογκούμενο Σκυρόδεμα...194 6.13.7. Βαριά Σκυροδέματα...194 6.13.8. Σκυρόδεμα για Ογκώδεις Κατασκευές...195 6.14. Βιβλιογραφία...196 7. Χάλυβας και άλλα μέταλλα...203 7.1. Εισαγωγή...203 7.2. Κύρια Χαρακτηριστικά και Ιδιότητες των Μετάλλων...203 7.2.1.1. Βασικές Μηχανικές Ιδιότητες...204 7.3. Σίδηρος...207 7.3.1. Μεταλλουργία Σιδήρου...208 7.3.2. Χυτοσίδηρος - Ιδιότητες, Εφαρμογές...209 7.4. Χάλυβας...209 7.4.1. Παραγωγή Χάλυβα...210 7.4.1.1. Μέθοδοι Bessemer και Thomas...210 7.4.1.2. Βασική Κάμινος Οξυγόνου...211 7.4.1.3. Κάμινος Ανοικτής Εστίας...211 7.4.1.4. Ηλεκτρική Κάμινος...212 7.4.2. Δομή και Σύνθεση του Χάλυβα...212 7.4.3. Κατεργασία...213 7.4.3.1. Μηχανική Κατεργασία...213 7.4.3.2. Θερμική Κατεργασία...216 7.4.4. Δομικός Χάλυβας...217 7.4.4.1. Κατηγορίες...217 7.4.4.2. Μηχανική Συμπεριφορά σε Συνηθισμένες Θερμοκρασίες...218 7.4.4.3. Συμπεριφορά σε Ακραίες Θερμοκρασίες...221 7.4.4.4. Επίδραση της Κατεργασίας...222 7.4.4.5. Στρωματική Απόσχιση...225 7.4.5. Χάλυβας Οπλισμού Σκυροδέματος...226 7.4.5.1. Τύποι Χαλύβων Οπλισμού Σκυροδέματος...226 7.4.5.2. Γεωμετρικά Χαρακτηριστικά, Σήμανση...228 7.4.5.3. Μηχανικές και Άλλες Ιδιότητες...231 7.4.5.4. Απαιτήσεις και Δοκιμές...234 7.4.5.5. Χαρακτηριστικά Χαλύβων της Αγοράς...237 7.4.5.6. Αποθήκευση, Μεταφορά και Διαμόρφωση Χάλυβα Οπλισμού...237 7.4.6. Χάλυβας Προέντασης...238 7.4.6.1. Τύποι Χαλύβων Προέντασης...238 7.4.6.2. Μηχανικές και Άλλες Ιδιότητες...239 7.5. Άλλα Μέταλλα...241 7.5.1. Αλουμίνιο...241 7.5.2. Μόλυβδος...243 7.5.3. Χαλκός...244 7.5.4. Ψευδάργυρος...244 7.5.5. Κασσίτερος...244 7.5.6. Νικέλιο, Χρώμιο, Κάδμιο, Τιτάνιο...244 7.6. Διάβρωση των Μετάλλων και Προστασία...245

7.6.1.1. Χημική Διάβρωση...245 7.6.1.2. Ηλεκτρολυτική Διάβρωση...245 7.6.1.3. Γαλβανική Διάβρωση...246 7.6.1.4. Διάβρωση υπό Τάση...246 7.6.1.5. Διάβρωση Ορισμένων Μετάλλων...246 7.6.2. Αντιδιαβρωτική Προστασία...246 7.6.2.1. Αντιδιαβρωτικοί Χάλυβες...246 7.6.2.2. Επιμετάλλωση...248 7.6.2.3. Επικάλυψη...248 7.6.2.4. Επίχριση...249 7.6.2.5. Καθοδική Προστασία...249 7.7. Βιβλιογραφία...249 8. Ξύλο...252 8.1. Γενικά...252 8.2. Προέλευση, Κατεργασία, Αποθήκευση...252 8.2.1. Υλοτομία, Προκατεργασία και Συγκομιδή...252 8.2.2. Κατεργασία...253 8.2.2.1. Έκπλυση...253 8.2.2.2. Ξήρανση...254 8.2.2.3. Πρίση...259 8.2.3. Αποθήκευση...259 8.3. Δομή, Σύσταση και Ελαττώματα...260 8.3.1. Δομή και Σύσταση...260 8.3.1.1. Μακροσκοπική Δομή...260 8.3.1.2. Μικροσκοπική Δομή...261 8.3.1.3. Σύσταση...262 8.3.2. Ελαττώματα του Ξύλου...263 8.4. Βασικές Ιδιότητες...264 8.4.1. Φυσικές Ιδιότητες...264 8.4.2. Μηχανικές Ιδιότητες...267 8.4.2.1. Βραχυχρόνια Μονοαξονική Φόρτιση...267 8.4.2.2. Κάμψη, Διάτμηση...271 8.4.2.3. Ερπυσμός...272 8.4.2.4. Επαναλαμβανόμενη Φόρτιση...273 8.4.2.5. Ταχύτητα Φόρτισης, Κρούση, Σκληρότητα...274 8.4.3. Προσδιορισμός Ιδιοτήτων του ξύλου στα Πλαίσια του Ευρωκώδικα 5...275 8.5. Επιρροή του Περιβάλλοντος, Μέτρα Προστασίας και Συντήρησης...276 8.5.1. Υγρασία...277 8.5.2. Θερμότητα...279 8.5.3. Ηλιακή Ακτινοβολία, Χημικοί Παράγοντες...280 8.5.4. Βιολογικοί Παράγοντες...281 8.5.4.1. Μύκητες...281 8.5.4.2. Έντομα...281 8.5.4.3. Προστασία και Συντήρηση...282 8.6. Προηγμένες Τεχνολογίες του Ξύλου...282 8.6.1.1. Άτμιση...282 8.6.1.2. Υψίσυχνα Ρεύματα...283 8.6.1.3. Συγκόλληση...284 8.6.1.4. Πλαστικοποίηση...284 8.6.1.5. Εμποτισμός με Πολυμερή...284 8.7. Χρήσεις και Μορφές Δομικής Ξυλείας...285

