ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΟΠΛΙΣΗΣ ΣΤΙΣ ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ

ΗΜΕΡΙΔΑ ΧΑΛΥΒΟΥΡΓΙΚΗΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΟΠΛΙΣΗΣ ΣΤΙΣ ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ Γεώργιος Γρ. Πενέλης Δρ. Πολιτικός Μηχ/κός Ομ. Καθηγητής Α.Π.Θ. ΒΟΛΟΣ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 2008 1

ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΟΠΛΙΣΗΣ ΣΤΙΣ ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ 1. ΙΣΤΟΡΙΚΟ 1.1 Η αντισεισμική τεχνολογία, σε όρους επιστημονικής προσέγγισης του προβλήματος, είναι δημιούργημα του 20 ου αιώνα 1.2 Στις αρχές του αιώνα μετά τον σεισμό του San Francisco (1906) καθιερώθηκαν οι πρώτοι αντισεισμικοί Κανονισμοί εισάγοντας τον σεισμό σαν μια πρόσθετη οριζόντια στατική φόρτιση ως ποσοστό των φορτίων βαρύτητας Ε = ε G 2

Εικ.1. Στατική φόρτιση μεικτού Φ/Ο σύμφωνα με τον Αντισεισμικό Κανονισμό 1959 3

1.3 Το 1940 γίνεται η πρώτη καταγραφή της επιτάχυνσης εδάφους ως συνάρτηση του χρόνου (Επιταχυνσιογράφημα Εl Centro) που μπορούσε να αποτελέσει «δεδομένο φόρτισης» (Load input) για δυναμική ανάλυση 1.4 Το 1953 ο Housner χάρη στην ανάπτυξη του Η/Υ εισάγει την έννοια του ελαστικού φάσματος απόκρισης δηλαδή τη δυναμική θεώρηση του σεισμικού φαινομένου, που αποτελεί τη βάση όλων των σύγχρονων Κανονισμών 4

Εικ.2. Επιταχυνσιογράφημα σεισμού El Centro 18.5.1940 N S και παράγωγα γραφήματα ταχύτητας και μετακίνησης. 5

Εικ.3. Χαρακτηριστικά φάσματα επιταχύνσεων ισχυρών σεισμών. 1. Φάσμα επιταχύνσεως σεισμού Βουκουρεστίου 4-3-77, Ν-S 2. Φάσμα επιταχύνσεως σεισμού EL Centro 1940, N-S 3. Φάσμα επιταχύνσεως σεισμού Mexico City 19-9-85, E-W, S.C.I. 4. Φάσμα επιταχύνσεως σεισμού Θεσσαλονίκης 20-6-78, E-W, City hotel 6

Εικ.4. Φάσμα Σχεδιασμού: Φ d (T) A * γ 1 η * Θ * βο q (Σχεδίαση για = 2.5/2.0) 7

1.5 Την δεκαετία του 1960 εισάγεται η έννοια της «ενεργειακής ισορροπίας» και η συνακόλουθη έννοια της πλαστιμότητας της κατασκευής, που αποτελεί βασική παράμετρο σχεδιασμού σε όλους τους σύγχρονους Κανονισμούς 1.6 Την δεκαετία του 1970 εισάγεται ο ικανοτικός σχεδιασμός (Capacity Design) που επιτρέπει ορθολογική ιεράρχηση των αστοχιών του φορέα ώστε να απομακρυνθεί όσο γίνεται ο σχηματισμός μηχανισμού κατάρρευσης 8

Εικ.5. Απόκριση Μ/Σ σε σεισμική κίνηση 9

Εικ.6. Ελαστική και ελαστοπλαστική απόκριση μονοβάθμιου συστήματος σε σεισμό 10

Εικ.7. Μηχανισμοί καταρρεύσεως πλαισίου a) Μηχανισμός καταρρεύσεως δοκών b) Μηχανισμός καταρρεύσεως στύλων c) Διαγράμματα V δ θ. 11

