ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΠΑΛΑΙΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ ΜΕ PILOTIS KAI ΠΡΑΚΤΙΚΕΣ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ ΤΗΣ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΠΑΛΑΙΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ ΜΕ PILOTIS KAI ΠΡΑΚΤΙΚΕΣ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟΥ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΣ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ Θεμιστοκλή Α. Αντωνόπουλου Πολιτικού Μηχανικού ΠΑΤΡΑ 2008

2 Στους γονείς μου Θανάση και Ιγνατία και στην αδελφή μου Κορνηλία, ως ελάχιστο δείγμα αναγνώρισης των θυσιών τους και της αγάπης τους για μένα

3 i ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διατριβή εκπονήθηκε στον Τομέα Κατασκευών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών υπό την επίβλεψη του Καθηγητή Σταύρου Αναγνωστόπουλου. Οι διάφορες δυσκολίες που συχνά παρουσιάστηκαν κατά τη διάρκεια της όλης προσπάθειας είναι και ο βασικός υπαίτιος για τυχόν παραλήψεις ή ατέλειες του τελικού αποτελέσματος. Ο αναγνώστης καλείται να δείξει την απαραίτητη επιείκεια. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες μου στον κ. Σταύρο Αναγνωστόπουλο, Καθηγητή Πανεπιστημίου Πατρών, ο οποίος με περιέβαλε από την πρώτη στιγμή με εμπιστοσύνη, αναθέτοντάς μου το θέμα της διατριβής αυτής, μου παραχώρησε οτιδήποτε ήταν αναγκαίο για την διεκπεραίωση της εργασίας και το πιο σημαντικό, με καθοδήγησε ουσιαστικά στις δύσκολες φάσεις της προσπάθειας. Επίσης, θέλω να ευχαριστήσω θερμά τον κ. Φώτη Τσίρλη, Πολιτικό Μηχανικό, για τη σημαντική βοήθειά του, καθώς και τον κ. Δημήτριο Μπάρο, υποψήφιο Διδάκτορα, για τις πολύτιμες συμβουλές του. Πάτρα, Φεβρουάριος 2008 Θεμιστοκλής Α. Αντωνόπουλος

4 ii ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται το θέμα της αποτίμησης της σεισμικής συμπεριφοράς κτιρίων οπλισμένου σκυροδέματος με Pilotis, σχεδιασμένων με βάση τους παλαιούς κανονισμούς (Αντισεισμικό Κανονισμό του 1959 και Κανονισμό Οπλισμένου Σκυροδέματος του 1954). Για το σκοπό αυτό διερευνάται η συμπεριφορά σε σεισμικά φορτία δυο πενταώροφων κτιρίων σχεδιασμένων με βάση τους κανονισμούς αυτούς. Η διερεύνηση αυτή γίνεται με χρήση μη γραμμικών μεθόδων ανάλυσης. Αρχικά εφαρμόζονται στατικές αναλύσεις πλευρικής οριακής ώθησης και προσδιορίζονται οι βλάβες των κατασκευών στα διάφορα στάδια φόρτισής τους (διάφορα στάδια επιτελεστικότητας). Για τον υπολογισμό της ικανότητας παραμόρφωσης των δομικών μελών οπλισμένου σκυροδέματος υιοθετούνται τα προσομοιώματα που προτείνονται από τον Ελληνικό Κανονισμό Επεμβάσεων. Τα αποτελέσματα των στατικών ανελαστικών αναλύσεων είναι αρκετά αντιπροσωπευτικά ωστόσο όμως δεν μπορούν σε καμία περίπτωση να αντικαταστήσουν τα αποτελέσματα μη γραμμικών δυναμικών αναλύσεων. Για το σκοπό αυτό επιλέχτηκαν κατάλληλα επιταχυνσιογραφήματα, φυσικές καταγραφές των ισχυρότερων Ελληνικών σεισμών καθώς και ημιτεχνητά επιταχυνσιογραφήματα συμβατά με το φάσμα σχεδιασμού του σύγχρονου Αντισεισμικού Κανονισμού, και πραγματοποιήθηκαν μη γραμμικές δυναμικές αναλύσεις για κάθε κτίριο. Η προσομοίωση των στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος για τις μη γραμμικές δυναμικές αναλύσεις ήταν τέτοια ώστε να λαμβάνεται υπόψη η απομείωση της δυσκαμψίας με την ανακύκλιση, ωστόσο σε αυτή τη φάση αγνοήθηκε η απομείωση της αντοχής. Τόσο από τις στατικές ανελαστικές αναλύσεις όσο και από τα αποτελέσματα των μη γραμμικών δυναμικών αναλύσεων προκύπτει ότι τα κτίρια αυτά είναι ιδιαιτέρως ευάλωτα σε σεισμικά φορτία αφού παρουσιάζουν σημαντικές καμπτικές και διατμητικές βλάβες στα υποστυλώματα του ισογείου, οι οποίες σε πολλές περιπτώσεις δηλώνουν αυξημένη πιθανότητα αστοχίας. Στον ισόγειο όροφο συγκεντρώνεται όλη σχεδόν η ανελαστική μετακίνηση του κτιρίου. Ακολούθως περιγράφονται πιθανές στρατηγικές επέμβασης στο φέροντα οργανισμό του κτιρίου που θα βελτίωναν σημαντικά τη συμπεριφορά του σε σεισμικά φορτία, και γίνεται προσπάθεια εφαρμογής των μεθόδων αυτών σε ένα από τα κτίρια. Όπως προκύπτει από τα αποτελέσματα, η συμπεριφορά ενός τέτοιου κτιρίου μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά με σχετικά εύκολο και απλό τρόπο.

5 iii ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΧΟΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΠΑΛΑΙΟΤΕΡΩΝ, ΠΡΟ ΤΟΥ 1984, ΚΤΙΡΙΩΝ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΙΣΧΥΟΝΤΕΣ ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΙ ΠΡΟ ΤΟΥ 1984 ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ ΚΑΙ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΔΥΝΑΜΙΕΣ ΤΟΥΣ ΠΛΑΣΤΙΜΟΤΗΤΑ - ΜΙΑ ΑΓΝΩΣΤΗ ΕΝΝΟΙΑ ΓΙΑ ΤΑ ΤΟΤΕ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΤΟΙΧΟΠΛΗΡΩΣΕΩΝ ΣΤΗ ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΚΤΙΡΙΩΝ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Διατάξεις τοιχοπληρώσεων που επηρεάζουν δυσμενώς την απόκριση του φορέα Ανομοιόμορφη κατανομή των τοιχοπληρώσεων μεταξύ των ορόφων Ασύμμετρη διάταξη των τοιχοπληρώσεων σε κάτοψη Διακοπή των τοιχοπληρώσεων καθ ύψος εντός του ορόφου ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΑΣΤΟΧΙΑΣ ΤΟΙΧΟΠΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΕΚΤΟΣ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΑΣΤΟΧΙΑ ΤΩΝ ΤΟΙΧΟΠΛΗΡΩΣΕΩΝ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΙΧΟΠΛΗΡΩΣΕΩΝ - ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΩΝ ΤΟΙΧΟΠΛΗΡΩΣΕΩΝ ΣΥΜΦΩΝΑ ΜΕ ΤΟΝ ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΚΑΝΟΝΙΣΜΟ ΕΠΕΜΒΑΣΕΩΝ (ΚΑΝ.ΕΠΕ 2006) ΕΥΡΩΚΩΔΙΚΑΣ 8 (ΕC8) ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΙΧΟΠΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΣΥΜΦΩΝΑ ΜΕ ΤΟ ΚΕΙΜΕΝΟ FEMA ΟΙ ΤΟΙΧΟΠΛΗΡΩΣΕΙΣ ΚΑΤΑ ΤΙΣ ΝΕΟΖΗΛΑΝΔΙΚΕΣ ΟΔΗΓΙΕΣ ΑΠΟΤΙΜΗΣΗΣ (NZSEE 2006)... 32

6 iv 3.9 ΣΥΣΤΑΣΕΙΣ ΤΟΥ ΕΛΛΗΝΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΟΥ ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΥ ΓΙΑ ΚΤΙΡΙΑ ΜΕ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟ ΠΛΗΡΩΣΕΩΣ ΑΠΟ ΤΟΙΧΟΠΟΙΙΑ (ΕΑΚ2003) ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΤΟΙΧΟΠΛΗΡΩΣΕΩΝ (ΠΑΝΑΓΙΩΤΑΚΟΣ 1998) ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΤΟΙΧΟΠΛΗΡΩΣΕΩΝ (CRISAFULLY 2007) ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑΤΑ ΚΤΙΡΙΟΥ ΠΡΟΣ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΚΑΙ ΣΕΙΣΜΟΙ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΚΤΙΡΙΩΝ Πενταώροφο κτίριο FRA5ST Πενταώροφο κτίριο FRB5ST ΣΕΙΣΜΙΚΕΣ ΔΡΑΣΕΙΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ ΣΤΑΤΙΚΕΣ ΑΝΑΛΥΣΕΙΣ ΠΛΕΥΡΙΚΗΣ ΟΡΙΑΚΗΣ ΩΘΗΣΗΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ Αντοχή και ικανότητα παραμόρφωσης μελών οπλισμένου σκυροδέματος Δυσκαμψία μελών οπλισμένου σκυροδέματος Ροπή, καμπυλότητα και γωνία στροφής χορδής στη διαρροή Ροπή και καμπυλότητα στη διαρροή Γωνία στροφής χορδής στη διαρροή Γωνία στροφής χορδής θ u στην αστοχία και πλαστικό μέρος γωνίας στροφής χορδής θ u,pl Διατμητική αντοχή μελών οπλισμένου σκυροδέματος Στοχευόμενη μετακίνηση ή μετακίνηση ελέγχου του κτιρίου ΠΑΡΑΔΟΧΕΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΙΔΙΟΜΟΡΦΙΚΩΝ ΑΝΑΛΥΣΕΩΝ ΑΝΑΛΥΣΕΙΣ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΜΗ ΓΡΑΜΜΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΑΝΑΛΥΣΕΙΣΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 86

