Αποτίμηση της σεισμικής συμπεριφοράς υφιστάμενων κτιρίων από ωπλισμένο σκυρόδεμα

Abstract

Οι βλάβες που παρατηρήθηκαν στα κτίρια από τους πρόσφατους σεισμούς, καθώς και το γεγονός ότι η υποχρεωτική εφαρμογή των σύγχρονων Αντισεισμικών Κανονισμών ισχύει μόνον για την τελευταία δεκαετία, καθιστούν καίρια την ανάγκη αποτίμησης της σεισμικής τρωτότητας των υφισταμένων κτιρίων, τα οποία αποτελούν σημαντικό ποσοστό του δομημένου πλούτου της χώρας και έχουν μελετηθεί και κατασκευασθεί βάσει παλαιότερων Κανονισμών. Τα κτίρια αυτά, τα οποία κατασκευάσθηκαν μεταξύ της δεκαετίας του 1960 και μέχρι το τέλος της δεκαετίας του 1980, έχουν μελετηθεί συχνά για χαμηλότερο σεισμικό συντελεστή, με απλοποιημένα προσομοιώματα για την ανάλυση και χωρίς τις ειδικές πρόσφατες διατάξεις για ικανοτικό σχεδιασμό και όπλιση κρισίμων περιοχών (κτίρια πριν το 1984), ή με απλοποιημένες διατάξεις για τα κτίρια μετά το 1984 και πριν απ' την εφαρμογή του ΕΑΚ. Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή διερευνάται η σεισμική συμπεριφορά υφισταμένων κτιρίων από οπλισμένο σκυρόδεμα. Η παρούσα Διατριβή έχει ως αντικείμενο την ποσοτικοποίηση μέσω αναλυτικής προσομοίωσης, της ανελαστικής απόκρισης των υφισταμένων κτιρίων. Αρχικώς, αναπτύσσεται μία απλή μεθοδολογία για την αποτίμηση της σεισμικής απόκρισης των κτιρίων από Ω.Σ. με χρήση στατικής ανελαστικής ανάλυσης. Στόχος της Διατριβής είναι σε έναν πληθυσμό καταλλήλως επιλεγμένων υφισταμένων κτιρίων να αποτιμηθούν κρίσιμες παράμετροι συμπεριφοράς, όπως είναι η υπεραντοχή του κτιρίου, η μέγιστη διατιθέμενη παραμορφωσιμότητα του κτιρίου στην αστοχία, ο μηχανισμός κατάρρευσης, η απορρόφηση ενέργειας, η αναμενόμενη κατανομή των τοπικών βλαβών, η πλαστιμότητα και ο δείκτης συμπεριφοράς. Γι' αυτόν τον σκοπό, επιλέγονται 125 αντιπροσωπευτικά κτίρια από απόψεως γεωμετρίας και μόρφωσης του φέροντα οργανισμού, για διάφορες περιόδους. Τα κτίρια αυτά μελετώνται σύμφωνα με τους παλαιούς Κανονισμούς. Στην συνέχεια υπολογίζεται η αντίσταση και οι ανελαστικές παραμορφώσεις, σε τοπικό και ολικό επίπεδο. Τα εξεταζόμενα κτίρια αναλύονται ανελαστικά. Πραγματοποιούνται στατικές ανελαστικές αναλύσεις υπό αυξανόμενη ένταση και με χρήση της μεθοδολογίας που αναπτύχθηκε, αποτιμάται η σεισμική συμπεριφορά των κτιρίων και προσδιορίζονται μεταξύ άλλων, η υπεραντοχή τους, η ολική πλαστιμότητά τους, καθώς και ο διατιθέμενος δείκτης συμπεριφοράς. Επιπλέον, με εφαρμογή προσεγγιστικών μεθόδων, εκτιμάται η στοχευόμενη μετακίνηση του σεισμού, και ελέγχεται αν η μετακίνηση αυτή είναι μεγαλύτερη από την μετακίνηση αστοχίας, οπότε και απαιτείται κάποια μορφή ενίσχυσης της κατασκευής. Τέλος, πραγματοποιούνται δυναμικές ανελαστικές αναλύσεις υπό αυξανόμενης έντασης επιταχυνσιογραφήματα έως την αστοχία. Οι τιμές των σεισμικών μεγεθών οι οποίες προκύπτουν από τις δυναμικές ανελαστικές αναλύσεις συγκρίνονται με εκείνες από τις στατικές ανελαστικές αναλύσεις, με σκοπό την αξιολόγηση των απλούστερων αναλύσεων. Στα πλαίσια της Διατριβής αναπτύσσεται λογισμικό, σε γλώσσα προγραμματισμού Delphi 7, για την επεξεργασία του μεγάλου όγκου των αποτελεσμάτων και την εκτίμηση των μεγεθών βάσει της προτεινόμενης μεθοδολογίας. Το λογισμικό επεξεργάζεται τα αποτελέσματα των ανελαστικών αναλύσεων και τα απεικονίζει γραφικά. Σε κάθε βήμα της ανάλυσης ελέγχει την ικανοποίηση όλων των τεθέντων κριτηρίων διαρροής και αστοχίας. Επίσης, εκτελεί αυτόματα