Αποτίµηση και Επεµβάσεις σε Υφιστάµενες Κατασκευές µε Βάση ΕΚ8 και τον ΚΑΝ.ΕΠΕ.

Transcript

1 ΤΕΧΝΙΚΟ ΕΠΙΜΕΛΗΤΗΡΙΟ ΕΛΛΑ ΑΣ ΣΥΛΛΟΓΟΣ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΛΛΑ ΑΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΣ ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΟΥ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Αποτίµηση και Επεµβάσεις σε Υφιστάµενες Κατασκευές µε Βάση ΕΚ8 και τον ΚΑΝ.ΕΠΕ. Τηλέµαχος Β. Παναγιωτάκος Δρ Πολιτικός Μηχανικός Σχεδιασµός Κτηρίων Σκυροδέµατος µε βάση τους Ευρωκώδικες 2 &8 19 Μαρτίου 2011, Ξενοδοχείο LUSY, Καβάλα

2 ιάρθρωση Παρουσίασης Σεισµική Τρωτότητα Υφιστάµενων Κατασκευών Αποτίµηση & Ανασχεδιασµός Κανονιστικό Πλαίσιο Στάθµες Επιτελεστικότητας Σεισµικές ράσεις Έλεγχος Ασφαλείας Ανάλυση Σεισµικής Απόκρισης Εφαρµογή

3 Σεισµική Τρωτότητα Υφισταµένων Κατασκευών στην Ελλάδα Υφιστάµενες κατασκευές: Πάνω από το 70% του δοµικού πλούτου της χώρας Κατά πλειοψηφία κατασκευές Ο/Σ Απουσία σχεδιασµού έναντι σεισµού οµικό σύστηµα τέτοιο που καθιστά τη σεισµική τους συµπεριφορά πιο δυσµενή Χαµηλή πλαστιµότητα

4 Σεισµική Τρωτότητα Υφισταµένων Κατασκευών στην Ελλάδα Προ 1984 Σχεδιασµός για κατακόρυφα φορτία Χωρίς σαφές σύστηµα ανάληψης οριζοντίων φορτίων Υψηλή σεισµική τρωτότητα Μεταξύ Αναβάθµιση αντισεισµικής προστασίας (ικανοτικός σχεδιασµός, λεπτοµέρειες όπλισης, περίσφιγξη, κατασκευαστική διαµόρφωση) Είσοδος Η/Υ στη συνήθη µελετητική πρακτική Πολύ µικρότερη σεισµική τρωτότητα Μετά 1995 Εξαιρετική βελτίωση αντισεισµικής προστασίας Αύξηση κόστους, αλλά και αυξηµένο επίπεδο ασφάλειας

5 Αποτίµηση & Ανασχεδιασµός Έλεγχος επάρκειας της κατασκευής έναντι µιας στάθµης σεισµικής δράσης. Πρώτο στάδιο ανασχεδιασµού: Αποτίµηση επάρκειας κατασκευής εύτερο στάδιο ανασχεδιασµού: Λήψη αποφάσεων επέµβασης - Επιλογή λύσης Τρίτο στάδιο ανασχεδιασµού: Σχεδιασµός λύσης & Έλεγχος επάρκειας ενισχυµένης κατασκευής υσχέρειες αποτίµησης: υσκολότερο τεχνικό πρόβληµα από το σχεδιασµό νέων κατασκευών Μεγαλύτερο κόστος από το σχεδιασµό νέων κατασκευών Έλλειψη επαρκούς εµπειρίας

6 Κανονιστικό Πλαίσιο Ευρωκώδικας 8 Μέρος 3: Το µόνο µέρος από τους 60 περίπου Ευρωκώδικες το οποίο αφορά υφιστάµενες κατασκευές Ο πρώτος κανονισµός αποτίµησης κατασκευών στην Ευρώπη Έλλειψη εµπειρίας εφαρµογής αντίστοιχου κανονισµού Ο EC8-3 ενδέχεται να χρειαστεί αναθεωρήσεις για να προάγει την εφαρµοσιµότητά του στην πράξη

