Κεφ.23 Ε.Σώκος Εργαστήριο Σεισμολογίας Παν.Πατρών
Ο αντισεισμικός σχεδιασμός απαιτεί την εκ των προτέρων εκτίμηση των δυνάμεων που αναμένεται να δράσουν επάνω στην κατασκευή κατά τη διάρκεια της ζωής της και τον υπολογισμό της σεισμικής απόκρισης. Σεισμική απόκριση είναι η παραμόρφωση και τα φορτία που αναπτύσσονται στο κτίριο εξαιτίας της εδαφικής σεισμικής κίνησης στη βάση της κατασκευής.
Οι σεισμικές δυνάμεις εξαρτώνται από πολλούς παράγοντες: Χαρακτηριστικά σεισμών Επικεντρική απόσταση Τοπικές εδαφικές συνθήκες Κατασκευή κτιρίου Αντισεισμικοί Κανονισμοί : Παρέχουν τις οδηγίες για τον ασφαλή αντισεισμικό σχεδιασμό
Ιστορικά στοιχεία Η έρευνα της συμπεριφοράς των κατασκευών άρχισε στα τέλη του 19 ου αιώνα Οι πρώτοι Α.Κ. εμφανίστηκαν στα μέσα της δεκαετίας του 1920 (1924 Ιαπωνία και 1927 ΗΠΑ) Αφορμή ήταν μεγάλοι σεισμοί Αρχικά υπήρχε μόνο στατική θεώρηση των φορτίων αργότερα επικράτησε η δυναμική
Σιγά σιγά οι Α.Κ. υιοθέτησαν την δυναμική ανάλυση λαμβάνοντας υπόψη και τη συμπεριφορά των υλικών, των δομικών στοιχείων κατά τη διάρκεια του σεισμού Ο πρώτος Α.Κ. στην Ελλάδα εφαρμόστηκε το 1959, στη συνέχεια εφαρμόστηκαν διάφορες βελτιώσεις, π.χ. 1984, 1993, 2000, 2004..
Σήμερα όλοι οι Α.Κ. βασίζονται στην δυναμική συμπεριφορά των κατασκευών Βασική μέθοδος στους κανονισμούς είναι η μέθοδος των φασμάτων απόκρισης Οι κανονισμοί περιέχουν πληροφορίες για τον υπολογισμό της ιδιοπεριόδου των κτιρίων καθώς και για την κατανομή της σεισμικής δύναμης καθ ύψος
Εκτός από τους κρατικούς κανονισμούς υπάρχουν και κανονισμοί σε διεθνές επίπεδο π.χ. EURONORMS, EUROCODE, UNIDO,UBC κλπ.
Οι κύριοι στόχοι των Α.Κ. είναι Ο περιορισμός ή και η αποφυγή οικονομικών απωλειών στην περίπτωση μετρίων εντάσεων (αναμένεται η κατασκευή να μην πάθει βλάβη ή να πάθει βλάβη μικρής έκτασης από την πιθανότερη μέγιστη εδαφική κίνηση στο χρόνο ζωής του κτιρίου) Η προστασία της ανθρώπινης ζωής στην περίπτωση υψηλών εντάσεων (αναμένεται το κτίριο να μην καταρρεύσει με την μέγιστη δυνατή εδαφική κίνηση που αναμένεται να έχουμε στο χρόνο ζωής του έργου) Η διασφάλιση μιας ελάχιστης στάθμης λειτουργιών των έργων
Παράμετροι κατασκευών Περίοδος ταλάντωσης Απόσβεση Δείκτης Πλαστιμότητας
Περίοδος ταλάντωσης T 0 = 2 π m k Μονοβάθμιος ταλαντωτής, m μάζα, k συντελεστής δυσκαμψίας Η ιδιοπερίοδος καθορίζεται από το υλικό, τη γεωμετρία του κτιρίου κλπ T = 0.09 H H L 2L+ H Τ=0.043n+0.107 όπου n οι όροφοι (Καρύδης και Μουζάκης 1982)
Απόσβεση Η απόσβεση μιας κατασκευής είναι πολύ σημαντική γιατί μειώνει το συντελεστή ενίσχυσης της σεισμικής κίνησης από την κατασκευή Η απόσβεση υπολογίζεται πειραματικά και εξαρτάται από τα υλικά της κατασκευής, τη μορφή, τη θεμελίωση κλπ Εξαρτάται από το πλάτος της ταλάντωσης και προσεγγιστικά ισχύουν οι παρακάτω τιμές Χάλυβας 0.02 Μπετόν 0.05 Ξύλο 0.15
