Αντισεισμική μη-γραμμική στατική ανάλυση ασύμμετρων κτιρίων οπλισμένου σκυροδέματος στη μέγιστη δυνατή κατάσταση επικείμενης κατάρρευσης με χρήση καταναγκασμένων μετακινήσεων ορόφων ή ανελαστικών δυναμικών εκκεντροτήτων

Abstract

The objective of the current doctoral dissertation is the development of a new documented technique of non-linear Static Analysis (i.e., some type of pushover) that is suitable for the seismic evaluation of ductile asymmetric Reinforced Concrete (r/c) buildings at the performance level of Near Collapse. The development of this technique aims to take fully into account on the one hand the actual coupling of the floor torsional oscillations with the translational ones that develop in asymmetric buildings under translational seismic excitation and on the other hand the influence of the higher modes in multistorey buildings, phenomena that appear -often strongly- in both the linear and the non-linear area. These phenomena are not sufficiently considered in the current seismic regulations, resulting in a significant underestimation of the seismic demands on the extreme sides of floors and on the higher floors of multistorey buildings. The above objective led to the development of two different procedures of non-linear static analysis aiming at the stability of the building in the state of Near Collapse. A key point for performing both procedures is the definition of an ideal "Inelastic" Principal Reference System, called as "Capable Near Collapse Principal System". The definition of this system is achieved by considering the use of "the secant stiffness” that leads directly to the yield point the end-sections (or end-section) of all the structural members of the building. The first proposed non-linear static analysis procedure is a Forced-Based one that uses a -constant shape- loading vector of gradually increasing lateral floor forces applied eccentrically to the Center of Mass of each floor (or equivalently to the assumed real or fictitious elastic center) of the building, at two different locations, by using appropriate inelastic dynamic eccentricities. In addition, two different distributions in elevation of the Base Shear are used. When the accidental eccentricities are also considered in analysis, then the inelastic design eccentricities are used which combine the accidental eccentricities with the inelastic dynamic eccentricities. The second proposed non-linear static analysis procedure is a Direct Displacement-Based one that uses an appropriate -constant shape- loading vector of gradually increasing imposed floor displacements. The load vector consists of three imposed displacements on each floor, two of which are imposed floor translational displacements along the horizontal principal axes (of the considered ideal "inelastic" principal reference system) and the third one is an enforced floor rotation about the vertical axis of the considered ideal "inelastic" principal reference system. Both the appropriate inelastic dynamic eccentricities and the imposed floor displacements come from an extensive parametric analysis of multistorey and single-storey r/c buildings using the non-linear dynamic analysis with acceleration time histories. It is noted that in the second proposed procedure with imposed floor displacements, no superpositions are used in the non-linear area to consider the spatial seismic action and this is achieved by taking the envelope of the results of sixteen separate non-linear static analyses, where in each one of them the imposed floor displacements are properly combined with each other. In contrast, in the first proposed procedure using the inelastic dynamic eccentricities, sixteen simple quadratic combinations (SRSS) are performed on the results of eight separate non-linear static analyses for each load pattern in elevation, as in EN 1998-1.

