Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η πρόταση καινοτόμων συστημάτων σεισμικής προστασίας των κατασκευών και συγκεκριμένα, διευρυμένων εκδόσεων του υφισταμένου συστήματος απορρόφησης ταλαντώσεων Stiff Base Absorber (SBA), με την προσθήκη πολλαπλών στοιχείων αδρανείας σε διάφορες θέσεις, εκτός άλλων στοιχείων θετικής και αρνητικής στιβαρότητας και τεχνητών αποσβεστήρων. Διαρθρώνεται σε επτά κεφάλαια.  

Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται η εισαγωγή του αντικειμένου της παρούσας διερευνητικής εργασίας, ενώ λαμβάνει χώρα η παρουσίαση του εγγενούς προβλήματος της συμβατικής μόνωσης βάσης, που καλείται να αντιμετωπίσει. Αυτό υφίσταται εξαιτίας της προσθήκης εύκαμπτων στοιχείων χαμηλής στιβαρότητας, όπως ελαστομερή και ελαστομεταλλικά εφέδρανα ή εφέδρανα τριβής και ολίσθησης μεταξύ ανωδομής και εδάφους έδρασης, που μειώνουν τα σεισμικά φορτία αυξάνοντας την ιδιοπερίοδο της κατασκευής. Έτσι, μεγεθύνονται οι μετατοπίσεις, ειδικά στο επίπεδο της βάσης, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει καταστροφές σε επίπεδο υποδομών.

Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μία σύντομη μνεία των υφιστάμενων πρακτικών και των εξισώσεων κίνησης που τις διέπουν, για το μετριασμό του προβλήματος της μόνωσης βάσης. Αρχικά, παρουσιάζεται ο ταλαντωτής οιονεί μηδενικής στιβαρότητας (QZS), ο οποίος περιλαμβάνει ένα στοιχείο αρνητικής στιβαρότητας σε παράλληλη διάταξη. Αποσκοπεί στη μείωση των σεισμικών φορτίων μέσω της απομείωσης της συνολικής στιβαρότητας της κατασκευής, με την εισαγωγή συμβατικών προεντεταμένων ελαστικών στοιχείων θετικής στιβαρότητας. Ωστόσο, υπάρχει ο κίνδυνος απώλειας της φέρουσας ικανότητας της κατασκευής. Κατόπιν, συνοψίζονται οι αποσβεστήρες συντονισμένης μάζας (TMD). Πρόκειται για ένα σύστημα που εισάγει μία πρόσθετη μάζα που συνδέεται με την κατασκευή μέσω ελατηρίων και τεχνητών αποσβεστήρων. Μειώνει τις αναπτυσσόμενες μετατοπίσεις μέσω της μεταφοράς ενέργειας από το δονούμενο σύστημα στην πρόσθετη μάζα. Όμως, υπάρχει το πρόβλημα του αποσυντονισμού του συστήματος, δηλαδή της διαταραχής των τιμών των παραμέτρων που το χαρακτηρίζουν, εξαιτίας εξωτερικών παραγόντων και της απαίτησης για μεγάλη τιμή της πρόσθετης μάζας, γεγονός που δυσκολεύει την εφαρμογή της. Επίσης, γίνεται μια αναφορά στα στοιχεία αδρανείας, που παράγουν αδρανειακή δύναμη συναρτήσει της σχετικής επιτάχυνσης των άκρων που συνδέουν, καθώς επίσης και η εφαρμογή τους στα TMDs (TMDI). Και εκεί υπάρχει το πρόβλημα του αποσυντονισμού.                

Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται συστήματα απορρόφησης ταλαντώσεων με τις αντίστοιχες εξισώσεις κίνησης, που διατηρούν τα πλεονεκτήματα των προηγουμένων πρακτικών, ενώ αντιμετωπίζουν και τα μειονεκτήματά τους. Το βασικότερο είναι το σύστημα KDamper. Πρόκειται και αυτό για προέκταση του TMD, αλλά εισάγει ένα στοιχείο αρνητικής στιβαρότητας μεταξύ εδάφους έδρασης και πρόσθετης μάζας. Εδώ αποσοβείται ο κίνδυνος της μείωσης της φέρουσας ικανότητας, αφού σχεδιάζεται με τέτοιον τρόπο, ώστε αυτή να διατηρείται, ενώ ο αποσυντονισμός και η μεγάλη πρόσθετη μάζα δεν προκύπτουν καθώς ελέγχονται από τις παραμέτρους του στοιχείου αρνητικής στιβαρότητας, μέσα από τη συνεισφορά της ελαστικής του δύναμης. Παράλληλα, αναφέρεται και μία διευρυμένη έκδοση αυτού, το Extended KDamper (EKD), που εναλλάσσει τα στοιχεία στιβαρότητας μεταξύ πρόσθετης μάζας και κατασκευής, ενώ προσθέτει ακόμη έναν τεχνητό αποσβεστήρα. Αυτό γίνεται με απώτερο στόχο να μειωθεί η σχετική μετατόπιση κατασκευής και πρόσθετης μάζας (Negative Stiffness – NS stroke). Ακόμη, περιλαμβάνεται και μία προέκταση του EKD, το  Stiff Base Absorber (SBA), που περιλαμβάνει ένα στοιχείο αδρανείας μεταξύ κατασκευής και εδάφους έδρασης.

Στο τέταρτο κεφάλαιο, εισάγονται τα συστήματα Extended Stiff Base Absorbers (ESBA) και συγκεκριμένα τρεις διαμορφώσεις αυτών, ως προεκτάσεις του SBA. Πρόκειται για το ESBA-1, που εισάγει άλλο ένα στοιχείο αδρανείας μεταξύ κατασκευής και πρόσθετης μάζας, με σκοπό την περαιτέρω μείωση του NS stroke, το ESBA-2 που περιλαμβάνει ένα στοιχείο αδρανείας μεταξύ εδάφους έδρασης και πρόσθετης μάζας, με στόχο τη μείωση της μετατόπισης αυτής και το ESBA-3 που πρόκειται για συνδυασμό των άλλων δύο, δηλαδή εισάγοντας δύο στοιχεία αδρανείας και στις δύο αυτές θέσεις για επίτευξη καλύτερης δυναμικής απόκρισης. Ο προσδιορισμός των παραμέτρων που καθιστούν λειτουργικά αυτά τα συστήματα, προκύπτει μέσα από την επίλυση ενός προβλήματος βελτιστοποίησης. Επιδιώκεται μία τέτοια προσέγγιση για να καταλήξει ο σχεδιασμός τους σε εφικτές τεχνολογικά διαμορφώσεις που να ικανοποιούν μηχανικά και κατασκευαστικά κριτήρια. Έτσι, αξιοποιείται ο μετευρετικός αλγόριθμος Harmony Search (HS), ως μία εναλλακτική επιλογή των κλασσικών μαθηματικών τεχνικών βελτιστοποίησης, που συχνά μπορεί να οδηγήσουν σε πολύπλοκους και κοστοφόρους χρονικά υπολογισμούς, να αδυνατούν να συγκλίνουν, να υποθέτουν συνεχείς μεταβλητές, ενώ το πρόβλημα περιλαμβάνει διακριτές και ως εκ τούτου να είναι δύσκολος ή και αδύνατος ο υπολογισμός παραγώγων που χρειάζονται  ή ακόμη και να πέσουν σε τοπικό ακρότατο εξαιτίας μίας αρχικής υπόθεσης. Αντίθετα, οι μετευρετικοί εξερευνούν αποδοτικά το χώρο αναζήτησης λύσης μέσα από τυχηματικές/στοχαστικές διεργασίες. Πολλοί από αυτούς μιμούνται συμπεριφορές της φύσης. Έτσι και ο HS μιμείται την ικανότητα ενός μουσικού να παράξει μία νέα μελωδία. Οι περιορισμοί που τίθενται στο πρόβλημα για κάθε διαμόρφωση ESBA, έχουν να κάνουν με την απαίτηση το πρόβλημα να συμμορφώνεται σε ισχύοντες αντισεισμικούς κανονισμούς, ενώ συγχρόνως οι περιορισμοί και η αντικειμενική συνάρτηση επιλέγονται μέσα από χρονοϊστορίες. Η αντικειμενική συνάρτηση του προβλήματος είναι η σχετική μετατόπιση της κατασκευής ως προς το έδαφος. Το NS stroke αφήνεται ως ελεύθερη παράμετρος για την εξέταση της τάσης μεταβολής της, ενώ εισάγονται και σταθερές ευστάθειας της στιβαρότητας της κατασκευής, που προβλέπει ταυτόχρονη μεταβολή όλων των στοιχείων στιβαρότητας. Πρόκειται για μία τακτική υπέρ της ασφαλείας. Η πρόσθετη ταλαντούμενη μάζα υποτίθεται να έχει μάζα ίση με το 1% της συνολικής κατασκευής, ενώ καθορίζονται μέγιστα όρια για τα στοιχεία στιβαρότητας, τους τεχνητούς αποσβεστήρες και την ονομαστική φυσική συχνότητα των συστημάτων, βάσει προηγουμένων εργασιών. Τέλος, δύο περιπτώσεις για τα μέγιστα όρια των στοιχείων αδρανείας σε κάθε περίπτωση εξετάζονται, αυτά του 20% και 50% της συνολικής μάζας της κατασκευής. Ως εξωτερική φόρτιση, επιλέγεται μία βάση δεδομένων τεχνητών επιταχυνσιογραφημάτων που είναι συμβατά με το οριζόντιο ελαστικό φάσμα απόκρισης του EC8, λαμβάνοντας υπόψη μία δυσμενή περίπτωση εδάφους κατηγορίας C και ζώνη σεισμικής επικινδυνότητας ΙΙΙ. Οι εξισώσεις κίνησης επιλύονται με τη μέθοδο Newmark και συγκεκριμένα με την Constant Average Acceleration, που θεωρεί σταθερή τιμή της επιτάχυνσης εντός ενός χρονικού βήματος. Τα αποτελέσματα της βελτιστοποίησης εμφανίζονται μέσα από κατάλληλες καμπύλες της σχετικής μετατόπισης και του NS stroke έναντι της μέγιστης απόλυτης επιτάχυνσης, εκφρασμένης ως ποσοστό της αντίστοιχης μέγιστης εδαφικής επιτάχυνσης (PGA). Εισάγεται, ουσιαστικά αυτό το φίλτρο της επιτάχυνσης, για να ελεγχθεί η απόδοση των συστημάτων. Από αυτά προκύπτει ποιο είναι το πιο αποδοτικό σύστημα, αν εξεταστούν όλα τα φίλτρα επιτάχυνσης. Εν συνεχεία, οι χρονοϊστορίες σε όρους σχετικής μετατόπισης, απόλυτης επιτάχυνσης και τέμνουσας βάσης ενός μονοβαθμίου (SDoF) συστήματος, που ελέγχεται από το πιο αποδοτικό σύστημα, παράγονται και συγκρίνονται με τις αντίστοιχες, από μία συμβατική μόνωση βάσης χαμηλής και υψηλής απόσβεσης (έχοντας λόγο απόσβεσης 5% και 20%, αντίστοιχα) ίδιας συχνότητας. Παράλληλα, η δυναμική απόκριση των ίδιων αυτών συστημάτων, αξιολογείται και από μία βάση δεδομένων πραγματικών σεισμικών καταγραφών, για να διαπιστωθεί ποια είναι η συμπεριφορά τους σε κανονικούς σεισμούς, που έχουν καταγράψει σημαντικές καταστροφές. Οι σεισμικές αυτές διεγέρσεις δεν είναι σταθερές, όπως τα τεχνητά επιταχυνσιογραφήματα, διακρίνονται σε δύο κατηγορίες (κοντινές και απόμακρες), ανάλογα της γεωγραφικής θέσης των σεισμογράφων που τις κατέγραψε ως προς το επίκεντρό τους και το PGA τους έχει μεγάλη διακύμανση.                             

