Optimum design of base isolated RC structures

Abstract

Ο κύριος στόχος της παρούσας μελέτης είναι ο βέλτιστος σχεδιασμός και η αποτίμηση του κόστους συμβατικών και σεισμικά μονωμένων πολυώροφων κτιρίων από οπλισμένο σκυρόδεμα. Για το σκοπό της εργασίας μελετήθηκαν δύο συμμετρικά κτίρια, ένα τριώροφο και ένα εξαώροφο, σχεδιασμένα και τα δύο με και χωρίς σεισμική μόνωση, ακολουθώντας τη διαδικασία αντισεισμικού σχεδιασμού με βάση την επιτελεστικότητα. Η σεισμική μόνωση υλοποιήθηκε με τη χρήση Ελαστομεταλλικών Εφεδράνων με Πυρήνα Μολύβδου (LRB) και με Ελαστομερή Εφέδρανα Υψηλής Απόσβεσης (HDNR). Στο πρώτο κεφάλαιο περιγράφεται η τεχνική της σεισμικής μόνωσης, όπως επίσης και οι προτεινόμενες συνθήκες και εφαρμογές της μεθόδου παγκοσμίως, καθώς και οι τύποι των σεισμικών μονωτήρων. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η μοντελοποίηση, η προδιαστασιολόγηση, καθώς και ο τελικός σχεδιασμός σεισμικά μονωμένων κτιρίων. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι μέθοδοι ανάλυσης και συγκεκριμένα η Γραμμική Στατική Ανάλυση (LSP), η Μη Γραμμική Στατική Ανάλυση (NSP) σύμφωνα με τις συστάσεις του FEMA-356 και η Μη Γραμμική Δυναμική Ανάλυση (NDP). Στη συνέχεια στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται ο βέλτιστος σχεδιασμός κατασκευών, όπως επίσης οι μέθοδοι επίλυσης τέτοιων προβλημάτων και η διατύπωση τους. Ορίζονται οι μεταβλητές σχεδιασμού, η αντικειμενική συνάρτηση και οι περιορισμοί του προβλήματος και τέλος, παρουσιάζονται οι Evolutionary Algorithms (ΕΑ), με έμφαση στη μέθοδο Differential Evolution (DΕ). Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μέθοδος αποτίμησης του κόστους κύκλου ζωής μιας κατασκευής (LCCA), η οποία βασίζεται στην απόκρισης μιας κατασκευής στη διάρκεια ζωής της. Περιγράφονται τα βήματα της μεθόδου και ο τρόπος εφαρμογής της μη γραμμικής δυναμικής ανάλυσης στον υπολογισμό του κόστους κύκλου ζωής. Τέλος, στο έκτο και έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται αναλυτικά οι εφαρμογές της παρούσας εργασίας, όπως επίσης και τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τις αναλύσεις.

The main idea of the study is the optimum design and the economic evaluation of reinforced (RC) conventional and isolated structures. For the purpose of the study two symmetrical RC structures were studied, designed both with and without seismic isolation, following a performance based concept. The seismic isolation was accomplished by the use of Lead-Rubber Bearings (LRB) and High Damping Rubber Bearings (HDNR). In the first chapter, the seismic isolation technique is described, as well as the conditions and the applications of the method worldwide, along with the types of the isolation devices. In the second chapter, the modeling, the preliminary design and the final design of the bearings is described. In the third chapter, the analysis procedures are presented, and specifically the Linear Static Procedure (LSP), the Nonlinear Static Procedure (NSP) according to the recommendations of FEMA-356 and the Nonlinear Dynamic Procedure (NDP). Thereafter, in the fourth chapter the structural optimization problem is described, along with the history of the technique and the formulation of the problem. The design variables, the objective function and the constraint functions are defined, as well as the three types of optimization. Finally, the Evolutionary Algorithms (EA) are presented, with emphasis to the Differential Evolution (DE). In the fifth chapter the procedure of Life-Cycle Cost Analysis (LCCA) is presented, which can be used as an assessment tool of the response of the building during its expected lifetime. The calculation of the procedure is analyzed, as well as the steps to incorporate the nonlinear dynamic analysis in the calculation procedure. Subsequently, in the sixth and seventh chapter the test cases of the study are presented analytically, along with the conclusions that are obtained from this process.