Αριθμητική και πειραματική διερεύνηση καινοτόμου συστήματος δυσκαμψίας και απόσβεσης INSTED - FUSEIS με θεώρηση αλληλεπίδρασης εδάφους-κατασκευής

Abstract

Βασική ιδέα: Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση της σεισμικής συμπεριφοράς ενός καινοτόμου συστήματος δυσκαμψίας και απορρόφησης ενέργειας σε πολυώροφα κτίρια, μια ιδέα του Καθηγητή κ. Ιωάννη Βάγια, που μελετήθηκε αρχικά από τον κ. Φαίδωνα Καρυδάκη.

Αρχική προσέγγιση: Μέχρι τώρα, η συνηθισμένη πρακτική για την επίτευξη της απαιτούμενης αντοχής και δυσκαμψίας έναντι οριζόντιων φορτίων στις μεταλλικές και τις κατασκευές από σκυρόδεμα είναι είτε πλαίσια ικανά να παραλάβουν ροπή στους κόμβους τους (πλαίσια ροπής), είτε τοιχώματα δυσκαμψίας, είτε συστήματα διαγωνίων ράβδων (χιαστί σύνδεσμοι δυσκαμψίας), με ή χωρίς εκκεντρότητα. Λαμβάνοντας υπ’ όψη τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα κάθε τέτοιου συστήματος, εξετάζεται ένα νέο, που αποτελείται από δύο ισχυρούς κατακόρυφους στύλους συνδεόμενους καθ’ ύψος με οριζόντιες δοκούς (πλάστιμα στοιχεία) - στην ουσία μία κατακόρυφη δοκός Vierendeel. Το συγκεκριμένο είναι ένα καινοτόμο σύστημα δυσκαμψίας και απορρόφησης ενέργειας, συνοπτικά καλούμενο στη συνέχεια INSTED (IΝnovative STiffness and Energy Dissipation system). Διαθέτει τα χαρακτηριστικά ενός τοιχώματος δυσκαμψίας αλλά με πρόσθετα πλεονεκτήματα. Αφ’ ενός, έχει την ικανότητα απορρόφησης μεγάλης ποσότητας ενέργειας μέσω των πλαστικών παραμορφώσεων των πλάστιμων μελών (οριζόντιων δοκών) και αφ’ ετέρου, εφ’ όσον απαιτηθεί μετά από μία μεγάλη σεισμική καταπόνηση, την ευκολία επισκευής ή και πλήρους αντικατάστασης των μελών αυτών. Το σύστημα αυτό έχει μελετηθεί για μεταλλικές κατασκευές αλλά η εφαρμογή του βρίσκεται ακόμα σε πρώιμο στάδιο. Η πειραματική του διερεύνηση ξεκίνησε στο Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών του ΕΜΠ, όπου εκπονήθηκαν στατικές μονοτονικές και ανακυκλικές φορτίσεις σε πραγματικής κλίμακας μοντέλα, με βάση δύο διαφορετικά πρωτόκολλα φόρτισης. Αυτή συσχετίστηκε στη συνέχεια και με ανάλογες μη γραμμικές αναλύσεις. Από τα πειράματα αυτά εξακριβώθηκε ότι η αντίσταση στα οριζόντια φορτία και οι πλαστικοποιήσεις κατά τη διάρκεια της φόρτισης συγκεντρώνονται σε συγκεκριμένα προεπιλεγμένα στοιχεία και θέσεις, δηλαδή στις οριζόντιες δοκούς, προστατεύοντας τα υπόλοιπα στοιχεία από διαρροή. Επιπλέον, το σύστημα απορρόφησης ενέργειας (οι οριζόντιες δοκοί) δεν συμμετέχει στην παραλαβή των κατακόρυφων φορτίων διαφοροποιώντας έτσι τα στοιχεία του φορέα με βάση την κύρια λειτουργία τους. Επομένως, το προτεινόμενο σύστημα παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα, όπως είναι η ικανότητα απορρόφησης σημαντικής ποσότητας ενέργειας, παράλληλα με την ευχέρεια αντικατάστασης των πλαστικοποιηθέντων στοιχείων εφόσον αυτά δεν αποτελούν μέρος του φέροντος οργανισμού (όπως π.χ. τα υποστυλώματα).

