Αποτίμηση σεισμικής τρωτότητας κτηρίων λαμβάνοντας υπόψη τη δυναμική αλληλεπίδραση εδάφους- θεμελίωσης- κατασκευής και τη γήρανση των υλικών:
Creators: name: Φίλιππα, Αργυρώ Μάρκου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2012
Subjects: Σεισμική τρωτότητα
Δυναμική αλληλεπίδραση εδάφους- θεμελίωσης- κατασκευής
Γήρανση υλικών
Seismic vulnerability
Soil- foundation- structure interaction (SFSI)
Aging effects

description: Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η αποτίμηση της σεισμικής τρωτότητας κτηρίων οπλισμένου σκυροδέματος, λαμβάνοντας υπόψη τη δυναμική αλληλεπίδραση εδάφους- θεμελίωσης-κατασκευής και τη γήρανση των υλικών. Επιλέγονται δυο πλαισιακά συστήματα από οπλισμένο σκυρόδεμα σχεδιασμένα βάσει σύγχρονων αντισεισμικών κανονισμών. Το πρώτο κτηριακό προσομοίωμα δύο ορόφων και ενός ανοίγματος κατατάσσεται στην κατηγορία των χαμηλών κτηρίων και διαστασιολογήθηκε βάσει του ΕΑΚ2000, ενώ το δεύτερο κτηριακό προσομοίωμα τεσσάρων ορόφων και τριών ανοιγμάτων κατατάσσεται αντίστοιχα στην κατηγορία των κτηρίων μετρίου ύψους και διαστασιολογήθηκε βάσει του Πορτογαλικού αντισεισμικού κανονισμού. Η προσομοίωση και η ανάλυση των κτηριακών προσομοιωμάτων πραγματοποιούνται στον κώδικα πεπερασμένων στοιχείων OpenSees. Λαμβάνονται υπόψη τόσο η ανελαστικότητα των υλικών, όσο και οι γεωμετρικές μη-γραμμικότητες (π.χ. φαινόμενα P-δ).Η ανελαστικότητα λαμβάνεται κατανεμημένη σε όλο το μήκος των μελών βάσει ινών. Πραγματοποιούνται αναλύσεις για συνολικά οχτώ μοντέλα, λαμβάνοντας υπόψη (ή όχι) τα φαινόμενα αλληλεπίδρασης εδάφους-κατασκευής και γήρανσης λόγω της διάβρωσης στα δομικά στοιχεία οπλισμένου σκυροδέματος. Θεωρούνται δύο χρονικά σενάρια, t=0 έτη και t=50 έτη για τους αρχικούς φορείς κι αυτούς που έχουν υποστεί διάβρωση αντίστοιχα.. Τα πακτωμένα προσομοιώματα θεωρείται, ότι εδράζονται σε βράχο, ενώ στα προσομοιώματα που υπεισέρχεται και το φαινόμενο της δυναμικής αλληλεπίδρασης εδάφους – θεμελίωσης- κατασκευής, λαμβάνεται υπόψη η παραμορφωσιμότητα του εδάφους και η ενδοσιμότητα της θεμελίωσης στη δυναμική απόκριση των κατασκευών. To φαινόμενο της δυναμικής αλληλεπίδρασης εξετάζεται μέσω της άμεσης (σε ένα βήμα) μεθόδου, θεωρώντας εδαφικό προφίλ με μέση ταχύτητα διατμητικών κυμάτων Vso=300m/sec. Όσον αφορά στα φαινόμενα γήρανσης για το σενάριο των 50 χρόνων, λαμβάνονται υπόψη μέσω της διάβρωσης του οπλισμού λόγω της διείσδυσης χλωριόντων. Η χρονικά εξαρτώμενη απώλεια της διατομής των ράβδων οπλισμού υπολογίζεται μέσω πιθανοκρατικής μοντελοποίησης του χρόνου έναρξης της διάβρωσης και του ρυθμού διάβρωσης.