Αποτίμηση ενίσχυσης πέτρινων κατασκευών μέσω ανάλυσης κόστους κύκλου ζωής

Abstract

Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία γίνεται προσπάθεια αποτίμησης των σημαντικότερων τύπων ενισχύσεων που επιδέχεται μια πέτρινη κατασκευή για τη βελτίωση της συμπεριφοράς της. Η αποτίμηση πραγματοποιείται για ένα ενισχυμένο κτίριο, ως προς τα κατακόρυφα και κυρίως ως προς τα οριζόντια φορτία που ασκούνται σε αυτό, καθώς και για το συνολικό κόστος που θα έχει στη διάρκεια ζωής του. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται είναι η αποτίμηση μέσω ιδιομορφών και η ανάλυση μέσω κόστους κύκλου ζωής, από δύο διαφορετικές αναλύσεις της κατασκευής: μία γραμμική και μία μη-γραμμική, εφαρμοζόμενες σε δύο μοντέλα: α) την πραγματική κατασκευή, της οποίας άλλωστε τα αποτελέσματα ενδιαφέρουν για αξιολόγηση και β) μια απλή κατασκευή -μη υπαρκτή- που χρησιμοποιείται για επεξήγηση των διαδικασιών και την εξαγωγή κάποιων αρχικών συμπερασμάτων. Προτού γίνει αναφορά στο κυρίως θέμα της εργασίας, κρίνεται απαραίτητο να γίνει αναλυτικά μία θεωρητική παρουσίαση των ιδιοτήτων και της μηχανικής της τοιχοποιίας σαν υλικό, των πέτρινων κατασκευών και των ειδών όλων των τύπων ενισχύσεων, συνθέτοντας έτσι το απαιτούμενο θεωρητικό υπόβαθρο για την κατανόηση της συμπεριφοράς των χρησιμοποιηθέντων μοντέλων. Για το λόγο αυτό τα τρία πρώτα κεφάλαια αφιερώνονται στα παραπάνω στοιχεία. Παρακάτω παρουσιάζεται συνοπτικά η δομή της εργασίας: Το 1ο Κεφάλαιο αναφέρεται στα είδη και τις ιδιότητες της τοιχοποιίας, τα υλικά που την αποτελούν, τα συστήματα και τα δομικά τμήματα της, ενώ ταυτόχρονα γίνεται ταξινόμηση ανά κατηγορία. Το 2ο Κεφάλαιο περιγράφει τη μηχανική της τοιχοποιίας, δηλαδή τη συμπεριφορά της έναντι διαφόρων τύπων καταπονήσεων, μεταξύ των οποίων και ο σεισμός, όπως επίσης και την παθολογία της (αίτια βλαβών-βλάβες-μηχανισμοί αστοχίας). Ακολούθως, στο 3ο Κεφάλαιο παρατίθενται όλοι οι τύποι ενισχύσεων που εφαρμόζονται σε πέτρινες κατασκευές, η χρήση τους, οι ιδιότητές τους καθώς και τα στάδια κατασκευής τους. Οι πιο διαδεδομένοι αναπτύσσονται εκτενέστερα. Στο 4ο Κεφάλαιο εξηγείται διεξοδικότερα ο στόχος της εργασίας και εκθέτονται το απλό και το πραγματικό κτίριο. Επίσης, παρουσιάζονται οι ενισχύσεις που χρησιμοποιούνται, ο τρόπος που θα προσαρμοστούν στα μοντέλα καθώς και οι λόγοι εκλογής τους. Στη συνέχεια, στο 5ο Κεφάλαιο, αφού προηγηθεί μία σύντομη θεωρητική αναφορά στη χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων σε πέτρινες κατασκευές, αναπτύσσεται η διαδικασία με την οποία υλοποιείται η προσομοίωση των δύο μοντέλων και των ενισχύσεών τους. Στο 6ο Κεφάλαιο διενεργείται η πρώτη αποτίμηση με ιδιομορφική ανάλυση και φαίνεται εκτενώς ο τρόπος που πραγματώνεται, πρώτα στο απλό και ακολούθως στο πραγματικό κτίριο. Έπειτα, στο 7ο Κεφάλαιο, εφαρμόζεται η μέθοδος ανάλυσης κόστους κύκλου ζωής με βάση τα αποτελέσματα της γραμμικής ανάλυσης στα επιφανειακά μοντέλα, αρχικά για το απλό μοντέλο, ώστε να γίνει κατανοητή, και στη συνέχεια για το πραγματικό κτίριο με έμφαση στα αποτελέσματα και τα αντίστοιχα συμπεράσματα. Το 8ο Κεφάλαιο πραγματεύεται τη μέθοδο του ισοδύναμου χωρικού πλαισίου για μη-γραμμική ανάλυση με έμφαση στην προσομοίωση των μοντέλων και των ενισχύσεων τους σαν ισοδύναμα πλαίσια τοιχοποιίας και τη διαδικασία που ακολουθείται ώστε να είναι έτοιμα για ανάλυση. Στο 9ο Κεφάλαιο, με βάση τα αποτελέσματα της μη-γραμμικής ανάλυσης, γίνεται η ανάλυση του κόστους κύκλου ζωής. Στην περίπτωση αυτή, ωστόσο, γίνεται μόνο για το πραγματικό κτίριο και προκύπτουν τα αντίστοιχα συμπεράσματα. Τέλος, στο 10ο Κεφάλαιο, που αποτελεί και τον επίλογο της εργασίας, συνοψίζονται τα αποτελέσματα όλων των αναλύσεων, συγκρίνονται αυτά του κόστους κύκλου ζωής από γραμμική και μη-γραμμική ανάλυση, και εξάγονται κάποια γενικότερα συμπεράσματα σχετικά με την αποτελεσματικότητα των ενισχύσεων στις πέτρινες κατασκευές.

