Ο συνδυασμός δύο αντικρουόμενων απαιτήσεων κατά το σχεδιασμό δομημάτων, της ασφάλειας και της οικονομίας, καθιστά απαραίτητη την εκμετάλλευση της μετελαστικής συμπεριφοράς των υλικών. Μια ορθολογική προσέγγιση για το σκοπό αυτό είναι ο αντισεισμικός σχεδιασμός με στάθμες επιτελεστικότητας, όπου για κάθε στάθμη προδιαγράφεται ένα αποδεκτό επίπεδο βλάβης. Οι βλάβες που υφίσταται ένας φορέας είναι άμεσα συνδεδεμένες με τις μετακινήσεις με τις οποίες αποκρίνεται, όταν του επιβληθεί μια σεισμική διέγερση. Παρά τη σημασία των μετακινήσεων, οι ισχύοντες κανονισμοί βασίζονται στον υπολογισμό και την κατανομή των αδρανειακών δυνάμεων του φορέα, αγνοώντας τις μετακινήσεις. Προσπάθειες γίνονται τα τελευταία χρόνια, ώστε να τροποποιηθεί η μέθοδος σχεδιασμού, συνεκτιμώντας τις μετακινήσεις. Μια από τις δημοφιλέστερες μεθοδολογίες που προτείνονται είναι η Άμεση Μέθοδος Αντισεισμικού Σχεδιασμού Βάσει Μετακινήσεων.

Στην παρούσα εργασία, διερευνώνται οι δυνατότητες σχεδιασμού και η συμπεριφορά πλαισιωτών φορέων από ωπλισμένο σκυρόδεμα με την άμεση μέθοδο βάσει μετακινήσεων. Αναλύονται όλοι οι εναλλακτικοί τρόποι διαστασιολόγησης φορέων που είναι συμβατοί με τη μέθοδο, εφαρμόζονται σε ένα τυπικό πλαίσιο και συγκρίνονται τα αποτελέσματα του σχεδιασμού. Στη συνέχεια, διενεργούνται αναλύσεις, ώστε να εξακριβωθεί η συμπεριφορά των πλαισίων και να εντοπιστούν αδυναμίες της προτεινόμενης μεθοδολογίας. Δημιουργήθηκε ανελαστικό προσομοίωμα των φορέων στο λογισμικό OpenSees και εκτελέστηκαν μη γραμμικές στατικές προσαυξητικές και δυναμικές αναλύσεις (εν χρόνω ολοκλήρωση). Από τη βάση δεδομένων PEER NGA-West2 επελέγη μια ομάδα 14 καταγραφών, έτσι ώστε το μέγεθος του σεισμού και η επικεντρική απόσταση να είναι συμβατά με το σεισμικό σενάριο σχεδιασμού. Υπολογίστηκαν αυτόματα συντελεστές κλιμάκωσης, έτσι ώστε το μέσο φάσμα να ταυτίζεται κατά το δυνατόν με το φάσμα σχεδιασμού. Θα εξεταστούν κανονικά πλαίσια και πλαίσια με εσοχή, για να διαπιστωθεί η επίδραση της ακανονικότητας, καθώς οι τρέχουσες διατάξεις δεν συνεκτιμούν ρητά τη δυσμενή επίδραση των μη κανονικών γεωμετριών κατά το σχεδιασμό. Επιπλέον, εξετάζονται και πλαίσια διαφορετικού αριθμού ορόφων (7 και 10), ώστε να διαπιστωθεί η επίδραση των ανώτερων ιδιομορφών ταλάντωσης και των φαινομένων 2^ης τάξης στη συμπεριφορά των πλαισίων.

