Γεώργιος Χ. ΜΑΝΟΣ 1, Ελευθέριος ΠΑΠΑΝΑΟΥΜ 2

Transcript

1 3 o Πανελλήνιο Συνέδριο Αντισεισμικής Μηχανικής & Τεχνικής Σεισμολογίας 5 7 Νοεμβρίου, 2008 Άρθρο 1926 Μελέτη της Σεισμικής Απόκρισης 3-όροφου Κτιρίου Ο/Σ Κατασκευής προ του 1993 πριν και μετά την Επισκευή του. Study of the Earthquake Response of a 3-story R/C Building before and after Structural Interventions. Γεώργιος Χ. ΜΑΝΟΣ 1, Ελευθέριος ΠΑΠΑΝΑΟΥΜ 2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Μελετάται η σεισμική απόκριση ενός τριώροφου κτιρίου οπλισμένου σκυροδέματος που κατασκευάστηκε το Η μελέτη αυτή περιλαμβάνει την σεισμική του απόκριση τόσο στην αρχική του μορφή όσο και στην τελική του μορφή που προκύπτει μετά τις ενισχύσεις του φέροντος οργανισμού του. Από τους ελέγχους που γίνονται με βάση τα αποτελέσματα της απλοποιημένης και της δυναμικής φασματικής ανάλυσης του υφιστάμενου κτιρίου προκύπτουν μεγάλες ανεπάρκειες στα υποστυλώματα του ισογείου. Γίνεται η μελέτη ενός σχήματος ενίσχυσης, που αφορά την κατασκευή νέων εμφατνούμενων τοιχωμάτων, την κατασκευή μανδυών οπλισμένου σκυροδέματος σε υποστυλώματα και δοκούς και την ενίσχυση των πλακών με την χρήση σύνθετων ινο-οπλισμένων πολυμερών υλικών (FRP), που διερευνήθηκαν ειδικά για τον σκοπό αυτό στο εργαστήριο. Από την μελέτη του ενισχυμένου κτιρίου προκύπτει μεγάλη μείωση στα εντατικά μεγέθη των υποστυλωμάτων του ισογείου και στις μετακινήσεις, με αποτέλεσμα την πλήρη επάρκεια του κτιρίου έναντι σεισμικών καταπονήσεων. Από την σύγκριση της απόκρισης του υφιστάμενου και του ενισχυμένου κτιρίου σε επίπεδο ταλάντωσης, εντατικών μεγεθών απόκρισης και μετακινήσεων προκύπτει η αποτελεσματικότητα του σχήματος ενίσχυσης που εξετάζεται. ABSTRACT: The seismic response of a 3-story reinforced concrete building constructed in 1933 is studied before and after certain structural interventions. The comparison of the stress-resultants of the ground floor columns, as they were derived from the simplified and the dynamic spectral analysis of this structure, with the corresponding capacities suggest failure of almost all these structural elements. A structural intervention scheme is studied next which includes jacketing of the columns and beams and the construction of new shearwall type elements within certain bays of the frames of this building all along its height. Moreover, the strengthening of the flexural capacity if the slabs is also studied considering the application of layers of Fiber Reinforcing Plastics, after a special laboratory investigation. The comparison of the stress resultants of the repaired building response with the corresponding capacity suggests that the tried structural intervention scheme will be successful in prohibiting the failure of the ground floor columns that were indicated to occur for this building before this repair. 1 Καθηγητής, Εργαστήριο Πειραματικής Αντοχής Υλικών και Κατασκευών, Τμήμα Πολ. Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, gcmanos@civil.auth.gr 2 Πολιτικός Μηχανικός, Τμήμα Πολ. Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το κτίριο που μελετάται στην παρούσα εργασία βρίσκεται κτισμένο στην κεντρική πλατεία της Κοζάνης. Πρόκειται για το ξενοδοχείο ΕΡΜΙΟΝΙΟΝ αρχικής ιδιοκτησίας Κωνσταντίνου Η. Βαμβακά. Άρχισε να κτίζεται το 1931 από τον Γερμανό μηχανικό Max Ruthven και αποπερατώθηκε μέσα σε τρία χρόνια (Παφίλης, 2001). Αντικείμενό της παρούσας εργασίας αποτελεί η μελέτη της σεισμικής απόκρισης του φέροντος συστήματος του εν λόγω κτιρίου, τόσο στην αρχική του μορφή, όσο και μετά από ένα σχήμα επεμβάσεων για την ενίσχυση του φέροντος οργανισμού του. Η