Εμπειρίες και Διδάγματα από τους σεισμούς της Κεφαλονιάς 2014 Θεσσαλονίκη 2/7/2014

Transcript

1 Εμπειρίες και Διδάγματα από τους σεισμούς της Κεφαλονιάς 2014 Θεσσαλονίκη 2/7/2014 Ενοργάνωση και παρακολούθηση σεισμικής απόκρισης κτιρίου Διοίκησης του Νοσοκομείου Ληξουρίου Μονάδα Έρευνας ΟΑΣΠ-ΙΤΣΑΚ Καρακώστας Χρήστος, Διευθυντής Ερευνών Λεκίδης Βασίλης, Διευθυντής Ερευνών Σαλονικιός Θωμάς, Κύριος Ερευνητής Μορφίδης Κωνσταντίνος, Εντεταλμένος Ερευνητής

2 Γιατί?

3 Υπολογισμός ιδιοτιμών, ιδιομορφών και συντελεστών απόσβεσης από τις καταγραφές Εξαναγκασμένη ταλάντωση Ελεύθερη ταλάντωση Αmbient ταλάντωση ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΕΣ ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗΣ ΔΥΝΑΜΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΟΥ ΔΟΜΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ (System Identification) Πεδίο χρόνου Πεδίο συχνοτήτων Random decrement technique (H.A. Cole, NASA, ) Stochastic realization methods Subspace methods

4 ΑΡΧΕΣ ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ ΔΥΝΑΜΙΚΩΝ ΔΟΚΙΜΩΝ Ακόμη και οι πλέον ανεπτυγμένες και αποτελεσματικές μεθοδολογίες ανάλυσης θα αποτύχουν με μέτριας ποιότητας δεδομένα Για να είναι αποτελεσματική μία δυναμική δοκιμή πρέπει να προηγείται : 1. Κατάλληλη επιλογή του είδους της διέγερσης 2. Επιλογή του είδους δεδομένων που θα συλλεχθούν σε μία δεδομένη περιοχή συχνοτήτων 3. Καθορισμός του αριθμού και της θέσης των αισθητήρων 4. Καθορισμός του τρόπου συλλογής και επεξεργασίας των δεδομένων 5. Μελέτη της επίδρασης των περιβαλλοντικών συνθηκών

5 ΤΥΠΟΛΟΓΙΑ ΔΙΕΓΕΡΣΕΩΝ Ελεγχόμενες διεγέρσεις Κρούση (ελεύθερη ταλάντωση) Pull out tests (ελεύθερη ταλάντωση) Διέλευση / Φρενάρισμα οχήματος (εξαναγκασμένη + ελεύθερη ταλάντωση) Xρήση δονητών περιστρεφόμενων μαζών (εξαναγκασμένη αρμονική ταλάντωση) Xρήση ηλεκτροδυναμικών δονητών (εξαναγκασμένη αρμονική / τυχαία white noise ταλάντωση) Μη ελεγχόμενες διεγέρσεις Κυκλοφορία μακράς διάρκειας (τυχαία ταλάντωση ambient) Άνεμος (τυχαία ταλάντωση ambient) Σεισμική διέγερση (εξαναγκασμένη ντετερμινιστική ταλάντωση)

6 ΤΥΠΟΛΟΓΙΑ ΔΙΕΓΕΡΣΕΩΝ Ελεγχόμενες διεγέρσεις + Επιβολή κατάλληλης διέγερσης για προσδιορισμό δυναμικών χαρακτηριστικών + Έλεγχος της θέσης και του μεγέθους της διέγερσης Διακοπή λειτουργίας του έργου (π.χ. κυκλοφορία) Περιορισμοί του χρόνου εκτέλεσης (π.χ. ισχυροί άνεμοι) Σχετικά υψηλό κόστος Προβληματικός ο περιοδικός έλεγχος (κόστος/διακοπή λειτουργίας) Αδύνατος ο συνεχής έλεγχος Δύσκολο να επιβληθούν σε όλα τα τμήματα μιας κατασκευής (π.χ. κεφαλή πυλώνα γέφυρας)

7 ΤΥΠΟΛΟΓΙΑ ΔΙΕΓΕΡΣΕΩΝ Περιβαλλοντικές (ambient) διεγέρσεις + Δεν απαιτείται διακοπή λειτουργίας + Μικρό κόστος + Κατάλληλες για περιοδικούς και συνεχείς ελέγχους Μικρά πλάτη διέγερσης ( μη γραμμική συμπεριφορά κατασκευής) Άγνωστη διέγερση - Παραδοχή για συχνοτικό της περιεχόμενο (white noise) δεν ισχύει πάντοτε Κατανόηση του συστήματος που παρακολουθείται (εισαγωγή συχνοτήτων από το αίτιο, σύστημα κατασκευής + αιτίου κλπ)

