Πειραματική Μελέτη Μόνωσης μέσω Λικνισμού: Εφαρμογή στην Ενίσχυση Υφισταμένου Κτιρίου

Abstract

Εισαγωγή

Σύμφωνα με τους σύγχρονους κανονισμούς, ο αντισεισμικός σχεδιασμός των κτιρίων γίνεται με βάση τις απαιτήσεις ικανοτικού σχεδιασμού και πλαστιμότητας. Η αναπόφευκτη ανελαστική συμπεριφορά υπό ισχυρή σεισμική διέγερση κατευθύνεται σε επιλεγμένα στοιχεία και μηχανισμούς αστοχίας. Ωστόσο, κτιριακές κατασκευές που σχεδιάστηκαν πριν τον εκσυγχρονισμό των κανονισμών υστερούν σε αντισεισμική προστασία και κινδυνεύουν από κατάρρευση σε περίπτωση σεισμού εκτός των ορίων σχεδιασμού. Ειδικότερα, η έλλειψη ικανοτικού σχεδιασμού των κόμβων και η σαφώς περιορισμένη πλαστιμότητα των στοιχείων οδηγούν σε ψαθυρές μορφές αστοχίας. Ο μεγάλος αριθμός υπαρχόντων κτιρίων με τις προαναφερθείσες ελλιπείς αντισεισμικές προδιαγραφές καθιστά αναγκαία τη διερεύνηση τρόπων ενίσχυσης και βελτίωσής τους, ως προς την αντοχή, τη δυσκαμψία ή τη διαθέσιμη πλαστιμότητά τους. Όσον αφορά στη θεμελίωση, ο σχεδιασμός της παραμένει μέχρι σήμερα αυστηρά ελαστικός με σκοπό την αποφυγή μεγάλων παραμενουσών στροφών ή μετακινήσεων. Η μείωση των διαστάσεων της θεμελίωσης επιτρέπει την εκδήλωση μη γραμμικής απόκρισης του συστήματος θεμελίου – εδάφους και η επίδρασή της στη συνολική απόκριση του κτιρίου εξετάζεται από τους ερευνητές.

Στην παρούσα εργασία, παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα της προσομοίωσης σε κλίμακα 1:10 ενός τυπικού τριώροφου κτιρίου της νότιας Ευρώπης , κατασκευασμένου τη δεκαετία του 1970. Το κτίριο είναι εμπνευσμένο από αυτό που εξετάστηκε πειραματικά στα πλαίσια του προγράμματος SPEAR. Όπως πολλά κτίρια της ίδιας περιόδου, το κτίριο διαθέτει pilotis και ο μηχανισμός αστοχίας του είναι ο σχηματισμός μαλακού ορόφου στο ισόγειο. Σκοπός των πειραμάτων

είναι η διερεύνηση της αντισεισμικής συμπεριφοράς ενός κτιρίου με ανεπαρκή όπλιση υποστυλωμάτων και απουσία οπλισμού περίσφιγξης και η προσπάθεια ενίσχυσής του με την τοποθέτηση τοιχώματος από οπλισμένο σκυρόδεμα σε όλο το ύψος του προκειμένου να επιτευχθεί ομοιόμορφη αύξηση της αντοχής και της δυσκαμψίας του. Ερευνάται επίσης η συνεισφορά της μείωσης των διαστάσεων της επιφανειακής θεμελίωσης του τοιχώματος στην απόκριση του κτιρίου σε ισχυρό σεισμό.

Τα πειράματα διεξήχθησαν στη σεισμική τράπεζα του Εργαστηρίου Εδαφομηχανικής του Ε.Μ.Π. από τους Δρ. Ι. Αναστασόπουλο, Δρ. Β. Δρόσο και Ν. Αντωνάκη.

Πειραματική Διάταξη

Πειραματικό Ομοίωμα

Το εξεταζόμενο κτίριο είναι τριώροφο, συνολικού ύψους 9 m. Προσομοιώνεται μόνο μία αντιπροσωπευτική φέτα του κτιρίου που αντιστοιχεί στο 1/3 της κάτοψης και αποτελείται από ένα πλαίσιο δύο μη συμμετρικών ανοιγμάτων, 6 και 4 m πλάτους.

