Analytical and experimental investigation of fixed connections of RC cladding walls to precast buildings

Abstract

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να μελετήσει την απόκριση σταθερών συνδέσεων τοίχων πλαγιοκάλυψης από Ω.Σ. με προκατασκευασμένα κτήρια. Στο συνήθη σχεδιασμό οι τοίχοι πλαγιοκάλυψης (cladding panels) δεν σχεδιάζονται κατά τρόπο που να συμβάλλουν στη συνολική δυσκαμψία του κτηρίου, παρά μόνο για να ανθίστανται στις εντάσεις που προκαλούν το ίδιον βάρος, οι δράσεις ανεμοπίεσης και σεισμικά φορτία ευθέως ανάλογα του ιδίου βάρους των τοίχων. Σύμφωνα με αυτή τη λογική, οι συνδέσεις διαστασιολογούνται βάσει τοπικών ελέγχων ενώ ο πλαισιωτός φορέας συμπεριφέρεται ως επιτόπου έγχυτος λόγω της συγκρίσιμης ικανότητας απόσβεσης ενέργειας. Οι συνδέσεις διακρίνονται σε δύο κατηγορίες ανάλογα με τη λειτουργία τους. Στη πρώτη περιλαμβάνονται οι συνδέσεις οι οποίες καλούνται να παραλάβουν φορτία εντός του επιπέδου του τοίχου μέσω απλής έδρασης, μεταλλικών στοιχείων κτλ. Στη δεύτερη περίπτωση εντάσσονται “επικουρικού” τύπου συνδέσεις και οι οποίες καλούνται να εξασφαλίσουν την κατασκευή έναντι εκτός επιπέδου ανατροπή και έναντι μεγάλων μετακινήσεων. Ενδεικτικώς αναφέρονται τα μεταλλικά ελάσματα και οι ράγες ολίσθησης. Παρά ταύτα πλήθος ζημιών σε συστήματα πλαγιοκάλυψης εξαιτίας σεισμικών γεγονότων μαρτυρούν πως η συμπεριφορά των στοιχείων αυτών δεν είναι πλήρως κατανοητή καθώς υπάρχουν μηχανισμοί που καθιστούν τους τοίχους μέρος του ανθιστεκόμενου φορέα και επηρεάζουν τη σεισμική απόκριση της κατασκευής. Επιπλέον, η χρήση του συντελεστή συμπεριφοράς για την απομείωση των σεισμικών δράσεων προϋποθέτει την κατανάλωση ενέργειας διαμέσου των πλαστικών αρθρώσεων στην βάση των υποστυλωμάτων και κατ’ επέκταση μεγάλων μετακινήσεων ικανών να οδηγήσουν στην ανάπτυξη αυτών. Η παραδοχή όμως αυτή δεν είναι ορθή καθώς η αντοχή των συνδέσεων τοίχου – πλαισίου έχει εξαντληθεί προτού αναπτυχθούν μεγάλες μετακινήσεις. Η πραγματική συμπεριφορά των στοιχείων πλαγιοκάλυψης είναι δύσκολο να καθοριστεί καθώς η απόκρισή τους βρίσκεται μεταξύ πλήρους ελευθερίας και πλήρους πάκτωσης με τα όρια να μην είναι πάντα ξεκάθαρα. Παρόλο που στην πρώτη υπάρχει σχετική εμπειρία σχεδιασμού, η δεύτερη χρειάζεται αναθεώρηση δεδομένης και της ανάπτυξης βελτιωμένων υλικών. Εξασφαλίζοντας ότι παρέχεται πλήρης σύνδεση, ο σχεδιαστής μπορεί να καθορίσει εκ των προτέρων την αύξηση της δυσκαμψίας του συστήματος παρέχοντας ένα άνω όριο στις αναπτυσσόμενες δυνάμεις. Η παρούσα εργασία αποτελεί μια προσπάθεια να ποσοτικοποιηθεί η επίδραση αυτών των συνδέσεων όσον αφορά στα ιδιομορφικά χαρακτηριστικά της κατασκευής και στη τιμή των δυνάμεων. Επίσης εξετάζεται ο καθοριστικός ρόλος του διαφράγματος στη μεταφορά των αδρανειακών δυνάμεων μεταξύ των ανθιστάμενων τοίχων. Οι υπό εξέταση τοίχοι έχουν κατακόρυφο και οριζόντιο προσανατολισμό και διαθέτουν τρεις ή τέσσερις συνδέσεις ανά στοιχείο. Η διερεύνηση περιλαμβάνει ένα αναλυτικό και ένα πειραματικό τμήμα. Η σειρά διαδοχής των δύο φάσεων δεν είναι μονοσήμαντα ορισμένη καθώς οι δύο διαδικασίες δεν είναι ανεξάρτητες. Αντιθέτως, οι αναλύσεις τροφοδοτούν τα πειράματα με τα αναγκαία δεδομένα και αντίστροφα. Όσον αφορά στο αναλυτικό μέρος, αρχικά πραγματοποιείται μια απλοποιημένη θεωρητική ανάλυση. Κατακόρυφοι τοίχοι πλαγιοκάλυψης λαμβάνονται υπ’ όψιν και εκτιμώνται οι προκύπτουσες δυνάμεις στις αντίστοιχες θέσεις. Ενδιαφέρον είναι να σημειωθεί ότι βάσει της παραπάνω διαδικασίας οι υπολογιζόμενες δυνάμεις είναι ανεξάρτητες του πλάτους των τοίχων, εξαρτώνται ωστόσο από το ποσοστό της καλυπτόμενης πλαϊνής όψης. Επίσης οι δυνάμεις είναι ευθέως ανάλογες του ύψους των τοίχων ενώ τέλος η βασική τους συνιστώσα βρίσκεται στον κατακόρυφο άξονα. Το τελευταίο