8 ΤΥΠΟΛΟΓΙΑ ΔΙΕΓΕΡΣΕΩΝ Σεισμική διέγερση + Απόκριση κατασκευής σε πραγματικές συνθήκες Χρόνος συμβάντος μη προβλέψιμος (εκτός από μετασεισμικές ακολουθίες) Μη ελεγχόμενο επίπεδο διέγερσης Σχετικά υψηλό κόστος ενοργάνωσης Κίνδυνος ανθρώπινης ζωής (μετασεισμικές ακολουθίες)

9 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΥΠΩΝ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ Κριτήριο Τεχνητή διέγερση (αρμονική, τυχηματική) Κρούση Pull out (transitory) Περιβαλλοντικές (Ambient) Iδιοσυχνότητες Iδιομορφές Απόσβεση Συνέχιση λειτουργίας κατά τη δοκιμή Κόστος - + / - + Διέγερση χαμηλών συχνοτήτων Διέγερση υψηλών συχνοτήτων Συνεχής παρακολούθηση Περιοδική παρακολούθηση Έλεγχος του πλάτους διέγερσης /

10 ΑΡΧΕΣ ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ ΔΥΝΑΜΙΚΩΝ ΔΟΚΙΜΩΝ Για να είναι αποτελεσματική μία δυναμική δοκιμή πρέπει να προηγείται : 1. Κατάλληλη επιλογή του είδους της διέγερσης 2. Επιλογή του είδους δεδομένων που θα συλλεχθούν σε μία δεδομένη περιοχή συχνοτήτων 3. Καθορισμός του αριθμού και της θέσης των αισθητήρων 4. Καθορισμός του τρόπου συλλογής και επεξεργασίας των δεδομένων 5. Μελέτη της επίδρασης των περιβαλλοντικών συνθηκών

11 ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΕΓΕΘΟΥΣ ΠΡΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗ Αισθητήρες Επιταχυνσιόμετρα (1950) Ταχυτητόμετρα (γεώφωνα) Μηκυνσιόμετρα / παραμορφωσιόμετρα ( LVDTs, οπτικές κάμερες, laser, GPS ) Κανόνας επιπεδότητας Επιλέγουμε την παράμετρο για την οποία το φάσμα απόκρισης είναι όσο το δυνατόν πιο ομοιόμορφο Λοιποί παράγοντες Aναμενόμενο είδος ταλάντωσης (συχνοτικό περιεχόμενο ) Eυκολία υλοποίησης της μέτρησης Κόστος

12 ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΕΓΕΘΟΥΣ ΠΡΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗ Επιτάχυνση Ανάλυση χαμηλών έως υψηλών συχνοτήτων Ανάλυση δυνάμεων (αναλογικών των επιταχύνσεων) Μικρό μέγεθος αισθητήρα Ταχύτητα Ανάλυση μέσων συχνοτήτων Ανάλυση ταλαντώσεων σε συσχέτιση με ακουστικό θόρυβο (πιέσεις ανάλογες της ταχύτητας ταλάντωσης της επιφάνειας) Ανάλυση ταλαντώσεων με φάσμα απόκρισης πιο ομοιόμορφο από αυτό των μετατοπίσεων ή επιταχύνσεων Μετατόπιση Ανάλυση χαμηλών συχνοτήτων Σημαντικά πλάτη μετατοπίσεων Μετατοπίσεις που δίνουν ένδειξη για το επίπεδο των τάσεων Ανάλυση σχετικών μετατοπίσεων Παραμόρφωση Ανάλυση χαμηλών συχνοτήτων Σημαντική διακύμανση των τάσεων

14 ΑΡΙΘΜΟΣ ΚΑΙ ΘΕΣΗ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ Θέση Εκ των προτέρων γνώση των ιδιομορφών (έστω και ατελής) Αποφυγή κόμβων Μεθοδολογίες βέλτιστης θέσης αισθητήρων Αριθμός Τόσοι, ώστε να περιγράφονται οι ζητούμενες ιδιομορφές + Μακροχρόνια παρακολούθηση - Κόστος (αισθητήρες, δυνατότητες καταγραφικού, καλώδια )