Δισδιάστατες δυναμικές ανελαστικές αναλύσεις πραγματοποιήθηκαν για την πρόβλεψη της δυναμικής απόκρισης των κτηρίων Ο/Σ για τα δύο χρονικά σενάρια. Σαν κίνηση εισαγωγής χρησιμοποιήθηκαν οχτώ διαφορετικές χρονοϊστορίες επιταχύνσεων σε επιφανειακή έξαρση βράχου, κλιμακούμενες σε τρία επίπεδα μέγιστης εδαφικής επιτάχυνσης (0.1g. 0.3g, 0.5g), με στόχο να καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα ως προς τα χαρακτηριστικά της κίνησης (πλάτος, συχνοτικό περιεχόμενο, διάρκεια). Ως παράμετρος απόκρισης για τον ορισμό των σταθμών βλάβης για την κατασκευή των καμπυλών τρωτότητας επιλέγεται το μέγιστο σχετικό βέλος ορόφων (ISD%) . Λαμβάνονται υπόψη τέσσερις στάθμες βλάβης όπως προτείνονται κατά Ghobarah (2004). Διαφορετικά όρια μέγιστου σχετικού βέλους ορόφων χρησιμοποιούνται για τους πλάστιμους (αρχικούς) φορείς και τους μη πλάστιμους (που έχουν υποστεί διάβρωση). Τελικά εξάγονται συναρτήσεις σωρευτικής κατανομής της πιθανότητας υπέρβασης της κάθε στάθμης βλάβης για διάφορες στιγμές στο χρόνο, σε όρους επιτάχυνσης σε επιφανειακή έξαρση βράχου. Διάφορες αβεβαιότητες λαμβάνονται υπόψη οι οποίες αφορούν στη διαθέσιμη απόκριση των κτηρίων, στη σεισμική απόκριση και στον ορισμό των σταθμών βλάβης. Οι καμπύλες που κατασκευάζονται για τα αρχικά κτηριακά προσομοιώματα συγκρίνονται επίσης με ήδη υπάρχουσες καμπύλες τρωτότητας στη βιβλιογραφία, για αντίστοιχες κατηγορίες κτηρίων. Επιπλέον οι καμπύλες που έχουν προκύψει βάσει της άμεσης μεθόδου για τη μελέτη του φαινομένου της δυναμικής αλληλεπίδρασης εδάφους – κατασκευής, συγκρίνονται με τις καμπύλες που έχουν προκύψει με βάση τη μέθοδο των αποσυζευγμένων συστημάτων, όπως περιγράφεται στη διπλωματική εργασία της Καραπέτρου Σ (2011). Διαπιστώνεται ότι η διάβρωση επιδρά σημαντικά στη δυναμική απόκριση και την τρωτότητα. Οι καμπύλες τρωτότητας για τις κατασκευές που έχουν υποστεί διάβρωση παρουσιάζουν μία μετατόπιση προς τα αριστερά σε σχέση με εκείνες των αρχικών φορέων, καταδεικνύοντας σημαντική αύξηση στην τρωτότητα των κατασκευών λόγω του φαινομένου (σχήμα 1.α &amp; 1.β). Αύξηση της τρωτότητας παρατηρείται επίσης όταν λαμβάνεται υπόψη η ενδοσιμότητα του εδάφους θεμελίωσης σε σχέση με τη θεώρηση του πακτωμένου συστήματος επί βράχου (σχήμα 2.α &amp;2.β). Αντίθετα παρατηρείται μείωση της τρωτότητας όταν λαμβάνεται υπόψη η αλληλεπίδραση εδάφους-θεμελίωσης-κατασκευής. Επιπλέον, πραγματοποιείται σύγκριση μεταξύ των δύο μεθόδων προσομοίωσης του φαινομένου της αλληλεπίδρασης (άμεση μέθοδος, μέθοδος των αποσυζευγμένων συστημάτων), όπου φαίνεται πως η μείωση της τρωτοτητας είναι μεγαλύτερη στην περίπτωση της άμεσης μεθόδου. Με αφετηρία την παρούσα διπλωματική εργασία και για τη διεξαγωγή πιο ασφαλών συμπερασμάτων, απαιτείται περαταίρω έρευνα όσον αφορά στον ορισμό των επιπέδων βλάβης για τις διαβρωμένες κατασκευές βάσει αναλυτικών, πειραματικών και εμπειρικών δεδομένων καθώς και στην ενσωμάτωση της πλήρους πιθανοτικής προσομοίωσης της διάβρωσης στο κτηριακό προσομοίωμα. Από τα αποτελέσμτα πάντως προκύπτει το συμπέρασμα πως οι καμπύλες τρωτότητας για τα κτήρια από Ο/Σ έτσι όπως υπολογίζονται έως και σήμερα, θεωρώντας δηλαδή πακτωνένες συνθήκες έδρασης και αγνοώντας τα φαινόμενα γήρανσης, είναι δυνατό να οδηγήσουν σε υποτίμηση της πραγματικής τρωτότητάς τους.