7 v 6.2 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΜΕΛΩΝ Ο.Σ ΓΙΑ ΤΙΣ ΜΗ ΓΡΑΜΜΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΑΝΑΛΥΣΕΙΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΑΝΑΛΥΣΕΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΚΤΙΡΙΩΝ PILOTIS ΤΡΟΠΟΙ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΚΤΙΡΙΩΝ ΑΝΑΛΥΣΕΙΣ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ Α. Φάσματα απόκρισης ισχυρών Ελληνικών σεισμών Β. Εποπτική παρουσίαση των ιδιομορφών των κτιρίων Γ. Πίνακες οπλισμών

8 vi ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα Καμπύλες δύναμης μετατόπισης πλαισιακών φορέων Ο.Σ (NZSEE 2006)... 8 Σχήμα α) Πλάστιμη Συμπεριφορά - β) Ψαθυρή Συμπεριφορά (Φαρδής 2004) Σχήμα α) Σχεδιασμός προ του β) Σύγχρονος αντισεισμικός σχεδιασμός Σχήμα Καθ ύψος ανομοιομορφία των τοιχοπληρώσεων Σχήμα Τέμνουσα βάσης μετατόπιση ισογείου από πείραμα σε τριώροφο κτίριο τύπου Pilotis (Fardis et. al. 1999a) Σχήμα Διακοπή των τοιχοπληρώσεων καθ ύψος εντός του ορόφου Σχήμα Μηχανισμοί αστοχίας τοιχοπληρωμένων πλαισίων (Shing 2002) Σχήμα Προσομοίωση τοιχοπλήρωσης με θλιβόμενες διαγωνίους Σχήμα Προσομοίωση τοιχοπλήρωσης με πεπερασμένα στοιχεία (πηγή Internet) Σχήμα Νόμοι τάσεων παραμορφώσεων α) Θλιβόμενης διαγωνίου β) Διατμητ. φατνώματος Σχήμα Γεωμετρικά χαρακτηριστικά τοιχοπληρωμένου πλαισίου κατά το κείμενο FEMA Σχήμα Καμπύλη συμπεριφοράς της θλιβόμενης διαγωνίου κατά τη FEMA Σχήμα Νόμος υστέρησης του προσομοιώματος των τοιχοπληρώσεων Σχήμα Προσομοίωμα ανάλυσης τοιχοπληρώσεων (Carr2005c) Σχήμα Νόμος τάσεων παραμορφώσεων για τις θλιβόμενες διαγωνίους (Carr 2005c) Σχήμα Νόμος τάσεων παραμορφώσεων για το οριζόντιο ελατήριο (Smyrou 2006)39 Σχήμα α)τυπική κάτοψη β) Τυπική όψη κτιρίου FRA5ST Σχήμα α)τυπική κάτοψη β) Τυπική όψη κτιρίου FRΒ5ST Σχήμα Μη κανονικοποιημένα φάσματα απόκρισης, μέσο φάσμα και μέσο συν μια τυπική απόκλιση φάσμα απόκρισης ψευδοεπιταχύνσεων Σχήμα Σύγκριση μη κανονικοποιημένου μέσου φάσματος με τα φάσματα του Ελληνικού Αντισεισμικού Κανονισμού (ΕΑΚ 2003) για τις διάφορες ζώνες και τα αντίστοιχα εδάφη Σχήμα Κανονικοποιημένα φάσματα απόκρισης, μέσο φάσμα και μέσο συν μια τυπική απόκλιση φάσμα απόκρισης ψευδοεπιταχύνσεων Σχήμα Μέσο φάσμα και μέσο συν μια τυπική απόκλιση κανονικοποιημένο φάσμα απόκρισης μαζί με τα αντίστοιχα φάσματα που προκύπτουν θεωρώντας μόνο τις ισχυρές συνιστώσες κάθε σεισμού Σχήμα Προσαρμογή ομαλών φασμάτων στα μέσα φάσματα Σχήμα Σύγκριση προσαρμοσμένων φασμάτων με τα κανονικοποιημένα φάσματα του Κανονισμού (ΕΑΚ 2003) Σχήμα Ημιτεχνητά επιταχυνσιογραφήματα (AR1-SoilA-APPA και AR2-SoilA- APPA) συμβατά με το φάσμα του παραρτήματος του Κανονισμού για Έδαφος Α... 54

9 vii Σχήμα Φάσματα απόκρισης τεχνητών επιταχυνσιογραφημάτων (AR1-SoilA-APPA, AR2-SoilA-APPA) Σχήμα Ημιτεχνητά επιταχυνσιογραφήματα (AR1-SoilΒ-APPA και AR2-SoilΒ- APPA) συμβατά με το φάσμα του παραρτήματος του Κανονισμού για Έδαφος Β Σχήμα Φάσματα απόκρισης τεχνητών επιταχυνσιογραφημάτων (AR1-SoilB-APPA, AR2-SoilB-APPA ) Σχήμα Ημιτεχνητό επιταχυνσιογράφημα (AR-MSTD) συμβατό με το μέσο συν μια τυπική απόκλιση φάσμα του Σχ.(4.8) Σχήμα Φάσμα απόκρισης του τεχνητού επιταχυνσιογραφήματος AR-MSTD Σχήμα Σχηματική διάταξη ανάλυσης πλευρικής οριακής ώθησης Σχήμα Καμπύλη ανάλυσης πλευρικής οριακής ώθησης Σχήμα Ορισμός γωνίας στροφής χορδής στα άκρα των μελών Σχήμα Giberson One component model- beam-column (Carr 2005c) Σχήμα Στατικό προσομοίωμα α) Κτίριου FRA5ST - β) Κτίριου FRB5ST Σχήμα Καμπύλη αντίστασης κτιρίου FRA5ST (EAK) Σχήμα Λόγοι ανεπάρκειας υποστυλωμάτων στη θέση δ t,κτίριο FRA5ST (EAK) Σχήμα Δείκτες πλαστιμότητας υποστυλωμάτων στη θέση δ t,κτίριο FRA5ST (EAK) Σχήμα Καμπύλη αντίστασης κτιρίου FRA5ST (ΚΑΝ.ΕΠΕ) Σχήμα Λόγοι ανεπάρκειας υποστυλωμάτων στη θέση δ t, FRA5ST (ΚΑΝ.ΕΠΕ) Σχήμα Δείκτες πλαστιμότητας υποστυλωμάτων στη θέση δ t, FRA5ST (ΚΑΝ.ΕΠΕ) Σχήμα Καμπύλη αντίστασης κτιρίου FRB5ST (ΕΑΚ) Σχήμα Λόγοι ανεπάρκειας υποστυλωμάτων κτιρίου FRB5ST (ΕΑΚ) στη θέση δ t Σχήμα Δείκτες πλαστιμότητας υποστυλωμάτων κτιρίου FRB5ST (ΕΑΚ) στη θέση δ t 81 Σχήμα Καμπύλη αντίστασης κτιρίου FRB5ST (ΚΑΝ.ΕΠΕ) Σχήμα Λόγοι ανεπάρκειας υποστυλωμάτων κτιρίου FRB5ST (ΚΑΝ.ΕΠΕ) στη θέση δ t 82 Σχήμα Δείκτες πλαστιμότητας υποστυλωμάτων κτιρ. FRB5ST (ΚΑΝ.ΕΠΕ) στη θέση δ t Σχήμα Τροποποιημένο προσομοίωμα Takeda, Hysteresis Rule 4 (Carr 2005c) Σχήμα Απόκριση κτιρίου FRA5ST για το σεισμό (AR1-SoilA-APPA) Σχήμα Απόκριση κτιρίου FRA5ST για το σεισμό (AR2-SoilA-APPA) Σχήμα Απόκριση κτιρίου FRA5ST για το σεισμό (MNSAT) Σχήμα Απόκριση κτιρίου FRB5ST για το σεισμό (AR1-SoilB-APPA) Σχήμα Απόκριση κτιρίου FRB5ST για το σεισμό (AR2-SoilB-APPA) Σχήμα Απόκριση κτιρίου FRB5ST για το σεισμό (AIG95L) Σχήμα Τέμνουσα βάσης μετατόπιση οροφής ισογείου κτίριο FRA5ST για το επιταχυνσιογράφημα (AR1-SoilA-APPA)... 92

10 viii Σχήμα Τέμνουσα βάσης μετατόπιση οροφής ισογείου κτίριο FRB5ST για το επιταχυνσιογράφημα (AR1-SoilB-APPA) Σχήμα Σχετικές μετατοπίσεις ορόφων κτιρίου FRA5ST α) Γυμνό κτίριο β) Pilotis93 Σχήμα Σχετικές μετατοπίσεις ορόφων κτιρίου FRA5ST α) Γυμνό κτίριο β) Pilotis93 Σχήμα Σχετικές μετατοπίσεις ορόφων κτιρίου FRΒ5ST α) Γυμνό κτίριο β) Pilotis94 Σχήμα Σχετικές μετατοπίσεις ορόφων κτιρίου FRΒ5ST α) Γυμνό κτίριο β) Pilotis94 Σχήμα Δείκτες πλαστιμότητας υποστυλωμάτων Κ1 - Κ5 του κτιρίου FRA5ST Σχήμα Δείκτες πλαστιμότητας υποστυλωμάτων Κ6 - Κ10 του κτιρίου FRA5ST Vmax Σχήμα Λόγοι ανεπάρκειας υποστυλωμάτων Κ1 Κ5 του κτιρίου FRA5ST.. 96 V Σχήμα Λόγοι ανεπάρκειας V V Rd max Rd υποστυλωμάτων Κ1 Κ5 του κτιρίου FRA5ST.. 96 Σχήμα Δείκτες πλαστιμότητας υποστυλωμάτων Κ1 Κ4 του κτιρίου FRB5ST Σχήμα Δείκτες πλαστιμότητας υποστυλωμάτων Κ5 Κ8 του κτιρίου FRB5ST Vmax Σχήμα Λόγοι ανεπάρκειας υποστυλωμάτων Κ1 Κ4 του κτιρίου FRB5ST.. 98 V Σχήμα Λόγοι ανεπάρκειας V V Rd max Rd υποστυλωμάτων Κ5 Κ8 του κτιρίου FRB5ST.. 98 Σχήμα Μεταλλικά δικτυώματα εντός πλαισίων Σχήμα (α) Στερέωση βλήτρων στα στοιχεία σκυροδέματος και (β) προκατασκευασμένο χαλύβδινο πλαίσιο με διατμητικούς συνδέσμους (Yamamoto 1993) Σχήμα Κατασκευαστική διάταξη Τυπική λεπτομέρεια (Yamamoto 1993) Σχήμα Κατασκευαστικές λεπτομέρεις σύνδεσης μεταλλικών δικτυωμάτων στο φέροντα οργανισμό Σχήμα Ενίσχυση ακραίων φατνωμάτων κτιρίου FRB5ST με εισαγωγή νέων τοιχοπληρώσεων (μεταλλικοί μανδύες στα πολύ κρίσιμα στοιχεία) Σχήμα Ενίσχυση ακραίων φατνωμάτων κτιρίου FRB5ST με εισαγωγή χαλύνδινων μεταλλικών συνδέσμων διατομής HEB Σχήμα Καμπύλες αντίστασης κτιρίου FRB5ST (EAK) για τις περιπτώσεις ενίσχυσης Σχήμα Σχετικές μετατοπίσεις ορόφων αποτελέσματα στατικής ανελαστικής ανάλυσης για το κτίριο FRB5ST (EAK) Σχήμα Καμπύλες αντίστασης κτιρίου FRB5ST (ΚΑΝ.ΕΠΕ) για τις περιπτώσεις ενίσχυσης Σχήμα Σχετικές μετατοπίσεις ορόφων αποτελέσματα στατικής ανελαστικής ανάλυσης για το κτίριο FRB5ST (ΚΑΝ.ΕΠΕ) Σχήμα Σχετικές μετατοπίσεις ορόφων κτιρίου FRΒ5ST (ΕΑΚ) α) Pilotis β)

