Μελέτη της ενίσχυσης φορέων από ωπλισμένο σκυρόδεμα με έμφαση στη χρήση ελκυστήρων

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή αποτελεί μια συμβολή στη σύγχρονη μελέτη και επίλυση του προβλήματος της αντισεισμικής ενίσχυσης πλαισιωτών φορέων σε Κατασκευές από Ωπλισμένο Σκυρόδεμα (ΚΩΣ) με χρήση ελκυστήρων. Θεωρείται ότι μετά τη στατική και σεισμική αποτίμηση, του φορέα της ΚΩΣ, υφιστάμενης ή νέας, με τις γνωστές μεθόδους, έχει ήδη διαπιστωθεί η ανάγκη για ενίσχυση και σεισμική αναβάθμισή του φορέα συνολικά. Από τις διαθέσιμες μεθόδους ενίσχυσης των φορέων ΩΣ επιλέγεται η χρήση ελκυστήρων που τοποθετούνται διαγώνια στο φάτνωμα του πλαισίου. Η ενίσχυση με ελκυστήρες παρέχει ορισμένα σημαντικά πλεονεκτήματα συγκριτικά με τις παραδοσιακές μεθόδους ενίσχυσης (π.χ. μανδύες, τοιχώματα, FRP), όπως η ευκολία τοποθέτησης, η μείωση της όχλησης κατά την κατασκευή, ο σεβασμός των αρχών της αειφόρου κατασκευής, η αναστρεψιμότητα, η συντήρηση κ.λπ. Κατά τους υπολογισμούς της απόκρισης φορέων ΩΣ με ελκυστήρες απαιτείται ρεαλιστική ανάλυση της χρήσης ελκυστήρων ως μέσον ενίσχυσης λαμβάνοντας αυστηρά υπόψη την μονόπλευρη συμπεριφορά τους, δηλ. τη δυνατότητα παραλαβής μόνο εφελκυστικών δυνάμεων, και την αδυναμία ανάληψης θλιπτικών δυνάμεων. Αρχικά αναπτύσσονται οι βασικές αρχές της θεωρίας των φορέων με μονόπλευρους συνδέσμους και γίνεται η μαθηματική διατύπωση του προβλήματος ως ανισοτικό πρόβλημα της Μηχανικής των Κατασκευών. Στα ανισοτικά προβλήματα της Ανάλυσης των Κατασκευών οι συνθήκες που διέπουν το πρόβλημα είναι ισοτικές και ανισοτικές. Πρόκειται για μη γραμμικά προβλήματα φορέων που εμφανίζουν ιδιαίτερες δυσκολίες τόσο στη μαθηματική τους διατύπωση όσο και στην αριθμητική τους επίλυση.Οι ελκυστήρες είναι δομικά στοιχεία που λειτουργούν ως μονόπλευροι σύνδεσμοι παραλαμβάνοντας μόνο αξονικές δυνάμεις εφελκυσμού. Άρα, οι συνθήκες της μη-αρνητικής έντασης στους ελκυστήρες είναι ανισοτικές συνθήκες. Αυτή η μη-γραμμικότητα λόγω των ελκυστήρων επαυξάνει τη δεδομένη μη-γραμμικότητα που διέπει τα προβλήματα φορέων ΩΣ. Γενικά, η χρήση των ελκυστήρων επιβάλλει στον φορέα ΩΣ ένα μεταβλητό τρόπο λειτουργίας, δηλαδή η λειτουργία του μεταβάλλεται ανάλογα με το αίτιο. Ως γνωστόν, το ίδιο φαινόμενο του μεταβλητού τρόπου λειτουργίας εμφανίζεται σε φορείς ΚΩΣ λόγω της ρηγμάτωσης υπό μεταβαλλόμενο αίτιο λειτουργίας, π.χ. σεισμική καταπόνηση.Ακολούθως, για την αριθμητική επίλυση του γενικού προβλήματος (στατικού και δυναμικού) χρησιμοποιούνται αφενός διπλή διακριτοποίηση στο χώρο με τη Μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων (Finite Element Method – FEM) και στο χρόνο με άμεσες μεθόδους ολοκλήρωσης, και αφετέρου μέθοδοι βελτιστοποίησης για τη διαχείριση των ανισοτικών συνθηκών. Έτσι, σε κάθε χρονικό βήμα επιλύεται ένα Πρόβλημα Γραμμικής Συμπληρωματικότητας (ΠΓΣ). Επιπλέον, αναπτύσσεται μια εναλλακτική προσαυξητική προσέγγιση του προβλήματος, και προτείνεται μια κατάλληλη εφαρμογή του υπολογιστικού κώδικα RUAUMOKO. Η αξιοπιστία του κώδικα αυτού τεκμηριώνεται με αποτελέσματα πειραμάτων της βιβλιογραφίας και εργαστηριακών πειραμάτων που υλοποιήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διατριβής.