Αναλυτική διερεύνηση της δυναμικής απόκρισης ζεύγους κιόνων με επιστύλιο και της επίδρασης της σεισμικής μόνωσης σε λικνιζόμενες κατασκευές

Abstract

This thesis examines systems of variable or negative stiffness. Pulse like ground motions are most destructive and usually the result of near fault effects. Hence, it is important to be able to detect these pulses and determine their characteristics with a fast and automatic method. Then it is possible to correlate, these characteristics with the response of non linear structures. In Chapter 2 a method based on the wavelet transform that can match pulses with analytical expressions to the acceleration records is developed. This method is extended so that the phase and the number of cycles of the pulse can be modulated as well. Thereafter the characteristics of the pulses are correlated with the response of systems that experience variable and negative systems. These systems have been developed in order to cover needs such as small residual displacements in small earthquakes and the protection of equipment housed in a structure. In Chapter 3, the method of dimensional analysis is used to analyze the performance of Double Concave Spherical Sliding (DCSS) Bearings. These bearings experience trilinear behavior – not bilinear like the usual isolation bearings. Some researchers claim that these bearings can be designed so that their residual displacements are minimized. From the analysis performed in this thesis, it is shown that the DCSS bearings is not significantly different from the usual bilinear bearings and that their behavior can be approximated by an equivalent bilinear bearing. In Chapter 4, a system that consists of two columns capped with an epistyle is analyzed. It is well known that systems able to rock are able to uplift and rock without overturning. In this thesis, it is shown that adding the epistyle makes the system even more stable than the columns rocking without the epistyle. This finding explains why ancient monuments still stand even though they have suffered from earthquakes capable of uplifting their columns. Moreover the possibility of using such systems for the design of bridges is examined. Chapter 5 examines the response of a rocking object based on a seismically isolated base. It turns out that the use of seismic isolation to protect large rocking objects is devastating. This is because the seismic isolation lengthens the dominant period of the motion that excites the rocking object making the motion much more destructive.