11 ix Ενισχυμένο με τοιχοπληρώσεις Σχήμα Σχετικές μετατοπίσεις ορόφων κτιρίου FRΒ5ST (ΚΑΝ.ΕΠΕ) α) Pilotis β) Ενισχυμένο με τοιχοπληρώσεις Vmax Σχήμα Λόγοι ανεπάρκειας υποστυλωμάτων Κ1 Κ4 του κτιρίου FRB5ST VRd ενισχυμένου με τοιχοπληρώσεις Vmax Σχήμα Λόγοι ανεπάρκειας υποστυλωμάτων Κ5 Κ8 του κτιρίου FRB5ST VRd ενισχυμένου με τοιχοπληρώσεις ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας Στοιχεία για τους σεισμούς των οποίων τα φάσματα απόκρισης κατασκευάστηκαν Πίνακας Χαρακτηριστικά υποστυλωμάτων πιλοτής του κτιρίου FRA5ST Πίνακας Χαρακτηριστικά υποστυλωμάτων πιλοτής του κτιρίου FRB5ST Πίνακας Ιδιοπερίοδοι κτιρίου FRA5ST κατά ΕΑΚ και ΚΑΝ.ΕΠΕ Πίνακας Ιδιοπερίοδοι κτιρίου FRB5ST κατά ΕΑΚ και ΚΑΝ.ΕΠΕ Πίνακας Ιδιοπερίοδοι κτιρίου FRA5ST Pilotis κατά ΕΑΚ και ΚΑΝ.ΕΠΕ Πίνακας Ιδιοπερίοδοι κτιρίου FRB5ST Pilotis κατά ΕΑΚ και ΚΑΝ.ΕΠΕ Πίνακας Συγκεντρωτικός πίνακας αποτελεσμάτων στατικών ανελαστικών αναλύσεων για τα δυο κτίρια... 83

12 1 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΣΤΟΧΟΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Η Ελλάδα είναι μια από τις πλέον σεισμογόνες Ευρωπαϊκές χώρες και στα τελευταία 25 χρόνια έχει θρηνήσει περίπου 260 νεκρούς από σεισμούς ενώ οι οικονομικές ζημιές, άμεσες και έμμεσες, υπερβαίνουν τα 2 3 δισεκατομμύρια Ευρώ. Οι συνέπειες αυτές θα μπορούσαν να θεωρηθούν σχετικά μικρές, αν για παράδειγμα συγκριθούν με εκείνες από το σεισμό του 1999 που έπληξε τη γειτονική μας Τουρκία. Όμως και οι σεισμοί που τις προκάλεσαν ήταν σχετικά μικροί, αρκετά ασθενέστεροι από τους μέγιστους αναμενόμενους σε διάφορες τεκτονικές ζώνες της χώρας μας. Το μεγάλο πρόβλημα στη χώρα μας είναι οι οικοδομές οι οποίες έχουν μελετηθεί και κατασκευαστεί πριν το 1984, δηλαδή πριν την πρώτη βασική τροποποίηση του Αντισεισμικού μας Κανονισμού του 1959, ο οποίος στην ουσία αντανακλούσε γνώσεις της δεκαετίας Σ αυτό συνέβαλε και η απουσία ισχυρών σεισμικών γεγονότων, όπως αυτά που ακολούθησαν τις επόμενες δεκαετίες, που δεν έδωσε τη δυνατότητα αποκάλυψης των εγγενών αδυναμιών των ισχυουσών κανονιστικών διατάξεων και των πρακτικών σχεδιασμού δόμησης εκείνης της περιόδου. Έτσι, η έντονη ανοικοδόμηση που επικράτησε κατά τις δεκαετίες 60 και 70, είχε ως αποτέλεσμα ένα τεράστιο τμήμα του δομικού πλούτου της Ελλάδας (~70%) και κυρίως των μεγάλων αστικών κέντρων, να αποτελείται από κτίρια της κατηγορίας αυτής, που υστερούσαν σημαντικά από πλευράς σεισμικής επάρκειας, συγκρινόμενα με τα σύγχρονα κτίρια. Στην κατηγορία αυτή το πρόβλημα είναι πολύ πιο έντονο στις πολυκατοικίες οπλισμένου σκυροδέματος με ανοιχτά ισόγεια τύπου pilotis, σε αυτή δε εντοπίζεται η συντριπτική πλειονότητα των καταρρεύσεων στους πρόσφατους σεισμούς. Σε σύγκριση με αντίστοιχα σύγχρονα κτίρια, η σεισμική αντοχή των οικοδομών αυτών είναι πολύ μικρή. Εκτιμάται ότι αν ένας ισχυρός σεισμός, ανάλογος των προβλεπόμενων από τον ισχύοντα σήμερα Αντισεισμικό Κανονισμό, πλήξει ένα αστικό κέντρο, οι καταρρεύσεις τέτοιων πολυκατοικιών μπορεί να είναι πολλές, ενώ ο αριθμός των θυμάτων μεγάλος. Μια προσεισμική επέμβαση ενίσχυσης αυτού του τύπου κτιρίων είναι σχετικά εύκολη και οικονομική δεδομένου ότι μπορεί να γίνει εξωτερικά χωρίς να διαταράξει τη λειτουργία του κτιρίου και χωρίς να προκαλέσει πρόσθετες επισκευές. Αν και δεν αποτελεί πλήρη θωράκιση, εν τούτοις μειώνει σημαντικά την τρωτότητα του κτιρίου που οφείλεται

13 2 στο εξαιρετικά ασθενές από πλευράς σεισμικής αντοχής ισόγειο. Προκειμένου μια επέμβαση να είναι επιτυχής και αποτελεσματική, απαιτείται καλή γνώση της αναμενόμενης συμπεριφοράς του υφιστάμενου δομήματος ως έχει σε κάποιο ισχυρό μελλοντικό σεισμό. Ο μηχανικός καλείται να αποτιμήσει την ικανότητα των κτιρίων αυτών να φέρουν σεισμικές δράσεις, και να δώσει σαφή, ποσοτική απάντηση στο ερώτημα Ποια είναι η πραγματική αντοχή των κτιρίων αυτού του τύπου έναντι σεισμικών φορτίων;. Προς τούτο απαιτείται θεσμοθέτηση κριτηρίων για την εκτίμηση της φέρουσας ικανότητας υφιστάμενων δομημάτων, και κανόνων εφαρμογής για την αντισεισμική τους θωράκιση. Στην κατεύθυνση αυτή κινούνται σύγχρονα κανονιστικά κείμενα όπως οι Αμερικάνικες οδηγίες της FEMA, ο Ελληνικός Κανονισμός Επεμβάσεων, το μέρος 3 του Ευρωκώδικα 8, οι Νεοζηλανδικές οδηγίες για την αποτίμηση υφιστάμενων κτιρίων κ.λ.π. Στόχος της παρούσης εργασίας είναι η διερεύνηση της συμπεριφοράς πολυώροφων κτίριων οπλισμένου σκυροδέματος τύπου pilotis έναντι σεισμικών δράσεων και η εκτίμηση της πραγματικής τους αντοχής. Προς τούτο γίνεται εφαρμογή σύγχρονων ανελαστικών μεθόδων ανάλυσης σε δυο πενταώροφα κτίρια. Ακολούθως παρουσιάζεται και μια συνοπτική διερεύνηση κάποιων τρόπων ενίσχυσης των κτιρίων αυτών, με κύριο στόχο την εξαγωγή συμπερασμάτων για τις δυνατότητες πρακτικής τους εφαρμογής. 1.2 ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ Στο δεύτερο κεφάλαιο της παρούσης περιγράφεται ο τρόπος σχεδιασμού και κατασκευής των κτιρίων κατά τις δεκαετίες που αναφέρθηκαν παραπάνω. Δίδονται στοιχεία των κανονιστικών κειμένων εκείνης της περιόδου και γίνεται σχολιασμός των βασικών τους διαφορών από τους σύγχρονους μεταγενέστερους κανονισμούς. Πραγματοποιείται επίσης αναλυτική περιγραφή των βασικών χαρακτηριστικών και αδυναμιών των κτιρίων εκείνης της περιόδου και τονίζονται τα στοιχεία που επιδρούν αρνητικά στη συμπεριφορά τους σε σεισμικά φορτία. Κρίσιμη παράμετρος που επηρεάζει αυτή τη συμπεριφορά αποτελεί η ύπαρξη τοιχοπληρώσεων μέσα στα φατνώματα πλαισίων οπλισμένου σκυροδέματος. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται μια περιγραφή της επίδρασης των τοιχοπληρώσεων στη σεισμική

