Αναλυτική διερεύνηση της δυναμικής συμπεριφοράς κτηριακών κατασκευών, σεισμικά μονωμένων με χρήση λικνιζόμενου ορόφου στη βάση

Abstract

A storey comprised of columns that may uplift and rock under ground motion excitations can be regarded as an innovative base isolation technique. From the 70's to the present, more than 400 buildings with rocking base isolation have been constructed in Russia and the wider region of the former Soviet Union. The rocking columns of these structures are an economical solution for seismic isolation, they do not require any special maintenance and they can reduce the seismic loads of the superstructure. Despite the extensive use of free standing columns as a seismic isolation system for building structures, there are only limited studies based on the results obtained by the analytical solution of the dynamic response of such structural systems. The limited information about the seismic performance of such structures, combined with the fact that the rocking overturning of the rocking base implies the total failure of the system, makes the engineers hesitant to adopt rocking as seismic isolation technique. From this point of view, in the present thesis the dynamic response of building structures placed on the top of a rocking storey is investigated.In the context of the present thesis, an original investigation of the magnitude of the seismic demands of the superstructure is initially presented. Apart from studying the rocking response in order to avoid the rocking overturn, it is important to examine the seismic demand on the superstructure so as to assess the rocking storey as base isolation system. From this point of view, structural as well as ground motion parameters that affect the seismic demands of the superstructure are examined. For this purpose, the superstructure’s response spectra, of various structural configurations, under free rocking response, analytical pulses and natural ground motions are presented and discussed. Finally, the effect of different assumptions regarding energy dissipation during impact on the response of the superstructure is investigated.Subsequently, the seismic response of multi-storey structures placed on the top of a rocking storey is examined. For this purpose an analytical model that allows the interaction of all vibration modes of the superstructure with the rocking base is proposed. As uplift of the rocking base modifies the dynamic properties of the superstructure, modal analysis is performed and the vibration mode properties during rocking are demonstrated. Subsequently, dynamic time history analyses are performed and the effect of higher vibration modes of the superstructure on the rocking response is investigated. In addition, the seismic demands of the superstructure as well as their distribution throughout the storeys are examined. The results indicate that the higher vibration modes affect the rocking response of the base although their influence depends on the stiffness of the superstructure. Furthermore, the seismic demands of the superstructure depend primarily on the size of the rocking columns. Finally, during rocking response all the vibration modes are excited and contribute to the distribution of the seismic loads throughout the floors of the superstructure.During the dynamic response of rocking isolated building structures, the possible overturning implies the total failure of the system. In order to increase the displacement capacity of the rocking storey, in the present dissertation the formation of curved extensions at the ends of the rocking columns is also investigated. The aforementioned configuration of the rocking base results in a rolling response of the kinematic bearing onto the foundation, with positive or negative stiffness, before it starts to purely rock. To study this complex phenomenon, the nonlinear equations of motion are first formulated and then the effect of the geometric characteristics of the curved extensions on both the response of the rocking base and the seismic demands of the superstructure are investigated. As long as the curved extensions affect the post-uplift stiffness of the rocking storey, modal analysis is performed and the dynamic properties after the uplift are demonstrated. Subsequently, dynamic time history analyses are performed and the effect of post uplift stiffness of the rocking storey on the displacement response of the base is investigated. Finally, the seismic demands of the superstructure as well as their distribution throughout the storeys are examined.As rocking is a highly nonlinear phenomenon due to the negative stiffness, small changes in the characteristics of both the rocking system and the seismic excitation can cause large changes in the rocking response. The above fact gives rise to the necessity of a probabilistic treatment of the rocking response given the uncertainties related to the characteristics of ground motions. From this point of view, the seismic performance of RPSs is assessed within a probabilistic framework. For this purpose synthetic pulse-like acceleration records are generated. The performance of several ground motion intensity measures (IMs) in predicting the rocking response of RPSs with different superstructure’s fundamental period, lateral displacement profiles and rocking column configuration is examined. The effect of these structural parameters on the rocking response is evaluated in terms of seismic fragility. Finally, the overall performance of the rocking storey, as seismic isolation technique, is evaluated by examining both the rocking stability and the seismic demand reduction of the superstructure simultaneously.Finally, the evaluation of the performance of the seismic isolation system in question reveals that the use of a rocking floor can reduce the seismic demands of the superstructure from 30 to 50%, provided it is not overturned. Due to the limited performance of the rocking base as a seismic isolation system, there is a need to improve its seismic behavior. To this end, a hybrid seismic isolation configuration is proposed, which consists of rocking columns with increased displacement capacity combined with seismic energy dissipation devices.

