Μελέτη Πενταώροφου Σύμμικτου Κτιρίου με Χαλύβδινα Διατμητικά Τοιχώματα

Abstract

Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του Διατμηματικού Μεταπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών «Δομοστατικός Σχεδιασμός και Ανάλυση Κατασκευών» και έχει ως αντικείμενο τον σχεδιασμό ενός συμβατικού πενταόροφου κτιρίου μεσύμμικτο φέροντα οργανισμό από χάλυβα και οπλισμένο σκυρόδεμα. Ο σκοπός της εργασίας είναι διττός: πρώτον, να αναδείξει ένα εναλλακτικό σύστημα εξασφάλισης πλευρικής ευστάθειας: αυτό των Χαλύβδινων Διατμητικών Τοιχωμάτων (Χ.Δ.Τ.) και, δεύτερον, να αναδείξει τα οφέλη της σύμμικτης λειτουργίας των οριζόντιων δομικών στοιχείων προς την επίτευξη πιο οικονομικών κατασκευών. Τα Χ.Δ.Τ. είναι διαδεδομένα σε σεισμογενείς χώρες του εξωτερικού ως αποτελεσματική λύση απέναντι στην ανάγκη δημιουργίας αξιόπιστων αντισεισμικών συστημάτων. Τα Χ.Δ.Τ. έχουν αρκετά πλεονεκτήματα, με την δυνατότητα απορρόφησης ενέργειας και άρα απόδοσης πλαστιμότητας στην κατασκευή να είναι από τα σημαντικότερα. Η παραλαβή των οριζοντίων φορτιών πραγματοποιείται μέσω του αναπτυσσόμενου εφελκυστικού πεδίου και η προσομοίωση τους μπορεί να πραγματοποιηθεί αντικαθιστώντας το τοίχωμα από ισοδύναμους Χ-αστί διαγώνιους συνδέσμους δυσκαμψίας με κατάλληλη διατομή. Επισημαίνεται ότι πρέπει να ληφθεί μέριμνα για τα δομικά στοιχεία περιμετρικά του ελάσματος, ώστε να ικανοποιούν τις απαιτήσεις δυσκαμψίας που επιτάσσει το τοίχωμα. Πιο αναλυτικά, στην παρούσα εργασία ο φέροντας οργανισμός του κτιρίου προσομοιώθηκε στο πρόγραμμα SAP2000v14 με πέντε διαφορετικά μοντέλα. Το πρώτο σχεδιάστηκε για εξολοκλήρου χαλύβδινο σκελετό, αγνοώντας την σύμμικτη λειτουργία των δοκών και διαδοκίδων. Ακολουθεί μείωση των διατομών των δοκών ώστε αυτές να επαρκούν, ελέγχοντάς τες πλέον με τα πλαστικά μεγέθη αντοχής της σύμμικτης διατομής. Το δεύτερο προσομοίωμα είναι και αυτό μεν αμιγώς μεταλλικό, ώστε να μπορεί να γίνει η σύγκριση με το πρώτο, άλλα με τις νέες μειωμένες διατομές, ώστε παράλληλα να μπορεί να γίνει και ο έλεγχος του κύριου φορέα σε φάση κατασκευής. Στη συνέχεια μελετάται ο κύριος φορέας για τον οποίο πραγματοποιείται ο σχεδιασμός, εισάγοντας μια ισοδύναμη χαλύβδινη διατομή στις θέσεις των δοκών, αντί της σύμμικτης. Επίσης, μέσω αναλυτικών υπολογισμών εισάγονται ισοδύναμοι κεντρικοί σύνδεσμοι, που αντιστοιχούν σε Χ.Δ.Τ. πάχους 5mm. Στο επόμενο μοντέλο, εξετάζεται η δυνατότητα μείωσης του πάχους του τοιχώματος σε 3mm και η επιρροή αυτής της αλλαγής στην απόκριση του φορέα. Τέλος, το στατικό σύστημα του πέμπτου μοντέλου είναι μικτό συνδυάζοντας πλαίσια ροπής και τοιχώματα και διερευνάται απόκριση του σε σχέση με τον κύριο φορέα. Κλείνοντας, συγκρίνονται τα διάφορα προσομοιώματα μεταξύ τους και εξάγονται τα συμπεράσματα. Η σύγκριση πραγματοποιείται σε τεχνοοικονομικό πλαίσιο, τόσο από άποψης στατικής λειτουργίας όσο και από άποψη οικονομίας, μέσω της εξοικονόμησης υλικού και της διευκόλυνσης της κατασκευής.

The present MSc Thesis describes the design and analysis of a conventional five-storey steel-concrete composite building using Steel Plate Shear Walls (S.P.S.W.). The main objective of the current thesis is twofold∙ firstly, to demonstrate an alternative lateral load resisting system, that of dissipative steel plate shear walls and secondly, to highlight the benefits of composite action of steel and concrete in horizontal elements, in terms of reducing the cost of the construction. S.P.S.W. are widely used in highly seismic areas, since they provide an effective solution to the need for reliable anti-seismic systems. S.P.S.W. have several advantages, with most significant being their high ductility and relatively large energy dissipation capability. The development of an inclined tension field in S.P.S.W.provides considerable post-buckling strength, rendering them capable of resisting lateral loads. The infill plate can be simulated by an equivalent, diagonal, tension-only X-brace, which is representing the stiffness characteristics of the tension field. Take into consideration that boundary horizontal and vertical members require further strength and stiffness checking. To elaborate, in the current thesis the structural system is modeled using SAP2000v14 with 5 different approaches. The first model is designed for an entirely steel frame, ignoring the effect of composite beams. At the second model, the beam elements are sized considering the plastic strength of the composite section, thus, resulting in a significant reduction of the steel section. The second model consists of an entirely steel frame as well, for both comparison reasons and in order to evaluate the composite structure during erection, before the concrete hardening. After that, the third model is the main composite structural system, which is analyzed by replacing the composite beam elements with equivalent steel cross-sections. Moreover, in the analysis, the S.P.S.W. are represented by an X-braced frame, sized with the equivalent area of 5mm infill plates. In the next model, the possibility of reducing the wall thickness from 5mm to 3mm and the influence of this change in the structure’s capacity are considered. Lastly, the fifth model represents a combined system of a moment resisting frame and S.P.S.W. and the systems response is compared to the main structural system. In conclusion, the various models are compared and commented and the final conclusions are presented. The comparison is based on both structural efficiency and cost minimization.