9. Κεραμικά...290 9.1. Εισαγωγή...290 9.2. Παρασκευή Κεραμικών...290 9.3. Ιδιότητες Λιθοσωμάτων...291 9.3.1. Γεωμετρικά Χαρακτηριστικά και Τύποι Λιθοσωμάτων...291 9.3.2. Βασικές Μηχανικές Ιδιότητες...292 9.3.2.1. Θλιπτική Αντοχή...292 9.3.2.2. Σχέση Τάσης-Παραμόρφωσης και Μέτρο Ελαστικότητας...293 9.3.3. Φυσικές και Χημικές Ιδιότητες...294 9.3.3.1. Βάρος, Πυκνότητα, Όγκος, Επιφάνεια...294 9.3.3.2. Υγρασία, Υδαταπορροφητικότητα...295 9.4. Οπτόπλινθοι...295 9.4.1. Γενικά, Μορφή, Ιδιότητες...295 9.4.2. Ποιοτικός Έλεγχος...298 9.4.3. Πυρίμαχες Πλίνθοι...299 9.5. Άλλοι Τύποι Πλίνθων...299 9.5.1. Πλίνθοι από Σκυρόδεμα...299 9.5.2. Ασβεστοπυριτικές Πλίνθοι...301 9.6. Κεραμίδια, Πλάκες Επίστρωσης...301 9.7. Βιβλιογραφία...303 10. Τοιχοποιία...304 10.1. Γενικά...304 10.2. Αξονική Θλίψη...304 10.2.1. Τυποποιημένες Δοκιμές και Μηχανισμός Αστοχίας...304 10.2.2. Παράγοντες που Επηρεάζουν τη Θλιπτική Αντοχή...305 10.2.2.1. Τύπος και Ύφος Λιθοσωμάτων...305 10.2.2.2. Αντοχή Κονιάματος και Λιθοσωμάτων...306 10.2.2.3. Πάχος Αρμών...306 10.2.3. Θλιπτική Αντοχή Τοιχοποιίας Σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 6...307 10.2.3.1. Τοιχοποιία Κατασκευασμένη με Κονίαμα Γενικής Εφαρμογής και Πλήρεις Αρμούς...307 10.2.3.2. Τοιχοποιία Κατασκευασμένη με Κονίαμα Λεπτής Στρώσης (1-3 mm) και Πλήρεις Αρμούς...309 10.2.3.3. Τοιχοποιία Κατασκευασμένη με Ελαφροκονίαμα και Πλήρεις Αρ-μούς...309 10.2.4. Παραμορφωσιακά Χαρακτηριστικά Τοιχοδομών...310 10.3. Εφελκυσμός από Κάμψη εκτός Επιπέδου...312 10.3.1. Μορφές Αστοχίας, Πειραματικός Προσδιορισμός...312 10.3.2. Συνάφεια Μεταξύ Λιθοσωμάτων και Κονιάματος...314 10.3.2.1. Τύπος Κονιάματος και Λιθοσωμάτων...314 10.3.2.2. Αρχικός Ρυθμός Απορρόφησης, Περιεχόμενη Υγρασία, Θερμοκρα-σία Λιθοσωμάτων...314 10.3.2.3. Αντοχή Κονιάματος, Ρευστότητα, Συγκράτηση Νερού...315 10.3.2.4. Ποιότητα Κτισίματος, Επιφανειακή Κατάσταση Λιθοσωμάτων...315 10.3.2.5. Συντήρηση...315 10.3.3. Λόγος Εφελκυστικών Αντοχών...315 10.3.4. Διαξονική Κάμψη...316 10.4. Διάτμηση εντός Επιπέδου...316 10.5. Εφελκυσμός εντός Επιπέδου...319 10.6. Συνδυασμοί Δράσεων...321

10.7.1. Ανθεκτικότητα σε Διάρκεια...322 10.7.2. Θερμομόνωση...322 10.7.3. Αντοχή σε Πυρκαϊά...323 10.8. Βιβλιογραφία...323 11. Πολυμερή...326 11.1. Εισαγωγή...326 11.2. Παρασκευή και Ταξινόμηση των Πολυμερών...326 11.3. Μορφοποίηση των Πολυμερών...327 11.4. Βασικές Ιδιότητες των Πολυμερών...328 11.5. Επίδραση του Περιβάλλοντος...332 11.6. Εφαρμογές Άοπλων Πολυμερών...333 11.7. Ινοπλισμένα Πολυμερή...334 11.7.1. Ίνες...335 11.7.1.1. Ίνες Γυαλιού...335 11.7.1.2. Ίνες Άνθρακα...335 11.7.1.3. Ίνες Αραμιδίου...335 11.7.2. Μέθοδοι Παρασκευής Ινοπλισμένων Πολυμερών...336 11.7.2.1. Μέθοδοι Ανοικτού Καλουπιού...336 11.7.2.2. Μέθοδοι Κλειστού Καλουπιού...337 11.7.3. Διαθέσιμες Μορφές Ινοπλισμένων Πολυμερών...339 11.7.4. Ιδιότητες και Συμπεριφορά των Ινοπλισμένων Πολυμερών...339 11.7.4.1. Μηχανική Συμπεριφορά...339 11.7.4.2. Περιβαλλοντικές Επιδράσεις...340 11.7.4.3. Στοιχεία Κόστους και Αξιολόγηση των Ινοπλισμένων Πολυμερών ...340 11.7.5. Εφαρμογές...341 11.8. Κυψελωτά Πολυμερή...342 11.8.1. Μηχανική Συμπεριφορά...343 11.8.2. Θερμική Συμπεριφορά...345 11.9. Βιβλιογραφία...351

1.1. Γενικά Δομικά υλικά ονομάζονται τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τεχνι-κών έργων. Χωρίζονται σε φυσικά και τεχνικά, ανάλογα με το αν είναι απ' ευθείας διαθέσι-μα στη φύση (π.χ. λίθοι, ξύλο, πηλός κ.τ.λ.) ή αν παράγονται με τεχνικά μέσα (π.χ. σκυ-ρόδεμα, χάλυβας, πολυμερή, γυαλί κ.τ.λ.). Όπως φαίνεται στο Σχ. 1.1, τα τεχνικά υλικά χωρίζονται, ανάλογα με τις βασικές τους χαρακτηριστικές ιδιότητες, σε κεραμικά (π.χ. σκυ-ρόδεμα, πλίνθοι), μέταλλα (π.χ. χάλυβας, αλουμίνιο, χαλκός) και πολυμερή (π.χ. πολυστυ-ρένιο, πολυουρεθάνη, εποξειδικές ρητίνες), ενώ ως τέταρτη ομάδα μπορεί να διακρίνει κα-νείς τα σύνθετα υλικά, που αποτελούνται από συνδυασμούς των παραπάνω (Ashby and Jones 1980). Σχ. 1.1: Οι βασικές κατηγορίες των τεχνικών δομικών υλικών. Η επιλογή των κατάλληλων υλικών για κάθε κατασκευή απαιτεί μία σειρά από γνώσεις των ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς των υλικών, αλλά και γνώσεις σχετικές με το περιβάλλον. Ειδικότερα, πρέπει να ληφθούν υπ' όψη οι εξωτερικοί παράγοντες που επι-δρούν στην κατασκευή, ο τρόπος που συμπεριφέρονται τα δομικά υλικά στις εξωτερικές επιδράσεις και, τέλος, οικονομικοί παράγοντες, δηλαδή το κόστος προμήθειας και μεταφοράς των υλικών στον τόπο του έργου, το κόστος συντήρησης, η ύπαρξη αποθεμάτων, οι ενεργειακές απαιτήσεις παρασκευής των υλικών κ.τ.λ. Οι κύριοι παράγοντες που επιδρούν στα δομικά έργα και οι οποίοι πρέπει να λη-φθούν υπ' όψη από το μηχανικό στην επιλογή και σχεδιασμό των δομικών υλικών χωρίζο-νται στις εξής κατηγορίες (Λεγάκις 1992): (α) Φυσικοί και μηχανικοί, στους οποίους ανή-κουν μεταξύ άλλων η θερμότητα, το ψύχος και οι μεταβολές της θερμοκρασίας, η ηλιακή ακτινοβολία, το νερό, ο άνεμος, και τα διάφορα μόνιμα και μεταβλητά φορτία, (β) Χημικοί, στους οποίους ανήκουν τα οξέα της ατμόσφαιρας, τα διαλυμένα στο νερό άλατα και οι τυ-χόν χημικές ουσίες που βρίσκονται σε επαφή με τις κατασκευές (π.χ. χημικά απόβλητα στις εγκαταστάσεις βιολογικού καθαρισμού), (γ) Οργανικοί, στους οποίους ανήκουν τα βα-κτήρια, οι μύκητες, τα έντομα, τα φυτά κ.τ.λ. Σήμερα διακρίνει κανείς στην Ελληνική και διεθνή αγορά μία πληθώρα δομικών υλι-κών (εντυπωσιακή μάλιστα είναι η ύπαρξη ακόμη και εγκυκλοπαιδειών ειδικά για δομικά

