Πανίκος ΠΑΠΑ ΟΠΟΥΛΟΣ 1

3 o Πανελλήνιο Συνέδριο Αντισεισµικής Μηχανικής & Τεχνικής Σεισµολογίας 5 7 Νοεµβρίου, 2008 Άρθρο 1936 νίσχυση κτιρίων οπλισµένου σκυροδέµατος µε ειδικά µεταλλικά αντισεισµικά στοιχεία, τοποθετηµένα µε παρεµβολή ειδικού συνθετικού υλικού Strengthening RC buildings with the placement of Special Steel Anti-seismic Elements attached with the interposition of special elastic material Πανίκος ΠΑΠΑ ΟΠΟΥΛΟΣ 1 ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Τα τελευταία χρόνια πολλοί ερευνητές προτείνουν, την µερική ή ολική αντικατάσταση των αντισεισµικών τοιχωµάτων σε κτίρια Ο/Σ µε την εφαρµογή Ειδικών Μεταλλικών Αντισεισµικών Στοιχείων (ΕΜΑΣ), τα οποία προσδίδουν πρόσθετη δυσκαµψία και απόσβεση. Τα πλεονεκτήµατα µιας τέτοιας επιλογής φαίνεται να είναι αρκετά, ώστε η ιδέα να κατακτά όλο και περισσότερο έδαφος. Στην παρούσα εργασία µελετάται η δυνατότητα σύνδεσης των στοιχείων αυτών (Ε.Μ.Α.Σ) µε τον υπόλοιπο σκελετό Ο/Σ µέσω της παρεµβολής κατάλληλου συνθετικού υλικού και γίνεται σύγκριση της σύνδεσης αυτής µε την αντίστοιχη στερεή-ακλόνητη σύνδεση. Η επιλογή αυτή από κατασκευαστική άποψη λόγω της απλότητάς της έχει σηµαντικό πλεονέκτηµα ιδιαίτερα για την ενίσχυση υπαρχόντων κατασκευών. Έγιναν παραµετρικές αναλύσεις µε τη µέθοδο PushOver µέχρι την στιγµή της αστοχίας, σε χαρακτηριστικές διατάξεις στοιχείων ΕΜΑΣ, για διαφορετικό τρόπο σύνδεσής τους µε τον υπόλοιπο φορέα. Από τις αναλύσεις διαπιστώθηκε ότι η παρεµβολή του συνθετικού ελαστικού αποµακρύνει κατά κανόνα, το ενδεχόµενο πρόωρης αστοχίας των ΕΜΑΣ από λυγισµό. ABSTRACT: Nowadays, many researchers propose the use of Special Anti seismic Steel Structural Elements (SASSEs) in lieu of concrete shear walls to increase the stiffness of a structure and also increase the energy absorption during earthquakes. The advantages of this method appear to be significant. In this paper the use of rubber material between the SASSEs and the structural load resisting elements is being examined. Using various parameters and different interposition arrangements, push over analyses have been carried out up to failure conditions. The analyses results lead to useful conclusions including the observation that the interposition of the rubber material reduces the possibility of early failure of the SASSEs due to buckling. 1 Επ. Καθηγητής, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Α.Π.Θ., email: paniko@civil.auth.gr

