Αντισεισμικές απαιτήσεις σχεδιασμού για τη δημιουργία δικτύων παροχής φυσικού αερίου σε υφιστάμενες και νέες κατασκευές

Abstract

Building attachments are the non-structural elements that serveimportant functional and esthetic purposes. They are referred to assecondary systems because their excitation derives from the dynamicresponse of the building on which they are installed – this is referredto herein as primary system. Procedures for seismic design ofbuilding attachments are less advanced as compared to the currentdesign procedures intended for buildings. They are based on semiempiricalmethods that have been based on statistical evaluation ofthe limited records of the seismic response of such components onbuildings during strong ground motion. The insufficiency of thecurrent procedures for seismic design of building attachments isevident in the cases of strong earthquakes, where numerousattachment failures are often reported with important consequencesboth in the economical level and for safety.The present Thesis investigates the seismic design of buildingattachments, with small total mass ratios compared to the supportingbuilding, that are connected to R.C. buildings through multiplesupport points (generalized building attachments). Emphasis has beengiven in the seismic design of gas pipeline networks, as their seismicintegrity is crucial for the safety of the supporting building and itsoccupants.Initially, the maximum seismic response of generalized buildingattachments was investigated. It was proven that this class ofsecondary systems develops maximum seismic response, in terms ofdeveloped internal forces, at the state of the maximum horizontal roofdisplacement of the supporting building. This conclusion was derivedfrom the results of parametric time – history dynamic analyses ofcomplete models that encompass both the building and thegeneralized attachment and has been analytically confirmed by theformulation and solution of the dynamic equation of motion of thegeneralized building attachments. The deformed shape of R.C. buildings at the state of theirmaximum roof displacement was investigated parametrically throughparametric dynamic analyses of several R.C. building models. Bothsimplified and detailed models of multistory R.C. buildings wereproduced, accounting for different types of geometric configurationand were subjected to ground accelerations of different characteristics.It was shown that the deformed shape of R.C. buildings at the state ofmaximum roof displacement resembles their fundamental modeshape (i.e. the mode shape that activates the biggest percentage oftheir total mass), especially when the period of a building’sfundamental mode is in the range of the predominant period of theseismic vibration. This conclusion is further extended to nonlinearsystems, where the fundamental shape refers to the eigen-modeassociated with the secant stiffness matrix at the instant of peakresponse.To determine the fundamental mode shape of R.C. buildings withtorsional eccentricity without the need to conduct Eigen analysis, amethodology for composing the translational-torsional fundamentalmode shape of R.C. buildings from separate contributions totranslation and twisting through combination of the correspondingbasic modes of an associated decoupled system was developed. Thisenables the calculation of the degree of influence of the torsion to theoverall fundamental mode shape, as well as the determination of thevariation of drift demand that develops in an arbitrary member of thestructure due to twist.To enable the determination of the fundamental mode shape ofR.C. buildings that not comply with modern earthquake engineeringof R.C. structures (non-conforming R.C. buildings), a methodologyfor rapid determination of their seismic assessment has beendeveloped. The application of the methodology enables thedetermination of the weakest mechanism of resistance, likely tocontrol the sequence of failure of the vertical elements of thestructure and therefore the determination of the building’ s ShearCenters, that are essential to the determination of the fundamentalmode shape. The introduced methodology can also be used to guide seismic retrofit strategies of reinforced concrete structures in a rapid,yet efficient manner.Finally, a methodology for seismic design of new or seismicassessment of existing generalized building attachments to R.C.buildings has been developed. The methodology is presented in theform of simple steps, which can be executed either with sophisticatedor simplified calculations, according to the practical needs of eachapplication.