The present Diploma Thesis attempts to assess the most important types of strengthening used in a stone construction for the improvement of its efficiency. The assessment is carried out for a supported building, as regards the vertical and mainly the horizontial loads excerted to it, as well as the total cost of its lifespan. The methods used involve the modal assessment and the life cycle cost analysis, from two different analyses of the construction: one linear and one non-linear, applied to two models: a) the real construction and its worth-evaluating results and b) a simple construction (non-existing), which is used to explain the procedures and deduce some initial conclusions. Before mentioning the main subject of the thesis, it is necessary that a theoretical presentation of the properties and mechanics of the stonework as a material, of the stone construction and the kinds of all support types take place, thus composing the requisite theoretical background for the comprehension of the characteristics of the models in use. For this reason, the first three chapters are concerned with the above elements. The structure of the thesis is presented as follows: The 1st Chapter refers to the kinds and properties of stonework, its constituent materials, its systems and structural parts. Simultaneously, they are classified per category. The 2nd Chapter describes the mechanics of stonework, meaning its characteristics against various types of strains, including earthquakes, as well as its pathology (breakdown causes – breakdowns – failure modes). Next, in the 3rd Chapter, all the types of strengthening applied to stone constructions, their use, their properties and the stages of construction are given. The most widespread ones are further developed. In the 4th Chapter, the aim of the thesis is more thoroughly explained; the simple and the real building are reported. In addition, the used types of strengthening, the way they will be adjusted to the models and the reasons of their selection are shown. Furthermore, in the 5th Chapter, after a brief theoretical reference to the use of the method of the finite elements in stone constructions, the process that realizes the simulation of the two models and their strengthening is discussed. In the 6th Chapter, the first assessment through modal analysis is conducted and the way it is realized, first in the simple and then in the real building, is accurately depicted. Afterwards, in the 7th Chapter, the method of life cycle cost analysis is implemented, based on the results of the linear analysis in the surface models, starting with the simple one, so that the method is comprehended. Proceeding to the real building, emphasis is laid on the results and the respective conclusions. The 8th Chapter deals with the method of equivalent spatial framework for the non-linear analysis, placing emphasis on the model and support simulations as equivalent stonework frames and the process that opens them to interpretation. In the 9th Chapter, according to the results of the non-linear analysis, the life cycle cost analysis is examined. In this case, however, it concerns only the real building and draws on the corresponding conclusions. Finally, in the 10th Chapter, which is also the conclusion of the thesis, provides a summary of the results of all analyses, a comparison to those of life cycle cost from linear to non-linear analysis and a deduction of some general conclusions, in relation to the effectiveness of the supports in stone constructions.