Ανάπτυξη μεθοδολογιών ανάλυσης και σχεδιασμού συστημάτων σεισμικής μόνωσης της βάσης των κτηρίων για την ελαχιστοποίηση της στρεπτικής τους απόκρισης.

Abstract

Base isolation is one of the most recent and effective means of protecting a structure against the devastating effects of strong earthquake motions. In case of structures with plan asymmetries though, the torsional response of the base isolation system may be significant. This means that the simultaneous horizontal displacements among the bearings will not be equal and this may affect the proper behavior of the isolation system. According to scientific literature, the majority of the researchers have come to the conclusion that the torsional response of the isolation system is reduced significantly when its Center of Rigidity coincides with the Center of Mass of the isolated structure (case CRB=CM). This approach has also been implemented in the International Standards (ASCE, FEMA, EC8), but it lacks theoretical validation. This dissertation’s objective is to develop analysis and design methods in order to minimize the torsional response of base isolation systems in asymmetric structures and more specifically to determine the Optimum location of the Center of Rigidity of the Base isolation system (OCRB), so that all the bearings will have equal simultaneous horizontal displacements under lateral seismic excitation. Three different methods are developed, that are based on the use of either lateral static loads, or dynamic (modal) analysis. The dissertation focuses on the method which is based on the use of dynamic analysis with mode superposition (response history or response spectrum analysis), because it takes into account the true dynamic properties of the base isolated structure. Τhis method’s applicability is presented for: (a) base isolation systems with elastic lateral behavior, as in the case where low-damping rubber bearings are used, (b) base isolation systems with bilinear inelastic lateral force-displacement laws, as in the case where lead rubber bearings are used. The proposed method is applied to various asymmetric single-story and multistory buildings, with different dynamic characteristics, and linear and non-linear analyses are used to quantify its effectiveness. At the same time, the influence of several important parameters of torsional coupling on the location of the OCRB and the effectiveness of the method is investigated. The results show that the use of the OCRB reduces significantly (2 to 4 times) the rotational value of the base isolation system, compared to the method that is suggested so far in literature and in International Standards (case CRB=CM), thus validating numerically the effectiveness of the proposed method in reducing the torsional response of base isolation systems. At the same time the influence of the proposed method on the maximum horizontal displacement of the bearings is also studied. It is noted that the significant reduction in the rotational value offered by the use of the OCRB, does not always lead to the reduction of the maximum horizontal displacements of the bearings, compared to the case of CRB=CM.

Η σεισμική μόνωση της βάσης των κατασκευών αποτελεί τον πλέον σύγχρονο και αποτελεσματικό τρόπο εξασφάλισης των κτηρίων από τις καταστροφικές συνέπειες των ισχυρών σεισμών. Στην περίπτωση όμως κατασκευών με ασυμμετρίες σε κάτοψη, το σύστημα σεισμικής μόνωσης μπορεί να εμφανίσει σημαντική στρεπτική απόκριση. Στην περίπτωση αυτή, οι ταυτόχρονες οριζόντιες μετακινήσεις των εφεδράνων που το αποτελούν θα είναι διαφορετικές μεταξύ τους, γεγονός που μπορεί να επηρεάσει τη σωστή του λειτουργία. Σύμφωνα με την υπάρχουσα βιβλιογραφία, η πλειοψηφία των ερευνητών καταλήγει στο συμπέρασμα ότι η εν λόγω στρεπτική απόκριση μειώνεται σημαντικά όταν το Κέντρο Δυσκαμψίας του συστήματος σεισμικής μόνωσης ταυτίζεται με την κατακόρυφη προβολή του Κέντρου Μάζας της σεισμικά μονωμένης κατασκευής (περίπτωση CRB=CM). Η ίδια προσέγγιση έχει υιοθετηθεί και από τους Διεθνείς Κανονισμούς (ASCE, FEMA, EC8), χωρίς όμως κάποια θεωρητική τεκμηρίωση. Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μεθοδολογιών που αφορούν στην ανάλυση και στον σχεδιασμό συστημάτων σεισμικής μόνωσης βάσης σε ασύμμετρα κτήρια, με στόχο την ελαχιστοποίηση της στρεπτικής σεισμικής τους απόκρισης και πιο συγκεκριμένα η εύρεση της βέλτιστης θέσης του Κέντρου Δυσκαμψίας του συστήματος των εφεδράνων (OCRB), ώστε, υπό την επίδραση των σεισμικών διεγέρσεων, όλα τα εφέδρανα του συστήματος να εμφανίζουν τις ίδιες οριζόντιες μετακινήσεις. Αναπτύσσονται τρεις διαφορετικές μεθοδολογίες, που βασίζονται στη χρήση είτε στατικών οριζοντίων φορτίσεων, είτε δυναμικών (ιδιομορφικών) αναλύσεων. Η διατριβή επικεντρώνεται στη μεθοδολογία που βασίζεται στη χρήση δυναμικών αναλύσεων με χρονική ή φασματική επαλληλία των ιδιομορφών, διότι λαμβάνει υπόψη της τα πραγματικά δυναμικά χαρακτηριστικά της σεισμικά μονωμένης κατασκευής, και παρουσιάζεται ο τρόπος εφαρμογής της στις περιπτώσεις: (α) συστημάτων σεισμικής μόνωσης με γραμμικά ελαστική συμπεριφορά κατά την οριζόντια διεύθυνση όπως αυτά που αποτελούνται από ελαστομεταλλικά εφέδρανα χαμηλής απόσβεσης, (β) συστημάτων σεισμικής μόνωσης με διγραμμικό ελαστοπλαστικό νόμο δύναμης-μετακίνησης κατά την οριζόντια διεύθυνση όπως αυτά που αποτελούνται από ελαστομεταλλικά εφέδρανα με πυρήνα μολύβδου. H προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόζονται σε ασύμμετρα μονώροφα και πολυώροφα σεισμικά μονωμένα κτήρια, με διαφορετικά δυναμικά χαρακτηριστικά, και ελέγχεται η αποτελεσματικότητά τους μέσω γραμμικών και μη-γραμμικών αναλύσεων. Ταυτόχρονα εξετάζεται η επιρροή διαφόρων σημαντικών παραμέτρων στρεπτικής σύζευξης, τόσο στον υπολογισμό του OCRB, όσο και στην αποτελεσματικότητά της μεθοδολογίας. Διαπιστώνεται ότι στη μεγάλη πλειοψηφία των περιπτώσεων που εξετάζονται, η χρήση του OCRB μειώνει εντυπωσιακά (2 με 4 φορές κατά μέσο όρο) το μέγεθος της στροφής του συστήματος σεισμικής μόνωσης, σε σχέση με την εφαρμογή της προσέγγισης που προτείνεται από τους Κανονισμούς και τις προγενέστερες μελέτες (περίπτωση CRB=CM). Επιβεβαιώνεται δηλαδή και αριθμητικά η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθοδολογίας στη μείωση της στρεπτικής απόκρισης των συστημάτων σεισμικής μόνωσης βάσης. Παράλληλα με το μέγεθος της στροφής εξετάζεται και η αποτελεσματικότητα της μεθοδολογίας στη μείωση της μέγιστης οριζόντιας μετακίνησης των εφεδράνων, όπου διαπιστώνεται πως η σημαντική μείωση του μεγέθους της στροφής στην περίπτωση χρήσης του OCRB δεν συνεπάγεται πάντα και μείωση των μέγιστων οριζόντιων μετακινήσεων των εφεδράνων σε σχέση με την περίπτωση CRB=CM.