όντων είναι εκρηκτικοί. Έτσι, εκτός από τη "θαυματουργή" κονία με τις εξαιρετικές συνδετι-κές ιδιότητες που λέγεται τσιμέντο και που σε συνδυασμό με λίθους (αδρανή) άνοιξε το δρόμο στα σκυροδέματα (που αργότερα συνδυάστηκαν με χαλύβδινες ράβδους για να οδηγήσουν στο οπλισμένο σκυρόδεμα, το υλικό που σήμερα καλύπτει το μεγαλύτερο μερί-διο της Ελληνικής αλλά και της παγκόσμιας αγοράς), το δομικό χάλυβα και τα πατροπα-ράδοτα ξύλο και πλίνθους, ο μηχανικός έχει σήμερα στη διάθεσή του μία τεράστια ποικιλία υλικών. Σε αυτήν προστίθενται καθημερινά νέα υλικά, όπως τα σκυροδέματα ειδικών απαι-τήσεων (π.χ. ινοπλισμένα, υψηλής επιτελεστικότητας, ελαφροσκυροδέματα), οι χάλυβες υψηλής αντοχής, προηγμένες μορφές ξύλου (όπως είναι το συγκολλητό και το οπλισμένο ξύλο), προηγμένα πολυμερή ενισχυμένα με ίνες, υλικά τύπου "σάντουιτς", υλικά ξηρής δόμησης (π.χ. με βάση τη γύψο) κ.τ.λ. 1.2. Οργάνωση του Βιβλίου Η εξαντλητική περιγραφή της τεράστιας ποικιλίας των δομικών υλικών είναι εξαιρετι-κά δύσκολη αλλά και άστοχη, γιατί αφενός η βάση δεδομένων για τα δομιεξαιρετι-κά υλιεξαιρετι-κά διευρύ-νεται καθημερινά, αφετέρου διακινδυνεύεται "να χαθεί το δάσος για χάρη του δένδρου". Στην αρχή του βιβλίου (μετά το εισαγωγικό κεφάλαιο) προτάσσονται δύο κεφάλαια που πραγματεύονται συνοπτικά τη δομή των υλικών (γενικά) και βασικές φυσικές και μηχανικές ιδιότητες που έχουν ως ένα βαθμό γενική εφαρμογή για την περιγραφή και αξιολόγηση των περισσότερων δομικών υλικών. Το υπόλοιπο βιβλίο είναι χωρισμένο σε κεφάλαια, κα-θένα από τα οποία είναι αφιερωμένο σε μία βασική κατηγορία δομικών υλικών με την εξής σειρά: φυσικοί λίθοι, κονίες και κονιάματα, σκυρόδεμα, χάλυβας και άλλα μέταλλα, ξύλο, κεραμικά, τοιχοποιίες και πολυμερή. Το κεφάλαιο περί σκυροδέματος δικαίως καταλαμ-βάνει σημαντικό όγκο του βιβλίου, μιας και το υλικό αυτό θεωρείται ως το κατ' εξοχήν υλικό δόμησης τόσο για τη χώρα μας όσο και σε διεθνές επίπεδο. 1.3. Βιβλιογραφία

Ashby, Μ. F and Jones, D. R. Η. (1980). Engineering Materials 1: An Introduction to their Properties and Applications, Pergamon Press, Oxford.

Λεγάκις, A. A. (1992). Δομικά Υλικά, τόμ. 1, Ίδρυμα Ευγενίδου, Βιβλιοθήκη του Τεχνικού, Αθήνα.

Moavenzadeh, F., editor (1990). Concise Encyclopedia of Building and Construction Materials, The MIT Press, Cambridge, MA - Pergamon Press, Oxford.

2.1. Εισαγωγή Για να εξηγηθούν και να κατανοηθούν βασικές μακροσκοπικές ιδιότητες των υλικών είναι απαραίτητο να εξεταστεί η δομή τους, δηλαδή οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων κάθε υλι-κού (οι δυνάμεις που συγκρατούν τα άτομα), η γεωμετρική ταξινόμηση των ατόμων (ο τρόπος τοποθέτησης τους) και οι ατέλειες που εμφανίζονται στη γεωμετρική ταξινόμηση των ατόμων. 2.2. Ατομικοί Δεσμοί Τα άτομα που αποτελούν ένα υλικό συνδέονται μεταξύ τους με πρωτεύοντες (ισχυ-ρούς) ή δευτερεύοντες (σχετικά ασθενείς) δεσμούς ή και με συνδυασμούς αυτών. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν ο ιοντικός, ο ομοιοπολικός και ο μεταλλικός δεσμός, ενώ στη δεύτερη κατηγορία ανήκουν ο δεσμός van der Waals και ο δεσμός υδρογόνου (π.χ. Illston et al. 1981). 2.2.1. Ιοντικός Δεσμός Στο δεσμό αυτό ηλεκτρικά θετικά άτομα αποδίδουν ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια σε ηλεκτρικά αρνητικά άτομα δημιουργώντας έτσι ηλεκτρικά ιόντα. Οι δυνάμεις δεσμού προ-κύπτουν από την (ηλεκτροστατική) αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο ιόντων. Η σχηματική απεικόνιση του ιοντικού δεσμού δίνεται στο Σχ. 2.1. Σχ. 2.1: Σχηματική απεικόνιση του ιοντικού δεσμού. 2.2.2. Ομοιοπολικός Δεσμός Σχ. 2.2: Σχηματική απεικόνιση του ομοιοπολικού δεσμού.

