Αποτίμηση Ενίσχυσης Κτιρίου από Οπλισμένο Σκυρόδεμα με Κριτήρια Τρωτότητας

Abstract

Στην Ελλάδα, μια χώρα με πολύ έντονη σεισμική δραστηριότητα, είναι αναγκαία η εξασφάλιση των αντισεισμικών απαιτήσεων σε όλες τις κατασκευές, ώστε να διασφαλίζεται η ομαλή και χωρίς προβλήματα λειτουργία τους. Η συγκεκριμένη εργασία ασχολείται με ένα τετραώροφο κτίριο από οπλισμένο σκυρόδεμα, το οποίο έχει παρουσιάσει βλάβες σε κάποια απ’ τα υποστυλώματά του κι επομένως χρειάζεται ενίσχυση. Σε προηγούμενη έρευνα πάνω στο ίδιο κτίριο είχε γίνει ο σχεδιασμός των ενισχύσεών του με στόχο την ελαχιστοποίηση του κόστους. Οι μέθοδοι επέμβασης που έχουν επιλεχθεί είναι οι μανδύες οπλισμένου σκυροδέματος και τα υφάσματα ινοπλισμένων πολυμερών άνθρακα. Το αντικείμενο συνεπώς αυτής της εργασίας είναι η αποτίμηση των βέλτιστων ενισχύσεων της κατασκευής με κριτήρια τρωτότητας. Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται οι κανονισμοί που ακολουθήθηκαν (Ευρωκώδικας 8 και Κανονισμός Επεμβάσεων - ΚΑΝ.ΕΠΕ), καθώς επίσης και οι αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν. Για την αποτίμηση των ενισχύσεων του φορέα έγινε εφαρμογή της Δυναμικής Προσαυξητικής Ανάλυσης (ΔΠΑ) κι ακολούθησε Ανάλυση Τρωτότητας. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η υφιστάμενη κατασκευή και το αντίστοιχο προσομοίωμα που κατασκευάστηκε με σκοπό την ανάλυσή του στο SAP2000. Καθορίζονται οι ιδιότητες των υλικών, τα χαρακτηριστικά των διατομών, οι στηρίξεις του φορέα και τα επιβαλλόμενα φορτία. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται οι διατάξεις του ΚΑΝ.ΕΠΕ που αναφέρονται κυρίως σε υφιστάμενα δομήματα. Ακόμα αναπτύσσεται ο αντισεισμικός σχεδιασμός με στάθμες επιτελεστικότητας. Στη συνέχεια παρουσιάζεται βήμα πρός βήμα η εφαρμογή τους στον υπό μελέτη φορέα μέσω του προγράμματος SAP2000. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρατίθεται αρχικά το θεωρητικό υπόβαθρο της ΔΠΑ. Στη συνέχεια προσαρμόζεται στα δεδομένα της συγκεκριμένης μελέτης και πραγματοποιείται στο SAP2000. Αναλυτικότερα, συγκεντρώνονται οι χρονοιϊστορίες επιταχύνσεων 12 πραγματικών σεισμικών καταγραφών του παρελθόντος και γίνεται η κατάλληλη κλιμάκωση του επιταχυνσιογραφήματος κάθε σεισμού. Έπειτα επιβάλλονται όλες οι κλιμακωμένες χρονοϊστορίες επιταχύνσεων όλων των σεισμών στο φορέα και παρακολουθείται η απόκριση του κτιρίου εκφραζόμενη σε όρους μέγιστης σχετικής μετακίνησης μεταξύ των ορόφων θmax. Τέλος κατασκευάζονται οι καμπύλες ΔΠΑ που για κάθε σεισμό συσχετίζουν το μέτρο σεισμικής έντασης με το αντίστοιχο θmax της απόκρισης. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι βασικές έννοιες της ανάλυσης τρωτότητας μιας κατασκευής. Επιπροσθέτως κατασκευάζονται οι καμπύλες τρωτότητας που στηρίζονται στην ΔΠΑ κι επομένως στα αποτελέσματα που προκύπτουν από την επιβολή όλων των σεισμικών καταγραφών στο κτίριο. Οι καμπύλες τρωτότητας αναφέρονται σε 3 επίπεδα βλάβης κι επομένως αφορούν 3 στάθμες επιτελεστικότητας, την «Άμεση Χρήση», την «Προστασία Ζωής» και την «Οιονεί Κατάρρευση». Στο έκτο κεφάλαιο πραγματοποιείται μια εναλλακτική προσέγγιση αποτίμησης της κατασκευής με κριτήρια τρωτότητας, που βασίζεται στον EC8, στη Μέθοδο των Συντελεστών και στην Μεθοδολογία Hazus. Κατασκευάζονται έτσι οι αντίστοιχες με της μεθόδου ΔΠΑ καμπύλες τρωτότητας και γίνεται σύγκριση μεταξύ των δύο διαφορετικών προσεγγίσεων. Στο έβδομο κεφάλαιο εφαρμόζονται οι ενισχύσεις του κτιρίου με τα βέλτιστα χαρακτηριστικά τους και πραγματοποιείται η ΔΠΑ για τον ενισχυμένο πλέον φορέα. Διαμορφώνονται ακολούθως οι καμπύλες τρωτότητας ΔΠΑ ώστε να επιτευχθεί εύκολα και με πλήρη εποπτεία η αποτίμηση-αξιολόγηση των ενισχύσεων που επιλέχθηκαν. Αυτό επιτυγχάνεται με τη σύγκριση των καμπυλών τρωτότητας του αρχικού με του ενισχυμένου δομήματος. Στο όγδοο κεφάλαιο συγκεντρώνονται τα συμπεράσματα, στα οποία καταλήγει αυτή η έρευνα.