1.7 Από το 1985 και εδώ, η αντισεισμική τεχνολογία κάνει καινούρια βήματα που συνοψίζονται στα εξής: - Επιτελεστικός σχεδιασμός σε συνδυασμό με την ανελαστική ανάλυση (ΚΑΝΕΠΕ) - Εξορθολογισμός στη διαδικασία προσεισμικών επεμβάσεων (ΠΡΟΣΕΙΣΜΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ) - Ανάπτυξη συστημάτων παθητικής αντισεισμικής προστασίας (σεισμική μόνωση συστήματα ιξωελαστικής συμπεριφοράς) - Ανάπτυξη συστημάτων ενεργητικής αντισεισμικής προστασίας 12

Εικ.8. Συμπεριφορά και απαιτούμενες παραμορφώσεις σε πλάστιμες και μη πλάστιμες κατασκευές 13

Εικ.9. Επιτελεστικός Αντισεισμικός Σχεδιασμός Εθνικής Βιβλιοθήκης, Γενική άποψη - Στατικό προσομοίωμα 14

Side wing-transverse direction 5.00 Sa (m/sec 2 ) 4.00 3.00 2.00 1.00 Sd=17 Sd=27 0.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 Sd (mm) Ελαστικο φασμα Φάσμα σχεδιασμού μ=3 Pushover δεξ. Πτ. 85% Φάσμα σχεδιαμού Εικ.10. Επιτελεστικός Αντισεισμικός Σχεδιασμός Εθνικής Βιβλιοθήκης, Καμπύλη ωθήσεων - μετακινήσεων 15

Εικ.11. Τοποθέτηση σεισμικών μονωτήρων στη γέφυρα Χαλάστρας Θεσσαλονίκης 16

Εικ.12. Σεισμική Μόνωση νέου Μουσείου Ακρόπολης 17

Εικ.13. Σεισμική Μόνωση νέου Μουσείου Ακρόπολης 18

Εικ.14. Παθητικά συστήματα απορρόφησης ενέργειας σε πολυώροφο κτίριο στο Τόκιο (Ιξώδη και Υστερητικά) 19

Εικ.15. Παθητικά συστήματα απορρόφησης ενέργειας σε πολυώροφο κτίριο στο Τόκιο (Ιξώδη και Υστερητικά) 20

21

22

P-δ static & dynamic capacity curves Dynamic vs pushover curves for EC8 record (X+0.3 Y) - Direction x-x Dynamic Pushover 80 60 P x (MN) 40 20 δ x (m) 0-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5-20 -40-60 GREGORY G. PENELIS VASSILIS K. PAPANIKOLAOU KOSTAS PASHALIDIS -80 23

2. ΟΙ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΟΝ ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΟ ΚΑΝΟΝΙΣΜΟ 2.1 Τα παραπάνω τέσσερα βήματα (1.3 ~ 1.5) που έγιναν από το 1940 έως το 1975 αποτελούν το πλαίσιο όλων των σύγχρονων αντισεισμικών Κανονισμών 2.2 Η εισαγωγή τους μαζί με την συνεχή άνοδο του βιοτικού επιπέδου οδήγησε: σε αύξηση του κόστους κατασκευής του φέροντος οργανισμού από Ο/Σ στην ευημερούσα Δύση (και στην Ελλάδα) από 60 /m 2 σε 126 /m 2 δηλαδή 2.1 φορές επάνω. 24

2.3 Μέχρι στιγμής κάθε καινούριο βήμα στη γνώση και την τεχνολογία έχει ως συνέπεια την επαύξηση του κόστους της κατασκευής που οφείλεται σε επαύξηση της κατανάλωσης ποιοτικώς βελτιωμένων υλικών για το αυτό τελικό αποτέλεσμα. Το γεγονός αυτό εκ πρώτης όψεως φαντάζει ως αντιφατικό προς την βασική φιλοσοφική θέση της «Μηχανικής» ότι η ενσωμάτωση στο προϊόν γνώσης οδηγεί σε μείωση της κατανάλωσης υλικού. Στη συνέχεια θα επιχειρήσουμε να δώσουμε κάποια πειστική ερμηνεία στο γεγονός. 25

