Σχεδιασμός πλαισίων από χάλυβα με τη χρήση καμπυλών ολιγοκυκλικής κόπωσης

Abstract

Στην παρούσα εργασία γίνεται προσπάθεια διερεύνησης της ορθότητας της ελαστικής ανάλυσης με καμπύλες ολιγοκυκλικής κόπωσης. Συγκεκριμένα, επιχειρείται η χρήση της μεθόδου στο σχεδιασμό πλαισίων από χάλυβα, που επιβάλλονται σε σεισμικές καταπονήσεις. Αναλύεται η συμπεριφορά εννέα χαλύβδινων πλαισίων παραλαβής ροπών, με συγκολλητές συνδέσεις, ποικίλων θεμελιωδών ιδιοπεριόδων, που έχουν διαστασιολογηθεί με βάση τα ελαστικά φάσματα απόκρισης των εξεταζόμενων σεισμών και σύμφωνα με τις διατάξεις των Ευρωκωδίκων και καταπονούνται από σεισμικές διεγέρσεις. Οι σεισμοί που εφαρμόζονται, επιλέχθηκαν ώστε να καταρτίσουν δύο ομάδες, ανάλογα με τη μορφή των φασμάτων απόκρισής τους. Έτσι έχουμε τους όμοιους με το ελαστικό φάσμα του ΕC8 σεισμούς και τους σεισμούς εκείνους των οποίων το φάσμα απόκρισης διαφοροποιείται σημαντικά από αυτό του ΕC8. Αυτό σημαίνει πως τα φάσματα της δεύτερης ομάδας περιλαμβάνουν μεγαλύτερες κατά μέγεθος φασματικές επιταχύνσεις από αυτές του ελαστικού φάσματος του EC8. Επίσης το σχήμα τους παρουσιάζει “κοιλάδες” (χαμηλές φασματικές επιταχύνσεις) “κορυφές” (υψηλές φασματικές επιταχύνσεις) οι οποίες δεν είναι σε ακολουθία με τις ιδιοπεριόδους. Για την πρώτη ομάδα σεισμών (Αίγιο, Imperial Valley, Λευκάδα, Northridge) εφαρμόζεται η ελαστική μέθοδος καμπυλών ολιγοκυκλικής κόπωσης που προτάθηκε από τους C. Castiglioni , Χ. Μουζάκη και Π. Καρύδη, ενώ για τη δεύτερη ομάδα σεισμών (Erzincan, Caribbean, Kobe, Tabas-1, Tabas-2) εφαρμόζεται μία τροποποιημένη μέθοδος με την εισαγωγή παραμετρικών επαυξητικών συντελεστών. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων με τις προαναφερθείσες μεθόδους συγκρίνονται με τα αντίστοιχα αποτελέσματα της μη γραμμικής ανάλυσης των πλαισίων με τις χρονοϊστορίες των σεισμών. Έτσι εξετάζεται η ορθότητα των προβλέψεων που έγιναν με τις προτεινόμενες ελαστικές μεθόδους. Η πλειοψηφία των προβλεπόμενων αποτελεσμάτων συνάδουν με τις εικόνες της μη γραμμικής ανάλυσης, επαληθεύοντας έτσι, σε μεγάλο βαθμό, την ορθότητα της προτεινόμενης μεθοδολογίας, και μόνον ένας μικρός αριθμός προβλέψεων, τελικώς δεν επιβεβαιώνεται, συνήθως οριακά. Παράλληλα, σημειώνεται πως οι διατάξεις των Ευρωκωδίκων αποτυγχάνουν χαρακτηριστικά να προβλέψουν τη συμπεριφορά αυτή. Συμπεραίνεται, λοιπόν, η αναγκαιότητα χρήσης επικουρικών μεθόδων για την ορθότερη πρόβλεψη της συμπεριφοράς των μεταλλικών κατασκευών σε συνδυασμό με τις διατάξεις των Ευρωκωδίκων. Τα αποτελέσματα της παραπάνω μεθοδολογίας είναι αρκετά ενθαρρυντικά ώστε να επιτρέπουν τη χρήση της κατά το σχεδιασμό μεταλλικών κτιρίων με συγκολλητές συνδέσεις, παράλληλα με τους Ευρωκώδικες

This thesis is concerned with the reliability of the elastic analysis including low-cycle fatigue. This method is used through the design of steel frames that are subjected to seismic time-history analysis. Nine moment resisting frames are analyzed, with welded beam-to-columnconnections and a variety of fundamental periods of vibration. These frames are designed with respect to the elastic spectrum of the applied earthquakes and in accordance with the Eurocode provisions. The applied earthquakes were chosen such that they form two groups of different characteristics. The first group is formed by earthquakes whose spectra is similar to the elastic eurocode’s spectra and the second group by earthquakes whose spectra differs significantly from the eurocode’s spectra. This means that the spectrums of the second group contain higher spectral accelerations than the elastic eurocode’s spectra and their shape contains “valleys” (low spectral accelerations) and “peaks” (high spectral acceleration) which are not in accordance with the periods of vibrations. For the first group of earthquakes (Aigio, Imperial Valley, Lefkada, Northridge) we apply the low-cycle fatigue elastic method, proposed by C.Castiglioni, H.Mouzakis and P.Karydis. For the second group of earthquakes (Erzincan, Caribbean, Kobe, Tabas-1, Tabas-2) a modified method is applied using augmentative factors. The analysis results with the aforementioned methods are compared to the results of the non-linear time-history seismic analysis, in order to verify their range of applicability. In the majority of cases the predicted results are similar to the ones derived from the non-linear time-history analysis, and only in few occasions we observe significant differences between the non-linear time-history analysis and the two suggested simplified approaches, which are usually limitary. It is worth to mention that the eurocode’s approach does not predict frames’ seismic behavior, particularly when the differences between the eurocode’s and actual earthquake’s elastic spectra are noticeable. It is concluded that it is necessary to use new methods in support with the Eurocode seismic provisions, in order to improve achieve adequate performance of steel frames, which are stressed by variable amplitude loading. Results based on the two simplified methods are encouraging and can be used in order to improve the seismic design of steel moment resisting frames with welded beam-to-column connections.