Η παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία με τίτλο «Retrofitting Existing Building Structures with Seismic Isolation Systems» εξετάζει την εφαρμογή της μεθόδου της σεισμικής μόνωσης βάσης ως μέθοδο αντισεισμικής ενίσχυσης υφιστάμενων κτιρίων.

Τα δύο πρώτα κεφάλαια έχουν ως στόχο την επισκόπηση του γνωστικού αντικειμένου της σεισμικής μόνωσης βάσης, με στόχο την επαφή του αναγνώστη με τις θεμελιώδεις αρχές και έννοιες της σεισμικής μόνωσης καθώς και με τη σχετική τεχνολογία που έχει αναπτυχθεί. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια γενική παρουσίαση της μεθόδου. Αρχικά παρουσιάζονται οι στόχοι και οι απαιτήσεις της σεισμικής μόνωσης καθώς και απαραίτητες προϋποθέσεις που πρέπει να πληρούνται για την επιτυχή και αποδοτική εφαρμογή της. Επίσης, γίνεται μια συνοπτική παρουσίαση της διαδικασίας που ακολουθείται κατά τη φάση μελέτης και κατασκευής ενός κτιρίου με σεισμική μόνωση βάσης. Επιπροσθέτως, παρέχονται πληροφορίες σχετικά με τις πιθανές επιλογές για τη θέση του επιπέδου εφαρμογής σεισμικής μόνωσης, καθώς και οι επιπτώσεις που έχει η κάθε πιθανή επιλογή. Τέλος, κρίθηκε απαραίτητη και μια συγκριτική αξιολόγηση της μεθόδου της σεισμικής μόνωσης, η οποία βασίζεται στην απομείωση των σεισμικών δυνάμεων που δέχεται μια κατασκευή, με τις συμβατικές μεθόδους σχεδιασμού, οι οποίες βασίζονται στην παροχή κατάλληλης πλαστιμότητας και αντοχής.

Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια γενική παρουσίαση των συνηθέστερων συσκευών που χρησιμοποιούνται στην πράξη για την εφαρμογή σεισμικής μόνωσης βάσης κατασκευών. Η παρουσίαση περιορίζεται στους συνηθέστερους τύπους ελαστομεταλλικών εφεδράνων και εφεδράνων ολίσθησης (ή τριβής). Επιπλέον, στο τέλος του κεφαλαίου γίνεται αναφορά στο σημαντικό θέμα της μεταβλητότητας των παραμέτρων σχεδιασμού των εφεδράνων, που επηρεάζει άμεσα το σχεδιασμό του συστήματος μόνωσης και δημιουργεί την απαίτηση για εκπόνηση κατάλληλων δοκιμών, όπως ορίζονται από τους κανονισμούς.

Στα Κεφάλαια 3 και 4, παρουσιάζεται η εφαρμογή της μεθόδου της σεισμικής μόνωσης βάσης στο πλαίσιο της αντισεισμικής ενίσχυσης δύο υφιστάμενων κτιρίων–ενός κτιρίου οπλισμένου σκυροδέματος και ενός κτιρίου φέρουσας τοιχοποιίας. Το κτίριο οπλισμένου σκυροδέματος είναι το Εργατικό Κέντρο Πειραιά, το οποίο κατασκευάστηκε τη δεκαετία του ’50, και το κτίριο φέρουσας τοιχοποιίας είναι το κτίριο «Ευαγγελισμός» στο Ηράκλειο Κρήτης. Και τα δύο κτίρια έχουν σχεδιασθεί χωρίς της εφαρμογή αντισεισμικών διατάξεων.

Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η μελέτη του Εργατικού Κέντρου Πειραιά. Πρόκειται για ένα 8ώροφο κτίριο Ο/Σ με δύο υπόγειους ορόφους, το οποίο εμφανίζει σημαντικές κατασκευαστικές αδυναμίες και ιδιαιτερότητες. Η κυριότερη κατασκευαστική του αδυναμία έγκειται στην πολύ εύκαμπτη συμπεριφορά του στη διαμήκη διεύθυνσή του, η οποία δυσχεραίνει την εφαρμογή σεισμικής μόνωσης και μειώνει την αποδοτικότητά της. Κατασκευαστικές δυσκολίες για την εφαρμογή της σεισμικής μόνωσης δημιουργεί και το γεγονός ότι η θεμελίωση του κτιρίου είναι ανισόσταθμη, ενώ το κτίριο δεν διαθέτει κανένα οριζόντιο επίπεδο καθ’ ύψος, το οποίο να μπορεί να λειτουργήσει σαν ένα ενιαίο οριζόντιο επίπεδο μόνωσης.

Η αποτίμηση του υφιστάμενου φορέα έγινε σύμφωνα με τις διατάξεις του ΚΑΝΕΠΕ (2022), εφαρμόζοντας φασματική ιδιομορφική ανάλυση, με αυξημένο συντελεστή προσομοιώματος γsd, ώστε να μπορεί να γίνει πιο άμεση σύγκριση των αποτελεσμάτων αυτής της ανάλυσης με τα αποτελέσματα από την αντίστοιχη ανάλυση του σεισμικά μονωμένου φορέα. Ο ανασχεδιασμός του κτιρίου με εφαρμογή σεισμικής μόνωσης έγινε με βάση τις διατάξεις του Ευρωκώδικα 8 (Μέρος 8-1 και 8-2).

Για τη σεισμική μόνωση βάσης του κτιρίου εξετάστηκαν δύο συστήματα μόνωσης – ένα συμβατικό και ένα πιο καινοτόμο. Το συμβατικό (υβριδικό) σύστημα μόνωσης αποτελείται από συνδυασμό ελαστομεταλλικών εφεδράνων με πυρήνα μολύβδου (LRB) και επίπεδων εφεδράνων ολίσθησης (χαμηλού συντελεστή τριβής) τύπου pot bearing. Το καινοτόμο σύστημα μόνωσης βασίζεται στη χρήση του συστήματος KDamper, το οποίο είναι ένα σύστημα μόνωσης που συνδυάζει τα χαρακτηριστικά της πολύ μεγάλης απόσβεσης με της πολύ μικρής πλευρικής δυσκαμψίας, μέσω εισαγωγής στοιχείων αρνητικής στιβαρότητας.

Ιδιαίτερη έμφαση έχει δοθεί στην παρουσίαση του προκαταρκτικού σχεδιασμού του υβριδικού συστήματος μόνωσης, που γίνεται κατά κύριο λόγο μέσω μιας ανάλυσης μονοβάθμιου ταλαντωτή, κατά την οποία όλη η ανωδομή θεωρείται σαν ένα στερεό σώμα και η δυσκαμψία του ταλαντωτή θεωρείται ότι ταυτίζεται με την πλευρική δυσκαμψία του συστήματος μόνωσης. Η ανάλυση αυτή παρέχει γενικά μια πολύ καλή και αξιόπιστη προσέγγιση για την απόκριση σεισμικά μονωμένων κατασκευών, κάτι το οποίο επαληθεύεται εν μέρη στα πλαίσια αυτής της εφαρμογής και διαπιστώνεται ακόμη περισσότερο στην εφαρμογή του κτιρίου φέρουσας τοιχοποιίας. Αναφορικά με τον προκαταρκτικό σχεδιασμό του καινοτόμου συστήματος μόνωσης, αυτός γίνεται μέσω μιας διαδικασίας βελτιστοποίησης, για την οποία ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέξει στην προτεινόμενη βιβλιογραφία.

