Optimized seismic design and retrofit of collapse resistant steel-concrete composite buildings

Abstract

Ο κύριος στόχος της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι να συμβάλει στην πρόοδο του σχεδιασμού και της ενίσχυσης σύμμικτων κτιρίων χάλυβα-σκυροδέματος. Το πρόβλημα που μελετάται στα πλαίσια της διατριβής είναι η απαίτηση από το κτίριο να αντεπεξέρχεται (α) σε οριζόντιες δράσεις λόγω σεισμού χωρίς την εμφάνιση εκτεταμένων ανηγμένων μετατοπίσεων μεταξύ των ορόφων, το οποίο θα υποδήλωνε το ενδεχόμενο ολικής κατάρρευσης, και (β) αστοχίες δομικών στοιχείων λόγω διαφόρων τυχηματικών σεναρίων, χωρίς τη δυσανάλογη διάδοση της βλάβης στα στοιχεία τα οποία δεν επηρεαστήκαν άμεσα από το αρχικό αίτιο. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκε βελτιστοποίηση ως ένα μέσο που επιτρέπει την αντικειμενική και δίκαιη αξιολόγηση διαφόρων προσεγγίσεων, μεθόδων και στρατηγικών σχεδιασμού και ενίσχυσης φορέων. Μια δίκαιη σύγκριση διαφορετικών μεθόδων σχεδιασμού δεν είναι δυνατό να επιτευχθεί βασιζόμενη αποκλειστικά στην εμπειρία του μηχανικού, καθώς κάτι τέτοιο θα καθιστούσε το αποτέλεσμα αυθαίρετο. Η χρήση βελτιστοποιημένων σχεδιασμών, από την άλλη μεριά, συνεπάγεται την πιο αποτελεσματική εφαρμογή της εκάστοτε εξεταζόμενης μεθόδου. Ως βελτιστοποιημένος σχεδιασμός ορίζεται αυτός, ο οποίος πληροί τις καθορισμένες απαιτήσεις με το ελάχιστο δυνατό δομικό κόστος, δηλαδή ο σχεδιασμός ο οποίος επιτυγχάνει την πιο αποδοτική χρήση των δομικών υλικών. Σε αυτή την εργασία, ο καθορισμός σχεδιασμών ελάχιστου κόστους επιτυγχάνεται με τη χρήση το αλγόριθμου βελτιστοποίησης που βασίζεται στις Στρατηγικές Εξέλιξης, ο οποίος είναι ικανός να προσδιορίζει αυτόματα την περιοχή του ολικού βέλτιστου σε πλήθος προβλημάτων Μηχανικής. Στο πρώτο μέρος της έρευνας γίνεται σύγκριση μεταξύ του αμιγώς μεταλλικού και του σύμμικτου σχεδιασμού, πολυώροφων κτιρίων με διάφορα χαρακτηριστικά, υπό διάφορες σεισμικές εντάσεις. Οι σύμμικτες κατασκευές έχουν χρησιμοποιηθεί κυρίως ως μία εναλλακτική των μεταλλικών κατασκευών. Ωστόσο, δεν έχει γίνει στο παρελθόν διερεύνηση του πεδίου εφαρμογής στο οποίο μπορούν να παρέχουν πιο αποδοτικές λύσεις. Ως εκ τούτου, αυτό το μέρος στοχεύει στο να καθορίσει το επίπεδο της σεισμικής απαίτησης για την οποία ο σύμμικτος σχεδιασμός πλεονεκτεί σε σχέση με τον αμιγώς μεταλλικό και αντίστροφα. Στη συνέχεια, τρεις μέθοδοι ενίσχυσης αξιολογούνται ως προς την αποδοτικότητά τους στο να ενισχύουν πλαισιακές κατασκευές με σύμμικτα υποστυλώματα έναντι σεισμού. Συγκεκριμένα, οι δύο πρώτες μέθοδοι στοχεύουν στην ενίσχυση μεμονωμένων μελών προκειμένου να πληρούν τα κριτήρια αντοχής. Η πρώτη μέθοδος (μανδύας οπλισμένου σκυροδέματος) δίνει έμφαση στη συνεισφορά του σκυροδέματος στη συνολική δυσκαμψία της διατομής, ενώ η δεύτερη (μεταλλικός κλωβός με επικάλυψη σκυροδέματος), αυξάνει την επιφάνεια του χάλυβα, ωθώντας τη συμπεριφορά της διατομής προς αυτή μιας αμιγώς μεταλλικής διατομής. Από την άλλη μεριά, η τρίτη μέθοδος (διαγώνιοι μεταλλικοί σύνδεσμοι) αντιμετωπίζει την κατασκευή ως σύστημα και επιδιώκει να βελτιώσει την απόδοσή του αλλάζοντας τη συνολική του συμπεριφορά προκειμένου να πληροί τα κριτήρια αντίστασης σε σεισμό. Επιπλέον, γίνεται εκτίμηση της πιθανότητας προοδευτικής κατάρρευσης σε αντισεισμικά σχεδιασμένα σύμμικτα κτίρια. Η προοδευτική κατάρρευση είναι ένα θέμα αυξανόμενου ενδιαφέροντος μεταξύ των μηχανικών, κυρίως λόγω των καταστροφικών αποτελεσμάτων της, καθώς και του γεγονότος ότι αυτά σχετίζονται με την εμφάνιση δυσανάλογα μεγάλης αστοχίας, η οποία προκαλείται από μιας μικρής κλίμακας αρχική ζημιά. Στην παρούσα Διατριβή ενσωματώνονται κριτήρια που σχετίζονται με την αντίσταση σε προοδευτική κατάρρευση στο σχεδιασμό σύμμικτων κτιρίων. Καθώς η συγκεκριμένη προϋπόθεση αποτελεί μια επιπλέον απαίτηση σχεδιασμού, η αύξηση του συνολικού κόστους είναι αναπόφευκτη. Ως εκ τούτου, η χρήση βελτιστοποίησης είναι ένα πολύτιμο εργαλείο στην προσπάθεια να μειωθεί το επιπλέον κόστος. Τέσσερις μη αυτόματες στρατηγικές προτείνονται για την αύξηση της αντίστασης σε προοδευτική κατάρρευση σε σύμμικτα κτίρια. Η αποδοτικότητα των εν λόγω στρατηγικών αξιολογείται σε σύγκριση με τα αποτελέσματα που προκύπτουν από τη χρήση βελτιστοποίησης. (....)