7 Κανονιστικό Πλαίσιο οµή Ευρωκώδικα 8 Μέρος 3: Κανονιστικό µέρος: Γενικοί κανόνες για: Απαιτήσεις & κριτήρια σεισµικής συµπεριφοράς (Στάθµες Επιτελεστικότητας) Μέθοδοι ανάλυσης & συνθήκες εφαρµοσιµότητας ιατύπωση των ελέγχων ασφάλειας Πληροφορίες για την αποτίµηση & επιπτώσεις, κλπ. Αντιµετώπιση όλων των υλικών δόµησης: Σε 3 Πληροφοριακά Παραρτήµατα: Κατασκευές από σκυρόδεµα Μεταλλικές ή Σύµµεικτες κατασκευές Κτίρια από Τοιχοποιία

8 Κανονιστικό Πλαίσιο ΚΑΝονισµός ΕΠΕµβάσεων (ΚΑΝΕΠΕ): Ο ΟΑΣΠ ανέθεσε στα τέλη του 2000 τη σύνταξη του Κανονισµού σε οµάδα ειδικών Το τελικό σχέδιο του Κανονισµού ολοκληρώθηκε και έχει τεθεί στη διάθεση των µηχανικών από το Σεπτέµβριου του 2010 Ο ΚΑΝΕΠΕ θα αποτελέσει συµπληρωµατικό και µη αντικρουόµενο κείµενο προς τον ΕΝ1998-3

9 Νέα Στοιχεία Στάθµες και Στόχοι Επιτελεστικότητας Στάθµες Αξιοπιστίας εδοµένων Κύρια και ευτερεύοντα Στοιχεία Συνυπολογισµός Τοιχοπληρώσεων Γραµµική ανάλυση µε χρήση τοπικών δεικτών πλαστιµότητας Μη-Γραµµικές Αναλύσεις Έλεγχοι σε όρους δυνάµεων και παραµορφώσεων Υπολογιστικά εργαλεία-σχέσεις αποτίµησης αντοχής Σχεδιασµός Επεµβάσεων

10 Στάθµες Επιτελεστικότητας Αποτίµηση και Ενίσχυση για διάφορα Επίπεδα Συµπεριφοράς ( Οριακές Καταστάσεις ) & διάφορα επίπεδα Σεισµικού Κινδύνου Αφορά: Βλάβες ιακινδύνευση ζωής των ενοίκων Λειτουργικότητα µετά το σεισµό ιαφορετική για φέροντα και µη φέροντα στοιχεία Εξυπηρετεί κοινωνικά και οικονοµικά κριτήρια

11 Στάθµες Επιτελεστικότητας Εισάγονται τρεις στάθµες σε αντίστοιχους σεισµούς: Ευρωκώδικας 8-Μέρος 3: Περιορισµός Βλαβών (: Άµεση Χρήση µετά το σεισµό) Σηµαντικές Βλάβες (: Προστασία Ζωής & περιουσίας) Οιονεί Κατάρρευση ΚΑΝΕΠΕ: Σχεδόν πλήρης λειτουργικότητα στο σεισµό Προστασία ζωής και περιουσίας των ενοίκων Αποφυγή οιονεί κατάρρευσης

12 Σεισµικές ράσεις Νέες κατασκευές: Περιορισµός βλαβών Συχνός σεισµός (225 χρόνια) Σηµαντικές βλάβες Σεισµός σχεδιασµού (475 χρόνια) Οιονεί κατάρρευση Πολύ σπάνιος σεισµός (2475 χρόνια) ΚΑΝΕΠΕ: Πιθανότητα υπέρβασης 50% στα 50 χρόνια Ηπιότερες Επεµβάσεις Πιθανότητα υπέρβασης 10% στα 50 χρόνια (475 χρόνια) υνατότητα χρήσης συντελεστή σπουδαιότητας γ i Οι στόχοι ορίζονται από τη ηµόσια Αρχή Ο κύριος του έργου µπορεί να θέσει υψολότερους στόχους