παρούσα μελέτη είναι ερευνητικού χαρακτήρα και εκτελέσθηκε στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας του πρώτου των συγγραφέων (Παπαναούμ). Δεν έχει σχέση με την μελέτη επισκευής και ενίσχυσης που υποβλήθηκε για το εν λόγω κτίριο στις αρμόδιες αρχές για την αδειοδότηση των σχετικών εργασιών. Τα στοιχεία που αφορούν την γεωμετρία του κτιρίου και των δομικών του στοιχείων καθώς και τις κατασκευαστικές του λεπτομέρειες είναι σύμφωνα με τις παρατηρήσεις και πληροφορίες των συγγραφέων και πιθανόν να περικλείουν ένα βαθμό προσέγγισης. Στο σχήμα 1 Σχήμα 1. Φέρον σύστημα μέσω των κατόψεων (Οροφή Υπογείου, Οροφή Ισογείου, Δάπεδο Ορόφων) 2

3 Ταχύς Οπτικός Έλεγχος ΕΛΕΓΧΟΣ ΕΠΑΡΚΕΙΑΣ ΤΟΥ ΥΦΙΣΤΑΜΕΝΟΥ ΚΤΙΡΙΟΥ Για το συγκεκριμένο κτίριο έγινε ο Ταχύς Οπτικός Έλεγχος (ΤΟΕ) που αποσκοπούσε στην πρώτη αποτίμηση της σεισμικής του ικανότητας, με βάση στοιχεία που συλλέγονται και καταγράφονται στο ειδικό Δελτίο Ελέγχου (YΠΕΧΩΔΕ 2000, Ο.Α.Σ.Π., 2001). Η βαθμολογία που προέκυψε από τον έλεγχο αυτό καταγράφεται στον πίνακα 1 που ακολουθεί. Η τελική βαθμολογία είναι -1.0, γεγονός που υποδεικνύει ότι το κτίριο είναι πιθανώς ανεπαρκές και απαιτείται περαιτέρω διερεύνησή του με την χρήση του δευτέρου σταδίου αποτίμησης που θα παρουσιασθεί συνοπτικά στην επόμενη παράγραφο. Πίνακας 1. : Τελική δομική βαθμολογία Αρχική βαθμολογία (ΑΒΣΚ) 3.0 Πυλωτή -1.5 Βασική βαθμολογία 1.5 Χωρίς αντισεισμικό κανονισμό -0.5 Προηγούμενες επιβαρύνσεις -1.0 Στρέψη -0.5 Κρούση με γειτονικά -0.5 Τελική δομική βαθμολογία -1.0 Ποιότητα των Υλικών Έγινε δυνατή η λήψη δοκιμίων από τμήμα της πλάκας οροφής του ισογείου. Ο μέσος όρος των αντοχών που προέκυψε είναι Mpa, που μάλλον αντιστοιχεί σε ποιότητα Β120 σύμφωνα με τον κανονισμό του Η κατηγορία αυτή σκυροδέματος αντιστοιχεί σε χαρακτηριστική θλιπτική αντοχή f ck =7.8 MPa και με βάση τα σημερινά δεδομένα αντιστοιχεί περίπου σε σκυρόδεμα κατηγορίας C8/10 με χαρακτηριστική θλιπτική αντοχή 8 MPa (f ck =8 MPa). Οι ράβδοι του χάλυβα ήταν λείοι. Το σχήμα 2 που ακολουθεί περιλαμβάνει τα αποτέλεσμα των δοκιμών εφελκυσμού για ράβδους χάλυβα διαμέτρου 8 mm και 10 mm ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΤΑΣΕΩΝ - ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΕΩΝ (Φ8) Τάση (MPa) πειραματικό διορθωμένο Σχήμα 2 : Αποτελέσματα πειραμάτων εφελκυσμού δοκιμίων χάλυβα Παραμόρφωση (%) Με βάση τα προηγούμενα χρησιμοποιήθηκαν οι κατωτέρω τιμές για τα μηχανικά χαρακτηριστικά των υλικών οπλισμένου σκυροδέματος στον έλεγχο επάρκειας των δομικών στοιχείων του υφιστάμενου κτιρίου. Σκυρόδεμα : θλιπτική αντοχή f c = 8 MPa Χάλυβας : εφελκυστική τάση διαρροής f y =350 Mpa Έλεγχος της επάρκειας των υπαρχόντων πλακών. Θα παρουσιαστεί συνοπτικά ο έλεγχος της επάρκειας του δαπέδου του μεσοπατώματος (οροφή Ισογείου). Η πλάκα οπλισμένου σκυροδέματος σε αυτό το επίπεδο εμφανίζει σχετικά μεγάλους προβόλους, που δεν υπάρχουν στο ίδιο μέγεθος στα άλλα επίπεδα. Επιπλέον, έχει 3

4 στο κέντρο της μιά μεγάλη οπή (Σχήμα 1, αίθριο επικοινωνίας του χώρου του μεσοπατώματος με αυτόν του Ισογείου). Ταυτόχρονα, επειδή η χρήση του δαπέδου αυτού είναι για κύριος χώρος συνάθροισης κοινού έχει σημαντική επιβάρυνση από τα κινητά φορτία. Σχήμα 3. Ακραίες καμπτικές απαιτήσεις της πλάκας οροφής του ισογείου. Η εν λόγω πλάκα μαζί με τις δοκούς προσομοιώθηκε με αριθμητικό προσομοίωμα πεπερασμένων στοιχείων και υποβλήθηκε σε συνδυασμό εναλλακτικών φορτίσεων για να βρεθεί η δυσμενέστερη καμπτική απαίτηση, που απεικονίζεται στο σχήμα 3 (M max =7.22 KNm/m, M min = KNm/m). Μέ βάση τις εν λόγω δυσμενέστερες τιμές των απαιτήσεων έγινε ο έλεγχος επάρκειας