Δείκτης Πλαστιμότητας (μ) Ελαστοπλαστική συμπεριφορά των κατασκευών Εκφράζει τις πλαστικές ιδιότητες της κατασκευής σε σχέση με τις ελαστικές ιδιότητες Μετάθεση διαρροής Μετάθεση κατάρρευσης δύναμη μ = u k u δ u δ u κ μετατόπιση Ο δείκτης πλαστιμότητας είναι μια πολύ σημαντική παράμετρος της κατασκευής σε ότι αφορά την αντισεισμική προστασία γιατί όσο μεγαλύτερος είναι τόσο πιο δύσκολα καταρρέει η κατασκευή
Σήμερα είναι δυνατόν να κατασκευαστούν κτίρια με ελαστική συμπεριφορά σε κάθε σεισμική φόρτιση ΑΛΛΑ κάτι τέτοιο είναι αντιοικονομικό επομένως δεχόμαστε ένα επίπεδο πλαστικών παραμορφώσεων (ζημιών) Εισάγεται έτσι το ανώτατο αποδεκτό όριο των αναμενόμενων ζημιών το οποίο καθορίζεται με τεχνοοικονομικά και κοινωνικά κριτήρια
Μέθοδοι υπολογισμού της σεισμικής απόκρισης Στατική ανάλυση Υποθέτουμε ότι σε κάθε στοιχείο του κτιρίου ενεργούν στατικές αδρανειακές δυνάμεις ανάλογες με το βάρος του στοιχείου και περιγράφονται από εμπειρικές σχέσεις Δυναμική ανάλυση Οι σεισμικές δυνάμεις σχεδιασμού καθορίζονται σε συνδυασμό με την εκάστοτε συμπεριφορά των στοιχείων της κατασκευής κατά τη διάρκεια της σεισμικής κίνησης
Στατική ανάλυση Δεχόμαστε ότι σε κάθε στοιχείο εφαρμόζεται μια εξωτερική σταθερή με το χρόνο δύναμη, ανάλογη με το βάρος του Η δύναμη αυτή είναι το γινόμενο του συντελεστή σεισμικής επιβάρυνσης ε επί το βάρος του στοιχείου Β F=ε mg =ε Β Ο συντελεστής σεισμικής επιβάρυνσης θεωρείται σταθερός για όλα τα στοιχεία της οικοδομής και καθορίζεται εμπειρικά, ανάλογα με τις σεισμικές κινήσεις που αναμένονται.
Δυναμική ανάλυση Ο σεισμός είναι ένα δυναμικό φαινόμενο επομένως είναι σωστό να αντιμετωπίζεται με δυναμικές μεθοδολογίες Δυναμικός αντισεισμικός υπολογισμός a. Τεχνική της ολοκλήρωσης των εξισώσεων κίνησης b. Δυναμική φασματική μέθοδος c. Ισοδύναμη στατική ανάλυση
Τεχνική της ολοκλήρωσης των εξισώσεων κίνησης Είναι η πιο αξιόπιστη μέθοδος υπολογισμού της σεισμικής απόκρισης Υπολογίζεται αναλυτικά η συμπεριφορά των στοιχείων της κατασκευής σε όλα τα στάδια της σεισμικής διέγερσης Απαιτείται το επιταχυνσιογράφημα σχεδιασμού Απαιτεί μεγάλη υπολογιστική ισχύ και συνήθως τρεις αντιπροσωπευτικές σεισμικές φορτίσεις
Δυναμική φασματική μέθοδος Η απόκριση του συστήματος προκύπτει από κατάλληλη επαλληλία των μέγιστων αποκρίσεων που αντιστοιχούν σε κάθε ιδιομορφή (ένα σύστημα έχει τόσες ιδιομορφές και ιδιοπεριόδους όσοι είναι και οι βαθμοί ελευθερίας του)
Δυναμική φασματική μέθοδος Πλεονεκτήματα Απαιτούνται πολύ λιγότεροι υπολογισμοί, αφού μας ενδιαφέρουν μόνο οι μέγιστες αποκρίσεις περιορισμένου αριθμού ιδιόμορφων, αντί του υπολογισμού όλων των αποκρίσεων κατά τη διάρκεια του σεισμού που απαιτεί η εν χρόνο ολοκλήρωση. Ο Μελετητής αποκτά ολοκληρωμένη εικόνα για τη δυναμική συμπεριφορά μιας κατασκευής από τα χαρακτηριστικά των ιδιόμορφων και των ιδιοπεριόδων της Το γεγονός ότι χρησιμοποιείται ένα περιβάλλον φάσμα σχεδιασμού, συνεπάγεται ότι η ανάλυση με τη δυναμική φασματική μέθοδο είναι ανεξάρτητη από τα χαρακτηριστικά ενός συγκεκριμένου σεισμού.
