Αναλυτική διερεύνηση της δυναμικής συμπεριφοράς κτηριακών κατασκευών, σεισμικά μονωμένων με χρήση λικνιζόμενου ορόφου στη βάση
Authors: Μπαντήλας Κοσμάς 
Published: May 2021

Η διαμόρφωση του κατώτερου ορόφου κτηριακών κατασκευών ως ελεύθερα εδραζόμενα υποστυλώματα τα οποία μπορούν να ανασηκωθούν και να λικνιστούν υπό τη δράση των οριζόντιων σεισμικών φορτίων, μπορεί να θεωρηθεί ως σύστημα σεισμικής μόνωσης. Από τη δεκαετία του 70 έως σήμερα πάνω από 400 κτηριακά έργα με λικνιζόμενο όροφο έχουν ανεγερθεί στην Ρωσία και την ευρύτερη περιοχή της πρώην Σοβιετικής Ένωσης. Τα συστήματα των λικνιζόμενων στύλων της βάσης αποτελούν μια οικονομική λύση για τη σεισμική μόνωση κατασκευών, δεν απαιτούν ιδιαίτερη συντήρηση και είναι δυνατό να μειώσουν τα σεισμικά φορτία της ανωδομής. Παρά την ευρεία χρήση του λικνιζόμενου ορόφου ως σύστημα σεισμικής μόνωσης, τα αναλυτικά δεδομένα που αφορούν τη δυναμική συμπεριφορά αυτών των κατασκευών είναι περιορισμένα. Τα ελλιπή δεδομένα, σε συνδυασμό με το γεγονός ότι η πιθανή ανατροπή της λικνιζόμενης βάσης συνεπάγεται την καθολική αστοχία του συστήματος, καθιστά τους μηχανικούς διστακτικούς ως προς την υιοθέτηση του λικνισμού ως μέσου σεισμικής θωράκισης. Λαμβάνοντας υπόψη το έλλειμμα που υπάρχει στη βιβλιογραφία, αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η διερεύνηση της δυναμικής συμπεριφοράς σεισμικά μονωμένων κτηριακών κατασκευών με χρήση λικνιζόμενου ορόφου στη βάση. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής αρχικά παρουσιάζεται μια πρωτότυπη διερεύνηση του μεγέθους των σεισμικών απαιτήσεων κτηριακών κατασκευών σεισμικά μονωμένων με χρήση λικνιζόμενου ορόφου καθώς και των παραμέτρων που τις επηρεάζουν. Προς το σκοπό αυτό κατασκευάζονται φάσματα ελαστικών απαιτήσεων για πληθώρα σεισμικά μονωμένων συστημάτων με διαφορετικά δυναμικά χαρακτηριστικά, σε ελεύθερη ταλάντωση της λικνιζόμενης βάσης και σε εξαναγκασμένη ταλάντωση με αναλυτικούς παλμούς και φυσικές σεισμικές καταγραφές. Η μελέτη αποκαλύπτει ότι ο λικνιζόμενος όροφος αφενός δύναται να περιορίσει τις σεισμικές απαιτήσεις της ανωδομής και αφετέρου να προσδώσει στο δομικό σύστημα χαρακτηριστικές ιδιότητες, με βασικότερη την απουσία φαινομένων συντονισμού. Ακολούθως, προτείνεται ένα αναλυτικό προσομοίωμα που περιγράφει τη δυναμική συμπεριφορά πολυώροφων κτηριακών κατασκευών σεισμικά μονωμένων με χρήση λικνιζόμενου ορόφου. Επειδή η ανασήκωση των λικνιζόμενων στύλων συντελεί στη μεταβολή των δυναμικών χαρακτηριστικών της ανωδομής, οι εξισώσεις του προσομοιώματος γραμματικοποιούνται, πραγματοποιείται ιδιομορφική ανάλυση σε ένα ευρύ φάσμα σεισμικά μονωμένων συστημάτων και παρουσιάζεται η μεταβολή των δυναμικών χαρακτηριστικών παρουσία του λικνιζόμενου ορόφου. Μέσω του προσομοιώματος πραγματοποιείται επίσης