Επιρροή μορφολογικών προβλημάτων στη σεισμική συμπεριφορά κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος

Abstract

In the present PhD thesis the seismic performance of reinforced concrete (RC) frame structures with irregularities in terms of both global and local requirements of the structures, are investigated. The research carried out includes two general sections - morphological problems.The first section includes the investigation of the seismic behavior of multi-story structures with morphological problems on the first-floor, that lead to soft first floor configuration. The influence of the morphology of the first floor of six-story reinforced concrete frame structures on their seismic behavior was studied, namely the cases of construction (a) with tall first - floor and (b) without beams at the first - floor. The effects of the first - floor irregularity on the RC frame structure performance stages at global and local level (limit states) are investigated. Assessment based on the Capacity Spectrum Method (ATC-40), on the Coefficient Method (FEMA 356) and on the N2 method is also examined. The investigation includes a poly-parameter program of static inelastic analysis and inelastic step-by-step analysis for the following cases:Case A: Buildings with equal floor heights (as pilot constructions). Case B: Buildings with a tall first - floor and equal floor heights on the other floors. Case C: Buildings with equal floor height and slab-column connections without beams at the first floor.Also, the existence of masonry infilled walls is studied and for this reason the following cases were studied: (a) without infills (bare frame), (b) as fully infilled frame structure and (c) as pilotis - type frame structure.For the purpose of this investigation, static inelastic analysis and dynamic step-by-step inelastic analysis were performed at selected “check” points and at various performance levels to identify the most critical types of morphological problems in terms of both global and local requirements of the structures. The 6-story structures were checked at the following performance levels: (i) Near Collapse (NC): 2.475years, corresponding to a probability to exceedance of 2% in 50 years and (ii) Significant damage (SD): 475years, corresponding to a probability to exceedance of 10% in 50 years.Results in terms of failure modes, capacity curves, interstory drifts, ductility requirements and infills behavior are presented. From the results it can be deducted that the global seismic capacity of the structures is decreased due to the considered first - floor morphology irregularities in comparison to the capacities of the regular structure being less critical in the Case B. The maximum interstory drifts are significantly increased at the first - floor for the Case B (tall columns) and at the second floor for the Case C (slab-column connections without beams) in comparison to the regular structures. An increase of the demands for interstory drift is observed at the first floor level due to the considered irregularities, while the open ground floor structure (pilotis type) leads to even higher values of interstory drift demands at the first story.Also it can be observed that the performance points obtained by FEMA and N2 method are very close to each other and to step by step seismic analysis results with the ATC method being the most conservative. There is a minor increase of the values due to the