Ανελαστικός λικνισμός ασύμμετρου πλαισίου

Abstract

Εξετάζεται μια νέα μεθοδολογία αντισεισμικού σχεδιασμού όπου η ανωδομή προστατεύται μέσω της “αστοχίας” του εδάφους. Η θεμελίωση υπο-διαστασιολογείται εσκεμμένα έτσι ώστε η πλαστική άρθρωση να μεταφερθεί από τη βάση των υποστυλωμάτων στο έδαφος, είτε μέσω της πλαστικοποίησης του υποκειμένου εδάφους είτε μέσω του ανασηκώματος των θεμελίων. Προτείνεται, δηλαδή, η λικνιστική απόκριση του συστήματος θεμελίωσης–ανωδομής έναντι της καθαρά καμπτικής συμπεριφοράς των υποστυλωμάτων. Μελετάται ένα διώροφο πλαίσιο δύο άνισων ανοιγμάτων και συγκρίνεται η απόκρισή του όπως αυτή διαμορφώνεται από τους δύο εναλλακτικούς τρόπους θεμελίωσης: υπερ-διαστασιολόγηση των θεμελίων όπως επιβάλλει ο ισχύων κανονισμός και υπο-διαστασιολόγησή τους σύμφωνα με την νέα λογική σχεδιασμού. Πραγματοποιούνται αναλύσεις: (i) στατικής μονοτονικής επιβολής σταδιακώς αυξανόμενης μετακίνησης, (ii) ανακυκλικής επιβολής της μετακίνησης, (iii) διεγέρσεως στην βάση με εξιδανικευμένους παλμούς και (iv) διεγέρσεως στην βάση με 20 πραγματικά επιταχυνσιογραφήματα. Μέσω των στατικών αναλύσεων αποδεικνύεται το πλεονέκτημα του “αντι-συμβατικά” σχεδιασμένου πλαισίου σε όρους πλαστιμότητας. Για σεισμικές διεγέρσεις μικρής εντάσεως, εντός του φάσματος σχεδιασμού, τα δύο εναλλακτικά πλαίσια έχουν αποδεκτή συμπεριφορά, αλλά για σεισμούς που ξεπερνούν το φάσμα σχεδιασμού το αντι-συμβατικό πλαίσιο αποδεικνύεται σαφώς ευνοϊκότερο αφού όχι μόνον αποφεύγει την κατάρρευση αλλά οι δομικές βλάβες που υφίσταται είναι επιδιορθώσιμες. Παρά το μικρό πλάτος των εξεταζομένων υπο-διαστασιολογημένων θεμελίων, οι τελικώς συσσωρευόμενες καθιζήσεις είναι συγκρίσιμες με εκείνες των αντίστοιχων υπερ-διαστασιολογημένων. Αλλά η τελική στροφή και διαφορική καθίζηση των θεμελίων καθιστούν αναγκαία την περαιτέρω διερεύνηση διορθωτικών επεμβάσεων σε ασύμμετρα πλαίσια. Εξετάζονται δύο πιθανές βελτιώσεις του προτεινόμενου αντι-συμβατικού πλασίου : η προσθήκη συνδετηρίων δοκών με δυνατότητα παραλαβής ροπών κάμψεως στα άκρα τους και η προσθήκη συνδετηρίων δοκών αρθρωμένες στα άκρα τους. Η πρώτη λύση δεν οδηγεί σε βελτίωση διότι εμποδίζει τη λικνιστική απόκριση των θεμελίων, ενώ η δεύτερη παρέχει ενθαρρυντικά αποτελέσματα ως προς τη μείωση των διαφορικών καθιζήσεων και των στροφών του αντι-συμβατικού πλαισίου.

A new design paradigm is investigated which protects the superstructure through soil “failure”. The foundation is intentionally under-designed in order to guide the plastic “hinge” to the soil instead of the base of the columns. This is accomplished either through soil plastification or through foundation uplifting. This new design method advocates the rocking response of the frame instead of the flexural column deformation. A two-storey two-bay asymmetric frame is used as an example to compare the two alternative foundation design approaches; over-designing the foundation, complying with the conventional capacity design and under-designing the foundation, according to this new design philosophy. Static monotonic and cyclic push-over analyses, as well as dynamic analyses using as excitation idealized pulses and 20 real accelograms, are performed. The static pushover analyses reveal that the ductility capacity of the new design concept is larger than that of the conventionally designed frame. For moderate intensity earthquake excitation, not exceeding the design limits, it is shown that the performance of both alternatives is acceptable, but under larger intensity motions, substantially exceeding the design limits, the performance of the unconventionally designed frame is proven advantageous, as not only does it avoid collapse but moreover the damage it suffers is repairable. Despite the small size of the under-designed footings, their residual settlements are comparable to those of the over-designed ones but, on the other hand, the unavoidable residual rotation and differential settlement of the under-designed footings must be critically evaluated. This need stems from the asymmetric nature of the examined frame. Two possible ways of improvement of the unconventional frame are proposed; the use of foundation tie beams capable of bearing bending moments through their whole length, and the use of tie beams hinged at their connection to the footings. The former solution is hardly an improvement, as it hinders the rocking performance of the footings, whereas the latter provides encouranging results in terms of both residual rotation and differential settlement.