Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται μία νέα βασισμένη στην επιτελεστικότητα μέθοδος αντισεισμικού σχεδιασμού χωρικών μεταλλικών κατασκευών, οι οποίες υπόκεινται σε σεισμικές διεγέρσεις μακρινού πεδίου. Η μέθοδος αυτή συνδυάζει τα πλεονεκτήματα της μεθόδου σχεδιασμού με βάση τις δυνάμεις και με βάση της μετατοπίσεις και γι’ αυτό ονομάζεται υβριδική δυνάμεων-μετατοπίσεων (ΥΔΜ) μέθοδος. Για τη δημιουργία της προτεινόμενης μεθόδου γίνεται παραμετρική σεισμική μελέτη κανονικών καμπτικών μεταλλικών κτιρίων με και χωρίς τυχηματικές εκκεντρότητες, καθώς και μεταλλικών κτιρίων τα οποία εμφανίζουν γεωμετρικές μη κανονικότητες λόγω ανομοιόμορφης καθ’ ύψος κατανομής μάζας και λόγω παρουσίας εσοχών. Αρχικά γίνεται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση για τις ήδη υπάρχουσες μεθόδους, όσον αφορά στο σχεδιασμό και στην εκτίμηση της ανελαστικής σεισμικής απόκρισης επίπεδων και χωρικών κατασκευών. Στη συνέχεια περιγράφεται η επιλογή των παραμέτρων και η όλη διαδικασία που ακολουθήθηκε για τη δημιουργία μίας βάσης δεδομένων σεισμικής απόκρισης η οποία απαίτησε 43176 μη γραμμικές δυναμικές αναλύσεις. Με βάση την στατιστική επεξεργασία που έγινε προέκυψαν εμπειρικές σχέσεις αντισεισμικού σχεδιασμού, οι οποίες καθιστούν δυνατό τον έλεγχο της βλάβης κατά το σχεδιασμό νέων κατασκευών και οι οποίες λαμβάνουν υπόψη την επιρροή διαφόρων παραμέτρων, όπως ο αριθμός ανοιγμάτων, ο αριθμός ορόφων, η μορφή της κάτοψης, καθώς και η μη κανονικότητα της κατασκευής. Επιπλέον εξετάστηκε η επιρροή της φυσικής μονοαξονικής εκκεντρότητας, μεταξύ κέντρου μάζας και κέντρου δυσκαμψίας στην ανελαστική σεισμική απόκριση χωρικών κατασκευών με μεικτό σύστημα ανάληψης σεισμικών δυνάμεων. Ωστόσο, επειδή ο αριθμός των κτιρίων που χρησιμοποιήθηκαν ήταν μικρός, δεν έγινε προσπάθεια κατασκευής κάποιων εμπειρικών σχέσεων από τα αποτελέσματα που προέκυψαν για αυτήν την περίπτωση. Τα πλεονεκτήματα της νέας ΥΔΜ μεθόδου αντισεισμικού σχεδιασμού, παρουσιάζονται μέσω τριών παραδειγμάτων, όπου η προτεινόμενη μέθοδος συγκρίνεται με τη μέθοδο σχεδιασμού με βάση τις δυνάμεις στην οποία βασίζονται όλοι σχεδόν οι υπάρχοντες αντισεισμικοί κανονισμοί. Από τη σύγκριση που γίνεται προκύπτει ότι, σε αντίθεση με τη μέθοδο των δυνάμεων, η ΥΔΜ μέθοδος μπορεί να κάνει κατά το σχεδιασμό άμεσο έλεγχο της βλάβης. / This dissertation proposes a preliminary performance-based seismic design method for three-dimensional steel building frames under ordinary (i.e., without near fault effects) ground motions. This method combines the advantages of the well-known force-based and displacement-based seismic design methods in a hybrid force/displacement design scheme. The proposed method was developed based on the results of an extensive parametric study involving the inelastic seismic response of regular and irregular moment resisting frames (MRFs). The regular MRFs are structures with and without the presence of accidental eccentricities, whereas the irregular MRFs, are structures with vertical mass irregularities and structures with setbacks. In total 146 buildings have been studied. The results of 43176 nonlinear dynamic analyses were post-processed in order to create a databank with the response quantities of interest. The main parameters that affect the inelastic response of the examined structures were recognised after the statistical analysis of the created response. Based on regression analysis, a procedure in terms of simple formulae for estimating the maximum roof displacement, the maximum interstorey drift ratio and the maximum rotation ductility along the height of the frame was developed. In addition, the inelastic seismic response of 20 buildings with natural eccentricities has been studied, which combines MRFs with buckling restrained braces. However, the conclusions of this case cannot be generalized, because only few cases were investigated. Comparison of the proposed method with the procedures adopted in current seismic design codes demonstrated the efficiency of the former. The results revealed that the proposed procedure seems to be more rational and efficient than the procedures used in the current seismic design codes. Nonlinear time history analyses proved the consistency of the proposed method to accurately estimate inelastic deformation demands and the tendency of the current seismic design codes to overestimate the maximum roof displacement and underestimate the maximum interstorey drift ratio along the height of the frames.