πλίνθοι, γυαλί, ορισμένα συστατικά του τσιμέντου), οφείλεται στο ότι τα άτομα μοιράζονται τα ηλεκτρόνια του εξωτερικού τους φλοιού με άλλα άτομα. Έτσι, κάθε άτομο εμφανίζει στον εξωτερικό του φλοιό έναν πλήρη αριθμό ηλεκτρονίων. Ο δεσμός παριστάνεται σχηματικά στο Σχ. 2.11. Επισημαίνεται ότι ο ιοντικός δεσμός παρουσιάζεται μεταξύ ισχυρά θετικών και αρνητι-κών φορτισμένων στοιχείων, ενώ ο ομοιοπολικός δεσμός παρουσιάζεται μεταξύ ατόμων του ιδίου τύπου ή άλλων γειτονικών στοιχείων του περιοδικού συστήματος. 2.2.3. Μεταλλικός Δεσμός Ο μεταλλικός δεσμός συναντάται, όπως δηλώνει και το όνομά του, μόνο στα μέταλλα, δηλαδή σε στοιχεία που έχουν λίγα σχετικά ηλεκτρόνια στην εξωτερική τους στοιβάδα τα οποία απέχουν πολύ από τον πυρήνα. Λόγω του αδύνατου δεσμού με τον πυρήνα, τα ηλεκτρόνια αυτά κινούνται ελεύθερα (νέφος ηλεκτρονίων) ανάμεσα στα μεταλλικά ιόντα (Σχ. 2.3). Σχ. 2.3: Σχηματική απεικόνιση του μεταλλικού δεσμού. Η ευχέρεια της κίνησης των ηλεκτρονίων εξηγεί και τη σχετικά υψηλή θερμική (και ηλεκτρική) αγωγιμότητα των μετάλλων. Επίσης, η απλότητα στη δομή των ενώσεων με με-ταλλικούς δεσμούς είναι υπεύθυνη σε σημαντικό βαθμό για την πλάστιμη συμπεριφορά των μετάλλων (δηλαδή την ικανότητά τους να αναπτύσουν μεγάλες παραμορφώσεις πριν τη θραύση τους).

2.2.4. Δεσμοί van der Waals και Υδρογόνου

Ο δεσμός van der Waals είναι σχετικά ασθενής δεσμός μεταξύ ευσταθών ατόμων με πλήρη εξωτερική στοιβάδα και οφείλεται κυρίως στην εμφάνιση πολικότητας, δηλαδή στην ιδιότητα στιγμιαίου προσανατολισμού του ηλεκτρικού φορτίου (Σχ. 2.5).

Ιδιαίτερα σημαντική είναι η αλληλεπίδραση δίπολων τα οποία αναπτύσσονται λόγω της ύπαρξης ατόμων υδρογόνου. Οι αντίστοιχοι μοριακοί δεσμοί, που αναφέρονται ως δε-σμοί υδρογόνου, είναι μία τάξη μεγέθους ισχυρότεροι από άλλους δεσμούς van der Waals, αλλά και αρκετά ασθενέστεροι (10-20 φορές) από τους πρωτεύοντες δεσμούς. Στους δε-σμούς υδρογόνου οφείλεται η ρευστή κατάσταση του νερού (Σχ. 2.5). Δεσμοί υδρογόνου συναντώνται επίσης μεταξύ των μορίων των πολυμερών, τα άτομα των οποίων συνδέο-νται μεταξύ τους με ισχυρούς ιοντικούς δεσμούς. Έτσι εξηγείται και το ότι πολλά πολυμερή χαρακτηρίζονται από την ιδιότητα που επιτρέπει την κατεργασία τους με αύξηση της θερ-μοκρασίας, διότι η τελευταία μπορεί σχετικά εύκολα να προκαλέσει χαλάρωση των μικρών ενδομοριακών δυνάμεων.

(β) Δομή του νερού.

Σχ. 2.5: Σχηματική απεικόνιση δεσμού van der Waals. 2.3. Δυνάμεις μεταξύ Ατόμων, Ενέργεια Δεσμού Κάθε ατομικός δεσμός χαρακτηρίζεται από ελκτικές και απωθητικές δυνάμεις λόγω αλληλεπίδρασης των ηλεκτρονίων και των πυρήνων. Χάρη στις δυνάμεις αυτές τα υλικά "αντιδρούν" στις παραμορφώσεις λόγω εξωτερικών φορτίων, θερμοκρασιακών μεταβολών κ.τ.λ. Οι ενέργειες που αντιστοιχούν στις δυνάμεις αυτές χαρακτηρίζονται με τη σειρά τους ως ελκτικές ή απωθητικές ενέργειες αλληλεπίδρασης και αυξάνονται ή μειώνονται, αντί-στοιχα, με την αύξηση της απόστασης μεταξύ των ατόμων. Μάλιστα, όταν τα άτομα βρί-σκονται σε θέση ισορροπίας, οπότε οι μεταξύ τους ελκτικές και απωθητικές δυνάμεις εξου-δετερώνονται, η συνολική ενέργεια αλληλεπίδρασης (που ισούται με το άθροισμα των επι-μέρους ενεργειών) παίρνει την ελάχιστη τιμή της. Τα παραπάνω δίνονται σχηματικά στο Σχ. 2.6. Με βάση τη σχέση δύναμης δεσμού F και απόστασης μεταξύ δύο ατόμων r (Σχ. 2.6.γ), η δυσκαμψία S τou δεσμού υπολογίζεται ως εξής: S=dF dr= d2_U dr2 Για μικρές μεταβολές του r από την τιμή r0, η δυσκαμψία S είναι σταθερή και ίση με

S0



dr2



r −r0 Με άλλα λόγια, ο δεσμός είναι ελαστικός. Αυτή η διαπίστωση αποτελεί και τη φυσική εξήγηση του νόμου του Hooke, όπως περιγράφεται παρακάτω. Σχ. 2.7: Υπολογισμός μέτρου ελαστικότητας βάσει της δυσκαμψίας ατομικών δεσμών. Ας φανταστούμε ότι τα άτομα εκατέρωθεν μίας διατομής με επιφάνεια Α ενός στερεού σώματος συγκρατούνται μέσω ελαστικών δεσμών (ελατηρίων), όπως δείχνεται στο Σχ. 2.7. Για απλούστευση, θεωρούμε ότι τα άτομα καταλαμβάνουν τις κορυφές κύβων πλευ-ράς r0. Η συνολική δύναμη που ασκείται ανά μονάδα επιφάνειας ορίζεται ως ορθή τάση σ, Σχ. 2.6: (α) Ατομικός δεσμός, (β) ενέργεια δεσμού, (γ) δύναμη δεσμού.