Εικ.16. Συγκριτικά στοιχεία Ανοίγματος τρούλων σε σύγκριση με Άγιο Πέτρο Ρώμης 26

3. ΕΡΜΗΝΕΙΑ ΤΗΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΕΠΙΒΑΡΥΝΣΗΣ ΤΟΥ ΚΟΣΤΟΥΣ Φ.Ο 3.1 Γενικά Ως γνωστόν, η βασική σχέση ασφάλειας των κατασκευών είναι της μορφής R [γ s S] γm Όπου: το [R] εκφράζει την σεισμική ικανότητα και το [S] την σεισμική απαίτηση Η σεισμική ικανότητα είτε σε όρους έντασης (force based design) είτε σε όρους παραμόρφωσης (displacement based design) μπορεί να προσδιοριστεί με μεγάλη ακρίβεια τουλάχιστον σε επίπεδο σχεδιασμού. Αντίθετα η σεισμική απαίτηση αποτελεί μέγεθος χαοτικό. 27

3.2 Σεισμική Απαίτηση Ο χαρακτήρας αυτός της σεισμικής απαίτησης οφείλεται σε μία σειρά από παράγοντες: i. Μέγεθος σεισμού ii. iii. Πηγή προέλευσης Έδαφος θεμελίωσης iv. Μορφή επιταχυνσιογραφήματος v. Καταστατικός νόμος υλικού (Ανακυκλιζόμενο διάγραμμα Μ-Θ) vi. Επιλογή στατικού προσομοιώματος vii. Επιλογή δυσκαμψίας προσομοιώματος viii. Επιλογή μεθοδολογίας ανάλυσης 28

Στην προσπάθεια συνεκτίμησης κάθε ενός από τους παράγοντες αυτούς με αναλυτικά μοντέλα υπολογισμού καθίσταται αναγκαία η εισαγωγή νέων παραμέτρων που έχουν επίσης χαοτικό χαρακτήρα με αποτέλεσμα παρά την ακρίβεια των υπολογισμών τα αποτελέσματα να παρουσιάζουν συντελεστή μεταβλητότητος πολλές φορές μεγαλύτερο της μονάδας. 29

Παραδείγματα διασποράς σεισμικής απαίτησης: (α) Chopra (2004): (i) Κτίριο SAC Los Angeles 20 όροφοι Μέγιστες αναμενόμενες μετακινήσεις 1 ου ορόφου (IΝ/RHA) (ii) Επταόροφο κτίριο για διαφορετικά στατικά μοντέλα (IΝ/RHA) (iii) Επταόροφο κτίριο για τέσσερις διαφορετικές κατανομές FEMA 365 σε σύγκριση με In/RHA (β) Elnashai - Mwafy (2000): Πολυόροφο κτίριο από Ο/Σ Τέμνουσα βάσης μέγιστης μετατόπισης οροφής (IΝ/RHA) 30

Εικ.17. Κτίριο SAC-Los Angeles 20 όροφοι. Μέγιστες αναμενόμενες μετακινήσεις 1ου ορόφου (IN/RHA) [Chopra] για διαφορετικά κανονικοποιημένα επιταχυνσιογραφήματα. 31

Εικ.18. 20όροφο κτίριο SAC-Los Angeles μέγιστες αποκρίσεις ορόφων για κοινό επιταχυνσιογράφημα διαφορετικό στατικό μοντέλο (IN/RHA) [Chopra]. 32

Εικ.19. 9όροφα και 20όροφα κτίρια για 3 διαφορετικές κατανομές FEMA-356 σε σύγκριση με IN/RHA [Chopra]. 33

Εικ.20. 12όροφο κτίριο Ο/Σ Καμπύλη Αντοχής (IN/RHA) [Elnashai & Mwafy] για διαφορετικά κανονικοποιημένα επιταχυνσιογραφήματα. 34