14 3 απόκριση κτιρίων οπλισμένου σκυροδέματος και σχολιάζονται διάφοροι τρόποι αρνητικής για το κτίριο αλληλεπίδρασης των τελευταίων με τις πρώτες κατά τη φάση ενός σεισμού. Ταυτόχρονα περιγράφονται τα προβλήματα που παρουσιάζονται κατά τη συνεκτίμηση των τοιχοπληρώσεων στην ανάλυση μιας κατασκευής και τέλος γίνεται αναφορά σε κάποια από τα μέχρι τώρα προταθέντα προσομοιώματα ανάλυσης τους. Επίσης παρατίθενται πληροφορίες για το πως τα σύγχρονα κανονιστικά κείμενα για την αποτίμηση υφιστάμενων κατασκευών αντιμετωπίζουν το ζήτημα των τοιχοπληρώσεων στην ανάλυση. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή των κτιρίων προς διερεύνηση. Γίνεται επίσης περιγραφή των σεισμικών κινήσεων που χρησιμοποιούνται για τις διάφορες αναλύσεις. Παρουσιάζονται τα φάσματα απόκρισης τους και γίνεται προσπάθεια κατασκευής ενός μέσου φάσματος όλων των ισχυρών καταγραφών των ισχυρών σεισμών των τελευταίων δεκαετιών. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται διερεύνηση της συμπεριφοράς των κτιρίων με χρήση της στατικής ανάλυσης πλευρικής οριακής ώθησης. Παρουσιάζεται η μέθοδος και η διαδικασία που ακολουθείται, δίδονται στοιχεία για την προσομοίωση των φερόντων στοιχείων και παρουσιάζονται οι προτεινόμενες από τους κανονισμούς εξισώσεις για την ικανότητα ανελαστικής παραμόρφωσης των μελών οπλισμένου σκυροδέματος. Παρουσιάζονται τα διαγράμματα που προκύπτουν σε όρους τέμνουσας βάσης με μετατόπιση κορυφής για τα δυο κτίρια και γίνεται σχολιασμός των αποτελεσμάτων. Στο έκτο κεφάλαιο πραγματοποιούνται μη γραμμικές δυναμικές αναλύσεις χρονοϊστορίας για τα δυο κτίρια, για δεδομένα επιταχυνσιογραφήματα και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των αναλύσεων αυτών. Γίνεται αξιολόγηση των αποτελεσμάτων και συγκρίνονται με τα αποτελέσματα των στατικών αναλύσεων πλευρικής οριακής ώθησης. Στο έβδομο κεφάλαιο περιγράφονται πιθανοί τρόποι επέμβασης προς ενίσχυση της αντισεισμικής συμπεριφοράς των κτιρίων αυτών. Περιγράφεται κάθε μέθοδος ξεχωριστά και δίδονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της κάθε μεθόδου. Πραγματοποιούνται ενδεικτικές αναλύσεις των κτιρίων με κάποια από αυτές τις μεθόδους ενίσχυσης και σχολιάζονται τα αποτελέσματα σε σύγκριση με τη συμπεριφορά των μη ενισχυμένων κτιρίων.

15 4 Στο τελευταίο κεφάλαιο γίνεται μια ανασκόπηση της εργασίας και παρουσιάζονται τελικά συμπεράσματα και προτάσεις. Γίνεται μια συγκεντρωτική αποτίμηση των αποτελεσμάτων και των διαδικασιών που χρησιμοποιήθηκαν και τονίζονται τα σημεία και οι παράμετροι που πρέπει να διερευνηθούν περαιτέρω.

16 5 2. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΠΑΛΑΙΟΤΕΡΩΝ, ΠΡΟ ΤΟΥ 1984, ΚΤΙΡΙΩΝ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ 2.1 ΙΣΧΥΟΝΤΕΣ ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΙ ΠΡΟ ΤΟΥ 1984 ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ Ο Αντισεισμικός σχεδιασμός εισήχθη σε όλους τους νομούς της Ελλάδας με τη θέσπιση του πρώτου Αντισεισμικού Κανονισμού το 1959 (Βασιλικό Διάταγμα της 19/ ). Προ του 1959 είχαν εφαρμοσθεί σε ορισμένες περιοχές της χώρας που είχαν πληγεί από σεισμούς, μια σειρά από αντισεισμικά μέτρα, τα οποία κωδικοποίησε ο Κανονισμός του Από την άλλη πλευρά η θέσπιση Αντισεισμικού Κανονισμού το 1959 δε σήμαινε ότι οι κατασκευές που σχεδιάστηκαν με αυτόν, ιδίως οι πολυώροφες από οπλισμένο σκυρόδεμα, διέθεταν σημαντική αντοχή σε σεισμό. Και τούτο διότι ο αντισεισμικός αυτός Κανονισμός αντανακλούσε γνώση της δεκαετίας του και αφορούσε περισσότερο μονώροφες κατασκευές παρά πολυκατοικίες. Η ανάλυση και ο έλεγχος για σεισμικά φορτία βασίζονταν στο μοντέλο του μονώροφου (ανάλυση κατά Ρουσσόπουλο). Έτσι ο έλεγχος γινόταν για κάθε όροφο ξεχωριστά, με θεώρηση ελαστικής στήριξης για τα υποστυλώματα, χωρίς να λαμβάνεται υπόψιν η πλαισιακή λειτουργία και η συμμετοχή των δοκών στην ανάληψη σεισμικής έντασης. Οι χαμηλοί σεισμικοί συντελεστές που είχαν υιοθετηθεί κατά περιοχές με βάση αυτόν τον κανονισμό, είχαν ως επακόλουθο τους οι σεισμικές δράσεις που λαμβάνονταν κατά την ανάλυση να είναι αρκετά μειωμένες έως ανύπαρκτες. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασμό με την απουσία ισχυρής σεισμικής δραστηριότητας για μεγάλο χρονικό διάστημα, άρα τη μη συνειδητοποίηση του σεισμικού κινδύνου από τους μηχανικούς και τους πολίτες, είχε σαν αποτέλεσμα την ανέγερση πολλών πολυκατοικιών, των οποίων ο αντισεισμικός σχεδιασμός ήταν ελλιπέστατος και πρακτικά είχε εκφυλιστεί σε ένα απλό έλεγχο περιμετρικών δοκών. Φυσικά και ο ποιοτικός έλεγχος ήταν πρακτικά ανύπαρκτος, γεγονός που είχε πρόσθετες δυσμενείς συνέπειες στη σεισμική αντοχή των κτιρίων της περιόδου εκείνης. Για τη διαστασιολόγηση του οπλισμένου σκυροδέματος παρέμενε σε ισχύ ο κανονισμός του 1954 (Βασιλικό Διάταγμα της 18.2/ ) ο οποίος ήταν απλή μετάφραση του αντίστοιχου Γερμανικού του 1936 (DIN 1045) και δεν περιελάμβανε διατάξεις για την κατασκευαστική διαμόρφωση και λεπτομέρειες όπλισης μελών με στόχο

17 6 την τοπική πλαστιμότητα. Η κανονισμός αυτός δηλαδή ήταν προσανατολισμένος αποκλειστικά σχεδόν σε κατασκευές που καλούνται να αναλάβουν κυρίως κατακόρυφα φορτία. Η ίδια αντίληψη, αυτή της ανάληψης μόνο των κατακόρυφων φορτίων, κυριαρχούσε και στη μόρφωση του δομικού συστήματος. Ως αποτέλεσμα τα κτίρια οπλισμένου σκυροδέματος πολύ σπάνια διέθεταν ένα σαφώς ορισμένο δομικό σύστημα ανάληψης των οριζόντιων δυνάμεων και στις δυο οριζόντιες διευθύνσεις. Αντίθετα οι θέσεις των δοκών και των υποστυλωμάτων καθοριζόταν απόλυτα από την αρχιτεκτονική διάταξη, με αποτέλεσμα το δομικό σύστημα να κυριαρχείται από έμμεσες στηρίξεις δοκών επί άλλων δοκών και να χαρακτηρίζεται από σχεδόν πλήρη απουσία ξεκάθαρων πλαισίων ή μεικτών συστημάτων. 2.2 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ ΚΑΙ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΔΥΝΑΜΙΕΣ ΤΟΥΣ Τα κτίρια οπλισμένου σκυροδέματος που σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν στο διάστημα που περιγράφεται στην προηγούμενη ενότητα, δεν μπορούν να χαρακτηρισθούν σε καμία περίπτωση ως ασφαλείς αντισεισμικές κατασκευές. Και τούτο διότι την περίοδο εκείνη, έννοιες όπως ανελαστική συμπεριφορά, πλαστιμότητα, ικανοτικός σχεδιασμός, σεισμικός κίνδυνος κ.λ.π ήταν παντελώς άγνωστες στους μηχανικούς. Οι έννοιες αυτές άρχισαν να εισέρχονται στην Ελληνική βιβλιογραφία και πρακτική μετά τους πρώτους καταστροφικούς σεισμούς (Θεσσαλονίκη 1978, Αλκυονίδες 1981) που έπληξαν μεγάλα αστικά κέντρα και προκάλεσαν καταρρεύσεις πολυκατοικιών. Ως γνωστόν η γενική συμπεριφορά ενός δομικού συστήματος εξαρτάται από την συμπεριφορά των επιμέρους δομικών μελών που συνθέτουν το φέροντα οργανισμό του. Στη συνέχεια παρατίθενται τα κύρια χαρακτηριστικά δομικών μελών οπλισμένων σκυροδέματος σχεδιασμένων με βάση τους παλιούς κανονισμούς : 1) Ανεπαρκώς αγκυρωμένοι ή ακόμη και ανοιχτοί συνδετήρες σε γωνία 90 ο, γεγονός που τους εμπόδιζε να αναπτύξουν τη συνολική τους εφελκυστική αντοχή. Πολλές φορές η αντοχή τέτοιων συνδετήρων είναι πρακτικά μηδενική. Αποτέλεσμα: πρακτικά ανύπαρκτος εγκιβωτισμός του σκυροδέματος και πολύ μικρές αντοχές σε διάτμηση. 2) Ιδιαίτερα χαμηλά ποσοστά διαμήκους και εγκάρσιου οπλισμού, που για μεν τους πρώτους οφειλόταν κυρίως στη μέθοδο ανάλυσης και στις χαμηλές σεισμικές δράσεις