Σκοπός της διπλωματικής: Φυσικά, η διερεύνηση της συμπεριφοράς ενός τέτοιου συστήματος δεν θα μπορούσε να μην περιλαμβάνει δυναμικές αναλύσεις και περάματα, όπου θα φαινόταν ξεκάθαρα η πλάστιμη συμπεριφορά του και η προστασία της κατασκευής, στην οποία θα τοποθετούνταν σαν ενίσχυση. Αυτό ήταν και το κύριο έργο της διπλωματικής μας εργασίας. Προκειμένου, μάλιστα, τα αποτελέσματα να είναι όσο το δυνατόν πιο ρεαλιστικά, επιδιώξαμε να εντάξουμε το προτεινόμενο σύστημα, τόσο αναλυτικά όσο και πειραματικά, σε ένα υπάρχον μοντέλο τριώροφου κτιρίου (κλίμακας 1:10), που αντιστοιχεί σε πραγματική τριώροφη κατασκευή. Η διάρθρωση της διπλωματικής εργασίας χωρίζεται σε δύο μέρη: Το μέρος Α’ περιλαμβάνει τις αριθμητικές αναλύσεις, που έγιναν στον κώδικα Abaqus, ώστε να διερευνηθεί αρχικά αναλυτικά το προτεινόμενο σύστημα ενίσχυσης. Στη συνέχεια (μέρος Β’) συγκεντρώνονται τα αποτελέσματα από τα στατικά και δυναμικά πειράματα που εκπονήθηκαν στο Εργαστήριο Εδαφομηχανικής του ΕΜΠ καθώς και κάποιες αντιπροσωπευτικές αναλύσεις των πειραμάτων αυτών.

Α’ ΜΕΡΟΣ

Το αναλυτικό μέρος αυτής της εργασίας περιλαμβάνει τρισδιάστατες αριθμητικές αναλύσεις πεπερασμένων στοιχείων στο πρόγραμμα Abaqus, οι οποίες προσομοιώνουν τη συμπεριφορά:  του συστήματος INSTED, σύμφωνα με την διάταξή του στα πειράματα πραγματικής κλίμακας, που είχαν διεξαχθεί στο Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών,  του τριώροφου κτιρίου, σε κλίμακα μοντέλου (1:10)  του ενισχυμένου κτιρίου μέσω του συστήματος INSTED και  του ενισχυμένου κτιρίου μέσω ενός τοιχώματος δυσκαμψίας. Σκοπός είναι, μέσω των αναλύσεων, να συγκριθεί η σεισμική απόκριση του ενισχυμένου κτιρίου με εκείνη του αρχικού (μη ενισχυμένου) και να εξεταστούν οι επιπλέον δυνατότητες του ενισχυμένου. Τόσο το πρωτότυπο όσο και το ενισχυμένο υποβάλλονται στην ίδια σειρά ελληνικών σεισμών μέτριας έντασης, η οποία είχε χρησιμοποιηθεί και κατά την πειραματική του διερεύνηση (Μοναστηράκι 1999, Αίγιο 1995, Καλαμάτα 1986, Λευκάδα 2003). Μάλιστα το ενισχυμένο υποβάλλεται και σε διεγέρσεις ισχυρότερης έντασης (Rinaldi, Jma, Takatori). Μέσω αυτών επιβεβαιώνεται η ικανότητα του συστήματος INSTED να απορροφά σημαντική ποσότητα ενέργειας κατά την ανακυκλική φόρτιση λόγω της μεγάλης πλαστιμότητας που διαθέτει. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, η ενισχυμένη κατασκευή να επιβιώνει μετά από ιδιαίτερα ισχυρές σεισμικές δονήσεις (με επιταχύνσεις πολύ μεγαλύτερες από τη επιτάχυνση σχεδιασμού του συστήματος ενίσχυσης) και μάλιστα αποκτώντας επιτρεπτές παραμορφώσεις. Αντιθέτως, το πρωτότυπο κτίριο αδυνατεί να ανταπεξέλθει ακόμη και στους μέτριας εντάσεως ελληνικούς σεισμούς και αστοχεί τελικά στο σεισμό της Λευκάδας με μηχανισμό “μαλακού ορόφου” (πλαστικοποίηση των υποστυλωμάτων του ισογείου). Στη συνέχεια η σύγκριση του συστήματος INSTED με το τοίχωμα δυσκαμψίας αποδεικνύει την υπεροχή του πρώτου τύπου ενίσχυσης, τόσο σε επίπεδο παραμορφώσεων της κατασκευής όσο και σε επίπεδο επισκευής και επαναχρησιμοποίησης. Συγκεκριμένα, το τοίχωμα δυσκαμψίας παρουσιάζει αρκετά μικρότερη πλαστιμότητα και δυνατότητα επαναφοράς, με αποτέλεσμα να καταρρέει στο σεισμό του Takatori σε αντίθεση με το INSTED.

