Σεισμική αναβάθμιση κτιρίου με χρήση ελαστομεταλλικών εφεδράνων

Abstract

Από τα τέλη του 19ου αιώνα υπάρχουν αναφορές για μελέτες κτιρίων με σεισμική μόνωση και παρότι δεν κατασκευάστηκαν ποτέ στην τελική τους μορφή, έδωσαν την κεντρική κατεύθυνση για το πώς θα μπορούσαμε να αντιμετωπίσουμε με επιτυχία την δράση ενός μεγάλου σεισμού. Στον 20ο αιώνα μεγάλη ώθηση στην σεισμική μόνωση έδωσε ο καθηγητής james Kelly του πανεπιστημίου Berkeley California, που μελέτησε με επιτυχία τους ελαστομεταλλικους μονωτήρες, και έλυσε σημαντικά προβλήματα που αφορούν την λειτουργία, καθώς επίσης παρουσίασε ολες τις κρίσιμες λεπτομερείς που αφορούν την προσομοίωση τους. Παρουσίασε επίσης και τους ελέγχους αλλά και τις δοκιμές που απαιτούνται ώστε με ασφάλεια ο μελετητής μηχανικός και ο κατασκευαστής, να ελέγξει την συμπεριφορά τους τόσο κατά την λειτουργία τους εντός κατασκευής,όσο και κατά τον έλεγχο τους κατά την παραγωγική διαδικασία. Την σκυτάλη στην εξέλιξη πήραν οι Αμερικανικοί κανονισμοί, και οι οδηγίες της Αμερικάνικης κοινότητας μηχανικών που έδωσαν τα τελικά κείμενα για τους μελετητές μηχανικούς. Αργότερα ακολουθήσαν και οι ευρωπαίοι. Άς μην ξεχνάμε την μεγάλη συμβολή της Νέας Ζηλανδίας στην ανακάλυψη των μονωτήρων με πυρήνα μόλυβδου LRB. Στην παρούσα διπλωματική εργασία επιχειρούμε να αναβαθμίσουμε αντισεισμικά ένα κτίριο πέντε οροφών κανονικό ως προς την συμπεριφορά του και κατασκευασμένο την δεκαετία του 1970. Είναι το κτίριο το οποίο μελετήθηκε, από διαφορά μελετητικά γραφεία της χωράς μας σύμφωνα με τον Ελληνικό κανονισμό επεμβάσεων ΚΑΝ.ΕΠΕ, και παρουσιάστηκαν χρήσιμα συμπεράσματα. Η ιδέα είναι να τοποθετήσουμε σε αυτό ελαστομεταλλικούς μονωτήρες HDRB υψηλής απόσβεσης, και να μελετήσουμε την συμπεριφορά του ως αναφορά όλα τα σεισμικά και στατικά φορτία, σε όλα τα δομικά τους στοιχεία εκτός της θεμελίωσης του, και σύμφωνα με τις κανονιστικές διατάξεις του EC-8. Έτσι χωρίζουμε την παρούσα διπλωματική εργασία σε επτά κεφάλαια όπου στο Πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά σε ιστορικά στοιχεία. Στο Δεύτερο κεφάλαιο αναλυτικά αναπτύσσεται η ιδέα της σεισμικής μόνωσης, και τα αποτελέσματα που επιφέρει στις ιδιόμορφες, μελετώντας ένα μονώροφο δίστηλο πλαίσιο με μονωτήρες και δυο βαθμούς ελευθέριας. Γίνεται επίσης αναφορά στον προσανατολισμό των αντισεισμικών κανονισμών που είναι μόνο η προστασία ζωής, αγνοώντας τις υλικές ζημιές σε εξοπλισμό και υλικά κατασκευής. Στο Τρίτο κεφάλαιο γίνεται μια αναλυτική αναφορά σε όλους τους τύπους των μονωτήρων και των νομών που διέπουν την συμπεριφορά τους, επίσης αναφέρονται οι δοκιμές που επιβάλλουν οι κανονισμοί στο εργαστήριο, τόσο ο Αμερικάνικος κανονισμός FEMA 450 750, ASCE 7-10, όσο και το Ευρωπαϊκό πρότυπο EN 15129 και ο Ευρωκώδικας. Στο Τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μια σύγκριση μεταξύ των Αμερικάνικων και Ευρωπαϊκών αντισεισμικών κανονισμών όσον αφορά το κανονιστικό πλαίσιο που διέπει την μελέτη, τόσο των συμβατικών κτιρίων όσο και την μελέτη των σεισμικά μονωμένων κτιρίων και αναφέρονται οι ομοιότητες και διάφορες μεταξύ των δύο κανονισμών. Στο Πέμπτο κεφάλαιο ακολουθεί η αποτίμηση του κτιρίου με τον ελληνικό κανονισμό ΚΑΝ.ΕΠΕ με ελαστική μέθοδο και με την μεθοδολογία του ενιαίου συντελεστή q. Το κτίριο αποτιμάται με το στατικό πρόγραμμα ΡΑΦ του τεχνικού οίκου λογισμικού ΤΟΛ.