Μελέτη της ενίσχυσης φορέων από ωπλισμένο σκυρόδεμα με έμφαση στη χρήση ελκυστήρων: αναλυτική και πειραματική διερεύνηση

Abstract

This PhD Thesis is a contribution to the contemporary study and solution of the problem concerning the seismic strengthening of Reinforced Concrete Structures (RCS) using tension ties. It is considered that after the static and seismic evaluation of the existing or new RCS, using known methods, has already been established the need for strengthening and seismic upgrading of the structure as a whole and that from the available methods of strengthening, the tie strengthening method has been selected. Strengthening by ties is known to be advantageous compared to traditional reinforcement methods (e.g. mantles, walls, FRP) in terms of ease of installation, reduction of constructional nuisance, respect to the principles of sustainable construction, maintenance, etc. However, in the relevant calculations of the RCS response with ties, a realistic analysis of the use of ties as a means of strengthening must be taken into account, taking strict account of their unilateral behavior, which is the ability to receive only tensile forces and the inability to absorb compressive forces.First, the basics from the Theory of Structures with unilateral constraints-links are explained and the mathematical formulation of the problem as an Inequality Problem of the Structural Engineering is obtained. In the Inequality Problems of the Structural Analysis, the conditions that govern the problem are equalities as well as inequalities. The Inequality Problems are high nonlinear problems of structures and appear particular difficulties, both in their mathematical formulation and in their numerical treatment.Ties are structural elements acting as one-sided couplings: they can only receive axial tensile forces while they cannot undertake compressive forces. Therefore, the conditions of non-negative tension on ties are inequality conditions. This non-linearity due to ties augments the known non-linearity governing the RCS problems. Generally, the use of ties imposes on the RCS a variable mode of operation, that is, its function varies according to the cause. As it is known, the same phenomenon of the variable mode of operation occurs in RCS due to cracking under a changing operating cause, e.g. seismic stress.For the numerical solution of the general problem (static and dynamic), first a double discretization is used, in space by the Finite Element Method (FEM) and in time by using direct methods of integration. Next, optimization methods for the treatment of inequality conditions are used. Thus, in each time step, a linear complementarity problem (LCP) is solved. In addition, an alternative incremental approach to the problem is developed and the appropriate implementation of the RUAUMOKO computing code is investigated. The validity of this code is documented by experimental results.These experiments were carried out at the Reinforced Concrete and Antiseismic Structures (RCAS) Laboratory of the Democritus University of Thrace (DUTh), Xanthi, Greece, and concern a typical one-storey, two-column reinforced concrete frame, first bare and then reinforced by ties. This specimen- frame has bending-shear features, which appear in old RCS, studied and constructed before the application of the newest anti-seismic codes. In these DUTh experiments, it was emphasized to be studied the influence of alternating axial force on the shear strength of structural elements, thus taking into account the influence of the vertical component of the earthquake on the behavior of low buildings. In addition, the documentation of the code is also made with experimental results available in the international bibliography, concerning specimens-frames with bending behavior, strengthened with steel ties. In the computational simulations of both the above experimental procedures, a very satisfactory convergence of experimental and computational results was found.Next, they are investigated the effects of earthquake sequences (multiple earthquakes) on the response of RCS, bare ones or strengthened by ties. For real seismic sequences recorded and selected as extreme ones for the tested