Ενισχύσεις πετρόχτιστων κατασκευών για αύξηση αντοχής έναντι προοδευτικής κατάρρευσης

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με την ενίσχυση πετρόχτιστων κατασκευών για αύξηση της αντοχής τους έναντι προοδευτικής κατάρρευσης. Πιο συγκεκριμένα, έγινε αποτίμηση της φέρουσας ικανότητας ενός υφιστάμενου λίθινου κτιρίου και επιλέχθηκαν τρεις συνδυασμοί ενίσχυσής του έναντι σεισμού. Στη συνέχεια διερευνήθηκε η αποτελεσματικότητα των εν λόγω ενισχύσεων έναντι προοδευτικής κατάρρευσης. Στο πρώτο κεφάλαιο δίνονται κάποια εισαγωγικά στοιχεία γενικά για την τοιχοποιία, τα διάφορα είδη της και κυρίως για την τοιχοποιία από φυσικούς λίθους. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναφέρονται επιγραμματικά οι πιο διαδεδομένες μέθοδοι ενίσχυσης λίθινων κατασκευών και στη συνέχεια παρουσιάζονται λεπτομερώς οι τρεις συνδυασμοί μεθόδων ενίσχυσης, οι οποίοι επιλέχθηκαν να υλοποιηθούν στην υπό μελέτη κατασκευή. Το τρίτο κεφάλαιο περιγράφει την έννοια της ευρωστίας (Robustness) στις κατασκευές και της προοδευτικής κατάρρευσης. Επίσης παρουσιάζεται αναλυτικά η διαδικασία της ανάλυσης για τυχηματικές φορτίσεις που ακολουθήθηκε στην παρούσα εργασία. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η υπό μελέτη κατασκευή και το αντίστοιχο προσομοίωμα που δημιουργήθηκε στο λογισμικό SAP2000. Καθορίζονται τα μηχανικά χαρακτηριστικά της υφιστάμενης τοιχοποιίας, οι επιβαλλόμενες φορτίσεις και ο σεισμός σχεδιασμού και πραγματοποιείται ιδιομορφική ανάλυση. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η προσομοίωση καθενός από τους τρεις επιλεγμένους συνδυασμούς ενισχύσεων, τα μηχανικά χαρακτηριστικά της ενισχυμένης τοιχοποιίας και η ιδιομορφική ανάλυση που πραγματοποιείται για καθένα από τους ενισχυμένους φορείς. Τέλος, συσχετίζονται τα αποτελέσματα των αναλύσεων και αποτιμάται η αποτελεσματικότητα των εν λόγω ενισχύσεων έναντι σεισμού. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται η αποτίμηση της υπό μελέτη κατασκευής έναντι προοδευτικής κατάρρευσης. Περιγράφονται αναλυτικά τα δύο κριτήρια βάσει των οποίων θα γίνει η αποτίμηση: ο έλεγχος των ορθών τάσεων και ο έλεγχος σε διάτμηση εντός του επιπέδου της τοιχοποιίας. Έπειτα, παρουσιάζονται τέσσερα διαφορετικά σενάρια τυχηματικής αστοχίας στο καθένα από τα οποία αφαιρείται βίαια ένα κρίσιμο φέρον στοιχείο της κατασκευής. Στη συνέχεια για κάθε ένα από τα σενάρια αυτά γίνεται αποτίμηση έναντι προοδευτικής κατάρρευσης του υπό μελέτη κτιρίου στην υφιστάμενη του κατάσταση αλλά και ενισχυμένο με τους τρεις συνδυασμούς επεμβάσεων που περιγράφηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια. Στο έκτο και τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συνολικά συμπεράσματα στα οποία κατέληξε η παρούσα εργασία.

This diploma thesis is concerned with the rehabilitation of masonry buildings with the aim of equipping them with the most basic principles of robustness and eliminating the risk of a progressive collapse. More specifically, the assessment of seismic behavior and capacity of an existing masonry building is carried out and then three retrofitting methods are selected to be implemented. Additionally, it is examined how effective are those methods as regards robustness and if they enable the strengthened structure to cope with critical scenarios without the occurrence of damages disproportionate to the original cause. The first chapter of the thesis consists of a brief reference to masonry, its different types and further information are provided about stone masonry. In the second chapter there is an overview of the most common strengthening methods that are used for masonry buildings. Afterwards, three combinations of some of the aforementioned methods are presented thoroughly as proposals for the strengthening of the under-study structure. The third chapter refers to the concept of Robustness of structures and progressive collapse as well. Furthermore the method followed for the analysis due to low probability events and unforeseeable incidents (accidental circumstances) is analytically described. In the fourth chapter there is a detailed description of the under-study masonry building and how exactly it is simulated in SAP2000. Material properties and characteristics of the existing structure, the applied loads and the design spectrum are defined as well, and modal analysis is carried out. Moreover, the simulation of each of the three strengthening combinations is presented and modal analysis is again carried out for each strengthened building. Finally, the analysis results of the existing and the three reinforced buildings are compared in order to verify the effectiveness of the proposed seismic retrofitting techniques. The fifth chapter deals with the assessment of the building as regards robustness and its ability to avoid a progressive collapse. The criteria for this assessment are based on the direct shell stresses S22 and the shearing forces F12 that the masonry develops. Furthermore, four scenarios of unforeseeable incidents that are considered to cause damage to different areas of the building as well as loss of support are presented. For each of these scenarios, it is examined if the existing structure is able to redistribute the loads imposed on it after a loss of support and avoid a wider failure. The same aspect is checked in the three strengthened buildings too, in order that the effectiveness of the proposed seismic retrofitting techniques as for the risk of a progressive collapse could be verified. In the sixth and final chapter, the conclusions of this thesis are cited. More specifically, it is mentioned how each of the implemented retrofitting methods improve the robustness of the structure and enhance its behavior in case of accidental circumstances.