In Greece, a country with a very intense seismic activity, it is necessary that all the requirements, relative to the earthquakes, have to be met in each and every construction so as to ensure a smooth and without problems operation. This paper deals with a four-storey building of reinforced concrete that has been partially damaged and therefore needs strengthening. In a previous research on the same building, the optimum design of the column strengthening was carried out aiming at the minimization of the cost. The selected methods are the reinforced concrete jacketing and the carbon fiber reinforced polymer wrapping (CFRP). As a result, the object of this thesis is to assess the optimum strengthening via criteria of vulnerability. In the first chapter, there is an overview of both the codes taken into consideration (Eurocode 8 and the National Interventions Code - KAN.EPE) and the analyses performed. In fact, the Incremental Dynamic Analysis (IDA) as well as the Vulnerability Analysis were implemented. In the second chapter, there is an analytical description of the building and its simulation in SAP2000. The material properties, the section characteristics, the construction’s supports in addition to the imposed loads are clearly defined. The third chapter refers to numerous regulations and restrictions implied by KAN.EPE. In order to ensure that any building is able to resist the design earthquake, there is a method integrated, based on specific performance criteria. The following step is the gradual application of all these on the particular model using the program SAP2000. The fourth chapter provides initially the theoretical background of the IDA. It is then adjusted to this thesis’ data and performed in SAP2000. Specifically, some earthquake accelograms are firstly collected, in this thesis it is about 12 seismic records. These earthquakes have taken place in the past. Moreover, a proper scaling of each earthquake accelogram is proceeded. Afterwards, all scaled time history accelograms of any earthquake are imposed to the structure via SAP2000. Meanwhile, the response of the building is monitored and expressed in terms of maximum interstorey drift. Finally, an IDA curve, corresponding to each seismic record, is constructed, presenting the relation between the seismic intensity measurement and the maximum interstorey drift. The fifth chapter concerns the basic concepts of a structure‘s vulnerability analysis. Additionally, fragility curves are constructed based on the IDA. In other words, these curves can be assumed as results obtained from the imposition of all seismic time history accelograms to the building. The fragility curves are formed for three damage states. There are therefore three earthquake performance levels. The first one is called “Operational” and enables only insignificant damage of the structural elements. The second one is named “Life Safety” and is related to non extensive but moderate damage so that the life safety is fully protected. The last one is called “Near Collapse” and severe damage is expected. In the sixth chapter, an alternative approach to the estimation of the construction‘s seismic behavior is indicated. This also uses vulnerability criteria, but on the contrary to the other it is based on EC8, Method of Coefficients and Hazus Methodology. It requires no seismic records, but uses only the elastic design spectrum. The same performance levels stay still active. Consequently, it is possible for the corresponding fragility curves to be constructed and then compared with the IDA fragility curves, so as to be determined which of the two methods is the most conservative one. The seventh chapter deals with the procedure of implementing strengthening techniques, such as RC jacketing or CFRP wrapping, to those elements that have been damaged. The strengthened building is ready to undergo an IDA. The new IDA fragility curves can be formed. As a consequence, it is now easy to achieve a credible assessment of the strengthening, since a comparison between thefragility curves, those of the building before and after the strengthening, clarifies the contribution of these techniques to theimprovement of the structure ‘s seismic behavior. In the eighth and last chapter, the overall conclusions of this research are listed. There are some briefly mentioned below. For instance, the IDA method gives usually reliable results, which are close to reality, but it surely demands a large number of seismic records used except for a long time to be accomplished. That occurs, because the response of the building differs widely from the one seismic record to the other. Furthermore, it is proven that the discrimination of the most conservative method between IDA and EC8 cannot be achieved via the fragility curves so easily. It relies mostly on the selection of the earthquake accelograms. In addition, both RC jacketing and the CFRP wrapping that have been suggested turn out to be successful because of the very important improvement of the building’s resistance to the seismic loads. Last but not least, the RC jackets seem to contribute strongly to the seismic capacity of the building, whereas the CFRPs offer greater ductility to the structural elements.