(γ) Κάππος Ανδρέας (1997) (i) Μέγιστες αποκρίσεις ορόφων 8ορόφου για IΝ/RHA (ii) Αποκρίσεις δεκαορόφου κτιρίου για διαφορετικούς καταστατικούς νόμους Μ θ. (IΝ/RHA) (δ) Πενέλης Γρηγόρης (2007) (i) Μέγιστες αποκρίσεις οροφής ευστρέπτου οκταορόφου για IΝ/RHA (ii) 8όροφο εύστρεπτο κτίριο ασύμμετρο για τροποποιημένη ιδιομορφική στατική ανελαστική ανάλυση και (IΝ/RHA) 35

Εικ.21. Μέγιστες αποκρίσεις ορόφων 8ορόφου (IN/RHA) [Κάππος] για διαφορετικά κανονικοποιημένα επιταχυνσιογραφήματα. 36

Εικ.22. Απόκριση 10ορόφου κτιρίου για διαφορετικούς καταστατικούς νόμους υλικών (Μ-θ) και κοινή διέγερση (IN/RHA) [Κάππος]. 37

Εικ.23. Μέγιστες μετακινήσεις οροφής εύστρεπτου μέγιστες τέμνουσες βάσης 8όροφου (IN/RHA) [Πενέλης Γρ.]. 38

Εικ.24. 8όροφο εύστρεπτο κτίριο ασύμμετρο για τροποποιημένη ιδιομορφή και στατική ανελαστική ανάλυση και IN/RHA [Πενέλης Γρ.]. 39

(ε) Priestley Calvi - Kowalski (i) Επιρροή Αντοχής Δυσκαμψίας (ii) Διασπορά Ιδιοπεριόδου (iii) Διασπορά δείκτη συμπεριφοράς (iv) Αντοχή Σεισμική συμπεριφορά 40

Εικ.25. Η Επιρροή της αντοχής στη σχέση Ροπής Καμπυλότητας (Αντοχής Δυσκαμψίας) [Priestley Calvi - Kowalski]. 41

Εικ.26. Διασπορά θεμελιώδους Ιδιοπεριόδου για διαφορετική θεώρηση δυσκαμψίας [Priestley Calvi - Kowalski]. 42

Εικ.27. Διασπορά δείκτη συμπεριφοράς διαφόρων κανονισμών [Priestley Calvi - Kowalski]. 43

Εικ.28. Επιρροή της αντοχής στη σεισμική συμπεριφορά [Priestley Calvi - Kowalski]. 44

3.3 Σεισμική Ικανότητα Η τεράστια αυτή διασπορά αποτελεσμάτων της σεισμικής απαίτησης αντιμετωπίζεται με συνεχή επαύξηση από τους Κανονισμούς της σεισμικής ικανότητας. Είναι χαρακτηριστική η σχέση σεισμικής απαίτησης σεισμικής ικανότητας στα παρακάτω παραδείγματα. 45

Παραδείγματα: (α) Κάππος Ανδρέας (1997) (i) Οκταόροφο πλαίσιο - Απαιτούμενες και διαθέσιμες πλαστικές οροφές δοκών - Απαιτούμενες και διαθέσιμες πλαστικές οροφές στύλων - Απαιτούμενες και διαθέσιμες ικανότητες σε τέμνουσα στύλων (ii) Οκταόροφο μικτό σύστημα - Απαιτούμενες και διαθέσιμες πλαστικές οροφές τοιχείων - Απαιτούμενες και διαθέσιμες ικανότητες σε τέμνουσα τοιχείου 46

Εικ.29. 9όροφο πλαίσιο. Απαιτούμενες και διαθέσιμες πλαστικές στροφές δοκών (IN/RHA) [Κάππος]. 47

Εικ.30. 9όροφο πλαίσιο. Απαιτούμενες και διαθέσιμες πλαστικές στροφές στύλων (IN/RHA) [Κάππος]. 48