μάλιστα χαρακτηριστικό είναι ιδιαιτέρως χρήσιμο για το σχεδιασμό των πειραματικών διατάξεων. Στη συνέχεια εξετάζονται δύο μονώροφα βιομηχανικά κτήρια από προκατασκευασμένο σκυρόδεμα. Στο πρώτο κτήριο χρησιμοποιούνται τοίχοι κατακόρυφου και οριζόντιου προσανατολισμού ενώ εξετάζεται ένα εύρος δυσκαμψιών συνδέσεων (εύκαμπτες έως “άκαμπτες”). Από τις Ιδιομορφικές αναλύσεις και Ιδομορφικές αναλύσεις Φάσματος Απόκρισης που πραγματοποιούνται προκύπτει ότι τα ιδιομορφικά χαρακτηριστικά επηρεάζονται εντόνως από τη μεταβολή της δυσκαμψίας των συνδέσεων. Η επιρροή αυτή αποτυπώνεται και στην ένταση των αναπτυσσόμενων δυνάμεων. Ενδιαφέρον στοιχείο είναι ότι στην περίπτωση οριζόντιας διάταξης των πλαγιοκαλύψεων οι δυνάμεις είναι μεγαλύτερες έως και 50% των αντίστοιχων στην κατακόρυφη διάταξη. Επίσης τα αποτελέσματα συγκρίνονται με τα συμπεράσματα που εξήχθησαν από τη θεωρητική διερεύνηση ελέγχοντας την ακρίβειά τους, η οποία κρίνεται ως πολύ ικανοποιητική. Στο δεύτερο υπό εξέταση κτήριο μόνο κατακόρυφοι τοίχοι εξετάζονται. Η σύνδεση των στοιχείων αυτών με την κατασκευή δεν λαμβάνεται ως θεωρητική πάκτωση αλλά μέσω της πραγματικής συμπεριφοράς τους, όπως αυτή προκύπτει από ένα ακριβές αριθμητικό μοντέλο που σχεδιάστηκε γι’ αυτό το σκοπό. Επίσης, ο ρόλος του διαφράγματος ελέγχεται θεωρώντας τρεις εναλλακτικές διατάξεις (“ασθενές”, “παραμορφώσιμο”, “άκαμπτο”). Πέραν των Ιδιομορφικών πραγματοποιούνται και Ανελαστικές Στατικές και Δυναμικές αναλύσεις οι οποίες αποκαλύπτουν την καθοριστική επίδραση του διαφράγματος στην απόκριση. Πιο συγκεκριμένα, προκύπτει ότι στα υποστυλώματα τα οποία δεν είναι συνδεδεμένα με τοίχους επένδυσης κατά τη διεύθυνση της φόρτισης αναπτύσσονται πολύ μεγαλύτερες δυνάμεις σε σχέση με τα υποστυλώματα των εξωτερικών όψεων. Τα πρώτα συμπεριφέρονται εντόνως ανελαστικά, αφήνοντας τα δεύτερα και τους τοίχους πρακτικώς ελαστικά. Όσον αφορά στο πειραματικό μέρος, αρχικά πραγματοποιείται μια πρόσθετη αναλυτική διερεύνηση ούτως ώστε το μέγεθος των δυνάμεων για τις οποίες θα γίνουν τα πειράματα να επιλεχθεί με γνώμονα την αντιπροσωπευτικότητα μεγάλου πλήθους πραγματικών περιπτώσεων. Δεδομένου ότι ιδιαίτερη ακρίβεια δεν ήταν το ζητούμενο, χρησιμοποιούνται οι προσεγγιστικές θεωρητικές σχέσεις που αναπτύχθηκαν προηγουμένως. Στη συνέχεια ακολουθεί ο καθορισμός κατάλληλων πειραματικών διατάξεων και ο σχεδιασμός των δοκιμίων και του καταγραφικού δικτύου. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η κυριαρχία της κατακόρυφης συνιστώσας στις αναπτυσσόμενες δυνάμεις υπαγορεύει την επιλογή κατάλληλων διατάξεων που να εκμεταλλεύονται αυτό το χαρακτηριστικό. Κατά συνέπεια επιλέγονται δύο εναλλακτικοί τύποι σύνδεσης: ο τύπος που βασίζεται σε σιδηροπλισμό και αυτός που βασίζεται σε μεταλλική πλάκα. Επίσης εξετάζεται και η περίπτωση βιομηχανικού τύπου σύνδεσης. Τέλος πραγματοποιείται εκτενής περιγραφή των πέντε πειραμάτων βασιζόμενων σε σιδηροπλισμό που εκτελέστηκαν και γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων. Βασικό πρόβλημα αυτό του τύπου σύνδεσης είναι ότι λόγω των ανελαστικών παραμορφώσεων των ράβδων προκαλείται μόνιμο άνοιγμα του αρμού μεταξύ τοίχου και δοκού. Το άνοιγμα αυτό καθυστερεί ή και εμποδίζει τη πλήρη επαφή των επιφανειών και την ανάπτυξη τριβής με συνέπεια την εμφάνιση pinching. Επιπλέον αξίζει να τονιστεί ότι η μετακίνηση αστοχίας είναι ανεξάρτητη της διατομής της ράβδου. Πρόσθετοι πίνακες αποτελεσμάτων και δεδομένα σχετικά με τα χρησιμοποιούμενα υλικά παρατίθενται στα Παραρτήματα Α και Β.