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ένας µεγάλος τοµέας των εξελίξεων στην αντισεισµική ενίσχυση της ανωδοµής των κατασκευών αφορά στην προσάρτηση Ειδικών Μεταλλικών Αντισεισµικών Στοιχείων (ΕΜΑΣ), η οποία έχει χρησιµοποιηθεί και δοκιµαστεί σε πολλές χώρες. Οι έως τώρα εφαρµογές των στοιχείων αυτών έχουν ήδη αναδείξει τις µεγάλες δυνατότητες της νέας αυτής προσέγγισης στον αντισεισµικό σχεδιασµό νέων, αλλά και τον επανασχεδιασµό και την ενίσχυση υφιστάµενων κατασκευών. Κύριο πλεονέκτηµα των στοιχείων αυτών, είναι ότι καθιστούν προβλέψιµη την αναµενόµενη σεισµική βλάβη και παράλληλα εύκολα επισκευάσιµη. Τα ΕΜΑΣ µπορούν να τοποθετηθούν σε επιλεγµένα φατνώµατα σε κάθε όροφο και η µορφή τους µπορεί να ποικίλει. Απαιτούν ελάχιστη συντήρηση και προσφέρουν µια αξιόπιστη λύση, ενώ ταυτόχρονα µπορούν και προσαρµόζονται εύκολα στις αρχιτεκτονικές και λειτουργικές ανάγκες ενός κτιρίου. Τα στοιχεία αυτά κατατάσσονται στα συστήµατα παθητικού ελέγχου και µπορούν να προσδίδουν πρόσθετη δυσκαµψία και παράλληλα να προσφέρουν υψηλή ικανότητα διάχυσης της σεισµικής ενέργειας. Στα πλαίσια της βελτίωσης της σεισµικής συµπεριφοράς των κατασκευών µε την προσθήκη των ΕΜΑΣ αντί των καθιερωµένων αντισεισµικών τοιχωµάτων, σηµαντική πρέπει να θεωρηθεί και η πρόταση µιας «τυχαίας» καθ ύψος τοποθέτησης τους. Σε προηγούµενες ερευνητικές εργασίες (Αθανατοπούλου 1996, Παπαδόπουλος 1999, Papadopoulos 2002) µελετήθηκε η δυνατότητα µιας τυχαίας καθ ύψος τοποθέτησης των αντισεισµικών στοιχείων, σε αντίθεση µε την καθιερωµένη κατακόρυφη διάταξη. Παρατηρήθηκε σηµαντική βελτίωση της σεισµικής συµπεριφοράς του κτιρίου για την επιλογή αυτή. Η ερµηνεία βρίσκεται στο γνωστό φαινόµενο της «λειτουργίας προβόλου», στην περίπτωση της κατακόρυφης διάταξης των αντισεισµικών τοιχωµάτων, η οποία έχει ως αποτέλεσµα τα αντισεισµικά τοιχώµατα να είναι ουσιαστικά ανενεργά στους µεσαίους ορόφους και πολλές φορές να επιβαρύνουν τους υψηλούς ορόφους. Αποδείχθηκε ότι η τυχαία καθ ύψος διάταξη των αντισεισµικών στοιχείων αίρει την αδυναµία αυτή, περιορίζοντας την αναµενόµενη σεισµική βλάβη µέχρι και 30%, σε σχέση µε την περίπτωση της κατακόρυφης διάταξης. ΙΑΤΑΞΕΙΣ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΤΩΝ ΦΟΡΕΩΝ ΜΕ ΜΕΤΑΛΛΙΚΕΣ ΡΑΒ ΟΥΣ Η ερευνητική δραστηριότητα στον τοµέα της αντισεισµικής ενίσχυσης της ανωδοµής των κατασκευών έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη ποικιλίας µεθόδων και για την αντισεισµική ενίσχυση των κτιρίων µε πρόσθετα µεταλλικά στοιχεία. (Bergman M. 1987, Marioni A. 1996 και 1999, Chang C. 1993, Tremblay R. 1993, Nims K. 1993). Με κατάλληλο σχεδιασµό των διατάξεων ενίσχυσης, αυτοί µπορούν να αποκτήσουν την επιθυµητή δυσκαµψία και πλαστιµότητα Jurukovski1988 (σχήµα 1β). Στη πιο απλή της έκδοση η µεταλλική ενίσχυση σχεδιάζεται κατάλληλα ώστε επιλεγµένα τµήµατα της να καταπονούνται και σε κάµψη, προσφέροντας έτσι την επιθυµητή ευκαµψία αλλά και πλαστιµότητα. Τα τµήµατα αυτά της ενίσχυσης σχεδιάζονται ώστε να είναι τα πρώτα που αστοχούν σε ισχυρό σεισµό. 2

Μπορούµε να κατατάξουµε τις ενισχύσεις αυτές σε 3 κατηγορίες: 1. Κεντρικές ενισχύσεις άµεσης λειτουργίας. Στα στοιχεία της διάταξης αναπτύσσονται µόνο αξονικές δυνάµεις (Σχήµα 1α). 2. Έκκεντρες ενισχύσεις µε µικρή ή µεγαλύτερη πλάστιµη συµπεριφορά. Η διάταξη καταπονείται παράλληλα και σε κάµψη, σε κατάλληλα επιλεγµένη περιοχή της (Σχήµα 1β). 3. Ενισχύσεις, µε ταυτόχρονη παρεµβολή διατάξεων παθητικής διάχυσης της ενέργειας (Σχήµα 1γ). Η επιλογή χιαστή διαγωνίων ράβδων άµεσης λειτουργίας χωρίς πλάστιµη συµπεριφορά ή χωρίς διατάξεις διάχυσης της ενέργειας, παρουσιάζει τα εξής σηµαντικά µειονεκτήµατα: Ο κίνδυνος για πρόωρες αστοχίες των ράβδων ενίσχυσης, σε λυγισµό και εφελκυσµό, οδηγεί σε µεγάλες απαιτήσεις στις διατοµές των ράβδων αυτών. Ο φορέας γίνεται δύσκαµπτος, έχει µικρότερη ιδιοπερίοδο και ως εκ τούτου ενεργοποιεί µεγαλύτερο σεισµικό φορτίο. εν αξιοποιείται η διαθέσιµη καµπτική ικανότητα του συνεργαζόµενου πλαισιακού φορέα Ο/Σ τόσο για ανάληψη σεισµικών φορτίων όσο και για την διάχυση της σεισµικής ενέργειας. Ο φορέας γίνεται µη πλάστιµος και κατά συνέπεια υπάρχει απαίτηση για µικρότερη τιµή του συντελεστή συµπεριφοράς q. (α) Σχήµα 1. Μορφές µεταλλικών ενισχύσεων (β) (γ) Τα πιο πάνω µειονεκτήµατα των απλών µεταλλικών ενισχύσεων, µπορούν να αντιµετωπισθούν µε τους παρακάτω τρόπους: 1. Με κατάλληλο σχεδιασµό των διατάξεων ενίσχυσης ώστε να αποκτούν την επιθυµητή ευκαµψία και πλαστιµότητα (Jurukovski D.1988, Ciampi, V 1993,1995, Saeid Sabouri-Ghomi 2005 (Σχήµα 1β). 2. Με προσθήκη σε κατάλληλες θέσεις κατάλληλων απλών διατάξεων απόσβεσης ενέργειας, υστερητικές διατάξεις, (Σχήµα 1γ). Με τον τρόπο αυτό τα ΕΜΑΣ αποκτούν την απαιτούµενη ευκαµψία και παράλληλα µπορούν να απορροφούν σηµαντική ποσότητα σεισµικής ενέργειας χωρίς να αστοχούν. 3