15 ΑΡΙΘΜΟΣ ΚΑΙ ΘΕΣΗ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ Θέση Εκ των προτέρων γνώση των ιδιομορφών (έστω και ατελής) Αποφυγή κόμβων Μεθοδολογίες βέλτιστης θέσης αισθητήρων Αριθμός Τόσοι, ώστε να περιγράφονται οι ζητούμενες ιδιομορφές + Μακροχρόνια παρακολούθηση - Κόστος (αισθητήρες, δυνατότητες καταγραφικού, καλώδια )

16 ΑΡΙΘΜΟΣ ΚΑΙ ΘΕΣΗ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ Αριθμός Ενοργάνωση κατά φάσεις (π.χ. 10 = αισθητήρες) Moving Sensors Moving Sensors Reference Sensors Moving Sensors : Vertical Sensor : Longitutinal Sensor : Transverse Sensor

18 ΣΥΛΛΟΓΗ ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Kαταγραφή ψηφιοποίηση δεδομένων Pυθμός δειγματοληψίας (Νyquist frequency f N =2f max ) Διακριτότητα ( εξαναγκασμένες - 16 bits / ambient 19 bits) Διάρκεια λήψης καταγραφής (ambient : T>1000 T max ) Common trigger / common time Βαθμονόμηση / έλεγχοι καλής λειτουργίας καταγραφικού συστήματος Επεξεργασία δεδομένων Διορθώσεις απόκλισης (offset, baseline) Φιλτράρισμα (απομάκρυνση θορύβου αναλογικοί καταγραφείς) f c f r Hz

19 ΣΥΛΛΟΓΗ ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Kαταγραφή ψηφιοποίηση δεδομένων 30 Pυθμός δειγματοληψίας (Νyquist frequency f N =2f max ) 25 Διακριτότητα ( εξαναγκασμένες - 16 bits / ambient 19 bits) fc/fr=0.95/1.0 Hz Διάρκεια λήψης καταγραφής (ambient : T>1000 T max ) 20 fc/fr=0.45/0.50 Common trigger / common time Hz fc/fr=0.28/0.33 Hz 15 Βαθμονόμηση / έλεγχοι καλής λειτουργίας καταγραφικού συστήματος Sd (mm) 10 Επεξεργασία δεδομένων 5 ZAK TRANS μ = 5.0 Διορθώσεις απόκλισης (offset, baseline) 0 0,0 Φιλτράρισμα 0,5 (απομάκρυνση 1,0 1,5 θορύβου 2,0 αναλογικοί 2,5 3,0 καταγραφείς) T (sec) fc/fr=0.20/0.25 Hz fc/fr=0.15/0.20 Hz fc/fr=0.344/0.477 Hz (S/N) f c f r Hz

21 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΩΝ ΣΥΝΘΗΚΩΝ Θερμοκρασία Περιορισμένη βιβλιογραφία Επίδραση της τάξης 4-5% (τάξη μεγέθους όσο και λόγω βλάβης) Πάγος στις στηρίξεις : 40-50% / Εμφάνιση βλάβης : 3-8% (Allampalli 1995) Κυρίως σε μικρών διαστάσεων κατασκευές (π.χ. γέφυρες μικρού μήκους) Προτεινόμενες σχέσεις f T (γραμμικές) (Woods 1992, Roberts 1995)?? Ανώτερες ιδιομορφές μπορεί να δείξουν αντίστροφη μεταβολή (αύξηση f για αύξηση Τ) Allampalli S Influence of in-service environment on modal parameters, Proc. of IMAC 12, Roberts G.P. 1995, Analysis and testing of bridges, IstucE/SECED seminar, London Wood M.G. 1992, Damage analysis of bridge structures using vibrational techniques, PhD thesis, Univ. of Aston in Birmingham, U.K.

22 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΩΝ ΣΥΝΘΗΚΩΝ Γέφυρα Ζ24 Βέρνη - Ζυρίχη 1 η Ιδιοσυχνότητα 2 η Ιδιοσυχνότητα 10% 2.5% 53.3 m - προεντεταμένη Peeters B., Maeck J., De Roeck G. (2001), Vibrationbased damage detection in civil engineering : excitation sources and temperature effects, Smart Materials & Structures, 10,

23 Φορητό σύστημα ενοργάνωσης κατασκευών (Kinemetrics)

