Design Optimization of Seismic-Resistant Steel Frames

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση της συμπεριφοράς του καινοτόμου αντισεισμικού «FUSEIS1-2», το οποίο απορροφά μεγάλη ποσότητα σεισμικής ενέργειας μέσω πλαστικής παραμόρφωσης προστατεύοντας το υπόλοιπο κτίριο. Το σύστημα εφαρμόζεται σε πολυώροφα μεταλλικά ή σύμμικτα κτίρια συνδυάζοντας την αρχιτεκτονική ευελιξία των πλαισίων ροπής με την υψηλή δυσκαμψία των συνδέσμων δυσκαμψίας και προσφέροντας επιπλέον τη δυνατότητα εύκολης τοποθέτησης και επισκευής. Η παραλαβή των σεισμικών φορτίων μπορεί να γίνει είτε εξολοκλήρου από το σύστημα, είτε σε συνεργασία με πλαίσια ροπής. Το σύστημα αναπτύχθηκε στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος «FUSEIS – Dissipative Devices for Seismic Resistant Steel Frames». Περιλαμβάνει δύο ισχυρούς στύλους σε μικρή απόσταση που συνδέονται με πολλαπλές συσκευές καθ’ ύψος του ορόφου, οι οποίες δε συμμετέχουν στην παραλαβή των κατακόρυφων φορτίων. Κάθε συσκευή αποτελείται από δυο δοκούς-υποδοχείς, που συνδέονται στο μέσο με πείρους κυκλικής ή ορθογωνικής διατομής. Οι δοκοί-υποδοχείς είναι ισχυρές και δύσκαμπτες και η σύνδεσή τους στα υποστυλώματα του συστήματος άκαμπτη, ώστε το σύστημα να συμπεριφέρεται όμοια με μία κατακόρυφη δοκό Vierendeel. Με ειδική εξασθένιση της διατομής τους στο μέσο η πλαστικοποίηση κατευθύνεται στην περιοχή αυτή, μακριά από τη επιφάνεια επαφής τους με τις μετωπικές πλάκες των δοκών-υποδοχέων, ώστε οι μετωπικές πλάκες και οι δοκοί-υποδοχείς να παραμένουν ελαστικές. Λόγω του μικρού μεγέθους και του μεγάλου αριθμού των «ανταλλακτικών» πείρων, η παραγωγή, τοποθέτηση και αντικατάσταση/επισκευή των συσκευών είναι απλή, γρήγορη και χαμηλού κόστους. Με κατάλληλη επιλογή των διατομών και του μήκους των πείρων εντός του ορόφου ή μεταξύ των ορόφων παρέχεται στο μελετητή η δυνατότητα να καθορίσει την αλληλουχία πλαστικοποίησης τους. Έτσι η επιλογή των πείρων ακολουθεί την αύξηση της τέμνουσας ορόφου από την οροφή στη βάση του κτιρίου. Επιπλέον, με κατάλληλο σχεδιασμό το σύστημα μπορεί σχεδόν να επαναφέρει το κτίριο στην αρχική του θέση με μικρές παραμένουσες παραμορφώσεις έπειτα από μία σεισμική καταπόνηση και να εξασφαλίσει ότι το κτίριο θα παραμείνει λειτουργικό.Η μελέτη του συστήματος περιλαμβάνει αριθμητικές και πειραματικές διερευνήσεις. Κατά τις πειραματικές διερευνήσεις ελέγχθηκαν υπό μονοτονική και ανακυκλιζόμενη φόρτιση μεμονωμένες συσκευές με πείρους κυκλικής διατομής και δοκούς-υποδοχείς κοίλης διατομής και ολόκληρο το σύστημα με τις συσκευές σε πραγματική κλίμακα. Οι αναλυτικές διερευνήσεις είχαν σαν στόχο την ανάπτυξη κατάλληλων μοντέλων πεπερασμένων στοιχείων προς βαθμονόμηση βάσει των δοκιμών. Από τα αποτελέσματα των αναλύσεων συντάχθηκε ο Οδηγός Σχεδιασμού που περιλαμβάνει τη μεθοδολογία και όλες τις απαραίτητες οδηγίες για τον αντισεισμικό σχεδιασμό κτιρίων με το σύστημα «FUSEIS1-2» αλλά και για την πρόβλεψη των αναμενόμενων μηχανισμών πλαστικοποίησης και κατανομής της βλάβης. Η μεθοδολογία επιβεβαιώθηκε μέσω γραμμικών και μη γραμμικών στατικών και δυναμικών αναλύσεων πλαισίων πραγματικών κτιρίων με το σύστημα. Ο Οδηγός Σχεδιασμού βασίστηκε στις διατάξεις των Ευρωκωδίκων με κατάλληλες τροποποιήσεις σε ορισμένες από αυτές και περιλαμβάνει όλα τα απαραίτητα στοιχεία για να μπορέσει να ενταχθεί το σύστημα στους αντισεισμικούς κανονισμούς.

