Από τους Δρ. Κώστα Σαχπάζη, Κωνσταντίνα Σαχπάζη, και Δέσποινα Σαχπάζη*

Η σύγχρονη αρχιτεκτονική και οι πολεοδομικές τάσεις στρέφονται σταθερά προς την κατασκευή υπόσκαφων κτιρίων. Σύμφωνα με τον Νέο Οικοδομικό Κανονισμό (ΝΟΚ, Ν. 4067/2012), ως υπόσκαφο ορίζεται το κτίσμα που κατασκευάζεται κάτω από τη στάθμη του φυσικού εδάφους, με την προϋπόθεση της πλήρους αποκατάστασης του εδάφους στην αρχική του μορφή. Ο νομοθέτης παρέχει κίνητρα, όπως η μη προσμέτρηση της επιφάνειας στον Συντελεστή Δόμησης, γεγονός που εξηγεί τη μεγάλη αύξηση αυτών των κατασκευών σε περιοχές με έντονο ανάγλυφο, όπως οι Κυκλάδες.

Πέρα από τα ενεργειακά οφέλη και την αισθητική ενσωμάτωση στο περιβάλλον, τα κτίρια αυτά διαθέτουν ένα σημαντικό μηχανικό πλεονέκτημα. Η επιστημονική ανάλυση της σεισμικής τους συμπεριφοράς δείχνει ότι οι υπόγειες κατασκευές υπερέχουν γεωτεχνικά έναντι των συμβατικών επιφανειακών έργων.

Γεωτεχνική Απόκριση και Αλληλεπίδραση Εδάφους-Κατασκευής (SSI)

Η κύρια διαφορά στην απόκριση ενός υπόσκαφου κτιρίου από ένα επιφανειακό εντοπίζεται στον τρόπο διέγερσής του. Στα κλασικά κτίρια, η κίνηση του εδάφους μεταφέρεται στη βάση και δημιουργεί αδρανειακές δυνάμεις που προκαλούν ταλάντωση της ανωδομής. Αυτή η διαδικασία συχνά προκαλεί το φαινόμενο του μαστιγίου (whiplash effect), αυξάνοντας τις επιταχύνσεις όσο ανεβαίνουμε καθ’ ύψος.

Αντιθέτως, τα υπόσκαφα κτίρια είναι πλήρως ενσωματωμένα στο έδαφος. Κατά τη διάρκεια ενός σεισμού, η κύρια δράση που δέχονται είναι η Κινηματική Αλληλεπίδραση (Kinematic Interaction). Ο σχεδιασμός τους επικεντρώνεται στις παραμορφώσεις που επιβάλλει το περιβάλλον έδαφος και όχι στις αδρανειακές δυνάμεις. Επειδή ο σκελετός από οπλισμένο σκυρόδεμα είναι πιο δύσκαμπτος από το χώμα, το κτίριο κινείται ως ενιαίο σώμα μαζί με το έδαφος.

Στη γεωτεχνική μηχανική, η μέγιστη διατμητική παραμόρφωση γ_max υπολογίζεται προσεγγιστικά από τον τύπο:

γ_max=V_p/V_s

όπου V_p είναι η μέγιστη ταχύτητα εδαφικού σωματιδίου και V_s η ταχύτητα των διατμητικών κυμάτων.

Επιπλέον, η σεισμική επιτάχυνση μειώνεται όσο αυξάνεται το βάθος. Η επιφάνεια του εδάφους λειτουργεί ως όριο που διπλασιάζει το πλάτος των κυμάτων. Έτσι, σε μια υπόσκαφη δομή, η Μέγιστη Εδαφική Επιτάχυνση (PGA) στη θεμελίωση είναι πάντα χαμηλότερη από εκείνη της επιφάνειας.

Στατική Μόρφωση και Μηδενική Ιδιοπερίοδος

Τα υπόσκαφα κτίρια μελετώνται ως άκαμπτες κιβωτιοειδείς κατασκευές (box-type structures). Αποτελούνται από τοιχώματα αντιστήριξης μεγάλου πάχους και πλάκες οπλισμένου σκυροδέματος που λειτουργούν ως στιβαρά διαφράγματα.

Στη Δυναμική των Κατασκευών, η θεμελιώδης ιδιοπερίοδος T ορίζεται από τη μάζα M και την πλευρική δυσκαμψία K:

Λόγω της τεράστιας πλευρικής δυσκαμψίας των τοιχωμάτων, η ιδιοπερίοδος T  προσεγγίζει το μηδέν. Αυτό τοποθετεί το κτίριο στην περιοχή της Επιτάχυνσης Μηδενικής Περιόδου (ZPA) του Φάσματος Σχεδιασμού. Το αποτέλεσμα είναι ότι το κτίριο δεν κινδυνεύει από συντονισμό με τις συχνότητες του σεισμού.

Κατά τη σεισμική διέγερση, ενώ αυξάνονται οι ωθήσεις από τη μία πλευρά, στην αντίθετη πλευρά ενεργοποιείται η παθητική αντίσταση του εδάφους. Αυτή η αντίσταση λειτουργεί ως φυσικός μηχανισμός απόσβεσης της ενέργειας.