Scope of the present thesis is to study the response of fully fixed connections of R.C. cladding walls to the precast buildings. In common design practice cladding panels are not designed to contribute to the structure’s stiffness but to resist only their self-weight and wind and local seismic loads. Based on this view, the fastenings are dimensioned with a local calculation while the frame behaves similarly to cast-in-situ structures due to the comparable energy dissipation capacity. However, damages even in recent earthquake events indicate that panels come to be integral part of the resisting system conditioning its seismic response. Ensuring that connections are fully fixed the designer is able to determine a priori the increase in stiffness of the system providing an upper limit of the induced forces. The present work is an attempt to quantify the impact of these integrated connections in the modal characteristics of the building and the magnitude of forces. Additionally, the detrimental effect of the roof diaphragm in the transmission of forces is also examined. The investigation of the influence of the connections is composed mainly by two parts: an analytical and an experimental. The sequence of these two studies is not straightforward as they are not independent; the analyses are supplemented by the experimental results and vice versa. As far as the analytical part is concerned, firstly a simplified theoretical study is conducted. Vertical panels with four or three connections are taken into consideration and the resultant forces are estimated. It is interesting to note that according to this procedure, the forces are independent of the width of the panels and their major component is in the vertical direction. Subsequently, two single-storey industrial buildings of precast concrete are examined. In the first building Modal and Response Spectrum analyses are performed while in the second Modal, Static Pushover and Nonlinear Response History analyses. Vertical and horizontal panels are used, whereas three alternative roof diaphragm configurations are also investigated. The role of the roof diaphragm is proved to be significant, affecting tremendously the response of the structure. Moreover, in the columns which are not connected to the panels aligned in the loading direction much larger forces are induced compared with the corresponding forces induced to the outer (façade) columns. The main conclusions are summarised in a separate section. As far as the experimental part is concerned, it is described in four sections. In the first, additional analytical investigation is carried out for the estimation of the magnitude of the expected forces to be induced to the connections under seismic action. Although they are not as detailed as the analyses in previous sections, they are important for selecting representative tests to be performed. In the second section, the design of the specimens and the experimental setup is taken place. The connections tested are materialized using vertical reinforcement bars that are stressed mainly in tension during the loading and they are called “rebar connections”. Finally, in the third and the fourth sections the results of the test, the figures of the damages and the conclusions are presented. Basic problem of this type of connection is the permanent opening of the joint caused by the plastic axial strains of the bars. For this reason, full contact of the panel with the beam cannot be re-established during the reverse loading and the friction force at the joint cannot be fully developed resulting in pinching effect. It also worth mentioning that the ultimate displacement that corresponds to breaking of the rebars is independent of their cross section and is mainly determined by the strains induced to the rebars. The card files of the conducted experiments and additional information about the material used are reported in Appendices A and B respectively.