Αναλυτική και Πειραματική διερεύνηση της συμπεριφοράς νέας διάταξης απορρόφησης σεισμικής ενέργειας για την προστασία των κατασκευών
Authors: Τιτίρλα Μαγδαληνή 
Published: September 2021

Τα παθητικά συστήματα απορρόφησης σεισμικής ενέργειας, όπως είναι οιαποσβεστήρες τριβής, οι αποσβεστήρες διαρροής, οι ιξώδεις αποσβεστήρες κ.α. έχουν προταθεί για να μειώσουν τη δυναμική απόκριση κατασκευών που υπόκεινται σε σεισμικές διεγέρσεις. Πολλές τέτοιες διατάξεις έχουν χρησιμοποιηθεί για την ενίσχυση υπαρχουσών ή νέων κατασκευών στις Η.Π.Α., στον Καναδά, στην Ιαπωνία και αλλού. Hαποτελεσματικότητα αυτών των διατάξεων για τον αντισεισμικό σχεδιασμό των κατασκευών,στοχεύει στην ελαχιστοποίηση των βλαβών της κατασκευής απορροφώντας μεγάλο μέρος της σεισμικής ενεργείας που εισάγεται στην κατασκευή λόγω της υστερητικής συμπεριφοράς των διατάξεων αυτών. Η αλματώδης εξέλιξη στον τομέα της μηχανικής οδηγεί στην συνεχή δημιουργία ολοένα και περισσότερων διατάξεων απορρόφησης σεισμικής ενέργειας.Ο κεντρικός άξονας της παρούσας διατριβής συνίσταται στην ολοκληρωμένη και εμπεριστατωμένη μελέτη μιας νέας διάταξης απορρόφησης σεισμικής ενέργειας, η οποία φέρει την κωδική ονομασία CAR1 και ανήκει στα παθητικά συστήματα απορρόφησης σεισμικής ενέργειας. Η νέα αυτή διάταξη μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ενίσχυση νέων ή υφιστάμενων κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος O/Σ ή μεταλλικών, με την ενσωμάτωσή της σε διαγώνιες μεταλλικές ράβδους ενίσχυσης. Ανάλογα με τις ανάγκες της κάθε κατασκευής επιλέγεται ο κατάλληλος αριθμός των διατάξεων και οι θέσεις που θα τοποθετηθούν. Επίσης τα επιμέρους χαρακτηριστικά της διάταξης μπορούν να διαφοροποιηθούν και να προσαρμοστούν στις εκάστοτε ανάγκες της κατασκευής. Η μελέτη αυτών των χαρακτηριστικών (γεωμετρία, υλικό και συνοριακές συνθήκες) αποτέλεσε έναν από τους επιμέρους στόχους της εκπονηθείσας διδακτορικής διατριβής. Η νέα αυτή διάταξη έχει τριπλή λειτουργία καθώς: (i) ρυθμίζει τις δυνάμεις που αναπτύσσονται στις διαγώνιες ράβδους ενίσχυσης, επιβάλλοντας ένα ανώτατο όριο αξονικών δυνάμεων (Control), (ii)αποσβένει σεισμική ενέργεια μέσω διαρροής υλικού και ταυτόχρονης τριβής των διεπιφανειών (Absorption), και (iii) ασφαλίζει τις μετακινήσεις της διάταξης, ως επέκταση και της κατασκευής σε ένα επιθυμητό επίπεδο (Restraint). Kατά συνέπεια τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η διάταξη απορρόφησης σεισμικής ενέργειας CAR1 δεν είναι μόνο η απορρόφηση σεισμικής ενέργειας αλλά και η προστασία των διαγώνιων μεταλλικών στοιχείων από πρόωρη αστοχία. Παράλληλα, η διάταξη είναι σχεδιασμένη με τέτοιο τρόπο ώστε να ασφαλίζει τις ανελαστικές της μετακινήσεις, συνεπώς περιορίζει παράλληλα και τις ανελαστικές μετακινήσεις της κατασκευής σε ένα επιθυμητό επίπεδο που επιλέγεται με βάση τις ανάγκες της κάθε μελέτης. Συνεπώς, η διάταξη βελτιώνει την σεισμική απόκριση της κατασκευής διότι απορροφά το μεγαλύτερο μέρος της σεισμικής ενέργειας προστατευοντας έτσι τον φέροντα οργανισμό της κατασκευής από αστοχία.