Ταλαντώσεις σε Ξύλινα Πατώματα

Abstract

Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία συντάχθηκε με έναυσμα το ιδιαίτερο ενδιαφέρον που προκάλεσε το ξύλο ως υλικό, καθώς η αναφορά σε αυτό κατά τη διάρκεια της πενταετούς φοίτησής μας στο τμήμα των Πολιτικών Μηχανικών ΕΜΠ ήταν περιορισμένη. Μέσα από μια ποικιλία θεματογραφίας, αποφασίστηκε να εκπονηθεί η παρούσα διπλωματική εργασία με τίτλο «Ταλαντώσεις σε Ξύλινα Πατώματα». Από την μια ο στόχος ήταν η εμβάθυνση της ήδη υπάρχουσας γνώσης γύρω από το ξύλο, τις ιδιότητες και τις εφαρμογές του. Από την άλλη αποτέλεσε πρόκληση η επιτυχής εκτέλεση κάποιου πειράματος (για τον προσδιορισμό κάποιας χαρακτηριστικής ιδιότητας του ξύλου, όπως η μελέτη της ταλάντωση ενός ξύλινου δαπέδου), σε χρόνο και βάθος που επιτρέπει το επίπεδο μιας διπλωματικής εργασίας. Τέλος ο απώτερος σκοπός του πειράματος ήταν έπειτα από την εξαγωγή αποτελεσμάτων αλλά και συμπερασμάτων, η σύγκριση της τιμής της μετρούμενης ιδιοσυχνότητας με την υπολογιζόμενη κατά Ευρωκώδικα 5 και εντοπισμός τυχόν ασαφειών και παραλήψεων του κανονισμού. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται στοιχεία για τα χαρακτηριστικά του ξύλου ως πρώτη ύλη και δομικό υλικό. Γίνεται αναφορά στις μηχανικές του ιδιότητες, στις απαιτήσεις προστασίας, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά του, αλλά και σε θέματα που αφορούν την εμπορευσιμότητά του. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται εκτενέστερη αναφορά στη χρήση του ξύλου στα πατώματα, με περιγραφή των διάφορων τύπων υποδομής και αναφορά στους διάφορους τύπους δαπέδων κατά την φάση επίστρωσης του. Στο τρίτο κεφάλαιο αναπτύσσεται η θεωρία για τις βάσεις σχεδιασμού και υπολογισμού, σύμφωνα με τον κανονισμό για το «Σχεδιασμό Ξύλινων Κατασκευών» -Ευρωκώδικα 5. Στο τέταρτο κεφάλαιο μέσα από την επίλυση ενός συγκεκριμένου ξύλινου πατώματος γίνεται ο έλεγχος αν πληροί τις βάσεις σχεδιασμού κατά τον Ευρωκώδικα 5,καθώς επίσης υπολογίστηκε η ιδιοσυχνότητα αυτού. Παρατίθενται επίσης, διάφορες δοκιμές που έγιναν (μεταβάλλοντας τις τιμές κάποιων χαρακτηριστικών του παραπάνω πατώματος), ώστε να εξεταστεί για ποιες περιπτώσεις ικανοποιείται ο έλεγχος ως προς τις ταλαντώσεις, σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 5. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία του πειραματικού μέρους. Οι μετρήσεις που αφορούν την ταλάντωση του ξύλινου δαπέδου, πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση επιταχυνσιομέτρου και σεισμογράφου, μεταβάλλοντας κάποιους εξωτερικούς παράγοντες σε κάθε καταγραφή. Στη συνέχεια εκτελέστηκε ο μετασχηματισμός Fourier που απαιτείται ώστε οι μετρούμενες τιμές να είναι σε συγκρίσιμες μονάδες –σε μορφή ιδιοσυχνοτήτων- σε σχέση με τις ήδη υπολογισμένες τιμές (κατά Ευρωκώδικα 5). Τέλος, μετά την εξαγωγή αποτελεσμάτων του ανωτέρω πειράματος, πραγματοποιείται η σύγκριση αυτών με τους υπολογισμούς που πραγματοποιήθηκαν σύμφωνα με τις αρχές του ισχύοντος κανονισμού. Επίσης καταγράφονται μια σειρά συμπερασμάτων ως προς τη φύση των ταλαντώσεων σε ξύλινα πατώματα καθώς και κάποιες ανακρίβειες της διατύπωσης του Ευρωκώδικα 5.

This capstone project was chosen because of our interest in wood as a material, and also because of the limited knowledge we got during our five-year tenure in the Department of Civil Engineering of the NTUA. While going through different subjects we finally decided to complete a project by the title: "Vibrations of timber floors". Our first goal was to widen our existing knowledge about wood, with its uses and characteristics. On the other hand we thought of it as a challenge, to successfully complete an experiment( for the identification of a certain property of wood, which was the study of the oscillations of a wooden floor), in the time frame and depth required by a Senior Project. The final goal of our experiment, after getting our final results, was the comparison of the measured value of eigenfrequency and the calculated value based on Eurocode 5 and lastly identifying any vagueness and/or discrepancies of the Code. In the first chapter wood's general characteristics are presented both as a raw material and structurally. Its mechanical characteristics are described, protection methods, its advantages and disadvantages and finally the commercial aspect is presented. In the second chapter the uses of wood as a floor - system are described in more detail. The discussion continues about the types of woods, and installment procedures. In the third chapter the theory about design and calculations is described. This is always in line with the "Design of Wooden Structures" - Eurocode 5. In the fourth chapter through the solution of a specific wooden floor we examined if the design specifications are met based on the Eurocode 5. On top of that the eigenfrequency is calculated. We also present different tests we performed (changing the values of the characteristics of the wooden floor mentioned above) examining for which cases the oscillations are within the Eurocode 5 limits. In the fifth chapter we describe the experiment procedure. Measurements of the oscillations of the wooden floor are performed with the use of an accelerometer and seismograph, while changing the values of the external factors. Furthermore we used the Fourier transform so the results could be comparable - eigenfrequency form - with the already obtained values ( Eurocode 5). Finally, after obtaining the experimental results, we compared them with the calculated results based on the latest code. We also describe our conclusions about the oscillations of wooden floors and discrepancies of the Eurocode 5.