Σεισµική Μόνωση Υφισταµένων Κατασκευών µε Ελαστοµερή Συστήµατα και ∆ιερεύνηση της Ανταγωνιστικότητας των Ελαστοµεταλλικών Εφεδράνων µε Πυρήνα Μολύβδου LRBΣΕΙΣΜΙΚΗ ΜΟΝ ΣΗ ΥΦΙΣΤΑΜΕΝ Ν ΚΑΤΑΣΚΕΥ Ν ΜΕ ΕΛΑΣΤΟΜΕΡΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ∆ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΑΝΤΑΓ ΝΙΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ Τ Ν ΕΛΑΣΤΟΜΕΤΑΛΛΙΚ Ν ΕΦΕ∆ΡΑΝ Ν ΜΕ ΠΥΡΗΝΑ ΜΟΛΥΒ∆ΟΥ LRBΚΙΤΣΙΚΟΠΟΥΛΟΥ ∆ΗΜΗΤΡΑ Περίληψη Η παρούσα εργασία πραγµατεύεται το θέµα της ενίσχυσης κτιρίων µε την µέθοδο της σεισµικής µόνωσης και συγκεκριµένα χρησιµοποιώντας ως µέσο αυτής τα ελαστοµερή συστήµατα. Στην εισαγωγή παρουσιάζεται η φιλοσοφία της σεισµικής µόνωσης ως τρόπος εφαρµογής του αντισεισµικού σχεδιασµού των κατασκευών. Ακολουθεί η ανάπτυξη θεωρητικού υπόβαθρου ώστε να καταστούν σαφείς οι τεχνικοί όροι που χρησιµοποιούνται στην σεισµική µόνωση. Στην συνέχεια η εργασία επικεντρώνεται στην µέθοδο εφαρµογής εφεδράνων ελαστοµερών συστηµάτων µε εξέχουσα την εκµετάλλευση πυρήνων µολύβδου. Επίσης παρατίθενται παραδείγµατα στα οποία έγινε χρήση ελαστοµεταλλικών εφεδράνων µε πυρήνα µολύβδου.1. ΕΙΣΑΓ ΓΗ Η συµβατική τεχνική που ακολουθείται στην ενίσχυση υφισταµένων κατασκευών που έχουν υποστεί βλάβες από σεισµούς, επιβάλλει την επέµβαση µε σκοπό την αύξηση της αντοχής των µελών που αναλαµβάνουν τις σεισµικές δράσεις µε ένα πολύ σηµαντικό όµως και αναπόφευκτο µειονέκτηµα, την αύξηση των µαζών, άρα και των αδρανειακών δυνάµεων που ασκούνται στην κατασκευή. Σε αυτό το σηµείο έρχεται µια εναλλακτική και συγχρόνως ελκυστική για τα πλεονεκτήµατά της, µέθοδος αντισεισµικού σχεδιασµού, αυτή της σεισµικής µόνωσης. Πρόκειται δηλαδή για την εφαρµογή µέσων ελέγχου της σεισµικής δόνησης που καταλήγει σε µία κατασκευή, και υλοποιείται µε την τοποθέτηση εύκαµπτων στοιχείων στην διεπιφάνεια µεταξύ ανωδοµής και θεµελίωσης, τους σεισµικούς µονωτήρες. Η µέθοδος αυτή, η οποία έχει εξελιχθεί αρκετά τις δύο τελευταίες δεκαετίες, έχει εφαρµοστεί σε έργα διαφόρων τύπων όπως κτιριακά (νοσοκοµεία, σχολεία), γέφυρες, δεξαµενές πυρηνικών αντιδραστήρων. Το αποτέλεσµα; Προκύπτουν κατασκευές οικονοµικότερες και πιο ελαφριές λόγω της µείωσης της απαίτησης σε σεισµική επάρκεια εφόσον είναι ελεγχόµενες και προκαθορισµένες οι φορτίσεις που µεταβιβάζονται στην κατασκευή. Αφενός µεν αποτρέπεται η κατάρρευση της κατασκευής, αφετέρου δε µειώνονται σηµαντικά οι βλάβες προκαλούµενες από σεισµούς µέτριας έντασης. 