10. Εισαγωγή στη Σεισμική Μόνωση

Transcript

1 ΠΠΜ 501: Προχωρημένη Ανάλυση Κατασκευών με Η/Υ 10. Εισαγωγή στη Σεισμική Μόνωση Χειμερινό εξάμηνο 2014 Πέτρος Κωμοδρόμος ΠΠΜ 501: Προχωρημένη Ανάλυση Κατασκευών με Η/Υ 1

2 Περιεχόμενα Κλασσικός αντισεισμικός σχεδιασμός Φιλοσοφία Σεισμικής Μόνωσης Κατηγορίες Σεισμικών Μονωτήρων Τύποι Ελαστομερικών Εφεδράνων Μη Γραμμική Συμπεριφορά Μονωτήρων LRBs Εφαρμογές Σεισμικής Μόνωσης Εφαρμογές Σεισμικής Μόνωσης στην Κύπρο ΠΠΜ 501: Προχωρημένη Ανάλυση Κατασκευών με Η/Υ 2

3 Κλασικός Αντισεισμικός Σχεδιασμός Κτήρια χαμηλού και μέσου ύψους (0.1 s TN 0.6 s) Σεισμικά ευάλωτα Θεμελιώδη Συστατικά Πλαστιμότητα: Ικανότητα δομικών στοιχείων και δομημάτων να αναλώσουν σεισμική ενέργεια, αναπτύσσοντας ανελαστικές παραμορφώσεις. Ανάλυση και σχεδιασμός φορέων υπό απομειωμένες σεισμικές δράσεις. ελαστική συμπεριφορά ανελαστική συμπεριφορά (πλαστιμότητα) 3

4 Κλασικός Αντισεισμικός Σχεδιασμός Οι θεμελιώδης ιδιοσυχνότητες κτιρίων χαμηλού η μεσαίου ύψους όπως οι συνήθης κτιριακές κατασκευές στον Ελλαδικό και Κυπριακό χώρο, δυστυχώς συμπίπτουν με την περιοχή των κυριαρχουσών συχνοτήτων των περισσοτέρων σεισμικών διεγέρσεων. Αυτό έχει σαν συνέπεια τον κίνδυνο συντονισμού των εδαφικών επιταχύνσεων με την κατασκευή και την αύξηση των σεισμικών φορτίων σε επίπεδα που δεν είναι δυνατό, σε περίπτωση πολύ ισχυρού σεισμού, να παραληφθούν χωρίς ανελαστική συμπεριφορά της κατασκευής και τις συνεπακόλουθες ζημιές της. Έτσι, ο συμβατικός αντισεισμικός σχεδιασμός στηρίζεται στη πλαστιμότητα μιας κατασκευής για να μπορέσει να αντέξει διαδοχικούς κύκλους ανελαστικών παραμορφώσεων. ΠΠΜ 501: Προχωρημένη Ανάλυση Κατασκευών με Η/Υ 4

5 Αποφεύγεται έτσι η κατάρρευση και ενδεχομένως θύματα, αλλά επιτρέπονται σε περίπτωση ισχυρού σεισμού, ζημίες τόσο στα φέροντα όσο και στα μη φέροντα στοιχεία της κατασκευής, μέσω των οποίων αποσβένεται η σεισμική ενέργεια. Αυτός ο συμβιβασμός είναι αναγκαίος γιατί θα ήταν αντιοικονομικά και οικονομικά ακαλαίσθητη μια κατασκευή που θα σχεδιαζόταν να είναι τόσο ισχυρή που να μπορεί να παραλάβει ένα πολύ ισχυρό σεισμό χωρίς καμία ανελαστική παραμόρφωση. Επιπλέον, ακόμη και εάν η δυσκαμψία και η αντοχή της κατασκευής εξασφαλίσει την αποφυγή ζημιών στα φέροντα και μη φέροντα στοιχεία του φορέα, οι επιταχύνσεις της κατασκευής μπορεί να είναι καταστροφικές για τον ευαίσθητο εξοπλισμό που τυχόν στεγάζεται στο κτίριο. ΠΠΜ 501: Προχωρημένη Ανάλυση Κατασκευών με Η/Υ 5

6 Κλασικός Αντισεισμικός Σχεδιασμός Οι κώδικες συμβατικού αντισεισμικού σχεδιασμού στοχεύουν στο σχεδιασμό δομημάτων ικανών να ανθίστανται: σε ασθενείς σεισμικές δονήσεις εν τη απουσία βλαβών στο φέροντα οργανισμό, σε σεισμικές δονήσεις μεσαίου μεγέθους, υφιστάμενα όμως, περιορισμένες και επιδιορθώσιμες βλάβες σε φέροντα στοιχεία, σε ισχυρές σεισμικές δονήσεις, αποτρέποντας την κατάρρευση και αναπτύσσοντας εκτεταμένες δομικές βλάβες. Η κατασκευή πλήρως αντισεισμικών κτηρίων είναι ανέφικτη. 6