Η ανάλυση του σεισμικά μονωμένου χωρικού προσομοιώματος με χρήση του υβριδικού συστήματος μόνωσης έγινε με φασματική ιδιομορφική ανάλυση αλλά και με μη γραμμική ανάλυση χρονοϊστορίας, με προσομοίωση μόνο της μη γραμμικότητας των εφεδράνων και θεωρώντας ελαστική απόκριση για την ανωδομή. Η ανάλυση του σεισμικά μονωμένου χωρικού προσομοιώματος με χρήση του καινοτόμου συστήματος μόνωσης έγινε μόνο μέσω φασματικής ιδιομορφικής ανάλυσης. Τόσο η διαδικασία επιλογής και εισαγωγής των σεισμικών φορτίσεων όσο και η διαδικασία προσομοίωσης και ανάλυσης περιγράφονται αναλυτικά στο Κεφάλαιο 3.

Επιπροσθέτως, στο κεφάλαιο αυτό παρατίθενται τόσο γενικές πληροφορίες σχετικά με τις κατασκευαστικές απαιτήσεις και τον τρόπο κατασκευής και τοποθέτησης στην πράξη συστημάτων μόνωσης σε υφιστάμενα κτίρια όσο και ειδική περιγραφή των κατασκευαστικών λεπτομερειών και απαιτήσεων για το υπό μελέτη κτίριο. Μεταξύ άλλων, παρουσιάζονται σχέδια εφαρμογής για το εξεταζόμενο κτίριο και αναλυτική περιγραφή για τη διαδικασία τοποθέτησης των εφεδράνων και εξασφάλισης της απαιτούμενης διαφραγματικής λειτουργίας του συστήματος μόνωσης. Από τις αναλύσεις του σεισμικά μονωμένου χωρικού προσομοιώματος, με τα δύο προαναφερόμενα συστήματα μόνωσης, προέκυψαν όλα τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στο συγκεκριμένο κεφάλαιο. Η παρουσίαση των αποτελεσμάτων γίνεται στη βάση της συγκριτικής αξιολόγησης της απόκρισης του υφιστάμενου φορέα και του σεισμικά μονωμένου φορέα με τα δύο εξεταζόμενα συστήματα μόνωσης. Τα αποτελέσματα αφορούν κυρίως χαρακτηριστικά μεγέθη δυναμικής απόκρισης, όπως είναι η μέγιστη απόλυτη επιτάχυνση και μετακίνηση του τελευταίου ορόφου, οι σχετικές μετατοπίσεις μεταξύ των ορόφων κ.α.. Ειδικά για το κτίριο του Πειραιά παρουσιάζονται ενδεικτικά και δείκτες ανεπάρκειας σε κάμψη για κάποια υποστυλώματα της κατασκευής.

Από όλα τα αποτελέσματα γίνεται εμφανής η μεγάλη βελτίωση της σεισμικής απόκρισης του φορέα έπειτα από την εφαρμογή σεισμικής μόνωσης. Η απόδοση του υβριδικού συστήματος στην απομείωση των παρουσιαζόμενων χαρακτηριστικών δυναμικών μεγεθών απόκρισης είναι σαφώς μεγαλύτερη από αυτή του καινοτόμου συστήματος μόνωσης. Παρ’ όλα αυτά, για την επίτευξη αυτού του στόχου το υβριδικό σύστημα μόνωσης απαιτεί την ανάπτυξη μεγάλων μετακινήσεων στη βάση του κτιρίου, σε αντίθεση με το καινοτόμο σύστημα μόνωσης, το οποίο απαιτεί πολύ μικρότερες μετακινήσεις στη βάση. Η παρατήρηση αυτή έχει ιδιαίτερη σημασία, καθώς ο κύριος περιοριστικός παράγοντας εφαρμογής της σεισμικής μόνωσης, ιδίως στα πλαίσια αντισεισμικής ενίσχυσης υφιστάμενων κτιρίων, είναι η έλλειψη επαρκούς χώρου περιμετρικά της κατασκευής, που απαιτείται για την ασφαλή ανάπτυξη των μετακινήσεων στη βάση. Επιπλέον, από τα αποτελέσματα για τους δείκτες ανεπάρκειας των υποστυλωμάτων σε κάμψη φαίνεται μια τάση για απαίτηση σποραδικών ενισχύσεων στην ανωδομή. Σημαντικό ρόλο στην ύπαρξη αυτής της απαίτησης έχει η μεγάλη ευκαμψία της κατασκευής στη διαμήκη διεύθυνση, η οποία περιορίζει την αποδοτικότητα της σεισμικής μόνωσης, αλλά και το γεγονός ότι η κατασκευή έχει σχεδιαστεί χωρίς την εφαρμογή αντισεισμικών διατάξεων.