Β’ ΜΕΡΟΣ

Αφού έχουμε ολοκληρώσει τις αρχικές αριθμητικές αναλύσεις, προχωράμε στην πειραματική διερεύνηση, που αποτελείται τόσο από στατικά όσο και από δυναμικά πειράματα. Τα στατικά πειράματα περιλαμβάνουν μονοτονικές και ανακυκλικές φορτίσεις και πραγματοποιούνται με τη βοήθεια ενός εμβόλου που επιβάλλει μετακίνηση στο δεύτερο όροφο της πακτωμένης κατασκευής, προσομοιώνοντας τριγωνική κατανομή μετακίνησης. Όσο για τα δυναμικά πειράματα, το φυσικό μοντέλο της υπό κλίμακα κατασκευής τοποθετείται πάνω σε ένα στρώμα άμμου, που διαμορφώνεται χρησιμοποιώντας ένα κατάλληλο σύστημα διαβροχής της άμμου. Με αυτό τον τρόπο μελετάται η αλληλεπίδραση του συστήματος εδάφους-θεμελίωσης-ανωδομής. Μάλιστα το μοντέλο του ενισχυμένου κτιρίου δοκιμάζεται, μεταβάλλοντας την αντοχή του και τη δυσκαμψία του, έτσι ώστε να επιτύχουμε την επιθυμούμενη σχέση αντοχής και δυσκαμψίας κατασκευής-ενίσχυσης και να μελετήσουμε τα αποτελέσματα της αλληλεπίδρασης εδάφους-κατασκευής. Ως σεισμικές διεγέρσεις, χρησιμοποιούμε πραγματικά επιταχυνσιογραφήματα ποικίλης έντασης (ελληνικούς σεισμούς, του Northridge στις ΗΠΑ, και του Kobe στην Ιαπωνία). Λαμβάνοντας υπόψη τα καινούρια δεδομένα του πειράματος, όσον αφορά το σύστημα INSTED, όπως τις ιδιότητες των υλικών κατασκευής, προχωράμε σε κάποιες αντιπροσωπευτικές αναλύσεις, που σκοπό κυρίως έχουν την προσομοίωση της πειραματικής διάταξης όσο το δυνατόν πιο ρεαλιστικά. Μέσω αυτών των αναλύσεων γίνεται πιο ξεκάθαρη η λειτουργία της κατασκευής σε αλληλεπίδραση με το έδαφος θεμελίωσης. Σε τελικό στάδιο μελετάμε πειραματικά το σύστημα INSTED, αυτόνομο, χωρίς τη συμμετοχή της υπόλοιπης κατασκευής, αλλά με εφαρμογή της αντίστοιχης μάζας στην κορυφή του. Η διαμόρφωση αυτού του μονοβάθμιου συστήματος μας επιτρέπει να εξετάσουμε μεμονωμένα τη σεισμική του συμπεριφορά, ανεξάρτητα από τυχόν επιρροές της κατασκευής. Για τη επίτευξη αυτού του σκοπού επιβάλλουμε στο σύστημα τη ίδια χρονοΪστορία σεισμών, όπως και στα προηγούμενα δυναμικά πειράματα, καταλήγοντας σε πολύ χρήσιμα συμπεράσματα.

Basic idea: The topic of this thesis is to investigate the seismic behavior of an innovative stiffness and energy dissipation system in multi-storey buildings, an idea of Pr. J. Vayas, which was firstly examined by Mr. Ph. Karydakis.

Initial approach: Until now, the usual practice in order to achieve the required strength and stiffness of structures against horizontal loads, in steel and concrete structures, is either moment resisting frames or shear walls or anti-diagonal bracings, with or without eccentricity. Considering the advantages and disadvantages of each of these systems, a new one is examined; this consists of two strong vertical columns, which are connected together with horizontal beams (fuse elements) – thus resembles a vertical Vierendeel beam. The above system is called the INSTED system (INnovative STiffness and Energy Dissipation system). It has the traits of a shear wall but still with extra benefits. At first, it has the ability to dissipate large amounts of energy through plastic deformation of its fuse elements (horizontal beams) and also, if required, after a strong seismic motion, the ease of repair or replacement of these members. This system has been studied for steel structures but its implementation is yet at an early stage. The experimental investigation first took place in the Steel Structures Laboratory of NTUA, where real-scale physical models were subjected to static monotonic and cyclic pushover tests, based on two different loading time histories. This investigation was, afterwards, correlated with corresponding non-linear analyses. The first experiments verified that the resistance to horizontal loading and the plastification during this are concentrated on specific default elements and locations, i.e. on the horizontal beams, protecting the other components of the structure from yielding. Furthermore, the energy dissipation system (horizontal beams) does not participate in the dead load bearing mechanism, distinguishing, in this way, the elements according to their primary function. Therefore, the proposed system presents several advantages, meaning the ability to dissipate significant amounts of energy, along with the ease of replacement of the fuse elements, since these do not consist the core elements of the structure (such as columns).