των πλακών και προέκυψε επάρκεια ως προς την μέγιστη τιμή της ροπή ανοίγματος αλλά ανεπάρκεια ως προς τη ελάχιστη τιμή της ροπής στήριξης όπως θα παρουσιαστεί συνοπτικά κατωτέρω (δες σχήμα 5). Σχήμα 4. Φορτιστική διάταξη κάμψης Σχήμα 5 Καμπτική συμπεριφορά αρχικού δοκιμίου Ένα τμήμα πλάκας διαστάσεων 1.30m x 0.96m υπoβλήθηκε σε δοκιμή κάμψης στο εργαστήριο Πειραματικής Αντοχής των Υλικών και των Κατασκευών όπως φαίνεται στο σχήμα 4. Στο σχήμα 5 φαίνεται η καμπτική συμπεριφορά του εν λόγω δοκιμίου σε όρους φορτίου-βύθισης. Στο σχήμα 6 δίδεται λεπτομέρεια της ιδεατής διατομής της πλάκας ενώ στο σχήμα 7 φαίνεται η καμπτική ρηγμάτωση που προκλήθηκε από της εργαστηριακή φορτιστική διαδικασία. Τέλος, στο σχήμα 8 συγκρίνεται η καμπτική φέρουσα ικανότητα που μετρήθηκε πειραματικά με αυτή που υπολογίστηκε με βάση την ιδεατή διατομή του σχήματος και τα μηχανικά χαρακτηριστικά του σκυροδέματος και του χάλυβα που αναφέρθηκε προηγουμένως ότι μετρήθηκαν πειραματικά στο εργαστήριο. 4

5 Σχήμα 6. Λεπτομέρεια της διατομής της πλάκας. Σχήμα 7 Καμπτική ρηγμάτωση H μέγιστη μετρηθείσα ανοιγμένη θετική ροπή που μπορεί να παραληφθεί από τους υφιστάμενους οπλισμούς όπως προέκυψε από την εργαστηριακή μελέτη είναι Μ Rd = 9.18 KNm/m. Η τιμή αυτή καλύπτει την μέγιστη ροπή που αναπτύσσεται στα ανοίγματα των πλακών (Μ max =7.22 KNm/m, σχήμα 3), όπως προέκυψε από τις σχετικές στατικές αναλύσεις που έγιναν για καθολική και εναλλακτικές διατάξεις του κινητού φορτίου. Η τιμή αυτή της μετρηθείσας καμπτικής φέρουσας ικανότητας είναι μικρότερη από αυτήν που προκύπτει από τον υπολογισμό της καμπτικής φέρουσας ικανότητας, όπως αυτή υπολογίστηκε με βάση την ιδεατή διατομή του σχήματος και τα μηχανικά χαρακτηριστικά του σκυροδέματος και του χάλυβα και απεικονίζεται με την ευθεία γραμμή ως ροπή αντοχής στο σχήμα 8. Η διαφορά αυτή θα πρέπει να αποδοθεί στην ενεργό διατομή των οπλισμών της πλάκας που θα πρέπει λόγω διάβρωσης να έχει μικρότερη τιμή από αυτή της ιδεατής διατομής των 10mm. Σχήμα 8. Σύγκριση καμπτικής φέρουσας ικανότητας του αρχικού δοκιμίου που μετρήθηκε με αυτή που προέκυψε από υπολογισμούς. Έλεγχος της επάρκειας των πλακών ενισχυμένων με λωρίδες CFRP. Εξετάζεται εδώ η δυνατότητα ενίσχυσης των πλακών με λωρίδες ανθρακο-ελασμάτων (CFRP) που θα επικολληθούν και θα αγκυρωθούν κατάλληλα, όπως θα διερευνηθεί στη συνέχεια, στην άνω ή κάτω επιφάνεια των πλακών που παρουσιάζουν καμπτική ανεπάρκεια εν είδη εξωτερικά επικολλημένων οπλισμών. Τα ανθρακο-ελάσματα που εξετάζονται έχουν διατομή 14.2mm x 1.2mm. Από την εργαστηριακή τους εξέταση σε πείραμα καθαρού εφελκυσμού ανέπτυξαν οριακή τάση της τάξεως των 3GPa και οριακή παραμόρφωση της τάξεως 1.65%. Πριν εφαρμοστούν λωρίδες ανθρακο-ελασμάτων (CFRP) στις επιφάνειες δοκιμίων πλάκας, σαν και αυτό που εξετάσθηκε προηγουμένως, ελέγθηκε ο τρόπος αγκύρωσής τους επί της επιφάνειας των πλακών. 5

6 ντίζα μεταλλικό έλασμα P P ντίζα για επιβολή του εφελκ.φορτίου δοκίμιο σκυροδέματος λωρίδα CFRP Σχήμα 9. Έλεγχος της επικόλλησης των λωρίδων ανθρακο-ελασμάτων (CFRP) Διερευνήθηκε αφενός η απλή επικόλλησή τους με την εποξειδική πάστα που προτείνεται από τον κατασκευαστή, μέσω της διάταξης που φαίνεται στο σχήμα 9, που είχε σαν αποτέλεσμα μια μέση τιμή της τάσης συνάφειας ίση με τ=2.7 ΜPa. Στη συνέχεια δοκιμάστηκαν σχήματα αγκύρωσης που πέραν της εποξειδικής ρητίνης έκαναν χρήση και μηχανικών αγκυρίων και πλακών αγκύρωσης. Δοκιμάστηκαν πολλά τέτοια εναλλακτικά σχήματα ένα εκ των οποίων φαίνεται στο σχήμα 10 (αγκύρωση Α) όπου γίνεται χρήση εποξειδικής ρητίνης και δύο μηχανικών αγκυρίων για ένα μήκος 250mm λωρίδας CFRP. Η