Μία νέα μέθοδος επέκτασης των αναλύσεων στατικής οριακής ώθησης σε ασύμμετρα κτίρια και συγκρίσεις με υφιστάμενες μεθόδους
Authors: Μπάρος Δημήτριος 
Published: July 2022

Η συμπεριφορά ενός κτιρίου στο χώρο υπό σεισμική διέγερση προκύπτει ως συνδυασμός της μεταφορικής και στρεπτικής του απόκρισης. Ένας από τους πλέον σημαντικούς παράγοντες που την επηρεάζει είναι η συμμετρία του Φέροντος Οργανισμού (Φ.Ο.) του κτιρίου ή, προφανώς, η απουσία της. Κτίρια με συμμετρικό Φ.Ο. εμφανίζουν κατά την απόκρισή τους σε σεισμικές διεγέρσεις, κατά κανόνα, κυρίως μεταφορικές ταλαντώσεις, ενώ στα ασύμμετρα κτίρια η επίδραση των στρεπτικών ταλαντώσεων στη συμπεριφορά τους είναι σημαντική και συχνά καθοριστική. Η στρεπτική απόκριση θεωρείται ανεπιθύμητη, καθώς οι προκύπτουσες ταλαντώσεις οδηγούν στην αύξηση της καταπόνησης των φερόντων στοιχείων που βρίσκονται στην περίμετρο του κτιρίου. Ως εκ τούτου, το ενδιαφέρον πρόβλημα της ανελαστικής στρέψης κτιρίων υπό σεισμικές δράσεις διερευνάται για περισσότερα από εξήντα χρόνια από την επιστημονική κοινότητα, εξακολουθώντας και σήμερα να παραμένει επίκαιρο. Ένα σημείο που έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον των ερευνητών τα τελευταία χρόνια σχετίζεται με τη χρήση της ανάλυσης Στατικής Οριακής Ώθησης (ΣΤ.ΟΡ.Ω.) σε προβλήματα ασύμμετρων κτιρίων. Η μέθοδος ΣΤ.ΟΡ.Ω., η οποία κατά κανόνα ενδείκνυται για αποτιμήσεις σεισμικής ικανότητας κατασκευών και για τον εντοπισμό «αδυναμιών» τους, προσφέρει τη δυνατότητα της μη-γραμμικής ανάλυσης μιας κατασκευής με μειωμένο σε σχέση με τη δυναμική ανάλυση όγκο δεδομένων. Ως μέθοδος που αναπτύχθηκε για εφαρμογές στο επίπεδο θεωρείται αξιόπιστη για συμμετρικά κτίρια. Τα τελευταία χρόνια έχουν προταθεί διάφορες επεκτάσεις της για εφαρμογή σε ασύμμετρα κτίρια στο χώρο. Ωστόσο, οι προταθείσες μέθοδοι βασίζονται συχνά σε αυθαίρετες παραδοχές που επιβεβαιώνονται μέσω αναλύσεων κτιρίων «ερευνητικού τύπου» ή χαρακτηρίζονται από αυξημένη πολυπλοκότητα. Το γεγονός αυτό έρχεται σε αντίθεση με το κύριο πλεονέκτημα της «τυπικής» μεθόδου ΣΤ.ΟΡ.Ω., δηλαδή την απλότητά της. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, ως βασικός στόχος της παρούσης διατριβής ετέθη η επέκταση των αναλύσεων ΣΤ.ΟΡ.Ω. σε ασύμμετρα κτίρια στο χώρο. Κύριο ζητούμενο για τη νέα μέθοδο που αναπτύχθηκε ήταν να βασίζεται σε επιστημονικά συνεπείς παραδοχές και να είναι όσο το δυνατόν απλούστερη. Υπό αυτό το πρίσμα διερευνήθηκαν διάφορες δυνατότητες και προσεγγίσεις για την αντιμετώπιση της ανελαστικής στρέψης ασύμμετρων κτιρίων, σε συνδυασμό με αναλύσεις ΣΤ.ΟΡ.Ω. Δεδομένου ότι κύρια επιδίωξη των διερευνήσεων ήταν η επέκταση της μεθόδου ΣΤ.ΟΡ.