Αξιολόγηση πολυόροφου κτιρίου από Οπλισμένο Σκυρόδεμα στο Μεξικό με βάση τον Ευρωκώδικα 8

Abstract

Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής είναι η αξιολόγηση ενός κτιρίου από οπλισμένο σκυρόδεμα, που έχει σχεδιαστεί με βάση τον μεξικάνικο κανονισμό και βρίσκεται στην πόλη του Μεξικού, χρησιμοποιώντας τον Ευρωκώδικα. Ο φορέας αποτελείται από 14 ορόφους και παρουσιάζει ακανονικότητα στην όψη ΧΥ καθώς μετά τον όγδοο όροφο εμφανίζει εσοχή. Η αποτίμηση γίνεται με τη βοήθεια των διατάξεων του ΚΑΝ.ΕΠΕ. και του Ευρωκώδικα 8. Αρχικά, πραγματοποιείται η μόρφωση του φορέα με τη χρήση του ανοιχτού λογισμικού OpenSees. Ορίζονται τα υλικά που χρησιμοποιούνται, οι διαστάσεις των διατομών και οι ιδιότητές τους ώστε να δημιουργηθούν τα μέλη του δομήματος. Τοποθετούνται οι μάζες της κατασκευής στους κόμβους και επιβάλλονται τα κατακόρυφα φορτία που ασκούνται. Για την εκτέλεση των αναλύσεων, επιλέγονται οι κατάλληλες παράμετροι ανάλογα με τις απαιτήσεις της εκάστοτε ανάλυσης και εξάγονται τα ζητούμενα αποτελέσματα. Εκτελούνται κυρίως ανελαστικές στατικές αναλύσεις αλλά και ελαστικές στατικές και ιδιομορφικές αναλύσεις για να υπολογιστούν τα ιδιοδιανύσματα και οι ελαστικές ιδιοπερίοδοι της κατασκευής. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται κάποιες βασικές θεωρητικές έννοιες για την κατανόηση της διαδικασίας που ακολουθείται. Αναφέρονται οι βασικές διατάξεις του ΚΑΝ.ΕΠΕ. που χρησιμοποιούνται για την αποτίμηση και αφορούν τόσο τον τρόπο κατάταξης των στοιχείων σε κύρια και δευτερεύοντα όσο και την επιλογή της μεθόδου ανάλυσης. Στη συνέχεια, περιγράφεται η μέθοδος των Συντελεστών η οποία δίνει μία γενική εικόνα για την κατάσταση του φορέα. Η μέθοδος συνδυάζεται με τα όρια των σταθμών επιτελεστικότητας, όπως αυτά ορίζονται από κανονισμούς ή άλλες μεθοδολογίες ώστε να προκύψουν οι μετατοπίσεις κορυφής του κόμβου ελέγχου για κάθε στάθμη επιτελεστικότητας. Επιπλέον, παρουσιάζονται τα ελαστικά φάσματα του μεξικάνικού αντισεισμικού κανονισμού (MOC-2008) που χρησιμοποιήθηκε για το σχεδιασμό, και του Ευρωκώδικα 8 που χρησιμοποιήθηκε για την αποτίμηση. Επόμενο βήμα είναι πραγματοποίηση των αναλύσεων. Για την ανελαστική στατική ανάλυση, ασκούνται στο φορέα τα κατακόρυφα φορτία και στη συνέχεια επιβάλλονται σταδιακά αυξανόμενα οριζόντια φορτία σύμφωνα με μία επιλεγμένη κατανομή μέχρι ο φορέας να φτάσει μια ορισμένη μετατόπιση. Ταυτόχρονα, γίνεται καταγραφή των μετατοπίσεων του κόμβου ελέγχου που βρίσκεται στην κορυφή του φορέα. Έτσι, προκύπτει η καμπύλη Ικανότητας του δομήματος η οποία διγραμικοποιείται ώστε να προκύψει η τέμνουσα διαρροής και η ισοδύναμη κυριαρχούσα ιδιοπερίοδος της κατασκευής. Ακολουθεί η εφαρμογή της μεθόδου των Συντελεστών, η οποία δίνει τη στοχευόμενη μετατόπιση δt για κάθε στάθμη επιτελεστικότητας συναρτήσει της ελαστικής φασματικής ψευδοεπιτάχυνσης που υπολογίζεται από το φάσμα για την