Συστήματα Απορρόφησης Σεισμικής Ενέργειας – Πολλαπλασιαστής των Οριζόντιων Παραμορφώσεων Κτιρίων

1. Συστήματα απορρόφησης σεισμικής ενέργειας (σεισμικοί αποσβεστήρες)
Το Γραφείο μας ασχολείται ιδιαίτερα με την εφαρμογή σεισμικών αποσβεστήρων με εφαρμογή τους σε αρκετές περιπτώσεις στην Ελλάδα. Πρόκειται για συσκευές υψηλής τεχνολογίας “αιχμής”, που τοποθετούνται στον φέροντα οργανισμό των νέων ή υπαρχόντων κτιρίων, συνήθως, μέσω μεταλλικών διαγώνιων ράβδων. Κατά τη διάρκεια ενός σεισμού συμπιέζονται και εκτείνονται κατ’ επανάληψη και μέσω των κινήσεων αυτών απορροφάται σεισμική ενέργεια, την οποία μετατρέπουν τελικά σε θερμότητα.

Με αυτόν τον τρόπο ένα ποσοστό ακόμη και 40% της σεισμικής ενέργειας μπορεί να απορροφηθεί, ανακουφίζοντας συγχρόνως τον φέροντα οργανισμό των κτιρίων κατά το ίδιο ποσοστό. Οι Ευρωκώδικες δεν καλύπτουν μερικώς το προηγμένο αυτό θέμα και έτσι γίνεται αναφορά στους Αμερικανικούς Κανονισμούς (FEMA 450 για νέα κτίρια και FEMA 356 για τα νέα).

Οι αποσβεστήρες μπορεί να χρησιμοποιηθούν σε υπάρχοντα κτίρια, επιτυγχάνοντας σημαντική βελτίωση της αντισεισμικής τους συμπεριφοράς, λόγω των σημαντικά μειωμένων σεισμικών δυνάμεων, που εφαρμόζονται στον φέροντα οργανισμό τους.

Μπορεί όμως να χρησιμοποιηθούν και σε νέα κτίρια, εξασφαλίζοντας ένα πολύ πιο “ελαφρύ” και οικονομικό φέροντα οργανισμό με μειωμένες διαστάσεις φερόντων στοιχείων, και αποφυγή τοιχωμάτων δυσκαμψίας.

Αποσβεστήρες τύπου “fluid viscous” έχουν τοποθετηθεί στους πάνω δύο ορόφους ενός υπάρχοντος κτιρίου (ένα χιαστί σύστημα σε κάθε πλευρά).

Ο παραμορφωμένος φορέας του κτιρίου πριν από την ενίσχυσή του με τους αποσβεστήρες.

Ο παραμορφωμένος φορέας του κτιρίου μετά την ενίσχυσή του με αποσβεστήρες (προσομοιώματα επίλυσης του κτιρίου).

Αποσβεστήρες τύπου “fluid viscous” σε νέο κτίριο.

Αποσβεστήρες τύπου “τριβής” σε νέο κτίριο.

Υπάρχουν δύο κύριες κατηγορίες αποσβεστήρες:

  • “Οι εξαρτώμενοι από την παραμόρφωση” (deflection dependent), όπως οι “μεταλλικοί αποσβεστήρες διαρροής” (metallic yielding) και οι “αποσβεστήρες τριβής” (friction type).
  • “Οι εξαρτώμενοι από την ταχύτητα” (velocity dependent), όπως οι “ιξώδους υγρού” (fluid viscous) και οι “ελαστοϊξώδεις” (viscous elastic).

Ένας τύπος “metallic yielding”, πολύ σύγχρονος και αποτελεσματικός, που χρησιμοποιείται πολύ τα τελευταία χρόνια στην Ιαπωνία είναι ο “Buckling Restrained Unbonded Braces” (BRUB), ο οποίος δρά συγχρόνως και σαν διαγώνιος αντιανέμιος σύνδεσμος περιορισμένης δυναμικότητας (βλέπε φωτογραφία δεξιά).

Το κύριο διαγώνιο μέλος είναι μία μεταλλική λάμα, η οποία για να μην υποστεί λυγισμό όταν φορτιστεί σε θλίψη, περιβάλλεται από μία κοίλη μεταλλική διατομή και το κενό συμπληρώνεται με τσιμεντοκονία. Η λάμα διαθέτει κατάλληλη επίστρωση, ώστε να μην έχει συνάφεια με την τσιμεντοκονία και να μην εμποδίζονται οι αξονικές της παραμορφώσεις, όταν παραλαμβάνει θλιπτικές και εφελκυστικές δυνάμεις, κατά τη διάρκεια ενός σεισμού. Η λάμα είναι έτσι υπολογισμένη, ώστε να διαρρέει σε αξονικές δυνάμεις, χωρίς να φθάνει το όριο θραύσης, και έτσι κατά την διάρκεια ενός πλήρους σεισμικού κύκλου (θλίψη – αποφόρτιση – εφελκυσμός – αποφόρτιση) δημιουργείται ένα αυξημένου εμβαδού “υστερητικό διάγραμμα” (hysteresis loop), που οδηγεί σε σημαντική απορρόφηση σεισμικής ενέργειας.