13 Στάθµες Επιτελεστικότητας και Συµπεριφορά Κατασκευής

14 Έλεγχος Ασφαλείας Σύγκριση της «απαίτησης» S d µε την «ικανότητα» R d, σε όρους δυνάµεων ή παραµορφώσεων S < R d d «απαίτηση» S d από ανάλυση «ικανότητα» ή «αντίσταση» R d από αναλυτικές σχέσεις Εισαγωγή συντελεστών ασφαλείας για: Ιδιότητες υλικών Στάθµη Αξιοπιστίας εδοµένων Ύπαρξη ή όχι βλαβών Αξιοπιστία προσοµοιωµάτων Ανάλυση µε πιθανές τιµές ιδιοτήτων υλικών (µέσες τιµές)

15 Έλεγχος Ασφαλείας: Ανάλογα µε τη συµµετοχή στην ανάληψη οριζοντίων σεισµικών φορτίων: «Κύρια» στοιχεία: ιάκριση Στοιχείων Συµµετέχουν ουσιαστικά στην ανάληψη των σεισµικών φορτίων και συµβάλλουν στην αντίσταση και ευστάθεια της κατασκευής «ευτερεύοντα» στοιχεία : εν έχουν ουσιαστική (ή αξιόπιστη) συµµετοχή στην ανάληψη των σεισµικών φορτίων αλλά µετέχουν στην ανάληψη κατακόρυφων φορτίων ιαφοροποιούνται οι έλεγχοι επιτελεστικότητας και η αποτίµηση δεν οδηγεί σε λανθασµένο συµπέρασµα για το σύνολο λόγω ανεπάρκειας µεµονωµένων στοιχείων

16 Έλεγχος Ασφαλείας: ιάκριση Μηχανισµού Αστοχίας Ανάλογα µε το µηχανισµό αστοχίας: «Πλάστιµος» µηχανισµός Υποστυλώµατα, οκοί και Τοιχώµατα σε κάµψη (µε αξονική δύναµη) Έλεγχος σε όρους παραµορφώσεων ανεξάρτητα της µεθόδου ανάλυσης «Ψαθυρός» µηχανισµός Υποστυλώµατα, οκοί και Τοιχώµατα και κόµβοι σε διάτµηση Έλεγχος σε όρους δυνάµεων

17 Έλεγχος Ασφαλείας: Παραµορφώσεις Έλεγχος µε βάση τις παραµορφώσεις για τους πλάστιµους µηχανισµούς αστοχίας των στοιχείων Μέγεθος παραµόρφωσης: Η στροφή χορδής (θ) στα άκρα του µέλους A θ Β B θ Α θ Γ Γ

18 Έλεγχος Ασφαλείας: Κριτήρια ελέγχου κατά τον EC8-3 Στοιχεία Περιορισµός βλαβών Σηµαντικές βλάβες Οιονεί Κατάρρευση πλάστιµα πρωτεύοντα θ (1) (3) Sd 0.75θ u,m-σ θ (1) (2) Sd θ y πλάστιµα δευτερεύοντα θ (1) (4) Sd 0.75θ u,m θ Sd (1) θ u,m-σ (3) θ Sd (1) θ u,m (4) ψαθυρά πρωτεύοντα V Sd (5) V Rd,EC2 (6), V Sd (5) V Rd,EC8 /1.15 (7) (5) ψαθυρά δευτερεύοντα V Sd V (8) (5) (9) Rm,EC2, V Sd V Rm,EC8 θ y σύµφωνα µε Εξ. (Α.10), (Α.11) παρ. A θ u σύµφωνα µε Εξ. (Α.1) παρ. A V Rd,EC8 = V R σύµφωνα µε Εξ. (Α.12) παρ. Α.3.3.1

19 Έλεγχος Ασφαλείας: Κριτήρια ελέγχου κατά τον ΚΑΝΕΠΕ Στοιχεία Σχεδόν πλήρης λειτουργικότητα στο σεισµό Προστασίας ζωής ενοίκων Οιονεί κατάρρευση πλάστιµα πρωτεύοντα θ Sd (1) θ y (2) θ Sd (1) 0.5(θ y +θ u ) m-σ (3) θ Sd (1) θ u,m-σ (4) πλάστιµα δευτερεύοντα θ Sd (1) θ u,m-σ (4) θ Sd (1) θ u,m (5) Ψαθυρά, πρωτεύοντα ή δευτερεύοντα V Sd (6) V Rd,EC8 (7)