18 7 σχεδιασμού, για δε τους συνδετήρες οφειλόταν επιπλέον στην απουσία ελέγχων περίσφιξης και στις ελλιπείς κατασκευαστικές διατάξεις. Δεν έλειπαν βέβαια και οι περιπτώσεις όπου τα χαμηλά ποσοστά οπλισμού οφειλόταν κυρίως στη μη εφαρμογή της μελέτης από τους εργολάβους, για καθαρά κερδοσκοπικούς λόγους. 3) Ανεπαρκείς λεπτομέρειες κατασκευαστικής όπλισης, κυρίως σε ότι είχε να κάνει με τον εγκάρσιο οπλισμό. 4) Χαμηλές αντοχές σκυροδέματος, καθώς επίσης και ανομοιομορφία στην κατανομή της ποιότητας του σκυροδέματος στα διάφορα τμήματα του φορέα, γεγονός που οφειλόταν κυρίως στην επιτόπου παρασκευή και μεταφορά του σκυροδέματος και στην απουσία ποιοτικών ελέγχων. 5) Χαμηλές αντοχές χάλυβα, με ευρεία χρήση λείου οπλισμού με άγκιστρα 6) Φτωχές αγκυρώσεις διαμήκους οπλισμού και ανεπαρκή μήκη αλληλοκάλυψης (ματίσεις οπλισμών) που πολλές φορές γινόταν εντός κρίσιμων περιοχών. 7) Ελαφρώς οπλισμένοι ή και σε πολλές περιπτώσεις τελείως άοπλοι κόμβοι δοκών υποστυλωμάτων, στοιχείο που δημιουργούσε τοπικά σημεία αδυναμίας στις θέσεις σύνδεσης των διαφόρων δομικών μελών μεταξύ τους. 8) Διαστασιολόγηση με βάση τις επιτρεπόμενες τάσεις και απουσία ικανοτικού σχεδιασμού δοκών υποστυλωμάτων σε κάμψη και διάτμηση 9) Τήρηση μικρών επικαλύψεων με συνέπεια την έντονη ενανθράκωση του σκυροδέματος και διάβρωση των οπλισμών. 10) Ανεπαρκέστατοι οπλισμοί τοιχωμάτων δυσκαμψίας κυρίως λόγω εσφαλμένων παραδοχών υπολογισμού (πάκτωση στη βάση άρθρωση στην κορυφή μοντ. μονωρόφ.). 11) Απουσία περισφιγμένων κρυφουποστυλωμάτων στα άκρα τοιχωμάτων Τα μέχρι τώρα διαθέσιμα πειραματικά αποτελέσματα μελών οπλισμένου σκυροδέματος χωρίς κατασκευαστικές διατάξεις για αντισεισμικότητα είναι ελάχιστα τον αριθμό. Στο μεγαλύτερο ποσοστό αυτού του μικρού κατά τα άλλα αριθμού πειραμάτων έχει εφαρμοσθεί μονοτονική φόρτιση, ενώ πολύ μικρός είναι ο αριθμός εκείνων στα οποία η φόρτιση που εφαρμόστηκε ήταν ανακυκλιζόμενη (fib 2003). Από τα πειράματα αυτά προκύπτει ότι η υιοθέτηση ιδιοτήτων που προκύπτουν από τα αποτελέσματα των μονοτονικών φορτίσεων οδηγεί σε μία σημαντική υπερεκτίμηση της αναμενόμενης συμπεριφοράς αυτών των δομικών στοιχείων, και οδηγεί σε εσφαλμένα αποτελέσματα κατά τη φάση της αποτίμησης. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι αγνοείται η ανακύκλιση

19 8 του φορτίου. Με την ουσιαστική απουσία περίσφιξης (συχνά Φ6/20 ή και Φ6/30) τόσο η αντοχή όσο και η παραμορφωσιμότητα αυτών των μελών μειώνεται δραματικά με τις εναλλαγές του προσήμου της φόρτισης. Καταπονήσεις όπως διαγώνιος εφελκυσμός, και αστοχίες όπως λυγισμός ράβδων κ.λ.π επιταχύνονται με αποτέλεσμα την πρόωρη ψαθυρή αστοχία του μέλους. Η ποσοτικοποίηση της πραγματικής αντοχής και ικανότητας παραμόρφωσης τέτοιων δομικών στοιχείων είναι αρκετά πολύπλοκη. Περιγράφοντας την πιθανή συμπεριφορά τέτοιων πλαισιακών φορέων παλαιού τύπου υπό σεισμικά φορτία, μέσα από τη γενική μορφή μιας καμπύλης οριζοντίων δυνάμεων - μετατόπισης, θα μπορούσαμε να δώσουμε το παρακάτω σχήμα (NZSEE 2006). Σημειώνεται ότι, τέτοιες καμπύλες λαμβάνονται από στατικές αναλύσεις πλευρικής οριακής ώθησης, οι οποίες περιγράφονται σε επόμενα κεφάλαια. Σχήμα Καμπύλες δύναμης μετατόπισης πλαισιακών φορέων Ο.Σ (NZSEE 2006) Κάθε καμπύλη Σχ. (2.1) αντιστοιχεί και σε ένα μηχανισμό αστοχίας του πλαισίου. Περιγράφοντας εν συντομία τον κάθε τύπο ξεχωριστά έχουμε: 1) Πρόωρη αστοχία υποστυλωμάτων, λόγω λυγισμού των ράβδων στη θλιβόμενη ζώνη 2) Πρόωρη διατμητική αστοχία υποστυλωμάτων, προτού αναπτυχθεί κάποιος γενικός μηχανισμός 3) Πλαστικός μηχανισμός υποστυλωμάτων (Column sidesway mechanism) 3a) Μικρή διαθέσιμη πλαστιμότητα κτιρίου, λόγω διατμητικών αστοχιών σε

20 9 υποστυλώματα 3β) Κτίριο με μεγάλη πλαστιμότητα μετακινήσεων ικανοποιητική διατμητική αντοχή 4) Πλαστικός μηχανισμός δοκών (Beam sidesway mechanism) 4a) Μικρή διαθέσιμη πλαστιμότητα κτιρίου, λόγω διατμητικών αστοχιών σε δοκούς 4β) Κτίριο με μεγάλη πλαστιμότητα μετακινήσεων Ωστόσο τονίζεται πως οι περιπτώσεις 3β) και 4β) που αντιστοιχούν σε κτίρια με μεγάλη ή ικανοποιητική πλαστιμότητα, δύσκολα συναντώνται σε παλαιού τύπου κατασκευές, καθ ότι όπως περιγράφεται παρακάτω η έννοια της πλαστιμότητας ήταν άγνωστη στους μηχανικούς εκείνης της περιόδου. 2.3 ΠΛΑΣΤΙΜΟΤΗΤΑ - ΜΙΑ ΑΓΝΩΣΤΗ ΕΝΝΟΙΑ ΓΙΑ ΤΑ ΤΟΤΕ ΔΕΔΟΜΕΝΑ Ο όρος πλαστιμότητα χρησιμοποιείται για τον χαρακτηρισμό της ικανότητας μιας κατασκευής, στοιχείου κατασκευής ή υλικού να υποστεί πλαστικές παραμορφώσεις σε μικρό ή μεγάλο βαθμό, χωρίς απώλεια ή μείωση της φέρουσας ικανότητας (Αναγνωστόπουλος 1984). Υλικά με μικρή ή μηδενική πλαστιμότητα είναι γνωστά σαν ψαθυρά υλικά (άοπλο σκυρόδεμα) ενώ υλικά με μεγάλη πλαστιμότητα είναι γνωστά σαν όλκιμα (χάλυβας). Η σημασία της πλαστιμότητας για τις αντισεισμικές κατασκευές είναι μεγάλη διότι αποτελεί έναν από τους κύριους παράγοντες από τους οποίους θα εξαρτηθεί αν μια κατασκευή θα αποφύγει την κατάρρευση σε περίπτωση ενός ισχυρού σεισμού. Και τούτο γιατί οι σεισμικοί συντελεστές που καθορίζονται από τους διάφορους κανονισμούς έχουν προσδιορισθεί με την προϋπόθεση πως ένα μέρος της σεισμικής ενέργειας θα εξουδετερωθεί σαν έργο πλαστικής παραμόρφωσης της κατασκευής, δηλαδή πως η κατασκευή θα μπει στην ανελαστική περιοχή. Έτσι αν μια κατασκευή δεν έχει πλαστιμότητα είναι άκρως επικίνδυνη, έστω και αν οι μέγιστες τάσεις από τα φορτία λειτουργίας και τα σεισμικά είναι αρκετά μικρότερες από τις επιτρεπόμενες τάσεις. Δηλαδή η ικανοποίηση σε όλες τις διατομές μιας κατασκευής της συνθήκης σ max <σ επ, όπου σ max περιλαμβάνει και τάσεις από σεισμό, δεν επαρκεί για να εξασφαλίσει την ασφάλεια της κατασκευής ακόμα και για το σεισμό σχεδιασμού. Και τούτο διότι λόγω αβεβαιοτήτων στις μελλοντικές σεισμικές δράσεις και

21 10 στις ιδιότητες των υλικών, της κατασκευής κ.λ.π, υπάρχει σημαντική πιθανότητα σ max >σ επ οπότε η υπέρβαση σημαίνει πρακτικά αστοχία, αν δεν υπάρχει πλαστιμότητα. Η πλαστιμότητα μιας κατασκευής δεν είναι εύκολο να υπολογισθεί ή έστω να εκτιμηθεί, γιατί δεν υπάρχουν κατ αρχήν καθιερωμένες μέθοδοι αντισεισμικού υπολογισμού ή αντισεισμικοί κανονισμοί στους οποίους υπεισέρχεται άμεσα σαν ένα φυσικό μέγεθος. Η πλαστιμότητα σε επίπεδο κατασκευής εξασφαλίζεται μέσω της πλάστιμης συμπεριφοράς των δομικών μελών φερόντων στοιχείων από τα οποία εκείνη αποτελείται. Ένα δομικό μέλος λέμε ότι έχει πλάστιμη συμπεριφορά, όταν, για μεν μονοτονική ένταση παρατηρείται αύξηση των παραμορφώσεων χωρίς ουσιαστική μείωση της αντίστασης (αντοχής), για δε ανακυκλιζόμενη ένταση (σεισμική) οι βρόχοι υστέρησης δύναμης παραμόρφωσης είναι περίπου σταθεροί σε πλάτος και σε μέγιστη δύναμη για σταθερό εύρος των κύκλων παραμόρφωσης. Αντιθέτως, σε ένα μέλος που δεν έχει πλάστιμη συμπεριφορά, μετά από δυο ή τρεις κύκλους παρατηρείται απότομη πτώση της αντοχής και της δυσκαμψίας Σχ. (2.2). Σχήμα α) Πλάστιμη Συμπεριφορά - β) Ψαθυρή Συμπεριφορά (Φαρδής 2004) Πρακτικά η πλάστιμη συμπεριφορά ενός μέλους (χαρακτηριστικό πάνω στο οποίο στηρίζονται όλοι οι σύγχρονοι αντισεισμικοί κανονισμοί), εξασφαλίζεται μέσω της αύξησης της πλαστιμότητας των υλικών που συνθέτουν τη διατομή του, και συγκεκριμένα του σκυροδέματος, που είναι από τη φύση του ψαθυρό. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω κατάλληλων κατασκευαστικών λεπτομερειών όπλισης, και συγκεκριμένα μέσω του εγκάρσιου οπλισμού (συνδετήρες) των διατομών (Σχ. 2.3).

