Αναλυτική έρευνα επί της δυνατότητας αξιοποίησης ελκυστήρων προς βελτίωση της αντισεισμικής ασφάλειας υφισταμένων και νέων κατασκευών

Abstract

In the last decades, seismic isolation has been widely applied for the antiseismic protection of structures. However, the use of such means (bearings and dampers) has raised concerns regarding their effectiveness due to the fact that, firstly, they have questionable readiness for contributing to the seismic response because of the lack of homogeneity with the main bridge structural system, and, secondly, they are costly regarding supplement, maintenance and replacement. Hence, it is necessary to study alternative methods for satisfying the seismic requirements and for weighing the aforementioned issues. The subject of the present thesis is the suggestion and justification of an alternative seismic restraining mechanism for the reduction of seismic movements and forces of structures with the aim to decrease seismic demand on the main bridge structural members, such as the piers. Regarding the design of bridges, the suggested mechanism can transfer part of the seismic action to the abutments – embankments, which do not participate in the seismic resistance ordinarily. The transfer of forces is achieved with a struts–ties system, which can be characterized as costless in comparison to the total construction cost. The suggested mechanism is comprised of common steel rebars in bundles, while two additional ties alterations are suggested; the first are unbonded tendons and the second sheets of fiber reinforced polymers. It is underlined that the suggested mechanism can be used for the retrofit of existing bridges and buildings, as well. The application of the suggested system in appropriately selected positions is a convenient and effective way to realize an indirect retrofit solution. The mechanism in existing bridges through the struts–ties behavior improves the response in the longitudinal direction by decreasing the seismic demand on the piers at the level of their structural capacity. In addition, an alteration of the mechanism is suggested, which comprises of steel bars that act as ties, for the improvement of the transverse seismic resistance. In the field of building structures the suggested mechanism is studied as a steel rebar system of ties. In the present thesis the largest part of the study belongs to bridges. The analytical investigation and justification of the suggested longitudinal restraining system includes a substantial number of real bridge structures from different construction categories (cast in situ-monolithic, precast I-Girder, incremental launching, and span by span construction). The parametric investigations were conducted based on the aforementioned bridge types for evaluating the mechanism in a wide range of possible cases of reinforced concreted bridges. Regarding the building structures a parametric study was conducted and an application on an existing building. Mechanical response issues regarding the behavior of the system that were raised during the conduction of the thesis were treated not only analytically but were also justified by a series of experimental tests.

Τις τελευταίες δεκαετίες, για την αντισεισμική προστασία των έργων και κυρίως των γεφυρών εφαρμόζονται ευρέως τα διάφορα συστήματα σεισμικής μόνωσης. Ωστόσο, η αξιοποίηση αυτών των μέσων (εφέδρανα και αποσβεστήρες) δημιούργησε σκεπτικισμό και αμφισβήτηση της αποτελεσματικότητάς τους, που πηγάζουν, πρώτον, από την αμφιβολία της ετοιμότητας των συστημάτων ως ανομοιογενή ως προς το κυρίως φέρον σύστημα εξαρτήματα και, δεύτερον, από το υψηλό τους κόστος προμήθειας, συντήρησης και αντικατάστασης. Για τους λόγους αυτούς, είναι ανάγκη να ερευνηθούν εναλλακτικοί τρόποι κάλυψης των σεισμικών απαιτήσεων, ώστε να αρθούν τα περιγραφέντα μειονεκτήματα. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η πρόταση και τεκμηρίωση ενός εναλλακτικού μηχανισμού σεισμικής ανάσχεσης για τη μείωση των σεισμικών μετακινήσεων και ενταυτώ των καταπονήσεων των κατασκευών με απώτερο στόχο την ανακούφιση των κύριων αποδεκτών του σεισμικού πλήγματος, όπως είναι τα μεσόβαθρα των γεφυρών. Ο προτεινόμενος μηχανισμός για τη μελέτη νέων γεφυρών δίνει τη δυνατότητα της μεταφοράς μέρους των σεισμικών δράσεων με ελεγχόμενο τρόπο στα ακρόβαθρα και στα μεταβατικά επιχώματα, τα οποία βρίσκονται συνήθως στο σεισμικό απυρόβλητο. Η μεταφορά των σεισμικών δράσεων επιτυγχάνεται με ένα σύστημα θλιπτήρων-ελκυστήρων, το οποίο από οικονομικής πλευράς θα μπορούσε να χαρακτηριστεί και αδάπανο σε σύγκριση με το κόστος του έργου. Τον προτεινόμενο μηχανισμό αποτελούν δέσμες ράβδων χάλυβα, ενώ επιπλέον προτείνονται και δύο παραλλαγές ελκυστήρων, πρώτον με τη χρήση τενόντων χωρίς συνάφεια και δεύτερον λωρίδων-ελκυστήρων ινοπλισμένων πολυμερών. Σημειώνεται ότι ο προτεινόμενος μηχανισμός είναι δυνατόν να αξιοποιηθεί στην αντισεισμική ενίσχυση υφιστάμενων γεφυρών, αλλά και κτιρίων. Η εγκατάσταση του προτεινόμενου μηχανισμού στον φέροντα οργανισμό σε κατάλληλες επιλεγμένες θέσεις συνιστά έναν πρόσφορο και αποτελεσματικό τρόπο πραγμάτωσης μίας λύσης έμμεσης επέμβασης. Ο μηχανισμός στις υφιστάμενες γέφυρες μέσω της λειτουργίας θλιπτήρων – ελκυστήρων βελτιώνει την απόκριση της γέφυρας στη διαμήκη διεύθυνση υποβιβάζοντας τις σεισμικές απαιτήσεις στα μεσόβαθρα στα επίπεδα της φέρουσας ικανότητάς τους. Ακόμη, προτείνεται παραλλαγή του μηχανισμού με ράβδους χάλυβα, που ενεργούν ως ελκυστήρες, για τη βελτίωση της εγκάρσιας αντισεισμικής αντίστασης. Στον τομέα των κτιριακών κατασκευών ο προτεινόμενος μηχανισμός ερευνάται ως σύστημα ελκυστήρων από ράβδους χάλυβα. Στην παρούσα διατριβή το «λεόντειο» μερίδιο της έρευνας ανήκει στις γέφυρες. Η διερεύνηση και αναλυτική τεκμηρίωση του προτεινόμενου συστήματος ανάσχεσης των διαμήκων μετακινήσεων περιλαμβάνει σημαντικό αριθμό παραδειγμάτων πραγματικών γεφυρών όλων των κατασκευαστικών τύπων (χυτών επί τόπου, προκατασκευασμένων δοκών, προωθήσεως, προβολοδομήσεως), βάσει των οποίων διεξήχθησαν πολύ-παραμετρικές αναλυτικές διερευνήσεις για να αξιολογηθεί ο μηχανισμός σε όλες τις δυνατές περιπτώσεις της γεφυροποιίας οπλισμένου σκυροδέματος. Για τα οικοδομικά έργα πραγματοποιήθηκε παραμετρική διερεύνηση και εφαρμογή σε υφιστάμενη οικοδομική κατασκευή. Ζητήματα μηχανικής απόκρισης του μηχανισμού των ράβδων χάλυβα που αναδύθηκαν κατά την εκπόνηση της διατριβής αντιμετωπίσθηκαν όχι μόνο αναλυτικά, αλλά τεκμηριώθηκαν και μέσω σειράς πειραματικών δοκιμών.