20 Γωνία στροφής χορδής στη διαρροή: οκοί, υποστυλώµατα: Τοιχώµατα: c y b y s V s y y f f d L h z a L φ φ θ = c y b y s V s y y f f d h L z a L φ φ θ , max = Προσδιορισµός Ικανότητας Έλεγχος Ασφαλείας:

21 Έλεγχος Ασφαλείας: Προσδιορισµός Ικανότητας Γωνία στροφής χορδής στην καµπτική αστοχία: α st :0.016 για hot-rolled ductile steel or heat-treated (tempcore); για χάλυβες ψυχρής έλασης ιατµητική αντοχή υπό ανακυκλιζόµενη ανελαστική ένταση: V R h x min 2L pl L s ( N, 0.55 A f ) + ( min( 5, ) 0.16 max( 0.5, 100ρ ) min 5, f A + V = c c µ θ tot c c w s h

22 Έλεγχος Ασφαλείας: Προσδιορισµός Ικανότητας Στις γραµµικές αναλύσεις η τέµνουσα δύναµη V E,CD προκύπτει ικανοτικά οκοί: M i, d = M Rb, i Τοιχώµατα: min(1, V = Sd Υποστυλώµατα: M M M M Rc Rb Rw EW M ) V i, d E = (M RW, M EW :στη βάση) M Rc, i min(1, M M Rb Rc )

23 Ανάλυση Σεισµικής Απόκρισης 4 τύποι ανάλυσης της σεισµικής απόκρισης: Γραµµική Στατική Ισοδύναµα οριζόντια φορτία Γραµµική υναµική Φασµατική Χρονοιστορίας Μη Γραµµική Στατική («pushover») Χρησιµοποιείται και ως ανάλυση αναφοράς Μη-Γραµµική υναµική (Χρονοιστορίας) 3 Χρονοιστορίες µέγιστες τιµές 7 Χρονοιστορίες µέσες τιµές

24 Ανάλυση Σεισµικής Απόκρισης Υπολογισµός «είκτη ιαθέσιµης Αντοχής»: S λ = R m Όπου S η ροπή από σεισµικό συνδυασµό δράσεων (q=1) ή ικανοτική τέµνουσα και R m η διαθέσιµη αντοχή του µέλους

25 Ανάλυση Σεισµικής Απόκρισης Γραµµική Ανάλυση Οµοιόµορφη κατανοµή της ανελαστικότητας: Ο λόγος Μέγιστου προς Ελάχιστου δείκτη λ για το σύνολο των πλάστιµων µελών που περνούν στιν ανελαστική περιοχή (εξαιρούνται τα άκρα ισχυρών στοιχείων) < 2-3 Σχετικά περιοριστικό κριτήριο, επιτρέπει γραµµική ανάλυση µόνο για κτίρια µε αρκετά οµοιόµορφη κατανοµή υπεραντόχών Αν ικανοποιείται το παραπάνω κριτήριο, το κτίριο είναι κανονικό καθ ύψος και οι ανώτερες ιδιοµορφές δεν είναι σηµαντικές (T<4T c, T<2sec) τότε: Γραµµική στατική ανάλυση

26 Ανάλυση Σεισµικής Απόκρισης Γραµµική Ανάλυση Ποιοτικά κριτήρια, δεν απαιτούνται υπολογισµοί: οµικά συστήµατα (τοιχώµατα, πλαίσια): συνεχή ως την κορυφή (του αντίστοιχου τµήµατος). υσκαµψία και µάζα ορόφου: σταθερή ή σταδιακά µειούµενη προς την κορυφή Εσοχές ορόφων σε κάθε πλευρά: < 10% του υποκείµενου ορόφου Ασύµµετρες εσοχές: < 30% της κάτοψης βάσης. Μεµονωµένη εσοχή στο κατώτερο 15% του κτιρίου:< 50% της βάσης Σε πλαίσια (τοιχοπληρωµένα και µη): οµαλή κατανοµή υπεραντοχών ορόφου.