S= N S₀r −r₀ όπου Ν είναι ο αριθμός των δεσμών ανά μονάδα επιφάνειας, ίσος με Μ . Διαιρώντας την επιμήκυνση (r-r0) με το αρχικό μήκος r0 υπολογίζουμε την ορθή παραμόρφωση ε, κι έτσι καταλήγουμε στη σχέση S=S0 r0 ε= Ε ε όπου Ε ορίζεται το μέτρο ελαστικότητας (χαρακτηριστική ιδιότητα του υλικού), ενώ η τελευταία σχέση εκφράζει το νόμο του Hooke. 2.4. Γεωμετρική Ταξινόμηση των Ατόμων Τα στερεά σώματα κατατάσσονται με βάση την ταξινόμηση των ατόμων σε κρυσταλ-λικά και άμορφα (π.χ. Κερμανίδης και Μαστρογιάννης 1980). Στα κρυσταλκρυσταλ-λικά υκρυσταλ-λικά (όπως είναι π.χ. τα μέταλλα και πολλά φυσικά ορυκτά), οι δομικές μονάδες (άτομα, μόρια) καταλαμβάνουν αυστηρά καθορισμένες θέσεις στο χώρο, σύμφωνα με ένα γεωμετρικό υπόδειγμα που λέγεται κρυσταλλικό σύστημα. Όλα σχεδόν τα κρυσταλλικά σώματα εμφα-νίζονται με τη μορφή συσσωμάτων κρυστάλλων μεγέθους κλάσματος του χιλιοστού έως μερικά εκατοστά και όχι ως ενιαίοι κρύσταλλοι. Στα άμορφα υλικά (π.χ. σημαντικό ποσο-στό του τσιμεντοπολτού, ξύλο, οπτόπλινθοι, πολυμερή), οι δομικές μονάδες κατέχουν τυ-χαίες θέσεις στη μάζα του στερεού. Η ταξινόμηση των ατόμων στα υλικά αυτά είναι δυνα-τόν να παρουσιάσει τοπική κανονικότητα (κρυσταλλική δομή), η οποία όμως δεν επεκτείνε-ται σε όλο το σώμα. 2.4.1. Κρυσταλλικά Υλικά Για την περιγραφή των κρυσταλλικών υλικών είναι σκόπιμο να ξεκινήσει κανείς από τον στοιχειώδη κρύσταλλο ή στοιχειώδες κύτταρο, με περιοδική επανάληψη του οποίου σε ορισμένες διευθύνσεις μπορεί να προκύψει κάθε κρύσταλλος. Ο Bravais έδειξε το 1848 ότι υπάρχουν 14 διαφορετικά στοιχειώδη κύτταρα, όπως δείχνεται στο Σχ. 2.8. Η παράπλευρη επανάληψη, προς όλες τις διευθύνσεις, των στοιχειωδών κυττάρων, έτσι ώστε γειτονικά κύτταρα να έχουν κοινές πλευρές, σχηματίζει τα κρυσταλλικά πλέγμα-τα. Τα 14 στοιχειώδη κύτταρα κατατάσσονται στα παρακάτω 7 κρυσταλλογραφικά συστή-ματα (Σχ. 2.8): κυβικό, τετραγωνικό ρομβοεδρικό, εξαγωνικό, ορθορομβικό, μονοκλινές, τρικλινές. Σημειώνεται ότι από τους 14 τύπους κρυστάλλων που απαντώνται στα υλικά, τα μέταλλα κρυσταλλώνονται κατά κανόνα σύμφωνα με το κυβικό χωροκεντρωμένο, το κυβι-κό ενδοκεντρωμένο και το εξαγωνικυβι-κό σύστημα. Ευθείες και επίπεδα που διέρχονται από το κέντρο ενός μεγάλου αριθμού ατόμων του κρυσταλλικού πλέγματος ονομάζονται κρυσταλλικοί άξονες και κρυσταλλικά επίπεδα, αντίστοιχα. Τα στοιχεία αυτά έχουν άμεση σχέση με την εμφάνιση διαφορετικών τιμών ορι-σμένων μηχανικών ιδιοτήτων (π.χ. μέτρο ελαστικότητας, αντοχή) σε μερικά υλικά, ανάλογα με τη διεύθυνση μέτρησης της ιδιότητας.

ντρωμένο, C = μερικά εδροκεντρωμένο, R = απλό ρομβοεδρικό (Moffatt et al. 1964). 2.4.2. Άμορφα Υλικά Ενώ θα αναμενόταν τα περισσότερα υλικά να εμφανίζονται σε κρυσταλλική δομή, αφού αυτή παρουσιάζει τη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση, αρκετά υλικά αποτελούνται από άτομα και μόρια ταξινομημένα μέσα στην ύλη κατά μάλλον τυχαίο τρόπο. Τυπικά πα-ραδείγματα της δομής άμορφων υλικών, όπως τα πολυμερή και το γυαλί, δίνονται στο Σχ. 2.9 (Ashby and Jones 1980).

Σχ. 2.9: Σχηματική παράσταση της δομής αμόρφων υλικών: (αρ.) Γυαλί, (δε.) Πολυμερές (π.χ.εποξειδική ρητίνη), όπου οι μακρομοριακές αλυ-σίδες ενώνονται ανά διαστήματα με ομοιοπολικούς δεσμούς. Χαρακτηριστικό της δομής πολλών αμόρφων υλικών (π.χ. πολυμερή) είναι η ύπαρξη μακρομοριακών αλυσίδων, οι οποίες συνδέονται μεταξύ τους ανά διαστήματα με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς (Σχ. 2.10) και είναι υπεύθυνες για πολλές από τις μηχανικές ιδιότητες των υλικών αυτών.

πολυμερή. 2.5. Κρυσταλλικές Ατέλειες

Η δομή των πραγματικών κρυσταλλικών υλικών παρουσιάζει διάφορες ατέλειες, οι οποίες επηρεάζουν σημαντικά τις ιδιότητες των υλικών. Για παράδειγμα, η θεωρητική αντοχή ενός ιδανικού κρυστάλλου είναι κατά 103 περίπου φορές μεγαλύτερη από την αντοχή του αντίστοιχου πραγματικού σώματος (π.χ. McClintock and Argon 1966). Ανάλο-γα με τις διαστάσεις και τη γεωμετρική τους μορφή, οι ατέλειες χαρακτηρίζονται σε σημεια-κές, γραμμισημεια-κές, επιφανειακές και χωρικές. 2.5.1. Σημειακές Ατέλειες Οι ατέλειες αυτές έχουν τοπικό χαρακτήρα και περιορίζονται σε χώρο με διαστάσεις της τάξης των ατόμων του κρυστάλλου. Παρουσιάζονται κυρίως όταν άτομα άλλης ύλης καταλαμβάνουν ενδιάμεσες θέσεις στο πλέγμα του κρυστάλλου, όταν κανονικές θέσεις ατόμων παραμένουν κενές και όταν άτομα της ύλης διαχέονται σε ενδιάμεσες θέσεις του πλέγματος ή αντικαθίστανται από άλλα (μεγαλύτερα ή μικρότερα) άτομα (Σχ. 2.11). Σχ. 2.11: Σημειακές ατέλειες σε κρυσταλλικό υλικό. Οι σημειακές ατέλειες είναι σε σημαντικό βαθμό υπεύθυνες για τη μηχανική συμπεριφορά ορισμένων μετάλλων, όπως είναι τα κράματα, τα οποία δημιουργούνται με την προσθήκη διαφορετικών ατόμων στη δομή μετάλλων. 2.5.2. Γραμμικές Ατέλειες Όπως δηλώνει και το όνομα τους, οι γραμμικές ατέλειες, οι οποίες δημιουργούνται κατά κανόνα στο στάδιο κρυστάλλωσης της ύλης, αναπτύσσονται μέσα στο κρυσταλλικό

