Καινοτόμα αντισεισμικά συστήματα FUSEIS με όλκιμους πείρους

Abstract

This thesis presents the innovative seismic resistant system «FUSEIS1-2» which dissipates a large amount of seismic energy through plastic deformations and as a result protects the rest of the structure. The system may be applied on multi-story steel or composite buildings combining the advantages of moment resisting frames in respect to architectural transparency and those of braced frames in respect to stiffness and offers additionally the possibility of easy installation and removal. The system may resist alone the entire seismic action or may be combined with moment resisting frame action. The system was developed in the frame of the European Research Project «FUSEIS-Dissipative Devices for Seismic Resistant Steel Frames». It consists of a pair of closely spaced strong columns jointed together by multiple devices that do not carry vertical loading. Each device includes two receptacle-beams that are connected through a short steel pin, rectangular or circular in shape. The receptacles are strong and stiff and are rigidly connected to the system columns to realize a Vierendeel behavior. In order to direct the plastic hinge formation away from the contact area between the face plate of the receptacles and the pins, the pins are weakened around their middle, leaving the face plates and the receptacles undamaged. Due to the small size and large number of the “repairable” pins, the devices can be easily fabricated, installed and removed. The system offers the designer the possibility to control the plastification sequence of the pins by changing either their sections or their length within the floor or between floors. The pin sections increase from higher to lower stories following the increase of the base shear from the top to the bottom of the building. Additionally, when the system is appropriately designed itis capable of almost self-recentering the structure limiting the deformations after a major earthquake and allowing for immediate occupancy. The study includes numerical and experimental investigations of the behavior of the system. The experimental investigations were conducted on individual devices with circular pins and receptacles of hollow sections and on overall frames with the devices under monotonic and cyclic loading. The numerical investigations aimed to the development of appropriate FEM models to be used for calibration of the tests. The findings of the studies were summarized in a Design Guide. The Design Guide includes the design methodology and guidelines for the practical application of the «FUSEIS1-2» system and the prediction of the collapse mechanisms. The methodology was verified through linear and nonlinear static and dynamic analyses on real building frames with the system. The Design Guide was based on the provisions of Eurocodes which were modified appropriately to cover the application of the devices by the normal Code provisions.

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση της συμπεριφοράς του καινοτόμου αντισεισμικού «FUSEIS1-2», το οποίο απορροφά μεγάλη ποσότητα σεισμικής ενέργειας μέσω πλαστικής παραμόρφωσης προστατεύοντας το υπόλοιπο κτίριο. Το σύστημα εφαρμόζεται σε πολυώροφα μεταλλικά ή σύμμικτα κτίρια συνδυάζοντας την αρχιτεκτονική ευελιξία των πλαισίων ροπής με την υψηλή δυσκαμψία των συνδέσμων δυσκαμψίας και προσφέροντας επιπλέον τη δυνατότητα εύκολης τοποθέτησης και επισκευής. Η παραλαβή των σεισμικών φορτίων μπορεί να γίνει είτε εξολοκλήρου από το σύστημα, είτε σε συνεργασία με πλαίσια ροπής. Το σύστημα αναπτύχθηκε στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος «FUSEIS – Dissipative Devices for Seismic Resistant Steel Frames». Περιλαμβάνει δύο ισχυρούς στύλους σε μικρή απόσταση που συνδέονται με πολλαπλές συσκευές καθ’ ύψος του ορόφου, οι οποίες δε συμμετέχουν στην παραλαβή των κατακόρυφων φορτίων. Κάθε συσκευή αποτελείται από δυο δοκούς-υποδοχείς, που συνδέονται στο μέσο με πείρους κυκλικής ή ορθογωνικής διατομής. Οι δοκοί-υποδοχείς είναι ισχυρές και δύσκαμπτες και η σύνδεσή τους στα υποστυλώματα του συστήματος άκαμπτη, ώστε το σύστημα να συμπεριφέρεται όμοια με μία κατακόρυφη δοκό Vierendeel. Με ειδική εξασθένιση της διατομής τους στο μέσο η πλαστικοποίηση κατευθύνεται στην περιοχή αυτή, μακριά από τη επιφάνεια επαφής τους με τις μετωπικές πλάκες των δοκών-υποδοχέων, ώστε οι μετωπικές πλάκες και οι δοκοί-υποδοχείς να παραμένουν ελαστικές. Λόγω του μικρού μεγέθους και του μεγάλου αριθμού των «ανταλλακτικών» πείρων, η παραγωγή, τοποθέτηση και αντικατάσταση/επισκευή των συσκευών είναι απλή, γρήγορη και χαμηλού κόστους. Με κατάλληλη επιλογή των διατομών και του μήκους των πείρων εντός του ορόφου ή μεταξύ των ορόφων παρέχεται στο μελετητή η δυνατότητα να καθορίσει την αλληλουχία πλαστικοποίησης τους. Έτσι η επιλογή των πείρων ακολουθεί την αύξηση της τέμνουσας ορόφου από την οροφή στη βάση του κτιρίου. Επιπλέον, με κατάλληλο σχεδιασμό το σύστημα μπορεί σχεδόν να επαναφέρει το κτίριο στην αρχική του θέση με μικρές παραμένουσες παραμορφώσεις έπειτα από μία σεισμική καταπόνηση και να εξασφαλίσει ότι το κτίριο θα παραμείνει λειτουργικό.Η μελέτη του συστήματος περιλαμβάνει αριθμητικές και πειραματικές διερευνήσεις. Κατά τις πειραματικές διερευνήσεις ελέγχθηκαν υπό μονοτονική και ανακυκλιζόμενη φόρτιση μεμονωμένες συσκευές με πείρους κυκλικής διατομής και δοκούς-υποδοχείς κοίλης διατομής και ολόκληρο το σύστημα με τις συσκευές σε πραγματική κλίμακα. Οι αναλυτικές διερευνήσεις είχαν σαν στόχο την ανάπτυξη κατάλληλων μοντέλων πεπερασμένων στοιχείων προς βαθμονόμηση βάσει των δοκιμών. Από τα αποτελέσματα των αναλύσεων συντάχθηκε ο Οδηγός Σχεδιασμού που περιλαμβάνει τη μεθοδολογία και όλες τις απαραίτητες οδηγίες για τον αντισεισμικό σχεδιασμό κτιρίων με το σύστημα «FUSEIS1-2» αλλά και για την πρόβλεψη των αναμενόμενων μηχανισμών πλαστικοποίησης και κατανομής της βλάβης. Η μεθοδολογία επιβεβαιώθηκε μέσω γραμμικών και μη γραμμικών στατικών και δυναμικών αναλύσεων πλαισίων πραγματικών κτιρίων με το σύστημα. Ο Οδηγός Σχεδιασμού βασίστηκε στις διατάξεις των Ευρωκωδίκων με κατάλληλες τροποποιήσεις σε ορισμένες από αυτές και περιλαμβάνει όλα τα απαραίτητα στοιχεία για να μπορέσει να ενταχθεί το σύστημα στους αντισεισμικούς κανονισμούς.