3. Με την παρεµβολή κατάλληλου συνθετικού ελαστικού υλικού ανάµεσα στα ΕΜΑΣ και τα στοιχεία Ο/Σ. Στην περίπτωση αυτή η ενεργοποίηση της ενίσχυσης γίνεται σε δεύτερο χρόνο, που εξαρτάται από το πάχος του παρεµβαλλόµενου υλικού και την δυσκαµψία του φορέα. Οι υστερητικές διατάξεις που έχουν αναπτυχθεί µέχρι σήµερα µπορούν να ταξινοµηθούν σε διατάξεις διαρροής και τριβής. Οι διατάξεις διαρροής βασίζονται στην απόσβεση της ενέργειας του σεισµού µέσω της πλαστικοποίησης των διατοµών, σε προεπιλεγµένες θέσεις. Με κατάλληλο σχεδιασµό, τα ΕΜΑΣ διαθέτουν την επιθυµητή δυσκαµψία αλλά και πλαστιµότητα (Μητσοπούλου Ε. 1999), ώστε να είναι τα πρώτα που αστοχούν-διαρρέουν σε ισχυρό σεισµό. Οι αποσβεστήρες τριβής αποτελούν µηχανισµούς, οι οποίοι καταναλώνουν την ενέργεια µέσω τριβής. Η λειτουργία τους στηρίζεται στη µετατροπή ενέργειας σε θερµότητα λόγω της τριβής. Σχήµα 2. Αποσβεστήρας περιστροφικών συνδέσµων τριβής (τύπου PFD). Οι δυνατότητες απόσβεσης ενέργειας µέσω τριβής, µπορεί να επιτευχθεί µε τη χρήση περιστροφικών συνδέσµων τριβής (Pall A. S. 1982) (Σχήµα 2). Οι συνδέσεις αποτελούνται από δακτυλίους τριβής που κοχλιώνονται στους χαλύβδινους δίσκους και τους δακτυλίους διανοµής, µε υψηλής αντοχής κοχλίες. Η αντοχή των διατάξεων εξαρτάται από το υλικό, τις διαστάσεις των δακτυλίων τριβής και της πίεσης που εφαρµόζεται από τους κοχλίες. ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΕΛΑΣΤΙΚΟΥ ΣΥΝΘΕΤΙΚΟΥ ΥΛΙΚΟΥ Η εργασία αυτή σκοπό έχει να διερευνήσει και να αναδείξει ενδεχοµένως την δυνατότητα της τρίτης από τις ανωτέρω επιλογές, της παρεµβολής δηλαδή κατάλληλου συνθετικού ελαστικού υλικού ανάµεσα στα ΕΜΑΣ και τα στοιχεία Ο/Σ. Η τοποθέτηση των ΕΜΑΣ µε παρεµβολή ελαστικού υλικού επιτρέπει στην κατασκευή να διατηρήσει την πλαστιµότητά της και η ενίσχυση να λειτουργήσει σταδιακά σε δεύτερο χρόνο για την προστασία έναντι βλάβης και αστοχίας. Τρόποι σύνδεσης των συστηµάτων ΕΜΑΣ µέσα στο πλαίσιο οπλισµένου σκυροδέµατος Η σύνδεση των ΕΜΑΣ µε τα στοιχεία Ο/Σ πρέπει να είναι αρκετά ισχυρή ώστε να µεταφέρει ακίνδυνα τα φορτία µεταξύ του µεταλλικού σκελετού των ΕΜΑΣ και των στοιχείων Ο/Σ του πλαισίου. Αυτό ισχύει τόσο για τις νέες κατασκευές οπλισµένου σκυροδέµατος, όσο και για τις διατάξεις που εφαρµόζονται µετά την ολοκλήρωση της κατασκευής, δηλαδή σε 4

υφιστάµενα κτίρια. ιάφοροι τρόποι σύνδεσης και των δύο τύπων παρουσιάζονται στο Σχήµα 3. (α) (β) (γ) Σχήµα 3. Λεπτοµέρειες στα σηµεία σύνδεσης: (α) στερεές συνδέσεις κατά την σκυροδέτηση νέας κατασκευής, (β) στερεές συνδέσεις σε υπάρχοντα πλαίσια, (γ) συνδέσεις µε παρεµβολή συνθετικού υλικού και παράλληλη αγκύρωση. Σχήµα 4. Το συνθετικό υλικό Silicone rubber παραµορφώνεται σε θλίψη σε διάφορους ανοδικούς κλάδους ανάλογα µε το ποσοστό των Graphite nanosheet που περιέχει. 5

