Διερεύνηση προσομοίωσης και απόκρισης κτηρίου στο σεισμό της Αθήνας '99, λαμβάνοντας υπόψη φαινόμενα κατευθυντικότητας

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία στοχεύει στη διερεύνηση της πιθανής μορφής και έντασης της σεισμικής κίνησης στο σεισμό της Αθήνας την 7/9/1999, σε μία από τις πλειόσειστες περιοχές, την περιοχή των Θρακομακεδόνων, για την οποία δεν υπάρχουν άμεσες καταγραφές της σεισμικής κίνησης. Για το σκοπό αυτό, πραγματοποιείται ανάστροφη ανάλυση με πιθανά επιταχυνσιογραφήματα σε ένα τετραόροφο κτήριο με pilotis και υπόγειο με περιμετρικά τοιχία, το οποίο υπέστη βλάβες στο σεισμό αυτό και για το οποίο διαθέτουμε κατασκευαστικά σχέδια και έκθεση βλαβών. Ιδιαίτερη έμφαση δίδεται στη διερεύνηση ύπαρξης φαινομένων κατευθυντικότητας που εμφανίζονται σε περιοχές κοντά στο ενεργοποιούμενο ρήγμα, τα οποία πιθανολογείται ότι εμφανίστηκαν στο παραπάνω σεισμικό γεγονός και τα οποία μπορούν να διαφοροποιήσουν σημαντικά την απόκριση των κατασκευών. Η προσέγγιση των πιθανών επιταχυνσιογραφημάτων για το συγκεκριμένο σεισμικό γεγονός και την τοποθεσία επιτυγχάνεται με δημιουργία επιταχυνσιογραφημάτων με ελαστικά φάσματα απόκρισης που αντιστοιχούν σε αυτά που προκύπτουν από τις σχέσεις εξασθένησης νέας γενιάς των Boore και Atkinson (2008) και της τροποποίησής τους λόγω κατευθυντικότητας κατά Shahi και Baker (2011), βασισμένα σε καταγεγραμμένα επιταχυνσιογραφήματα του σεισμικού γεγονότος. Ένα σημαντικό πρόβλημα που προκύπτει στην προσπάθεια διερεύνησης είναι και η επιλογή της ρεαλιστικότερης μεθόδου προσομοίωσης της κατασκευής. Για το λόγο αυτό, αρκετά μεγάλο μέρος της εργασίας αφιερώνεται στην εξέταση και σύγκριση διαφορετικών μεθόδων προσομοίωσης. Η κυριότερη μέθοδος μοντελοποίησης που εξετάζεται και εφαρμόζεται είναι αυτή που προτείνεται στον ΚΑΝ.ΕΠΕ. (Κανονισμός Επεμβάσεων), χρησιμοποιώντας συγκεντρωμένη πλαστικότητα, η οποία λαμβάνει υπόψη διάφορα φαινόμενα που παρατηρούνται σε μέλη οπλισμένου σκυροδέματος πέραν της κάμψης, όπως διατμητικές ρηγματώσεις, διατμητικές παραμορφώσεις και εξόλκευση οπλισμών. Πέραν των κύριων δομικών μελών, στο προσομοίωμα συμπεριλαμβάνονται ακόμα και οι τοιχοπληρώσεις. Ένα σημαντικό θέμα που έπρεπε να αντιμετωπιστεί είναι και η αστοχία των μελών σε διάτμηση κατά τη διάρκεια της ανάλυσης, για την οποία εξετάζονται τρόποι εισαγωγής στο προσομοίωμα. Η ανάλυση της απόκρισης του κτηρίου σε αναλύσεις Pushover και χρονοϊστορίας γίνεται με τη βοήθεια του προγράμματος OpenSees, ικανό να πραγματοποιεί μη γραμμικές αναλύσεις κατασκευών γρήγορα και αξιόπιστα, το οποίο έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του PEER (Pacific Earthquake Engineering Research Center). Για το σκοπό αυτό, συντάχθηκαν αρκετά προγράμματα σε γλώσσα Tcl για την επεξεργασία των δεδομένων της κατασκευής, την ανάλυση της και την επεξεργασία των αποτελεσμάτων των αναλύσεων. Στην κατασκευή που εξετάζεται, τα φαινόμενα κατευθυντικότητας παρατηρείται ότι επηρεάζουν σημαντικά την απόκρισή της, ακόμη και στην περίπτωση σχετικά μικρής αρχικής “ελαστικής” ιδιοπεριόδου. Γενικά, τα φαινόμενα κατευθυντικότητας φαίνεται ότι οδηγούν σε περισσότερες αστοχίες, μεγαλύτερες σχετικές μετατοπίσεις ορόφων, τέμνουσες βάσης και μετατοπίσεις κορυφής στη διεύθυνση που ενεργούν. Παρόλο που υπάρχουν αρκετές αβεβαιότητες όσον αφορά στην κατασκευαστική διαδικασία, τα μοντέλα προσομοίωσης που ακολουθούνται και την προσέγγιση του σεισμικού γεγονότος, οι οποίες δεν επιτρέπουν έναν ακριβή προσδιορισμό της σεισμικής κίνησης στην εξεταζόμενη θέση, τα αποτελέσματα των αναλύσεων δείχνουν ότι αρκετές αστοχίες υποστυλωμάτων σε διάτμηση που προσεγγίζουν αυτές που παρατηρήθηκαν στην πραγματικότητα συμβαίνουν για μέγιστες εδαφικές επιταχύνσεις περίπου 0.69g (3.1 τυπικές αποκλίσεις σε φάσματα των Boore - Atkinson, τροποποιημένα από τους Shahi - Baker). Αυτό συμβαίνει ιδιαίτερα όταν ενεργούν παλμοί κατευθυντικότητας σε συγκεκριμένη διεύθυνση της κατασκευής, στην οποία παρατηρήθηκαν και οι περισσότερες αστοχίες υποστυλωμάτων και στην πραγματικότητα, κάτι που φανερώνει ότι η ύπαρξη τέτοιων παλμών κατευθυντικότητας κατά την παραπάνω διεύθυνση είναι πολύ πιθανή. Σημειώνεται ότι η εκτιμώμενη μέγιστη σεισμική επιτάχυνση που προκύπτει απο τις παραπάνω αναλύσεις είναι μεγαλύτερη από αυτές που θεωρούνται έως σήμερα.