Για την εκτέλεση της στατικής επίλυσης του φορέα με τα φορτία σχεδιασμού υφίστανται εναλλακτικοί τρόποι. Υπάρχει δυνατότητα επιλογής μεταξύ συμβατικών, επαναληπτικών και μη, στατικών επιλύσεων με συνήθη λογισμικά, καθώς και προσεγγιστικοί υπολογισμοί βασιζόμενοι στην ισορροπία των μελών και σε επαρκείς παραδοχές για την κατανομή των δυνάμεων. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η επαναληπτική διαδικασία κατανέμει άνισα την ένταση από τα σεισμικά φορτία στις περιπτώσεις όπου υπάρχουν άνισες διατομές υποστυλωμάτων στον ίδιο όροφο, ανεξάρτητα από την κανονικότητα του πλαισίου. Συγκεκριμένα, η ανάληψη του σεισμού γίνεται σχεδόν αποκλειστικά από τα δύσκαμπτα φατνώματα. Οι μη γραμμικές αναλύσεις καταδεικνύουν ότι πλαίσια σχεδιασμένα κατ’ αυτόν τον τρόπο αποκρίνονται με ανεπιθύμητο τρόπο σε σεισμικές διεγέρσεις και είναι ευάλωτα στο σχηματισμό μαλακού ορόφου και διατμητικών αστοχιών. Το προφίλ μετακινήσεων είναι καμπτικό, με συγκέντρωση των ανελαστικών παραμορφώσεων στους ανώτερους ορόφους. Στην εσοχή παρατηρούνται μετακινήσεις σχεδόν διπλάσιες από αυτές του σχεδιασμού, ενώ η μικρή καταπόνηση των πρώτων ορόφων οδηγεί σε μετακινήσεις μικρότερες από τις μισές που προβλέπει ο κανονισμός. Η απορρόφηση ενέργειας γίνεται σε λιγότερες θέσεις, με αποτέλεσμα να εμφανίζονται πολύ συχνότερα υπερβάσεις της ικανότητας στροφής. Τα υπόλοιπα πλαίσια της εργασίας είναι διαμορφωμένα με ομοιόμορφες διατομές, ώστε η ένταση να μην κατανέμεται άνισα και η συμπεριφορά τους να είναι η αναμενόμενη για πλαισιωτούς φορείς.

Βασικό κριτήριο επιτυχίας της εφαρμογής της μεθόδου είναι η ταύτιση των μετακινήσεων σχεδιασμού με τις μετακινήσεις των αναλύσεων. Εξετάζοντας τα επταώροφα πλαίσια παρατηρούμε ότι στις σχετικές μετακινήσεις σχεδιασμού υπάρχει μια υστέρηση στους κατώτερους ορόφους. Πιθανή εξήγηση για τη συμπεριφορά αυτή αποτελεί το γεγονός ότι τοποθετήθηκε στη βάση των υποστυλωμάτων αυξημένος οπλισμός για τις ανάγκες του ικανοτικού σχεδιασμού σε ανώτερες στάθμες. Έτσι, το τμήμα αυτό καθίσταται πιο δύσκαμπτο σε σχέση με τις κανονιστικές προβλέψεις και αποκρίνεται με μικρότερες μετακινήσεις. Εν συνεχεία, παρατηρείται στα επταώροφα πλαίσια καλύτερη ταύτιση με τις μετακινήσεις σχεδιασμού, ενώ στην κορυφή παρουσιάζεται και πάλι μια υστέρηση σε σχέση με τις μετακινήσεις σχεδιασμού. Η συμπεριφορά είναι παρόμοια για το πλαίσιο με και χωρίς εσοχή. Από την εικόνα αυτή, διαφοροποιείται το προφίλ μετακινήσεων της στατικής ανάλυσης για το κανονικό επταώροφο πλαίσιο, όπου οι παραμορφώσεις έχουν συγκεντρωθεί στους κατώτερους ορόφους και πραγματοποιούνται υπερβάσεις. Με κριτήριο τις απόλυτες μετακινήσεις, γίνεται φανερό ότι οι δυναμικές αναλύσεις είναι αρκετά μικρότερες από τις μετακινήσεις σχεδιασμού, ενώ οι υπερβάσεις που διαφαίνονται στις στατικές αναλύσεις δεν είναι μεγάλες. Αναγνωρίζοντας το γεγονός ότι απόλυτη ταύτιση των μετακινήσεων είναι δύσκολη, ο σχεδιασμός θεωρείται επιτυχημένος, όταν, για τη σκοπούμενη στάθμη επιτελεστικότητας, οι μετακινήσεις των αναλύσεων δεν υπερβαίνουν τις μετακινήσεις σχεδιασμού και, για λόγους οικονομικότητας, δεν υπολείπονται σημαντικά αυτών. Με την παραδοχή αυτή, ο σχεδιασμός κρίνεται επιτυχής