2. ΑΡΧΕΣ ΚΑΙ ΣΤΟΧΟΙ ΤΗΣ ΜΕΘΟ∆ΟΥ ΣΕΙΣΜΙΚΗΣ ΜΟΝ ΣΗΣ Η εφαρµογή των µεθόδων σεισµικής µόνωσης βάσης έχει ως στόχο την διαφοροποίηση της παλινδροµικής κίνησης (ταλάντωση) της ανωδοµής σε σχέση µε την ισχυρή κίνηση του εδάφους, συνεπώς και της θεµελίωσης. Επιδιώκουµε οπότε, την ελαχιστοποίηση της ενέργειας που εισάγεται στην κατασκευή, εν µέρει αντανακλώντας την και εν µέρει αποσβένοντας την ήδη από το επίπεδο της θεµελίωσης [1]. Αποτέλεσµα αυτών είναι η µείωση α) της σχετικής µετακίνησης των ορόφων και β) της απόκρισης της ανωδοµής, που οφείλονται αµφότερες σε οριζόντιες σεισµικές δράσεις. Επίσης επιτυγχάνεται η συγκέντρωση των διαρροών στην στάθµη του συστήµατος της µόνωσης. Χαρακτηριστική είναι η διαφοροποίηση στην εικόνα παραµόρφωσης του φορές µεταξύ πακτωµένης και µονωµένης κατασκευής, όπως αυτό που φαίνεται στην σχήµα 1.“18o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών” Πάτρα, Φεβρουάριος, 2012 135Κιτσικοπούλου ∆ήµητραΣχήµα 1. Εικόνες παραµόρφωσης συµβατικής κατασκευής και κατασκευής µε µονωµένη βάση [2]3. ΤΡΟΠΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΟΝ ΤΗΡ Ν Η µείωση της σχετικής µετακίνησης των ορόφων επιτυγχάνεται µε τους ακόλουθους τρόπους: α) Με αύξηση της θεµελιώδους ιδιοπεριόδου της κατασκευής έτσι ώστε ο ενδεχόµενος σεισµός να έχει περίοδο διεγέρτη απόµακρυσµένη από την ιδιοπερίοδο της κατασκευής, αποτρέποντας την πιθανότητα κατάρρευσης λόγω συντονισµού. Εποµένως, έχουµε µείωση της σεισµικής δράσης κατά 5-10 φορές, και παράλληλα αυξάνονται οι πλευρικές µετακινήσεις που όµως συγκεντρώνονται στο επίπεδο της µόνωσης (εικόνες 2, 3) β) Με αύξηση της ικανότητας απόσβεσης µε την οποία επιτυγχάνεται µείωση των µετακινήσεων και ενδεχοµένως και των σεισµικών δυνάµεων . γ) Με συνδυασµό –κατά προτίµηση- των ευνοϊκών αποτελεσµάτων και των δύο παραπάνω µεθόδων.Σχήµα 2. Επίδραση της αύξησης της ιδιοπεριόδου στην τέµνουσα βάσης σχεδιασµού (φάσµα επιταχύνσεων) [2]“18o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών” Πάτρα, Φεβρουάριος, 2012 136Σεισµική Μόνωση Υφισταµένων Κατασκευών µε Ελαστοµερή Συστήµατα και ∆ιερεύνηση της Ανταγωνιστικότητας των Ελαστοµεταλλικών Εφεδράνων µε Πυρήνα Μολύβδου LRBΣχήµα 3. Επίδραση της αύξησης της ιδιοπεριόδου στις µετακινήσεις σχεδιασµού (φάσµα µετακινήσεων) [2]Επίσης επιδιώκουµε ευκαµψία για ισχυρές σεισµικές δράσεις αλλά ταυτόχρονα ακαµψία της κατασκευής για πλευρικά φορτία ανεµοπιέσεων. 