απόσταση των αγκυρίων είναι 100mm. Αυτός ο τύπος της αγκύρωσης είχε σαν αποτέλεσμα μια μέση τιμή της τάσης συνάφειας τουλάχιστον ίση με τ=3.92 ΜPa. Η τάση αυτή αντιστοιχεί σε φέρουσα ικανότητα επικόλλησης για την λωρίδα CFRP ίση με 49ΚΝ που πλησιάζει ικανοποιητικά την οριακή φέρουσα ικανότητα της λωρίδας CFRP σε εφελκυσμό (ίση με 51ΚΝ). Σχήμα 10. Αγκύρωση Α Σχήμα 11. Αγκύρωση Β Ένα άλλος τύπος αγκύρωσης που εξετάσθηκε φαίνεται στο σχήμα 11 (αγκύρωση Β) όπου η περιοχή της ακγύρωσης διευρύνθηκε τοπικά σε έκταση με την χρήση ανθρακουφασμάτων και πολλαπλών δευτερογενών αγκυρίων (τεσσάρων) πέραν του ενός κύριου αγκυρίου. Αυτός ο τελευταίος τύπος της αγκύρωσης ήταν ο αποτελεσματικότερος με μέση τιμή της τάσης συνάφειας ίση με τ=7.19 ΜPa που αντιστοιχεί σε φέρουσα ικανότητα επικόλλησης για την λωρίδα CFRP ίση με 43ΚΝ που και αυτή πλησιάζει ικανοποιητικά την οριακή φέρουσα ικανότητα της λωρίδας CFRP σε εφελκυσμό (ίση με 51ΚΝ). Προφανώς η φέρουσα ικανότητα αυτού του τύπου αγκύρωσης θα μπορούσε αυξηθεί περαιτέρω αυξάνοντας το μήκος της αγκύρωσης και τον αριθμό των αγκυρίων, θεωρώντας ότι με τον τρόπο αυτό θα προκύψει η επιθυμητή αύξηση της φέρουσας ικανότητας της αγκύρωσης Β, εφόσον όλα τα αγκύρια ενεργοποιούνται συνολικά. Τα αποτελέσματα αυτής της διερεύνησης χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για να ελεγχθεί εργαστηριακά ένα σχήμα καμπτικής ενίσχυσης ενός δοκιμίου πλάκας που λήφθηκε από τον κτίριο που μελετάται, όπως περιγράφηκε και στην προηγούμενη παράγραφο. 6

7 Σχήμα 12. Έλεγχος της καμπτικής συμπεριφοράς δοκιμίου πλάκας με δύο λωρίδες CFRP στη κάτω επιφάνεια της πλάκας Αυτό φαίνεται ενδεικτικά στο σχήμα 12 μαζί με τη διάταξη φόρτισης. Όι λωρίδες CFRP που χρησιμοποιήθηκαν ήταν δύο και έγινε χρήση μόνο της εποξειδικής ρητίνης για την επικόλλησή τους στη κάτω επιφάνεια του δοκιμίου. Η σύγκριση της μετρηθείσας φέρουσας ικανότητας του ενισχυμένου με τις δύο επικολλημένες λωρίδες CFRP δοκιμίου πλάκας και του αρχικού φαίνεται στο σχήμα 13 (συνεχείς γραμμές) σε όρους καμπτικής απαίτησης (ροπής) και βύθισης. Στο ίδιο σχήμα με διακεκομένες γραμμές σημειώνονται οι αντίστοιχες φέρουσες ικανότητες όπως έχουν προκύψει από υπολογισμούς. Είναι προφανής από το σχήμα αυτό η σημαντική αύξηση της καμπτικής φέρουσας ικανότητας του δοκιμίου που φθάνει τα 21.5ΚΝm/m, τιμή που πλησιάζει την δυσμενέστερη απαίτηση σε ελάχιστη ροπή (M min = KNm/m, δες σχήμα 3), όπως προέκυψε από την επίλυση του ξυλοτύπου οροφής ισογείου που παρουσιάστηκε προηγουμένως. Σχήμα 13. Σύγκριση καμπτικής συμπεριφοράς αρχικού και επισκευασμένου δοκιμίου Σχήμα 14. Αποκόλληση των λωρίδων CFRP Η φέρουσα αυτή ικανότητα θα αυξηθεί περαιτέρω και θα υπερκαλύψει την απαίτηση των 23.4 KNm/m αν αυξηθεί ο αριθμός των λωρίδων από 2 σε 3 ανα μέτρο πλάτους της διατομής που εξετάζεται. Στο σχήμα 14 απεικονίζεται η μορφή αστοχίας του δοκιμίου που οφείλεται στην αποκόλληση των λωρίδων CFRP από την κάτω επιφάνεια του δοκιμίου. Αυτό έχει σαν συνέπεια την άμεση μείωση της φέρουσας ικανότητας (σχήμα 13) στα επίπεδα του δοκιμίου χωρίς τις εν λόγω ενισχύσεις και στη συνέχεια την απότομη θραύση του και κατάρρευσή του εφόσον η απαίτηση δεν μειώνεται στο χρόνο που θα επισυμβεί η αστοχία, όπως αναμένεται να γίνει για φορτία πλακών που προέρχονται από μόνιμες και κινητές κατακόρυφες στατικές δράσεις. 7