Η μελέτη της προτεινόμενης διάταξης πραγματοποιήθηκε τόσο πειραματικά όσο και αναλυτικά. Κύριο μέλημα αποτέλεσε η ανάπτυξη αριθμητικών προσομοιωμάτων, μέσω τρισδιάστατων πεπερασμένων στοιχείων, για την ακριβή και λεπτομερή πρόβλεψη της συμπεριφοράς της διάταξης. Η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων (FEM) έχει γίνει η πιο δημοφιλής μέθοδος στους τομείς της έρευνας και της βιομηχανικής αριθμητικής προσομοίωσης, καθώς λαμβάνει υπόψη τους νόμους υλικού, συνθήκες επαφής μεταξύ διεπιφανειών και άλλες παραμέτρους, οι οποίες οδηγούν στην ακριβή περιγραφή της απόκρισης της συσκευής. Η πειραματική διερεύνηση πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Πειραματικής Αντοχής των Υλικών και Κατασκευών του Α.Π.Θ. Τα αποτελέσματα των αρχικών πιλοτικών πειραμάτων, αποτέλεσαν την βάση για τη δημιουργία του αναλυτικού μικρομοντέλου με τρισδιάστατα πεπερασμένα στοιχεία, ικανού να αποδώσει με ακρίβεια τη συμπεριφορά της διάταξης CAR1. Τα αποτελέσματα των υπόλοιπων πειραμάτων αποτέλεσαν το κλειδί για την ανάδειξη της αξιοπιστίας του αναλυτικού προσομοιώματος με πεπερασμένα στοιχεία. Κρίσιμο στάδιο της αξιολόγησης των αριθμητικών προσομοιωμάτωναποτέλεσε όχι μόνο η σύγκριση των υστερητικών βρόχων αλλά και η σύγκριση της μορφής των παραμορφώσεων μεταξύ των πειραματικών δοκιμίων και των αντίστοιχων αριθμητικών προσομοιωμάτων. Κατά συνέπεια, δημιουργήθηκε ένα αξιόπιστο αριθμητικό εργαλείο πρόβλεψης της συμπεριφοράς της διάταξης απορρόφησης σεισμικής ενέργειας CAR1.ivΑπό την παραμετρική διερεύνηση που πραγματοποιήθηκε αναδείχτηκαν οι κυριότερες παράμετροι που επηρεάζουν την συμπεριφορά της διάταξης CAR1 και επιβεβαιώθηκε η πληθώρα των επιλογών (ως προς τα επιμέρους χαρακτηριστικά της) που προσφέρει η νέα αυτή διάταξη στον μελετητή μηχανικό σύμφωνα με τις ανάγκες της εκάστοτε κατασκευής. Τα αποτελέσματα συγκεντρώθηκαν σε διαγράμματα P-u με βάση τα οποία μπορεί να γίνει η επιλογή των χαρακτηριστικών της διάταξης απορρόφησης σεισμικής ενέργειας για διάφορα στάδια αντισεισμικής ενίσχυσης (με βάση την επιθυμητή αναπτυσσόμενη δύναμη ή την επιθυμητή μετακίνηση). Ο κύκλος της παρούσας διατριβής κλείνει με την επιλογή των επιμέρους χαρακτηριστικών των διατάξεων CAR1 για την ενίσχυση ενός τριώροφου πλαισιακού φορέα.Από τη διεξοδική έρευνα που πραγματοποιήθηκε, προκύπτει ότι: (i) η διάταξη είναι σύμφωνη με τις παγκόσμιες απαιτήσεις αντισεισμικού σχεδιασμού, μιας και βελτιώνει την απόκριση της κατασκευής, απορροφά μεγάλο μέρος της σεισμικής ενέργειας προστατεύοντας έτσι τον φέροντα οργανισμό της κατασκευής και δίνει την δυνατότητα μιας πιο αξιόπιστης πρόβλεψης της αστοχίας στο μελετητή/κατασκευαστή, (ii) έχει δημιουργηθεί ένα αξιόπιστο εργαλείο ικανό να αποδώσει με ικανοποιητική ακρίβεια: α) τη δυσκαμψία του πειραματικού δοκιμίου, β) την πειραματική καμπύλη φορτίου βύθισης (Ρ-u), γ) τη παραμορφωμένη μορφή των επάλληλων λαμών σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή και δ) τη μορφή αστοχίας στο τελικό στάδιο φόρτισης του πειραματικού δοκιμίου και (iii) τα διαγράμματα P-u διευκολύνουν τον μελετητή να επιλέξει τα επιμέρους χαρακτηριστικά της διάταξης CAR1 για την ενίσχυση ενός φορέα (διαφοροποιημένης ανά όροφο).