24 Σύστημα ενοργάνωσης κατασκευών : Kinemetrics PX-23 SENSOR : TRIGGER : Type Uniaxial Force Balance Accelerometer, External Type IIR Bandpass filter Full scale range 2 g Trigger Bandwith 0.1 Hz 12.5 Hz Natural Frequency 50 Hz Channel Triggering Independent threshold for all channels Damping 70 % Critical Trigger Threshold Selectable from 0.01% to 100% of full scale Dynamic Range > 135 db 0.01 to 50 Hz > 145 db 0.01 to 20 Hz De-Trigger Threshold DATA ACQUISITION : ENVIRONMENT : Dynamic range sps Operating Temperature Selectable from 0.01% to 100% of full scale - 20 o to 70 o C Frequency response DC to sps Humidity % RH Resolution 19-bit 200 sps STORAGE : Input range 2.5 V Type 20 Mbyte RAM Flash memory, Fully compliant PCMCIA storage system Anti-Alias Filter Brickwall FIR filter. Cut-off at 80 % of output Nyquist / 120 db down at output Nyquist

25 Διώροφο κτίριο Διοίκησης Νοσοκομείου Ληξουρίου

26 Διώροφο κτίριο Διοίκησης Νοσοκομείου Ληξουρίου Υπόγειο Ισόγειο Όροφος

27 Διώροφο κτίριο Διοίκησης Νοσοκομείου Ληξουρίου Διάταξη ενοργάνωσης

28 Καταγραφική μονάδα στο υπόγειο του κτιρίου (άνω) Εγκατάσταση αισθητήρων στο δώμα και σε εσωτερικό χώρο (αριστερά)

29 Προσεγγιστική αποτίμηση κύριων ιδιοπεριόδων του κτιρίου T YY =0.09.(H/ L). [H/(H+ρl)]=0.16 sec T XX =0.09.(H/ L). [H/(H+ρl)]=0.12 sec

30 Προσομοίωμα πεπερασμένων στοιχείων Winkler spring constant (dynamic) k v = 500,000 kn/m 3 k h = 0.30 k v Προσομοίωση τοιχοποιιών με ανοίγματα κατά ΚΑΝΕΠΕ (χιαστί) Συμμόρφωση με ΝΕΑΚ2003 (πλην μείωσης ροπών αδρανείας διατομών)

31 Κύριες ιδιομορφές κτιρίου T1 = sec (6.60 Hz) T2 = sec (8.92 Hz) T3 = sec (12.63 Hz)

32 Καταγραφή σεισμικής διέγερσης του κτιρίου

33 Καταγραφή σεισμικής διέγερσης του κτιρίου

34 Συμβάν GI007 Χ-dir 9.3 Hz sec 12 Hz 0.08 sec

35 Συμβάν GI007 Y-dir 7.8 Hz sec 12 Hz 0.08 sec

36 Κύριες ιδιομορφές κτιρίου (αρχικές πειραματικές τελικές) T1 = sec (6.60 Hz) T2 = sec (8.92 Hz) T3 = sec (12.63 Hz) 7.8 Hz 9.3 Hz 12 Hz T1 = sec (7.24 Hz) T2 = sec (9.73 Hz) T3 = sec (13.65 Hz)

37 Λόγοι μέγιστων επιταχύνσεων (κορυφή/βάση) 82 συμβάντα (x 3)

38 Χάρτης Ληξουρίου. Θέση καταγραφής κύριου σεισμού και μετασεισμών στο Δημαρχείο (ΕΔΕ) και θέση καταγραφής μετασεισμών σε κτίριο του Νοσοκομείο

39 Καταγραφή συστήματος ενοργάνωσης κτιρίου Νοσοκομείου Καταγραφή επιταχυνσιογράφου Εθνικού Δικτύου

40 Επίλυση κτιρίου για τα φάσματα του σεισμού της 3/2/2014 Μέγιστη μετατόπιση 7.9 mm

41 H κτιρίου =6300mm, δmax=7.9mm drift=7.9/6300=1.25 = drift=

42 ΠΡΟΣΔΟΚΩΜΕΝΑ ΩΦΕΛΗ ΑΠΟ ΕΝΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΝΟΡΓΑΝΗΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ Επιβεβαίωση της καλής ποιότητας της κατασκευής μετά την περάτωση της Εντοπισμός ατελειών/λαθών κατά τη διάρκεια της κατασκευής Παρακολούθηση σε τακτά χρονικά διαστήματα για αποτίμηση μακροχρόνιων περιβαλλοντικών καταπονήσεων (κόπωση, γήρανση) Παρακολούθηση και επιβεβαίωση της λειτουργικής κατάστασης και δομικής ασφάλειας της κατασκευής - Σε τακτά χρονικά διαστήματα - Μετά από σημαντική διέγερση (σεισμός, ισχυρές καταιγίδες - τυφώνες) Επιβεβαίωση της καλής λειτουργικής κατάστασης Προσδιορισμός εμφάνισης βλαβών Εντοπισμός βλάβης (θέση και βαθμός) και της επίδρασης της στη λειτουργικότητα και ασφάλεια της κατασκευής Επιβεβαίωση της ανάγκης λήψης διορθωτικών μέτρων Ανάπτυξη μιας οικονομικά αποτελεσματικής στρατηγικής συντήρησης της κατασκευής Διατήρηση της δομικής αξιοπιστίας και ασφάλειας της κατασκευής σε υψηλά επίπεδα