Εικ.31. 9όροφο πλαίσιο. Απαιτούμενες και διαθέσιμες τέμνουσες στύλων (IN/RHA) [Κάππος]. 49

Εικ.32. 9όροφο μικτό σύστημα. Απαιτούμενες και διαθέσιμες πλαστικές στροφές τοιχείου (IN/RHA) [Κάππος]. 50

Εικ.33. 9όροφο μικτό σύστημα. Απαιτούμενη και διαθέσιμη τέμνουσα τοιχείου (IN/RHA) [Κάππος]. 51

Κατά συνέπεια η συνεχής αύξηση της κατανάλωσης υλικών και κόστους σε κάθε αναθεώρηση των Κανονισμών οφείλεται στην προσπάθεια να καλυφθούν νεοανακαλυπτόμενες αβεβαιότητες της σεισμικής απαίτησης κατά τρόπο ασφαλη. 52

4. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΣΧΕΣΕΩΣ ΚΟΣΤΟΥΣ ΟΦΕΛΟΥΣ 4.1 Όπως ήδη αναφέρθηκε πιο πάνω (Παρ 2.2) η αλλαγή του Αντισεισμικού Κανονισμού το 1992 οδήγησε σε αύξηση του κόστους του φέροντος οργανισμού στον Ελληνικό χώρο κατά 2,0 ~ 2,1 φορές. Πρόκειται για μία ετήσια επί πλέον δαπάνη σε εθνικό επίπεδο της τάξεως των 100 εκατ.. Εύλογα τίθεται το ερώτημα εάν αυτή η επί πλέον δαπάνη οδήγησε και σε ανάλογα αποτελέσματα. 4.2 Για την αξιολόγηση της βελτίωσης της σεισμικής ικανότητας (seismic capacity) αναλύεται παρακάτω ένα 8οροφο κτίριο σχεδιασμένο με τα ισχύσαντα προ του 1959, με τον Κανονισμό του 1959 και με τον Κανονισμό του 2003. 53

Εικ.34. Κτίριο από Ο/Σ 8οροφο σχεδιασμένο με τον Α/Σ Κανονισμό 2003 54

6000 5000 Τέμνουσα βάσης (kn) Κτίριο 2008 Κτίριο 1960 Κτίριο < 1960 Διέυθυνση x-x 4000 Μετακίνηση στόχος (ΕΑΚ2000) Ε 1 = 1679 kj 3000 2000 Ε 2 = 167 kj 1000 Ε 3 = 96 kj Μετακίνηση οροφής (m) 0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 x- x Ε1 λ1,2 = = 10 Ε 2 x- x E2 λ = = 1.7 2,3 E 3 7000 6000 Τέμνουσα βάσης (kn) Κτίριο 2008 Κτίριο 1960 Κτίριο < 1960 Διέυθυνση y-y 5000 4000 3000 2000 Ε 2 = 140 kj Μετακίνηση στόχος (ΕΑΚ2000) Ε 1 = 1442 kj y- y Ε1 λ1,2 = = 10 Ε 2 y- y E2 λ = = 1.9 2,3 E 3 1000 Ε 3 = 72 kj Μετακίνηση οροφής (m) 0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 55

Παρατηρήσεις: Ο Κανονισμός του 1952 (ΚΟΣ) δεν είχε καμία αντισεισμική πρόβλεψη Η καθιέρωση του Αντισεισμικού Κανονισμού το 1959 είχε ως συνέπεια την αύξηση της σεισμικής ικανότητας των κατασκευών κατά: μηχ λ 2,3 2,0 Η καθιέρωση του Κανονισμού του 2003 έναντι του 1959 δεν επέβαλε μεγαλύτερες τέμνουσες βάσης στο σχεδιασμό. 56