Ιδιαιτερότητες εμφανίζονται στις μετακινήσεις των δεκαώροφων πλαισίων. Έντονη είναι η επίδραση των ανώτερων ιδιομορφών, με αποτέλεσμα να υπάρχει αύξηση των σχετικών μετακινήσεων καθ’ ύψος και υπέρβαση των μετακινήσεων σχεδιασμού. Στη συνέχεια, απομειώνονται σταδιακά μέχρι την κορυφή. Οι υπερβάσεις είναι εντονότερες στο πλαίσιο με εσοχή. Εξαίρεση στη συμπεριφορά αυτή παρουσιάζει η στατική ανάλυση του κανονικού κτηρίου, που διατηρεί διατμητικό προφίλ καθ’ όλο το ύψος. Οι απόλυτες μετακινήσεις είναι και εδώ μικρότερες από τις αντίστοιχες μετακινήσεις του σχεδιασμού. Από τα διαγράμματα με την εξέλιξη των μετακινήσεων προκύπτει, ότι ο ρυθμός πραγματοποίησης των μεγίστων σχετικών μετακινήσεων σε σχέση με τη μετακίνηση κορυφής περιγράφεται ικανοποιητικά από τη στατική ανάλυση, με σημαντικές κατά περίπτωση διασπορές. Αντίθετα από τα επταώροφα πλαίσια, οι σημαντικές υπερβάσεις των μετακινήσεων σχεδιασμού καταδεικνύουν την ανάγκη επανεξέτασης της προσέγγισης που ακολουθείται για την συνεκτίμηση της επιρροής των ανώτερων ιδιομορφών και των φαινομένων 2^ης τάξεως.

Οι καμπύλες ικανότητας που προέκυψαν από τη στατική προσαυξητική ανάλυση έδειξαν μια σταθερή μετελαστική συμπεριφορά, με εξαίρεση το δεκαώροφο κανονικό πλαίσιο, όπου τα αυξημένα κατακόρυφα φορτία του επέτειναν τα φαινόμενα 2^ης τάξεως και μείωσαν τη διαθέσιμη πλαστιμότητα και εμφανίστηκε έντονος φθιτός κλάδος, ήδη για μετακινήσεις μικρότερες της μετακίνησης σχεδιασμού. Ο δείκτης υπεραντοχών Ω κυμαίνεται από 1 (δεκαώροφο κανονικό) μέχρι 1,20 (επταώροφο με εσοχή). Η απεικόνιση των μεγίστων των δυναμικών αναλύσεων υποδεικνύει μια μέση υπεραντοχή ελαφρώς αυξημένη (1,25 εως 1,50), με μέγιστες τιμές της τάξης του 1,35-1,60 (επταώροφα – δεκαώροφα αντίστοιχα). Οι μετακινήσεις κορυφής για τις οποίες παρατηρούνται οι τιμές αυτές είναι μικρότερες από τις μέγιστες, οι οποίες είναι εν γένει μικρότερες από τις μετακινήσεις σχεδιασμού. Σημειώνεται, δε, ότι η μετακίνηση σχεδιασμού των επταώροφων πλαισίων προσεγγίζεται συχνότερα από ότι των δεκαώροφων. Επομένως, επιτυγχάνεται εν γένει ευσταθής συμπεριφορά με μικρές υπεραντοχές σε σχέση με το σχεδιασμό.