πλήθος δυναμικών αναλύσεων χρονοϊστορίας και διερευνάται η επίδραση των ανώτερων ιδιομορφικών ταλαντώσεων της ανωδομής στην απόκριση της λικνιζόμενης βάσης και την κατανομή των σεισμικών εντάσεων καθ’ ύψος της ανωδομής. Κατά τη δυναμική απόκριση κτηριακών κατασκευών σεισμικά μονωμένων με χρήση λικνιζόμενου ορόφου, η πιθανή ανατροπή συνεπάγεται την καθολική αστοχία του συστήματος. Με σκοπό την αύξηση της ικανότητας σε μετατόπιση του λικνιζόμενου συστήματος, στην παρούσα διατριβή διερευνάται η διαμόρφωση κυρτών προεκτάσεων (πτερυγίων) στα άκρα των λικνιζόμενων στύλων. Η απόκριση συστημάτων με κυρτές προεκτάσεις διαφέρει από εκείνη των αμιγώς λικνιζόμενων συστημάτων, καθώς στα πρώτα η απόληξη του στύλου δεν είναι επίπεδη. Το γεγονός αυτό έχει ως συνέπεια την κύλιση του λικνιζόμενου στύλου, με θετική ή αρνητική δυσκαμψία πριν τον λικνισμό. Για τη μελέτη του σύνθετου αυτού φαινομένου, αρχικά διατυπώνονται οι μη γραμμικές εξισώσεις κίνησης και στη συνέχεια διερευνάται η επίδραση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των πτερυγίων τόσο στην απόκριση της λικνιζόμενης βάσης όσο και στις σεισμικές απαιτήσεις της ανωδομής.Λόγω της αρνητικής δυσκαμψία και της έντονα μη γραμμικής φύσης του λικνισμού, μικρές μεταβολές στα χαρακτηριστικά τόσο των σεισμικών διεγέρσεων όσο και των ίδιων των κατασκευών είναι δυνατό να οδηγήσουν σε εκ διαμέτρου αντίθετες εκτιμήσεις της δυναμικής απόκρισης. Το γεγονός αυτό καθιστά αναγκαία την προσέγγιση του φαινομένου με χρήση στοχαστικών μεθόδων ανάλυσης. Υπό την παραπάνω οπτική μελετάται η σεισμική συμπεριφορά κτηριακών κατασκευών σεισμικά μονωμένων με χρήση λικνιζόμενου ορόφου, κάτω από ένα πιθανοτικό πλαίσιο. Ειδικότερα, εξετάζεται η επίδραση των χαρακτηριστικών τόσο των σεισμικά μονωμένων συστημάτων όσο και των σεισμικών διεγέρσεων στην απόκριση του λικνιζόμενου ορόφου και στις σεισμικές απαιτήσεις της ανωδομής. Επιπρόσθετα, αξιολογείται η αποτελεσματικότητα του λικνιζόμενου ορόφου ως σύστημα σεισμικής μόνωσης. Προς το σκοπό αυτό εξετάζεται η απομείωση των σεισμικών απαιτήσεων της ανωδομής που επιτελείται από τον λικνιζόμενο όροφο, ταυτόχρονα με την πιθανή αστοχία του συστήματος λόγω ανατροπής. Τέλος, η αξιολόγηση της σεισμικής συμπεριφοράς του υπό εξέταση συστήματος σεισμικής μόνωσης αποκαλύπτει ότι η χρήση λικνιζόμενου ορόφου δύναται να περιορίσει τις σεισμικές απαιτήσεις της ανωδομής κατά 30 έως 50 %, υπό την προϋπόθεση μη ανατροπής. Λόγω της περιορισμένης απόδοσης του λικνιζόμενου ορόφου ως σύστημα σεισμικής μόνωσης, προκύπτει η ανάγκη βελτίωσης της σεισμικής του συμπεριφοράς. Προς το σκοπό αυτό, προτείνεται μια υβριδική διάταξη σεισμικής μόνωσης, η οποία αποτελείται από λικνιζόμενους στύλους με αυξημένη ικανότητα μετατοπίσεων και μηχανισμούς κατανάλωσης σεισμικής ενέργειας.