Συνθετικό υλικό (Silicone rubber/graphite nanosheet ).Ανάλογα µε την διάταξη που επιλέγεται προκύπτουν και οι απαιτήσεις ως προς την ποιότητα και τα λοιπά χαρακτηριστικά του συνθετικού υλικού. Στο Σχήµα 4 φαίνεται πως το συνθετικό υλικό Silicone rubber παραµορφώνεται σε θλίψη σε διάφορους ανοδικούς κλάδους ανάλογα µε το ποσοστό των Graphite nanosheet που περιέχει. Για τις αναλύσεις που θα ακολουθήσουν επιλέγεται το υλικό Silicone rubber vol 0% επιλέγοντας να έχουµε µέγιστες παραµορφώσεις γύρω στο 50% του πάχους του υλικού µας. Μοντελοποίηση Το συνθετικό υλικό θα το προσοµοιώσουµε µε δύο παράλληλα στοιχεία GAP και η αγκύρωση των ΕΜΑΣ µε στοιχείο HOOK στοιχεία τα οποία παρέχει το πρόγραµµα SAP2000 και το οποίο θα χρησιµοποιηθεί για τις αναλύσεις που ακολουθούν. Τα στοιχεία GAP και HOOK λειτουργούν µόνο σε θλίψη και εφελκυσµό αντίστοιχα και έχουν µη γραµµικές ιδιότητες σύµφωνα µε το σχήµα 5. open open Στοιχείο GAP f =k(d+open) για d+open<0 όπου open το αρχικό άνοιγµα και k η σταθερά του ελατηρίου GAP HOOK Στοιχείο HOOK f =k(d-open) για d-open>0 όπου open το αρχικό άνοιγµα και k η σταθερά του ελατηρίου Σχήµα 5. Στοιχεία GAP και HOOK Το συνθετικό υλικό λειτουργεί µόνο σε θλίψη, µε συντελεστή δυσκαµψίας k 1, µέχρι µια µέγιστη επιτρεπτή συµπίεση που θεωρήθηκε ότι µπορεί να είναι ίση µε το ήµισυ του πάχους t του συνθετικού υλικού. Προσδιορίζοντας για το στοιχείο GAP1 το άνοιγµα open=0,002 καθορίζεται το µήκος της θλιπτικής παραµόρφωσης που θεωρήθηκε ότι απαιτείται για την ενεργοποίηση της θλιπτικής αντίδρασης και η κλίση του κλάδου εκφράζει την δυσκαµψία k 1. Για το στοιχείο GAP2 ελήφθη τιµή για το άνοιγµα open = t / 2 η οποία καθορίζει την µέγιστη επιτρεπτή συµπίεση που µπορεί να εµφανιστεί στο συνθετικό υλικό και η δυσκαµψία k 2 του στοιχείου GAP2 επιλέγεται µεγάλη ώστε πρακτικά να µην επιτρέπονται µεγαλύτερες θλιπτικές παραµορφώσεις (σχήµα 6). -P -P -P - L - L - L GAP1 GAP2 GAP1+ GAP2 Σχήµα 6. Μοντελοποίηση του σύνθετου υλικού. ιάγραµµα δύναµης παραµόρφωσης σε θλίψη. 6