RCS, their cumulative effect on the damage for critical response characteristics is calculated. For this purpose, damage indices are introduced and calculated, local ones based on ductility, and global for the whole structure. Various critical features of the response, e.g. maximum horizontal upper floor movements, relative slidings between floors, plastic joints formations, etc., are computed. Thus, with the above damage indices, the potential increase of the seismic risk for RCS without strengthening is quantitatively and reliably quantified, the need for eventual strengthening is assessed quantitatively, and the optimal arrangement of the ties configuration is chosen.Finally, some typical practical cases of ties-reinforced RCS are examined and their seismic response under seismic sequences, with or without ties-strengthening, is compared. The comparison is based on the above damage indices (local or global) for various critical response characteristics. This enables the engineer to assess in a realistic way the need to upgrade an existing RCS or not, and further, in the positive case, to choose the optimal way of reinforcing with ties.The main originality points of the dissertation are, among others, first the realistic formulation and the numerical solution of the static and dynamic problem of RCS with ties. Next, the influence of alternating axial forces and of the vertical seismic component on the RSC response is experimentally investigated and computationally simulated. Further, emphasis is given to the influence of seismic sequences on the RCS response and on the realistic assessment of their cumulative effect on damage. Thus, the engineer has a reliable computational tool to assess the need for antiseismic upgrading of the bare RCS and to select the optimal arrangement of strengthening ties under seismic sequences.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή αποτελεί μια συμβολή στη σύγχρονη μελέτη και επίλυση του προβλήματος της αντισεισμικής ενίσχυσης πλαισιωτών φορέων σε Κατασκευές από Ωπλισμένο Σκυρόδεμα (ΚΩΣ) με χρήση ελκυστήρων. Θεωρείται ότι μετά τη στατική και σεισμική αποτίμηση, του φορέα της ΚΩΣ, υφιστάμενης ή νέας, με τις γνωστές μεθόδους, έχει ήδη διαπιστωθεί η ανάγκη για ενίσχυση και σεισμική αναβάθμισή του φορέα συνολικά. Από τις διαθέσιμες μεθόδους ενίσχυσης των φορέων ΩΣ επιλέγεται η χρήση ελκυστήρων που τοποθετούνται διαγώνια στο φάτνωμα του πλαισίου. Η ενίσχυση με ελκυστήρες παρέχει ορισμένα σημαντικά πλεονεκτήματα συγκριτικά με τις παραδοσιακές μεθόδους ενίσχυσης (π.χ. μανδύες, τοιχώματα, FRP), όπως η ευκολία τοποθέτησης, η μείωση της όχλησης κατά την κατασκευή, ο σεβασμός των αρχών της αειφόρου κατασκευής, η αναστρεψιμότητα, η συντήρηση κ.λπ. Κατά τους υπολογισμούς της απόκρισης φορέων ΩΣ με ελκυστήρες απαιτείται ρεαλιστική ανάλυση της χρήσης ελκυστήρων ως μέσον ενίσχυσης λαμβάνοντας αυστηρά υπόψη την μονόπλευρη συμπεριφορά τους, δηλ. τη δυνατότητα παραλαβής μόνο εφελκυστικών δυνάμεων, και την αδυναμία ανάληψης θλιπτικών δυνάμεων. Αρχικά αναπτύσσονται οι βασικές αρχές της θεωρίας των φορέων με μονόπλευρους συνδέσμους και γίνεται η μαθηματική διατύπωση του προβλήματος ως ανισοτικό πρόβλημα της Μηχανικής των Κατασκευών. Στα ανισοτικά προβλήματα της Ανάλυσης των Κατασκευών οι συνθήκες που διέπουν το πρόβλημα είναι ισοτικές και ανισοτικές. Πρόκειται για μη γραμμικά προβλήματα φορέων που εμφανίζουν ιδιαίτερες δυσκολίες τόσο στη μαθηματική τους διατύπωση όσο και στην αριθμητική τους επίλυση.Οι ελκυστήρες είναι δομικά στοιχεία που λειτουργούν ως μονόπλευροι σύνδεσμοι παραλαμβάνοντας μόνο αξονικές δυνάμεις εφελκυσμού. Άρα, οι συνθήκες της μη-αρνητικής έντασης στους ελκυστήρες είναι ανισοτικές συνθήκες. Αυτή η μη-γραμμικότητα λόγω των ελκυστήρων επαυξάνει τη δεδομένη μη-γραμμικότητα που διέπει τα προβλήματα φορέων ΩΣ. Γενικά, η χρήση των ελκυστήρων επιβάλλει στον φορέα ΩΣ ένα μεταβλητό τρόπο λειτουργίας, δηλαδή η λειτουργία του μεταβάλλεται ανάλογα με το αίτιο. Ως γνωστόν, το ίδιο φαινόμενο του μεταβλητού τρόπου λειτουργίας εμφανίζεται σε φορείς ΚΩΣ λόγω της ρηγμάτωσης υπό μεταβαλλόμενο αίτιο λειτουργίας, π.χ. σεισμική καταπόνηση.