7 Παρατηρώντας ένα τυπικό φάσμα απόκρισης κάποιος θα μπορούσε να κάνει την κατασκευή πάρα πολύ εύκαμπτη, ώστε να ξεφύγει από τον ενδεχόμενο συντονισμό μετατοπίζοντας τη θεμελιώδη ιδιοπερίοδο του κτιρίου προς τα δεξιά. Ένα τέτοιο κτίριο ουσιαστικά θα μένει σχεδόν ακίνητο καθώς το έδαφος θα κινείται λόγω του σεισμού. Συνεπώς, το κτίριο αυτό θα έχει πολύ μικρές επιταχύνσεις και συνεπώς μικρές σεισμικές δυνάμεις αλλά θα έχει πολύ μεγάλες παραμορφώσεις των δομικών και μη δομικών στοιχείων του και τις συνεπαγόμενες ζημιές, μειώνοντας σημαντικά τη θεμελίωση ιδιοπερίοδο του. ΠΠΜ 501: Προχωρημένη Ανάλυση Κατασκευών με Η/Υ 7

8 Αν αντιθέτως, το κτίριο γίνει πάρα πολύ δύσκαμπτο θα αποφευχθούν οι μεγάλες παραμορφώσεις και αντίστοιχες ζημιές των στοιχείων του κτιρίου. Όμως το κτίριο ουσιαστικά θα είναι τόσο δύσκαμπτο που θα κινείται μαζί με το έδαφος θεμελίωσης. Συνεπώς, στο κτίριο θα αναπτύσσονται επιταχύνσεις ελαφρώς μεγαλύτερες της μέγιστης επιτάχυνσης του εδάφους που συχνά αυτό είναι καταστροφικό για εξοπλισμό και υπηρεσίες που τυχόν στεγάζονται στο κτίριο. ΠΠΜ 501: Προχωρημένη Ανάλυση Κατασκευών με Η/Υ 8

9 Η σεισμική μόνωση αντιμετωπίζει τους σεισμούς προσπαθώντας να μειώσει τα σεισμικά φορτία της κατασκευής εισάγοντας σεισμικά εφέδρανα στο επίπεδο της σεισμικής μόνωσης, ώστε να μετατοπιστεί η θεμελιώδης περίοδος μιας κατασκευής εκτός της περιοχής των κυριαρχουσών επιταχύνσεων του εδάφους αποφεύγοντας το συντονισμό και να μειωθεί σημαντικά η απόκριση της ανωδομής. ΠΠΜ 501: Προχωρημένη Ανάλυση Κατασκευών με Η/Υ 9

10 Φιλοσοφία Σεισμικής Μόνωσης Κάθε σύστημα, εύκαμπτο ή ολισθαίνον, το οποίο εισάγεται στη βάση ή σε ανώτερη στάθμη μιας κατασκευής, με σκοπό τον περιορισμό της απόκρισης της ανωδομής υπό σεισμικές διεγέρσεις. Μετάθεση θεμελιωδών ιδιοσυχνοτήτων εκτός του εύρους των δεσπόζουσων συχνοτήτων των σεισμικών διεγέρσεων Παροχή πρόσθετης απόσβεσης Σημαντική μείωση: Σχετικών μετακινήσεων ορόφων Απόλυτων επιταχύνσεων Εντατικής καταπόνησης 10

11 Με τη σεισμική μόνωση: οι απόλυτες επιταχύνσεις των ορόφων όσο και οι σχετικές μετακινήσεις μεταξύ των ορόφων μειώνονται σημαντικά οι παραμορφώσεις περιορίζονται στους σεισμικούς μονωτήρες, οι οποίοι σχεδιάζονται ειδικά για να μπορούν να παραλάβουν τέτοιες παραμορφώσεις προσφέροντας μάλιστα ψηλά επίπεδα απόσβεσης περιορίζονται σημαντικά οι βλάβες στην ανωδομή, η οποία κινείται, σαν στερεό σώμα ταυτόχρονα προστατεύεται σημαντικός εξοπλισμός που ενδεχομένως να στεγάζει το κτίριο λόγω των πολύ χαμηλών απόλυτων επιταχύνσεων του ορόφου ΠΠΜ 501: Προχωρημένη Ανάλυση Κατασκευών με Η/Υ 11

12 Φιλοσοφία Σεισμικής Μόνωσης Αντίτιμο Μεγάλες μετακινήσεις συστήματος μόνωσης. Οι σεισμικοί μονωτήρες είναι κατάλληλα σχεδιασμένοι ώστε να αναπτύσσουν τέτοιες μετακινήσεις, χωρίς να υφίστανται λειτουργικές βλάβες ή άλλες αστοχίες. 12

13

14 1. Ελαστομερικά Εφέδρανα: Κατηγορίες Σεισμικών Μονωτήρων Διατάξεις εναλλασσόμενων φύλλων ελαστομερούς (φυσικό καουτσούκ ή νεοπρένιο) και χαλύβδινων πλακών Υψηλή ευτμησία ελαστομερούς μετάθεση ιδιοπεριόδου 2. Συστήματα Ολίσθησης: FIP INDUSTRIALE Σχετική ολίσθηση μεταξύ επιφανειών πέραν μιας συγκεκριμένης δύναμης Ανάλωση ενέργειας ως απόρροια της τριβής 3. Υβριδικοί Μονωτήρες: Συνδυασμός ελαστομερικού εφεδράνου και συστήματος ολίσθησης σε μία ενιαία οντότητα Συγκερασμός ιδιοτήτων των δύο κατηγοριών συστημάτων μόνωσης Maurer Söhne 14