8 Σχήμα 15. Επανακόλληση των λωρίδων CFRP και χρήση μεταλλικών αγκυρίων Για να διερευνηθεί αν είναι δυνατόν να αποτραπεί αυτός ο ψαθυρός τύπος αστοχίας το δοκίμιο που αστόχησε, όπως περιγράφηκε προηγουμένως, επισκευάστηκε εκ νέου. Αυτή την φορά οι δύο λωρίδες CFRP επανακολλήθηκαν στην κάτω επιφάνεια του δοκιμίου και αγκυρώθηκαν με μηχανικά αγκύρια, με δύο κοχλίες σε κάθε άκρο κάθε μιας από τις δύο λωρίδες, όπως απεικονίζεται στο σχήμα 15. Στο αριστερό μέρος του σχήματος φαίνονται τα δύο αγκύρια μαζί με την λωρίδα CFRP στη κάτω επιφάνεια της πλάκας ενώ στο δεξιό τμήμα του σχήματος αυτού φαίνεται η απόληξη των αγκυρίων στην πάνω επιφάνεια της πλάκας. Προφανώς η κατασκευαστική αυτή λεπτομέρεια θα ήταν αντίστροφη εφόσον η ενίσχυση είχε σαν στόχο την ανεπάρκεια σε κάμψη για αρνητική ροπή απαίτηση. Σχήμα 16 Σύγκριση της φέρουσας ικανότητα του επισκευασμένου δοκιμίου με δύο λωρίδες CFRP με ή χωρίς αγκύρια Σχήμα 17. Παραμορφωμένη εικόνα του δοκιμίου με δύο λωρίδες CFRP και με αγκύρια. Στο σχήμα 16 γίνεται η σύγκριση της φέρουσας ικανότητα του επισκευασμένου δοκιμίου της πλάκας με δύο λωρίδες CFRP αφενός με το νέο σχήμα επικόλλησης και αγκύρωσης (με μηχανικά αγκύρια) σε σχέση με το προηγούμενο (μόνο επικόλληση). Όπως φαίνεται από το εν λόγω σχήμα παρατηρούμε μια πολύ μικρή αύξηση της φέρουσας ικανότητας. Η κύρια βελτίωση που επέρχεται με το νέο σχήμα αγκύρωσης αφορά το γεγονός ότι αποτρέπεται η ανεπιθύμητη ψαθυρή αστοχία από την απότομη αποκόλληση των λωρίδων CFRP. Τα μηχανικά αγκύρια που χρησιμοποιήθηκαν αυξάνουν την καμπτική παραμορφώσιμότητα του δοκιμίου ενώ ταυτόχρονα διατηρούν την φέρουσα ικανότητα στα μέγιστα επίπεδα χωρίς φαινόμενα απότομης μείωσης της. Στο σχήμα 17 είναι ορατή η παραμορφωμένη εικόνα του δοκιμίου με δύο λωρίδες CFRP και με αγκύρια κάτω στην οριακή του καμπτική συμπεριφορά. 8

9 Επίλυση του φορέα του υφιστάμενου κτιρίου Στη συνέχεια έγινε η προσομοίωση του φορέα, ο οποίος επιλύθηκε σύμφωνα με τον ΕΑΚ2000 με την απλοποιημένη και την δυναμική φασματική μέθοδο, με τη βοήθεια του προγράμματος SAP2000 (version 10.1). Η επίλυση αυτή έγινε με τρεις διαφορετικές προσεγγίσεις. - Με την απλοποιημένη φασματική μέθοδο - Με την δυναμική φασματική μέθοδο χρησιμοποιώντας τόσο το φάσμα σχεδιασμού του ΕΑΚ2000 όσο και το φάσμα που προέκυψε από τις καταγραφές της εδαφικής επιτάχυνσης στην πόλη της Κοζάνης κατά της διάρκεια της ισχυρής σεισμικής διέγερσης τον Μάϊο του Όπως φαίνεται στο σχήμα η καταγραφή αυτή έγινε στο υπόγειο του κτιρίου της Νομαρχίας που απέχει λιγότερο από 1000 μέτρα από την θέση του κτιρίου που μελετάται. Για την απλοποιημένη φασματική μέθοδο έγιναν δεκτές οι τιμές των παραμέτρων που αναγράφονται κατωτέρω: Ιδιοπερίοδος της κατασκευής: T x = 0.47 s και T y = s Ζώνη σεισμικής επικινδυνότητας: Ι (Κοζάνη) α = 0.16 A = α g = 0.16 g Κατηγορία εδάφους: Β Κατηγορία σπουδαιότητας κτιρίου: Σ2 γ Ι = 1.00 Συντελεστής συμπεριφοράς: q = 2.0 Ποσοστό απόσβεσης: ζ = 5% Συντελεστής φασματικής ενίσχυσης: β ο = 2.5 Συντελεστής επιρροής της θεμελίωσης: θ = 1 Οι ασύζευκτες ιδιοπερίοδοι υπολογίστηκαν με τις τιμές που παρατίθενται: Διεύθυνση x x : T I = T x = 0.47 sec Διεύθυνση y y : T II = T y = sec Από τους ελέγχους σύμφωνα με τις διατάξεις του ΕΑΚ2000 προέκυψε ότι το κτίριο είναι στρεπτικά ευαίσθητο. Οι εκκεντρότητες σχεδιασμού προέκυψαν με τις εξής τιμές: maxex=5.8 m, maxey=1.25 m, minex=-3.8 m, miney=-0.75 m. Από την δυναμική φασματική ανάλυση του κτιρίου και την 3-διάστατη ιδιομορφική ανάλυση στο πρόγραμμα SAP2000, προέκυψαν, οι ιδιοπερίοδοι της κατασκευής που ενεργοποιούν το 90% της μάζας, που παρουσιάζονται στον πίνακα 2: Πίνακας 2. : Ιδιοπερίοδοι ταλάντωσης Ti Ti T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 (sec) Από την ιδιομορφική ανάλυση γίνεται αντιληπτό ότι υπάρχει ένας βαθμός σύζευξης των ιδιόμορφων και κυρίως της 2 ης και της 3 ης που συμμετέχουν μαζί σε ποσοστό 75% της συνολικής μάζας του κτιρίου. Η δεύτερη ιδιομορφή είναι περισσότερο μεταφορική κατά y, ενώ η τρίτη είναι περισσότερο κατά x. Στα 18 και 19 απεικονίζονται οι δύο αυτές ιδιομορφές του κτιρίου. Στο σχήμα 20 και για τα υποστυλώματα του ισογείου απεικονίζονται οι λόγοι απαίτησης προς φέρουσα ικανότητα όπως προέκυψαν από τος τρεις διαφορετικές προσεγγίσεις δηλαδή: - Με την απλοποιημένη φασματική μέθοδο 9