τιμή της ισοδύναμης κυριαρχούσας ιδιοπεριόδου. Γνωρίζοντας όμως τα όρια για κάθε στάθμη επιτελεστικότητας (θmax,ds), τα οποία εκφράζονται σε όρους σχετικής μετατόπισης ορόφου (interstorey drift) μπορούμε να εντοπίσουμε την μετατόπιση κορυφής που αντιστοιχεί στο θds κάθε στάθμης. Συνεπώς, για κάθε επίπεδο βλαβών υπολογίζεται από τη μέθοδο των συντελεστών η επιτάχυνση που την προκαλεί. Η διαδικασία αυτή εκτελείται και για τα δύο ελαστικά φάσματα των κανονισμών. Υπολογίζοντας το λόγο της φασματικής επιτάχυνσης για κάθε στάθμη προς την ελαστική επιτάχυνση που αντιστοιχεί σε ιδιοπερίοδο ίση με την ισοδύναμη κυριαρχούσα, μπορούμε να εξάγουμε τους συντελεστές κλιμάκωσης των ελαστικών φασμάτων. Χαράσσοντας στο ίδιο διάγραμμα επιταχύνσεων-ιδιοπεριόδων, για κάθε στάθμη, τα κλιμακωμένα φάσματα των δύο κανονισμών, έχουμε μία γενική εικόνα των δύο κανονισμών. Επιχειρήθηκε επίσης, η ανάλυση με βάση τις καμπύλες τρωτότητας του φορέα. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκαν οι φασματικές ψευδοεπιταχύνσεις που υπολογίστηκαν με τη μέθοδο των Συντελεστών για κάθε στάθμη βλαβών. Η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε ονομάζεται HAZUS και βασίζεται σε ορισμένες παραδοχές τόσο για την κατάσταση του φορέα όσο και για την διαδικασία της ανάλυσής του. Κατόπιν, δημιουργούνται οι καμπύλες τρωτότητας που αντιπροσωπεύουν την πιθανότητα υπέρβασης ενός ορίου βλάβης συναρτήσει της φασματικής επιτάχυνσης. Οι καμπύλες αυτές χρησιμοποιούνται για την ευκολότερη και ταχύτερη αποτίμηση της κατασκευής από την οποία μπορούν να προκύψουν σημαντικά συμπεράσματα τόσο για την αποτίμηση όσο και για τον ανασχεδιασμό. Ακολούθως, εξάγονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν τόσο από την διαδικασία όσο και από την παρατήρηση των αποτελεσμάτων. Όσον αφορά την ακανονικότητα του φορέα, αυτή επηρεάζει τη δυσκαμψία της κατασκευής στη διεύθυνση στην οποία παρουσιάζεται προσθέτοντας έτσι στροφή στην αντίστοιχη ιδιομορφή. Επιπλέον, από την παρατήρηση των σχετικών στροφών των ορόφων κατά την ανελαστική στατική ανάλυση προκύπτει ότι οι ανώτεροι όροφοι στους οποίους εμφανίζεται η ακανονικότητα, δεν επηρεάζουν τον καθορισμό της μετατόπισης κορυφής. Από την εκτέλεση της ανελαστικής στατικής ανάλυσης στις δύο οριζόντιες διευθύνσεις, προέκυψε δυσμενέστερη εκείνη στην εγκάρσια διεύθυνση Ζ. Η κλιμάκωση των φασμάτων έδειξε ότι ο Ευρωκώδικας έδωσε ευμενέστερα αποτελέσματα από τον μεξικάνικο κανονισμό για όλες τις στάθμες επιτελεστικότητας. Σχετικά με τις καμπύλες τρωτότητας, προέκυψε ότι όσο υψηλότερη είναι η επιθυμητή στάθμη επιτελεστικότητας που επιδιώκεται τόσο μειώνεται η πιθανότητα να ξεπεραστεί για μικρές τιμές φασματικών επιταχύνσεων ενώ αυξάνεται για μεγαλύτερες επιταχύνσεις. Αν και η κατασκευή δεν σχεδιάστηκε με τη χρήση των καμπυλών αυτών, παρατηρούμε ότι ακολουθεί ότι τη λογική των καμπυλών αυτών σε γενικές γραμμές.

