Ανάπτυξη συστημάτων σεισμικής προστασίας πολυώροφων κτιρίων

Abstract

The objective of this thesis is the investigation of the innovative seismic resistant system, named FUSEIS1-1, which may be employed in multi-story steel and composite buildings instead of conventional systems to improve their seismic performance. Τhe system was developed in the framework of the European Research Project «Dissipative Devices for Seismic Resistant Steel Frames» with the acronym FUSEIS.The system exhibits high ductility and may be generally combined with moment resisting frame action or alternatively it may resist alone the entire seismic action. It is composed of two closely spaced strong columns rigidly connected to multiple beams forming a vertical Vierendeel beam. FUSEIS1-1 beams, which may have hollow sections (SHS, RHS, CHS), or I/H - beam sections (IPE, HE), are the dissipative elements that define the system’s strength and stiffness. By changing either the section or the length of the beams within the floor or between floors the system may be designed according to the preferred collapse mechanism. Energy dissipation and plastification are restricted to appear at controlled positions within the system beams, while the system columns and the gravity frame are protected and undamaged. With the aim of directing the plastic hinge formation away from the connection area and protect the beam-to-column connections of the system against fracture, beam flanges are reduced near the ends (Reduced Beam Section - RBS). After a strong seismic event, any repair work is easy and economical since it is limited only to replacing the beams, which are small and with simple detailing, allowing for nearly immediate occupancy since they are not subjected to vertical loads and residual drifts are very low.Experimental and analytical investigations were carried out to study the response of the system and highlight its main advantages. Individual beams and overall FUSEIS1-1 frames with various beam section types (IPE, SHS, CHS, HEA) were tested under monotonic and cyclic loading. Analytical investigations included FEA (Finite Element Analysis) models, which were calibrated against test results, and application examples of representative 2D building frames with FUSEIS1-1.The results of the above investigations defined the critical parameters that affect the performance of the system and provided appropriate design rules that were developed according to the provisions of Eurocodes and were summarized in a Design Guide. The proposed methodology was verified through nonlinear static and dynamic analyses. The Design Guide provides the designer with all the necessary tools for the application and design of buildings with the system and helps him predict their response and the collapse mechanism when subjected to seismic loading. The knowledge obtained is sufficient to include FUSEIS1-1 in modern seismic codes as a new energy dissipation system.

Αντικείμενο της διατριβής είναι η διερεύνηση της συμπεριφοράς του καινοτόμου συστήματος σεισμικής προστασίας FUSEIS1-1 το οποίο μπορεί να υποκαταστήσει τα συνήθη συστήματα δυσκαμψίας σε πολυώροφα μεταλλικά και σύμμικτα κτίρια και να βελτιώσει τη συμπεριφορά τους. Αναπτύχθηκε στα πλαίσια του ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος με τίτλο «Dissipative Devices for Seismic Resistant Steel Frames», αποκαλούμενο FUSEIS. Το FUSEIS1-1 διαθέτει υψηλή πλαστιμότητα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν σύστημα πλευρικής ευστάθειας ενός κτιρίου, μόνο του ή σε συνδυασμό με πλαίσιο ροπής. Αποτελείται από ένα ζεύγος ισχυρών υποστυλωμάτων που συνδέονται άκαμπτα με επάλληλες οριζόντιες δοκούς σε πυκνή διάταξη σχηματίζοντας μια κατακόρυφη δοκό Vierendeel. Οι δοκοί του συστήματος, οι οποίες μπορεί να αποτελούνται από υψίκορμες διατομές IPE, πλατύπελμες HE ή από κοίλες τύπου SHS, RHS και CHS είναι τα στοιχεία απορρόφησης ενέργειας που καθορίζουν τη δυσκαμψία και αντοχή του. Μεταβάλλοντας τη διατομή και το μήκος των δοκών εντός του ορόφου ή μεταξύ των ορόφων το σύστημα μπορεί να σχεδιαστεί βάσει του επιθυμητού μηχανισμού αστοχίας. Η απορρόφηση της σεισμικής ενέργειας και η πλαστικοποίηση λαμβάνουν χώρα σε προεπιλεγμένες θέσεις εντός των δοκών του με αποτέλεσμα το υπόλοιπο κτίριο να παραμένει προστατευμένο και άθικτο. Οι θέσεις σχηματισμού πλαστικών αρθρώσεων βρίσκονται σε απόσταση από τη σύνδεση δοκού - υποστυλώματος το οποίο εξασφαλίζεται με τοπική εξασθένηση των πελμάτων των δοκών (Reduced Beam Sections - RBS). Μετά από έναν ισχυρό σεισμό οι πιθανές επισκευές περιορίζονται στην αντικατάσταση των δοκών, γίνονται άμεσα και με χαμηλό κόστος, κυρίως λόγω της απλής γεωμετρίας και του μικρού μεγέθους τους, και επιτρέπουν την ταχεία επαναλειτουργία του κτιρίου καθώς δε συμμετέχουν στην παραλαβή των φορτίων βαρύτητας και οι παραμένουσες παραμορφώσεις είναι μικρές.Η μελέτη της απόκρισης του συστήματος έγινε με τη βοήθεια πειραματικών και αναλυτικών διερευνήσεων οι οποίες ανέδειξαν και τα βασικότερα πλεονεκτήματά του. Κατά τις πειραματικές διερευνήσεις εξετάστηκαν μεμονωμένες δοκοί και ολόκληρα πλαίσια με δοκούς διαφόρων τύπων διατομής (IPE, SHS, CHS, HEA) υπό μονοτονική και ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Οι αναλυτικές διερευνήσεις περιλάμβαναν προσομοιώματα πεπερασμένων στοιχείων, τα οποία βαθμονομήθηκαν βάσει των αποτελεσμάτων των πειραματικών δοκιμών, και εφαρμογή του συστήματος σε αντιπροσωπευτικά πλαίσια πραγματικών κτιρίων. Από τα αποτελέσματα των διερευνήσεων καθορίστηκαν οι κρίσιμες παράμετροι που επηρεάζουν τη συμπεριφορά του συστήματος και αναπτύχθηκαν κατάλληλοι κανόνες για το σχεδιασμό του, οι οποίοι διαμορφώθηκαν σύμφωνα με τις διατάξεις των Ευρωκωδίκων και συνοψίστηκαν σε ενιαίο κείμενο, τον Οδηγό Σχεδιασμού. Η επάρκεια της προτεινόμενης μεθοδολογίας ελέγχθηκε στη συνέχεια μέσω μη γραμμικών στατικών και δυναμικών αναλύσεων. Ο Οδηγός Σχεδιασμού καθιστά δυνατή την ένταξη του FUSEIS1-1 στα συστήματα απορρόφησης των σύγχρονων αντισεισμικών κανονισμών παρέχοντας στο μελετητή όλα τα απαραίτητα εργαλεία για την εφαρμογή του σε πραγματικά κτίρια ώστε να μπορεί να τα διαστασιολογήσει και παράλληλα να είναι σε θέση να προβλέψει την απόκρισή τους και τον μηχανισμό κατάρρευσης όταν υπόκεινται σε σεισμικά φορτία.