Δυναμικές Ωθήσεις και Αντίσταση

Σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 8 – Μέρος 5 (EN 1998-5), η σεισμική ανάλυση τοιχωμάτων αντιστήριξης γίνεται συνήθως με την ψευδοστατική μέθοδο Mononobe-Okabe. Όταν ο σεισμός ωθεί το κτίριο προς τη μία κατεύθυνση, οι ενεργητικές ωθήσεις από την πλευρά της κίνησης αυξάνονται, όμως ταυτόχρονα στην απέναντι πλευρά κινητοποιείται η τεράστια παθητική αντίσταση (passive earth pressure) του φυσικού εδάφους, η οποία λειτουργεί ως φυσικός αποσβεστήρας.

Κανονιστικό Πλαίσιο και Διαστασιολόγηση στην Ελλάδα (Ευρωκώδικες, ΕΑΚ, ΝΟΚ)

Στην Ελλάδα, η μελέτη των υπόσκαφων ακολουθεί τους Ευρωκώδικες (EN 1998-1 και EN 1998-5) και τον ΕΑΚ-2000. Σε αντίθεση με τα επιφανειακά κτίρια που βασίζονται στην πλαστιμότητα (), τα υπόσκαφα σχεδιάζονται με ελαστική συμπεριφορά. Η ασφάλειά τους προκύπτει από τη μεγάλη υπερ-αντοχή του σκυροδέματος που απαιτείται για τα στατικά φορτία των γαιών.

Το βάρος της φυτεμένης στέγης, που επιβάλλει ο ΝΟΚ, απαιτεί τη χρήση ανθεκτικών πλακών. Αυτές οι πλάκες λειτουργούν ως απόλυτα άκαμπτα διαφράγματα, ενισχύοντας τη στατική επάρκεια της δομής.

Σύγκριση Δομοστατικής Απόκρισης

Συμπεράσματα

Η επιστημονική έρευνα επιβεβαιώνει ότι τα υπόσκαφα κτίρια αποτελούν μια κορυφαία μηχανική επιλογή. Η ενσωμάτωσή τους στο έδαφος τα προστατεύει από τις αρνητικές συνέπειες της αδρανειακής ταλάντωσης. Αντί να αντιμετωπίζει τον σεισμό ως εξωτερική εχθρική δύναμη, η υπόσκαφη κατασκευή κινείται σε αρμονία με το εδαφικό μέσο. Με σωστή στεγάνωση και διαχείριση των υδροστατικών πιέσεων, αυτές οι κατασκευές προσφέρουν εξαιρετική γεωστατική σταθερότητα και πολύ μεγάλο χρόνο ζωής.

Βιβλιογραφία / Πηγές / Κανονισμοί

1. Ν. 4067/2012 (ΦΕΚ 79/Α/09.04.2012): Νέος Οικοδομικός Κανονισμός (ΝΟΚ) – Άρθρο 2 (Ορισμοί) και Άρθρο 11 (Κίνητρα για υπόσκαφα κτίρια).
2. ΕΛΟΤ EN 1998-1:2004: Ευρωκώδικας 8: Σχεδιασμός φορέων για σεισμική αντίσταση – Μέρος 1: Γενικοί κανόνες, σεισμικές δράσεις και κανόνες για κτίρια (με το Ελληνικό Εθνικό Προσάρτημα).
3. ΕΛΟΤ EN 1998-5:2004: Ευρωκώδικας 8 – Μέρος 5: Θεμελιώσεις, κατασκευές αντιστήριξης και γεωτεχνικά θέματα (Ψευδοστατικές μέθοδοι, θεωρία Mononobe-Okabe).
4. ΕΛΟΤ EN 1992-1-1:2004: Ευρωκώδικας 2: Σχεδιασμός φορέων από σκυρόδεμα.
5. ΥΑ Δ17α/141/3/ΦΝ275 (ΦΕΚ 2184/Β/1999): Ελληνικός Αντισεισμικός Κανονισμός (ΕΑΚ-2000) και οι μετέπειτα αναθεωρήσεις του.
6. ITA-AITES (International Tunnelling and Underground Space Association): Seismic design and analysis of underground structures (Ανάλυση τρωτότητας και σεισμικής απόκρισης υπόγειων υποδομών έναντι επιφανειακών).
7. Hashash, Y. M., Hook, J. J., Schmidt, B., & Yao, J. I. (2001). Seismic design and analysis of underground structures. Tunnelling and underground space technology.

*Ο Δρ. Κώστας Σαχπάζης είναι Πολιτικός Μηχανικός, Καθηγητής της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Δυτικής Μακεδονίας (www.uowm.gr και www.geodomisi.com, email: Αυτή η διεύθυνση Email προστατεύεται από τους αυτοματισμούς αποστολέων ανεπιθύμητων μηνυμάτων. Χρειάζεται να ενεργοποιήσετε τη JavaScript για να μπορέσετε να τη δείτε.), η Κωνσταντίνα Σαχπάζη είναι Πολιτικός Μηχανικός, και η Δέσποινα Σαχπάζη είναι Αρχιτέκτων Μηχανικός.

Πηγή: news.b2green.gr