Στο τέλος του Κεφαλαίου 3 γίνεται και μια σύγκριση των συμβατικών μεθόδων ενίσχυσης υφιστάμενων κατασκευών με τη μέθοδο της σεισμικής μόνωσης, κυρίως σε επίπεδο κόστους. Για τη μελέτη της κατασκευής με το υβριδικό σύστημα μόνωσης έγινε προκοστολόγηση και συγκρίθηκε  με την κοστολόγηση που προέκυψε για το ίδιο κτίριο με εφαρμογή συμβατικών μεθόδων ενίσχυσης. Από τη σύγκριση αυτή φαίνεται ότι η μέθοδος της σεισμικής μόνωσης αποτελεί μια ανταγωνιστική οικονομικά λύση σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους ενίσχυσης.

Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η μελέτη του κτιρίου «Ευαγγελισμός». Πρόκειται για ένα τετραώροφο κτίριο φέρουσας τοιχοποιίας με έναν υπόγειο όροφο. Η αποτίμηση του υφιστάμενου κτιρίου γίνεται σύμφωνα με τις διατάξεις του ΚΑΔΕΤ (2022), εφαρμόζοντας φασματική ιδιομορφική ανάλυση. Ο ανασχεδιασμός του κτιρίου με εφαρμογή σεισμικής μόνωσης έγινε με βάση τις διατάξεις του Ευρωκώδικα 8 (Μέρος 8-1 και 8-2).

 Για τη σεισμική μόνωση του κτιρίου εξετάστηκαν και πάλι δύο συστήματα μόνωσης – ένα συμβατικό και ένα πιο καινοτόμο. Το συμβατικό σύστημα μόνωσης αποτελείται μόνο από ελαστομεταλλικά εφέδρανα με πυρήνα μολύβδου (LRB). Το καινοτόμο σύστημα μόνωσης βασίζεται και πάλι στη χρήση του συστήματος KDamper.

Η μελέτη ακολουθεί την ίδια λογική με αυτή της μελέτης του Εργατικού Κέντρου Πειραιά, δίχως όμως την εκπόνηση μη γραμμικών αναλύσεων χρονοϊστορίας. Ο προκαταρκτικός σχεδιασμός του συμβατικού συστήματος μόνωσης γίνεται και πάλι με ανάλυση μονοβάθμιου ταλαντωτή. Όπως φαίνεται και από τα αποτελέσματα, η ανάλυση του μονοβάθμιου ταλαντωτή για το συγκεκριμένο κτίριο προβλέπει σε πολύ καλό βαθμό τα χαρακτηριστικά δυναμικής απόκρισης που προκύπτουν από την ανάλυση του χωρικού προσομοιώματος.

 Από τα αποτελέσματα των αναλύσεων είναι και πάλι εμφανής η μεγαλύτερη απόδοση του συμβατικού συστήματος μόνωσης, αλλά με αντάλλαγμα τις μεγάλες μετακινήσεις στη βάση. Αντιθέτως, το καινοτόμο σύστημα μόνωσης είναι μεν λιγότερο αποδοτικό, αλλά δεν απαιτεί τόσο μεγάλες μετακινήσεις στη βάση όσο το συμβατικό σύστημα μόνωσης.

Στο κεφάλαιο 5 συνοψίζονται τα γενικά συμπεράσματα που προέκυψαν από τη μελέτη αντισεισμικής ενίσχυσης με σεισμική μόνωση των δύο εξεταζόμενων υφιστάμενων κτιρίων.