10 - Με την δυναμική φασματική μέθοδο χρησιμοποιώντας τόσο το φάσμα σχεδιασμού του ΕΑΚ2000 όσο και το φάσμα που προέκυψε από τις καταγραφές της εδαφικής επιτάχυνσης στην πόλη της Κοζάνης για την ισχυρή σεισμική διέγερση τον Μάϊο του Σχήμα 18. T2=0.96 sec (70% συμμετοχή μαζών κατά y) Σχήμα 19. T3=0.94 sec (70% συμμετοχή μαζών κατά x) Σχήμα 20. Καμπτικές απαιτήσεις για τα υποστυλώματα του Ισογείου του υφιστάμενου κτίριου. Οι απαιτήσεις της απλοποιημένης φασματικής ανάλυσης υπερκαλύπτουν πάνω από 10 φορές την φέρουσα ικανότητα. 10

11 Όπως φαίνεται στο σχήμα 20 η απλοποιημένη φασματική μέθοδος είναι πολύ επιβαρυντική για το εν λόγω κτίριο με απαιτήσεις κατά μέσο όρο 2 έως 6 φορές μεγαλύτερες από τις απαιτήσεις που προκύπτουν από την φασματική δυναμική ανάλυση. Στην τελευταία περίπτωση, οι απαιτήσεις που προκύπτουν χρησιμοποιώντας το φάσμα του ΕΑΚ2000 είναι 1.25 έως 1.75 φορές μεγαλύτερες από τις απαιτήσεις που προκύπτουν χρησιμοποιώντας το φάσμα του σεισμού της Κοζάνης (δες σχήματα 21 και 22, Εuropean Strong Motion Data Base). Η μεγάλη διαφοροποίηση που προκύπτει ανάμεσα στα αποτελέσματα από την απλοποιημένη φασματική και αυτά από την φασματική δυναμική ανάλυση θα πρέπει να αποδοθεί αφενός στην ευστρεψία του εν λόγω κτίριου και τις μεγάλες τιμές των εκκεντροτήτων που προκύπτουν για την απλοποιημένη φασματική μέθοδο και αφετέρου στις μεγαλύτερες τιμές των φασματικών τεταγμένων που αντιστοιχούν στις στις τιμές των ασύζευκτων ιδιοπεριόδων συγκριτικά με αυτές των συζευγμένων ιδιοπεριόδων του 3- διάστατου φορέα. Σχήμα 21. Θέση του κτιρίου σε σχέση με την θέση του επιταχυνσιογράφου. Σχήμα 22. Φάσμα επιταχύνσεων (5% απόσβεση). Σεισμός Κοζάνης Σύγκριση με φάσμα ΕΑΚ (q=2) Έλεγχος της επάρκειας των υποστυλωμάτων του υφισταμένου κτιρίου με βάση τα αποτελέσματα της ανάλυσης Ο έλεγχος περιορίστηκε στα δομικά στοιχεία της στάθμης του ισογείου και απεικονίζεται συνοπτικά στο σχήμα 20. Χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα της απλοποιημένης φασματικής ανάλυσης προκύπτουν απαιτήσεις οπλισμού που για τα περιμετρικά υποστυλώματα που φτάνουν και πάνω από 10 φορές τον υπάρχοντα οπλισμό και που αντιπροσωπεύουν ποσοστό οπλισμού πάνω από 2 φορές του μέγιστου επιτρεπόμενου. Στον πίνακα 3 αναγράφονται οι γωνιακές παραμορφώσεις του νότιου πλαισίου και για τις στάθμες από την οροφή του Ισογείου μέχρι την οροφή του Β ορόφου. Όπως φαίνεται οι τιμές αυτές είναι 4 φορές μεγαλύτερες από το όριο του ΕΑΚ2000 (0.005). Πίνακας 3. Γωνιακές παραμορφώσεις νοτίου πλαισίου Κ1-Κ9-Κ15-Κ22 Οροφή Ισογείου (h=4.09 m) Μεσοπατώματος (h=2.60 m) Α Ορόφου (h=3.60 m) Β Ορόφου (h=3.75 m) γ Με βάση τα αποτελέσματα της φασματικής δυναμικής ανάλυσης χρησιμοποιώντας το φάσμα σχεδιασμού του ΕΑΚ2000 εξακολουθεί να προκύπτει ανεπάρκεια των υποστυλωμάτων του Ισογείου αλλά αυτή έχει ολιγότερο έντονη έκφανση. Τέλος αν χρησιμοποιηθούν τα αποτελέσματα της δυναμικής φασματικής ανάλυσης χρησιμοποιώντας τα φάσματα του 11