Μέσω υπολογισμών για συνδυασμό μόνιμων φορτίων από ίδια βάρη και κινητού φορτίου 2 kN/m2, το φορτίο κάθε ορόφου προκύπτει περίπου ίσο με 66 tn [Αγγελική Ροντογιάννη, 2011]. Στο μοντέλο αντιστοιχεί μάζα 22 kg ανά όροφο σε κλίμακα μοντέλου.

Για λόγους ισορροπίας, κατασκευάστηκαν δύο όμοια τριώροφα πλαίσια ύψους 900 mm, δύο ανοιγμάτων, 600 και 400 mm, χωρίς τοιχοπλήρωση. Tα πλαίσια συνδέονται μεταξύ τους μέσω σχετικώς ομοιόμορφα κατανεμημένων ορθογώνιων πλακών που προσομοιώνουν τα φορτία κάθε ορόφου. Τα φέροντα στοιχεία κατασκευάστηκαν από αλουμίνιο, ενώ οι πλάκες βάρους κατασκευάστηκαν από χάλυβα για λόγους ακαμψίας. Οι διατομές των υποστυλωμάτων προέκυψαν μέσω καθορισμού της ζητούμενης ιδιοπεριόδου του κτιρίου στα 0.45 s. Η προσομοίωση των κόμβων έγινε με διατάξεις τύπου άρθρωσης, οι οποίες δύνανται να βαθμονομηθούν προκειμένου να προσομοιώνουν με επαρκή ακρίβεια τις σχηματιζόμενες πλαστικές αρθρώσεις κατά την επιβολή φόρτισης.

Προετοιμασία Πειράματος

Κάθε σύνδεση δοκού-υποστυλώματος, καθώς και υποστυλώματος-θεμελίου, βαθμονομήθηκε με χρήση της συσκευής push-over. Το στοιχείο συνδέεται με τον αντίστοιχο κόμβο, ο οποίος πακτώνεται μέσω της κεντρικής του οπής. Έπειτα εξασφαλίζεται καθετότητα με το load cell που είναι προσαρμοσμένο στη συσκευή push-over, κατά τρόπον ώστε να μετρά την αντίδραση του στοιχείου καθώς η συσκευή του επιβάλλει μετακίνηση με μοχλοβραχίονα, που προκαλεί την κάμψη του. Επιπλέον, μετράται η μετακίνηση του σημείου επιβολής του φορτίου μέσω μετακινησιομέτρου laser. Πριν αρχίσει να στρέφεται η άρθρωση, το στοχείο αντιδρά αξιοποιώντας τη δυσκαμψία της διατομής του. Όταν η μετακίνηση αυξηθεί και η πλαστική άρθρωση αρχίσει να στρίβει, προσομοιώνεται η μετάβαση του στοιχείου στην πλαστική περιοχή. Προκύπτει με αυτόν τον τρόπο ένα διάγραμμα φορτίου-μετακίνησης με ελαστικό και πλαστικό κλάδο. Μέσω επαναλήψεων, η πλαστική άρθρωση σφίγγει ή χαλαρώνει ώσπου το διάγραμμα να εξασφαλίζει την επιθυμητή ροπή αντοχής και επαναληψιμότητα. Η διαδικασία πραγματοποιήθηκε και για τα δύο τοιχώματα. Παρατηρήθηκε ικανοποιητική επαναληψιμότητα των τιμών φέρουσας ικανότητας και δυσκαμψίας των στοιχείων.

Μετά τη βαθμονόμηση των κόμβων, το κτίριο συναρμολογείται και ευθυγραμμίζεται ούτως ώστε όλα τα στοιχεία να είναι κατακόρυφα ή οριζόντια αντίστοιχα. Ακολουθεί η βαθμονόμηση της τράπεζας για κλίμακα 1:10.

Πριν τη διεξαγωγή κάθε πειράματος γίνεται η διάστρωση της άμμου μέσω του συστήματος που περιγράφηκε. Σε όλα τα πειράματα χρησιμοποιήθηκε άμμος Longstone βιομηχανικής παραγωγής, πυκνότητας Dr=93% και ύψους 48 cm.Το κτίριο τοποθετείται επιφανειακά στην άμμο με τρόπο ώστε όλα τα θεμέλια να έρθουν σε επαφή με το έδαφος ταυτόχρονα. Έπειτα τοποθετούνται τα όργανα μέτρησης μετακινήσεων και επιταχύνσεων στο πρώτο πλαίσιο του μοντέλου. Μετά τα πρώτα δύο πειράματα τοποθετούνται τα τοιχώματα των δύο πλαισίων βιδώνοντας εξωτερικά και τα θεμέλια των κεντρικών υποστυλωμάτων επαυξάνονται βιδώνοντας πρόσθετα τμήματα.