different morphology of the first floor, however there is a decrease when the masonry infilled is incorporated. Regarding the local requirements, the morphological problems on the first floor (Case B - high columns, Case C - slab-column connections without beams at the first floor) leads to soft story mechanisms at the first floor. More spesifically, there was an increase in the flexural requirements for the beams and columns on the first floors compared to the corresponding requirements of the regular structure. The critical flexural behavior as well as the inelastic behavior of the masonry infilled occured on the first and second floor where the morphological problem existed with the most critical type of ground morphology being the Case C. Generally, it can be concluded that the behavior of the structures and the influence of morphological problems depend on the level at which the seismic response of the structure is checked.In the second section the asymmetric structural pounding is investigated and including multi-parametric seismic response analysis of multi-story reinforced concrete structures that partly interact with adjacent structures. 3D simulation was carried out and special attention was paid to the torsional movement that introduced into the structural system of these structures due to their interaction with the adjacent structures.For the purposes of this investigation, a parametric analysis was carried out in which more than 1200 dynamic step-by-step inelastic analysis were conducted, in which 408 cases between adjacent reinforced concrete structures were studied. In particular, the asymmetric interaction of i) a 8-story reinforced concrete structure with adjacent structures with ns = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 floors and ii) a 4-story reinforced concrete structure with adjacent structures with number of floors ns = 1, 2, 3, 4 were investigated. For both multi-story structures, two different types of structural interaction are defined: (a) Diaphragm-to-diaphragm collisions (Type A). (b) The floor levels of the two structures are different. Consequently during the seismic oscillations the diaphragms of the first one impact the columns of the other (Τype B).Due to that fact pounding occurs only in only one (Case 1) or in two (Case 2) columns of the structures and since the other columns are free to move without restrictions a torsional behavior is introduced (asymmetric pounding). Each pounding case is examined for three gap distances; first considering that they are in contact (gap distance dg=0) and further that there is a gap distance equal to 1 or 2 cm (dg=1 and 2 cm).The torsional behavior of multi-story structures introduced due to the impacts to the adjacent structures is a critical issue of this morphological problem and has significant results on both global and local requirements of the structures. Results in terms of base shear, maximum interstory drifts, maximum story torsions, torsional moment at the base floor, shear and flexural demands at the column that suffer the hit are presented.From the results it can be clearly deduced that asymmetric type of pounding causes significant torsional movement and high value torsional moments and torsion at the floors in the multi-story structures, although its plan view is symmetric and in the cases it vibrates without the pounding effect it presents insignificant torsional moment and consequently no torsional