Διερεύνηση της επίδρασης των τοιχοπληρώσεων στη σεισμική απόκριση επίπεδων φορέων ωπλισμένου σκυροδέματος

Abstract

The current thesis investigates the effect of unreinforced masonry infills on the global seismic response of reinforced concrete (RC) frames and examines the parameters that render the infills sometimes beneficial and sometimes detrimental to the seismic performance of the RC system. To this aim, a large number of non-linear dynamic analyses of planar frames, with and without infills, has been carried out. Subsequently the seismic performance of the frames has been assessed by means of multiple response measures, adequately selected to effectively capture the change in the global response due to the addition of the infills.More specifically, five types of moment frames and three types of dual systems were investigated, consisting of frames that differ in the design criteria, the section size and the bending strength of the vertical structural elements (columns and shear walls). For each one of these eight frame types, frames with 2, 4, 6 and 8 storeys were examined. Moreover, four additional frames (one six-storey and three eight-storey frames) were also investigated, in order to look into the possible effect of the reduction in the column section size at the upper storeys of the frames. Besides, 48 versions of these frames, infilled with 48 different types of infill were also examined. The infill characteristics were adequately selected to represent the majority of the infill types found in the common building industry practice. More specifically, four cases of different infill arrangement (which cover the range form the uniform infill up to the open ground storey), four levels of infill strength and thee levels of infill ductility were investigated. The seismic response of the frames was simulated by means of the non-linear dynamic analysis, using 60 recorded ground motions, scaled to 10 different seismic intensity levels. The response measures used in the assessment of the seismic performance of the frames comprise of measures based on the interstorey drift, the local ductility demand, and the energy dissipated on each member of the structure. In addition, derived response measures capable of capturing the damage concentration and the tendency of the structure to form a storey mechanism were also used. Finally, the change in the seismic response of the frames as the seismic intensity increases was also used to assess their seismic performance. To identify the structural characteristics that affect the performance of the frames and the phenomena involved in the infill effect, the correlation between the seismic response and various seismic intensity measures was also investigated. Finally, the efficacy of the column capacity design rule in ensuring the integrity of the columns was also examined. The research study allowed to define the ways in which the infills affect the global seismic response of the frames, and revealed that the investigated structural characteristics determine in a predictable way whether the infill effect would be beneficial or detrimental to the seismic performance of the structure. Subsequently, charts and formulae that describe the infill effect have been derived, and conclusions with a possible broader application on frame structures have been drawn.

Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η επίδραση των τοιχοπληρώσεων στην γενική απόκριση των πλαισιακών κατασκευών και διερευνώνται οι παράγοντες που καθιστούν τις τοιχοπληρώσεις άλλοτε ευεργετικές και άλλοτε επιζήμιες όσον αφορά στην ικανότητα του φορέα να διατηρεί την δομική του ακεραιότητα όταν εκτίθεται σε ισχυρές σεισμικές δράσεις. Για τον σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε ένα μεγάλο πλήθος παραμετρικών, μη γραμμικών δυναμικών αναλύσεων, σε κατάλληλα διαμορφωμένα γυμνά και τοιχοπληρωμένα επίπεδα πλαίσια. Ακολούθως αξιολογήθηκε συγκριτικά η συμπεριφορά γυμνών και τοιχοπληρωμένων πλαισίων με την χρήση ενός μεγάλου αριθμού μέτρων απόκρισης, τα οποία επιλέχτηκαν με γνώμονα την ολοκληρωμένη αποτύπωση των μεταβολών που προκαλούν οι τοιχοπληρώσεις στην σεισμική απόκριση. Πιο συγκεκριμένα εξετάστηκαν πέντε τύποι αμιγών πλαισίων, που διαφέρουν ως προς την μεθοδολογία σχεδιασμού τους, την διατομή και την καμπτική αντοχή των υποστυλωμάτων τους, καθώς και τρεις τύποι μεικτών συστημάτων, που διαφέρουν ως προς την διατομή και την καμπτική αντοχή των τοιχωμάτων. Για καθέναν από τους συνολικά οκτώ τύπους πλαισίων εξετάστηκαν φορείς με 2, 4, 6 και 8 ορόφους, ενώ συμπεριελήφθησαν στην έρευνα και τέσσερα επιπλέον αμιγή πλαίσια (ένα εξαώροφο και τρία οκταώροφα) προκειμένου να διερευνηθεί η πιθανή επιρροή της μείωσης της διατομής των υποστυλωμάτων στους άνω ορόφους των ψηλότερων φορέων. Όσον αφορά στις τοιχοπληρώσεις, εξετάστηκαν 48 διαφορετικοί τύποι τοιχοπλήρωσης, τα χαρακτηριστικά των οποίων επιλέχθηκαν έτσι ώστε να καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα των τοίχων που απαντούν στην συνήθη οικοδομική πράξη. Συγκεκριμένα, εξετάστηκαν τέσσερις περιπτώσεις διάταξης με διαφορετικό ποσοστό τοιχοπλήρωσης του ισογείου (από την ομοιόμορφη διάταξη μέχρι την διάταξη τύπου πιλοτής), τέσσερα επίπεδα αντοχής και τρεις κατηγορίες πλαστιμότητας. Για τα παραπάνω πλαίσια πραγματοποιήθηκαν μη γραμμικές δυναμικές αναλύσεις για 60 φυσικά επιταχυνσιογραφήματα, επικλιμακωμένα σε 10 διαφορετικά επίπεδα σεισμικής έντασης, ένα εκ των οποίων αντιστοιχεί στον σεισμό σχεδιασμού. Η σεισμική συμπεριφορά των πλαισίων αξιολογήθηκε μέσω ενός μεγάλου αριθμού κατάλληλα επιλεγμένων μεγεθών απόκρισης, στα οποία περιλαμβάνεται η σχετική μετάθεση ορόφου, η τοπική απαίτηση παραμόρφωσης των μελών του φορέα, και η ποσότητα ενέργειας που καλείται να αποσβέσει το κάθε δομικό στοιχείο. Επιπλέον χρησιμοποιήθηκαν σύνθετα μέτρα απόκρισης για την αξιολόγηση του βαθμού συγκέντρωσης των βλαβών σε περιορισμένο αριθμό ορόφων και της τάσης του φορέα να δημιουργεί μηχανισμό ορόφου, ενώ αξιολογήθηκε και η μεταβολή της απόκρισης των πλαισίων καθώς αυξάνει η σεισμική ένταση. Για την αναγνώριση των παραμέτρων που επηρεάζουν την σεισμική απόκριση των πλαισίων και των μηχανισμών που ενεργοποιούνται λόγω της προσθήκης τοιχοπληρώσεων, διερευνήθηκε η συσχέτιση της απόκρισης με χαρακτηριστικά μεγέθη σεισμικής έντασης. Τέλος εξετάστηκε ο ρόλος του ικανοτικού σχεδιασμού στην διασφάλιση της ακεραιότητας των υποστυλωμάτων και των τοιχωμάτων. Η παραπάνω διερεύνηση επέτρεψε να καταγραφούν μεθοδικά οι μηχανισμοί που ενεργοποιούνται με την προσθήκη τοιχοπληρώσεων, και κατέδειξε ότι ο χαρακτήρας της επίδρασης των τοιχοπληρώσεων (ευεργετική ή επιζήμια) καθορίζεται με συστηματικό τρόπο από τα χαρακτηριστικά των πλαισίων και των τοίχων πλήρωσης. Ως εκ τούτου κατέστη δυνατό να παραχθούν διαγράμματα και σχέσεις που περιγράφουν την επίδραση των τοιχοπληρώσεων στην σεισμική απόκριση των υπό διερεύνηση πλαισίων, ενώ εξήχθησαν συμπεράσματα που μπορούν να έχουν γενικότερη εφαρμογή στις πλαισιακές κατασκευές.