Στα πειράματα που διεξήχθησαν χρησιμοποιούνται διεγέρσεις ποικίλου συχνοτικού περιεχομένου και εύρους επιταχύνσεων από ελληνικές και ξένες καταγραφές. Η τελευταία διέγερση που εισάγεται σε κάθε πείραμα προκαλεί την κατάρρευση του κτιρίου και το πείραμα λήγει.

Αποτελέσματα

Αρχικό Κτίριο

Επιλέγονται προς σχολιασμό οι σεισμικές καταγραφές του Αιγίου και της Λευκάδας (2003) ως αντιπροσωπευτικές. Και οι δύο διεγέρσεις είναι μέτριας εντάσεως αλλά υπερβαίνουν το σχεδιασμό του κτιρίου. Ο τρόπος παραμόρφωσης και τελικά αστοχίας είναι ο προβλεπόμενος, δηλαδή ο σχηματισμός μαλακού ορόφου στο ισόγειο. Αυτό καταδεικνύει ότι η βαθμονόμηση των κόμβων έγινε ορθά και ότι οι τεχνητές πλαστικές αρθρώσεις συμπεριφέρονται με τον επιθυμητό τρόπο.

Μετά το σεισμό του Αιγίου ο πρώτος όροφος έχει παραμένουσα μετακίνηση της τάξεως του 1%. Το κτίριο καταρρέει με την επιβολή του σεισμού της Λευκάδας, έχοντας ήδη σωρεύσει παραμορφώσεις από τους σεισμούς του Αιγίου και της Καλαμάτας. Η θεμελίωση παρουσιάζει πρακτικά μηδενικές καθιζήσεις και στροφές, άρα ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις σχεδιασμού της.

Κατά συνέπεια, το κτίριο διαθέτει ανεπαρκή αντοχή και πλαστιμότητα και δε μπορεί να αντέξει έναν ισχυρό σεισμό. Απαιτείται λοιπόν η ενίσχυσή του προκειμένου να αυξηθεί η επιτάχυνση αντοχής και να επιτευχθεί πιο ομοιόμορφη κατανομή δυσκαμψίας καθ’ ύψος του κτιρίου.

Κτίριο με Ενίσχυση

Όπως ήδη εξηγήθηκε, το κτίριο ενισχύεται με την τοποθέτηση τοιχώματος από οπλισμένο σκυρόδεμα κατά ΚΑΝ.ΕΠ.Ε.. Το ενισχυμένο κτίριο αναμένεται να αντέξει ισχυρότερους σεισμούς και να αποκριθεί πιο πλάστιμα. Η αστοχία συμβαίνει στη βάση του τοιχώματος και όχι στη βάση και την οροφή των υποστυλωμάτων του ισογείου. Πράγματι, η απόκριση του ενισχυμένου κτιρίου είναι πολύ ικανοποιητική. Η παραμορφωμένη εικόνα είναι εντελώς διαφορετική από την εικόνα του αρχικού κτιρίου, αφού το κτίριο πλέον παραμορφώνεται ακολουθώντας τις μετακινήσεις του τοιχώματος. Το αποτέλεσμα είναι να αποφεύγεται η ψαθυρή αστοχία μέσω σχηματισμού μαλακού ορόφου, όπως άλλωστε αναμενόταν.

Υπό τη σεισμική διέγερση του Αιγίου, είναι φανερή η θετική επίδραση της ενίσχυσης στη μέγιστη και κυρίως στην παραμένουσα μετακίνηση του πρώτου ορόφου του κτιρίου, η οποία για το ενισχυμένο κτίριο είναι πρακτικά μηδενική. Η θετική επίδραση της ενίσχυσης φαίνεται εντονότερα στη σεισμική διέγερση της Λευκάδας του 2003, κατά την οποία το αρχικό κτίριο καταρρέει, ενώ το ενισχυμένο κτίριο παρουσιάζει παραμένουσα μετακίνηση πρώτου ορόφου μικρότερη από 1.5%. Η θεμελίωση των

υποστυλωμάτων αλλά και του τοιχώματος παρουσιάζει και πάλι μηδενική απόκριση σε όρους καθιζήσεων και στροφών.