Η διαμόρφωση του κατώτερου ορόφου κτηριακών κατασκευών ως ελεύθερα εδραζόμενα υποστυλώματα τα οποία μπορούν να ανασηκωθούν και να λικνιστούν υπό τη δράση των οριζόντιων σεισμικών φορτίων, μπορεί να θεωρηθεί ως σύστημα σεισμικής μόνωσης. Από τη δεκαετία του 70 έως σήμερα πάνω από 400 κτηριακά έργα με λικνιζόμενο όροφο έχουν ανεγερθεί στην Ρωσία και την ευρύτερη περιοχή της πρώην Σοβιετικής Ένωσης. Τα συστήματα των λικνιζόμενων στύλων της βάσης αποτελούν μια οικονομική λύση για τη σεισμική μόνωση κατασκευών, δεν απαιτούν ιδιαίτερη συντήρηση και είναι δυνατό να μειώσουν τα σεισμικά φορτία της ανωδομής. Παρά την ευρεία χρήση του λικνιζόμενου ορόφου ως σύστημα σεισμικής μόνωσης, τα αναλυτικά δεδομένα που αφορούν τη δυναμική συμπεριφορά αυτών των κατασκευών είναι περιορισμένα. Τα ελλιπή δεδομένα, σε συνδυασμό με το γεγονός ότι η πιθανή ανατροπή της λικνιζόμενης βάσης συνεπάγεται την καθολική αστοχία του συστήματος, καθιστά τους μηχανικούς διστακτικούς ως προς την υιοθέτηση του λικνισμού ως μέσου σεισμικής θωράκισης. Λαμβάνοντας υπόψη το έλλειμμα που υπάρχει στη βιβλιογραφία, αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η διερεύνηση της δυναμικής συμπεριφοράς σεισμικά μονωμένων κτηριακών κατασκευών με χρήση λικνιζόμενου ορόφου στη βάση. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής αρχικά παρουσιάζεται μια πρωτότυπη διερεύνηση του μεγέθους των σεισμικών απαιτήσεων κτηριακών κατασκευών σεισμικά μονωμένων με χρήση λικνιζόμενου ορόφου καθώς και των παραμέτρων που τις επηρεάζουν. Προς το σκοπό αυτό κατασκευάζονται φάσματα ελαστικών απαιτήσεων για πληθώρα σεισμικά μονωμένων συστημάτων με διαφορετικά δυναμικά χαρακτηριστικά, σε ελεύθερη ταλάντωση της λικνιζόμενης βάσης και σε εξαναγκασμένη ταλάντωση με αναλυτικούς παλμούς και φυσικές σεισμικές καταγραφές. Η μελέτη αποκαλύπτει ότι ο λικνιζόμενος όροφος αφενός δύναται να περιορίσει τις σεισμικές απαιτήσεις της ανωδομής και αφετέρου να προσδώσει στο δομικό σύστημα χαρακτηριστικές ιδιότητες, με βασικότερη την απουσία φαινομένων συντονισμού. Ακολούθως, προτείνεται ένα αναλυτικό προσομοίωμα που περιγράφει τη δυναμική συμπεριφορά πολυώροφων κτηριακών κατασκευών σεισμικά μονωμένων με χρήση λικνιζόμενου ορόφου. Επειδή η ανασήκωση των λικνιζόμενων στύλων συντελεί στη μεταβολή των δυναμικών χαρακτηριστικών της ανωδομής, οι εξισώσεις του προσομοιώματος γραμματικοποιούνται, πραγματοποιείται ιδιομορφική ανάλυση σε ένα ευρύ φάσμα σεισμικά μονωμένων συστημάτων και παρουσιάζεται η μεταβολή των δυναμικών χαρακτηριστικών παρουσία του λικνιζόμενου ορόφου. Μέσω του προσομοιώματος πραγματοποιείται επίσης πλήθος δυναμικών αναλύσεων χρονοϊστορίας και διερευνάται η επίδραση των ανώτερων ιδιομορφικών