Ενίσχυση υφισταμένων κτιρίων οπλισμένου σκυροδέματος με ανοικτούς ισόγειους ορόφους (pilotis) για βελτιωμένη αντισεισμική συμπεριφορά

Abstract

The present doctoral thesis deals with the problem of optimum partial strengthening of existing reinforced concrete (RC) buildings with open ground stories (Pilotis) designed and constructed before 1984, according to the old Greek Codes. The study focuses on retrofitting solutions restricted to the ground level so that the total cost is kept to a minimum and the buildings remain in use during the interventions. The current state of knowledge on complete strengthening of existing buildings at predefined levels of seismic performances in Greece and worldwide is satisfactory. The problem however of partial retrofitting, where strengthening of one story (i.e. of only the open ground story) affects the response of one or more adjacent stories, has not been adequately addressed so far, reflecting the motivation and the originality of this research effort. The most significant motivation, however, is the practical importance of this subject, because: (a) old RC buildings with open ground stories represent the most vulnerable class of existing buildings in Greece, and (b) partial retrofitting is the only feasible solution for large scale interventions through State introduced incentives. For dealing with this problem an extensive numerical investigation of the seismic performance of Pilotis type buildings partially strengthened at their open ground story is conducted, using nonlinear analysis methods. Optimum retrofitting solutions, i.e. the required amount of strengthening which results in the maximum reduction of the buildings’ vulnerability, without shifting the problem to any of the overlying non-retrofitted stories, are determined via a trial and error procedure. Buildings are strengthened using: (a) conventional X- or Λ- diagonal steel braces, (b) RC jacketing of the ground story columns, and (c) steel dissipative systems such as buckling restrained braces or ductile shear links in some of the examined cases. The flexibility of the soil as well as the foundation’s geometry and their effects on the seismic response before and after strengthening are also briefly examined. Eurocode 8 – Part 3 is applied for the assessment of the seismic performance of the original and the partially strengthened buildings. Based on the nonlinear analyses results of the detailed mathematical models, simplified equations are proposed for a preliminary estimation of the optimum retrofitting solutions, in terms of global story strength and stiffness indices. Finally, a simple MDOF stick model with one element per story is proposed and applied in the analysis of the problem. The proposed simplified model appears suitable in substituting the corresponding complex mathematical models of the buildings under consideration and can be used for a fast and accurate assessment/design of many partial retrofitting alternatives. Results of a parametric study are presented. Retrofitting cost estimates are also given for some of the typical examined cases. This research effort shows that partial strengthening by intervening only in the open ground story of existing old designed Pilotis buildings turns out to be beneficial in preventing from soft or weak ground story collapse mechanisms. Since it can be carried out externally without interrupting the buildings’ operations, without causing any additional retrofitting works or transferring of the occupants to temporary accommodations, it is the only realistic way towards a reduction in the seismic hazard of our country, through large scale applications.