Aim of the thesis: Of course, the investigation of such a system could not exclude the conduction of dynamic analyses and experiments, from which its ductile behavior, as well as the protection of the structure in which it would be placed, would be clearly distinctive. That was the main element of our diploma thesis. Indeed, in order for the results to be as much realistic as possible, we integrated the proposed system, both numerically and experimentally, to an existing three-story physical model (scale factor 1:10), which corresponds to an real three-storey building. The thesis is divided in two parts: Part A includes the numerical analyses performed in Abaqus, which were conducted in order to investigate the proposed retrofitting system at a numerical basis at first. Consequently, Part B compiles the experimental results of the static and dynamic tests, carried out in the Soil Mechanics Laboratory, NTUA, as well as some representative numerical analyses based on these experiments.

PART A’

The numerical part of this thesis includes three - dimensional finite element analyses conducted with Abaqus software. These analyses include simulation of:  the INSTED system, according to the setup of the real scale experiments conducted in the Steel Structures Laboratory,  the three-storey building, in model scale (1:10)  the retrofitted building, via the INSTED system and  the retrofitted building via an RC shear wall. Our aim is to compare - through the analyses - the seismic response of the retrofitted building with the one of the original (non-retrofitted) structure and examine afterwards the additional capacity of the retrofitted one. Both the original and the retrofitted building are subjected to the same series of Greek earthquakes of moderate intensity that was used in the experimental investigation of the original structure (MNSA 1999, Aegion 1995, Kalamata 1986, Lefkada 2003). Moreover, the retrofitted building is subjected to motions of greater intensity (Rinaldi, Jma, Takatori). During these records, the system's ability to absorb significant amounts of energy - due to its great ductility - is confirmed. As a result, the retrofitted structure survives after significantly strong seismic motions (with accelerations much larger than the design yield acceleration), acquiring, of course, permanent deformation, but still within acceptable limits. On the contrary, the original building fails to withstand even the moderate intensity Greek seismic records and collapses eventually during the record of Lefkada, by displaying a “soft – storey” collapse mechanism (plastification of the base floor columns). In the ensuing, the comparison of the INSTED system with the RC shear wall proves the superiority of the first type of retrofit, both in terms of structural deformation as well as in terms of repair and reuse. More specifically, the RC wall displays much smaller ductility and ease of deforming, thus is led to failure during the Takatori record, while the INSTED system manages to survive.

PART B’

Having completed the initial numerical analyses, we move on to the experimental investigation, which consists of both static and dynamic tests. The horizontal pushover tests include monotonic and slow-cyclic loading and are conducted with the pushover apparatus of the Laboratory of Soil Mechanics. The apparatus implements horizontal displacement at the second floor of the fixed structure, simulating triangular distribution for the building’s displacements. As far as the dynamic tests are concerned, the physical model of the three–storey building is placed on top of a sand stratum, prepared using a carefully-calibrated sand raining system. In this way, the soil – foundation – structure interaction is examined. Indeed, the retrofitted model building is tested, with different values of strength and stiffness, so as to achieve the desired ratio of stiffness to strength between the structure and the retrofitting system and also examine the effects of soil-structure interaction. The seismic motions used as base excitation are real accelerograms of varying intensity (Greek records, records from the 1994 Northridge earthquake in the U.S.A. and records from the 1995 Kobe earthquake in Japan). Taking into account the data acquired from the experimental series (such as the exact material properties), we move on to some representative numerical analyses, which mainly aim to simulate the experimental setup as realistically as possible. Through these analyses, the structure’s performance, along with the anticipated soil-structure interaction, becomes much clearer. In the final stage of our thesis, we investigate experimentally the individual behavior of the INSTED system, without the participation of the rest of the structure, but, instead, using the corresponding mass on top of it. The formation of this 1-DOF system allows the individual examination of the system’s seismic performance, without taking into account any possible interference of the rest of the building. In order to achieve this, we submit the system to the same seismic sequence used in the previous dynamic experiments, resulting in very useful conclusions.