Επιλογή των εντασιακών μεγεθών διαστασιολόγησης κατά την σεισμική ανάλυση με χρονική ολοκλήρωση: διερεύνηση μεθόδων και έλεγχος της ανελαστικής απόκρισης
Creators: name: Κωστινάκης, Κωνσταντίνος Γ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2011
Subjects: Ανάλυση με Χρονική Ολοκλήρωση
Διαμήκης Οπλισμός
Κτίρια Οπλισμένου Σκυροδέματος
Αντισεισμικός Σχεδιασμός
Time History Analysis
Longitudinal Reinforcement
Reinforced Concrete Buildings
Earthquake Resistance Design

description: Μία από τις μεθόδους σεισμικής ανάλυσης των κατασκευών που προβλέπεται σε πολλά σύγχρονα κανονιστικά κείμενα είναι και η Ελαστική Ανάλυση με Χρονική Ολοκλήρωση (ΕΑΧΟ). Όπως είναι γνωστό, για τον υπολογισμό του διαμήκους οπλισμού των υποστυλωμάτων οπλισμένου σκυροδέματος, η οποία αποτελεί και την πιο σύνθετη περίπτωση διαστασιολόγησης, πρέπει να ληφθεί υπόψη η ταυτόχρονη δράση των τριών εντασιακών μεγεθών που αναπτύσσονται σε μία διατομή (δύο ροπές κάμψης και μία αξονική δύναμη). Ωστόσο, οι τιμές των παραπάνω μεγεθών που υπολογίζονται με τη βοήθεια της ΕΑΧΟ αποτελούν συνάρτηση του χρόνου. Επίσης, είναι γνωστό ότι τα τρία εντασιακά μεγέθη δε λαμβάνουν ταυτόχρονα τη μέγιστη τιμή τους. Επιπλέον, δεν υπάρχει συγκεκριμένη διεύθυνση της διέγερσης που να μεγιστοποιεί και τα τρία εντασιακά μεγέθη απόκρισης. Συνεπώς, τίθεται το ζήτημα της δόκιμης (ασφαλούς, αλλά όχι υπερβολικά συντηρητικής) επιλογής των εντασιακών μεγεθών διαστασιολόγησης, το οποίο δεν αντιμετωπίζεται με σαφήνεια από τα σύγχρονα κανονιστικά κείμενα. Στην παρούσα εργασία προτείνονται οκτώ μέθοδοι επιλογής των εντασιακών μεγεθών που απαιτούνται για τον υπολογισμό του διαμήκους οπλισμού στοιχείων από Ο/Σ κατά την εφαρμογή της ΕΑΧΟ. Πέντε από τις μεθόδους βασίζονται στην εφαρμογή της σεισμικής διέγερσης κατά μήκος των κατασκευαστικών αξόνων του κτιρίου, ενώ οι υπόλοιπες τρεις λαμβάνουν υπόψη τους την κρίσιμη γωνία της διέγερσης, δηλαδή τη γωνία για την οποία προκύπτει η μεγαλύτερη τιμή για κάποιο συγκεκριμένο εντασιακό μέγεθος. Κατόπιν, επιλέγονται τρία μονώροφα κτίρια από Ο/Σ, τα οποία υποβάλλονται σε μεγάλο πλήθος σεισμικών διεγέρσεων και διενεργούνται ΕΑΧΟ. Ακολουθεί υπολογισμός του απαιτούμενου διαμήκους οπλισμού σε όλες τις κρίσιμες διατομές των κτιρίων, καθώς και του συνολικού βάρους του διαμήκους ολισμού που προέκυψε από την εφαρμογή των προτεινόμενων μεθόδων και πραγματοποιείται συγκριτική αξιολόγησή των αποτελεσμάτων. Επιπλέον, έγινε στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων με στόχο να διερευνηθούν οι διατάξεις των κανονισμών που αφορούν στον αριθμό των σεισμικών διεγέρσεων που απαιτούνται για τη διαστασιολόγηση με τη βοήθεια της ΕΑΧΟ. Στη συνέχεια, επιλέγεται ένα από τα παραπάνω τρία κτίρια και πραγματοποιούνται Ανελαστικές Αναλύσεις με Χρονική Ολοκλήρωση χρησιμοποιώντας 16 ζεύγη επιταχυνσιογραφημάτων. Οι αναλύσεις διενεργήθηκαν για διαξονική διέγερση, λαμβάνοντας υπόψη 72 διαφορετικές γωνίες πρόσπτωσης και 4 διαφορετικές εντάσεις των διεγέρσεων. Στόχος των παραπάνω αναλύσεων είναι η συγκριτική αξιολόγηση των προτεινόμενων μεθόδων σε επίπεδο μετελαστικής συμπεριφοράς. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων έδειξαν ότι ο απαιτούμενος διαμήκης οπλισμός τόσο των στύλων όσο και των δοκών επηρεάζεται σημαντικά από τη μέθοδο επιλογής των εντασιακών μεγεθών διαστασιολόγησης. Οι αποκλίσεις στα ποσοστά οπλισμού που υπολογίστηκαν με τις διαφορετικές μεθόδους εξαρτώνται από την εκκεντρότητα μάζας του κτιρίου και τη σεισμική διέγερση. Επίσης, διαπιστώθηκε ότι ο απαιτούμενος διαμήκης οπλισμός επηρεάζεται σημαντικά όχι μόνο από το πλήθος των σεισμικών διεγέρσεων που λαμβάνονται υπόψη, αλλά και από την επιλογή αυτών των καταγραφών. Αναφορικά με τις ανελαστικές αναλύσεις, το συμπέρασμα που προέκυψε είναι ότι οι μέθοδοι που λαμβάνουν υπόψη τους την κρίσιμη γωνία της διέγερσης οδηγούν για τις περισσότερες σεισμικές καταγραφές και γωνίες πρόσπτωσης στην καλύτερη ανελαστική συμπεριφορά του κτιρίου, ενώ όταν η διαστασιολόγηση πραγματοποιήθηκε με τις μεθόδους που βασίζονται στην εφαρμογή των επιταχυνσιογραφημάτων κατά μήκος των κατασκευαστικών αξόνων του κτιρίου παρουσιάστηκαν σημαντικές βλάβες ακόμα και για το σεισμό σχεδιασμού.