movement. Highest increasing ratio has been observed in Case 1, as in this case pounding occurs only in one (Case 1) column of the structures and since the other columns are free to move without restrictions, torsional behavior is introduced (asymmetric pounding). Comparing the two poundings types, Type A and Type B, higher requirements have been observed for the case in which contact occurs at floor levels and the torsion movement is concentrated on the floors (Type A) . In Type B which includes cases where the story heights of the multi-story structure are different main problem is the development of a shear critical state in the columns that suffer the hit.As expected the torsional movement of the examined building highly influences the distribution of the developing shear forces in the columns. For the Type A, it can be seen that the shear forces of the columns in the direction of the earthquake excitation (x-direction -VX) decrease due to the movement restraint provided by the adjacent structures at this point of the building whereas at the same time significant shear forces are observed in the normal direction (y-direction-VY). In the Type B there are a significant increases in both directions (VX and VY). Pounding induced torsional vibration influences the shear and flexural demands of the column C1 and significantly increases the demands of the columns that experience the hit due to the inter-story pounding between the adjacent structures. In more detail, pounding induced torsional vibration changes the ductility demands of the columns and significantly increases the ductility requirements of the column C1. Highest increasing ratio has been observed at the column C1up since it has a shorter length and the damages concentrate herein. In addition, it can be observed that in all pounding cases for the column of the 8-story structure that suffers the hit from the top floor slab of the adjacent structure there are pairs of V - N values that lie outside the line limit of the available strength. This means that there are time periods during the seismic response of the building during which the developed shear forces exceed the available shear capacity and therefore a potential of a local shear brittle failure can be expected.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνήθηκε η επιρροή διαφόρων τύπων μορφολογικών προβλημάτων στη σεισμική συμπεριφορά πολυώροφων κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα. Εξετάστηκε τόσο η συνολική απόκριση όσο και η τοπική απόκριση των επι μέρους δομικών στοιχείων. Η έρευνα που πραγματοποιήθηκε περιλαμβάνει δύο γενικότερες ενότητες μορφολογικών προβλημάτων. Η πρώτη ενότητα περιλαμβάνει τη διερεύνηση της σεισμικής συμπεριφοράς πολυώροφων κατασκευών με μορφολογικά προβλήματα στο ισόγειο τους. Μελετήθηκε η επιρροή της μορφολογίας του ισογείου 6ώροφων πλαισιωτών κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα στη σεισμική συμπεριφορά τους. Συγκεκριμένα εξετάστηκαν, (α) κατασκευές με μεγαλύτερο ύψος ισογείου και (β) με ισόγειο χωρίς δοκούς, με δομικό σύστημα με και χωρίς τοιχοποιίες πλήρωσης. Εξετάστηκε επίσης και η ειδική περίπτωση με τοιχοποιίες που σχηματίζουν πυλωτή στο ισόγειο. Η διερεύνηση περιλαμβάνει πολύ-παραμετρικό πρόγραμμα στατικών υπερωθητικών αναλύσεων (pushover analysis) καθώς επίσης και ανελαστικών βήμα προς βήμα αναλύσεων (dynamic analysis) για τις εξής περιπτώσεις:Case A: κατασκευές με ίσο ύψος ορόφων (ως πιλοτικές κατασκευές). Case