15 1. Κοινό Ελαστομερικό Εφέδρανο (NRB): Τύποι Ελαστομερικών Εφεδράνων Φύλλα ελαστομερούς Υψηλή ευτμησία Χαλύβδινες πλάκες Υψηλή δυστένεια Ιξώδης απόσβεση (ξ 2-5 %) 2. Ελαστομερικό Εφέδρανο Υψηλής Απόσβεσης (HDRB): Προσθήκη τεμαχιδίων άνθρακα, ελαίων, ρητινών και άλλων πληρωτικών ουσιών. Κατ εξοχήν υστερητικός μηχανισμός ανάλωσης ενέργειας (ξ 8-20 %) 3. Ελαστομερικό Εφέδρανο με Πυρήνα Μολύβδου (LRB): Εισαγωγή ενός ή περισσότερων πυρήνων μολύβδου Υψηλή υστερητική απόσβεση (ξ %) FIP INDUSTRIALE 15

16 Τύποι Συστημάτων Ολίσθησης Συστήματα Ολισθήσεως-Τριβής Υλικό Επιφάνειας Ολίσθησης: τεφλόν ή ανοξείδωτος χάλυβας Συστήματα Σφαιρικής Ολίσθησης Ιδιοπερίοδος κατασκευής: εξαρτάται από την ακτίνα καμπυλότητας του εφεδράνου υποστύλωμα Σφαιρική επιφάνεια Αρθρωτός ολισθητήρας υποστύλωμα Δύναμη επαναφοράς Συστήμα Σφαιρικής Ολίσθησης 16

17 Ελαστομερικά Εφέδρανα με Πυρήνα Μολύβδου (LRB): ΠΠΜ 501: Προχωρημένη Ανάλυση Κατασκευών με Η/Υ 17

18 Μη Γραμμική Διατμητικη Συμπεριφορά Μονωτήρων LRBs 1. Διγραμμικός καταστατικός νόμος Μη γραμμική, συνήθως διγραμμική συμπεριφορά Υψηλή ελαστική δυστμησία K el Χαμηλή μετελαστική δυστμησία K py 18

19 2. Γραμμικοποιημένος καταστατικός νόμος Ενεργός δυστμησία Ισοδύναμη ιξώδης απόσβεση 19

20 3. Υστερητικό μοντέλο Bouc-Wen Προσομοιάζει με το διγραμμικό καταστατικό νόμο Διαφοροποίηση: Ομαλή μετάβαση από την ελαστική στη μετελαστική περιοχή αντί ακαριαίας μετάπτωσης Υιοθετείται σε ποικίλες εφαρμογές μηχανικής Χρησιμοποιείται για την προσομοίωση των LRBs 20

21 Εφαρμογές Σεισμικής Μόνωσης Αρχική ιδέα: Dr. Calantarients (1909) 1 η Εφαρμογή σεισμικής μόνωσης με εφέδρανα Pestalozzi School Σκόπια 21

22 ΠΠΜ 501: Προχωρημένη Ανάλυση Κατασκευών με Η/Υ 22

23 Εφαρμογές Σεισμικής Μόνωσης στις ΗΠΑ 23

24 Εφαρμογές Σεισμικής Μόνωσης στην Ιαπωνία 24

25 Εφαρμογές Σεισμικής Μόνωσης στη Νέα Ζηλανδία 25

26 Εφαρμογές Σεισμικής Μόνωσης στην Ιταλία 26

27 Εφαρμογές Σεισμικής Μόνωσης στη Ρωσσία 27

28 Εφαρμογές Σεισμικής Μόνωσης στη Ρωσσία 28

29 1. Κτηριακές Κατασκευές: Mall of Cyprus Φέρον οργανισμός: υπόγειο Ο/Σ και μεταλλική ανωδομή Εισαγωγή HDRBs στις κεφαλές των υποστυλωμάτων του υπογείου ITTL - Trade Tourist & Leisure Park Διώροφη μεταλλική κατασκευή με υπόγειο Ο/Σ Μη κανονικότητες σε όψη και κάτοψη Εφέδρανα HDRBs στις στέψεις των τοιχίων Εφέδρανα FPSs στις κεφαλές των υποστυλωμάτων Έργα γεφυροποιίας υπεραστικού δρόμου Λεμεσού LRBs με δύο πυρήνες μολύβδου FPSs Εφαρμογές Σεισμικής Μόνωσης στην Κύπρο 29

30 Θερμές ευχαριστίες στους φοιτητές μου για το υλικό αυτής της παρουσίασης: Βαρνάβα Βαρνάβα, M.Sc Ευτυχία Μαυρονικόλα, M.Sc Παναγιώτης Πολυκάρπου, Ph.D ΠΠΜ 501: Προχωρημένη Ανάλυση Κατασκευών με Η/Υ 30