43 Εμπειρίες και Διδάγματα από τους σεισμούς της Κεφαλονιάς 2014 Θεσσαλονίκη 2/7/2014 Eυχαριστώ για την προσοχή σας!

44

45 ΚΤΙΡΙΟ ΟΤΕ ΣΤΑ ΑΝΩ ΛΙΟΣΙΑ Δομικό σύστημα : Πλαίσια Ο/Σ 2 τμήματα (αρμός διαστολής 3 cm) Βλάβες : Περιορισμένες ρηγματώσεις σε εξωτερικούς τοίχους Διάταξη ενοργάνωσης : yyba xxba Basement floor Δυναμικά χαρακτηριστικά (ιδιομορφές, απόσβεση) Πιθανή κρούση μεταξύ των 2 τμημάτων Καταγραφέντες μετασεισμοί (όριο διέγερσης στη βάση : 3 mg ) : ~ 25 yyba Cross section yy2a xx2a xxba xx2b yy2b yy2a xx2a xx2b First floor ceiling yy2b Συμβάν AX017 : max PGA ~ mg

46 ΚΤΙΡΙΟ ΟΤΕ ΣΤΑ ΑΝΩ ΛΙΟΣΙA Προσομοίωμα Π.Σ. Στοιχεία Δοκού + Κελύφους (SAP2000) Συμμόρφωση με EAK2000 (Όχι κινητά φορτία) Έδαφος : Δυναμική σταθερά Winkler 300,000 kn/m 3 Τοιχοπληρώσεις (trial and error) : E w = 5000 Mpa Αρρηγμάτωτες : w dm h Ρηγματωμένες : w dm h (Decanini & Fantin 1986)

47 ΚΤΙΡΙΟ ΟΤΕ ΣΤΑ ΑΝΩ ΛΙΟΣΙΑ Απόλυτη επιτάχυνση στον αισθητήρα xx2a Absolute Acceleration (m/sec 2 ) Sensor position xx2a - Event AX Time (sec) Recorded Sap2000

48 KTIΡΙΟ ΟΤΕ ΣΤΟΥΣ ΘΡΑΚΟΜΑΚΕΔΟΝΕΣ YTL XTC YTR Δομικό σύστημα : Μικτό Ο/Σ (πλαίσια + τοιχώματα) Βλάβες : Περιορισμένες (ρηγματώσεις σε εσωτερικές τοιχοποιίες) Διάταξη ενοργάνωσης : Ground floor ceiling First floor ceiling Cross Section Προσδιορισμός δυναμικών χαρακτηριστικών υψηλότερης τάξης (ιδιομορφές, απόσβεση) Πρισδιορισμός διαφοροποίησης της διέγερσης στη βάση Καταγραφέντες μετασεισμοί (όριο διέγερσης στη βάση : 3 mg ) : ~ 20 Y1L X1C Y1R YTL XTC YTR Y1L X1C Y1R YBL XBC YBR Συμβάντα BA013, BB010 : max PGA ~ mg Συμβάντα BA007, BB009 etc : max PGA ~ 3 5 mg

49 KTIΡΙΟ ΟΤΕ ΣΤΟΥΣ ΘΡΑΚΟΜΑΚΕΔΟΝΕΣ Προσομοίωμα Π.Σ. Στοιχεία Δοκού + Κελύφους (SAP2000) Συμμόρφωση με EAK2000 ( Όχι κινητά φορτία ) Έδαφος: Δυναμική σταθερά Winkler (trial and error) : Κατακόρυφα ελατήρια : 500,000 kn/m 3 Οριζόντια ελατήρια : 150,000 kn/m 3

50 Sensor YTL - Event BA007 KTIΡΙΟ ΟΤΕ ΣΤΟΥΣ ΘΡΑΚΟΜΑΚΕΔΟΝΕΣ Absolute Acceleration (cm/sec 2 ) Συμβάν BA007 Αισθητήρας YTL Απόλυτη επιτάχυνση Sensor YTL - Event BA Duration (sec) Recorded Computed Recorded Computed