Πειραματική διερεύνηση σταδιακής κατάρρευσης κτιρίων οπλισμένου σκυροδέματος λόγω τυχηματικών δράσεων

Abstract

Despite the fact that extreme actions on structures, such as explosions or impacts, have low probability of occurrence, their consequences could lead to structural failure and collapse; local damage to one member may spread successively to the others. The present thesis investigates experimentally the loss of a vertical support in both planar and three-dimensional reinforced concrete (RC) structures. The research interest was focused not only on the case of an accidental loss leading structures to progressive collapse, but also on possible ways to enhance their response to avoid collapse. At first, the effects of accidental loss of a column on the beams connected to it and the slab they support were examined. Two specimens, which were models of subassemblies of the prototype building, were used to investigate the load redistribution. The results were combined and showed a significant margin of the bearing capacity of the beams-slab system; the slab contributed significantly when the beams reached their capacity. In a second set of tests, the specimens had exactly the same geometry as in the former tests, but the beams were constructed alternatively (dry joints and axial prestressing of beams) and the slabs’ reinforcement configuration was different (continuous reinforcing bars at the top and bottom flange) – these characteristics have been proven to enhance the resilience and robustness of structures for seismic actions; it was found that the response of both beams and slabs in terms of the load bearing capacity margin was considerably enhanced. Field evidence shows that the effects of major damage to columns by seismic action may not lead to collapse of the structure if the top floor is infilled. Therefore, the contribution of infilled frames to the response of RC structures in the case of accidental loss of a column was studied: tests were conducted, removing instantly ground story columns (one at a time) of a two-story RC structure whose top story perimeter frames were infilled; the distribution and configuration of infills were indicative of real-life structures (i.e. non-infilled frames, fully infilled frames, or infilled frames with openings). The tests showed that the contribution of the infills to the resilience of the structure against progressive collapse is significant, leading to lower deformations of the beams at the position of the loss of the vertical support and in general to lower deformations of the bays and the members affected by the incident, compared to non-infilled bays of the structure.Structures can be protected from seismic damage and residual deformation if they rock as a whole relative to the shaking ground, or if their components rock in a stable way with respect to each other as rigid bodies. Building on the positive results of the seismic resistant beam specimens in the case of loss of support, a RC frame was tested in lateral loading, constructed in a similar way to the beam specimens: dry joints, unbonded post-tensioned cables continuous and concentric along all beam spans. Moreover, the footings of the columns were free to rock and uplift. The rocking frame performed much better and showed significantly less damage compared to the fixed-base frame (also investigated experimentally); the latter suffered severe damage at the beams and columns. The present thesis is structured in five chapters. In Chapter 1, the main research question and the way it has been addressed in several design codes is presented, along with the thesis’ main objectives. The response of beams and slabs of a six-story RC structure affected by the accidental loss of a vertical support is studied in Chapter 2. Tests are conducted on specimens of beams and slabs at a scale of 0.6:1 and 1:1.5, respectively. Chapter 3 examines the contribution of masonry infills to structures against progressive collapse due to loss of a support, by testing a two-story RC building in a column loss scenario at a scale of 1:1.25. The seismic response of a two-story RC precast frame, at a scale of 0.6:1, with its footings free to rock and uplift, is studied in Chapter 4. Finally, in Chapter 5 the summary and the conclusions drawn are presented.