Κατά συνέπεια, η ενίσχυση κρίνεται αποτελεσματική. Το ενισχυμένο κτίριο καταρρέει τελικά υπό τη σεισμική διέγερση του Takatori, έχοντας ήδη σημαντικές πλαστικές παραμορφώσεις κόμβων εξαιτίας των προηγούμενων διεγέρσεων.

Μείωση Πλάτους Θεμελίου Τοιχώματος

Κρίθηκε σκόπιμο να μελετηθεί η επιρροή της μείωσης του πλάτους του θεμελίου του τοιχώματος στη συνολική απόκριση του ενισχυμένου κτιρίου. Το αρχικό θεμέλιο έχει πλάτος 6 m ενώ το μειωμένο θεμέλιο έχει πλάτος 3.5 m. Με αυτόν τον τρόπο επιτρέπεται η εκδήλωση μη γραμμικών μηχανισμών απόκρισης του συστήματος θεμελίου – εδάφους, όπως η ολίσθηση και το ανασήκωμα του θεμελίου, ή η πλαστικοποίηση του υποκειμένου εδάφους. Παρατίθενται αρχικά τα αποτελέσματα για τις ίδιες σεισμικές διεγέρσεις, του Αιγίου και της Λευκάδας.

Ποιοτικά, η εικόνα είναι περίπου όμοια με προηγουμένως· ομοιόμορφη κατανομή μετακινήσεων καθ’ ύψος του κτιρίου. Ποσοτικά, δεν παρατηρείται διαφορά στις σχετικές μετακινήσεις των ορόφων για ένα σεισμό μικρής έντασης όπως η καταγραφή του Αιγίου. Η διαφορά όμως εντείνεται για την καταγραφή της Λευκάδας, όπου το τοίχωμα με τη μειωμένη θεμελίωση φαίνεται να συμπεριφέρεται καλύτερα από το συμβατικά θεμελιωμένο.

Προκειμένου να συγκριθεί και η απόκριση της θεμελίωσης του τοιχώματος για τις δύο περιπτώσεις, σχολιάζεται η καταγραφή του Rinaldi. Η διαφορά φαίνεται ξεκάθαρα σε όρους χρονοϊστορίας drift ratio πρώτου ορόφου και καθίζησης – στροφής θεμελίου του τοιχώματος. Παρατηρείται σημαντική διαφορά στη μετακίνηση του πρώτου ορόφου, με το τοίχωμα με μειωμένη θεμελίωση να συμπεριφέρεται πιο ικανοποιητικά. Από την άλλη πλευρά, το θεμέλιο πλάτους 3.5 m παρουσιάζει ανασήκωμα, καθώς και μικρή παραμένουσα στροφή και καθίζηση, σε αντίθεση με το θεμέλιο πλάτους 6 m.

Στο κτίριο με το συμβατικά σχεδιασμένο θεμέλιο οι πλήρεις μετακινήσεις του πρώτου ορόφου οφείλονται στην καμπτική καταπόνηση του τοιχώματος, ενώ στο κτίριο με το μειωμένο θεμέλιο σημαντικό μέρος της μετακίνησης οφείλεται στη στροφή της θεμελίωσης του τοιχώματος. Συμπερασματικά, η μείωση της θεμελίωσης συνεισέφερε στην ανακούφιση του τοιχώματος από

καμπτική ένταση παράλληλα με τη μείωση των συνολικών μετακινήσεων της ανωδομής. Το τίμημα σε καθίζηση και παραμένουσα στροφή της θεμελίωσης είναι αρκετά μικρό ώστε να θεωρείται αμελητέο.

Το κτίριο με τη μειωμένη θεμελίωση επίσης δεν αντέχει τη σεισμική καταγραφή του Takatori αλλά παρουσιάζει αισθητά αυξημένη πλαστιμότητα στη συμπεριφορά του.

Συμπεράσματα

Μέσα από το σύνολο των πειραμάτων, προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα.