B: κατασκευές με υψηλότερο ισόγειο και ίσο ύψος ορόφων στους υπόλοιπους ορόφους. Case C: κατασκευές με ίσο ύψος ορόφων και χωρίς δοκό στο ισόγειο (μοντέλο απευθείας έδρασης της πλάκας στα υποστυλώματα). Οι κατασκευές αυτές έχουν ως στόχο και τη μελέτη της μη κανονικότητας καθ’ ύψος που εισάγεται λόγω της ύπαρξης ή μη τοιχοποιιών πλήρωσης ως εξής:(α) κατασκευές χωρίς τοιχοποιίες πλήρωσης,(β) κατασκευές με τοιχοποιίες πλήρωσης σε όλους τους ορόφους,(γ) κατασκευές με τοιχοποιίες πλήρωσης σε όλους τους ορόφους εκτός από το ισόγειο (pilotis).Για τις ανάγκες αυτής της διερεύνησης, πραγματοποιήθηκαν στατικές ανελαστικές και δυναμικές βήμα προς βήμα ανελαστικές αναλύσεις (συνολικά 150 αναλύσεις) σε επιλεγμένα σημεία ελέγχου και σε διάφορες στάθμες επιτελεστικότητας έτσι ώστε να εντοπιστούν οι πιο κρίσιμοι τύποι μορφολογικών προβλημάτων όσον αφορά τις συνολικές αλλά και τις τοπικές απαιτήσεις των κατασκευών. Όσον αφορά τα σημεία στα οποία ελέγχθηκε (σημεία ελέγχου) η απόκριση των 6ώροφων κατασκευών, πραγματοποιήθηκε στατική ανελαστική υπερωθητική ανάλυση για τις εξής στάθμες επιτελεστικότητας: (i) οριακή κατάσταση σημαντικών βλαβών (SD) για φάσμα σχεδιασμού με περίοδο επαναφοράς Τ = 475έτη και (ii) οριακή κατάσταση οιονεί κατάρρευσης (NC) για φάσμα σχεδιασμού με περίοδο επαναφοράς Τ = 2475έτη. Επιπλέον, για τις δύο αυτές οριακές καταστάσεις εφαρμόστηκε δυναμική βήμα προς βήμα ανελαστική ανάλυση.Τα αποτελέσματα που προέκυψαν κατά τη διάρκεια αυτής της διερεύνησης αφορούν τόσο στην συνολική απόκριση της κατασκευής όσο και στην τοπική συμπεριφορά των δομικών της στοιχείων. Τα αποτελέσματα αφορούν τις μέγιστες σχετικές μετατοπίσεις και την τέμνουσα βάσης που αναπτύσσεται στην 6ώροφη κατασκευή. Παρουσιάστηκαν επίσης αποτελέσματα που αφορούν τις πλαστιμότητες καμπυλοτήτων των υποστυλωμάτων αλλά και τις μορφές αστοχίες σύμφωνα με τις οριακές καταστάσεις που περιγράφηκαν παραπάνω (θpl). Επίσης, παρουσιάστηκαν αποτελέσματα που αφορούν την τοπική ανελαστική απόκριση των τοιχοποιιών πλήρωσης. Παρατηρήθηκε μείωση στην καμπύλη ικανότητα της 6ώροφης κατασκευής για τις περιπτώσεις κατασκευών με υψηλά υποστυλώματα (Case B) καθώς και για κατασκευές χωρίς δοκούς στο ισόγειο (Case C), με μεγαλύτερες μειώσεις στην περίπτωση των υψηλών υποστυλωμάτων (Case B). Επίσης, αυξημένες είναι οι απαιτήσεις σε μέγιστες καθ’ ύψος σχετικές μετατοπίσεις στους δύο πρώτους ορόφους και για τις δύο περιπτώσεις μορφολογικών προβλημάτων. Για όλες τις αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν, οι μέγιστες τιμές των σχετικών μετατοπίσεων παρουσιάζονται στον πρώτο όροφο των κατασκευών με υψηλά υποστυλώματα στο ισόγειο (Case B) και στον δεύτερο όροφο ακριβώς πάνω από τον όροφο με απουσία δοκών στην περίπτωση Case C. Ακόμη παρατηρείται ότι τα σημεία επιτελεστικότητας κατά FEMA και Ν2 που ως γνωστόν βασίζονται σε συντελεστές, είναι πολύ κοντά τόσο μεταξύ τους όσο και με εκείνα που προέκυψαν για τις σεισμικές αναλύσεις. Πιο συντηρητικά σε όλες τις περιπτώσεις ήταν τα σημεία επιτελεστικότητας κατά ATC-40. Παρουσιάζεται αύξηση των τιμών αυτών λόγω της διαφορετικής μορφολογία του ισογείου. Επίσης, παρατηρείται μείωση όταν ενσωματώνονται οι τοιχοποιίες πλήρωσης. Σε τοπικό επίπεδο, τα μορφολογικά προβλήματα του ισογείου (Case B - ψηλά υποστυλώματα, Case C - μοντέλο άμεσης έδρασης των υποστυλωμάτων στις δοκούς προκαλούν αλλαγές στις μορφές αστοχίας των κατασκευών και οδηγούν σε μηχανισμό μαλακού ορόφου στην βάση του κτηρίου. Συγκεκριμένα, παρατηρήθηκε αύξηση στις απαιτήσεις σε κάμψη για τις δοκούς και τα υποστυλώματα στους πρώτους ορόφους σε σύγκριση με τις αντίστοιχες απαιτήσεις της κανονικής 6ώροφης πλαισιωτής κατασκευής Case A. Τα προβλήματα που αφορούν την καμπτική συμπεριφορά των δομικών στοιχείων καθώς και την ανελαστική συμπεριφορά των τοιχοποιιών πλήρωσης επικεντρώνονται στον πρώτο και δεύτερο όροφο όπου και παρουσιάζεται το μορφολογικό πρόβλημα, με πιο κρίσιμο τύπο μορφολογίας ισογείου τον τύπο C (απουσία δοκών στο ισόγειο).