27 Ανάλυση Σεισµικής Απόκρισης: Γραµµική Ανάλυση Εννιαίος δείκτης συµπεριφοράς, q (1.00 έως 3.00) Έτος µελέτης/κατασκευής Ευµενής ή δυσµενής παρουσία τοιχοπληρώσεων Βλάβες σε πρωτεύοντα στοιχεία Τοπικοί δείκτες συµπεριφοράς, m

28 Ανάλυση Σεισµικής Απόκρισης Mη Γραµµική Ανάλυση: Ενεργός υσκαµψία Σύµφωνα µε ΕΝ1998-1: EI = τέµνουσα δυσκαµψία στη διαρροή Ο/Σ: EI = 50% της δυσκαµψίας της αρηγµάτωτης διατοµής. 50% της δυσκαµψίας της αρηγµάτωτης διατοµής: OK για σχεδιασµό νέων κτιρίων µε βάση τις δυνάµεις (συντηρητική για απαιτήσεις σε όρους δυνάµεων). Όχι OK για αποτίµηση µε βάση τις µετακινήσεις (µη-συντηρητική για απαιτήσεις σε όρους µετακινήσεων). Πιο ρεαλιστική δυσκαµψία, ειδικά για τον έλεγχο περιορισµού βλαβών,θ E θ Y : EI = M y L s /3θ y : τέµνουσα δυσκαµψία κατά την ταυτόχρονη διαρροή και των δύο άκρων σε αντιµετρική κάµψη.

29 Ανάλυση Σεισµικής Απόκρισης Κυρίως για 2D χωρίςσηµαντικήεπιρροήανωτ.ιδιοµορφών Οριζόντιες δυνάµεις: Mη Γραµµική Στατική Ανάλυση = m Φ F ( α ) αj : διαδοχικά βήµατα j Fn i i i dn Fi Fb = ΣFi

30 Ανάλυση Σεισµικής Απόκρισης Mη Γραµµική Στατική Ανάλυση υο περιπτώσεις κατανοµής δυνάµεων (Φi): Ιδιοµορφική Κατανοµή: Εφόσον ικανοποιούνται τα κριτήρια για ελαστική στατική ανάλυση: Τριγωνική κατανοµή δυνάµεων: Φi=z i Εφόσον ΕΝ ικανοποιούνται τα κριτήρια για ελαστική στατική ανάλυση: Κατανοµή υνάµεων µε βάση την θεµελιώδη ιδιοµορφή Φ1. Oµοιόµορφη Κατανοµή: Σταθερή κατανοµή δυνάµεων: Φi=1

31 Ανάλυση Σεισµικής Απόκρισης Mη Γραµµική Στατική Ανάλυση: Αποτελέσµατα Καµπύλη αντίστασης: Εξέλιξη µετακίνησης κορυφής µε την αύξηση της φόρτισης. Εξαρτάται από τον φορέα του κτιρίου. Μετακίνηση στόχος: Απαιτούµενη µετακίνηση για σεισµό σχεδιασµού. Υπολογίζεται από το ελαστικό φάσµα σχεδιασµού, χρησιµοποιώντας: Ισοδύναµο Μονοβάθµιο Ελαστοπλαστικό Σύστηµα Μία µάζα στην κορυφή: (Φi: 1 η ιδιοµορφή µε Φn = 1) Αντίστοιχη δύναµη: Μετακίνηση κορυφής: Περίοδος: m F d T miφ * = i * F = b * m Γ Γ= 2 * d mi i * = n Γ = 2 π m * d F y * y * Φ m*

32 Ανάλυση Σεισµικής Απόκρισης Mη Γραµµική Στατική Ανάλυση: Καµπύλη Αντίστασης Από την Καµπύλη Αντίστασης του Ισοδύναµου Μονοβάθµιου Συστήµατος υπολογίζεται η δυσκαµψία Fy*/dy* και η περίοδος Τ*. m * miφ = i * m Γ= 2 miφ i Σηµείο δηµιουργίας πλαστικού µηχανισµού ή πέρας ανάλυσης` * F F = b Γ * d d = n Γ d Υπολογισµός dy* µε εξίσωση εµβαδών:` y * Em * = 2 dm * Fy * T * = 2 π m* d F y * y *