> Το αρχικό κτίριο κρίνεται ανεπαρκές να ανταποκριθεί στις σύγχρονες αντισεισμικές απαιτήσεις, διότι παρουσιάζει σημαντικές ζημιές και τελικά καταρρέει υπό σεισμικές διεγέρσεις μικρής έως μέτριας εντάσεως.

> Η ενίσχυση μέσω τοιχώματος από οπλισμένο σκυρόδεμα είναι αποτελεσματική και συνεισφέρει στην αύξηση της αντοχής και της δυσκαμψίας του κτιρίου, το οποίο τελικά αντέχει σεισμούς μέτριας έως ισχυρής εντάσεως.

> Η μείωση του πλάτους θεμελίου του τοιχώματος φαίνεται να επιφέρει μείωση των μετακινήσεων της ανωδομής για διεγέρσεις υψηλής εντάσεως και δεν επιδεινώνει τη συμπεριφορά του κτιρίου σε σεισμούς μεσαίας ή μικρής εντάσεως.

This thesis investigates experimentally the seismic performance of an existing building, with emphasis on the effects of nonlinear soil–foundation–structure interaction (SFSI). An idealized 3-storey structure is considered, inspired from the large-scale tests of the SPEAR project. The seismic performance of the original structure is simulated in a first step, confirming its vulnerability. Then, the building is retrofitted with the equivalent of a RC shear wall, following the provisions of modern seismic codes [Ageliki Rodogianni, 2011]. A reduced-scale physical model of the soil-structure system is tested in the shaking table of the Laboratory of Soil Mechanics of NTUA. It is shown that SFSI may substantially alter the collapse capacity of the structure. Moreover, it is concluded that mobilization of foundation bearing capacity may be beneficial for the performance of the retrofitted structure, and should therefore be considered in design.

Three alternatives are considered with respect to the foundation of the shear wall: (a) conventional design (KAN.EPE. 2009); (b) rocking isolation; and (c) addition of tie beams between the existing footings of columns and the enlarged footing of the shear wall. In the second case, the foundation is intentionally under-designed to promote uplifting and fully mobilize its moment capacity, thus acting as “rocking isolation” [Mergos & Kawashima, 2005]. Tie beams, on the other hand, are utilized to prevent differential displacements when the RC wall footing is reduced and free to rock, while the existing column footing are conventional. The connection of the tie beams to the footings is at first conventional (fully fixed) and then hinged, so as to allow rocking of the wall foundation.

The under study structure is a typical 3–storey building of Southern Europe, designed and constructed during the 70’s. Each beam-column and column-footing connection is modelled with custom-built artificial plastic hinges.

The physical models of the building were installed inside a transparent soil container. The soil consists of dry “Longstone” sand, a very fine industrially-produced uniform quartz sand having a mean grain size d50 = 0.15 mm [Anastasopoulos et al., 2010b]. Very dense sand (Dr = 93%) is used in the presented experiments.

The investigated soil–foundation–structure systems were subjected to a variety of seismic motions, including real records and artificial (sinusoidal motions) motions. Moderate intensity seismic records from Greece were utilized for the original (un-retrofitted) structure. As discussed in the sequel, the original building was found incapable of surviving stronger seismic motions, sustaining soft-storey collapse when subjected to the Lefkada 2003 record. The retrofitted structure was also subjected to these records, but also to strong (Sakarya, Kocaeli 1999) and very strong seismic motions: Northridge 1994–Rinaldi; Kobe 1995–JMA and Takatori. The latter exceed substantially the design limits of the retrofit, and were investigated to explore the margins of safety of different foundation design alternatives. Each system was subjected to various sequences of seismic motions.

The original structure was initially tested to confirm its seismic vulnerability. Unless otherwise stated, the results are presented in prototype scale. The un-retrofitted structure collapses when subjected to the Lefkada 2003 record, after having accumulated damage by the Greek records of Kalamata, MNSA and Aegion. This conclusion is not only consistent with the SPEAR test results, confirming the equivalence of the reduced-scale model tested herein, but also compares well with reality: many such buildings sustained major damage or collapsed during the aforementioned (M ≈ 6) earthquakes in Greece. Retrofitting is therefore considered necessary, in order to increase its seismic resistance and increase the safety margins against collapse. In all cases examined, the response of the footings was practically elastic, in accord with conventional capacity design principles. As a result, the settlement and rotation of all footings was practically zero.