Σε τοπικό επίπεδο, πλαστικοποιήσεις εμφανίζονται στις δοκούς και στις βάσεις των υποστυλωμάτων, σχηματίζοντας μηχανισμούς δοκού. Στα μέλη που καταπονούνται εντονότερα (βάσεις υποστυλωμάτων εν γένει, κατώτερες δοκοί στα επταώροφα, μεσαίες δοκοί στα δεκαώροφα), παρατηρούνται συχνά υπερβάσεις της ικανότητας στροφής, ενώ η μέση απαιτούμενη πλαστική στροφή είναι ιδιαίτερα υψηλή. Όπως και στις μετακινήσεις, οι μέγιστες πλαστικές στροφές σε σχέση με τη μετακίνηση κορυφής έχουν μια τάση που περιγράφεται ικανοποιητικά από τα αποτελέσματα της στατικής ανάλυσης, παρά τις σημαντικές διασπορές σε ορισμένα μέλη και καταγραφές. Υπενθυμίζεται ότι η πλαστική στροφή σχεδιασμού δεν αποτελεί ρητή σχεδιαστική παράμετρο που πρέπει να ικανοποιηθεί και στην πλειοψηφία της βιβλιογραφίας ελέγχεται η συμμόρφωση με τα μετακινησιακά όρια. Για τις ανάγκες της παρούσας εργασίας, εκτιμήθηκε πλαστική στροφή σχεδιασμού θεωρώντας τα μέλη κατάλληλους προβόλους. Η σύγκριση της πλαστικής στροφής σχεδιασμού με την απαιτούμενη στροφή των δυναμικών αναλύσεων και την πλαστική στροφή από τη στατική ανάλυση για τη μετακίνηση σχεδιασμού οδηγεί σε συμπεράσματα ανάλογα με τις συγκρίσεις των μετακινήσεων (υστερήσεις και υπερβάσεις στα ίδια μέλη). Επισημαίνεται ότι εντοπίζονται συχνά υπερβάσεις στην ικανότητα πλαστικής στροφής των μελών για τη στάθμη σχεδιασμού (προστασία ζωής). Κατά συνέπεια, ο έλεγχος των τοπικών μέτρων βλάβης σε όρους πλαστικών στροφών, πρακτική που χρησιμοποιείται κατά κόρον σε αποτιμήσεις υφισταμένων δομημάτων, είναι καλό να εφαρμόζεται και στον αντισεισμικό σχεδιασμό βάσει μετακινήσεων.

Η εξίσωση για την εκτίμηση της ικανοτικής τέμνουσας προβλέπει με εξαιρετική ακρίβεια τη μέση τιμή των μέγιστων τεμνουσών των δυναμικών αναλύσεων, καθώς σε λίγα μέλη εμφανίζονται πολύ μικρές υπερβάσεις. Σε πολλές περιπτώσεις μάλιστα, καλύπτονται και οι μέγιστες τέμνουσες των μεμονωμένων αναλύσεων. Ο συντηρητισμός της εξίσωσης για κανονικά πλαίσια είναι αρκετός για να καλύψει τις μικρές επαυξήσεις στις τέμνουσες των πλαισίων με εσοχή.

Συνολικά, οι τρέχουσες διατάξεις για τον αντισεισμικό σχεδιασμό πλαισιωτών φορέων βάσει μετακινήσεων έχουν ικανοποιητική εφαρμοσιμότητα. Ο χειρισμός της επιρροής των ανώτερων ιδιομορφών και της επίδρασης της παραμορφωσιμότητας στην ένταση των πλαισίων επιδέχονται περεταίρω βελτιώσεως. Συνιστάται προσοχή σε επίπεδο διατομής και μέλους, με την πραγματοποίηση έλεγχων της διατιθέμενης ικανότητας στροφής, ώστε να μην εξαντληθεί πριν το επίπεδο μετακινήσεων που υπαγορεύει η στάθμη επιτελεστικότητας του σχεδιασμού.