Αντικείμενο της παρούσης διδακτορικής διατριβής είναι η βέλτιστη μερική ενίσχυση κτιρίων Ο.Σ. με ανοικτούς ισογείους ορόφους Pilotis, που έχουν σχεδιασθεί και κατασκευασθεί πριν το 1984, σύμφωνα με τους παλιούς Ελληνικούς Κανονισμούς. Η έρευνα εστιάζει σε λύσεις ενίσχυσης που περιορίζονται στο ανοικτό ισόγειο των κτιρίων, προκειμένου κατά το διάστημα εκτέλεσης των εργασιών να μη διακόπτεται η λειτουργία τους και το κόστος της επέμβασης να παραμένει σε χαμηλά επίπεδα. Διεθνώς αλλά και στην Ελλάδα το επίπεδο των σημερινών γνώσεων αναφορικά με πλήρεις επισκευές/ενισχύσεις κτιρίων σε προκαθορισμένα επίπεδα ασφάλειας είναι ικανοποιητικό. Το αντικείμενο ωστόσο της μερικής ενίσχυσης, όπου η επέμβαση σε ένα και μόνο όροφο (εν προκειμένω στο ανοικτό ισόγειο) επηρεάζει την απόκριση ενός ή περισσοτέρων γειτονικών του δεν έχει διερευνηθεί επαρκώς, γεγονός το οποίο αφενός αποτέλεσε κίνητρο, αφετέρου την πρωτοτυπία της ερευνητικής αυτής προσπάθειας. Σημαντικότερο ίσως κίνητρο αποτέλεσε η πρακτική σπουδαιότητα του θέματος, δεδομένου ότι στην Ελλάδα τα παλαιά κτίρια με pilotis έχουν τη μεγαλύτερη σεισμική τρωτότητα, αλλά και πέραν τούτου το γεγονός ότι οι σχετικές ενισχύσεις είναι ίσως οι μόνες εφικτές σε μεγάλη κλίμακα για λόγους που θα αναπτυχθούν στα επόμενα. Το πρόβλημα αντιμετωπίζεται με εκτεταμένη αριθμητική διερεύνηση της σεισμικής συμπεριφοράς κτιρίων Pilotis που ενισχύονται μερικώς στο ισόγειό τους, με εφαρμογή μη-γραμμικών μεθόδων ανάλυσης. Ελλείψει κανόνων για τον ακριβή υπολογισμό της βέλτιστης απαιτούμενης ενίσχυσης, εφαρμόζεται μια μεθοδολογία δοκιμής λάθους όπου μέσω επαναληπτικών αναλύσεων καθορίζεται το όριο εκείνο της ενίσχυσης το οποίο οδηγεί στο βέλτιστο δυνατό αποτέλεσμα, δηλαδή στη μέγιστη δυνατή μείωση της αρχικής τρωτότητας του κτιρίου. Εξετάζονται συμβατικές μέθοδοι ενίσχυσης με μεταλλικούς συνδέσμους δυσκαμψίας ή μανδύες Ο.Σ. Επιλεκτικά, δοκιμάζονται και συστήματα με μεγαλύτερη ικανότητα απορρόφησης ενέργειας όπως πλάστιμοι διατμητικοί σύνδεσμοι ή σύνδεσμοι εξασφαλισμένοι έναντι λυγισμού, ενώ διερευνάται και η τυχόν δυσμενής επίδραση του τρόπου θεμελίωσης στη συνολική σεισμική συμπεριφορά πριν και μετά την ενίσχυση. Η αναλυτική αποτίμηση της ανελαστικής σεισμικής απόκρισης των κτιρίων βασίζεται στον Ευρωκώδικα 8 – Μέρος 3. Εξετάζεται η δυνατότητα προσεγγιστικής εκτίμησης των απαιτούμενων ενισχύσεων, μέσω συσχέτισης των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από τις αναλύσεις στα λεπτομερή προσομοιώματα των κτιρίων με καθολικούς δείκτες σε επίπεδο συνολικής αντοχής και δυσκαμψίας ορόφων, οι οποίοι υπολογίζονται εφαρμόζοντας απλές σχέσεις. Προτείνεται επίσης και εφαρμόζεται ένα απλοποιημένο προσομοίωμα για τη διερεύνηση του προβλήματος. Το εν λόγω προσομοίωμα δίνει τη δυνατότητα ελέγχου ή σχεδιασμού όλων των πιθανών συνδυασμών λύσεων μερικής ενίσχυσης, με εύκολο και σχετικά ακριβή τρόπο, αποφεύγοντας τις υπολογιστικά απαιτητικές και χρονοβόρες αναλύσεις στα πλήρη λεπτομερή προσομοιώματα των κτιρίων. Τέλος, αναλύεται και παρουσιάζεται ένα τυπικό κοστολόγιο λύσεων μερικής ενίσχυσης του ισογείου, όπως αυτές προέκυψαν από τις διερευνήσεις της παρούσης. Η ερευνητική αυτή προσπάθεια οδηγεί στο ασφαλές συμπέρασμα ότι μια προσεισμική επέμβαση μερικής ενίσχυσης αυτού του τύπου κτιρίων είναι εφικτή, πρακτικά εύκολη και οικονομική, δεδομένου ότι μπορεί να γίνει εξωτερικά χωρίς να διαταράξει τη λειτουργία του κτιρίου και χωρίς να προκαλέσει πρόσθετες επισκευές. Αν και δεν αποτελεί πλήρη θωράκιση, εν τούτοις μειώνει σημαντικά την τρωτότητα του κτιρίου, που οφείλεται στο εξαιρετικά ασθενές από πλευρά σεισμικής αντοχής ισόγειο. Η στρατηγική αυτή της μερικής ενίσχυσης αποτελεί πιθανότατα τη μόνη πρακτικά εφικτή λύση ευρείας εφαρμογής για το πρόβλημα της μείωσης της σεισμικής επικινδυνότητας των υφισταμένων οικοδομών στη χώρα μας. Και τούτο διότι, η πλέον επιθυμητή πλήρης ενίσχυση σε αποδεκτά επίπεδα ασφαλείας κατά τους σύγχρονους κανονισμούς, προσκρούει, κατά την εφαρμογή της σε πολυκατοικίες στο μεγάλο κόστος ανά ιδιοκτήτη, και στην ανάγκη προσωρινής μεταστέγασης των ενοίκων κατά τη διάρκεια των εργασιών. Οι δυο αυτοί παράγοντες καθιστούν τις πλήρεις ενισχύσεις πρακτικά μη εφαρμόσιμες.