3.1 ΠΡΟΥΠΟΘΕΣΕΙΣ ΣΕΙΣΜΙΚΗΣ ΜΟΝ ΣΗΣ Οι προϋποθέσεις που πρέπει να πληρούνται [3] είναι εν γένει: 1) To έδαφος θεµελίωσης της κατασκευής να µην ευνοεί εδαφικές δονήσεις µε προεξέχουσες τις µεγάλες περιόδους, γεγονός που χαρακτηρίζει τα “µαλακά” εδάφη (σχήµα 4). 2) Το κτίριο να είναι σχετικά δύσκαµπτο, δηλαδή να έχει ιδιοπερίοδο µικρότερη από 1,5 έως 2 sec. Γεγονός που χαρακτηρίζει οπωσδήποτε τις δύσκαµπτες κατασκευές, αλλά και ένα ευρύ φάσµα σχετικά εύκαµπτων κατασκευών. 3) Το µέγεθος των ανεµοφορτίων σχεδιασµού, καθώς και των υπόλοιπων µη σεισµικών πλευρικών φορτίων να µην ξεπερνά το 10% του βάρους του κτιρίου (Fανέµ< 10% Wκτιρ.)Σχήµα 4. Ευµενής ή δυσµενής επίδραση της σεισµικής µόνωσης στην τέµνουσα βάσης ανάλογα µε τις εδαφικές συνθήκες [2]3.2 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΕΙΣΜΙΚΗΣ ΜΟΝ ΣΗΣ Στην παρούσα παράγραφο περιγράφονται οι πλέον κοινοί τρόποι συστηµάτων σεισµικής µόνωσης που χρησιµοποιούνται ευρέως σε έργα ανά τον κόσµο. Γενικά, τα συστήµατα αυτά κατατάσσονται σε δύο κατηγορίες: α) στα ελαστοµερή συστήµατα και β) στα συστήµατα “18o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών” Πάτρα, Φεβρουάριος, 2012 137Κιτσικοπούλου ∆ήµητρατριβής (ή ολίσθησης). Στα ελαστοµερή συστήµατα περιλαµβάνονται i) τα ελαστοµεταλλικά εφέδρανα χαµηλής απόσβεσης (Low Damping Rubber Bearings - LDRB), ii) τα ελαστοµερή εφέδρανα υψηλής απόσβεσης (High Damping Rubber Bearings - HDRB), iii) τα ελαστοµερή εφέρανα µε πυρήνα µολύβδου (Lead Rubber Bearings - LRB). Εν συντοµία αναφέρουµε ότι τα συστήµατα τριβής περιλαµβάνουν i) µηχανισµούς µε σφαιρική επιφάνεια ολίσθησης και ii) µηχανισµούς µε επίπεδη επιφάνεια ολίσθησης. 3.2.1 ΕΛΑΣΤΟΜΕΡΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Συνιστούν τον συνηθέστερο τύπο συστηµάτων που έχουν εφαρµοστεί ως σεισµική µ όνωση. Αποτελούνται από επάλληλες στρώσεις ελαστοµερούς υλικού (Neoprene) – ειδικά επεξεργασµένου (vulvanized) ώστε να καταστεί ανεκτικότερο στις περιβαλλοντικές επιδράσεις- στο οποίο συγκολλώνται και εγκιβωτίζονται πλήρως λεπτά χαλύβδινα φύλλα προκειµένου να εξασφαλιστεί υψηλή δυσκαµψία στην κατακόρυφη διεύθυνση για την ανάληψη των κατακόρυφων φορτίων και να περιοριστούν σηµαντικά οι πλευρικές παραµορφώσεις (λόγω φαινοµένου Poisson) του ελαστοµερούς. Η σύνδεση των εφεδράνων µε την ανωδοµή και την θεµελίωση επιτυγχάνεται µέσω µεταλλικών πλακών πάνω στις οποίες κοχλιώνονται βλήτρα τοποθετηµένα στα στοιχεία σύνδεσης πάνω και κάτω από τα εφέδρανα. ∆ιατίθενται τόσο σε ορθογωνικές όσο και σε κυκλικές διατοµές διαφόρων διαστάσεων ανάλογα µε τον σχεδιασµό και τις απαιτήσεις που καλούνται να καλύψουν. Στην σχήµα 5 φαίνεται µια τυπική διατοµή ενός τέτοιου εφεδράνου.