Στη συνέχεια, στο πέμπτο κεφάλαιο, το πιο αποδοτικό από τα προτεινόμενα συστήματα ελέγχου ταλαντώσεων επεκτείνεται για εφαρμογή ως σεισμική βάση για πολυώροφες κατασκευές. Οι παράμετροι του συστήματος επιλέγονται από το προαναφερθέν πρόβλημα βελτιστοποίησης. Πιο συγκεκριμένα, ορίζονται και συγκρίνονται οι δυναμικές αποκρίσεις ενός τριώροφου και ενός πενταώροφου κτιρίου, με ίδια γεωμετρικά χαρακτηριστικά, σε όρους σχετικής μετατόπισης του τελευταίου ορόφου ως προς το έδαφος, της απόλυτης επιτάχυνσης του τελευταίου ορόφου, της τέμνουσας βάσης, του drift του πρώτου ορόφου και της σχετικής μετατόπισης στο επίπεδο της βάσης, ενώ υπολογίζονται και τα NS stroke σε κάθε περίπτωση. Τα πολυώροφα αυτά συστήματα υιοθετούν παραδοχές ώστε να μοντελοποιηθούν ως διατμητικά πλαίσια, ενώ παράλληλα δε λαμβάνεται υπόψη η αλληλεπίδραση εδάφους-κατασκευής και θεωρείται ότι δρουν στην ελαστική περιοχή. Εξετάζονται τα ακόλουθα σενάρια: τα κτίρια θεωρούνται αρχικά πακτωμένα στο έδαφος, στη συνέχεια εδράζονται στην προτεινόμενη βάση απορρόφησης ταλαντώσεων και αργότερα, αντιπαραβάλλονται με το σενάριο να εδράζονται σε συμβατική μόνωση βάσης χαμηλής και υψηλής απόσβεσης, με την ίδια ή διαφορετική ιδιοσυχνότητα, ώστε να αποδειχθεί η αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου συστήματος σεισμικής βάσης. Όλα τα κτίρια πολλαπλών βαθμών ελευθερίας (MDoF) υποβάλλονται σε τεχνητές και πραγματικές κοντινές ή απόμακρες σεισμικές διεγέρσεις.