22 11 (α) (β) Σχήμα α) Σχεδιασμός προ του β) Σύγχρονος αντισεισμικός σχεδιασμός Σύγχρονα υποστυλώματα με κλειστούς και πυκνούς συνδετήρες (Σχ. 2.3β) που σχηματίζουν μαζί με τις διαμήκεις ράβδους έναν κλωβό με αμετακίνητους κόμβους, αυξάνουν σημαντικά την αντοχή και πλαστιμότητα του σκυροδέματος, μέσω της εγκάρσιας περίσφιξης. Η εικόνα αυτή δεν έχει καμία σχέση με την εικόνα που παρουσιάζουν τα υποστυλώματα κτιρίων παλαιού τύπου, όπου στη συνηθέστερη περίπτωση, τα τσέρκια δεν ξεπερνούσαν το Φ6/20 ή ακόμη και Φ6/30. Ο ελάχιστός αυτός εγκάρσιος οπλισμός σε συνδυασμό με την ανεπαρκή αγκύρωσή του, έχει σαν αποτέλεσμα τη μειωμένη ικανότητα ανάπτυξης εγκάρσιων τάσεων περίσφιξης του σκυροδέματος, και συνεπώς οι αντίστοιχοι στύλοι έχουν εξαιρετικά μειωμένες διατμητικές αντοχές και ανύπαρκτη πλαστιμότητα. Δηλαδή, πρόκειται ουσιαστικά περί ψαθυρών στοιχείων.

23 12 3. ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΤΟΙΧΟΠΛΗΡΩΣΕΩΝ ΣΤΗ ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΚΤΙΡΙΩΝ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στόχος του κεφαλαίου αυτού είναι να παρουσιάσει τη συμπεριφορά κτιρίων οπλισμένου σκυροδέματος, κατά κύριο λόγο πλαισιακού τύπου, με τοιχοπληρώσεις, υπό σεισμικά φορτία. Οι τοιχοπληρωμένοι με χρήση άοπλης οπτοπλινθοδομής για μερική ή ολική κάλυψη των φατνωμάτων φορείς οπλισμένου σκυροδέματος, αποτελούν τον κοινότερο τύπο κτιριακού φορέα στην Ελλάδα και σε πολλές άλλες χώρες. Οι φορείς αυτοί σχεδιάζονται και διαστασιολογούνται γυμνοί, απουσία δηλαδή τοιχοπληρώσεων. Μετά τη σκυροδέτηση χτίζονται οι τοιχοπληρώσεις σύμφωνα με τις αρχιτεκτονικές απαιτήσεις (πλήρης κάλυψη των φατνωμάτων, ή μερική με ανοίγματα). Η έλλειψη προδιαγραφών για τα υλικά και τις ιδιότητές τους καθώς και η απουσία ποιοτικού ελέγχου, έχει ως αποτέλεσμα την τεράστια διασπορά στα μηχανικά χαρακτηριστικά των τοιχοπληρώσεων. Άλλωστε δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι η παρασκευή του κονιάματος γίνεται επί τόπου και οι αναλογίες των υλικών που θα χρησιμοποιηθούν αποφασίζονται συνήθως από τον εκάστοτε τεχνίτη. Έτσι η συμπεριφορά αυτών των στοιχείων χαρακτηρίζεται από μεγάλη αβεβαιότητα και δεν μπορεί εύκολα και με ακρίβεια να εκτιμηθεί. Γι αυτό οι περισσότεροι σύγχρονοι Κανονισμοί αγνοούν τις τοιχοπληρώσεις ως στοιχείο ανάληψης της σεισμικής δράσης, ή ακόμη και τις αντιμετωπίζουν δυσμενώς. Κατά τη συνήθη πρακτική σχεδιασμού οι τοιχοπληρώσεις απουσιάζουν από το προσομοίωμα ανάλυσης ενώ λαμβάνονται υπόψη μόνο ως κατακόρυφα φορτία και μάζες. Παρ ολ αυτά οι τοιχοπληρώσεις αποτελούν στοιχεία με μεγάλη αντοχή και δυσκαμψία μέσα στο επίπεδό τους, και συχνά μπορούν να αναπτύξουν μεγάλη αντίσταση σε οριζόντια φορτία. Η ύπαρξή τους όμως μπορεί να μεταβάλλει έντονα την ομοιόμορφη διασπορά της ανελαστικής συμπεριφοράς σε όλη την έκταση του δομήματος, στην οποία στοχεύει ο σύγχρονος αντισεισμικός σχεδιασμός (Φαρδής 2004), ενώ η ένταση που αναπτύσσεται στον υπόλοιπο φορέα οπλισμένου σκυροδέματος κατά το σεισμό, συχνά απέχει κατά πολύ από εκείνη για την οποία αυτός σχεδιάστηκε και διαστασιολογήθηκε. Ο σημαντικότερος παράγοντας που καθορίζει το αν οι τοιχοπληρώσεις έχουν ευμενή ή δυσμενή επιρροή στη συμπεριφορά απόκριση μιας κατασκευής, είναι η διάταξή τους

24 13 σε κάτοψη, σε τομή, αλλά και μέσα στα φατνώματα οπλισμένου σκυροδέματος. Τοιχοπληρώσεις οι οποίες κατανέμονται ομοιόμορφα κατά μήκος της περιμέτρου του κτιρίου και χωρίς ασυνέχειες καθ ύψος έχουνε γενικά ευνοϊκό ρόλο σε σχέση με την αντίσταση του κτιρίου σε σεισμικά φορτία. Η θετική αυτή επιρροή είναι σημαντική κυρίως για πλαισιακούς φορείς οπλισμένου σκυροδέματος σχεδιασμένους με παλαιότερες αντιλήψεις, αφού αυξάνουν την αντοχή τους υπό οριζόντια φορτία. Εκτός από την αντοχή, αυξάνεται και η συνολική πλευρική δυσκαμψία αυτών των φορέων, με αποτέλεσμα να μειώνονται οι μετακινήσεις λόγω σεισμού, άρα και οι ροπές και τέμνουσες δευτέρας τάξεως φαινόμενα (έντονα σε εύκαμπτες πλαισιακές κατασκευές) τα οποία προκαλούν την τελική κατάρρευση υπό σεισμικά φορτία. Στην πραγματικότητα όμως ελάχιστοι είναι οι πλαισιακοί φορείς με γεωμετρία που να χαρακτηρίζεται από συμμετρίες και τοιχοπληρώσεις ομοιόμορφα κατανεμημένες σε κάτοψη και τομή. Στις περισσότερες των περιπτώσεων τουλάχιστον η διάταξη των τοιχοπληρώσεων, αν όχι και η γεωμετρία του φορέα, για διάφορους λόγους (αρχιτεκτονικούς, γωνιακές οικοδομές κ.α) χαρακτηρίζεται από σημαντική ασυμμετρία και μη κανονικότητα. Τέτοια διάταξη τοιχοπληρώσεων συνήθως οδηγεί σε δυσμενή επιρροή στην απόκριση του φορέα κατά τη σεισμική διέγερση Διατάξεις τοιχοπληρώσεων που επηρεάζουν δυσμενώς την απόκριση του φορέα Ανομοιόμορφη κατανομή των τοιχοπληρώσεων μεταξύ των ορόφων Εξαιρετικά δυσμενής διάταξη είναι εκείνη κατά την οποία οι τοιχοπληρώσεις είναι ανομοιόμορφα κατανεμημένες καθ ύψος, όπως στην περίπτωση του Σχ. (3.1). Τέτοια διάταξη, Pilotis ή ενδιάμεσου μη τοιχοπληρωμένου ορόφου οδηγεί σε περίπτωση ισχυρού σεισμού στην ανάπτυξη μηχανισμού μαλακού ορόφου. Αυτό οφείλεται στο γεγονός Σχήμα Καθ ύψος ανομοιομορφία των τοιχοπληρώσεων