This thesis focuses on the examination of the possible form and intensity of the ground motion of the 7th September 1999 Athens earthquake in one of the most damaged areas near Athens, Thrakomakedones, where no direct ground motion records exist. For this reason, a reverse analysis procedure using possible accelerograms is implemented on a real four-storey building, with ground floor without infill walls and underground floor with surrounding concrete walls, which was damaged in the aforementioned event and its damage details have been recorded. The possibility of existence of directivity phenomena that usually appear in areas near the fault is considered, as they are assumed to have appeared in this seismic event and may influence structural response considerably. The possible accelerograms for this earthquake event and location are approximated generating accelerograms with elastic spectra that match those proposed by the New Generation Attenuation model by Boore and Atkinson (2008) and its modifications due to directivity effects by Shahi and Baker (2011), based on recorded accelerograms of the seismic event. A problem that arises during the analysis procedure is the selection of a realistic way to model the structure. That is why a large portion of the thesis focuses on the creation and comparison of different modelling approaches. The basic modelling method for reinforced concrete buildings that is examined and implemented is the one proposed by the Greek Retrofitting Code (acting as an extension to EC8-3) using concentrated plasticity that can take into account various reinforced concrete phenomena, such as shear cracking, shear deformations and anchorage slip. Apart from the main structural members, infill walls are also included in the model. Another aspect that has to be taken into account is the failure of structural members due to shear during the analysis, for which implementation methods are examined. The structural response analysis to pushover and time-history excitations is performed using OpenSees, a program capable of performing non-linear structural analyses fast and reliably, developed under PEER. For this reason, several programs were developed in the Tcl programming language for input data processing, model analysis and results processing. In the examined structure, directivity effects were found to alter the structural response significantly, even in the case of a relatively low initial "elastic" period. In general, directivity effects seem to produce more failures, larger storey drifts, base shears and top displacements in the direction that the directivity pulses are acting. Although many uncertainties exist regarding the construction details of the building, the modelling approach and the approximation of the seismic event that do not allow a certain determination of the ground motion at the examined site, analysis results show that many shear faults at the basement columns that approach the observed ones in reality occur for peak ground accelerations about 0.69g (3.1 standard deviations in Boore - Atkinson spectra, modified by Shahi - Baker). This is especially true when directivity pulses are acting in a specific direction of the structure, in which most column failures were observed in reality, something that shows that the existence of directivity pulses in this direction is probable. It is noted that the estimated peak acceleration of the ground motion from the results of the analyses is larger than what it was believed up to now.