δυναμικές αναλύσεις υπό αυξανόμενης έντασης επιταχυνσιογράφημα και υπολογίζει την ολική πλαστιμότητα και τον δείκτη υπεραντοχής. Τα αποτελέσματα των στατικών αναλύσεων δείχνουν ότι η υπεραντοχή των υφισταμένων κτιρίων της δεκαετίας του '60 είναι σημαντική, ωστόσο, η πλαστιμότητα και ο διατιθέμενος δείκτης συμπεριφοράς τους είναι μικροί. Η ανάλυση γυμνών πλαισίων συχνά οδηγεί σε αποτελέσματα τα οποία δεν συμφωνούν με τις παρατηρούμενες βλάβες των κτιρίων. Αντίθετα, η ανάλυση τοιχοπληρωμένων πλαισίων μπορεί να προσεγγίσει καλύτερα την πραγματική συμπεριφορά των κτιρίων. Η παρουσία τοιχοποιίας στα περιμετρικά πλαίσια βελτιώνει σημαντικά την φέρουσα ικανότητα και την δυσκαμψία της κατασκευής. Ωστόσο, ασυνέχειες στην καθ' ύψος διάταξη της περιμετρικής τοιχοποιίας πληρώσεως προκαλούν καθ' ύψος ακανονικότητες με ενδεχόμενες δυσμενείς επιπτώσεις στην αντισεισμική συμπεριφορά της κατασκευής. Για τις μορφές ακανονικότητας που εξετάστηκαν, τα κτίρια με φυτευτά υποστυλώματα παρουσιάζουν την δυσμενέστερη συμπεριφορά. Τα κτίρια της δεκαετίας του '70 παρουσιάζουν δυσμενέστερη συμπεριφορά σε σχέση με τα αντίστοιχα της δεκαετίας του '60, κυρίως εξαιτίας των μεγαλύτερων φατνωμάτων. Επιβεβαιώνεται, επίσης, η βελτιωμένη συμπεριφορά των κτιρίων τα οποία είναι μελετημένα μετά το 1985, ενώ είναι σαφής η υπεροχή των κτιρίων που είναι μελετημένα σύμφωνα με τους σύγχρονους Κανονισμούς. Η εκτίμηση της δυναμικής συμπεριφοράς των εξεταζομένων υφισταμένων κτιρίων Ω.Σ. δείχνει ότι τόσο ο δείκτης πλαστιμότητας, όσο και ο δείκτης συμπεριφοράς στα κατώτερα όρια τους, είναι σε αποδεκτή συμφωνία με τις εκτιμήσεις της στατικής ανελαστικής ανάλυσης. Εν τούτοις, οι δυναμικές αναλύσεις εμφανίζουν σημαντική διασπορά τόσο στην απόκριση, όσο και στην προβλεπόμενη μετατόπιση αστοχίας, ανάλογα με την μορφή της ακανονικότητας και τον επιβαλλόμενο σεισμό. Επιπλέον, η ελάχιστη μετακίνηση οροφής κατά την αστοχία, η οποία προκύπτει από δυναμική ανάλυση είναι συστηματικά μικρότερη από την τιμή που προκύπτει από τις στατικές αναλύσεις. Τέλος, στις δυναμικές ανελαστικές αναλύσεις η μορφή αστοχίας για κάποια κτίρια διαφοροποιείται ανάλογα με την καταγραφή και την σεισμική ένταση της, και συχνά διαφέρει από εκείνη της στατικής ανάλυσης. Έτσι, για την εξαγωγή συμπερασμάτων με χρήση δυναμικών αναλύσεων υπό αυξανόμενης έντασης επιταχυνσιογράφημα, εξαιτίας της μεγάλης διασποράς των αποτελεσμάτων και της έντονης εξάρτησης των αποτελεσμάτων από το εκάστοτε επιταχυνσιογράφημα, πρέπει να χρησιμοποιούνται αρκετές καταγραφές που να καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων και παλμών. Για την περίπτωση που δεν είναι δυνατή η πραγματοποίηση ανελαστικών αναλύσεων, δίνονται κάποιες πρακτικές οδηγίες για την άμεση εκτίμηση του δείκτη συμπεριφοράς, ανάλογα με την περίοδο κατασκευής του κτιρίου, την γεωμετρία του, την μορφή ακανονικότητάς του και την πιθανή παρουσία τοιχοπληρώσεων. Ωστόσο, τονίζεται ότι τα αποτελέσματα τόσο των μη γραμμικών στατικών, όσο και των δυναμικών αναλύσεων, είναι ευαίσθητα σε έναν μεγάλο αριθμό παραμέτρων, και επηρεάζονται από παραδοχές που γίνονται τόσο κατά την προσομοίωση, όσο και την ανάλυση. Κατά συνέπεια, τα αποτελέσματα είναι κυρίως χρήσιμα για να δείξουν κάποιες γενικές τάσεις σεισμικής συμπεριφοράς και κάποια όρια των τιμών των διαφόρων παραμέτρων ανάλογα με την κατηγορία του κτιρίου, και όχι για να δώσουν απόλυτες τιμές των μεγεθών.