description: The present dissertation aims at the assessment of the seismic vulnerability of reinforced concrete buildings , taking into account the soil–structure–interaction (SSI) and the aging effects due to corrosion of the RC structural members. Two reference moment resisting frame structures, designed on the basis of modern seismic codes are selected to be studied. The first one is a two storey- one bay frame model, that can be categorised as a low – rise building designed by greek seismic code and the second one is a mid- rise building with four storeys and three bays, designed according to the current seismic code of Portugal. The reference buildings are modeled and analyzed using the finite element code OpenSees. Both material inelasticity and geometric nonlinearities (e.g. P-Delta effects) are taken into account. The fiber based approach is used to represent the spread of inelasticity along the structural members. In total, eight models are analyzed considering (or not) the effects of SSI and the evolving potential of aging due to corrosion of the RC structural members. Two time scenarios are considered, t=0 years and t=50 years for the initial and the corroded buildings respectively. The fixed based structural models are considered to be founded on rock whereas for the models considering the SSI effects, the influence of soil deformability and foundation compliance in the dynamic response of the structures is taken into account. Soil – structure-interaction is modeled based on the direct (coupled) approach considering a representative layered soil profile with an average low strain shear wave velocity equal to 300m/sec. Regarding the aging effects, that are taken into account in the 50 years time scenario, chloride induced corrosion of the steel reinforcement is considered. The time-dependent loss of cross sectional area of steel rebars is estimated based on the probabilistic modeling of corrosion initiation time and corrosion rate. Two- dimensional non-linear dynamic time history analyses are conducted in OpenSees, to predict the inelastic response of the considered RC buildings for the two time scenarios. Eight different outcropping accelerograms scaled at three different levels of peak ground acceleration PGA (i.e. 0.1g, 0.3g and 0.5g) are used as input motion, accounting for the variability associated to the ground motion characteristics (amplitude, frequency content and duration). Maximum interstorey drift (ISD%) is used as the response parameter for the definition of the damage states for the derivation of the fragility curves. Four levels of damage are considered (slight, moderate, extensive, complete) based on the drift limits proposed by Ghobarah (2004). Different drift limits are adopted for the ductile (uncorroded) and non ductile (corroded) moment resisting frame structures. Finally, time-dependent probabilistic fragility functions are derived for predefined damage states at different time periods in terms of outcrop peak ground acceleration. Various uncertainties are taken into account concerning the capacity of the building, the earthquake demand and the definition of the limit states. The fragility curves derived for the initial uncorroded structures are well compared with existing fragility curves in the literature for the corresponding structural typologies. Moreover, the fragility curves corresponding to the ssi models, which are derived based on the direct method, are compared to the ones, derived based on the sub structuring (two step, uncoupled) approach as described in the master thesis of Karapetrou S. (2011). It is shown that corrosion may have an important impact on the seismic response and vulnerability of the structures. The fragility curves derived for the corroded structures display a great shift to the left in comparison to the curves corresponding to the initial non-degraded ones, indicating a significant increase in the structure’s fragility due to reinforcement corrosion (Figure 1.a &amp; 1.b). Soil deformability has been found result to higher vulnerability values (Figure 2a &amp; 2b). On the contrary decrease in vulnerability is noted when soil-foundation-structure interaction is considered, Moreover, the comparison between the two methods of SFSI modeling (sub structuring and direct) indicates that the sub structuring method leads to higher vulnerability (Figure 3a &amp; 3b) .. In order to increase the robustness of the preliminary conclusions presented within this dissertation, further research is needed in the definition of limit states for corroded structures based on adequate analytical, experimental and empirical data and the incorporation of the fully probabilistic corrosion models within the dynamic analysis. However the results prove that the fragility curves used so far for RC buildings under fixed base conditions and assuming no aging effects, may, under certain circumstances, underestimate the real vulnerability of the structures.