Αντισεισμικός σχεδιασμός επίπεδων μεταλλικών πλαισίων με ιδιομορφικούς συντελεστές συμπεριφοράς και τρεις στάθμες επιτελεστικότητας

Abstract

In this thesis a new performance - based seismic design method of planar steel frames is presented. Two groups of planar steel frames are examined, moment resisting frames including the contribution of the panel - zone and steel frames with buckling restrained braces. The steel frames are subjected to far - field seismic ground records corresponding in the 4 soil classes A,B,C and D of the Eurocode 8. The seismic records have been scaled properly in order the interstorey drift or ductility demands to comply with the targeted performance levels, as they are specified in SEAOC2000 or FEMA. The purpose of this research is the construction of an equivalent, linear multi - degree of freedom system, which substitutes the real nonlinear multi - degree of freedom structure. The equivalent linear system has the same mass and stiffness with the initial real structure and can approximate the seismic response of the non - linear system with the aid of the modal damping ratios which quantify the work of the material and geometrical non - linearities. The modal damping ratios for the first significant modes are identified through an iterative procedure, where the transfer function of the system is computed while the system is fed with damping until the transfer function satisfies certain criteria of monotony. The modal damping ratios are finally identified from the arithmetical solution of a set of non - linear algebric equations.\\ Having found the modal damping ratios, the pseudo - response spectra are constructed for each value of the modal damping ratios. With the aid of these spectra, the strength reduction factors different for each mode can be computed. Since the seismic records have been properly scaled, the modal damping ratios and the modal strength reduction factors correspond to the performance levels of the SEAOC2000 or the FEMA. The design base shear is computed with linear response spectrum analysis with the usage of the modal strength reduction factors. In addition to that the results from the moment resisting frames including the panel - zone effect are compared with the moment resisting frames without pane - zone. The purpose is to note the rotational contribution of the panel - zone and to quantify this contribution in the absorption of energy. Comparison of the proposed design method with those adopted by current seismic design codes demonstrates that the proposed method seems more rational and controls deformation better than current seismic design codes. Non - linear analyses are performed in order to validate the proposed method and to prove that the inelastic deformation demands can be accurately estimated while current seismic codes tend to overestimate the maximum inter - storey drift ratio along the height of the frames.

Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται μία νέα μέθοδος αντισεισμικού σχεδιασμού επίπεδων μεταλλικών πλαισίων με βάση την επιτελεστικότητα. Εξετάζονται δύο ομάδες επίπεδων κανονικών μεταλλικών πλαισίων, πλαίσια καμπτικά στα οποία λαμβάνεται υπόψη η επίδραση του κομβοελάσματος του υποστυλώματος και πλαίσια με διαγώνιους αντιλυγισμικούς συνδέσμους δυσκαμψίας. Τα πλαίσια υπόκεινται σε σεισμικές διεγέρσεις μακρινού πεδίου που αντιστοιχούν στις 4 κατηγορίες A,B,C και D στις οποίες κατατάσσει ο Ευρωκώδικας 8 τα εδάφη. Οι σεισμικές διεγέρσεις έχουν κλιμακωθεί κατάλληλα ώστε να προκαλούν συγκεκριμένη βλάβη στην κατασκευή ανάλογα με τα τρία επίπεδα επιτελεστικότητας όπως αυτά ορίζονται στον SEAOC 2000. Αρχικά γίνεται ο υπολογισμός κατάλληλων λόγων ιδιομορφικής ιξώδους απόσβεσης με σκοπό την κατασκευή μίας ελαστικής πολυβάθμιας κατασκευής ισοδύναμης με την πραγματική, μη - γραμμική πολυβάθμια κατασκευή, ως προς την διατμητική σεισμική δύναμη βάσης. Η ισοδύναμη αυτή ελαστική κατασκευή, η οποία έχει την ίδια μάζα και την ίδια αρχική δυσκαμψία με την πραγματική κατασκευή μπορεί να προσεγγίσει με ακρίβεια την σεισμική απόκριση της πραγματικής μη γραμμικής κατασκευής με την βοήθεια ιδιομορφικών λόγων ιξώδους απόσβεσης οι οποίοι ποσοτικοποιούν το έργο όλων των μη γραμμικοτήτων. Οι λόγοι ιδιομορφικής απόσβεσης για τις πρώτες σημαντικές ιδιομορφές υπολογίζονται μέσω μίας επαναληπτικής διαδικασίας κατά την οποία σχηματίζεται η συνάρτηση μεταφοράς και η κατασκευή τροφοδοτείται συνεχώς με απόσβεση μέχρις ότου η συνάρτηση μεταφοράς ομαλοποιηθεί και ικανοποιήσει κάποια κριτήρια μονοτονίας. Στη συνέχεια με την επίλυση ενός συστήματος μη γραμμικών εξισώσεων υπολογίζονται οι ιδιομορφικοί λόγοι απόσβεσης. Ακολούθως, έχοντας υπολογίσει τις τιμές των λόγων ιδιομορφικής ιξώδους απόσβεσης, κατασκευάζονται φάσματα ψευδο επιταχύνσεων για κάθε τιμή των λόγων ιδιομορφικής ιξώδους απόσβεσης που έχουν προσδιοριστεί. Μέσω αυτών των φασμάτων μπορούν να υπολογιστούν οι αντίστοιχοι ιδιομορφικοί συντελεστές συμπεριφοράς που είναι διαφορετικοί για κάθε ιδιομορφή. Επειδή οι σεισμικές καταγραφές έχουν κλιμακωθεί κατάλληλα, οι ιδιομορφικοί λόγοι απόσβεσης και οι ιδιομορφικοί συντελεστές συμπεριφοράς που έχουν υπολογιστεί, αντιστοιχούν στα επίπεδα επιτελεστικότητας της FEMA. Χρήση αυτών των φασμάτων ψευδο - επιταχύνσεων οδηγεί σε τιμές των ιδιομορφικών συντελεστών συμπεριφοράς οι οποίες μέσα στο πλαίσιο ιδιομορφικής ανάλυσης καταλήγουν στον υπολογισμό των σειμικών δυνάμεων σχεδιασμού. Επίσης γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων όσον αφορά καμπτικά πλαίσια στα οποία λαμβάνεται υπόψη η επίδραση της ευκαμψίας της ζώνης του κορμού του υποστυλωματος στην περιοχή του κόμβου και πλαίσια στα οποία η σύνδεση δοκού υποστυλώματος θεωρείται άκαμπτη προκειμένου να διαπιστωθεί η συνεισφορά του στην απορρόφηση ενέργειας. Τα πλεονεκτήματα της προτεινόμενης μεθόδου παρουσιάζονται μέσω παραδειγμάτων όπου η μέθοδος συγκρίνεται με την μέθοδο σχεδιασμού των ισχύοντων αντισεισμικων κανονισμών που χρησιμοποιούν μία μόνο τιμή του συντελεστή συμπεριφοράς. Τέλος γίνεται έλεγχος με μη γραμμικές δυναμικές αναλύσεις. Από την σύγκριση, προκύπτει ότι η συγκεκριμένη μέθοδος οδηγεί σε ακριβέστερα αποτελέσματα πραγματοποιώντας ταυτόχρονα άμεσο έλεγχο της βλάβης.