Ακραίες δράσεις όπως οι εκρήξεις ή η πρόσκρουση οχημάτων σε κατασκευές μολονότι παρουσιάζουν μικρή πιθανότητα εμφάνισης, εν τούτοις οι συνέπειες για τις κατασκευές μπορεί να είναι τέτοιες που να οδηγήσουν σε κατάρρευση, καθώς η τοπική βλάβη σε ένα μέλος ενδέχεται να εξαπλωθεί διαδοχικά και στα επόμενα. Το ενδεχόμενο αυτό διερευνήθηκε πειραματικά στα πλαίσια της παρούσας διατριβής για επίπεδους και χωρικούς φορείς οπλισμένου σκυροδέματος οι οποίοι υφίστανται απώλειας κατακόρυφης στήριξης. Μελετήθηκαν, όχι μόνο το ενδεχόμενο η απώλεια αυτή να οδηγεί τις σημερινές κατασκευές σε προοδευτική κατάρρευση, αλλά και τρόποι βελτίωσης της απόκρισής τους για αποφυγή της κατάρρευσης. Αρχικά εξετάζονται οι επιπτώσεις, λόγω τυχηματικής δράσης, της απώλειας υποστυλώματος στις δοκούς που συντρέχουν στο εν λόγω υποστύλωμα καθώς και στην πλάκα η οποία εδράζεται στις δοκούς αυτές. Η διερεύνηση της ανακατανομής της έντασης έγινε μέσω δύο υπο-κατασκευών του αρχικού φορέα, ενώ τα αποτελέσματα συνδυάστηκαν αναδεικνύοντας σημαντικό περιθώριο ανάληψης φορτίων από το σύστημα δοκών-πλάκας, με την πλάκα να συνεισφέρει ουσιαστικά μετά την εξάντληση της αντοχής των δοκών. Σε δεύτερη σειρά δοκιμών σε δοκίμια ίδιας μεν γεωμετρίας αλλά με υιοθέτηση εναλλακτικών τρόπων κατασκευής των δοκών (ξηρές συνδέσεις και αξονική προένταση) και διαμόρφωσης του οπλισμού της πλάκας (συνεχείς οπλισμοί άνω-κάτω πέλματος) – αποδεδειγμένα χαρακτηριστικά ανθεκτικότητας και δομικής ακεραιότητας για σεισμικές δράσεις – διαπιστώθηκε σαφής βελτίωση της απόκρισης δοκών/πλακών ως προς το περιθώριο ανάληψης των πρόσθετων φορτίων που παράγονται από την απώλεια της στήριξης.Έχει στο παρελθόν αποδειχθεί ότι οι επιπτώσεις σοβαρών βλαβών σε υποστυλώματα από σεισμική δράση ενδέχεται να μην οδηγήσουν σε κατάρρευση του δομήματος αν ο αμέσως ανώτερος όροφος φέρει τοιχοπλήρωση. Η ευμενής επίδραση μη-φερουσών τοιχοπληρώσεων στην απόκριση κατασκευών ΟΣ μελετήθηκε για την περίπτωση πλήρους απώλειας υποστυλώματος: πραγματοποιήθηκαν δοκιμές αφαίρεσης υποστυλωμάτων από διάφορες θέσεις του ισογείου διώροφης κατασκευής ΟΣ με τοιχοπληρώσεις, η κατανομή και διαμόρφωση των οποίων ανταποκρίνονταν σε εκείνες πραγματικών κατασκευών (φατνώματα χωρίς τοιχοπλήρωση, πλήρως τοιχοπληρωμένα ή με ανοίγματα σε διάφορες θέσεις). Οι δοκιμές έδειξαν ότι η συνεισφορά των τοιχοπληρώσεων στην ανθεκτικότητα του φορέα έναντι σταδιακής κατάρρευσης είναι σημαντική, οδηγώντας σε μικρότερες βυθίσεις των δοκών στο σημείο απώλειας της κατακόρυφης στήριξης και σε εν γένει μικρότερες παραμορφώσεις των φατνωμάτων και των μελών που επηρεάζονταν από το συμβάν, συγκριτικά με τα μη τοιχοπληρωμένα φατνώματα.Ένας μηχανισμός με αποδεδειγμένα ευμενή επιρροή στην ανθεκτικότητα κατασκευών είναι ο λικνισμός των κατακορύφων στοιχείων στη βάση τους. Αξιοποιώντας τα θετικά πορίσματα των σεισμικά ανθεκτικών δοκιμίων των δοκών έναντι απώλειας στήριξης, δοκιμάστηκε σε πλευρική φόρτιση πλαίσιο ΟΣ, κατασκευασμένο όμοια με το δοκίμιο των δοκών ξηρών συνδέσεων με αξονική προένταση, με το επιπλέον χαρακτηριστικό ότι τα πέδιλα θεμελίωσης των υποστυλωμάτων ήταν ελεύθερα να λικνιστούν. Ο λικνιζόμενος φορέας παρέμεινε σχεδόν άθικτος μετά το πέρας της δοκιμής, σε αντίθεση με την περίπτωση πάκτωσης των θεμελίων (που επίσης εξετάστηκε πειραματικά) και παρουσίασε σημαντικές βλάβες σε δοκούς και υποστυλώματα.Η διατριβή, διαρθρώνεται σε πέντε κεφάλαια. Στο Κεφάλαιο 1 εισάγεται το υπό μελέτη πρόβλημα, η προσέγγισή του από διάφορα κανονιστικά κείμενα, καθώς και το αντικείμενο – στόχοι της εργασίας. Η συμπεριφορά των δοκών και πλακών μιας εξαώροφης κατασκευής ΟΣ που επηρεάζονται από την τυχηματική απώλεια κατακόρυφης στήριξης διερευνάται στο Κεφάλαιο 2, διεξάγοντας δοκιμές σε δοκίμια δοκών και πλακών σε κλίμακα 0.6:1 και 1:1.5, αντίστοιχα. Στο Κεφάλαιο 3 εξετάζεται η συνεισφορά των τοιχοπληρώσεων στην αποφυγή της σταδιακής κατάρρευσης κατασκευών λόγω απώλειας στήριξης, πραγματοποιώντας δοκιμές απώλειας υποστυλωμάτων σε διώροφο κτίριο ΟΣ, σε κλίμακα 1:1.25. Η σεισμική απόκριση διώροφου προκατασκευασμένου πλαισίου ΟΣ, σε κλίμακα 0.6:1, με δυνατότητα λικνισμού και ανασήκωσης των πεδίλων θεμελίωσής του από το έδαφος έδρασης, μελετήθηκε στο Κεφάλαιο 4. Τέλος, στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η σύνοψη της διατριβής και τα πορίσματα που προκύπτουν από αυτή.