Η αναζήτηση προσιτής εναλλακτικής μορφής ενέργειας για τηνκάλυψη των οικιακών αναγκών έχει οδηγήσει την τελευταία δεκαετίασε εκτεταμένη εξάπλωση του φυσικού αερίου η παροχή του οποίουεξασφαλίζεται με την τοποθέτηση μεταλλικών σωληνώσεων σεοικοδομές. Σε πολλές περιπτώσεις τα κτίρια στα οποία εγκαθίστανταιτα εν λόγω δίκτυα είναι άγνωστης και απροσδιόριστηςαντισεισμικότητας, καθότι αυτά είναι συχνά υφιστάμενες παλιέςοικοδομές, για τις οποίες κατά κανόνα δεν προβλέπεται ανάγκησεισμικής αποτίμησης ως προϋπόθεση για την εγκατάσταση δικτύων.Το θέμα αυτό μάλιστα επιδέχεται αμφισβήτηση λόγω τουδυσανάλογα μεγάλου κόστους που συνεπάγεται η αναλυτικήδιαδικασία σεισμικής αποτίμησης, σε σχέση με το πολύ χαμηλόκόστος εγκατάστασης και λειτουργίας των δικτύων παροχής αερίου.Κίνητρο για την παρούσα διατριβή αποτελεί η ελλιπήςαντιμετώπιση των δικτύων αυτών στο στάδιο του αντισεισμικούσχεδιασμού νέων κτιρίων, καθώς και η παντελής απουσία τους στηνδιατύπωση κριτηρίων επιτελεστικότητας κατά την αποτίμησηπαλαιών οικοδομών στην Ελλάδα.Στα πλαίσια της Δομοστατικής μηχανικής κάθε είδους μη φέρονλειτουργικό σύστημα που στηρίζεται πάνω σε ένα φέρον δόμημα,θεωρείται προσάρτημα. Τα οικιακά δίκτυα φυσικού αερίου είναιχαρακτηριστικό είδος προσαρτήματος η αντισεισμική συμπεριφοράτου οποίου έχει ιδιαίτερη σπουδαιότητα για την ασφάλεια της ζωήςκαι της περιουσίας των ενοίκων των κτιρίων στα οποίααναπτύσσονται. Η παρούσα έρευνα αναφέρεται στον αντισεισμικόσχεδιασμό προσαρτημάτων που στηρίζονται σε κτίρια οπλισμένουσκυροδέματος (Ο.Σ.) μέσω πολλαπλών σημείων (γενικευμέναπροσαρτήματα) – ιδιαίτερη έμφαση έχει δοθεί στον αντισεισμικόσχεδιασμό οικιακών δικτύων παροχής αερίου, ζήτημα ιδιαίτερηςσπουδαιότητας για την ασφάλεια της ζωής και της περιουσίας τωνενοίκων των κτιρίων στα οποία τα δίκτυα προσαρτώνται. Ο αντισεισμικός σχεδιασμός προσαρτημάτων υστερείδυσανάλογα σε σχέση με την επιτευχθείσα πρόοδο στον τομέα τουσχεδιασμού των κτιρίων στα οποία στηρίζονται και βασίζεται σεημιεμπειρικές μεθόδους, εξαχθείσες κατά κύριο λόγο από στατιστικήεπεξεργασία των περιορισμένων περιπτώσεων καταγεγραμμένηςσεισμικής συμπεριφοράς κτιρίων. Η ανεπάρκεια των έως σήμεραχρησιμοποιούμενων μεθόδων σχεδιασμού γίνεται ιδιαίτερα εμφανήςστις περιπτώσεις ισχυρών σεισμικών διεγέρσεων, όπου κατά κανόνακαταγράφεται μεγάλος αριθμός αστοχιών προσαρτημάτων, μεκαταστροφικές συνέπειες.Όπως αποδεικνύεται από τη διεξαχθείσα έρευνα, η μέγιστησεισμική απόκριση των γενικευμένων προσαρτημάτων σε όρουςαναπτυσσόμενων σε αυτά εντατικών μεγεθών καθορίζεται από τιςπαραμορφώσεις που εισάγονται στα προσαρτήματα από τοταλαντούμενο κτίριο στήριξης, ιδιαίτερα δε όσον αφορά στουςελέγχους, ο καταναγκασμός μεγιστοποιείται ταυτόχρονα με τηνμετακίνηση του κτιρίου από τη θέση ευσταθούς ισορροπίας. Τοσυμπέρασμα αυτό προέκυψε από τα αποτελέσματα παραμετρικώνδυναμικών αναλύσεων προσομοιωμάτων του συστήματος Κτίριο –Δίκτυο παροχής αερίου και επίσης αποδεδείχθηκε αναλυτικά, απότην διατύπωση της εξίσωσης δυναμικής ισορροπίας των συστημάτωναυτού του είδους. Για την πρόβλεψη των επιβαλλόμενωνμετακινήσεων στο γενικευμένο προσάρτημα, σημαντικό μέρος τηςέρευνας επικεντρώθηκε στην μελέτη της κατανομής της σχετικήςστροφής ορόφων (παραμορφωμένο σχήμα κτιρίου) κατά την στιγμήτης μέγιστης απόκρισης κορυφής. Για τον σκοπό αυτό διεξήχθησειρά παραμετρικών δυναμικών αναλύσεων με χρονοϊστορίαεπιταχύνσεως βάσης σε πλήθος προσομοιωμάτων πολυώροφωνκτιρίων Ο.