The main aim of the present Thesis is to contribute to the progress of the design and retrofit of steel-concrete composite buildings. The issue addressed in this thesis is the requirement to withstand (a) horizontal actions, due to earthquake, without the development of extensive interstorey drifts, which would indicate the potential for global collapse, and (b) structural element failure, due to accidental scenarios, without the disproportionate propagation of the damage to the elements that are directly unaffected by the initial cause. For this purpose, structural optimization was employed as a means to enable the objective and fair assessment of various design/retrofit approaches, methods and strategies. A fair assessment between various design approaches cannot be achieved based entirely on the engineer’s experience, as this would render the outcome arbitrary. Using optimized designs, on the other hand, allows the most effective feasible application of each approach to be assessed. An optimized design is defined as the one which fulfils the defined requirements with the lowest possible structural cost, i.e. the design which achieves the most effective usage of the structural materials. In this work, the determination of minimum-cost designs is achieved by the means of the Evolution Strategies optimization algorithm, as it is capable of automatically determining the area of the global optimum in a variety of structural optimization problems. In the first part of this research, the pure steel and steel-concrete composite design approaches are being assessed for a variety of structural characteristics and seismic intensities. Composite structures have been mainly used as an alternative to steel structures; however, the conditions under which composite design leads to more cost-effective solutions have not yet been thoroughly investigated. Therefore, this part of the research aims to define the seismic demand levels, for which composite design is advantageous compared to pure steel design and vice versa. Moreover, three retrofit methods are assessed with respect to their effectiveness in retrofitting moment resisting frames with steel-concrete composite columns against earthquake. In particular, the first two methods correspond to the approach of strengthening individual members in order to meet the required capacity criteria. The first method (reinforced concrete jacket) emphasizes on the contribution of concrete to the section’s stiffness, while the other (concrete covered steel cage) increases the total area of steel, changing its behaviour towards that of a pure steel section. The third method (steel bracings) considers the structure as a system and attempts to improve its global performance by changing the overall structural behaviour in order to meet the criteria for earthquake-resistance. Furthermore, the progressive collapse potential of earthquake-resistant steel-concrete composite buildings is assessed. Progressive collapse is an issue of increasing interest among engineers, mainly because of its destructive results, as well as of the fact that it is associated with disproportional large-scale failure caused by small-scale initial damage. Criteria for progressive collapse resistance are incorporated in the design of composite steel-concrete buildings. As the particular requirement is an additional design demand, increase in the total cost is inevitable. Therefore, use of structural optimization is a valuable tool in the effort to minimize this additional cost. Four manual strategies are proposed to increase the progressive collapse resistance of steel-concrete composite buildings. The effectiveness of these strategies is assessed in comparison with the results defined by structural design optimization.(....)