As previously mentioned, the building is retrofitted through addition of a RC shear wall. Besides from the increase in strength and ductility, the addition of the shear wall will homogenize the lateral deformation of the structure, leading to a more uniform damage distribution in all three storeys.

To confirm the effectiveness of the retrofit, the rehabilitated structure with conventionally over-designed B = 6 m foundation is subjected to the sequence of moderate intensity seismic motions. As expected, the performance of the retrofitted structure is improved substantially. In contrast to the original structure which collapsed when subjected to the Lefkada 2003 record, the retrofitted building survives without damage. As with the original structure, the response of the conventionally-designed foundations is practically elastic, with minimal settlement and rotation.

The performance of the retrofitted structure when subjected to very strong seismic shaking, substantially exceeding the design, is explored utilizing the strong seismic motions of Figure 3b. The performance of the conventionally–designed structure with a large over–designed B = 6 m foundation is compared to a rocking–isolation alternative with a B = 3.5 m foundation. The JMA record is utilized herein as an illustrative example of such very strong seismic shaking, substantially exceeding the design limits. As revealed by the time history of the displacement at the top of the wall, the conventionally-designed system sustains major damage. Observe that, in accord to its design principles, the drift is purely due to the flexural distortion of the shear wall, or to be more precise to the plastic rotation taking place within the artificial plastic hinge at the base of the shear wall. Even under such strong seismic shaking, the rotation and settlement of the over–designed B = 6 m foundation are practically negligible: the residual settlement does not exceed 1 cm. When subjected to very strong seismic motions substantially exceeding its design limits, it is bound to severe damage or collapse.

The rocking–isolated retrofit alternative with B = 3.5 m foundation is equally successful in moderate intensity seismic motions; hence, results are not displayed here. Its advantageous performance is revealed when subjected to very strong seismic motions substantially exceeding the design limits. In contrast to the conventionally-designed structure, most of the wall deformation is now due to foundation rotation, with the flexural distortion being only minor. Evidently, the performance of the rocking-isolated structure is superior, with the slightly increased settlement being the only price to pay. It is apparent that the rocking foundation acts as a fuse, preventing damage on the shear wall. In addition, thanks to its self-centering attributes, the residual drift is also minimized.

An alternative way to further reduce the foundation width was then applied: a “hybrid” footing was formed for the retrofitting wall, by attachment of a steel plate of various thickness t underneath the aforementioned B = 3.5m footing. Thus, the width b of the footings examined ranged from 6m (conventionally designed) to 1.5m (existing column footing). This way the footing is allowed to rock and further isolate the superstructure from flexural damage. Once the settlement and rotation angle of the system substantially increase, the upper part of this “hybrid” contacts the soil and starts mobilizing its strength and ductility. All footings were subjected to monotonic and slow cyclic testing in order to document their behavior.

The performance under moderate seismic shaking was quite satisfactory. In short, the alternatives with b = 3m and b = 2.5 m perform satisfyingly for the records of JMA and Rinaldi, but cannot sustain the record of Takatori, as their “upper component” (B = 3.5m) is not fully mobilized. Further reduction of width is excessive and the performance deteriorates.

Systems which suffered from large sliding were improved by addition of tie beams. For example, the b = 3m hybrid collapsed during the Takatori recoerd due to soil failure and subsequent sliding. Nevertheless, fixed – end tie beams cancelled the beneficial effect of rocking, whereas hinged – end tie beams proved to be an effective improvement.

To sum up, this thesis mainly aimed to shed light to the behavior of rocking isolation utilized in the retrofit of an existing structure. As an experimental study, the research faced practical problems and modeling imperfections. However, a number of alternative solutions for the under – study problem were studied and a broad spectrum of conclusions can be reached. In summary, the benefits of rocking isolation under strong seismic shaking were confirmed and two ways of increasing the safety margins were explored: (a) hybrid footings, consisting of two parts, which allow rocking but mobilize the strength and ductility of a larger footing to avoid toppling; and (b) unconventional hinged tie beams, which also allow rocking but exploit their axial stiffness in order to reduce differential displacements of footings.