Σεισμική μόνωση μεταλλικού κτιρίου με διαφορετικούς τύπους εφεδράνων

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετούνται τα πλεονεκτήματα της χρήσης της σεισμικής μόνωσης σε τυπικό μεταλλικό κτίριο. Μελετούνται δύο διαφορετικοί τύποι παθητικής σεισμικής μόνωσης (ελαστομεταλλικά εφέδρανα με πυρήνα μολύβδου και σφαιρικά εφέδρανα ολίσθησης) και αντιπαραβάλλονται τα πλεονεκτήματα της χρήσης τους στον σχεδιασμό, στην σεισμική απόκριση, την ασφάλεια του έργου, αλλά και στην οικονομικότητα που αφορά στον σχεδιασμό της κατασκευής και στην επισκευή της μετά από μία ισχυρή σεισμική διέγερση. Κατόπιν, τα αποτελέσματα που προκύπτουν, συγκρίνονται με τα αντίστοιχα αποτελέσματα για την περίπτωση σχεδιασμού του κτιρίου χωρίς την παρουσία σεισμικής μόνωσης. Για τον σκοπό αυτό πραγματοποιούνται ισοδύναμη γραμμική ανάλυση, φασματική δυναμική ανάλυση και μη γραμμική δυναμική ανάλυση. Μελετάται συγκριτικά η σεισμική απόκριση των κατασκευών, μονωμένων και μη, για τη σεισμική διέγερση του Αιγίου με την μη γραμμική μέθοδο δυναμικής ανάλυσης.Στη συνέχεια με την βοήθεια της χρήσης συντελεστών κλίμακας συγκρίνονται τα αποτελέσματα που προκύπτουν για την δυναμική φασματική ανάλυση και την μη γραμμική δυναμική ανάλυση και εξάγονται τα αντίστοιχα συμπεράσματα για το επίπεδο ακρίβειας της κάθε μεθόδου στην ανάλυση των σεσμικά μονωμένων κτιρίων Για την εφαρμογή της δυναμικής φασματικής ανάλυσης και της μη γραμμικής δυναμικής ανάλυσης χρησιμοποιείται το λογισμικό SAP2000 και παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης που ακολουθήθηκε. Κατά την διάρκεια της εργασίας παρουσιάζεται πλήρως ο τρόπος διαστασιολόγησης των εφεδράνων με βάση τους ισχύοντες κανονισμούς και υπολογίζεται η ρεαλιστική δυσκαμψία και απόσβεση που προκύπτουν από την εφαρμογή των παραμέτρων που απαιτούν οι σύγρονοι κανονισμοί.

Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια μικρή ιστορική αναδρομη όσον αφορά στην χρήση σεισμικής μόνωσης στις κατασκευές, αναφέρονται οι κατηγορίες σεισμικής μόνωσης, περιγράφεται η φιλοσοφία του σχεδιασμού των κατασκευών έναντι σεισμικών διεγέρσεων σύμφωνα με τους κανονισμόυς και αντιπαρατίθεται η φιλοσοφία σχεδιασμού χρησιμοποιώντας σεισμική μόνωση. Τέλος, γίνεται αναφορά στους γενικότερους στόχους που τίθενται με τη χρήση της σεισμικής μόνωσης και της απόσβεσης ενέργειας.

Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται τα βασικά χαρακτηριστικά των συστημάτων σεισμικής μόνωσης και εξηγείται περιληπτικά ο τρόπος δράσης τους.

Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται οι συνήθεις τύποι σεισμικής μόνωσης που χρησιμοποιούνται στα τεχνικά έργα. Αυτοί είναι: συστήματα με ελαστομερή εφέδρανα και συστήματα μόνωσης με εφέδρανα τριβής ή ολίσθησης. Στη συνέχεια περιγράφονται τα βασικά χαρακτηριστικά, οι αρχές λειτουργίας και οι ιδιότητες αυτών των συστημάτων.

Στο τεταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται κάποια παραδείγματα εφαρμογής της σεισμικής μόνωσης στην Ελλάδα και στο εξωτερικό.

Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφονται οι μέθοδοι διαστασιολόγησης και ανάλυσης των σεισμικά μονωμένων κτιρίων σύμφωνα με τους κανονισμούς. Αυτές είναι: Η μέθοδος του Ισοδύναμου μονοβάθμιου συστήματος, η μέθοδος φασματικής απόκρισης και η μη γραμμική δυναμικη ανάλυση. Τέλος, γίνεται αναφορά στους απαιτούμενους έλεγχους των συστημάτων σεισμικής μόνωσης σύμφωνα με τους ισχύοντες κανονισμούς.

Στο έκτο κεφάλαιο περιγράφονται οι κατασκευαστικές απαιτήσεις που σχετίζονται με την εγκατάσταση συστημάτων σεισμικής μόνωσης. Παρουσιάζονται κατασκευαστικές λεπτομέρειες με βάση αρχιτεκτονικά και λειτουργικά κριτήρια που πρέπει να ικανοποιούνται για τα κτίρια που μονώνονται σεισμικά.

Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται και περιγράφονται τα κτίρια που προσομοιώθηκαν με σκοπό την ανάλυση και το σχεδιασμό τους, με ή χωρίς την εφαρμογή σεισμικής μόνωσης. Επίσης, γίνεται ο καθορισμός των παραμέτρων για τον αντισεισμικό σχεδιαμό των κτιρίων και επεξηγείται η διαδικασία ανάλυσης των κτιρίων με διάφορες μεθόδους.