25 14 ότι, η ύπαρξη της τοιχοπλήρωσης σε έναν όροφο συνεισφέρει σημαντικά στη διατμητική αντοχή του ορόφου, εμποδίζει την ανάπτυξη ανελαστικών παραμορφώσεων στο περιμετρικό πλαίσιο, με αποτέλεσμα όλες οι παραμορφώσεις που αναπτύσσει η κατασκευή να συγκεντρώνονται στον μη τοιχοπληρωμένο όροφο, που είναι και ο πιο εύκαμπτος όλων. Ουσιαστικά έχουμε δημιουργία μηχανισμού με πλαστικές αρθρώσεις στην κορυφή και τη βάση όλων των υποστυλωμάτων του γυμνού ορόφου και συγκέντρωση εκεί όλων των μετακινήσεων της κατασκευής. Επακόλουθο αυτών των μετακινήσεων είναι η εμφάνιση φαινομένων δευτέρας τάξεως ενώ τα υποστυλώματα είναι ανίκανα πλέον να φέρουν κατακόρυφα φορτία. Ελάχιστες ζημιές μπορεί να εμφανιστούν και στον αμέσως επόμενο τοιχοπληρωμένο όροφο. Η εμπειρία από τις καταρρεύσεις σε πρόσφατους αλλά και παλαιότερους σεισμούς καθιστά σαφές ότι κατασκευές και ιδιαίτερα οι πολυκατοικίες οπλισμένου σκυροδέματος σε πιλοτή είναι τα πλέον ευάλωτα και τρωτά δομικά συστήματα. Η συμπεριφορά τους σε έναν ισχυρό σεισμό είναι λίγο πολύ προδιαγεγραμμένη. Αξίζει επίσης να τονισθεί ότι η εμφάνιση μηχανισμού μαλακού ορόφου δεν προϋποθέτει υποχρεωτικά απουσία τοιχοπληρώσεων από τον εν λόγω όροφο. Δεν είναι λίγες οι περιπτώσεις όπου μερικώς ή και πλήρως τοιχοπληρωμένα ισόγεια γρήγορα μετατράπηκαν σε Pilotis λόγω πρόωρης πλήρους αστοχίας των τοιχοπληρώσεων και οδήγησαν σε κατάρρευση του κτιρίου. Αποκορύφωμα αποτελεί η περίπτωση του σεισμού του Kocaeli Τουρκίας 1999 στην οποία το μεγαλύτερο ποσοστό καταρρεύσεων ήταν πολυκατοικίες Pilotis ή και πλήρως τοιχοπληρωμένες που γρήγορα εμφάνισαν μαλακό όροφο στο ισόγειο και κατέρρευσαν. Στο Σχ. (3.2) που ακολουθεί παρουσιάζεται ένας τυπικός βρόχος υστέρησης κτιρίου με πιλοτή. Το διάγραμμα δίδεται σε όρους τέμνουσας βάσης μετατόπισης της οροφής του ισογείου, και προέκυψε από ψευδοδυναμικό πείραμα τριώροφου κτιρίου από οπλισμένο σκυρόδεμα (Fardis et al. 1999). Είναι φανερό ότι μετά τους τρεις πρώτους κύκλους φόρτισης αποφόρτισης επέρχεται σημαντική μείωση της πλευρικής δυσκαμψίας του κτιρίου (που εν προκειμένω κυριαρχείται αποκλειστικά από την οριζόντια δυσκαμψία της πιλοτής) καθώς και μείωση της μέγιστης τέμνουσας βάσης. Ωστόσο αξίζει σε αυτό το σημείο να τονισθεί ότι το συγκεκριμένο κτίριο κατασκευάστηκε με σκυρόδεμα κατηγορίας C25/30 και χάλυβα S500 για μέση κατηγορία

26 15 πλαστιμότητας (DCM) κατά τον Ευρωκώδικα 8. Οι δε αστοχίες των υποστυλωμάτων του ισογείου ήταν καθαρά καμπτικές. Σχήμα 3.2 -Τέμνουσα βάσης μετατόπιση ισογείου από πείραμα σε τριώροφο κτίριο τύπου Pilotis (Fardis et. al. 1999a) Εύλογα λοιπόν κανείς μπορεί να συμπεράνει πως η συμπεριφορά ενός κτιρίου σε πιλοτή με ιδιότητες και χαρακτηριστικά δομικών μελών όπως αυτά παλαιού τύπου που περιγράφονται στο Κεφ.2 θα ήταν πολύ χειρότερη. Ποιο συγκεκριμένα η μειωμένη διατμητική αντοχή και η ανύπαρκτη πλαστιμότητα τέτοιων μελών θα οδηγούσε σε ψαθυρές παρά πλάστιμες καμπτικές αστοχίες. Η αντίστοιχη καμπύλη ενός κτιρίου παλαιού τύπου θα χαρακτηριζόταν από εντονότερη, μάλλον απότομη, απομείωση δυσκαμψίας και αντοχής οδηγώντας πρόωρα στην αστοχία της κατασκευής. Σημειώνεται επίσης ότι η αδυναμία του προσομοιώματος ανάλυσης (διακεκομμένη γραμμή) να προσεγγίσει την καμπύλη συμπεριφοράς του κτιρίου, οφείλεται κατά το συγγραφέα στο γεγονός ότι το μοντέλο πλαστικών αρθρώσεων που χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση, δεν υποστήριζε μείωση αντοχής και δυσκαμψίας κατά την ανακύκληση Ασύμμετρη διάταξη των τοιχοπληρώσεων σε κάτοψη Όταν η κατανομή των τοιχοπληρώσεων σε κάτοψη είναι έντονα ανομοιόμορφη, δημιουργούνται ασυμμετρίες που οδηγούν σε εκκεντρότητα μεταξύ του κέντρου μάζας και του ενεργού κέντρου δυσκαμψίας (αυτού δηλαδή που λαμβάνει υπόψη και την ενεργό δυσκαμψία των τοιχοπληρώσεων), με αποτέλεσμα να αναπτύσσεται στρέψη περί τον κατακόρυφο άξονα, όταν αυτή υποβάλλεται σε σεισμικά φορτία. Ιδιαίτερα έντονο είναι το

27 16 πρόβλημα σε κτίρια που έχουν τοιχοπληρώσεις σε δυο συνεχόμενες πλευρές (π.χ γωνιακά κτίρια) και καθόλου τοιχοπληρώσεις ή τοιχοπληρώσεις με μεγάλα ανοίγματα στις απέναντι πλευρές. Η εκκεντρότητα αυτή συνεπάγεται στρεπτική απόκριση που επιβαρύνει τα στοιχεία του δομικού συστήματος στην πλευρά της κάτοψης με τις λιγότερες τοιχοπληρώσεις. Έχει όμως διαπιστωθεί ότι, επειδή οι έκκεντρες τοιχοπληρώσεις συμβάλλουν στη συνολική αντοχή και δυσκαμψία και στις δυο οριζόντιες διευθύνσεις, η ένταση και οι σεισμικές μετακινήσεις και παραμορφώσεις των δομικών στοιχείων στο τμήμα της κάτοψης με τις λιγότερες τοιχοπληρώσεις, δεν ξεπερνούν κατά κανόνα αυτές που θα αναπτύσσονταν στο γυμνό δομικό σύστημα από την ίδια σεισμική δράση (Fardis et al. 1999b). Έτσι, ο αντισεισμικός σχεδιασμός του δομικού συστήματος σα να μην υπήρχαν οι τοιχοπληρώσεις, αρκεί γενικά για την ασφάλειά του στην περίπτωση έκκεντρων τοιχοπληρώσεων Διακοπή των τοιχοπληρώσεων καθ ύψος εντός του ορόφου Μια επίσης δυσμενής διάταξη των τοιχοπληρώσεων ακόμη και αν αυτές είναι ομοιόμορφα κατανεμημένες στην περίμετρο της κατασκευής, δημιουργείται όταν διακόπτονται καθ ύψος εντός του Σχήμα Διακοπή των τοιχοπληρώσεων ορόφου π.χ στη στάθμη της ποδιάς καθ ύψος εντός του ορόφου παραθύρων σε όλο το μήκος του φατνώματος, ή σε ψηλότερη στάθμη για λόγους φωτισμού. Αποτέλεσμα της διακοπής αυτής είναι η δημιουργία κοντών υποστυλωμάτων Σχ. (3.3). Τα κοντά υποστυλώματα είναι δύσκαμπτα στοιχεία που κατά τη σεισμική διέγερση της κατασκευής, και ειδικά όταν αυτά βρίσκονται στον κατώτατο όροφο όπου αναπτύσσεται η μέγιστη σεισμική τέμνουσα, αστοχούν διατμητικά (ψαθυρά) αναπτύσσοντας διαγώνιες ρωγμές.

28 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΑΣΤΟΧΙΑΣ ΤΟΙΧΟΠΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ Η συμπεριφορά τοιχοπληρωμένων πλαισίων οπλισμένου σκυροδέματος αλλά και μεταλλικών τοιχοπληρωμένων πλαισίων έχει αποτελέσει αντικείμενο πειραματικής μελέτης πολλών ερευνητών. Τέλη της δεκαετίας του 60 οι (Fiorato et al 1970) μελέτησαν τη συμπεριφορά μη πλάστιμων πλαισίων οπλισμένου σκυροδέματος με τοιχοπληρώσεις από κοινό τούβλο υπό μονοτονική αλλά και ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Παρόμοια πειράματα συνεχίστηκαν από τους (Klinger and Bertero 1976), (Bertero and Brokken 1983), (Zarnic and Tomazevic 1985), (Schmid 1989), (Mehrabi et al. 1996), (Zarnic and Gostic 2001), (Colangelo 2005) και αρκετούς άλλους ερευνητές. Όλες οι εργασίες των ερευνητών που αναφέρθηκαν παραπάνω καταδεικνύουν ότι, η συνολική συμπεριφορά ενός τοιχοπληρωμένου πλαισίου εξαρτάται άμεσα από τον τρόπο αλληλεπίδρασης πλαισίου τοιχοπλήρωσης. Στις περισσότερες περιπτώσεις η συνολική πλευρική αντίσταση του συστήματος δεν μπορεί να αναλυθεί ως άθροισμα των δυο επιμέρους (πλαισίου και τοιχοπλήρωσης) και αυτό γιατί ο τρόπος με τον οποίο αυτά τα δυο αλληλεπιδρούν μπορεί να μεταβάλλει σημαντικά το μηχανισμό αντίστασης που αναπτύσσει το καθένα ξεχωριστά. Για χαμηλά επίπεδα πλευρικής φόρτισης ένα τοιχοπληρωμένο πλαίσιο συμπεριφέρεται μονολιθικά, σαν σύνολο, όπου πλαίσιο και τοιχοπλήρωση αντιστέκονται ταυτόχρονα. Με την αύξηση του πλευρικού φορτίου παρατηρείται σταδιακή αποκόλληση της τοιχοπλήρωσης από το περιμετρικό πλαίσιο στις δυο απέναντι γωνίες (κάτω αριστερά και πάνω δεξιά αν πρόκειται για φόρτιση με κατεύθυνση από αριστερά προς τα δεξιά) και μηχανισμός θλιβόμενης διαγωνίου αναπτύσσεται ανάμεσα στις δύο γωνίες που παραμένουν σε επαφή με το πλαίσιο (πάνω αριστερά και κάτω δεξιά). Ωστόσο αυτός ο μηχανισμός, αν και επικρατέστερος στα περισσότερα πειράματα, δεν είναι ο μοναδικός που έχει παρατηρηθεί. Ο κύριος μηχανισμός αντίστασης και αστοχίας εξαρτάται από πολλές παραμέτρους, με σημαντικότερες τη σχετική δυσκαμψία και αντοχή πλαισίου - τοιχοπλήρωσης, καθώς επίσης και τον τρόπο όπλισης του περιμετρικού πλαισίου. Στη συνέχεια στο Σχ. (3.4) παρουσιάζονται και περιγράφονται οι κυριότεροι μηχανισμοί αστοχίας που έχουν παρατηρηθεί στις διάφορες πειραματικές εργασίες πάνω σε τοιχοπληρωμένα πλαίσια οπλισμένου σκυροδέματος.