ικανότητα μερικών υλικών, όπως τα μέταλλα, να διαρρέουν λόγω διατμητικών τάσεων (που όπως θα δούμε στο επόμενο κεφάλαιο, είναι οι εσωτερικές δυνάμεις ανά μονάδα επι-φάνειας που ασκούνται εφαπτομενικά σε κάποιο "επίπεδο" του υλικού). Σχ. 2.12: Γεωμετρική παραγωγή καταναγκασμού και ολίσθηση λόγω διατμητι-κών τάσεων. Για κατανόηση, θεωρούμε το ιδανικό κρυσταλλικό πλέγμα του Σχ. 2.12.α, στο οποίο εισάγεται μία επιφάνεια από άτομα της ίδιας ή άλλης ύλης (Σχ. 2.12.β). Η γραμμή που ενώνει τις κορυφές του πλέγματος της επιφάνειας F λέγεται γραμμή καταναγκασμού. Τα άτομα γύρω από τις γραμμές καταναγκασμού δεν κατέχουν ιδανικές θέσεις και βρίσκονται σε κατάσταση σχετικά ασταθούς ισορροπίας. Έτσι με την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων μετατοπίζονται σχετικά εύκολα κατά μήκος της επιφάνειας g, μεταξύ των επιπέδων 1 και 2 (Σχ. 2.12). Ο καταναγκασμός που περιγράφεται παραπάνω λέγεται βαθμιδωτός και αποτελεί ει-δική περίπτωση, με τις μετατοπίσεις των ατόμων να είναι κάθετες στη γραμμή καταναγκα-σμού. Άλλες περιπτώσεις δίνονται στο Σχ. 2.13. Ας σημειωθεί πάντως ότι στην ύπαρξη των γραμμικών ατελειών οφείλονται πολλές από τις εξαιρετικές ιδιότητες των μεταλλικών υλικών, όπως είναι η ικανότητά τους να διαμορφώνονται με μηχανικούς τρόπους (π.χ. εξέλαση, πρέσσες κ.τ.λ.), αλλά όμως και το ότι η πραγματική αντοχή τους είναι κατά πολύ μικρότερη από τη θεωρητική.

2.5.3. Επιφανειακές και Χωρικές Ατέλειες Στις επιφανειακές ατέλειες ανήκουν οι οριακές επιφάνειες των κόκκων και αυτές των φάσεων (περιοχές με σταθερή ατομική και χημική σύνθεση που μπορούν να ξεχωριστούν με μηχανικά μέσα) των πολυφασικών υλικών. Ένας από τους χαρακτηριστικούς ρόλους τέτοιων ατελειών στην πλαστική παραμόρφωση των υλικών (ανάπτυξη μόνιμων παραμορ-φώσεων, που δηλαδή δεν αναιρούνται κατά την αφαίρεση της φόρτισης, υπό σχεδόν στα-θερή τάση) είναι η παρεμπόδιση, ως ένα βαθμό, της κίνησης των γραμμικών ατελειών. Οι χωρικές ατέλειες είναι μακροσκοπικά σημεία ασυνέχειας σε τρεις διαστάσεις. Τέτοιες είναι, για παράδειγμα, οι περιοχές συσσώρευσης κενών θέσεων ατόμων, οι ρωγμές κ.τ.λ. Προ-κύπτουν κυρίως κατά την παραγωγή των υλικών και επηρεάζουν τη μηχανική συμπεριφο-ρά τους μέσω της διάδοσης ρωγμών, που έχει ως αποτέλεσμα τη θραύση των υλικών. 2.6. Βιβλιογραφία

Ashby, Μ. F and Jones, D. R. Η. (1980). Engineering Materials 1: An Introduction to their Properties and Applications, Pergamon Press, Oxford.

Illston, J. M., Dinwoodie, J. M. and Smith, A. A. (1981). Concrete, Timber and Metals, Van Nostrand Reinhold, London.

Κερμανίδης, Θ. Β. και Μαστρογιάννης, Ε. Ν. (1980). Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υλι-κών, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών.

McClintock, F. Α. and Argon, Α. S., editors (1966). Mechanical Behavior of Materials, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, USA.

Moffatt, W. G., Pearsall, G. W. and Wulff, J. (1964). The Structure and Properties of Materials, John Wiley and Sons.

(γ) ελικοειδής καταναγκασμός, (δ) βαθμιδωτός καταναγκασμός και (ε) μι-κτός καταναγκασμός.

3. Φυσικές και Μηχανικές Ιδιότητες

3.1. Γενικά Κάθε δομικό υλικό χαρακτηρίζεται από συγκεκριμένες ιδιότητες. Από αυτές, οι φυ-σικές και μηχανικές ιδιότητες έχουν ιδιαίτερη σπουδαιότητα για το μηχανικό, γιατί είναι καθοριστικές για την ποιότητα, την ασφάλεια και τη διάρκεια των τεχνικών έργων. Η σχετικά συνοπτική περιγραφή βασικών ιδιοτήτων των δομικών υλικών αποτελεί το αντι-κείμενο του παρόντος κεφαλαίου. 3.2. Φυσικές Ιδιότητες Παρακάτω ορίζονται οι εξής ιδιότητες: πυκνότητα, πορώδες, απορροφητικότητα, διαπερατότητα, υγροσκοπικότητα, θερμική διαστολή ή συστολή και θερμική αγωγιμότη-τα (π.χ. Wendehorst 1975, Taylor 1983, Σίδερης 1984, Λεγάκις 1992). 3.2.1. Πυκνότητα και Πορώδες Ως φαινόμενη πυκνότητα ορίζεται ο λόγος της μάζας m ενός υλικού προς τον φαι-νόμενο όγκο V που καταλαμβάνει. Στη μελέτη των δομικών υλικών μερικές φορές ενδια-φέρει η πραγματική πυκνότητα ή πυκνότητα στερεών ρσ, που ορίζεται ως ρσ= m V −Vκ , όπου Vκ = όγκος των κενών. Επίσης συχνά γίνεται χρήση του πορώδους a= V_κ V . Τα παραπάνω συνοψίζονται στο Σχ. 3.1. Σχ. 3.1: Πυκνότητα και πορώδες. 3.2.2. Απορροφητικότητα, Διαπερατότητα, Υγροσκοπικότητα Οι ιδιότητες αυτές εμφανίζονται κυρίως στα πορώδη υλικά (π.χ. σκυρόδεμα) και εξαρτώνται από την πυκνότητα, το πορώδες και το είδος, μέγεθος και βαθμό επικοινω-νίας των πόρων. Απορροφητικότητα είναι η ιδιότητα που έχουν τα δομικά υλικά να απορροφούν (χωρίς εξωτερική πίεση) κάποιο ρευστό, το οποίο συνήθως είναι νερό (οπότε και η αντίστοιχη ιδιότητα λέγεται υδαταπορροφητικότητα). Η ιδιότητα αυτή με-τράται συνήθως με τη μάζα επί τοις % που απορροφά η μονάδα μάζας του υλικού μετά από εμβάπτιση (έως ότου σταθεροποιηθεί το βάρος, π.χ. για 24 ώρες) σε νερό.