Σχήµα 5. Τυπική διατοµή ελαστοµεταλλικών εφεδράνων χαµηλής ή υψηλής απόσβεσης χωρίς πυρήνα µολύβδου [2]Τα ελαστοµερή εφέδρανα διακρίνονται ανάλογα µε το ποσοστό της απόσβεσης που προσδίδουν στο σύστηµα σε εφέδρανα υψηλής και χαµηλής απόσβεσης. Η απόσβεση, που εκφράζεται ως ένα ποσοστό % επί της κρίσιµης τιµής, προσδίδεται από το ελαστοµερές, το οποίο παράλληλα προσφέρει υψηλή πλευρική ευκαµψία και την απαιτούµενη δύναµη επαναφοράς για την επανακέντρωσή τουµετά την επιβολή οριζόντιας µετατόπισης, ενώ στα ελαστοµεταλλικά εφέδρανα µε πυρήνα µολύβδου η υψηλή τιµή τα απόσβεσης οφείλεται στην παρουσία µολύβδου. Ακολούθως αναφέρονται επιγραµµατικά τα µηχανικά χαρακτηριστικά των 3 τύπων ελαστοµερών συστηµάτων σεισµικής µόνωσης, καθώς και τα πλεονεκτήµατα κα µειονεκτήµατα που παρουσιάζουν. 3.2.1.1 ΕΦΕ∆ΡΑΝΑ ΧΑΜΗΛΗΣ ΑΠΟΣΒΕΣΗΣ ( LDRB ) Στα ελαστοµερή συστήµατα χαµηλής απόσβεσης ο ισοδύναµος λόγος ιξώδους απόσβεσης ζ είναι µικρότερος του 6%, µε συνηθέστερη τιµή το 5%. Η συµπεριφορά τους µπορεί να “18o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών” Πάτρα, Φεβρουάριος, 2012 138Σεισµική Μόνωση Υφισταµένων Κατασκευών µε Ελαστοµερή Συστήµατα και ∆ιερεύνηση της Ανταγωνιστικότητας των Ελαστοµεταλλικών Εφεδράνων µε Πυρήνα Μολύβδου LRBπροσεγγιστεί σαν συµπεριφορά γραµµικών ελαστικών στοιχείων µε ισοδύναµη ελαστική δυσκαµψία Keff για διατµητικές παραµορφώσεις ίσες ή και µεγαλύτερες του 100% σύµφωνα µε την εξίσωση (1): Keff = Gb*Ab/te (1) όπου Gb είναι το µέτρο διάτµησης του ελαστοµερούς, Ab η επιφάνεια του και te το συνολικό του πάχος. Στα πλεονεκτήµατα χρήσης των LDRB αναφέρουµε την εύκολη και τυποποιηµένη πλέον παραγωγή τους και το ότι η απόκρισης τους δεν είναι ευαίσθητη σε επιδράσεις του περιβάλλοντος αλλά ούτε και σε παραµέτρους όπως η ταχύτητα και η ιστορία της φόρτισης. Βασικό τους µειονέκτηµα όµως αποτελεί η προσφορά χαµηλής απόσβεσης στο σύστηµα µε αποτέλεσµα την απαίτηση µεγάλης επάρκειας σε µετακινήσεις, οπότε προϋποθέτουν χρήση πρόσθετων µέτρων απόσβεσης. 