Συμπεριφορά σεισμικά μονωμένου κτιρίου σε εξιδανικευμένους παλμούς κοντινού πεδίου

Abstract

Τα συστήματα σεισμικής μόνωσης σε κτήρια σχεδιάζονται για να διατηρούν την ακεραιότητα του κτηρίου, να εξασφαλίζουν την ασφάλεια των κατοίκων και να εμποδίσουν την καταστροφή του περιεχομένου του κτηρίου, μειώνοντας τις σεισμικές δυνάμεις και παραμορφώσεις της ανωδομής η μείωση αυτή επιτυγχάνεται μέσω της μείωσης της δυσκαμψίας και της αύξησης της απόσβεσης. Έτσι, τα σεισμικά μονωμένα έχουν μεγάλες θεμελιώδεις ιδιοπεριόδους ταλάντωσης σε σχέση με τα περιόδους των συνήθων-συχνών σεισμών.Καταγραφές, όμως, της σεισμικής κίνησης από πρόσφατους σεισμούς, όπως ο σεισμός στο Kobe της Ιαπωνίας το 1995 και στο Kocaeli το1999 έδειξαν ότι οι εδαφικές κινήσεις κοντινού πεδίου μπορεί να περιλαμβάνουν ισχυρούς και με μεγάλη περίοδο παλμούς ταχύτητας.Όπως έχει παρατηρηθεί οι παλμοί αυτοί θα έχουν σημαντική επίδραση στην σεισμική μόνωση με ιδιοπερίοδο κοντά στην περίοδο του παλμού επιβάλλοντας μεγάλες μετατοπίσεις στην διεπιφάνεια της σεισμικής μόνωσης, οι οποίες μπορούν να οδηγήσουν σε λυγισμό ή καταστροφή της μόνωσης. Το γεγονός αυτό έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον και ο στόχος ακριβώς της δικιάς μας εργασίας είναι να μελετηθεί η δυναμική συμπεριφορά ενός σεισμικά μονωμένου κτηρίου σε εξιδανικευμένους παλμούς ταχύτητας και να προκύψουν αδιαστατοποιημένα διαγράμματα που θα ρίξουν φως στην φυσική του προβλήματος. Για τον σκοπό αυτόν χρησιμοποιήθηκαν σε πρώτη φάση οι παλμοί των Μ&Β και σε δεύτερη φάση οι παλμοί των Μ-Π. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται παρουσίαση των χαρακτηριστικών των σεισμών κοντινού πεδίου και των επιδράσεών του στις κατασκευές, ενώ γίνεται ιδιαίτερη αναφορά στο φαινόμενο της κατεθυντικότητας. Στην συνέχεια, παρουσιάζεται η παραμετροποίηση των σεισμών κοντινού πεδίου και η προσομοίωσή τους με απλούς παλμούς ταχύτητας χρησιμοποιώντας τους παλμούς που προαναφέραμε. Στο κεφάλαιο 2 παρουσιάζουμε την έννοια της σεισμικής μόνωσης, τον σκοπό χρήσης της, καθώς και τα πιο διαδεδομένα συστήματα σεισμικής μόνωσης. Στο τέλος του κεφαλαίου γίνεται αναφορά στην επίδοση των σεισμικά μονωμένων κτηρίων σε σεισμούς κοντινού πεδίου και στα προβλήματα που ανακύπτουν. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε στην εργασία μας, καθώς και οι εξισώσεις και οι παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν για την επίλυση της γραμμικής συμπεριφοράς σεισμικής μόνωσης και η αδιάστατοι Π-όροι που προέκυψαν από την διαστατική ανάλυση για την μη-γραμμική συμπεριφορά της σεισμικής μόνωσης. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται τα συνολικά διαγράμματα της απόκρισης του σεισμικά μονωμένου κτηρίου στους διάφορους εξιδανικευμένους παλμούς ταχύτητας, συνοδευόμενους από σχόλια, αρχικά για γραμμική συμπεριφορά της σεισμικής μόνωσης κι έπειτα για την μη γραμμική. Τέλος, στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζουμε τα συμπεράσματα, στα οποία καταλήξαμε, αλλά και κάποιες γενικές επισημάνσεις χρήσιμες για μηχανικούς που ασχολούνται με την μελέτη σεισμικά μονωμένων κτηρίων σε περιοχές κοντά σε ρήγματα, που μπορούν να δώσουν σεισμούς κοντινού πεδίου.

Χαρακτηριστικές λέξεις: Σεισμική Απόκριση,Σεισμοί κοντινού πεδίου, Σεισμική μόνωση,Διαστατική ανάλυση, Μη-γραμμική ανάλυση

The base isolation systems are designed to preserve the viability of the building, to ensure the safety of the inhabitants and to prevent the damage of the equipment inside the building, by reducing the seismic forces and the displacements of the superstructure. This reduction is achieved through the reduction of the stiffness and the increase of damping. Thus, the base-isolated buildings are characterized by large fundamental periods compared to the periods of the common earthquakes. The records, however of recent earthquakes such as the Kobe earthquake in 1995 and the Kocaelli earthquake in 1999 showed that the near-field ground motions include strong velocity pulses with large periods. As it has been observed, these pulses have large impact on the isolation systems with a fundamental period in the range of the pulse period imposing thus large displacements of the isolation that can lead to buckling or rupture of the isolation bearings. This leads to considerable interest and the aim of this thesis is exactly to study the dynamic behaviour of base isolated buildings under near-field idealized velocity pulses and to create dimensionless graphs that will shed light on the physics of the problem. In the thesis we used the idealized pulses published in the paper of Makris&Black and the ones in the paper of Mavroeidis&Papgeorgiou. In chapter 1 we present the characteristics of the near-field ground motions and their impact on the structures and underline the meaning of the 'directivity' effect. Furthermore, we present the parameterization of the near-fault earthquakes and their simulation with the idealized velocity pulses that we referred earlier. In chapter 2 we present the idea of base isolation, the advantages that it offers and the most common isolation systems used in practise. At the end of the chapter we refer to the performace of base-isolated buildings under the near-fault ground motions and the problems that appear. In chapter 3 we present the model that we used in our study, the equations and the parameters that were used for the linear isolation system and the dimensionless Π-terms that we found for the non-linear behaviour of the isolation system. In chapter 4 we present tha graphs of the seismic response of the base isolated building under the idealized velocity pulses, first for the linear behaviour of the isolation system and then for the non-linear. Last, in chapter 5 we present the conclusions and some useful observations for the civil engineers that work with base isolated buildings located in the vicinity of faults that can create near-field ground motions.

Keywords: Seismic response,near-field earthquakes,base isolation, dimensional analysis,non-linear analysis