Διερεύνηση συμμετοχής ανώτερων ιδιομορφών στην απόκριση εννιαώροφου μεταλλικού κτηρίου σε σεισμούς

Abstract

Η πρόβλεψη της συμπεριφοράς μιας κατασκευής υπό τη φόρτιση σεισμικών δυνάμεων εγγύς πεδίου αποτελεί θέμα έρευνας των τελευταίων ετών παγκοσμίως. Ιδιαίτερα, η πρόβλεψη της απόκρισης υψηλών κτηρίων σε σεισμικές διεγέρσεις εγγύς πεδίου είναι θέμα μεγάλου ενδιαφέροντος. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η διερεύνηση της συμμετοχής ανώτερων ιδιομορφών στην απόκριση εννιαώροφου μεταλλικού κτηρίου σε σεισμούς εγγύς πεδίου. Συγκεκριμένα, εξετάζεται η συμμετοχή της δεύτερης ιδιομορφής στη σεισμική απόκριση. Ο μεταλλικός φορέας, παραλλαγή του κτηρίου που σχεδιάστηκε με βάση τις Post-Northridge οδηγίες των Η.Π.Α. για το Seattle της Αμερικής, υπόκειται σε ποικίλλες σεισμικές διεγέρσεις εγγύς πεδίου σεισμικού μεγέθους 5,6-7,1. Προκειμένου να αξιολογηθεί η συμμετοχή της δεύτερης ιδιομορφής στην απόκριση του φορέα, υπολογίζονται οι μετακινήσεις, τα αδρανειακά φορτία και οι τέμνουσες δυνάμεις καθ’ύψος του φορέα με δύο τύπους αναλύσεων, την ανελαστική ανάλυση χρονοϊστορίας και την ιδιομορφική ανελαστική δυναμική ανάλυση. Τέλος αξιολογείται η ακρίβεια των αποτελεσμάτων της Ιδιομορφικής Ανελαστικής Δυναμικής Ανάλυσης, συγκρίνοντας τα αποτελέσματα αυτής με τα αποτελέσματα της ανάλυσης χρονοϊστοριών. Από τις αναλύσεις που διεξήχθησαν, προέκυψαν ενδιαφέροντα αποτελέσματα που καταδεικνύουν τη σημαντική επιρροή της δεύτερης ιδιομορφής στην απόκριση του φορέα. Όσον αφορά στις μετακινήσεις, τα αποτελέσματα δεν δίνουν μια σαφή απάντηση για τη συμμετοχή της δεύτερης ιδιομορφής στην απόκριση της κατασκευής. Όσον αφορά στα αδρανειακά φορτία και τις τέμνουσες δυνάμεις καθ’ύψος των ορόφων, τα αποτελέσματα δείχνουν με σαφήνεια την ενεργή συμμετοχή της δεύτερης ιδιομορφής. Το γεγονός αυτό είναι αναμενόμενο καθώς τα πολυώροφα κτήρια τείνουν να εμφανίζουν μεγάλες ιδιοπεριόδους, συνεπώς τείνουν να έχουν πρώτη ιδιομορφή σε χαμηλές φασματικές τιμές στα φάσματα επιταχύνσεων και ως εκ τούτου οι ανώτερες ιδιομορφές, με μικρότερες τιμές ιδιοπεριόδων να βρίσκονται σε περιοχές με μεγάλες φασματικές τιμές και συνεπώς μεγάλη συμμετοχή. Τέλος, όσον αφορά τη μέθοδο ιδιομορφικής ανελαστικής δυναμικής ανάλυσης, που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία, φαίνεται να έχει ικανοποιητικά αποτελέσματα ως προς τη σύγκλιση των αποτελεσμάτων αυτής με τα αποτελέσματα της ανελαστικής ανάλυσης χρονοϊστορίας του πολυβάθμιου φορέα. Το συμπέρασμα αυτό είναι αρκετά ενθαρρυντικό καθώς αυτή η μέθοδος έχει μικρότερο υπολογιστικό φόρτο και είναι ταχύτερη σε σχέση με την αναλεστική ανάλυση χρονοϊστορίας πολυβάθμιων συστημάτων ενώ μπορεί να προσφέρει ικανοποιητική ακρίβεια.

Recently, great research is being conducted on the behavior of a structure in near field seismic forces. In particular, predicting the response of high-rise buildings in near field seismic excitations is of great interest. The purpose of this study is to investigate the contribution of higher modes to the response of a nine-story building, made of steel, in near field earthquakes. Particularly, the contribution of the second mode is being evaluated. The structure, which is a different version of the building designed for Seattle, U.S.A., according to Post-Northridge directives, is being subjected to several near field seismic excitations, of Mw=5,6 - 7,1. In order to evaluate the contribution of the second mode to the response, displacement and inertial and shear forces over the stories of the building are estimated with two different types of analysis, the non-linear time history analysis of the building and the modal nonlinear dynamic analysis. Finally, evaluated is the accuracy of Modal Nonlinear Dynamic Analysis (MNDA) results, comparing them with the non-linear time history analysis results. Interesting are the results of the analyses, showing that the contribution of the second mode is significant. As for displacement of building over the stories, the results are unclear about the contribution of the second mode. On contrary, as for the inertial and shear forces, results clearly prove the great participation of the second mode on the force contribution over the stories. This is an expected and reasonable result, as high-rise buildings tend to have high periods, so spectral acceleration of the first mode is often very low and therefore the higher modes tend to be in the area of high spectral values at the acceleration spectra. As a result, the response of high-rise buildings is influenced a lot by higher modes. Finally, as for the modal nonlinear dynamic analysis, results show that convergence of this method seems to be quite satisfactory, compared with the non-linear time-history analysis of the building. This conclusion is of high importance, since the MNDA has a main advantage, the lower computational cost than the non-linear time-history analysis and is also accurate enough.