12 σεισμού της Κοζάνης η προκύπτουσα ανεπάρκεια περιορίζεται σημαντικά. Αυτό θα πρέπει να αποδοθεί στο γεγονός ότι το φασματικό περιεχόμενο του σεισμού της Κοζάνης στο πεδίο των τιμών των ιδιοπεριόδων του 3-διάστατου φορέα παρουσιάζεται σαφώς φτωχότερο από το φάσμα του ΕΑΚ2000. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με τα αποτελέσματα της δυναμικής φασματικής ανάλυσης και των ελέγχων επάρκειας επιτρέπει να ερμηνευτεί η μη εμφάνιση σοβαρών βλαβών στο εν λόγω κτίριο από τον σεισμό του ΠΡΟΤΑΣΗ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΤΟΥ ΦΟΡΕΑ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΗΣ ΕΠΑΡΚΕΙΑΣ ΤΗΣ Για την αύξηση της δυσκαμψίας του κτιρίου, προτείνεται η κατασκευή εμφατνούμενων τοιχωμάτων πάχους 300mm από σκυρόδεμα C20/25, χάλυβας S500s. Η προσθήκη των εμφατνούμενων τοιχωμάτων γίνεται μόνο στην ανατολική και βόρεια όψη του κτιρίου, οι οποίες γειτνιάζουν με άλλα κτίρια, ενώ οι άλλες δύο όψεις δεν ενισχύονται με τοιχώματα για αρχιτεκτονικούς λόγους, αφού το κτίριο είναι κάτω από καθεστώς προστασίας της μορφολογίας του. Επίσης για λόγους επάρκειας των επί-μέρους δομικών στοιχείων προτείνεται η ενίσχυση των υποστυλωμάτων και των δοκών με την κατασκευή μανδυών έγχυτου οπλισμένου σκυροδέματος, περιμετρικά, πάχους 75mm εκατοστών για τα υποστυλώματα και 50mm για τις δοκούς, με υλικά ίδια με αυτά που θα χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή των νέων τοιχωμάτων. Για την αύξηση της φέρουσας ικανότητας των πλακών και των εξωστών του μεσοπατώματος θα χρησιμοποιηθούν ινοπλισμένα πολυμερή υλικά (λωρίδες ανθρακονημάτων), όπως παρουσιάσθηκε στο σχετικό με την επάρκεια των πλακών τμήμα της μελέτης. Προτείνεται επίσης η χρήση πυκνών συνδετήρων. Σχήμα 23. Προτεινόμενο σχήμα επισκευής - ενίσχυσης Σχήμα 24 : Δεύτερη ιδιομορφή ταλάντωσης Σχήμα 25 : Τέταρτη ιδιομορφή ταλάντωσης (54% συμμετοχή κατά την y διεύθυνση) (56% συμμετοχή κατά την x διεύθυνση) Στο σχήμα 23 απεικονίζεται αυτό το προτεινόμενο σχήμα επισκευής ενίσχυσης ενώ στα σχήματα 24 και 25 τα αποτελέσματα της ιδιομορφικής ανάλυσης του ενισχυμένου κτιρίου. Για το ενισχυμένο κτίριο εξετάσθηκε ένας αριθμός εναλλακτικών προσομοιώσεων σε μια 12

13 προσπάθεια να ληφθεί υπόψη η επιρροή των τοιχοπληρώσεων, τόσο στην υφιστάμενή τους μορφή όσο και μέσω ενός σχήματος ενίσχυσής τους (Ουζούνης 2003). Στό σχήμα 26 απεικονίζεται η απόκριση της μετακίνησης του ενισχυμένου κτιρίου στο επίπεδο του δώματος (κορυφή του κτιρίου. Στο σχήμα 27 γίνεται η απεικόνιση των ιδιοπεριόδων τόσο του υφιστάμενου όσο και του ενισχυμένου κτιρίου σε συσχετισμό με τα φάσματα απόκρισης του ΕΑΚ2000 και του σεισμού της Κοζάνης το Από το σχήμα αυτό γίνεται προφανής η μαντική αύξηση της δυσκαμψίας μέσω του προτεινόμενου σχήματος επισκευής ενίσχυσης. Ταυτόχρονα, φαίνεται να προκύπτει μια αύξηση των σεισμικών φορτίσεων για το ενισχυμένο κτίριο σε σχέση με το υφιστάμενο επί τη βάση του φάσματος του ΕΑΚ2000. Η αύξηση αυτή θα ήταν πολύ μεγαλύτερη επί τη βάση των φασμάτων απόκρισης του σεισμού της Κοζάνης το Η κανονιστική αύξηση των σεισμικών δράσεων θα πρέπει να ιδωθεί σε συσχετισμό με την αύξηση της διαθέσιμης αντοχής των δομικών στοιχείων λόγω της κατασκευής των μανδυών έγχυτου σκυροδέματος. Επιπρόσθετα, ένα τμήμα της σεισμικής δράσης καταπονεί κυρίως τα εμφατνούμενα τοιχώματα. Στο σχήμα 28 συνοψίζονται οι πλέον σημαντικές παρατηρήσεις που αφορούν τα μεγέθη απόκρισης του ενισχυμένου κτιρίου, όπως αυτά προέκυψαν από την δυναμική φασματική ανάλυση, σε συσχετισμό με την σύγκρισή τους με τα αντίστοιχα μεγέθη απόκρισης του υφιστάμενου κτιρίου, που παρουσιάστηκαν προηγουμένως. Οι έλεγχοι επάρκειας των υποστυλωμάτων του ισογείου ικανοποιούνται καθώς και ο έλεγχος των γωνιακών παραμορφώσεων για το ενισχυμένο κτίριο. Σχήμα 26. Απόκριση μετακίνησης του δώματος του ενισχυμένου κτιρίου Σχήμα 27. Ιδιοπερίοδοι υφιστάμενου και ενισχυμένου κτιρίου σε συσχετισμό