3.2.1.2 ΕΦΕ∆ΡΑΝΑ ΥΨΗΛΗΣ ΑΠΟΣΒΕΣΗΣ (ΗDRB) Πρόκειται για ελαστοµεταλλικά συστήµατα τα οποία εµφανίζουν το σηµαντικό πλεονέκτηµα της υψηλούς ικανότητας απόσβεσης του ελαστοµερούς που τα αποτελεί. Ο ισοδύναµος λόγος ιξώδους απόσβεσης ζ κυµαίνεται µεταξύ 10 και 20% για διατµητική παραµόρφωση ίσης µε 100%. Η ενεργός τους δυσκαµψία Κeff και η ισοδύναµη ιξώδης απόσβεση ζeff επηρεάζονται από παράγοντες όπως η θερµοκρασία, η ιστορία και η ταχύτητα της φόρτισης, αλλά και από τα υλικά του ελαστοµερούς. Η συµπεριφορά των παραπάνω µονωτήρων µπορεί να εκφραστεί και µε τις ακόλουθες ελαστικές παραµέτρους: • Κeff: ισοδύναµη ελαστική (ενεργός) δυσκαµψία που υπολογίζεται ως η τέµνουσα δύναµη διαιρεµένη µε την µετακίνηση σχεδιασµού dbd του µονωτήρα και ισούται µε Κeff = Fmax/ dbd (2) • ζeff: ισοδύναµη ιξώδης (ενεργός) απόσβεση που αντιστοιχεί στην µετακίνηση σχεδιασµού dbd του µονωτήρα και δίνεται από την εξίσωση: ζeff = 1/2π*(ΕD/Keff *d2bd) (3) όπου ΕD η ενέργεια που αποσβένυται ανά κύκλο στην µετακίνηση σχεδιασµού dbd του µονωτήρα. 3.2.1.3 ΕΦΕ∆ΡΑΝΑ ΜΕ ΠΥΡΗΝΑ ΜΟΛΥΒ∆ΟΥ (LRB) Τα ελαστοµεταλλικά εφέδρανα µε πυρήνα µολύβδου αποτελούνται από συνήθη εφέδρανα µε ελαστοµερές χαµηλής απόσβεσης στα οποία προστίθεται ένας κυλινδρικός πυρήνας µολύβδου όπως φαίνεται στην σχήµα 6.Σχήµα 6. Τυπική διατοµή ελαστοµεταλλικών εφεδράνων µε πυρήνα µολύβδου [2] “18o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών” Πάτρα, Φεβρουάριος, 2012 139Κιτσικοπούλου ∆ήµητραΗ συµπεριφορά του µολύβδου είναι ελαστική – απολύτως πλαστική µε δυσκαµψία ΚL στον ελαστικό κλάδο και µηδενική δυσκαµψία µετά την διαρροή, ενώ το ελαστοµεταλλικό εφέδρανο συµπεριφέρεται ελαστικά µε δυσκαµψία ΚR.Συνεπώς, η συνολική ανελαστική συµπεριφορά των συγκεκριµένων εφεδράνων µπορεί να περγραφεί από τον διγραµµικοποιηµένο βρόχο υστέρησης της εικόνας 7, όπου η ελαστική δυσκαµψία είναι ίση µε Κe =KL+KR (4) και η δυσκαµψία µετά την διαρροή είναι ίση µε Ke=Kr Η δύναµη διαρροής δίνεται από την σχέση: FY=FLY *(1+KR/KL) (5) όπου FLY=KL*dLY είναι η δύναµη στην οποία διαρρέει ο µόλυβδος.Συνήθως, η ελαστική δυσκαµψία του µολύβδου είναι κατά πολύ µεγαλύτερη αυτής του ελαστοµερούς (KL>> KR) οπότε θεωρείται µε επαρκή ακρίβεια ότι Κe=KL και Fy=FLyΣχήµα 7. Συµπεριφορά επιµέρους στοιχείων και συνολικά για ελαστοµεταλλικά εφέδρανα µε πυρήνα µολύβδου [2]Σχήµα 8. Σύγκριση βρόχων υστέρησης για τους τρεις τύπους ελαστοµεταλλικών εφεδράνων [2]4. ΤΡΟΠΟΣ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗΣ ΕΦΕ∆ΡΑΝ Ν Για την εγκατάσταση των εφεδράνων, απαιτούνται κατά σειρά οι ακόλουθες εργασίες: a) Ενίσχυση των στοιχείων στον όροφο εγκατάστασης και στον υποκείµενο όροφο (υπόγειο όπου υπάρχει). b) Προσωρινή στήριξη των στοιχείων.