description: The objective of the present doctoral thesis is to present a rational procedure for the appropriate selection of the sectional forces needed for the calculation of the required longitudinal reinforcement in concrete frame elements within the context of linear time history analysis. For this purpose, eight different procedures, which are considered as reasonable interpretations of current code provisions, are proposed. It must be noted that three of these methods take into account the critical angle of the seismic excitation, i.e., the angle that yields the maximum values of the response quantities under consideration. For the comparative evaluation of the eight proposed methods, an extensive parametric study is carried out. Three single-storey R/C buildings subjected to 41 pairs of horizontal earthquake records are analyzed. For each ground motion the longitudinal reinforcement steel ratios at all critical cross sections and the total weight of the required longitudinal reinforcement using all eight methods are calculated. Finally, the required reinforcement due to 3 as well as 7 earthquake records is determined in order to investigate the adequacy of the seismic code provisions concerning the number of ground motions needed for the calculation of the longitudinal reinforcement in R/C frame elements. Moreover, one of the three buildings designed with the aid of the eight proposed methods is analyzed using nonlinear time history analysis in order to evaluate the effectiveness of the proposed methods of selecting the frames’ sectional forces in the non-linear range of behavior. The analyses are conducted using 16 earthquake records. The components of each ground motion are applied along two horizontal orthogonal directions forming 72 different incident angles with the structural axes. Moreover, 4 different earthquake hazard levels are considered by using 4 multipliers for the accelerograms of each ground motion. For each nonlinear time history analysis the local damage indices at every relevant cross section as well as the overall damage index of the building are calculated. Based on the results of the analyses, the following useful conclusions can be drawn: The required reinforcement is strongly affected by the method used to select the design sectional forces in the frame elements. The quantitative differences between the 8 methods depend on the structural element, the earthquake record and the mass eccentricity of the building. Moreover, it was found that the longitudinal reinforcement determined due to 3 seismic records is larger than the one computed when 7 ground motions are considered. The overall damage state of the building is strongly affected by the method used to select the design sectional forces in the frame elements. Methods based on seismic effects produced by accelerograms applied along the structural axes can lead to high values of damage indices for the design earthquake, depending on the input seismic motion, the earthquake hazard level considered and the excitation’s incident angle. On the contrary, the values of damage indices appear to be smaller for the methods that take into consideration the critical angle of the seismic excitation.