Γίνεται επίσης επίλυση και με το στατικό πρόγραμμα ETABS, οπού επιβεβαιώνεται η τάση που παρουσιάζουν δοκάρια -υποστυλώματα να πλαστικοποιηθούν και να πάθουν βλάβες. Τα συμπεράσματα που προκύπτουν από τις επιλύσεις, καταδεικνύουν ότι το κτίριο εχει πολλές ανεπάρκειες σε δοκάρια και υποστυλώματα, που υποφέρουν από κάμψη και διάτμηση. Αναμενόμενο επίσης είναι ότι δεν υπάρχει επάρκεια στον ικανοτικό έλεγχο των κόμβων δοκών υποστυλωμάτων,ενώ ανησυχητική είναι η πιθανή ψαθυρή αστοχία των υποστυλωμάτων από την ικανοτική τέμνουσα. Όλα αυτά συνηγορούν στο ότι πρέπει να κάνουμε μια γενικευμένη επέμβαση ενίσχυσης σε ολόκληρο το κτίριο,κάτι το οποίο θα σήμαινε την διακοπή λειτουργίας του κτιρίου, για μεγάλο χρονικό διάστημα, την απομάκρυνση του εξοπλισμού του, καθώς και την μετέπειτα εγκατάσταση του. Στο Εκτο κεφάλαιο προτείνουμε, την λύση της σεισμικής μόνωσης του κτιρίου με μονωτήρες υψηλής απόσβεσης 10 % HDRB για τους οποίους επιτρέπεται να μελετηθούν με γραμμική συμπεριφορά και με την μέση τιμή της ισοδύναμης δυσκαμψίας K_eff. Εκτελούμε φασματική δυναμική ανάλυση σε τρείς διευθύνσεις με απόσβεση 10 %, και επιλέγουμε, εξ αρχής όλα τα χαρακτηριστικά των μονωτήρων, ώστε να έχουν επάρκεια στους μετέπειτα ελέγχους που επιβάλλονται από το πρότυπο EN 15129. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν, δηλώνουν μια διαφορετική εικόνα της κατασκευής, με πλήρη επάρκεια σε υποστυλώματα, τόσο σε κάμψη, όσο και σε διάτμηση, αλλά και άρση της ανεπαρκείας των δοκών, εκτός από τρία άκρα δοκών ισογείου που αστοχούν από κάμψη, και είναι οι δοκοί Δ9, Δ12,Δ14, στο κάτω μέρος της στήριξη τους με σχετικα με μικρό δείκτη ανεπάρκειας λ. Εκτελούνται επίσης όλοι οι έλεγχοι των μονωτήρων σύμφωνα με το EN 15129 με επιτυχία επάρκειας. Στο Εβδομο κεφάλαιο ακολουθεί η ανάλυση με τους ιδίους μονωτήρες HDRB, προσομοιώνοντας τους με διαγραμμικά μοντέλα ανάλυσης και επιλύοντας το κτίριο με μη γραμμική ανάλυση χρονοιστορίας, η οποία αφορά μόνο τους μονωτήρες, και δεν επεκτείνεται στα φέροντα δομικά στοιχεία της κατασκευής. Επιλέγεται ισοδύναμη ιδιοπερίοδος του μονοβάθμιου ταλαντωτή κοντά στα 2,85sec, μειώνοντας αντίστοιχα την δυσκαμψία των μονωτήρων, ώστε να προκύψουν μικρότερες σεισμικές δυνάμεις σε σχέση με την δυναμική φασματική ανάλυση. Επιλέγονται τρία επιταχυνσιογραφήματα Αθηνά 1999, Καλαμάτα 1986, Αίγιο 1992 σε τρείς διευθύνσεις, και αφού προσαρμοστούν ως προς το ελαστικό φάσμα του κανονισμού με το πρόγραμμα seismomatch της εταιρείας seismosoft, εφαρμόζονται στην κατασκευή μας, με συνδυασμούς φόρτισης σύμφωνα με τον κανονισμό. Η απόσβεση που χρησιμοποιούμε είναι β=10 %, και γίνεται αρχική διαστασιολόγηση των μονωτήρων, επιβεβαιώνοντας την επάρκεια τους από τους ελέγχους που προβλέπονται στο EN 15129. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την μη γραμμική ανάλυση χρονοιστορίας επιβεβαιώνουν την φασματική δυναμική ανάλυση και είναι βελτιωμένα κατά 10% περίπου, όσον αναφορά τις δοκούς που αστοχήσαν στην προηγουμένη ανάλυση. Παρουσιάζεται επίσης μια μεγάλη μείωση των σχετικών μετακινήσεων των οροφών της τάξεως ακόμα και 85 %. Στο ίδιο κεφάλαιο γίνεται επίσης έλεγχος των μονωτήρων, από τα αποτελέσματα της ανάλυσης, σύμφωνα με το πρότυπο ΕΝ 15129. Σαν γενικό συμπέρασμα μπορούμε να πούμε, ότι η σεισμική μόνωση αναβαθμίζει αντισεισμικά ένα κτίριο κατασκευασμένο την δεκαετία του 1970, χωρίς να χρειαστεί να κάνουμε επεμβάσεις στα φέροντα δομικά στοιχεία του κτιρίου. Εκτός του ισογείου, οπού θα τοποθετηθούν οι μονωτήρες και θα πρέπει να γίνουν εργασίες καθαιρέσεων, οι υπόλοιποι όροφοι θα λειτουργούν κανονικά χωρίς καμμιά μείωση της δραστηριότητας τους. Στην Ελλάδα με την έντονη σεισμική ακολουθία διεγέρσεων η σεισμική μόνωση θα μπορούσε να ήταν ένας πολύ καλός τρόπος αντισεισμικής αναβάθμισης και θωράκισης, πολλών παλαιών κτιρίων. Αλλά και η κατασκευή νέων κτιρίων με σεισμική μόνωση θα έπρεπε να προτείνεται από το ελληνικό παράρτημα του κανονισμού κάτ. ελάχιστον για τα δημόσια κτίρια όπως νοσοκομεία, σχολεία, υπουργεία , σταθμούς,και κτίρια σημαντικά για την δημόσια διοίκηση και λειτουργία του κράτους.