Ορίζε-ται ως Y =100mυ−mξ mξ , όπου mυ = μάζα μετά την εμβάπτιση του υλικού και mξ = ξηρή μάζα (που προσδιορίζεται σε θερμοκρασία μέχρι 100 °C). Διαπερατότητα είναι η ιδιότητα που χαρακτηρίζει την αντίσταση που προβάλλει ένα υλικό στη δίοδο ενός ρευστού όταν βρίσκεται σε επαφή με αυτό υπό ορισμένη πίε-ση. Στην περίπτωση που το ρευστό είναι νερό η παραπάνω ιδιότητα ονομάζεται υδατο-περατότητα, και μετράται συνήθως με τη μάζα του νερού που διαπερνά στη μονάδα του χρόνου, υπό ατμοσφαιρική πίεση, μοναδιαία επιφάνεια μίας πλάκας μοναδιαίου πάχους από το εξεταζόμενο υλικό. Την υδατοπερατότητα επί το πάχος του υλικού ονομάζουμε συντελεστή υδραγωγιμότητας. Συχνά στην πράξη χρησιμοποιείται το αντίστροφο της υδατοπερατότητας, που ονομάζεται υδατοστεγανότητα. Η διαπερατότητα γενικά ποσοτι-κοποιείτάι με το συντελεστή διαπερατότητας k, βάσει του νόμου του Darcy: 3.1 dq dt =k ΔhA L μ όπου dq/dt = ρυθμός ροής του ρευστού, μ = ιξώδες, Δh = διαφορά πίεσης, Α = επιφάνεια και L = πάχος στοιχείου. Η παραπάνω ιδιότητα στην περίπτωση υδρατμών ονομάζεται υδρατμοδιαπερατότητα, και προσδιορίζεται π.χ. βάσει της Αμερικάνικης Προδιαγραφής ASTM Ε96. Υγροσκοπικότητα είναι η ιδιότητα που έχουν τα δομικά υλικά να απορροφούν υγρασία από την ατμόσφαιρα, όταν η σχετική υγρασία αυτής είναι δεδομένη, και με-τράται με τρόπο ανάλογο προς αυτόν της υδαταπορροφητικότητας. Η παραμένουσα υγρασία σε ένα υλικό μετά την εξισορρόπηση με την υγρασία του περιβάλλοντος λέγεται υγρασία ισορροπίας. 3.2.3. Θερμική Διαστολή και Συστολή Η μεταβολή θερμοκρασίας κατά ΔΤ (σε °C) έχει ως αποτέλεσμα τη μεταβολή των διαστάσεων δομικών στοιχείων με βάση το νόμο Δt =a t ΔT, όπου Δt = μεταβολή διάστασης, t = αρχική διάσταση στοιχείου και α = συντελεστής θερμικής διαστολής ή συ-στολής. Ο συντελεστής α είναι μερικές φορές συνάρτηση της αρχικής θερμοκρασίας του στοιχείου, αλλά για το συνηθισμένο φάσμα θερμοκρασιών σε τεχνικά έργα μπορεί να θεωρηθεί (κατά πολύ καλή προσέγγιση) σταθερός. 3.2.4. Θερμική Αγωγιμότητα Είναι η ικανότητα που έχουν τα υλικά να επιτρέπουν τη διέλευση της θερμότητας μέσω της μάζας τους και περιγράφεται από το συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας λ (μονάδες: W/mK στο σύστημα SI, μερικές φορές και kcal/mh°C = 1.16W/mK). Ο συντε-λεστής αυτός εκφράζει το ποσό θερμότητας Qλ που διαφεύγει στη μονάδα του χρόνου (συνήθως μία ώρα) μέσω επιφάνειας 1m2 _{υλικού πάχους 1m, όταν η διαφορά} θερμο-κρασίας μεταξύ των δύο επιφανειών του εν λόγω υλικού είναι 1 °C (Σχ. 3.2). Η συνολική θερμότητα Q που διέρχεται μέσω σώματος επιφάνειας Α και πάχους d σε χρόνο t, όταν η θερμοκρασιακή διαφορά των δύο παράλληλων επιφανειών του είναι Δ Τ, προκύπτει από τη σχέση Q= λ ΔΤ d A t

Σχ. 3.2: Σχηματική παράσταση του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας. Ο συντελεστής λ μειώνεται με την αύξηση του πορώδους, ενώ αυξάνεται με το πο-σοστό υγρασίας που περιέχει ένα υλικό, με την αύξηση της θερμοκρασίας (λόγω δια-στολής των πόρων) και συνήθως με την αύξηση των διαστάσεων. Επίσης υλικά με κλει-στούς και μικρούς πόρους έχουν μικρότερο λ από εκείνα με ανοικτούς και μεγάλους πόρους. Το αντίστροφο του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας κ = 1/λ ονομάζεται συντελε-στής θερμικής αντίστασης. Η θερμική αντίσταση (ή αντίσταση θερμοδιαφυγής) σώματος πάχους d είναι R = κd = d/λ. Αν το στοιχείο αποτελείται από n διαδοχικά στρώματα δια-φόρων υλικών (π.χ. τοιχοποιίες με θερμομόνωση, στοιχεία τύπου "σάντουιτς") με συντε-λεστές (λi = 1, 2, ... , π) και πάχη di, αντίστοιχα, η θερμική αντίσταση θα είναι R=

∑

i =1 n _d i λi Στην αντίσταση αυτή θα πρέπει να προστεθούν οι αντιστάσεις εισόδου, 1/α1, και εξόδου, 1/α2, δηλαδή οι αντιστάσεις των στρωμάτων (π.χ. αέρας) που βρίσκονται σε επαφή με τις δύο παρειές του σώματος. Έτσι, η συνολική θερμική αντίσταση δίνεται από τη σχέση R=1 α1 