Αντικείμενο της παρούσας Διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας νέας τεκμηριωμένης τεχνικής της μη-γραμμικής Στατικής Ανάλυσης που να είναι κατάλληλη για τη σεισμική αποτίμηση πλάστιμων ασύμμετρων κτιρίων Οπλισμένου Σκυροδέματος στη στάθμη επιτελεστικότητας της Επικείμενης Κατάρρευσης. Κύριος στόχος της υπόψη τεχνικής είναι αφενός να λαμβάνεται πλήρως υπόψη η πραγματική σύζευξη των στρεπτικών ταλαντώσεων με τις μεταφορικές ταλαντώσεις των διαφραγμάτων (δαπέδων) των ορόφων που αναπτύσσονται στα ασύμμετρα κτίρια κατά τη μεταφορική σεισμική διέγερση της βάσης τους και αφετέρου να λαμβάνεται υπόψη η επιρροή των ανωτέρων ιδιομορφών στα πολυώροφα κτίρια, φαινόμενα που εμφανίζονται -συχνά έντονα- στη γραμμική περιοχή με έντονες επιρροές όμως και στη μη-γραμμική περιοχή. Τα φαινόμενα αυτά δεν λαμβάνονται επαρκώς υπόψη στους σύγχρονους αντισεισμικούς κανονισμούς με αποτέλεσμα οι τελευταίοι να υποεκτιμούν σε σημαντικό βαθμό και σε αρκετές περιπτώσεις τις σεισμικές απαιτήσεις στις ακραίες πλευρές των ορόφων και στους υψηλότερους ορόφους πολυώροφων κτιρίων. Ο παραπάνω στόχος οδήγησε στην ανάπτυξη δύο διαφορετικών διαδικασιών μη-γραμμικής στατικής ανάλυσης με στόχο την ευστάθεια του κτιρίου στην κατάσταση της Επικείμενης Κατάρρευσης. Κομβικό σημείο για την εκτέλεση και των δύο διαδικασιών είναι ο ορισμός ενός ιδεατού «Ανελαστικού» Κύριου Συστήματος Αναφοράς που ονομάζεται «Κύριο Σύστημα Αναφοράς στην Ακραία (Μέγιστη) Δυνατή Κατάσταση Επικείμενης Κατάρρευσης του Κτιρίου». Ο ορισμός του συστήματος αυτού είναι εφικτός με τη θεώρηση της χρήσης της «Τέμνουσας Δυσκαμψίας» που οδηγεί κατευθείαν στη διαρροή τις ακραίες διατομές (ή τη ακραία διατομή) όλων των δομικών μελών του κτιρίου. Η πρώτη διαδικασία μη-γραμμικής στατικής ανάλυσης βασίζεται στην εφαρμογή πλευρικών δυνάμεων ορόφων (Forced-Based) και χρησιμοποιεί ένα -σταθερό σε μορφή- φορτιστικό διάνυσμα σταδιακά αυξανόμενων πλευρικών δυνάμεων ορόφων που εφαρμόζεται έκκεντρα ως προς το Κέντρο Μάζας των ορόφων (ή ισοδύναμα ως προς το θεωρούμενο πραγματικό ή πλασματικό ελαστικό κέντρο) του κτιρίου, σε δύο διαφορετικές θέσεις, με τη χρήση κατάλληλων ανελαστικών δυναμικών εκκεντροτήτων. Επιπρόσθετα, κατά την εφαρμογή της διαδικασίας χρησιμοποιούνται δύο διαφορετικές κατανομές της τέμνουσας βάσης καθύψος των κτιρίων. Όταν λαμβάνονται υπόψη και οι τυχηματικές εκκεντρότητες, τότε χρησιμοποιούνται οι ανελαστικές εκκεντρότητες σχεδιασμού, που συνδυάζουν τις πρώτες με τις ανελαστικές δυναμικές εκκεντρότητες. Η δεύτερη διαδικασία μη-γραμμικής στατικής ανάλυσης βασίζεται στις ανελαστικές μετακινήσεις ορόφων (Direct Displacement-Based) και χρησιμοποιεί ένα κατάλληλο -σταθερό σε μορφή- φορτιστικό διάνυσμα σταδιακά αυξανόμενων καταναγκασμένων μετακινήσεων ορόφων. Αυτό αποτελείται από τρείς καταναγκασμένες μετακινήσεις σε κάθε όροφο, εκ των οποίων οι δύο είναι καταναγκασμένες οριζόντιες μετατοπίσεις του ορόφου κατά μήκος των οριζόντιων κυρίων αξόνων (του θεωρούμενου ιδεατού «ανελαστικού» κύριου συστήματος αναφοράς) και η τρίτη είναι μια καταναγκασμένη στροφή του ορόφου περί τον κατακόρυφο άξονα του θεωρούμενου ιδεατού «ανελαστικού» κυρίου συστήματος αναφοράς. Oι κατάλληλες ανελαστικές δυναμικές εκκεντρότητες καθώς και οι καταναγκασμένες μετακινήσεις ορόφων προέρχονται από μία εκτεταμένη παραμετρική ανάλυση πολυώροφων και μονώροφων κτιρίων ο/σ με τη χρήση της μη-γραμμικής δυναμικής ανάλυσης χρονοιστορίας. Σημειώνεται ότι στην δεύτερη προτεινόμενη διαδικασία με καταναγκασμένες μετακινήσεις ορόφων δεν χρησιμοποιούνται επαλληλίες στη μη-γραμμική περιοχή προκειμένου να ληφθεί υπόψη η χωρική δράση του σεισμού και αυτό επιτυγχάνεται με τη λήψη της περιβάλλουσας των αποτελεσμάτων δεκάξι χωριστών μη-γραμμικών στατικών αναλύσεων όπου στην κάθε μία απ’ αυτές οι καταναγκασμένες μετακινήσεις των ορόφων συνδυάζονται κατάλληλα μεταξύ τους. Αντίθετα, στην πρώτη προτεινόμενη διαδικασία με τη χρήση των ανελαστικών δυναμικών εκκεντροτήτων, εκτελούνται δεκάξι συνδυασμοί απλής τετραγωνικής επαλληλίας (SRSS) επί των αποτελεσμάτων οκτώ ανεξάρτητων μη-γραμμικών στατικών αναλύσεων για την κάθε μία καθύψος κατανομή της τέμνουσας βάσης, όπως στον ΕΝ 1998-1.