Γενικότερα από τον έλεγχο της συμπεριφοράς της 6ώροφης κατασκευής και την επιρροή της μορφολογίας του ισογείου σε διάφορα σημεία, μπορεί να εξαχθεί το συμπέρασμα ότι ο βαθμός επιρροής των μορφολογικών προβλημάτων στον τρόπο συμπεριφοράς εξαρτάται από το επίπεδο στο οποίο πραγματοποιείται ο έλεγχος της σεισμικής απόκρισης της κατασκευής.Η δεύτερη ενότητα περιλαμβάνει πολύ-παραμετρική ανάλυση της σεισμικής συμπεριφοράς πολυώροφων χωρικών κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα οι οποίες αλληλεπιδρούν έκκεντρα με παρακείμενες κατασκευές κατά τμήμα μόνο των κατόψεων τους. Πραγματοποιήθηκε τρισδιάστατη προσομοίωση των κατασκευών αυτών και δόθηκε ιδιαίτερη βαρύτητα στην στροφική κίνηση η οποία εισάγεται στο δομικό σύστημα των κατασκευών αυτών λόγω της αλληλεπίδρασης τους με τις παρακείμενες κατασκευές. Για τις ανάγκες της διερεύνησης αυτής πραγματοποιήθηκε πολύ - παραμετρική ανάλυση κατά την οποία έγιναν πάνω από 1200 δυναμικές βήμα προς βήμα ανελαστικές αναλύσεις κατά τις οποίες μελετήθηκαν 408 συνολικά περιπτώσεις αλληλεπίδρασης μεταξύ παρακείμενων κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα. Συγκεκριμένα διερευνήθηκε η έκκεντρη αλληλεπίδραση i) μιας 8ώροφης κατασκευής από οπλισμένο σκυρόδεμα με παρακείμενες κατασκευές με αριθμό ορόφων ns = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 και ii) μιας 4ώροφης κατασκευής από οπλισμένο σκυρόδεμα με παρακείμενες κατασκευές με αριθμό ορόφων ns = 1, 2, 3, 4. Και για τις δύο πολυώροφες κατασκευές μελετήθηκαν δύο διαφορετικοί καθ’ ύψος τύποι αλληλεπίδρασης παρακείμενων κατασκευών:Τύπος Α (Type A). Το ύψος των ορόφων των δύο παρακείμενων κατασκευών είναι ίσο και η πρόσκρουση των κατασκευών κατά την διάρκεια των σεισμικών διεγέρσεων πραγματοποιείται στις πλάκες των ορόφων. Τύπος Β (Type Β). Το ύψος των ορόφων των δύο παρακείμενων κατασκευών δεν είναι ίσο. Έτσι παρατηρείται εμβολισμός των υποστυλωμάτων της μιας κατασκευής από τις πλάκες της παρακείμενης κατά την διάρκεια των σεισμικών διεγέρσεων.Η επαφή των παρακείμενων κατασκευών πραγματοποιείται είτε σε ένα μόνο υποστύλωμα της κάτοψης της κάθε κατασκευής (Case 1), είτε σε δύο υποστυλώματα (Case 2). Τα υπόλοιπα υποστυλώματα ταλαντώνονται χωρίς περιορισμούς και έτσι παρά τη συμμετρία των κατόψεων των κατασκευών παρουσιάζονται στρεπτικά φαινόμενα. Η στροφική κίνηση η οποία εισάγεται στο δομικό σύστημα των κατόψεων των κατασκευών αυτών πλέον της μεταφορικής, λόγω της έκκεντρης αλληλεπίδρασης τους με παρακείμενες κατασκευές, έχει επιπτώσεις στη σεισμική συμπεριφορά των κατασκευών αυτών καθώς επίσης και στη στροφική συμπεριφορά τους. Θα πρέπει να αναφερθεί ότι στα πλαίσια αυτής της διερεύνησης ελήφθη υπόψη και η επιρροή της απόστασης μεταξύ των παρακείμενων κατασκευών και γι' αυτό το λόγο οι αναλύσεις πραγματοποιήθηκαν για dg = 2cm, dg = 1cm αλλά και για dg = 0 όπου παρατηρήθηκαν και τα δυσμενέστερα αποτελέσματα.