Η αγκύρωση των ΕΜΑΣ στον πλαισιακό φορέα, θα προσοµοιωθεί όπως αναφέρθηκε µε στοιχείο HOOK το οποίο δεν ενεργοποιείται σε θλίψη. Λειτουργεί µόνο σε εφελκυσµό και θεωρήθηκε ότι ενεργοποιείται άµεσα (open=0). Η ανελαστική Pushover Analysis γίνεται µε το πρόγραµµα Sap2000 µε την θεώρηση ότι πιθανά σηµεία εµφάνισης πλαστικών αρθρώσεων είναι τα άκρα των στοιχείων του φορέα. Στο µοντέλο µας, και για τα στοιχεία του πλαισιακού φορέα από Ο/Σ, οι µεν δοκοί πλαστικοποιούνται λόγω ροπής, τα δε υποστυλώµατα λόγω αλληλεπίδρασης ροπής και αξονικού φορτίου. Στα µεταλλικά στοιχεία των ΕΜΑΣ, τα διαγώνια στοιχεία διαρρέουν µόνο λόγω αξονικής καταπόνησης, στο εξωτερικό πλαίσιο των ΕΜΑΣ έχουµε πλαστικοποίηση λόγω ροπής και στο εσωτερικό τετράγωνο η πλαστικοποίηση γίνεται λόγω της ροπής τριβής που αναπτύσσεται στους κοχλίες περίσφιξης περιστροφικών συνδέσµων τριβής (Pall A. S. 1982) (Σχήµα 2). ΠΑΡΑΜΕΤΡΙΚΗ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ Στην συνέχεια θα γίνει παραµετρική διερεύνηση των επιπτώσεων που έχει η παρεµβολή του συνθετικού υλικού ανάµεσα στα στοιχεία Ο/Σ του φορέα και των ΕΜΑΣ, στην συνολική απόκριση του φορέα. Η απόκριση υπολογίζεται για διάφορα πάχη του συνθετικού υλικού και θα αξιολογηθούν τα οφέλη αλλά και οι απώλειες που δηµιουργούνται. Θα µελετηθούν τρεις παραλλαγές ως προς τον τρόπο στερέωσης των ΕΜΑΣ: 1. Κλασσική στερεή σύνδεση (ΣΣ) όπου έχουµε άµεση ενεργοποίηση των ΕΜΑΣ και κοινές µετατοπίσεις στους κόµβους του φορέα Ο/Σ και της µεταλλικής ενίσχυσης. 2. Απλή παρεµβολή του συνθετικού υλικού (ΣΥ), χωρίς αγκύρωση των κόµβων των ΕΜΑΣ µε τα στοιχεία Ο/Σ, υποστύλωµα δοκός. Στην περίπτωση αυτή αναπτύσσονται µόνο θλιπτικές δυνάµεις στα σηµεία σύνδεσης των ΕΜΑΣ και του πλαισιακού φορέα και συγχρόνως εµφανίζεται ένα «φρενάρισµα» στην διατιθέµενη συµπίεση του υλικού παρεµβολής. 3. Τοποθέτηση των ΕΜΑΣ µε παρεµβολή του συνθετικού υλικού και παράλληλη αγκύρωση (ΣΥ-ΠΑ) των κόµβων του ΕΜΑΣ µε τα στοιχεία Ο/Σ. Η εξωτερική αγκύρωση ενεργοποιείται άµεσα στην περίπτωση του εφελκυσµού χωρίς να εµποδίζεται η αντίθετη κίνηση όπου ενεργοποιείται το συνθετικό υλικό. Οι εφαρµογές θα γίνουν στους τέσσερις διαφορετικούς τύπους ΕΜΑΣ Χιαστή διάταξη Χιαστή διάταξη και εξωτερικό πλαίσιο. Το εξωτερικό πλαίσιο εξασφαλίζει την στερεότητα του υποφορέα ενίσχυσης και εξασφαλίζει την συνεργασία ανάµεσα στην θλιβόµενη και εφελκούµενη ράβδο. Χιαστή διάταξη, εξωτερικό πλαίσιο και εσωτερικό πλαίσιο που προσδίδει την επιθυµητή πλάστιµη συµπεριφορά. Χιαστή διάταξη, µε εσωτερικό πλαίσιο που προσδίδει την επιθυµητή πλάστιµη συµπεριφορά (διάταξη χωρίς το εξωτερικό πλαίσιο). 7

Εφαρµογή Σε παράλληλες µελέτες της συµπεριφοράς των ΕΜΑΣ τόσο σε συµµετρικό χωρικό φορέα όσο και σε ασύµµετρο, απεδείχθη ότι η τυχαία διάταξη των ΕΜΑΣ σε πλαισιακούς φορείς από Ο/Σ αυτονοµεί σε ικανοποιητικό βαθµό την στατική συµπεριφορά των ορόφων. Το γεγονός αυτό παρέχει δυνατότητα γρήγορης και εποπτικής προµελέτης του φορέα. Αξιοποιώντας την παραπάνω παρατήρηση η διερεύνηση που ακολουθεί εφαρµόζεται στον επίπεδο φορέα του σχήµατος (7) και οι επιλύσεις αφορούν οριζόντια σταδιακά αυξανόµενη φόρτιση - αναλύσεις PushOver. z Σχήµα 7. Πλαισιακός φορέας µε ενίσχυση ΕΜΑΣ x εδοµένα: (α) πλαισιακού φορέα Υποστυλώµατα: 30/30 ( 8Φ14) οκοί: 25/60 (3Φ14 αν. 3Φ12 κ) (β) ΕΜΑΣ ιαγώνιοι D=100 t=4,35 Εξωτ. Πλαίσιο: 80/100 t=4,35 Εσωτ. Τετράγωνο: 60/120 Ροπές περιστροφής: 30/50/70/90 Η αντισεισµική ικανότητα του φορέα στηρίζεται παράλληλα στον πλαισιακό φορέα (ΠΛ) και στα πρόσθετα στοιχεία ΕΜΑΣ. Επιλύσεις (α) Πλαισιακός φορέας Επιλέχθηκαν οι διατοµές και οι οπλισµοί των στύλων και υπολογίστηκαν µε τη διαδικασία PushOver η µέγιστη αναλαµβανόµενη τέµνουσα 320 kn σε οριακή µετακίνηση 51 χιλ. (β) Πλαισιακός φορέας ενισχυµένος µε στοιχεία ΕΜΑΣ Εγιναν διαδοχικές επιλύσεις µε τη διαδικασία PushOver για τις τέσσερις διαφορετικές επιλογές στα στοιχεία ΕΜΑΣ και για τις τρεις διαφορετικές επιλογής στερέωσής τους µε τον πλαισιακό φορέα. Για την επιλογή των ΕΜΑΣ µε το εσωτερικό τετράγωνο, έχουµε 4 διαφορετικές παραλλαγές ΕΜΑΣ30, ΕΜΑΣ50, ΕΜΑΣ70 και ΕΜΑΣ90 ανάλογα µε την δυσκαµψία που προσφέρει η διαφορετική δύναµη περίσφιξης, η οποία και δίδει ροπές περιστροφής 30, 50, 70 και 90 kνm αντίστοιχα. Τα αποτελέσµατα των αναλύσεων αυτών παρουσιάζονται στον Πίνακα 1. Κατά σειρά παρουσίασης αναφέρονται η µέγιστη αναλαµβανόµενη τέµνουσα του φορέα Q φορέα, η µετακίνηση uo, την στιγµή της πρώτης αστοχίας από λυγισµό της διαγωνίου εφόσον συµβαίνει και η τελική αστοχία του φορέα uαστ. Στην συνέχεια υπάρχει η στήλη «λυγισµός» όπου σηµειώνεται αν η αστοχία προήλθε από λυγισµό και ακολουθεί µια εκτίµηση για την πλάστιµη απόδοση του φορέα. Ο πίνακας τέλος έχει την µέγιστη δύναµη που αναπτύχθηκε στις διαγωνίους ράβδους των ΕΜΑΣ. 8