29 18 Διευθυνση πλευρικής φόρτισης B1 C1 C7 E1 A Καπτική Αστοχία Β Ρωγµή στο µέσο του ύψους B2 C2 C8 C Διαγώνια ρωγµή D Οριζόντια ολίσθηση σε αρµό E2 Ε Αστοχία στις γωνίες της τοιχοπλήρωσης B3 C3 D1 E3 Πλαστική Άρθρωση Διαγώνια ρωγµή στο σκυρόδεµα Ρωγµή στην τοιχοπλήρωση Ολίσθηση σε αρµό A1 B4 C4 D2 E4 Αστοχία B5 C5 D3 E5 B6 C6 D4 E6 Σχήμα Μηχανισμοί αστοχίας τοιχοπληρωμένων πλαισίων (Shing 2002) Ο μηχανισμός αστοχίας (Α) είναι ένας καθαρά καμπτικός τρόπος αστοχίας στη βάση πλαισίου τοιχοπλήρωσης, όπου αναπτύσσεται εφελκυσμός στο ένα και θλίψη στο άλλο άκρο. Τέτοιος μηχανισμός εμφανίζεται σπάνια και αναπτύσσεται σε χαμηλά επίπεδα φόρτισης όπου δεν υφίσταται διαχωρισμός πλαισίου τοιχοπλήρωσης. Παρουσιάζεται κυρίως σε πλαίσια μεγάλου ύψους (λυγηρά πλαίσια) με χαμηλό ποσοστό διαμήκους οπλισμού στα υποστυλώματα. Το χαμηλό αυτό ποσοστό οδηγεί στην πρόωρη διαρροή του διαμήκους οπλισμού των υποστυλωμάτων που βρίσκονται στην πλευρά της φόρτισης. Τονίζεται πάντως ότι, στις περισσότερες των περιπτώσεων και για συνήθη επίπεδα φόρτισης, παρουσιάζεται αποκόλληση της τοιχοπλήρωσης από το πλαίσιο. Ο δεύτερος μηχανισμός (Β) αστοχίας χαρακτηρίζεται από μια οριζόντια ρωγμή στην τοιχοπλήρωση η οποία συνήθως εμφανίζεται στη θέση ενός αρμού. Ο μηχανισμός αυτός οδηγεί στην εμφάνιση κοντών υποστυλωμάτων. Πλαστικές αρθρώσεις δημιουργούνται στα υποστυλώματα, ενώ συνηθισμένη είναι η περίπτωση κατά την οποία τα υποστυλώματα αστοχούν διατμητικά αναπτύσσοντας διαγώνιες ρωγμές. Στον τρίτο μηχανισμό (C) αναπτύσσεται στην τοιχοπλήρωση μια διαγώνια ρωγμή η οποία ξεκινάει από τη γωνία που ασκείται το φορτίο, καταλήγει στην απέναντι γωνία, ενώ

30 19 ταυτόχρονα μπορεί να συνοδεύεται και από ολίσθηση σε ενδιάμεσο αρμό. Στην περίπτωση αυτή η τοιχοπλήρωση λειτουργεί σαν θλιβόμενη διαγώνιος η οποία συνήθως οδηγεί σε ψαθυρή αστοχία των γωνιών του τοίχου και ανάπτυξη πλαστικών αρθρώσεων ή διατμητικών ρωγμών (διατμητικές αστοχίες) στα μέλη οπλισμένου σκυροδέματος. Ο μηχανισμός (D) είναι η περίπτωση κατά την οποία αναπτύσσονται ρωγμές οριζόντιες στους περισσότερους, αν όχι σε όλους, τους αρμούς της τοιχοπλήρωσης. Αυτό συμβαίνει στην περίπτωση που το κονίαμα που έχει χρησιμοποιηθεί έχει πάρα πολύ μικρή διατμητική αντοχή. Με την προϋπόθεση ότι τα υποστυλώματα δεν θα αστοχήσουν διατμητικά, ο μηχανισμός αυτός μπορεί να οδηγήσει σε μια πλάστιμη συμπεριφορά του πλαισίου συνολικά, με υψηλά ποσοστά απόσβεσης σε δυναμική απόκριση. Ο πέμπτος μηχανισμός (E) αστοχίας αποτελεί και αυτός περίπτωση θλιβομένης διαγωνίου κατά την οποία όμως αναπτύσσονται δύο παράλληλες διαγώνιες ρωγμές στον τοίχο. Συχνά ο μηχανισμός αυτός συνοδεύεται από αστοχία στις γωνίες (άκρα της θλιβόμενης διαγωνίου) ενώ έχουν παρατηρηθεί και περιπτώσεις όπου ταυτόχρονα υπήρξαν αστοχίες και στο κέντρο του φατνώματος. 3.3 ΕΚΤΟΣ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΑΣΤΟΧΙΑ ΤΩΝ ΤΟΙΧΟΠΛΗΡΩΣΕΩΝ Πέραν των όσων αναφέρθηκαν παραπάνω, σημαντική είναι και η περίπτωση κατά την οποία μια τοιχοπλήρωση μπορεί να αστοχήσει σε διεύθυνση εκτός του επιπέδου της. Μια τέτοια αστοχία θέτει σε σημαντικό κίνδυνο την ασφάλεια των ανθρώπων και μπορεί να προκαλέσει σοβαρές ζημιές σε αντικείμενα. Στην ακραία δε περίπτωση όπου ολόκληρο το σώμα της τοιχοπλήρωσης αποκολληθεί και πέσει πλευρικά είτε προς το εσωτερικό είτε προς το εξωτερικό του κτιρίου, οι ζημιές που θα προκληθούν λόγω του βάρους της θα είναι μεγάλες. Ο μηχανισμός που αναπτύσσεται και συγκρατεί μια τέτοια διάταξη εντός του πλαισίου που την περιβάλλει καλείται μηχανισμός τόξου. Πρακτικά, όσο καλύτερα σφηνωμένη είναι μία τοιχοπλήρωση στο περιμετρικό πλαίσιο Ο.Σ, τόσο αποτελεσματικότερος είναι αυτός ο μηχανισμός αντίστασης. Κύρια παράμετρος που καθορίζει επίσης την εκτός η όχι επιπέδου αστοχία, είναι η λυγηρότητα (slenderness) λ της τοιχοπλήρωσης η οποία ορίζεται ως ο λόγος του μήκους ή του ύψους του φατνώματος (όποιο είναι μεγαλύτερο) προς το πάχος της τοιχοπλήρωσης.

31 20 Με την αύξηση των διαστάσεων του φατνώματος αυξάνεται η λυγηρότητα και η τοιχοπλήρωση γίνεται πιο εύκαμπτη και πιο ευάλωτη σε φορτία εκτός του επιπέδου της. Ωστόσο πείραμα τοιχοπληρωμένης κατασκευής σε σεισμική τράπεζα (Fardis et al. 1999b) έδειξε ότι, τοιχοπληρώσεις με μεγάλη λυγηρότητα (λ=30) αποκρίθηκαν χωρίς βλάβες σε επιταχύνσεις που έφταναν τα 1.3 με 1.7g. Βεβαίως, αυτό δε σημαίνει ότι ανάλογη θα είναι και η συμπεριφορά συνήθων τοιχοπληρώσεων τυπικών Ελληνικών κτιρίων ιδίως εκείνων που αποτελούνται από δυο ανεξάρτητους δρομικούς τύπου με ενδιάμεσο κενό για θερμομόνωση. 3.4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΙΧΟΠΛΗΡΩΣΕΩΝ - ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ Από τα παραπάνω γίνεται σαφές ότι η συμπεριφορά των τοιχοπληρώσεων και η αλληλεπίδρασή τους με τον υπόλοιπο φορέα οπλισμένου σκυροδέματος είναι αρκετά πολύπλοκη. Η απόκρισή τους είναι απρόβλεπτη και κανείς δε μπορεί να εξασφαλίσει ότι η αστοχία τους θα γίνει κατά τον ένα ή τον άλλο τρόπο βλέπε Σχ. (3.4). Ως εκ τούτου εγείρονται ερωτήματα για το ποιος είναι ο καταλληλότερος τρόπος προσομοίωσης τέτοιων στοιχείων ή ακόμη και αν υπάρχει τρόπος που να λαμβάνει υπόψη του όλες τις πιθανές περιπτώσεις αστοχίας των τοιχοπληρώσεων προβλέποντας ταυτόχρονα και τη συμπεριφορά του περιβάλλοντος πλαισίου. Τα μέχρι τώρα προταθέντα προσομοιώματα βασίζονται πάνω στην ιδέα υποκατάστασης της τοιχοπλήρωσης με δυο αμφιαρθρωτές ράβδους (μία για κάθε διεύθυνση οριζόντιας φόρτισης) που λειτουργούν μόνο σε θλίψη Σχ.(3.5), έτσι ώστε να λαμβάνονται υπόψη δυο βασικά χαρακτηριστικά που είναι πρώτον η αντίσταση που αναπτύσσει το σώμα της τοιχοπλήρωσης στην οριζόντια μετακίνηση του πλαισίου και δεύτερον η αύξηση της αντοχής του συστήματος συνολικά. Η ιδέα αυτή έχει τις βάσεις της στη δεκαετία του 60, όταν και πραγματοποιήθηκαν τα πρώτα πειράματα.