Διερεύνηση συμπεριφοράς συστημάτων σεισμικής μόνωσης με θεώρηση μεταβαλλόμενων παραμέτρων

Abstract

Στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η διερεύνηση της συμπεριφοράς συστημάτων σεισμικής μόνωσης λαμβάνοντας υπόψη τη διακύμανση των μηχανικών ιδιοτήτων των συστημάτων αυτών. Οι ιδιότητες των εφεδράνων σεισμικής μόνωσης ποικίλουν λόγω της μεταβολής των ιδιοτήτων του υλικού, των περιβαλλοντικών επιδράσεων, της ηλικίας, της φθοράς, της ιστορίας φόρτισης, κλπ. Για το λόγο αυτό ο σχεδιασμός σεισμικά μονωμένων κατασκευών απαιτεί ανάλυση με χρήση άνω και κάτω ορίων στις τιμές των ιδιοτήτων των συστημάτων σεισμικής μόνωσης. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής εξετάσθηκαν τα συστήματα εκκρεμούς τριβής (Friction Pendulum Systems ή FPS) και ορίστηκαν τα άνω και κάτω όρια τιμών σημαντικών ιδιοτήτων τους χρησιμοποιώντας τους συντελεστές τροποποίησης ιδιοτήτων του συστήματος σεισμικής μόνωσης, γνωστοί στη βιβλιογραφία ως συντελεστές λ. Παράλληλα έγινε μια προσπάθεια θεώρησης της επιρροής των μεταβαλλόμενων παραμέτρων στις ιδιότητες των εφεδράνων βάσει μιας απλής στοχαστικής διαδικασίας. Η εξαγωγή συμπερασμάτων πραγματοποιήθηκε μετά από κατάλληλες προσομοιώσεις του διαφράγματος της σεισμικής μόνωσης μιας επταώροφης κατασκευής, η ανωδομή της οποίας θεωρήθηκε ως στερεό σώμα, καθώς και μιας υφιστάμενης τετραώροφης κατασκευής. Οι κατασκευές αυτές υποβλήθηκαν σε ένα σύνολο δυναμικών αναλύσεων και μη γραμμικών αναλύσεων χρονοϊστορίας υπό δεδομένες σεισμικές διεγέρσεις. Οι αναλύσεις διεξήχθησαν χρησιμοποιώντας τις μέσες και τις οριακές τιμές των ιδιοτήτων των εφεδράνων τριβής. Συνοπτικά η δομή της εργασίας έχει ως ακολούθως: Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια γενική εισαγωγή με αναφορές σε μεθόδους αντισεισμικού σχεδιασμού νέων και υφιστάμενων κατασκευών και παρουσιάζεται το αντικείμενο της εργασίας. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η σεισμική μόνωση βάσης ως μέθοδος αντισεισμικού σχεδιασμού και παρατίθενται οι βασικές της αρχές και οι στόχοι της καθώς και η επίδρασή της στη σεισμική απόκριση των κατασκευών. Επιπλέον, παρουσιάζονται οι διάφορες μέθοδοι ανάλυσης των σεισμικά μονωμένων κατασκευών. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι κυριότεροι τύποι συστημάτων σεισμικής μόνωσης, οι ιδιότητες και οι διατάξεις σχεδιασμού τους καθώς και παραδείγματα κατασκευών όπου έχει εφαρμοσθεί η εν λόγω μέθοδος. Στο τέταρτο κεφάλαιο εξετάζεται η τριβή σε επιλεγμένες επιφάνειες ολίσθησης και η εξάρτησή της από διάφορους μεταβαλλόμενους παράγοντες. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μέθοδος εισαγωγής των συντελεστών τροποποίησης ιδιοτήτων συστήματος σεισμικής μόνωσης καθώς και προτεινόμενες τιμές τους για εφέδρανα ολίσθησης και ελαστομερή εφέδρανα, οι οποίες είναι αντιπροσωπευτικές των επιδράσεων διαφόρων μεταβαλλόμενων παραγόντων. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα διαφορετικά προσομοιώματα του διαφράγματος της σεισμικής μόνωσης με εφέδρανα τριβής (FPS) μιας επταώροφης κατασκευής, η ανωδομή της οποίας θεωρήθηκε ως στερεό σώμα, και παρατίθενται τα αποτελέσματά τους σε επίπεδο δυναμικών φασματικών αναλύσεων και μη γραμμικών αναλύσεων χρονοϊστορίας. Στο κεφάλαιο αυτό έγινε μια προσπάθεια σύγκρισης μιας απλής στοχαστικής μεθόδου και της μεθόδου συντελεστών λ για τη θεώρηση της επιρροής των μεταβαλλόμενων παραμέτρων στις ιδιότητες των εφεδράνων. Στο έβδομο κεφάλαιο εφαρμόζεται σεισμική μόνωση με δύο διαφορετικούς τύπους εφεδράνων, εφέδρανα τριβής (FPS) και ελαστομεταλλικά εφέδρανα με πυρήνα μολύβδου (LRB), σε υφιστάμενη τετραώροφη κατασκευή και συγκρίνονται τα αποτελέσματά τους σε επίπεδο δυναμικών φασματικών αναλύσεων και μη γραμμικών αναλύσεων χρονοϊστορίας. Στην ανάλυση αυτή, μελετήθηκε επίσης η επιρροή της μεταβλητότητας των τιμών των συντελεστών τριβής στη συμπεριφορά των εφεδράνων τριβής χρησιμοποιώντας τους συντελεστές λ. Τέλος, στο όγδοο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της εργασίας.