The subject of the current diploma thesis is the appraisal of a reinforced concrete building that has been designed according to the seismic provisions of the Mexican Code for structures (MOC-2008) and is located in the Mexico City. The review is conducted using the Eurocode 8 and the so called “KAN.EPE” which consist the two basic regulations for the aseismic design and valuation of buildings in Greece. The structure studied, is composed of 14 storeys and doesn’t comply with many regularity conditions implied by the code. The first step is to form the structure using the open source software called OpenSees (Open System for Earthquake Engineering Simulation). For this purpose, the characteristics of the materials used are set. Also, the cross-sections dimensions as well as their properties are defined in order to form the elements. Before the enforcement of the gravity loads, the nodal masses are added to the model. After the gravity analysis, non-linear static analysis (Pushover) are being conducted based on the ideal parameters needed for this purpose. There is also a modal analysis performed to get the eigen vectors and the elastic eigenperiods of the structure which will be needed afterwards. Secondly, the basic theoretical background implied by the codes, that are necessary for the understanding and the appliance of the procedures, are presented. There are mentioned the basic items of “KAN.EPE” which are used and are related to the classification of the elements in primary and secondary, as well as the choice of the suitable analysis method. Moreover, the method used for the evaluation of the target displacements is being analyzed. The method presents an overall image of the situation of the structure using the performance-based design. The results of the method are the target displacements at the top of the structure for every damage state studied. After that, the two elastic design pseudoacceleration spectra are to be presented. The Mexican design spectra was used during the design of the building and the Eurocode spectra is now used for the evaluation. The next step is to perform the analysis. For the Pushover analysis, the vertical loads are firstly applied to the structure and then follows the incremental deformation controlled appliance of the horizontal loads. These loads are calculated according to a predefined load distribution until the structure reaches a specific displacement. Simultaneously, there is recorded the displacement of the control node located in the middle of the building’s top storey. In this way, the Capacity Curve is formed which is latterly transformed into a bilear curve consisting of an elastic part and a post elastic part. The intersection of the two lines gives the yielding shear force and then the equivalent main eigenperiod of the structure are calculated using the slopes of the two lines. Considering all the above, the target displacement for every damage state is calculated as a function of the elastic pseudoacceleration. This pseudoacceleration comes from the design spectra. Using the limits given by the performance-based design in terms of insterstorey drifts for every damage state (θmax,ds), we can find the corresponding displacement of the control node at the top of the building. As a result, three different pseudoaccelerations are calculated each one for every damage state. This procedure is done for both design spectra of the codes. To compare the results, we can draw in one diagram the scaled design spectra for every damage state for both codes and observe the differences. Finally, the fragility curves for the damage states used before are formed. For this aim, the pseudoaccelerations calculated before for are necessary. The method used is called HAZUS and is widely accepted as reliable. The method is based on few conditions that are related to the damage state of the structure studied, the variability of the analysis results and some other parameters. The fragility curves calculated show the possibility that the structure will exceed a damage state if certain pseudoacceleration is imposed. All things considered, we can result to some important conclusions. As far as the irregularity is concerned, it is obvious that it affects the flexibility of the structure in the corresponding direction resulting in higher values of the eigen vectors in this direction. Also, the first global mode shape is basically translational mode in this direction coupled with rotation due to irregularity. Revising the interstorey drift per level, it is obvious that the upper floors do not affect the definition of the top displacement. The Pushover analysis was crucial in the transverse direction due to the fact that the building is more flexibility in this direction. Scaling the design spectra for the three damage states we can conclude to the result that the Mexican code proposed stricter values for all three damage states. Comparing the design spectra alone, we can observe that the Mexican code accepts that the middle part of the elastic spectra that corresponds to constant acceleration includes a vast variety of buildings stiffnesses. On the other hand, the Eurocode design spectrum gives a bigger range for the constant-velocity part. Therefore, for the structure studied, the Mexican code resulted in more conservative evaluation. Revising the fragility curves, we can tell that they are used for a fast but at the same time quite reliable evaluation of a structure. It is important to mention that they were the same for the two codes since they are not affected by the design code used. This means that the curves take into consideration only the characteristics and the situation of the building which makes them rather useful for the evaluation.