Μελέτη συστημάτων αποσβέσων υψηλών κτιρίων

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία, έχει ως σκοπό τη μαθηματική μοντελοποίηση και στη συνέχεια τη μελέτη ενός υψηλού κτιρίου, το οποίο προστατεύεται έναντι σεισμικής καταπόνησης με την κατασκευή δύο διαφορετικών συστημάτων σεισμικής μονώσεως, όπου το πρώτο τοποθετείται στη βάση του (base isolation system) ενώ το δεύτερο αφορά συντονισμένο αποσβεστήρα ολισθαίνουσας μάζας (T.M.D.) καθ’ ύψος του. Η δομή της εργασίας έχει ως εξής: Στο πρώτο κεφάλαιο προσδιορίζεται ο σκοπός και το αντικείμενο της εργασίας, ενώ στη συνέχεια γίνεται βιβλιογραφική ανασκόπηση κατά την οποία πραγματοποιείται ταξινόμηση και κατόπιν ανάλυση των συστημάτων ελέγχου απορρόφησης ενέργειας στις κατασκευές. Η κατηγοριοποίηση αυτή γίνεται ανάλογα με τον τρόπο τροφοδοσίας τους με ενέργεια για την λειτουργία τους, την θέση τους στο δόμημα, και τον τρόπο δράσης τους σ’ αυτό. Έτσι έχουμε τα παθητικά συστήματα ελέγχου, τα ενεργητικά, και τα υβριδικά, για την πρώτη κατηγορία ταξινόμησης, τα εξωτερικού και εσωτερικού τύπου, για την δεύτερη, και αυτά που μεταβάλλουν την δυσκαμψία της κατασκευής, αυξάνουν την απόσβεση ή αυτά που ανακατανέμουν τη μάζα της, για την τελευταία. Με βάση την παραπάνω κατηγοριοποίηση, τα συστήματα τα οποία μελετά η εργασία αυτή, είναι παθητικά συστήματα εσωτερικού τύπου, και συγκεκριμένα αποσβεστήρες μάζας οι οποίοι συνδέονται με το κτίριο μέσω ελατηρίου και αποσβέστη (αμορτισέρ). Στο δεύτερο κεφάλαιο πραγματοποιείται η μαθηματική μοντελοποίηση του κτιρίου, για τις περιπτώσεις όπου αυτό α) δεν είναι σεισμικά μονωμένο με σύστημα απόσβεσης, β) διαθέτει σύστημα αποσβέσεως στη βάση του, και τέλος, γ) διαθέτει σύστημα αποσβέσεως ολισθαίνουσας μάζας (T.M.D) σε κάποιο ύψος του. Στο τρίτο κεφάλαιο πραγματοποιείται ο προγραμματισμός των τριών μοντέλων στο περιβάλλον του μαθηματικού λογισμικού «Mathematica, Έκδοση 4.1.», και γίνεται αριθμητική εφαρμογή για συγκεκριμένες διαστάσεις και αδρανειακά μεγέθη της κατασκευής και χαρακτηριστικά των συστημάτων αποσβέσεως. Έτσι, παρουσιάζονται τα αντίστοιχα διαγράμματα απόκρισης της κατασκευής για δεδομένη εδαφική κίνηση στην οποία υποβάλλεται, για κάθε περίπτωση συστήματος απόσβεσης που εξετάστηκε . Η εργασία ολοκληρώνεται με το τέταρτο κεφάλαιο, όπου επιχειρείται η ανάλυση των αποτελεσμάτων του κεφαλαίου 3, η εξαγωγή βασικών συμπερασμάτων για την αποτελεσματικότητα των συστημάτων αποσβέσεως που μοντελοποιήθηκαν και η μεταξύ τους σύγκριση.

This thesis deals with the isolation systems that have recently became popular for controlling the vibrations of multi-storey buildings. We try to simulate a high - rise building considering a cantilever beam with varying cross-section along its length, which has concentrated masses at different points of its height. We consider an isolation system composed by a spring and a damper, applied at the structure’s foundation, in order to improve the structure’s ability, and that, is compared with another isolation system of a T.M.D (tuned mass damper), placed on the structure’s more effective position along its length. The first chapter focuses on the classification of all kind of isolation systems, thus, we have the active, the passive and the hybrid ones. These are placed inside or outside the structure, and also can be classified according the way that they use to absorb the earthquake energy, by increasing the stiffness of the structure, the damping ratio, or else, redistributing the mass of it. The second chapter, ventures to compose, analyze and solve the mathematical model of a high rise building a) without any isolation system, b) with an isolation system placed at the structure’s base, composed by a spring and a damper, and with c) a tuned mass damper (T.M.D) which is placed at the top of the structure. The third chapter deals with the programming of these three models, using the mathematical software “Mathematica, v.4.1’’. Numerical examples are presented and same useful results are gathered. The final fourth chapter of this thesis, ventures to gather and analyze the results of the above examples, in order to compare the ability of the two isolation systems.