This thesis is aiming at investigating the behaviour of seismic isolation systems taking into account the variability of the mechanical properties of isolators. The properties of seismic isolators vary due to environmental effects, aging, wear, history of loading, etc. For this reason, the design of seismic isolated structures requires a bounding analysis. This can be performed by utilizing lower and upper bounds for the properties of the seismic isolation hardware, or using more sophisticated stochastic considerations of variability towards the enhanced reliability of isolation systems. In this work the Friction Pendulum Systems are studied and the upper and lower values of important properties of the systems are determined using system property modification factors the so called λ-factors that are also suggested by the codes. In addition a simple stochastic process easily implemented with commercial software is proposed that accounts for the variability of the mechanical properties of the isolators. These two approaches are implemented on a seven-storey building, the superstructure of which was considered rigid, and on an existing four-storey structure. Spectral static and dynamic analyses are performed and the resulting behaviour is compared and discussed. The structures were subjected to spectral analyses and a series of dynamic non linear time history analyses under specific seismic excitations. The analyses were performed for both the upper and lower values of the properties of friction pendulum systems. Briefly the organization of this thesis is as follows: In the first chapter, general methods of seismic design of new and existing structures and the objective of this thesis are presented. In the second chapter, base isolation is introduced as a method of seismic design, the basic principles, scope and the effect of seismic base isolation to the seismic response of the structures are described. In the third chapter, the main types of seismic isolation devices, their properties and general design provisions are described, as well as some applications of seismic isolation worldwide. In the fourth chapter, the nature of friction for specific sliding interfaces and its dependence on several changing parameters is described. More specifically, the dependency on velocity of sliding and apparent pressure, the effect of temperature, the effect of time of loading (load dwell), the effect of cumulative movement, the effect of surface roughness of stainless steel, the corrosion of stainless steel, the effect of contamination and the effect of lubrication are examined. In the fifth chapter, the method of λ coefficients that account for the system property modification factors is presented. The λ-factors account for the effects of the history of loading, the environmental conditions and aging on the properties of seismic isolation bearings. Considering that a nominal value of a property of an isolation system is known, the minimum and maximum values of this property are defined as the product of the nominal value and a series of λ-factors. Each of the λmax,i , i=1,2,3,.. factors is larger than or equal to unity, whereas each of the λmin,i , i=1,2,3,.. is less than or equal to unity. Furthermore, in this chapter, values of the parameters for sliding and elastomeric bearings are presented, representing their effect on several changing parameters. In the sixth chapter, different simulation models of the seismic isolation diaphragm of a seven-storey structure, the superstructure of which was considered rigid, using 172 seismic isolators of 11 different types of friction pendulum systems (FPS) are described and the results of spectral and non linear time history analyses are compared for specific seismic excitations. The influence of the variability of the variation of the mechanical properties of the friction isolators is examined with two methods: a) the λ factor method and b) a simple stochastic method. Using the λ factor method the upper and lower values of low and high velocity coefficients of friction are determined taking into account the effects of aging, contamination and temperature. The values of the λ factors obtained from tables which are presented in the fifth chapter. The analysis is performed for both the upper and lower values of the properties of friction pendulum systems. Using the simple stochastic method the values of the low and high velocity coefficients of friction and of the parameter α of each type of friction isolator are introduced as input data in SAP2000 CSI as a series of random numbers from the normal distribution using the function NORMINV(RAND();mean; standard_deviation) of Microsoft Office Excel. The results of the two methods are compared. In the seventh chapter, seismic isolation using two different types of bearings i. e. friction pendulum systems (FPS) and Lead-Rubber Bearings (LRB) is applied to an existing four-storey structure and the results of both dynamic spectral analyses and non linear time history analyses under specific seismic excitations are compared. It is observed that comparisons between different types of seismic isolation systems and analysis methods typically do not lead to systematic conclusions because even for similar effective parameters they differ in their dynamic characteristics that alter the behaviour of the system during excitation. Also, the influence of the variability of the values of the coefficients of friction to the behaviour of friction pendulum systems using factors λ is examined. Finally, in the eighth chapter, the main concluding remarks of this thesis are presented. Grouping of the vertical loads of the bearings is a good practice - design rule for seismic isolation systems. This limits the number of types of bearings that effects the cost and controls better changes that may occur due to differential settlements of the foundation and bending deformation of the isolation diaphragm as a reasonable excess in a large load-bearing can amount to a significant overloading in smaller adjacent bearing due to the bending of the diaphragm. The λ factor method determines the bounds of the expected behavior with all the properties considered either in the upper and lower value and consequently affecting the mean value with zero standard deviation. The simple stochastic method, introduced herein maintains the mean value in the of the nominal values and varies the parameters in the individual bearings with predetermined standard deviation or coefficient of variation. In this work due to lack of experimental data the normal distribution was considered, but other distributions can be used, such as Rayleigh distribution, which usually monitors the variation of strength parameters. In Lead-Rubber Bearings (LRB) the variability of parameters may affect the torsional response of the system more strongly than the λ factor method, due to possible adverse growth of the distance between the of mass and stiffness center. The simple stochastic method based on actual data from experiments and studies of wear can be a systematic methodology for designing reliable seismic isolation systems.