Τρωτότητα μεταλλικών κατασκευών λαμβάνοντας υπόψη την αλληλεπίδραση εδάφους-θεμελίωσης-κατασκευής
Creators: name: Τσουμάνη, Παρασκευή Ηλία
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Αλληλεπίδραση εδάφους-θεμελίωσης-κατασκευής
Μεταλλικές κατασκευές MRF, CBF
Καμπύλες τρωτότητας
Soil-structure interaction
Steel structures MRF, CBF
Fragility/vulnerability curves

description: Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας εκτιμάται η επιρροή της μη γραμμικής συμπεριφοράς του εδάφους και της δυναμικής αλληλεπίδρασης εδάφους – θεμελίωσης – ανωδομής στη σεισμική απόκριση και τρωτότητα μεταλλικών κατασκευών. Για τη διερεύνηση των επιπτώσεων των παραπάνω φαινομένων, εξετάστηκε ένα μεταλλικό πλαίσιο ροπής (MRF) καθώς και ένα μεταλλικό πλαίσιο με συνδέσμους χωρίς εκκεντρότητα (CBF). Τα συγκεκριμένα πλαίσια προσομοιώθηκαν ως εξιδανικευμένες δισδιάστατες κατασκευές μέσω των λογισμικών ανοικτού κώδικα Frame Modeler-2D και OpenSees. Κατά την αριθμητική προσομοίωση των μοντέλων λήφθηκε υπόψη τόσο η μη γραμμική συμπεριφορά της κατασκευής όσο και τα φαινόμενα P-Δ. Προκειμένου να υλοποιηθούν τα αδρανειακά χαρακτηριστικά της αλληλεπίδρασης χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος Beam-on-Nonlinear-Winkler-Foundation (BNWF). Βάσει της συγκεκριμένης μεθόδου, το μοντέλο θεμελίωσης αποτελείται από ένα σύστημα ανεξάρτητων κατακόρυφων μη γραμμικών ελατηρίων, τα οποία βρίσκονται σε μικρή απόσταση μεταξύ τους, καθώς επίσης και από δύο οριζόντια ελατήρια. Επιπλέον, για τη συνεκτίμηση της μη γραμμικής συμπεριφοράς του εδάφους στη σεισμική απόκριση των μεταλλικών πλαισίων, επιλέχθηκαν έξι (6) διαφορετικά αργιλικά προφίλ, τα οποία προσομοιώθηκαν με πεπερασμένα επιφανειακά στοιχεία μέσω του OpenSees. Στη συνέχεια διενεργήθηκαν επαυξητικές δυναμικές αναλύσεις (Incremental Dynamic Analysis) με την εφαρμογή έντεκα (11) πραγματικών σεισμικών διεγέρσεων κλιμακούμενης έντασης, οδηγώντας συνολικά σε 220 δυναμικές αναλύσεις για κάθε σύστημα εδάφους-θεμελίωσης. Η ανάλυση των μεταλλικών πλαισίων πραγματοποιήθηκε για δύο διαφορετικές συνθήκες σύνδεσης της ανωδομής με τη θεμελίωση : α) συνθήκες πακτωμένης βάσης επί εδάφους και β) συνθήκες ενδόσιμης θεμελίωσης επί μη γραμμικών ελατηρίων τύπου BNWF. Τα αποτελέσματα των δυναμικών αναλύσεων παρουσιάστηκαν και αξιολογήθηκαν τόσο με βάση τη σχετική μετατόπιση των ορόφων όσο και με βάση τη ροπή-στροφή στα άκρα δοκών και υποστυλωμάτων. Ακολούθησε η εκτίμηση της σεισμικής τρωτότητας των μεταλλικών πλαισίων, κατασκευάζοντας τις καμπύλες τρωτότητας τόσο σε όρους πιθανοτήτων (Fragility curves) όσο και σε όρους δείκτη βλάβη/απωλειών (Vulnerability curves). Οι εν λόγω καμπύλες υπολογίστηκαν συναρτήσει της μέγιστης εδαφικής επιτάχυνσης στο βραχώδες υπόβαθρο (PGA), για τέσσερις διαφορετικές στάθμες βλάβης. Για την επεξεργασία και ανάλυση των αποτελεσμάτων καθώς και για την κατασκευή των καμπυλών τρωτότητας, χρησιμοποιήθηκε η γλώσσα προγραμματισμού Python και τα προγραμματιστικά εργαλεία που προσφέρει. Από τη διεξοδική ανάλυση και σύγκριση των αποτελεσμάτων, καταδεικνύεται η σημαντική συνεισφορά των τοπικών εδαφικών συνθηκών και της δυναμικής αλληλεπίδρασης στη σεισμική συμπεριφορά των μεταλλικών κατασκευών. Για το λόγο αυτό καθίσταται επιτακτική η ανάγκη συνεκτίμησης των παραπάνω φαινομένων στο σύνολο των αναλύσεων που διενεργούνται για τα μεταλλικά πλαίσια
description: This diploma thesis is aimed to assess the influence of soil-structure interaction and non-linear behavior of the soil on the seismic response and vulnerability of steel structures. To investigate the effects of the above phenomena, a steel moment-resisting frame (MRF) as well as a concentrically braced frame (CBF) were considered. These specific frames were simulated as idealized two-dimensional structures through the open-source software Frame Modeler-2D and OpenSees. During the numerical simulation of the models, both the non-linear behavior of the structure and the P-Delta effects were taken into account. The Beam-on-Nonlinear-Winkler-Foundation (BNWF) method was chosen to simulate the inertial characteristics of the interaction. Based on this method, the foundation model consists of a system of vertical independent non-linear springs, located at a short distance from each other, as well as two horizontal springs. In addition, to account for the non-linear behavior of the soil in the seismic response of the steel frames, six (6) different clay soil profiles were selected, which were simulated with finite surface elements through OpenSees. Then Incremental Dynamic Analyses (IDA) were carried out by applying eleven (11) real earthquake records of escalating intensity, leading to a total of 220 dynamic analyses for each soil-foundation system. The analysis of the steel frames was held for two different conditions of connection of the superstructure to the foundation: a) fixed-base considering soil characteristics and b) Beam-on-Nonlinear-Winkler-Foundation spring type-elements. The results obtained of the dynamic analyses were indicatively presented and discussed based on both the relative displacement of the floors and the moment-rotation at the ends of the beams and columns. This was followed by the assessment of the seismic fragility of the steel frames, constructing the fragility curves both in terms of probability (Fragility curves) and in terms of damage/loss index (Vulnerability curves). These curves were estimated as a function of rock outcropping peak ground acceleration for four limit states. For the processing and analysis of the results as well as for the construction of the vulnerability curves, the Python programming language and the programming tools it offers were used. From the thorough analysis and comparison of the results, the significant contribution of site effects and soil-structure interaction to the seismic behavior of steel structures is demonstrated. For this reason, the need to consider the above phenomena in all the analyses carried out for the steel frames becomes imperative