“18o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών” Πάτρα, Φεβρουάριος, 2012 140Σεισµική Μόνωση Υφισταµένων Κατασκευών µε Ελαστοµερή Συστήµατα και ∆ιερεύνηση της Ανταγωνιστικότητας των Ελαστοµεταλλικών Εφεδράνων µε Πυρήνα Μολύβδου LRBc) Αποκοπή των στοιχείων από το επίπεδο εγκατάστασης για να δηµιουργηθεί ο αναγκαίος χώρος υποδοχής των εφεδράνων. d) Τοποθέτηση και ασφαλής ενσωµάτωση των εφεδράνων µε τα φέροντα στοιχεία του φορέα. e) Αφαίρεση της προσωρινής στήριξης. 5. ΠΑΡΑ∆ΕΙΓΜΑ ΣΕΙΣΜΙΚΑ ΜΟΝ ΜΕΝΟΥ ΚΤΙΡΙΟΥ ΜΕ ΠΥΡΗΝΕΣ ΜΟΛΥΒ∆ΟΥ Τα ελαστοµεταλλικά εφέδρανα µε πυρήνα µολύβδου έχουν χρησιµοποιηθεί για τη σεισµική µόνωση του Κτιρίου Μουσείου ∆υτικής Τέχνης στο Τόκυο (Ιαπωνία) που φαίνεται στην σχήµα 9.Σχήµα 9. Μουσείο δυτικής τέχνης στο Τόκυο [4]6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην εργασία αυτή γίνεται παρουσίαση της µεθόδου της σεισµικής µόνωσης µε ελαστοµεταλλικά εφέδρανα µε εξέχοντα ρόλο να λαµβάνουν τα εφέδρανα µε πυρήνες µολύβδου. Γίνεται σαφές ότι τα συγκεκριµένα εφέδρανα υπερτερούν έναντι των εφεδράνων χαµηλής αλλά και υψηλής απόσβεσης διότι ουσιαστικά συνδυάζει τα πλεονεκτήµατα των συγκεκριµένων εφεδράνων εποµένως δεν επηρεάζεται από συνθήκες περιβάλλοντος όπως η θερµοκρασία αλλά, και άλλες όπως η ιστορία και η ταχύτητα φόρτισης ενώ παράλληλα προσφέρουν ικανότητα υψηλής απόσβεσης στην κατασκευή.“18o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών” Πάτρα, Φεβρουάριος, 2012 141Κιτσικοπούλου ∆ήµητρα7. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Α. Σοφοκλέους, Ι. Κάνας, Ι. Καραµπατζός και Κ. Μυλωνάς, Η εφαρµογή της σεισµικής µόνωσης σε υφιστάµενες κατασκευές ως µέσο ουσιαστικής σεισµικής αναβάθµισής τους. [2] Β. ∆ηµούδης, ∆ιερεύνηση της επίδρασης της σεισµικής µόνωσης στη συµπεριφορά δυώροφης λίθινης κατασκευής έναντι σεισµών εγγύς πεδίου, Μεταπτυχιακή εργασία, Αθήνα: ΕΜΠ, 2011. [3] Κ. Σπυράκος, «Ενίσχυση Κατασκευών για Σεισµικά Φορτία», Κεφ.7 "Σεισµική µόνωση των κατασκευών", σελ. 210-215. [4] «http://www.seismomonosis.com/» [Ηλεκτρονικό].“18o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών” Πάτρα, Φεβρουάριος, 2012 142