Ο απλός και οικονομικός αυτός τύπος αποσβεστήρα επιλύει το πρόβλημα του αυξημένου κόστους και της δυσκολίας παραγγελίας από τα εξειδικευμένα εργοστάσια παραγωγής τους. Η J.M έχει αναπτύξει σχετικά σχέδια, που έχουν υλοποιηθεί από κατασκευαστές μεταλλικών φορέων και τελικά έχουν εγκατασταθεί σε κτίρια.

Τα BRUB εφαρμόζονται σε υπάρχοντα κτίρια είτε μέσω της μεθόδου ΠΑΡΣΑΝΤ, είτε απ’ ευθείας μεταξύ των φορέων σκυροδέματος. Μπορεί επίσης και σε νέα κτίρια βελτιώνοντας την σεισμική συμπεριφορά τους.

2. Πολλαπλασιαστής των οριζόντιων παραμορφώσεων κτιρίων – Magnifier of Horizontal Displacement (MHD)
Πρόκειται για ένα μηχανισμό, που αναπτύχθηκε από τον κ. Γιάννη Μαρνέρη, με τον οποίο πολλαπλασιάζονται οι σχετικές οριζόντιες σεισμικές παραμορφώσεις μεταξύ δύο διαδοχικών ορόφων, που μεταβιβάζονται από το κτίριο σε σεισμικoύς αποσβεστήρες τύπου deflection dependent, όπως είναι οι ΒRUB. Η αύξηση αυτή μπορεί να είναι 2 έως 5 φορές μεγαλύτερη και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα μεγαλύτερη σύμπτυξη/μήκυνση των διαγώνιων λαμών, με αποτέλεσμα την παραγωγή ενός μεγαλύτερου υστερητικού διαγράμματος, και τελικά μία μεγαλύτερη απορρόφηση σεισμικής ενέργειας.

Στα επόμενα περιγράφεται ο μηχανισμός που αποτελεί μοχλό “πρώτου τύπου” (υπομόχλιο στο μέσον και θέσεις άσκησης δύναμης και αντίστασης εκατέρωθεν) με τα πιο κάτω μέρη. Στην προκειμένη περίπτωση το όλο σύστημα τοποθετείται μεταξύ των φερόντων στοιχείων ενός ορόφου του κτιρίου (βλέπε σχέδιο), αλλά πολύ συχνά τοποθετείται μεταξύ δύο σταθμών ενός πρόσθετου αντισεισμικού τοιχώματος ΠΑΡΣΑΝΤ. Το όλο σύστημα περιλαμβάνει τα πιο κάτω.

Πολλαπλασιαστή, που συνίσταται σε μία ισχυρή λάμα τραπεζοειδούς μορφής, η οποία συνδέεται με:

  • Την πάνω στάθμη του κτιρίου μέσω του πείρου Π1.
  • Τον μεταλλικό φορέα σταθεροποίησης μέσω του πείρου Π2.
  • Τους δύο κατακόρυφους αποσβεστήρες μέσω των πείρων Π3, Π4.
  • Ένας μεταλλικός φορέας σταθεροποίησης  του πείρου 2, με δύο διαγώνια μέλη, που δεν συνδέεται με την άνω στάθμη του κτιρίου και έτσι δεν επηρεάζεται από  την οριζόντια σχετική παραμόρφωση του ορόφου του κτιρίου (drift).
  • Τους δύο κατακόρυφους μεταλλικούς αποσβεστήρες τύπου BRUB.
  • Έναν μεταλλικό στρωτήρα έδρασης της μεταλλικής κατασκευής και των αποσβεστήρων, που σκοπό έχει την ομαλή μεταβίβαση  των δυνάμεων στην βάση του υπάρχοντος κτιρίου

Ο πείρος Π2 αποτελεί το υπομόχλιο, o Π1 είναι το σημείο άσκησης της δύναμης και τα σημεία Π2, Π3 τα σημεία αντίστασης. Εν προκειμένω οι  αποστάσεις Π2-Π3 και Π2-Π4 είναι τριπλάσιες της Π2-Π1, αλλά θα μπορούσαν να έχουν και άλλη σχέση.

Με τον τρόπο αυτόν όταν η σχετική οριζόντια παραμόρφωση του κτιρίου είναι “δ”, αυτή μεταβιβάζεται στον πείρο Π1, και δεδομένου ότι ο Π2 είναι σταθερός, προκαλείται στροφή του πολλαπλασιαστή περί αυτόν, με αποτέλεσμα την κατακόρυφη μετακίνηση των Π3, Π4 κατά 3δ (άνω του ενός, κάτω του άλλου).

Όψη συστήματος σεισμικών αποσβεστήρων τύπου BRUB σε συνδυασμό με πολλαπλασιαστή οριζοντίων παραμορφώσεων (ΜΗD)
Όψη συστήματος σεισμικών αποσβεστήρων τύπου BRUB σε συνδυασμό με πολλαπλασιαστή οριζοντίων παραμορφώσεων (ΜΗD)

Ενδιαφέρεστε για κάποια από τις Υπηρεσίες;