33 Ανάλυση Σεισµικής Απόκρισης Mη Γραµµική Στατική Ανάλυση: Μετακίνηση Στόχος (Μέθοδος Ν2: Παράρτηµα Β ΕΝ1998-1) Μετασχηµατισµός ελαστικού φάσµατος: Επιτάχυνση,Se(T*) Περίοδος,T* Επιτάχυνση,Se(T*) Μετακίνηση,d* d * = T 2 π * 2 S d ( T *) Εφόσον Τ* TC : Εάν Fy*/m* Se(T*) τότε Ελαστική Απόκριση Εάν Fy*/m*<Se(T*) τότε Ανελαστική Απόκριση και εφαρµόζεται ο Κανόνας ίσων µετακινήσεων dt* = det*

34 Mη Γραµµική Στατική Ανάλυση: Μετακίνηση Στόχος ( ) ( ) + = * 1 1 * * T T q q T S d C u u d t ( ) * * * y a u F T S m q = Εφόσον Τ*<TC : εν ισχύει ο κανόνας των ίσων µετακινήσεων (ανελαστική απόκριση) Γίνεται διόρθωση για την µετακίνηση στόχο (µόνο για ανελαστική απόκριση) σύµφωνα µε τις σχέση: Ανάλυση Σεισµικής Απόκρισης

35 Ανάλυση Σεισµικής Απόκρισης Προσοµοίωση µελών Οπλισµένου Σκυροδέµατος: Μοντέλο συγκεντρωµένης ανελαστικότητας: Μη-Γραµµική υναµική Ανάλυση Μονοτονική φόρτιση: διγραµµικός νόµος Μ-θ Ανακυκλιζόµενη φόρτιση: προσοµοίωµα Takeda τροποποιηµένο κατά Litton και Otani µε εννέα κανόνες υστέρησης

36 Ανάλυση Σεισµικής Απόκρισης Μη-Γραµµική υναµική Ανάλυση Προσοµοίωση τοιχοπληρώσεων:

37 Αποτίµηση Σεισµικής Απόκρισης µε βάση τους Κανονισµούς Ερωτήµατα για τη µεθοδολογία: Οδηγεί σε ασφαλή συµπεράσµατα; Είναι εφικτή διαδικασία;

38 Έλεγχος Μη-γραµµική υναµική Ανάλυση τριώροφης κατασκευής οπλισµένου σκυροδέµατος Ψευδοδυναµική δοκιµή στο JRC-ISPRA (2004) Η προσοµοίωση, η δυσκαµψία και οι αντοχές των στοιχείων είναι σύµφωνα µε τον EC8-3 Κατασκευή της δεκαετίας του 60 Έκκεντρη σύνδεση δοκών-υποστυλωµάτων Λείες ράβδοι µε άγκυστρα και παράθεση στις στάθµες των ορόφων

39 Έλεγχος

40 Έλεγχος

41 Έλεγχος Πολύ καλή σύγκλιση της γενικής συµπεριφοράς µεταξύ της ανάλυσης του προσοµοιώµατος και πειράµατος Μικρές απαοκλίσεις: Στην περιοχή µέχρι τη ρηγµάτωση (υποτίµηση αρχικής δυσκαµψίας) Στην περιοχή µετά την υπέρβαση της αντίστασης

42 Έλεγχος

43 Εφαρµογή 1 Αποτίµηση της σεισµικής συµπεριφοράς και ενίσχυση Συγκροτήµατος 7 κτιρίων Ο/Σ κατασκευασµένων τη δεκαετία του 1970 για να στεγάσουν το Μηχανογραφικό Κέντρο της Τράπεζας της Ελλάδος

44 Εφαρµογή 2 Αποτίµηση της σεισµικής συµπεριφοράς και ενίσχυση συγκροτήµατος κτιρίων Ξενοδοχειακής Μονάδας κατασκευασµένης τη δεκαετία του 70 στο Γαλατά Αργολίδας.

45 Εφαρµογή 3 Αποτίµηση της σεισµικής συµπεριφοράς και ενίσχυση δύο τµηµάτων κτιρίου Θεάτρου κατασκευασµένων τη δεκαετία του 1970 στην Κεφαλονιά. Τα δύο κτίρια, µη-κανονικά τόσο σε κάτοψη όσο και καθ ύψος διαχωρίζονταν µέσω σεισµικού αρµού.