Σ., με αντικείμενο μελέτης τον βαθμό επίδρασης τωνγεωμετρικών και δυναμικών χαρακτηριστικών ενός κτιρίου Ο.Σ. καιτων χαρακτηριστικών της σεισμικής διέγερσης στην οποία αυτόυποβάλλεται, στη διαμόρφωση του σχήματος παραμόρφωσης τουκτιρίου τη στιγμή της μέγιστης οριζόντιας μετατόπισης της κορυφής.Όπως αποδείχθηκε, το σχήμα αυτό προσεγγίζει με εξαιρετική ακρίβεια το σχήμα της θεμελιώδους ιδιομορφής του κτιρίου (τηςιδιομορφής που ενεργοποιεί το μεγαλύτερο ποσοστό συνολικήςμάζας ενός κτιρίου Ο.Σ.), ιδιαίτερα όταν η ιδιοπερίοδος τηςθεμελιώδους ιδιομορφής προσεγγίζει τη δεσπόζουσα περίοδο τουσεισμικού κραδασμού.Για τον προσδιορισμό της θεμελιώδους ιδιομορφής κτιρίων Ο.Σ.αναπτύχθηκε μεθοδολογία σύνθεσης του σχήματος της θεμελιώδουςιδιομορφής στρεπτικά ευαίσθητων κτιρίων Ο.Σ. από τις στρεπτικάασύζευκτες συνιστώσες της. Μέσω της μεθοδολογίας αυτήςκαθίσταται δυνατή η ποσοτικοποίηση της επιρροής της στρέψης στηδιαμόρφωση του σχήματος της θεμελιώδους ιδιομορφής και οπροσδιορισμός των πρόσθετων παραμορφώσεων (σχετικήμετακίνηση στοιχείων ορόφου) που αναπτύσσονται σε οποιοδήποτεσημείο της κάτοψης κτιρίων Ο.Σ. με εκκεντρότητα, σε σχέση με τιςπαραμορφώσεις που προκύπτουν από την αμιγώς μεταφορική τουαπόκριση.Για την επέκταση των ευρημάτων σχετικά με τον επιβαλλόμενοστο δίκτυο καταναγκασμό σχεδιασμού, μέσω καθορισμού τουπαραμορφωμένου σχήματος του κτιρίου και σε υφιστάμενα κτίριαΟ.Σ. παλαιάς τεχνολογίας επιβάλλεται η αποτίμηση της διαθέσιμηςαντίστασης του φέροντα οργανισμού καθώς και της αλληλουχίας τωνμηχανισμών αστοχίας προκειμένου να προσδιορισθεί το ενδεχόμενοαυξημένου κινδύνου κατάρρευσης ή σοβαρής αστοχίας στο δομικόσύστημα. Η αποτίμηση μάλιστα αυτού του ενδεχομένου αποκτάιδιαίτερη σημασία και ιδανικά θα έπρεπε να αποτελεί προϋπόθεσηγια την εκ των υστέρων εγκατάσταση δικτύων στην κατασκευήεφόσον πρόκειται αφενός για μεταφορά εύφλεκτου αερίου αλλά καιγια το σημαντικά μεγάλο κόστος που εκπροσωπεί το κτίριο για τουςιδιοκτήτες. Προκειμένου να διευκολυνθούν τα προκαταρκτικάδιαγνωστικά βήματα για την σεισμική αποτίμηση ως προϋπόθεσηεγκατάστασης ευάλωτων προσαρτημάτων αναπτύχθηκε επιπλέονμια ταχεία μέθοδος προκαταρκτικής σεισμικής αποτίμησης συνήθωνκατασκευών από Ο.Σ. Η μεθοδολογία βασίζεται στην ιεράρχηση τηςσειράς εκδήλωσης των πιθανών μηχανισμών αστοχίας που μπορεί νααναπτυχθούν στα υποστυλώματα κτιρίων παλαιού τύπου και εκτός από τον προσδιορισμό της θεμελιώδους ιδιομορφής τους βρίσκειεφαρμογή και στον γρήγορο εντοπισμό σεισμικά ευάλωτων κτιρίωνΟ.Σ., τον προσδιορισμό της μορφής αστοχίας καθώς και της μέγιστηςανεκτής επιτάχυνσης η οποία μπορεί να παραληφθεί χωρίςκατάρρευση και την επιλογή της βέλτιστης στρατηγικής για τησεισμική τους ενίσχυση.Τέλος, αναπτύχθηκε μεθοδολογία σεισμικού σχεδιασμού νέων ήαποτίμησης της σεισμικής επάρκειας υφιστάμενων γενικευμένωνπροσαρτημάτων σε κτίρια Ο.Σ. Η μεθοδολογία αυτή παρουσιάζεταιυπό τη μορφή απλών βημάτων, η υλοποίηση καθενός από τα οποίαμπορεί να επιτευχθεί είτε με αναλυτικές είτε με προσεγγιστικέςμεθόδους, ανάλογα με τις απαιτήσεις εφαρμογής της.