Download Full-text

Ανάπτυξη συστημάτων σεισμικής προστασίας πολυώροφων κτιρίων

10.12681/eadd/43915 ◽

2016 ◽

Author(s):

Γεωργία Δούγκα

Keyword(s):

Steel Frames ◽

Resistant Steel ◽

Seismic Resistant

Αντικείμενο της διατριβής είναι η διερεύνηση της συμπεριφοράς του καινοτόμου συστήματος σεισμικής προστασίας FUSEIS1-1 το οποίο μπορεί να υποκαταστήσει τα συνήθη συστήματα δυσκαμψίας σε πολυώροφα μεταλλικά και σύμμικτα κτίρια και να βελτιώσει τη συμπεριφορά τους. Αναπτύχθηκε στα πλαίσια του ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος με τίτλο «Dissipative Devices for Seismic Resistant Steel Frames», αποκαλούμενο FUSEIS. Το FUSEIS1-1 διαθέτει υψηλή πλαστιμότητα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν σύστημα πλευρικής ευστάθειας ενός κτιρίου, μόνο του ή σε συνδυασμό με πλαίσιο ροπής. Αποτελείται από ένα ζεύγος ισχυρών υποστυλωμάτων που συνδέονται άκαμπτα με επάλληλες οριζόντιες δοκούς σε πυκνή διάταξη σχηματίζοντας μια κατακόρυφη δοκό Vierendeel. Οι δοκοί του συστήματος, οι οποίες μπορεί να αποτελούνται από υψίκορμες διατομές IPE, πλατύπελμες HE ή από κοίλες τύπου SHS, RHS και CHS είναι τα στοιχεία απορρόφησης ενέργειας που καθορίζουν τη δυσκαμψία και αντοχή του. Μεταβάλλοντας τη διατομή και το μήκος των δοκών εντός του ορόφου ή μεταξύ των ορόφων το σύστημα μπορεί να σχεδιαστεί βάσει του επιθυμητού μηχανισμού αστοχίας. Η απορρόφηση της σεισμικής ενέργειας και η πλαστικοποίηση λαμβάνουν χώρα σε προεπιλεγμένες θέσεις εντός των δοκών του με αποτέλεσμα το υπόλοιπο κτίριο να παραμένει προστατευμένο και άθικτο. Οι θέσεις σχηματισμού πλαστικών αρθρώσεων βρίσκονται σε απόσταση από τη σύνδεση δοκού - υποστυλώματος το οποίο εξασφαλίζεται με τοπική εξασθένηση των πελμάτων των δοκών (Reduced Beam Sections - RBS). Μετά από έναν ισχυρό σεισμό οι πιθανές επισκευές περιορίζονται στην αντικατάσταση των δοκών, γίνονται άμεσα και με χαμηλό κόστος, κυρίως λόγω της απλής γεωμετρίας και του μικρού μεγέθους τους, και επιτρέπουν την ταχεία επαναλειτουργία του κτιρίου καθώς δε συμμετέχουν στην παραλαβή των φορτίων βαρύτητας και οι παραμένουσες παραμορφώσεις είναι μικρές.Η μελέτη της απόκρισης του συστήματος έγινε με τη βοήθεια πειραματικών και αναλυτικών διερευνήσεων οι οποίες ανέδειξαν και τα βασικότερα πλεονεκτήματά του. Κατά τις πειραματικές διερευνήσεις εξετάστηκαν μεμονωμένες δοκοί και ολόκληρα πλαίσια με δοκούς διαφόρων τύπων διατομής (IPE, SHS, CHS, HEA) υπό μονοτονική και ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Οι αναλυτικές διερευνήσεις περιλάμβαναν προσομοιώματα πεπερασμένων στοιχείων, τα οποία βαθμονομήθηκαν βάσει των αποτελεσμάτων των πειραματικών δοκιμών, και εφαρμογή του συστήματος σε αντιπροσωπευτικά πλαίσια πραγματικών κτιρίων. Από τα αποτελέσματα των διερευνήσεων καθορίστηκαν οι κρίσιμες παράμετροι που επηρεάζουν τη συμπεριφορά του συστήματος και αναπτύχθηκαν κατάλληλοι κανόνες για το σχεδιασμό του, οι οποίοι διαμορφώθηκαν σύμφωνα με τις διατάξεις των Ευρωκωδίκων και συνοψίστηκαν σε ενιαίο κείμενο, τον Οδηγό Σχεδιασμού. Η επάρκεια της προτεινόμενης μεθοδολογίας ελέγχθηκε στη συνέχεια μέσω μη γραμμικών στατικών και δυναμικών αναλύσεων. Ο Οδηγός Σχεδιασμού καθιστά δυνατή την ένταξη του FUSEIS1-1 στα συστήματα απορρόφησης των σύγχρονων αντισεισμικών κανονισμών παρέχοντας στο μελετητή όλα τα απαραίτητα εργαλεία για την εφαρμογή του σε πραγματικά κτίρια ώστε να μπορεί να τα διαστασιολογήσει και παράλληλα να είναι σε θέση να προβλέψει την απόκρισή τους και τον μηχανισμό κατάρρευσης όταν υπόκεινται σε σεισμικά φορτία.

Download Full-text