με τα φάσματα που λήφθηκαν υπόψη. Σχήμα 28. Σύνοψη παρατηρήσεων σχετικά με την σύγκριση της σεισμικής απόκρισης του ενισχυμένου και του υφιστάμενου κτιρίου. Επί τη βάσει των ανωτέρω κρίνεται ότι το προτεινόμενο σχήμα επισκευής ενίσχυσης εκπληρεί τον επιθυμητό στόχο της αναβάθμισης της σεισμικής συμπεριφοράς του παλαιού αυτού φέροντος οργανισμού σε επίπεδα επάρκειας που απαιτεί ο ισχύων αντισεισμικός κανονισμός. Θα πρέπει βεβαίως εδώ να σημειωθεί ότι το εν λόγω κτίριο βρισκόταν για διάστημα μεγαλύτερο της δεκαετίας σε συνθήκες μερικής χρήσης ή ήταν καθ ολοκληρία 13

14 ακατοίκητο (μετά τον σεισμό του 1995). Η απόφαση για την υλοποίηση των δομικών επεμβάσεων που παρουσιάζονται εδώ λήφθηκε με την επιθυμία επανάχρησης του κτιρίου. Εν γένει, η υλοποίηση συστήματος δομικής ενίσχυσης σαν αυτό που προτείνεται συνεπάγεται το κόστος προσωρινής διαμονής των ενοίκων και το σημαντικό κόστος των πρόσθετων εργασιών (πατώματα, κουφώματα, εγκαταστάσεις, χρωματισμοί κλπ.). Στην περίπτωση του εν λόγω κτιρίου, δεν υπήρχαν ένοικοι και το κόστος των πρόσθετων εργασιών ήταν δεδομένο με ή χωρίς την δομική επέμβαση. Η εν λόγω διάσταση συνέβαλε στο να ιδωθεί με θετικό τρόπο το σενάριο της δομικής επέμβασης ενίσχυσης, όπως έγινε και στην περίπτωση του εν λόγω κτιρίου. Το κτίριο επισκευάστηκε και λειτουργεί από τον Μάρτιο του 2007 ξανά με το ιστορικό του Όνομα Ερμιόνιο, ως καφενείο ζαχαροπλαστείο Ξενοδοχείο και αποτελεί και πάλι τόπο συνάντησης των νέων και παλαιών κατοίκων της Κοζάνης, όπου το συνοδεύει μια ατμόσφαιρα αναμνήσεων 80 ετών. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 1. Από τους ελέγχους που γίνονται με βάση τα αποτελέσματα της απλοποιημένης και της δυναμικής φασματικής ανάλυσης του υφιστάμενου κτιρίου προκύπτουν μεγάλες ανεπάρκειες στα υποστυλώματα του ισογείου. 2. Προτείνεται σχήμα ενίσχυσης, που αφορά την κατασκευή νέων εμφατνούμενων τοιχωμάτων, την κατασκευή μανδυών οπλισμένου σκυροδέματος σε υποστυλώματα και δοκούς και την ενίσχυση των πλακών με την χρήση σύνθετων ινο-οπλισμένων πολυμερών υλικών (FRP), που διερευνήθηκαν ειδικά για τον σκοπό αυτό στο εργαστήριο. 3. Από την μελέτη του ενισχυμένου κτιρίου προκύπτει μεγάλη μείωση στα εντατικά μεγέθη των υποστυλωμάτων του ισογείου και στις μετακινήσεις, με αποτέλεσμα την πλήρη επάρκεια του κτιρίου έναντι σεισμικών καταπονήσεων. Από την σύγκριση της απόκρισης του υφιστάμενου και του ενισχυμένου κτιρίου σε επίπεδο ταλάντωσης, εντατικών μεγεθών απόκρισης και μετακινήσεων προκύπτει η αποτελεσματικότητα του σχήματος ενίσχυσης που εξετάζεται. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Οι συγγραφείς επιθυμούν να ευχαριστήσουν όλους όσους τους παρείχαν τις πληροφορίες που βοήθησαν για την εκτέλεση της παρούσας εργασίας καθώς και όλο το προσωπικό του εργαστηρίου Πειραματικής Αντοχής των Υλικών και των Κατασκευών, όπου εκτελέσθηκε η σχετική πειραματική και αριθμητική διερεύνηση. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΕΛΛΗΝΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΟΣ ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΣ ΕΑΚ2000, ΟΑΣΠ, «Πρωτοβάθμιος προσεισμικός έλεγχος κτιρίων δημόσιας και κοινωφελούς χρήσης», Αθήνα 2001 Ουζούνης Α., «Απλές αριθμητικές προσεγγίσεις της επιρροής των τοιχοπληρώσεων σε πολυώροφους κτιριακούς σχηματισμούς κάτω από σεισμικές καταπονήσεις», Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία ΑΣΤΕ, Θεσσαλονίκη ΠΑΦΙΛΗΣ Γ., «Δυτικομακεδονικά Γράμματα» (Τόμος 17 ος ), Κοζάνη ΥΠΕΧΩΔΕ-ΟΑΣΠ, «Τεχνικές οδηγίες προσεισμικού ελέγχου τρωτότητας δημοσίων κτιρίων», (Τεύχος Α), Αθήνα EUROPEAN STRONG MOTION DATABASE, Kozani Earthquake