ταλαντώσεων της ανωδομής στην απόκριση της λικνιζόμενης βάσης και την κατανομή των σεισμικών εντάσεων καθ’ ύψος της ανωδομής. Κατά τη δυναμική απόκριση κτηριακών κατασκευών σεισμικά μονωμένων με χρήση λικνιζόμενου ορόφου, η πιθανή ανατροπή συνεπάγεται την καθολική αστοχία του συστήματος. Με σκοπό την αύξηση της ικανότητας σε μετατόπιση του λικνιζόμενου συστήματος, στην παρούσα διατριβή διερευνάται η διαμόρφωση κυρτών προεκτάσεων (πτερυγίων) στα άκρα των λικνιζόμενων στύλων. Η απόκριση συστημάτων με κυρτές προεκτάσεις διαφέρει από εκείνη των αμιγώς λικνιζόμενων συστημάτων, καθώς στα πρώτα η απόληξη του στύλου δεν είναι επίπεδη. Το γεγονός αυτό έχει ως συνέπεια την κύλιση του λικνιζόμενου στύλου, με θετική ή αρνητική δυσκαμψία πριν τον λικνισμό. Για τη μελέτη του σύνθετου αυτού φαινομένου, αρχικά διατυπώνονται οι μη γραμμικές εξισώσεις κίνησης και στη συνέχεια διερευνάται η επίδραση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των πτερυγίων τόσο στην απόκριση της λικνιζόμενης βάσης όσο και στις σεισμικές απαιτήσεις της ανωδομής.Λόγω της αρνητικής δυσκαμψία και της έντονα μη γραμμικής φύσης του λικνισμού, μικρές μεταβολές στα χαρακτηριστικά τόσο των σεισμικών διεγέρσεων όσο και των ίδιων των κατασκευών είναι δυνατό να οδηγήσουν σε εκ διαμέτρου αντίθετες εκτιμήσεις της δυναμικής απόκρισης. Το γεγονός αυτό καθιστά αναγκαία την προσέγγιση του φαινομένου με χρήση στοχαστικών μεθόδων ανάλυσης. Υπό την παραπάνω οπτική μελετάται η σεισμική συμπεριφορά κτηριακών κατασκευών σεισμικά μονωμένων με χρήση λικνιζόμενου ορόφου, κάτω από ένα πιθανοτικό πλαίσιο. Ειδικότερα, εξετάζεται η επίδραση των χαρακτηριστικών τόσο των σεισμικά μονωμένων συστημάτων όσο και των σεισμικών διεγέρσεων στην απόκριση του λικνιζόμενου ορόφου και στις σεισμικές απαιτήσεις της ανωδομής. Επιπρόσθετα, αξιολογείται η αποτελεσματικότητα του λικνιζόμενου ορόφου ως σύστημα σεισμικής μόνωσης. Προς το σκοπό αυτό εξετάζεται η απομείωση των σεισμικών απαιτήσεων της ανωδομής που επιτελείται από τον λικνιζόμενο όροφο, ταυτόχρονα με την πιθανή αστοχία του συστήματος λόγω ανατροπής. Τέλος, η αξιολόγηση της σεισμικής συμπεριφοράς του υπό εξέταση συστήματος σεισμικής μόνωσης αποκαλύπτει ότι η χρήση λικνιζόμενου ορόφου δύναται να περιορίσει τις σεισμικές απαιτήσεις της ανωδομής κατά 30 έως 50 %, υπό την προϋπόθεση μη ανατροπής. Λόγω της περιορισμένης απόδοσης του λικνιζόμενου ορόφου ως σύστημα σεισμικής μόνωσης, προκύπτει η ανάγκη βελτίωσης της σεισμικής του συμπεριφοράς. Προς το σκοπό αυτό, προτείνεται μια υβριδική διάταξη σεισμικής μόνωσης, η οποία αποτελείται από λικνιζόμενους στύλους με αυξημένη ικανότητα μετατοπίσεων και μηχανισμούς κατανάλωσης σεισμικής ενέργειας.