Στο έκτο κεφάλαιο, πραγματοποιούνται αναλύσεις ευαισθησίας, εξετάζοντας, πρώτον, τη μεταβολή μιας παραμέτρου κάθε φορά και, δεύτερον, δύο παραμέτρων ταυτόχρονα, για να διερευνηθεί κατά πόσον το προτεινόμενο σύστημα ελέγχου ταλαντώσεων είναι ευάλωτο ή όχι σε φαινόμενα αποσυντονισμού. Επιπρόσθετα, υιοθετείται μια ρεαλιστική διαμόρφωση εξαρτώμενη από τη μετατόπιση για την υλοποίηση του στοιχείου αρνητικής στιβαρότητας. Πρόκειται για προσυμπιεσμένα  ελατήρια θετικής στιβαρότητας σε κατακόρυφη διάταξη μεταξύ βάσης κατασκευής και πρόσθετης μάζας, όπου στηρίζουν την ανωδομή με τη βάση της και υλοποιούνται μέσω ενός αρθρωτού μηχανισμού, που περιλαμβάνει άκαμπτους συνδέσμους. Συγκρίνεται η μη γραμμική δυναμική συμπεριφορά της διάταξης αυτής του συστήματος με την αρχικά αναμενόμενη γραμμική, όπως αυτή μορφώθηκε κατά το προαναφερθέν πρόβλημα της βελτιστοποίησης. Παρατίθεται ένας ενδεικτικός σχεδιασμός του προτεινόμενου συστήματος απορρόφησης ταλαντώσεων όσον αφορά τα στοιχεία που περιλαμβάνει. Πιο αναλυτικά, μπορεί να υλοποιηθεί μέσα από τέσσερις συσκευές στη βάση, όπου η κάθε μία να περιλαμβάνει μία πλάκα σκυροδέματος, που αντιστοιχεί στην ταλαντούμενη μάζα, οκτώ ελατήρια θετικής στιβαρότητας για την υλοποίηση της αρνητικής στιβαρότητας, αντίστοιχα, δύο ελαστομεταλλικά εφέδρανα για κάθε στοιχείο θετικής στιβαρότητας, έξι τεχνητούς αποσβεστήρες σε κάθε περίπτωση, για την υλοποίηση της απόσβεσης, παράλληλης στα στοιχεία αρνητικής ή θετικής στιβαρότητας και δύο στοιχεία αδρανείας, λαμβάνοντας υπόψη το μηχανικό ανάλογο του Smith, σε κάθε περίπτωση, όπου υπάρχει αδράνεια στο σύστημα. Πρόκεινται για συμβατικά στοιχεία, οι τιμές των οποίων προκύπτουν τόσο από το πρόβλημα της βελτιστοποίησης, όσο και από το ισοδύναμο μη-γραμμικό. Για την περίπτωση των εφεδράνων και των αποσβεστήρων, προϊόντα από βιομηχανικούς καταλόγους μπορούν να αξιοποιηθούν. 

Τέλος, στο έβδομο κεφάλαιο εξάγονται διάφορα συμπεράσματα σχετικά με την αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων συστημάτων απορρόφησης ταλαντώσεων, ενώ γίνονται και προτάσεις για περαιτέρω έρευνα.