Στο όγδοο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μέθοδος διαστασιολόγησης και η μοντελοποίηση των τριών κτιρίων (σεισμικά μονωμένα και μη) με την χρήση του SAP2000. Τα τρία κτίρια που προκύπτουν συγκρίνονται σε επίπεδο οικονομικότητας. Επίσης, παρουσιάζεται η διαστασιολόγηση των εφεδράνων με την μέθοδο του ισοδύναμου μονοβαθμίου συστήματος και εφαρμόζονται οι απαιτούμενοι έλεγχοι για τον κάθε τύπο εφεδράνου (ελαστομεταλλικά εφέδρανα με πυρήνα μολύβδου, σφαιρικά εφέδρανα ολίσθησης). Παρουσιάζονται και συγκρίνονται τα αποτελέσματα της μεθόδου του ισοδύναμου μονοβαθμίου συστήματος και της εφαρμογής φασματικής ανάλυσης με την χρήση του λογισμικού SAP2000 για τις απαιτήσεις του EC8. Στη συνέχεια εφαρμόζεται μη γραμμική δυναμική ανάλυση για τη σεισμική διέγερση του Αιγίου στα τρία κτίρια (μονωμένα και μη) και συγκρίνονται τα απότελεσματα σε επίπεδο κινηματικών και εντατικών μεγεθών αλλά και βλαβών στα μέλη τους. Μελετάται ακροθιγώς η σεισμική απόκριση των κτιρίων και των εφεδράνων για την σεισμική διέγερση. Τέλος, με την χρήση συντελεστών κλίμακας γίνεται απευθείας σύγκριση των εντατικών και παραμορφωσιακών μεγεθών που προκύπτουν στα μέλη και στα εφέδρανα των δύο σεισμικά μονωμένων κτιρίων, για την εφαρμογή της δυναμικής φασματικής ανάλυσης και της μη γραμμικής δυναμικής ανάλυσης με σκοπό να εξαχθούν συμπεράσματα για την ακρίβεια των δύο μεθόδων όσον αφορά στην μελέτη κτιρίων με σεισμική μόνωση.

The advantages of using seismic isolation at the base level of a conventional steel building are examined in the present study. Two different types (elastometallic lead rubber and friction spherical bearings) have been used in order to accomplish the passive seismic isolation and their performances have been compared regarding the analysis results, seismic response and safety of the buildings, as well as the economic benefits with respect to design of the structure and rehabilitation of the damages caused by a strong earthquake. In addition to these, the results are compared with the corresponding ones derived from the analysis of the conventionally supported steel building. In order to achieve all the above mentioned, the analysis procedures performed are the equivalent linear analysis, the response spectrum analysis and the time-history analysis. Moreover, the seismic response of the buildings, with or without base isolation, has been examined for the seismic analysis spectrum of the Aigion’s earthquake with the aim of the nonlinear time-history analysis. Results of response spectrum and time-history analysis are compared employing magnitude scaling factors in order to derive conclusion remarks with respect to the accuracy of these methods for the analysis of the seismic isolated buildings. The computational software SAP2000 is employed in order to implement the response spectrum and time-history analysis and the building models are presented. The design procedure, according to modern codes, of the bearing systems used to accomplish base isolation of the steel buildings has been described in the present study, along with the evaluation of stiffness and damping real values employing the parameter values given by the codes.

In the first chapter, a brief history of seismic isolation in structures is provided and the different types of seismic isolation have been mentioned. Τhe design philosophy of structures in order to resist seismic loads according to various codes is described and compared to the design regarding seismic isolation. Finally, the main targets set for seismic isolation and energy dissipation have been reported.

In the second chapter, the main features of seismic isolation technique are described while the way of its action is shortly explained.

In the third chapter, different types of seismic isolation used in structures have been described. These are: systems of elastomer bearings and systems of friction bearings. Finally, the most important features and the operating principles of these systems have been mentioned.

In the fourth chapter, some applications of seismic isolation worldwide, along with the types of the devices used, have been reported.

Thereafter, in the fifth chapter, the analysis procedures of isolated buildings according to codes are presented. Particularly, equivalent linear, response spectrum and time-history analyses are described. Finally, safety verifications for ultimate limit state have been reported.

In the next chapter, the structural details regarding the installation of seismic isolation systems are presented. Architectural and serviceability criteria have been taken into account for isolated buildings.

In the following chapter, the models of buildings used for the analysis and design either with or without seismic isolation are described. Additionally, the earthquake design parameters are defined and it is explained how the analysis procedures have been applied for the design of the different building models.

Finally, in the last chapter, the simulation and design procedure of the three buildings, with (LRB and FPS bearings) or without seismic isolation, are presented with the aid of the computational software SAP2000. Economic aspects have been considered in order to compare the aforementioned buildings. In addition to this, the equivalent linear analysis method is employed in order to design and specify the dimensions of the bearings used. Additionally, all the strength and safety verifications are presented for each type of bearing system (elastometallic lead rubber and friction spherical bearings). The results derived from the employment of the equivalent linear and response spectrum analyses with the aid of the software and according to Eurocode 8 are presented and compared. Then, time-history analysis is performed using the response spectrum of Aigion’s Earthquake for the buildings (with or without seismic isolation) and the findings regarding displacements and member forces are compared, along with the damages caused. The seismic response of the buildings and the isolation systems is briefly studied. Finally, displacements and member forces of both the isolated buildings, which have been analyzed employing response spectrum and time-history analysis, are directly compared with the aid of magnitude scaling factors in order to draw conclusions for the accuracy of the methods used.