Αποτίμηση της σεισμικής διακινδύνευσης και ενίσχυση κτιρίου από φέρουσα τοιχοποιία

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως στόχο να παρουσιάσει μια μεθοδολογία για την αποτίμηση της σεισμικής διακινδύνευσης και την εφαρμογή ενισχύσεων σε κατα- σκευές από άοπλη φέρουσα τοιχοποιία. Η μεθοδολογία αυτή θα εφαρμοστεί στη με- λέτη μίας υφιστάμενης κατασκευής, η οποία μάλιστα είναι η πρώτη κατασκευή από φέρουσα τοιχοποιία στον ελλαδικό χώρο που θα ενισχυθεί με τη χρήση σύνθετων υ- λικών.Σε πολλές χώρες του κόσμου υπάρχει ένας αξιόλογος αριθμός κτιρίων από τοιχοποιία με ιδιαίτερη πολιτιστική και ιστορική αξία, τα οποία για τον λόγο αυτό πρέπει να προστατευτούν. Η υψηλή ευπάθεια των κατασκευών από άοπλη τοιχοποιία έναντι σεισμών, η οποία αποδεικνύεται από το πλήθος των κτιρίων που παρουσιάζουν ση- μαντικές βλάβες και καταρρεύσεις σε σημαντικά σεισμικά γεγονότα, δημιουργεί την ανάγκη για την ανάπτυξη ενός πλαισίου για την προστασία των κατασκευών αυτών με στόχο την προστασία της ανθρώπινης ζωής και της πολιτιστικής κληρονομιάς. Ε- πιπλέον, η τοιχοποιία αποτελεί ακόμα και στη σύγχρονη εποχή ένα βασικό δομικό υλικό, λόγω του χαμηλού κόστους και της ευκολίας στην κατασκευή. Η διπλωματική εργασία διαρθρώνεται σε δύο κύριες ενότητες:  Αποτίμηση της σεισμικής διακινδύνευσης της κατασκευής  Καθορισμός και εφαρμογή των απαιτούμενων ενισχύσεων στην κατασκευή Οι δύο αυτές ενότητες εκτείνονται σε δώδεκα επιμέρους κεφάλαια. Αρχικά παρουσιάζονται κάποια εισαγωγικά στοιχεία για τη φέρουσα τοιχοποιία και τις επεμβάσεις (Κεφάλαιο 1). Έπειτα παρουσιάζονται συνοπτικά τρία διαφορετικά επίπεδα αξιολόγησης της σεισμικής διακινδύνευσης LV1 - LV2 - LV3 (Κεφάλαιο 2). Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα απαιτούμενα στοιχεία για τη διενέργεια του επιπέ- δου ελέγχου LV1 (ταχεία αποτίμηση) και το απλοποιημένο μηχανικό μοντέλο που προτείνεται στα πλαίσια του επιπέδου LV1. (Κεφάλαια 3 και 4 αντίστοιχα) Ακολουθεί η παρουσίαση τριών χαρακτηριστικών περιπτώσεων τοπικών μηχανισμών αστοχίας (κινηματική ανάλυση), οι οποίοι αντιστοιχούν στο επίπεδο ελέγχου LV2 (Κεφάλαιο 5). Στα Κεφάλαια 6 και 7 περιγράφεται η προσομοίωση του υπό μελέτη κτιρίου με χρή- ση του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων SAP2000 (LV3), και διενεργούνται οι απαραίτητοι έλεγχοι για τρεις διαφορετικές περιπτώσεις: (α) υφιστάμενη κατα- σκευή, (β) κατασκευή με ομογενοποίηση μάζας και περιμετρικό διάζωμα στην κορυ- φή, (γ) κατασκευή με ομογενοποίηση μάζας και διάφραγμα στην κορυφή. Στο Κεφάλαιο 8 παρουσιάζονται οι κυριότερες μέθοδοι ενίσχυσης κτιρίων από φέ- ρουσα τοιχοποιία με ιδιαίτερη έμφαση στην ενίσχυση με σύνθετα υλικά (FRP). Έπει- τα με βάση τα αποτελέσματα των ελέγχων του Κεφαλαίου 7 για την περίπτωση (β) (περίπτωση εφαρμογής) θα καθοριστούν και θα παρουσιαστούν τα περαιτέρω μέτρα ενίσχυσης που απαιτούνται για τη συγκεκριμένη κατασκευή (ελκυστήρες, λωρίδες FRP, μανδύες από Ο/Σ, χύτευση υποστυλωμάτων στις γωνίες, κά.), με αντίστοιχη α- ριθμητική επίλυση για κάθε χαρακτηριστική περίπτωση ενίσχυσης (Κεφάλαιο 9).Πραγματοποιείται κινηματική ανάλυση με τη χρήση του προγράμματος Aedes PCM στις προσόψεις του κτιρίου για τον έλεγχο αστοχιών εκτός επιπέδου για τις περιπτώ- σεις: (α) υφιστάμενη κατασκευή, (β) κατασκευή μετά από τοποθέτηση ελκυστήρων, (γ) κατασκευή με ισχυρή σύνδεση μεταξύ εγκάρσιων τοίχων (Κεφάλαιο 10). Στο Κεφάλαιο 11 γίνεται εφαρμογή του απλοποιημένου μηχανικού μοντέλου του επι- πέδου LV1 που παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 4 στην υπό μελέτη κατασκευή. Τέλος, στο Κεφάλαιο 12 διατυπώνονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την εργασία αυτή, καθώς και προτάσεις για περαιτέρω εργασίες ή έρευνα σχετική με το θέμα. Στο Παράρτημα Α παρατίθενται τα σχέδια της υφιστάμενης κατασκευής και τα σχέ- δια των ενισχύσεων. Στο Παράρτημα Β παρουσιάζεται ο έλεγχος της υφιστάμενης ξυλοσκεπής κατά τους Ευρωκώδικες, με χρήση του προγράμματος FEDRA. Στο Παράρτημα Γ παρέχονται πληροφορίες για τα διάφορα είδη και τους τύπους δό- μησης της φέρουσας τοιχοποιίας. Στο Παράρτημα Δ γίνεται προμέτρηση των επεμβάσεων και τιμολόγησή τους κατά τα τιμολόγια της Υπηρεσίας Αποκατάστασης Σεισμοπλήκτων (ΥΑΣ).