Ισοδύναμη στατική ανάλυση Η απόκριση της κατασκευής προκύπτει από ισοδύναμα σεισμικά φορτία τα οποία εφαρμόζονται στις θέσεις των συγκεντρωμένων μαζών της κατασκευής σαν στατικά φορτία Εφαρμόζεται συνήθως σε «κανονικά» κτίρια. Δηλαδή κτίρια με ομαλή μεταβολή της μάζας, ακαμψίας με το ύψος Τέμνουσα βάσης είναι το άθροισμα των αδρανειακών δυνάμεων της κατασκευής κάθε μία από τις οποίες θεωρείται ότι ασκείται στο κέντρο βάρους κάθε ορόφου. Η τέμνουσα βάσης κατανέμεται με συγκεκριμένο τρόπο καθ ύψος.
Ισοδύναμη στατική ανάλυση
ε = Α γ Ι q C θ ε συντελεστής σεισμικής επιβάρυνσης Α συντελεστής σεισμικής επικινδυνότητας γ Ι συντελεστής σπουδαιότητας q συντελεστής συμπεριφοράς C συντελεστής ιδιοπεριόδου θ συντελεστής θεμελίωσης
Πίνακας 2.2. Σεισμική επιτάχυνση εδάφους: Α=α g(g: επιτάχυνση βαρύτητας) Ζώνη Σεισμικής Επικινδυνότητας I II III α 0.16 0.24 0.36
ΕΑΚ 2000
Προτεινόμενα ελαστικά φάσματα
Προσεισμικός Έλεγχος Κτιρίων Δημόσιας και Κοινωφελούς Χρήσης Προδιαγραφές εκπόνησης και παρουσίασης μελετών φέροντος οργανισμού κτιριακών έργων με προγράμματα Η/Υ Κανονισμός Επισκευών Ενισχύσεων http://www.oasp.gr/
Ο κώδικας του Χαμουραμπί (2200 π.χ.) Αν ένας χτίστης κατασκευάσει ένα σπίτι για κάποιον, και δεν το κατασκευάσει σωστά, και το σπίτι που κατασκεύασε καταρρεύσει και σκοτωθεί ο ιδιοκτήτης του, τότε ο κτίστης αυτός θα θανατωθεί (άρθρο 229). Αν σκοτωθεί ο γιός του ιδιοκτήτη σπιτιού, θα θανατωθεί ο γιός του χτίστη (άρθρο 230). Αν σκοτωθεί ένας σκλάβος του ιδιοκτήτη του σπιτιού, τότε θα δώσει στον ιδιοκτήτη του σπιτιού ένα δικό του σκλάβο (άρθρο 231). Αν καταστραφούν αγαθά, θα τον αποζημιώσει για όλα τα αγαθά που καταστράφηκαν, και επειδή δεν κατασκεύασε σωστά το σπίτι που κατέρρευσε, θα το ανακατασκευάσει με δικά του έξοδα (άρθρο 232). Αν ένας χτίστης κατασκευάσει ένα σπίτι για κάποιον και οι τοίχοι καταρρεύσουν, πριν την αποπεράτωσή του, ο κτίστης θα ανεγείρει τους τοίχους με δικά του έξοδα (άρθρο 233) Αν κάποιος επιχειρήσει να ληστέψει ένα σπίτι σπάζοντας τον τοίχο του και τελικά συλληφθεί, σαν τιμωρία θα χτιστεί μες στον τοίχο για να καλύψει την τρύπα που έκανε.