Τα πειράματα αυτά πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Ωπλισμένου Σκυροδέματος και Αντισεισμικών Κατασκευών (Εργ. ΩΣΑΚ) του ΤΠΜ της Πολυτεχνικής Σχολής ΔΠΘ για ένα τυπικό μονώροφο δίστυλο δοκίμιο-πλαίσιο από Ωπλισμένο Σκυρόδεμα (ΩΣ), πρώτα χωρίς ενίσχυση και κατόπιν με ενίσχυση από ελκυστήρες. Το πλαίσιο αυτό έχει χαρακτηριστικά καμπτο-διατμητικής λειτουργίας, η οποία εμφανίζεται σε παλιές ΚΩΣ, μελετημένες και κατασκευασμένες πριν από την ισχύ των νεότερων αντισεισμικών κανονισμών. Στα πειράματα αυτά δόθηκε έμφαση στην επιρροή εναλλασσόμενης αξονικής δύναμης στην διατμητική αντοχή δομικών στοιχείων, και έτσι να ληφθεί υπόψη η επιρροή της κατακόρυφης συνιστώσας του σεισμού στην συμπεριφορά χαμηλών κτηρίων. Η τεκμηρίωση του κώδικα που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της Διδακτορικής Διατριβής (ΔΔ) πραγματοποιείται και με πειραματικά αποτελέσματα που είναι διαθέσιμα στη διεθνή βιβλιογραφία και αφορούν δοκίμια-πλαίσια με καμπτική συμπεριφορά, ενισχυμένα με χαλύβδινους ελκυστήρες. Στις υπολογιστικές προσομοιώσεις και των δυο παραπάνω πειραματικών διαδικασιών διαπιστώθηκε μια πολύ ικανοποιητική σύγκλιση πειραματικών και υπολογιστικών αποτελεσμάτων. Κατόπιν διερευνάται η επίδραση μιας ακολουθίας σεισμών (πολλαπλοί σεισμοί) στην απόκριση φορέων ΩΣ, ενισχυμένων ή όχι με ελκυστήρες. Για σεισμικές ακολουθίες που έχουν καταγραφεί και επιλέγονται ως ακραίες για τον εξεταζόμενο φορέα ΚΩΣ, υπολογίζεται η σωρευτική τους επίδραση στις βλάβες που προκαλούνται στην κατασκευή για κρίσιμα μεγέθη της απόκρισης. Σχετικά εισάγονται και υπολογίζονται δείκτες βλάβης, τοπικοί με βάση την πλαστιμότητα, και καθολικοί για το σύνολο του φορέα. Τα κρίσιμα μεγέθη αφορούν εντασιακά και παραμορφωσιακά χαρακτηριστικά της απόκρισης, όπως π.χ. μέγιστες οριζόντιες μετακινήσεις ανωτέρων ορόφων, σχετικές ολισθήσεις μεταξύ ορόφων, σχηματισμοί πλαστικών αρθρώσεων, κ.λπ. Έτσι, με τους παραπάνω δείκτες βλάβης διαπιστώνεται ποσοτικά και κατά αξιόπιστο τρόπο η ενδεχόμενη αύξηση της σεισμικής επικινδυνότητας για φορείς ΚΩΣ χωρίς ενίσχυση, εκτιμάται ποσοτικά η ανάγκη για την ενίσχυσή τους και επιλέγεται η βέλτιστη διάταξη ελκυστήρων.Ακόμη, εξετάζονται μερικές χαρακτηριστικές πρακτικές περιπτώσεις φορέων ΩΣ ενισχυμένων με ελκυστήρες και συγκρίνεται η σεισμική τους απόκριση υπό σεισμικές ακολουθίες, με ή χωρίς την ενίσχυση. Η σύγκριση πραγματοποιείται με βάση τις τιμές των δεικτών βλάβης (τοπικοί ή καθολικοί) για διάφορα κρίσιμα χαρακτηριστικά της απόκρισης. Έτσι δίνεται η δυνατότητα στον μηχανικό να εκτιμήσει με ρεαλιστικό τρόπο την ανάγκη ενίσχυσης ή όχι μιας υφιστάμενης κατασκευής ΩΣ, καθώς και να επιλέξει τον βέλτιστο τρόπο ενίσχυσης με ελκυστήρες.Τα κύρια σημεία πρωτοτυπίας της διατριβής είναι, μεταξύ άλλων, ότι διατυπώνεται κατά ρεαλιστικό τρόπο και επιλύεται αριθμητικά το στατικό και δυναμικό πρόβλημα των φορέων ΩΣ που εμπεριέχουν ελκυστήρες. Με βάση την πειραματική διερεύνηση, εξετάζεται ιδιαίτερα και προσομοιώνεται με επιτυχία το θέμα της επιρροής της κατακόρυφης σεισμικής συνιστώσας και των εναλλασσομένων αξονικών δυνάμεων στην σεισμική απόκριση. Δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στην περίπτωση των σεισμικών ακολουθιών και στην ρεαλιστική αποτίμηση της σωρευτικής επίδρασής τους σε βλάβες για φορείς ΩΣ ενισχυμένους με ελκυστήρες. Έτσι, παρέχεται ένα αξιόπιστο υπολογιστικό εργαλείο για την εκτίμηση της στατικής και δυναμικής συμπεριφοράς του φορέα μιας ΚΩΣ με ελκυστήρες και για την επιλογή της βέλτιστης διάταξης των ελκυστήρων υπό σεισμικές ακολουθίες.