∑

i=1 n _d i λi  1 α2 Η μέτρηση του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας στο εργαστήριο γίνεται συνή-θως βάσει της μεθόδου "θερμής πλάκας", η οποία περιγράφεται λεπτομερώς από το Πρότυπο ΕΛΟΤ-514. Εναλλακτικά μπορεί να εφαρμοστεί και η μέθοδος του "μετρητή ροής θερμότητας" (συγκριτική μέθοδος γρήγορης μέτρησης που εφαρμόζεται κυρίως σε ινώδη, κυψελωτά και κοκκώδη μονωτικά υλικά), η οποία περιγράφεται στην Αμερικάνικη Προδιαγραφή ASTM C518. Περισσότερες λεπτομέρειες για τις μεθόδους υπολογισμού των θερμικών ιδιοτήτων δομικών στοιχείων μπορούν να βρεθούν σε συγγράμματα "Οι-κοδομικής", καθώς επίσης και στα Πρότυπα ΕΛΟΤ-1367.1-2, ΕΛΟΤ-1368 και ΕΛΟΤ- 1382. Οι σχετικές με τη θερμομόνωση και ιδιαίτερα με τα θερμομονωτικά υλικά Ευρω-παϊκές προδιαγραφές δίνονται στα Πρότυπα ΕΝ 822-825. 3.3. Μηχανικές Ιδιότητες Οι μηχανικές ιδιότητες είναι εκείνες που προσδιορίζουν τη συμπεριφορά των

υλι-κών σε καταπονήσεις λόγω φορτίων ή περιβαλλοντιυλι-κών επιδράσεων. Η συμπεριφορά αυτή εξαρτάται από τον τρόπο που δρουν οι καταπονήσεις, αποτέλεσμα του οποίου εί-ναι η ανάπτυξη εσωτερικών δυνάμεων στα υλικά που ονομάζονται τάσεις. Τάση σε ένα "σημείο" υλικού ορίζεται η εσωτερική δύναμη που αναπτύσσεται στην περιοχή του ση-μείου ανά μονάδα επιφάνειας γύρω από αυτό. Ανάλογα με το αν οι τάσεις δρούν κάθετα ή εφαπτομενικά στην επιφάνεια διακρίνονται σε ορθές (σ) και διατμητικές (τ), όπως δείχνεται παραστατικά στο Σχ. 3.3. Οι ορθές τάσεις που τείνουν να απομακρύνουν τα άτομα του υλικού προκαλούν εφελκυσμό και ονομάζονται εφελκυστικές, ενώ αυτές που τείνουν να τα πλησιάσουν μεταξύ τους προκαλούν θλίψη και ονομάζονται θλιπτικές. Σχ. 3.3: (α) Ορθές και (β) διατμητικές τάσεις. Σχ. 3.4: (α) Ορθές και (β) διατμητικές παραμορφώσεις. Αποτέλεσμα των τάσεων που αναπτύσσονται σε ένα στοιχείο είναι η μεταβολή των διαστάσεων του, δηλαδή η ανάπτυξη παραμορφώσεων. Ο ορισμός των ορθών (ε) και διατμητικών (γ) παραμορφώσεων δίνεται παραστατικά στο Σχ. 3.4. Η λεπτομερής ανάλυση των τάσεων και παραμορφώσεων που αναπτύσσονται στα υλικά ξεφεύγει από το σκοπό του παρόντος βιβλίου. Παρακάτω περιγράφονται

συ-νοπτικά οι ελαστικές ιδιότητες καθώς και η μηχανική αντοχή και συμπεριφορά γενικότε-ρα των υλικών σε διάφορες καταπονήσεις, ενώ για πλήρη κάλυψη του θέματος ο ανα-γνώστης παραπέμπεται στη σχετική βιβλιογραφία (π.χ. Cottrell 1964, Timoshenko and Goodier 1970, lllston et al. 1979, Κερμανίδης 1980, John 1983, Gere and Timoshenko 1990, Μαστρογιάννης 1994, Τριανταφύλλου 2005). 3.3.1. Ελαστικές Ιδιότητες Όταν οι παραμορφώσεις που αναπτύσσονται σε ένα υλικό είναι μικρές και δεν ξε-περνούν ορισμένα όρια, τότε είναι ανάλογες με τις αντίστοιχες τάσεις (γραμμική ελαστι-κότητα). Για την απλή περίπτωση εφελκυσμού (ή θλίψης) η αναλογία αυτή εκφράζεται από το νόμο του Hooke σ =Ε ε όπου το μέτρο ελαστικότητας (ή μέτρο Young) Ε έχει μονάδες τάσης. Η αντίστοιχη σχέση για την περίπτωση διάτμησης είναι τ =G γ όπου G = μέτρο διάτμησης. Για υλικά ομοιογενή (δηλαδή με τις ίδιες ιδιότητες σε κάθε σημείο) και ισότροπα (που έχουν τις ίδιες ιδιότητες σε κάθε διεύθυνση) τα μέτρα Ε και G αποτελούν χαρακτηριστικές ιδιότητες. Συχνά επίσης χρησιμοποιείται και μία τρίτη σταθερά για κάθε υλικό, ο λόγος Poisson (ή συντελεστής εγκάρσιας παραμόρφωσης) ν, που ορίζεται ως ο αρνητικός λόγος της παραμόρφωσης εγκάρσια στη διεύθυνση φόρτι-σης προς την παραμόρφωση παράλληλα με τη διεύθυνση φόρτιφόρτι-σης για δοκίμια υλικών σε μονοαξονική καταπόνηση (εφελκυσμός ή θλίψη). Μάλιστα, μεταξύ των τριών παρα-πάνω ελαστικών σταθερών ισχύει η σχέση G= E 21v Τα ανισότροπα υλικά παρουσιάζουν διαφορετική συμπεριφορά σε διαφορετικές διευθύνσεις και χαρακτηρίζονται από περισσότερες από δύο ανεξάρτητες ελαστικές σταθερές. 3.4. Αντοχή, Άλλες Μηχανικές Ιδιότητες Σχ. 3.5: Απλοί τρόποι φόρτισης υλικών, (α) εφελκυσμός, (β) θλίψη, (γ) διάτμηση, (δ) κάμψη και (ε) στρέψη. Ως αντοχή ενός υλικού ορίζεται γενικά η ικανότητά του να μεταφέρει φορτία. Η ιδιότητα αυτή εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως είναι η γεωμετρία του δομικού στοιχείου που είναι κατασκευασμένο από το υλικό αυτό, ο τρόπος φόρτισης και το ίδιο το υλικό. Μερικοί απλοί τρόποι φόρτισης δίνονται στο Σχ. 3.5. Σε κάθε τύπο φόρτισης αντιστοιχεί και μία συγκεκριμένη ανάπτυξη και κατανομή τάσεων και παραμορφώσεων.