Παρά ταύτα οι πάσης φύσεως απαντήσεις (ελάχιστα ποσοστά οπλισμού, ικανοτικός σχεδιασμός, απαιτήσεις πλαστιμότητας) συντελούν σε σοβαρή επαύξηση της σεισμικής ικανότητας της τάξεως του μηχ λ 1,2 = 10 Αφού η αύξηση αυτή πετυχαίνεται με μία αύξηση του κόστους κατά λ κόστ = 2,0 ~ 2,1 συμπεραίνεται ότι από μηχανικής πλευράς οι επιλογές είναι επιτυχείς 57

4.3 Όμως δεν φαίνεται να είναι τόσο ευοίωνα τα αποτελέσματα σε συνθήκες πεδίου Πράγματι από τη σύγκριση του ποσοστού καταρρεύσεων και κόκκινων προς το σύνολο των κτιρίων στην πλειόσειστη περιοχή Αθηνών (Μενίδι) προκύπτουν τα εξής: [Καραμπίνης] - Κτίρια προ του 1959: (Καταρρ.+Κοκκ.)/Σύν.=λ 1 =20/29 =69% - Κτίρια 1959 1985: =λ 2 =96/168 =57% - Κτίρια 1985 1999: =λ 3 =9/17 =53% 58

59

Ανάλογα αποτελέσματα είχαν προκύψει και με το σεισμό του 1978 στη Θεσσαλονίκη (Πενέλης, Στυλιανίδης, Σταυρακέννης) για τα κτίρια με βλάβες στον Φ.Ο (Κόκκινα + Κίτρινα) Κτίρια Κόκκινα + Κίτρινα 1950 1959: 28% Κτίρια Κόκκινα + Κίτρινα 1959 1978: 22% 60

Εικ.35. Περιοχή της Θεσσαλονίκης όπου διεξήχθη η στατιστική έρευνα 61

Εικ.36. Απόκριση των κτιρίων με βάση των χρόνο κατασκευής και τη γεωγραφική ζώνη 62

Ανάλογες ενδείξεις προκύπτουν και από την αξιολόγηση των 110 πλέον βλαβέντων κτιρίων Ο/Σ στο σεισμό του 1999 της Αθήνας [Κοστίκας Χ. κ.α.] 4.4 Το γεγονός πρέπει να αποδοθεί: - στην κακή διαμόρφωση Φ.Ο. - στη μη ύπαρξη επαρκούς ποιοτικού ελέγχου μελετών - στη μη ύπαρξη επαρκούς ποιοτικού ελέγχου κατασκευών - σε ενδεχόμενη εσφαλμένη συμπερίληψη των κατασκεύων 1985 1994 στις καλυπτόμενες από τον ΕΑΚ 1994. 63

5. ΣΥΝΟΨΗ Η σεισμική μηχανική και αντισεισμική τεχνολογία βιώνουν από τα μέσα του 20 ου αιώνα μεταβατική (Transient) περίοδο εξέλιξης. Όσο ακριβέστερα ποσοτικοποιούνται οι σεισμικές απαιτήσεις και ο χαοτικός χαρακτήρας τους, τόσο αυξάνεται το κόστος κατασκευής με στόχο την κατάλληλη βελτίωση της σεισμικής ικανότητας των έργων. Στον Ελληνικό χώρο η επαύξηση του κόστους δεν αντιστοιχίζεται με τα επιτεύγματα που διαπιστώνονται στις παρατηρήσεις πεδίου. 64

Κατά τον ομιλούντα το γεγονός πρέπει να αποδοθεί: - στην κακή διαμόρφωση Φ.Ο. - στη μη ύπαρξη επαρκούς ποιοτικού ελέγχου μελετών - στη μη ύπαρξη επαρκούς ποιοτικού ελέγχου κατασκευών - σε ενδεχόμενη εσφαλμένη συμπερίληψη των κατασκεύων 1985 1994 στις καλυπτόμενες από τον ΕΑΚ 1994. Τέλος, απαιτείται συστηματική στατιστική διερεύνηση των συνεπειών των σεισμών προς επιβεβαίωση των ανωτέρω και προγραμματισμός στοχευόμενων δράσεων. 65