Ω για εφαρμογές σε πραγματικά, ρεαλιστικά κτίρια, κρίθηκε αναγκαίο να επιχειρηθεί η όσο το δυνατόν πιο «ρεαλιστική» προσέγγιση του προβλήματος της ανελαστικής στρέψης κτιρίων. Συνεπώς, όλες οι αναλύσεις βασίσθηκαν σε κτίρια που υπολογίστηκαν όπως γίνεται στην πράξη, με τις συνήθεις διαδικασίες, κατά τους ισχύοντες Κανονισμούς και με σύνηθες λογισμικό. Σύμφωνα με τους άξονες αυτούς αναπτύχθηκε και αξιολογήθηκε η νέα μέθοδος για την επέκταση της ανάλυσης ΣΤ.ΟΡ.Ω. σε προβλήματα ασύμμετρων κτιρίων στο χώρο. Η μέθοδος χρησιμοποιεί κατάλληλα μορφωμένα, απλά μονώροφα προσομοιώματα διατμητικού τύπου, από τη δυναμική ανάλυση των οποίων προσεγγίζεται η επίδραση της ανελαστικής στρέψης στην απόκριση του κτιρίου, ώστε αυτή να ενσωματωθεί, μέσω «διορθωτικών» συντελεστών, στα αποτελέσματα «απλοϊκών» αναλύσεων ΣΤ.ΟΡ.Ω. του πολυβαθμίου προσομοιώματός του. Η χρήση του απλοποιημένου μονώροφου προσομοιώματος διατμητικού τύπου επιλέχθηκε καθώς το μοντέλο αυτό είναι εξαιρετικά απλό στη μόρφωσή του, οι δε αναλύσεις του διεξάγονται ταχύτατα και τα αποτελέσματά τους ταυτίζονται ποιοτικά με τα αντίστοιχα από πιο σύνθετα προσομοιώματα του κτιρίου. Για την αξιολόγηση της μεθόδου, τα πενταώροφα και δεκαώροφα κτίρια που σχεδιάστηκαν προσομοιώθηκαν ως χωρικά πλαίσια χρησιμοποιώντας το μοντέλο των πλαστικών αρθρώσεων και υποβλήθηκαν σε μη-γραμμικές δυναμικές αναλύσεις υπό τη δράση δύο ομάδων κατάλληλα κλιμακωμένων φυσικών σεισμικών καταγραφών, μακρυνού και κοντινού πεδίου, με ταυτόχρονη επιβολή των δύο οριζοντίων συνιστωσών κάθε καταγραφής. Η προτεινόμενη μέθοδος συγκρίνεται με τις δύο επικρατέστερες υφιστάμενες μεθόδους επίλυσης του ίδιου προβλήματος, συγκεκριμένα τη Modal Pushover ανάλυση (MPA) και τη μέθοδο N2, και παράλληλα αξιολογούνται και οι τρεις συγκρίνοντας με τα αποτελέσματα των ανελαστικών δυναμικών αναλύσεων χρονοϊστορίας που θεωρούνται ότι αντιπροσωπεύουν τη στοχευόμενη, «ακριβή» λύση. Το γενικό συμπέρασμα που προκύπτει από τις διερευνήσεις που πραγματοποιήθηκαν είναι ότι η προτεινόμενη μέθοδος οδηγεί σε σαφώς βελτιωμένα αποτελέσματα απόκρισης σε σύγκριση με την «απλοϊκή» ανάλυση ΣΤ.ΟΡ.Ω. Συγκρινόμενη με τις υφιστάμενες, διαδεδομένες δύο μεθόδους, MPA και Ν2, η νέα μέθοδος δίνει γενικά παρόμοιας ακρίβειας αποτελέσματα και σε αρκετές περιπτώσεις «ακριβέστερα». Χαρακτηρίζεται δε από υψηλότερη αξιοπιστία, εμφανίζοντας γενικά μικρότερη διασπορά των τιμών των μεγεθών απόκρισης που υπολογίσθηκαν για τις διαφορετικές περιπτώσεις ασύμμετρων κτιρίων που εξετάστηκαν. Η παρούσα, σχετικά πρώιμη εκδοχή της κρίνεται επαρκής για εφαρμογές σε δύστρεπτα γενικώς κτίρια αλλά και σε εύστρεπτα με μικρό αριθμό ορόφων (π.χ. λιγότερων των 5 ÷ 6). Για ασύμμετρα, εύστρεπτα πολυώροφα κτίρια με μεγαλύτερο αριθμό ορόφων οι διάφορες παραλλαγές της μεθόδου ΣΤ.ΟΡ.Ω. γενικά αστοχούν και δεν ενδείκνυται η χρήση τους. Για τις περιπτώσεις τέτοιων κτιρίων οι πολλαπλές ανελαστικές δυναμικές αναλύσεις χρονοϊστορίας εξακολουθούν να αποτελούν τη μόνη αξιόπιστη λύση.