Τα αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν και σχολιάστηκαν στην ενότητα αυτή όσον αφορά τη συνολική συμπεριφορά των πολυώροφων κατασκευών, αφορούν την αναπτυσσόμενη τέμνουσα βάσης, τις μετατοπίσεις των ορόφων και τις μέγιστες καθ’ ύψος σχετικές μετακινήσεις. Επιπλέον, δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στην στροφική συμπεριφορά των πολυώροφων κατασκευών η οποία οφείλεται στις κρούσεις που δέχονται από τις παρακείμενες κατασκευές. Επιπτώσεις παρατηρούνται και στην τοπική συμπεριφορά των υποστυλωμάτων που υφίστανται την κρούση από τις πλάκες των παρακείμενων κατασκευών. Για το λόγο αυτό παρουσιάστηκαν και σχολιάστηκαν αποτελέσματα που αφορούν, την αναπτυσσόμενη στρεπτική ροπή στη βάση των κατασκευών, τις αναπτυσσόμενες στροφές των ορόφων καθώς επίσης και τις απαιτήσεις των υποστυλωμάτων που υφίστανται την κρούση σε πλαστιμότητα καμπυλοτήτων αλλά και σε διάτμηση. Παρατηρήθηκαν σημαντικές αυξήσεις της στροφής των ορόφων των πολυώροφων κατασκευών αλλά και της στρεπτικής ροπής που αναπτύσσεται στην βάση τους. Μεγαλύτερες είναι οι αυξήσεις για την περίπτωση Case ,1 καθώς στην περίπτωση αυτή οι κατασκευές έρχονται σε επαφή σε μόλις ένα υποστύλωμα των κατόψεων τους, επιτρέποντας έτσι την κάτοψη να στρέφεται σε μεγαλύτερο βαθμό. Συγκρίνοντας τους δύο τύπους Type A και Type B, παρατηρήθηκαν μεγαλύτερες απαιτήσεις για την περίπτωση όπου η επαφή πραγματοποιείται στα επίπεδα των ορόφων και όλη η στροφική κίνηση συγκεντρώνεται στη στροφή των διαφραγμάτων των ορόφων αυτών. Αντίθετα, για την περίπτωση Type B όπου η επαφή πραγματοποιείται σε ενδιάμεσο σημείο καθ’ ύψος των υποστυλωμάτων τα προβλήματα που προκύπτουν συγκεντρώνονται στην τοπική συμπεριφορά των υποστυλωμάτων που υφίστανται την κρούση.Επιπλέον, η στροφική κίνηση που εισάγεται στις κατόψεις των κατασκευών αυτών λόγω της έκκεντρης αλληλεπίδραση τους με παρακείμενες κατασκευές επηρεάζει την κατανομή των τεμνουσών που αναπτύσσονται στα υποστυλώματα που υφίστανται την κρούση. Για την περίπτωση Type A παρατηρείται σημαντική αύξηση των απαιτήσεων σε τέμνουσα κατά την κάθετη διεύθυνση (VY) ως προς την διεύθυνση της σεισμικής διέγερσης και περιορισμός των απαιτήσεων σε τέμνουσα ως προς την οριζόντια διεύθυνση (VX). Για την περίπτωση αλληλεπίδρασης Type B παρατηρείται σημαντική αύξηση των τεμνουσών που αναπτύσσονται τόσο κατά την οριζόντια (VX) όσο και κατά την κάθετη διεύθυνση (VY) ως προς την διεύθυνση της σεισμικής διέγερσης με ιδιαίτερα μεγάλες αυξήσεις στις τέμνουσες VX. Όσον αφορά την αλληλεπίδραση παρακείμενων κατασκευών με διαφορετικά επίπεδα ορόφων (Type B) και συγκεκριμένα την τοπική συμπεριφορά των υποστυλωμάτων που δέχονται τις κρούσεις από τις πλάκες των παρακείμενων κατασκευών, παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση των καμπτικών και διατμητικών απαιτήσεων. Συγκεκριμένα για τον τύπο αυτό, παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση των απαιτήσεων σε πλαστιμότητα καμπυλοτήτων μφ στο κρίσιμο υποστύλωμα (C1) που υφίσταται την κρούση, με δυσμενέστερη συμπεριφορά του άνω τμήματος του υποστυλώματος (C1up) αυτού καθώς έχει μικρότερο μήκος και εκεί συγκεντρώνεται το μεγαλύτερο μέρος των βλαβών. Επιπλέον, στο υποστύλωμα αυτό παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση στις απαιτήσεις σε διάτμηση καθώς σε πολλά βήματα της ανάλυσης κατά τη διάρκεια των σεισμικών διεγέρσεων, πολλά ζεύγη Τέμνουσας Δύναμης – Αξονικής Δύναμης (V-N) ξεπερνούν τα όρια της διατμητικής αντοχής (VR) του υποστυλώματος, με αποτέλεσμα να καθίσταται πιθανή η τοπική ψαθυρή αστοχία των στοιχείων αυτών.