Στην συνέχεια σχολιάζονται ξεχωριστά τα αποτελέσµατα για κάθε τύπο ΕΜΑΣ για καθένα από τους τρεις διαφορετικούς τρόπους σύνδεσης τους µε τον πλαισιακό φορέα. Στερεά σύνδεση: πρόωρη αστοχία σε λυγισµό µικρή διαθέσιµη πλαστιµότητα Παρεµβολή ΣΥ: βελτιώνει την συµπεριφορά και το κατάλληλο πάχος του υλικού αναιρεί τον λυγισµό προσφέροντας ικανοποιητική πλάστιµη συµπεριφορά στον φορέα. Στερεά σύνδεση: πρόωρη αστοχία σε λυγισµό µικρή διαθέσιµη πλαστιµότητα Παρεµβολή ΣΥ-ΠΑ: βελτιώνει την συµπεριφορά και το κατάλληλο πάχος του υλικού αναιρεί τον λυγισµό χωρίς όµως να παρέχεται ικανοποιητική πλάστιµη συµπεριφορά στον φορέα. Παρεµβολή ΣΥ: Ικανοποιητική πλάστιµη συµπεριφορά, Αστοχία σε λυγισµό σε δεύτερο χρόνο. Στερεά σύνδεση: χωρίς κίνδυνο σε λυγισµό πολύ καλή διαθέσιµη πλαστιµότητα για σχετικά εύκαµπτο εσωτερικό τετράγωνο. Αστοχία σε λυγισµό για δύσκαπτο εσωτερικό τετράγωνο. Παρεµβολή ΣΥ-ΠΑ: άριστη πλάστιµη συµπεριφορά Παρεµβολή ΣΥ: πολύ καλή πλάστιµη συµπεριφορά, Αστοχία σε λυγισµό σε δεύτερο χρόνο. Στερεά σύνδεση: χωρίς κίνδυνο σε λυγισµό πολύ καλή διαθέσιµη πλαστιµότητα για σχετικά εύκαµπτο εσωτερικό τετράγωνο. Αστοχία σε λυγισµό για δύσκαπτο εσωτερικό τετράγωνο. Παρεµβολή ΣΥ-ΠΑ: άριστη πλάστιµη συµπεριφορά Παρεµβολή ΣΥ: πολύ καλή πλάστιµη συµπεριφορά, Αστοχία σε λυγισµό σε δεύτερο χρόνο. 9

ΤΥΠΟΣ ΕΜΑΣ πάχος ΣΥ Πίνακας 1: Αποτελέσµατα αναλύσεων αγκύρ ωση Q φορέα u o u αστ. mm mm mm λυγισ µός πλαστι µότητα ΓΥΜΝΟΣ 320 51 51 διαγών ιος (-) διαγών ιος(+) 0 ΝΑΙ 810 12 51 320 480 10 ΝΑΙ 970 28 49 320 480 20 ΝΑΙ 960 43 43 320 480 30 ΝΑΙ 920 51 53 240 480 40 ΝΑΙ 910 51 53 220 480 50 ΝΑΙ 890 51 53 180 480 >100 ΝΑΙ 760 50 52 0 480 0 ΝΑΙ 850 14 51 320 480 10 ΝΑΙ 970 25 38 320 480 40 ΝΑΙ 970 30 30 310 470 150/45 10 OXI 720 32 50 320 0 20 OXI 720 47 47 320 160 70 0 ΝΑΙ 880 51 53 320 320 70 5 ΝΑΙ 880 51 53 320 320 70 10 ΝΑΙ 880 51 53 320 320 90 0 ΝΑΙ 930 20 42 360 360 90 5 ΝΑΙ 930 26 44 360 400 90 10 ΝΑΙ 930 31 42 360 400 90 20 ΝΑΙ 960 42 42 360 400 90 30 ΝΑΙ 900 50 50 320 380 90 40 ΝΑΙ 860 50 52 240 340 90 50 ΝΑΙ 810 51 53 240 340 30 0 ΝΑΙ 580 50 52 140 140 50 0 ΝΑΙ 760 50 53 230 230 70 0 ΝΑΙ 890 51 53 320 320 70 10 ΝΑΙ 890 51 53 320 320 70 20 ΝΑΙ 890 51 53 320 320 70 10 OXI 890 51 53 320 320 70 20 OXI 720 51 53 280 230 90 0 ΝΑΙ 950 20 43 360 360 90 10 ΝΑΙ 960 29 29 360 400 90 20 ΝΑΙ 920 33 33 360 400 90 10 OXI 890 44 44 360 280 90 20 OXI 740 51 53 320 200 Ακολουθούν διαγράµµατα της τέµνουσας βάσης και της µετατόπισης όπως προέκυψαν από τις PushOver αναλύσεις καθώς και η χρονοϊστορία των αξονικών δυνάµεων των διαγωνίων ράβδων των ΕΜΑΣ σε σχέση µε την µετατόπιση σε χαρακτηριστικές από τις επιλύσεις που έγιναν. 10