Στη διατριβή αυτή μελετώνται συστήματα που είναι κατασκευασμένα έτσι ώστε να παρουσιάζουν μεταβαλλόμενη και αρνητική δυσκαμψία. Οι σεισμοί μορφής παλμού είναι ιδιαιτέρως καταστρεπτικοί και πολλές φορές οφείλονται σε φαινόμενα εγγύς πεδίου. Επομένως έχει ιδιαίτερη σημασία η δυνατότητα εντοπισμού των παλμών στις καταγραφές και του προσδιορισμού των χαρακτηριστικών τους με ένα γρήγορο και, κατά το δυνατό, αυτόματο τρόπο. Τότε, είναι δυνατή η συσχέτιση των χαρακτηριστικών αυτών με την απόκριση των κατασκευών. Στο Κεφάλαιο 2, αναπτύσσεται μια μέθοδος βασισμένη στον μετασχηματισμό κυματιδίων η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να «ταιριάξει» με τον καλύτερο τρόπο κυματίδια με αναλυτικές εκφράσεις σε παλμούς καταγραφών επιτάχυνσης. Ο μετασχηματισμός κυματιδίων επεκτείνεται έτσι ώστε να είναι δυνατή όχι μόνο η ρύθμιση της περιόδου και του πλάτους του κυματιδίου αλλά και η φάση και ο αριθμός των κύκλων του. Με τη χρήση του μετασχηματισμού αυτού εντοπίζονται παλμοί σε 183 καταγραφές επιτάχυνσης και προκύπτει ότι εξέχουσας σημασίας για την απόκριση των κατασκευών πολιτικού μηχανικού έχουν οι παλμοί επιτάχυνσης (και όχι ταχύτητας) ακόμα και εάν στην καταγραφή ταχύτητας υπάρχουν παλμοί μεγαλύτεροι από αυτούς που αντιστοιχούν στον παλμό επιτάχυνσης. Στη συνέχεια τα χαρακτηριστικά αυτά των παλμών συσχετίζονται με την απόκριση συστημάτων μεταβλητής και αρνητικής δυσκαμψίας. Τα συστήματα αυτά έχουν αναπτυχθεί για να καλύψουν ανάγκες που προέκυψαν από το γεγονός ότι, πλέον, ο στόχος της μη κατάρρευσης μιας κατασκευής δεν είναι αρκετός και συμπληρώνεται από επιπλέον στόχους όπως των μικρών παραμενουσών παραμορφώσεων για μικρότερους σεισμούς καθώς και προστασίας των αντικειμένων που στεγάζει μια κατασκευή. Συγκεκριμένα στο Κεφάλαιο 3, με τη μέθοδο της διαστατικής ανάλυσης, μελετώνται τα σφαιρικά εφέδρανα ολίσθησης διπλής κοιλότητας. Τα εφέδρανα αυτά, δεν παρουσιάζουν διγραμμική συμπεριφορά (όπως τα κλασσικά εφέδρανα σεισμικής μόνωσης βάσης), αλλά τριγραμμική. Οι κατασκευαστές τους ισχυρίζονται ότι μπορούν να σχεδιαστούν με τέτοιο τρόπο που όχι μόνο να προστατεύουν την κατασκευή από κατάρρευση σε περίπτωση μεγάλου σεισμού αλλά να έχουν και μικρές παραμένουσες παραμορφώσεις σε μικρότερους σεισμούς. Από την ανάλυση που έγινε στη διατριβή αυτή προκύπτει ότι η συμπεριφορά των σφαιρικών εφεδράνων ολίσθησης διπλής κοιλότητας δεν διαφέρει πολύ από την συμπεριφορά των συμβατικών εφεδράνων και η συμπεριφορά τους, στις περισσότερες περιπτώσεις και για χαρακτηριστικά σχεδιασμού που προκύπτουν για πραγματικές κατασκευές, μπορεί να προσεγγιστεί από ένα ισοδύναμο συμβατικό εφέδρανο. Στο Κεφάλαιο 4 μελετάται απόκριση ενός σύνθετου συστήματος που μπορεί να λικνίζεται ελεύθερα: ενός ζεύγους στύλων με επιστύλιο. Είναι γνωστό ότι συτήματα που λικνίζονται ελεύθερα, έχουν την ικανότητα, σε περίπτωση σεισμού, να ανασηκώνονται χωρίς να ανατρέπονται. Προκύπτει ότι η παρουσία του επιστυλίου όχι μόνο δεν περιορίζει το φαινόμενο αυτό αλλά καθιστά το σύστημα πιο ευσταθές. Το παραπάνω συμπέρασμα ερμηνεύει την επιβίωση αρχαίων ναών παρά το ότι έχουν υποστεί σεισμούς με επιταχύνσεις πολύ μεγαλύτερες από αυτές που απαιτούνται για την στατική ανατροπή τους. Εξετάζεται η δυνατότητα αξιοποίησης της αυτής της ιδιότητας για το σχεδιασμό γεφυρών (δυνατότητας που έχει χρησιμοποιηθεί από τη δεκαετία του 1960) και προκύπτει ότι μια πραγματική γέφυρα της Ιονίας Οδού εάν είχε σχεδιαστεί με τρόπο που να επιτρέπει το λικνισμό της, δεν θα ανατρέπονταν από σεισμούς που είναι πιθανό να την πλήξουν. Στο Κεφάλαιο 5 εξετάζεται η απόκριση λικνιζόμενου στερεού σώματος όταν εδράζεται πάνω σε βάση η οποία είναι σεισμικώς μονωμένη. Αποδεικνύεται ότι η παρουσία σεισμικής μόνωσης βάσης αποδεικνύεται ολέθρια για μεγάλα σώματα. Αυτό οφείλεται στην επιμήκυνση της περιόδου της διέγερσης που υφίσταται το σώμα λόγω της παρουσίας της σεισμικής μόνωσης. Η επιμήκυνση αυτή αποστερεί από τα μεγάλα σώματα την ικανότητα που έχουν να ανασηκώνονται και να λικνίζονται χωρίς να ανατρέπονται. Το παραπάνω συμπέρασμα προκύπτει τόσο με τη μέθοδο της διαστατικής ανάλυσης όσο και με τη μελέτη της σεισμικής απόκρισης των κιόνων δύο αρχαίων ναών ως έχουν και εάν ήταν σεισμικά μονωμένοι.