Ακολούθως, για την αριθμητική επίλυση του γενικού προβλήματος (στατικού και δυναμικού) χρησιμοποιούνται αφενός διπλή διακριτοποίηση στο χώρο με τη Μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων (Finite Element Method – FEM) και στο χρόνο με άμεσες μεθόδους ολοκλήρωσης, και αφετέρου μέθοδοι βελτιστοποίησης για τη διαχείριση των ανισοτικών συνθηκών. Έτσι, σε κάθε χρονικό βήμα επιλύεται ένα Πρόβλημα Γραμμικής Συμπληρωματικότητας (ΠΓΣ). Επιπλέον, αναπτύσσεται μια εναλλακτική προσαυξητική προσέγγιση του προβλήματος, και προτείνεται μια κατάλληλη εφαρμογή του υπολογιστικού κώδικα RUAUMOKO. Η αξιοπιστία του κώδικα αυτού τεκμηριώνεται με αποτελέσματα πειραμάτων της βιβλιογραφίας και εργαστηριακών πειραμάτων που υλοποιήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διατριβής.Τα πειράματα αυτά πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Ωπλισμένου Σκυροδέματος και Αντισεισμικών Κατασκευών (Εργ. ΩΣΑΚ) του ΤΠΜ της Πολυτεχνικής Σχολής ΔΠΘ για ένα τυπικό μονώροφο δίστυλο δοκίμιο-πλαίσιο από Ωπλισμένο Σκυρόδεμα (ΩΣ), πρώτα χωρίς ενίσχυση και κατόπιν με ενίσχυση από ελκυστήρες. Το πλαίσιο αυτό έχει χαρακτηριστικά καμπτο-διατμητικής λειτουργίας, η οποία εμφανίζεται σε παλιές ΚΩΣ, μελετημένες και κατασκευασμένες πριν από την ισχύ των νεότερων αντισεισμικών κανονισμών. Στα πειράματα αυτά δόθηκε έμφαση στην επιρροή εναλλασσόμενης αξονικής δύναμης στην διατμητική αντοχή δομικών στοιχείων, και έτσι να ληφθεί υπόψη η επιρροή της κατακόρυφης συνιστώσας του σεισμού στην συμπεριφορά χαμηλών κτηρίων. Η τεκμηρίωση του κώδικα που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της Διδακτορικής Διατριβής (ΔΔ) πραγματοποιείται και με πειραματικά αποτελέσματα που είναι διαθέσιμα στη διεθνή βιβλιογραφία και αφορούν δοκίμια-πλαίσια με καμπτική συμπεριφορά, ενισχυμένα με χαλύβδινους ελκυστήρες. Στις υπολογιστικές προσομοιώσεις και των δυο παραπάνω πειραματικών διαδικασιών διαπιστώθηκε μια πολύ ικανοποιητική σύγκλιση πειραματικών και υπολογιστικών αποτελεσμάτων. Κατόπιν διερευνάται η επίδραση μιας ακολουθίας σεισμών (πολλαπλοί σεισμοί) στην απόκριση φορέων ΩΣ, ενισχυμένων ή όχι με ελκυστήρες. Για σεισμικές ακολουθίες που έχουν καταγραφεί και επιλέγονται ως ακραίες για τον εξεταζόμενο φορέα ΚΩΣ, υπολογίζεται η σωρευτική τους επίδραση στις βλάβες που προκαλούνται στην κατασκευή για κρίσιμα μεγέθη της απόκρισης. Σχετικά εισάγονται και υπολογίζονται δείκτες βλάβης, τοπικοί με βάση την πλαστιμότητα, και καθολικοί για το σύνολο του φορέα. Τα κρίσιμα μεγέθη αφορούν εντασιακά και παραμορφωσιακά χαρακτηριστικά της απόκρισης, όπως π.χ. μέγιστες οριζόντιες μετακινήσεις ανωτέρων ορόφων, σχετικές ολισθήσεις μεταξύ ορόφων, σχηματισμοί πλαστικών αρθρώσεων, κ.λπ. Έτσι, με τους παραπάνω δείκτες βλάβης διαπιστώνεται ποσοτικά και κατά αξιόπιστο τρόπο η ενδεχόμενη αύξηση της σεισμικής επικινδυνότητας για φορείς ΚΩΣ χωρίς ενίσχυση, εκτιμάται ποσοτικά η ανάγκη για την ενίσχυσή τους και επιλέγεται η βέλτιστη διάταξη ελκυστήρων.Ακόμη, εξετάζονται μερικές χαρακτηριστικές πρακτικές περιπτώσεις φορέων ΩΣ ενισχυμένων με ελκυστήρες και συγκρίνεται η σεισμική τους απόκριση υπό σεισμικές ακολουθίες, με ή χωρίς την ενίσχυση. Η σύγκριση πραγματοποιείται με βάση τις τιμές των δεικτών βλάβης (τοπικοί ή καθολικοί) για διάφορα κρίσιμα χαρακτηριστικά της απόκρισης. Έτσι δίνεται η δυνατότητα στον μηχανικό να εκτιμήσει με ρεαλιστικό τρόπο την ανάγκη ενίσχυσης ή όχι μιας υφιστάμενης κατασκευής ΩΣ, καθώς και να επιλέξει τον βέλτιστο τρόπο ενίσχυσης με ελκυστήρες.Τα κύρια σημεία πρωτοτυπίας της διατριβής είναι, μεταξύ άλλων, ότι διατυπώνεται κατά ρεαλιστικό τρόπο και επιλύεται αριθμητικά το στατικό και δυναμικό πρόβλημα των φορέων ΩΣ που εμπεριέχουν ελκυστήρες. Με βάση την πειραματική διερεύνηση, εξετάζεται ιδιαίτερα και προσομοιώνεται με επιτυχία το θέμα της επιρροής της κατακόρυφης σεισμικής συνιστώσας και των εναλλασσομένων αξονικών δυνάμεων στην σεισμική απόκριση. Δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στην περίπτωση των σεισμικών ακολουθιών και στην ρεαλιστική αποτίμηση της σωρευτικής επίδρασής τους σε βλάβες για φορείς ΩΣ ενισχυμένους με ελκυστήρες. Έτσι, παρέχεται ένα αξιόπιστο υπολογιστικό εργαλείο για την εκτίμηση της στατικής και δυναμικής συμπεριφοράς του φορέα μιας ΚΩΣ με ελκυστήρες και για την επιλογή της βέλτιστης διάταξης των ελκυστήρων υπό σεισμικές ακολουθίες.