This diploma thesis aims to present a methodology for the assessment of seismic hazard and retrofitting of unreinforced masonry. This methodology will be applied to the study of an existing structure, which indeed is the first masonry building in Greece to be retrofitted with the use of composite materials. In many countries there is a considerable number of masonry buildings with particular cultural and historical value, which therefore must be protected. The high vulnerability of unreinforced masonry structures under seismic loads, as evidenced by the number of buildings that have exhibited significant damage or collapse in major seismic events, demonstrates the need to develop a framework to study the seismic behavior of these structures in order to protect human life and heritage. Moreover, masonry is still in modern times a basic structural material because of its low cost and ease of manufacture. The thesis is divided into two main sections:  Assessment of seismic hazard of the construction  Definement and implementation of the required retrofitting These two main sections are elaborated in twelve chapters. Initially, some basic information about masonry and interventions is given (Chapter 1). After a brief presentation of the three different levels of seismic risk assessment LV1 - LV2 - LV3 (Chapter 2), the information tables required to perform the level of assessment LV1 (rapid assessment) is given and the simplified mechanical model proposed in the context of the level LV1 is presented. (Chapters 3 and 4 respectively). Consequently follows the presentation of three illustrative cases of local failure mechanisms (kinematic analysis), which correspond to the assessment level LV2 (Chapter 5). In Chapters 6 and 7 the modelling and analysis of a selected building using the finite element analysis program SAP2000 is described (LV3). Analysis is performed for three different cases: (a) existing structure, (b) structure with homogenization of the masonry walls and a reinforced concrete beam at the top, (c) structure with homogenization of the masonry walls and diaphragm at the top slab. Chapter 8 presents the main methods of strengthening URM buildings with particular emphasis on strengthening with the use of composites (FRP). Then based on the results of Chapter 7, case (b) (case of application), further retrofitting required to reduce the seismic hazard of this structure (tie rods, FRP stripes, cloaks of R/C, casting columns at the corners and others.), is presented, as well as a numerical analysis for each typical case of intervention (Chapter 9). Kinematic analysis is performed using the Aedes PCM engineering software on facades of the building to assess out-of-plane failures for the cases of: (a) existing structure, (b) structure after installation of tie rods and (c) structure with a strong connection between transversal walls (Chapter 10). -xv iii- Chapter 11 presents the application of the simplified mechanic model of level LV1, presented in Chapter 4, for the examined structure. Finally, in Chapter 12 the conclusions of this work and suggestions for further work or investigation related to this topic are articulated. Appendix A contains the plans of the selected building and the retrofitting. In Appendix B the analysis of the existing wooden roof according to the Eurocodes, using the FEDRA software is presented. Appendix C contains some information about the different types of masonry walls. In Appendix D the quantities and the cost for the retrofit works according to the National Earthquake Rehabilitation Service are estimated.