Σχήµα 8. Τύπος ΕΜΑΣ : πλάστιµη συµπεριφορά. Στερεά σύνδεση - Πρόωρη αστοχία από λυγισµό - κακή Σχήµα 9. Τύπος ΕΜΑΣ : Συνθετικό υλικό πάχους t=10mm καθυστέρηση της αστοχία από λυγισµό µέτρια πλάστιµη συµπεριφορά Σχήµα 10. Τύπος ΕΜΑΣ : Συνθετικό υλικό πάχους t=30mm χωρίς αστοχία από λυγισµό - ο φορέας εξαντλεί την διαθέσιµη πλάστιµη συµπεριφορά του. 11

Σχήµα 11. Τύπος ΕΜΑΣ : Συνθετικό υλικό πάχους t=40mm αστοχία πρώτα από εφελκυσµό - µέτρια πλάστιµη συµπεριφορά. Σχήµα 12. Τύπος ΕΜΑΣ : Συνθετικό υλικό πάχους t=20mm και χωρίς παράλληλη αγκύρωση αστοχία από λυγισµό σε δεύτερο χρόνο - καλή πλάστιµη συµπεριφορά. Σχήµα 13. Τύπος ΕΜΑΣ : Συνθετικό υλικό πάχους t=10mm καθυστέρηση της αστοχία από λυγισµό καλή πλάστιµη συµπεριφορά 12

Σχήµα 14. Τύπος ΕΜΑΣ 90: Συνθετικό υλικό πάχους t=30mm χωρίς αστοχία από λυγισµό πολύ καλή πλάστιµη συµπεριφορά Σχήµα 15. Τύπος ΕΜΑΣ 90: πλάστιµη συµπεριφορά Συνθετικό υλικό πάχους t=20mm αστοχία από λυγισµό καλή Σχήµα 16. Τύπος ΕΜΑΣ 90: Συνθετικό υλικό πάχους t=20mm χωρίς παράλληλη αγκύρωση ενεργοποίηση του ΕΜΑΣ σε δεύτερο χρόνο - ο φορέας εξαντλεί την διαθέσιµη πλάστιµη συµπεριφορά του. 13

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Τα πλεονεκτήµατα που προκύπτουν από την αντικατάσταση των αντισεισµικών τοιχωµάτων µε Ειδικά Μεταλλικά Αντισεισµικά Στοιχεία (ΕΜΑΣ) εφόσον σχεδιαστούν κατάλληλα, είναι πολλά και µπορούν να οδηγήσουν σε οικονοµικότερες και ασφαλέστερες κατασκευές. Οι τρόποι σύνδεσης των στοιχείων αυτών µέσα στο πλαίσιο οπλισµένου σκυροδέµατος αποτελεί ένα ευαίσθητο σηµείο. Οι στέρεες συνδέσεις φαίνεται να είναι η καλύτερη επιλογή σε νέες κατασκευές, αρκεί να επιλέγονται οι κατάλληλες διατάξεις στα ΕΜΑΣ που να αποτρέπουν την πρόωρη αστοχία σε θλίψη. Από την παραµετρική διερεύνηση που έγινε απεδείχθη ότι η παρεµβολή ελαστικού υλικού µε παράλληλη µονόπλευρη αγκύρωση των κόµβων του φορέα και του ΕΜΑΣ συµβάλλει στην αποτροπή µιας πρόωρης αστοχίας σε θλίψη και αυξάνει την διατιθέµενη πλαστιµότητα του συστήµατος. Για την ενίσχυση υφιστάµενων κατασκευών απεδείχθη ότι η τοποθέτηση των ΕΜΑΣ µπορεί να επιλέγεται να γίνεται µε απλή παρεµβολή συνθετικού υλικού χωρίς να διαταράσσεται έτσι ο φέρον οργανισµός του πλαισιακού φορέα. Για την επιλογή τοποθέτησης της ενίσχυσης χωρίς αγκύρωση, ενδείκνυται η επιλογή του τύπου ΕΜΑΣ µε εξωτερικό πλαίσιο το οποίο εξασφαλίζει την συνεργασία θλιβόµενης και εφελκυόµενης ράβδου. Η επιλογή αυτή απλοποιεί τα κατασκευαστικά προβλήµατα και σε ήδη κατασκευασµένα κτίρια είναι µια ευχάριστη και καλοδεχούµενη επιλογή. Γενικό συµπέρασµα είναι ότι το κατάλληλο πάχος στην επιλογή του ελαστικού υλικού προσδίδει την απαιτούµενη ευκαµψία στα σύστηµα πλαισιακός φορέας-εμασ ώστε να επιτυγχάνεται η βέλτιστη συµπεριφορά, και να αποφεύγονται µε τον τρόπο αυτό, πρόωρες αστοχίες από λυγισµό των διαγωνίων ράβδων. Προσφέρεται έτσι στον φορέα Ο/Σ την η δυνατότητα να αναπτύξει την πλάστιµη συµπεριφορά που διαθέτει. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Bergman, D. M., and Goel, S.C., (1987), Evaluation of Cyclic Testing of Steel-Plate Devices for Added Damping and Stiffness, Report UMCE, 87-10, Dept. of Civil Eng., Univ. of Michigan, Ann Arbor. Chang K. C., Lai M. L., Soong T. T., Hao D. S. and Yen Y. C., (1993), Seismic behavior and design guidelines for steel frame structures with added viscoelastic dampers Report No. NCEER 93-0009, National Center of Earthquake Engineering Research, Buffalo, N.Y. Ciampi, V (1995), Research and development of passive energy dissipation techniques for civil buildings in Italy, International Post-SMIRT Conference, Seminar on Seismic Isolation, Passive Energy Dissipation and Control of Vibration of Structures, pp.1-15. Ciampi V. Use of energy dissipation devices, based on yielding of steel, for earthquake protection of structures, Proc., Int., Meeting on Earthquake Protection of Build., 14/D- 58/D. Ciampi V. (1993), Development of passive energy dissipation techniques for buildings. Proceedings International Post-SMIRT Conference Seminar on Isolation, Energy Dissipation and Control of Vibrations of Structures, Capri (Italy), pp. 495 510. Jurukovski, D., Simeonov, B., Trajkovski, V. and Petrovski, M. (1988), Development of energy absorbing elements. IZIIS Report pp 94-88. Marioni A., (1996), development of a new type of hysteretic damper for the seismic protection of bridges, IV World Congress on Joint Sealing and Bearing Systems for Concrete Structures, Sacramento, USA - 29 Sept-2 Oct-1996. 14

Marioni A., (1999), The use of hydraulic dampers for the protection of the structures from the seismic risk: an outstanding example, International Post-Smirt Conference Seminar on Seismic Isolation, Passive Energy Dissipation and Active Control of Vibration of Structures, Cheju, Korea 23/25 Aug-1999. Nims D.K., Richter P.J., Bachman R.E., (1993), The Use of the Energy Dissipating Restraint for Seismic Hazard Mitigation Earthquake Spectra, Special Issue, Vol. 9, No.3, EERI. Pall, A. S., and Marsh, C. (1982), Seismic response of friction damped braced frames. J. Struct,. Div.108.6, pp. 1313 1323. Papadopoulos P., Athanatopoulou A. (2002), Seismic behaviour of dual systems with inplane discontinuities, 12 th ECEE, September, London, UK. Saeid Sabouri-Ghomi and Ali Roufegarinejad (2005), Non-linear behaviour of yielding damped braced frames, Struct. Design Tall Spec. Build, 14, pp.37-45. SAP2000, 2003. Integrated Finite Element Analysis and Design of Structures 2003, Computers and Structures Inc., Berkeley, USA. Tremblay R., Stiemer S.F., (1993), Energy dissipation through friction bolted connections in concentrically braced steel frames, ATC 17-1 Seminar on Seismic Isolation, passive energy dissipation and active control, Vol 2, 557-568. Αθανατοπούλου Α., Παπαδόπουλος Π. (1996), Σεισµική συµπεριφορά κτιρίων µε αντισεισµικά τοιχώµατα τυχαίας καθ ύψος τοπολογίας, Πρακτικά 12ου Ελληνικού Συνεδρίου Σκυροδέµατος, Λεµεσός, Τόµος ΙΙ, σελ. 295 305. Μητσοπούλου Ε., Παπαδόπουλος Π., ηµητρακούδη Κ., Σαραφίδης Κ. (1999), Σεισµική συµπεριφορά κτιρίων µε µεταλλικές διαγώνιες ράβδους µεταβλητού τρόπου λειτουργίας Πρακτικά 13ου Ελληνικού Συνεδρίου Σκυροδέµατος, Ρέθυµνο, Τόµος ΙΙΙ, σελ. 306-313. Παπαδόπουλος Π., Αθανατοπούλου Α. (1999), Κτίριο ενισχυµένο µε µεταλλικές διαγώνιες ράβδους. Πρακτικά 13ου Ελληνικού Συνεδρίου Σκυροδέµατος, Ρέθυµνο, Τόµος ΙΙΙ, σελ. 314-323. 15