Η παρούσα διατριβή έχει ως θέμα την σεισμική αποτίμηση υφισταμένου τριώροφου δομήματος οπλισμένου σκυροδέματος. Συγκεκριμένα γίνεται έλεγχος των μέτρων επέμβασης για το κτήριο αιθουσών διδασκαλίας του ΤΕΛ Ναυπάκτου. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται μη-γραμμικές αναλύσεις (στατικές και δυναμικές) με βάση τις αρχές των κανονιστικών κειμένων ΚΑΝ.ΕΠΕ και EC8 για την αποτίμηση και τον ανασχεδιασμό κατασκευών. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται τεκμηρίωση του υφιστάμενου δομήματος. Δίνονται στοιχεία για την θέση, την γεωμετρία, τις κατασκευαστικές μεθόδους που εφαρμόστηκαν. Δίνονται τα αποτελέσματα των οπτικών και των ενόργανων ελέγχων και προσδιορίζεται η γεωμετρία του φορέα. Στο δεύτερο κεφάλαιο δίνονται οι παραδοχές και οι αρχές με βάση τις οποίες έγινε η εξιδανίκευση του φορέα για την πραγματοποίηση των μη γραμμικών στατικών αναλύσεων. Για τις αναλύσεις χρησιμοποιείται το πακέτο λογισμικού ANSRuop που έχει αναπτυχθεί στο Εργαστήριο Κατασκευών του Τμήματος. Το μοντέλο μονότονης και ανακυκλιζόμενης φόρτισης που χρησιμοποιείται είναι το γνωστό προσομοίωμα Τakeda με εννέα κανόνες υστέρησης. Προσδιορίζονται οι παραδοχές για τον υπολογισμό των διαθέσιμων αντιστάσεων σε όρους παραμορφώσεων και δυνάμεων που υιοθετούνται από τον ΚΑΝΕΠΕ και τον EC8 καθώς και τα κριτήρια που αποδέχεται το κάθε κείμενο για την επιθυμητή στάθμη αποτίμησης και ανασχεδιασμού του φορέα. Ακόμα γίνεται αναφορά στο μοντέλο προσομοίωσης του λικνισμού των θεμελίων για θεώρηση διαφόρων εδαφών. Εν συνεχεία στο τρίτο Κεφάλαιο γίνεται αναφορά στους στόχους σχεδιασμού που θέτει ο κάθε κανονισμός και στις στάθμες επιτελεστικότητας για τον κάθε κανονισμό. Γίνεται παρουσίαση των τεχνητών σεισμικών καταγραφών που λήφθηκαν υπόψη για την πραγματοποίηση των μη γραμμικών δυναμικών αναλύσεων. Οι καταγραφές είναι κανονικοποιημένες πάνω στο φάσμα του EC8 για τύπο εδάφους C που διαφέρει από το φάσμα σχεδιασμού κατά ΕΑΚ για την στάθμη επιτελεστικότητας «Προστασία ζωής και περιουσίας των ενοίκων » μόνο κατά τον εδαφικό συντελεστή S. Ακόμα δίνεται η μεθοδολογία που υιοθετήθηκε για την εκτίμηση της ικανότητας του κτηρίου έναντι των απαιτήσεων που θέτει ο κανονισμός και προτείνεται εναλλακτικά και από τα δύο κείμενα. Στα κεφάλαια 4 και 5 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μη-γραμμικών αναλύσεων. Συνολικά πραγματοποιήθηκαν 56 μη-γραμμικές στατικές αναλύσεις και 84 μη-γραμμικές δυναμικές. Για τις μη-γραμμικές στατικές αναλύσεις παρουσιάζονται οι καταγραφές τέμνουσας βάσης μετατόπισης κορυφής ενώ τα αποτελέσματα των μη-γραμμικών δυναμικών αναλύσεων δίνονται με την μορφή των μέσων όρων των δεικτών βλάβης. Τέλος στο 6ο κεφάλαιο γίνεται προσπάθεια ερμηνείας των αποτελεσμάτων για τις αναλύσεις πρίν και μετά την δομητική επέμβαση. / The present project deals with a seismic assessment analysis of an existing reinforced concrete building. A fully performance-based procedure is adopted based on the principals of the draft Greek Retrofitting Code and the draft part 3 of the Eurocode 8 : Assessment and retrofitting of Buildings. The method is subjected on an existing building, which has been constructed, during early 70’ s, prior to the principals of the modern codes for earthquake resistant design. The building is located in the area of Nafpaktos. In the first chapter a summary of the characteristics of the existing building is given. Special data concerning the site, the geometry and the construction methods at the time in which the building was constructed. The results of the damage investigation according to the visual and the instrumental inspection are also given. The basic principals according to which the modelling and the non-linear analysis procedures took place is given in the 2nd chapter. For the analysis procedures the program ANSR University of Patras is used which has been developed in the Structural Laboratory of The Civil Engineering Department of the University of Patras. One-component, point-hinge macromodels are used for the RC members, to relate the end-moment to the chord rotation at member ends within each plane of bending. The M-θ relation in monotonic loading is taken bilinear, with a post-yield hardening ratio p computed assuming antisymmetric bending and using empirical expressions according to the Greek Retrofitting Code and Part-3 of the EC8 (according to the selected limit state). The hysteresis rules supplementing the bilinear monotonic M-θ curve are of the modified-Takeda type. Also the monotonic M-θ relation which is used for the modelling of the foundation uplift is given. In the 3rd chapter the performance objectives of the assessment procedure are given according to the appropriate levels of protection for the selected limit state. The synthetic accellerograms which are used for the Nonlinear dynamic procedure are compatible to the EC8 elastic spectrum for type soil C for the limit state of Significant Damage. Moreover the methodology of the determination of the target displacement according to the Annex B of the EC8-part 1 and the draft Greek Retrofitting Code. Finally in chapters 4 and 5 the results of the nonlinear static and dynamic analysis are presented. For the nonlinear static procedures the results are given in terms of base shear vs roof displacement and in terms of Spectral acceleration vs Spectral displacement for the determination of the target displacement. The results of the NonLinear dynamic procedures are given in terms of mean values of the damage index.

Η πλειονότητα των ερευνητών/ειδικών του αντισεισμικού σχεδιασμού συμφωνεί πως μια υπολογιστική διαδικασία που θα έχει ως βασική παράμετρο της απόκρισης τις σεισμικές μετακινήσεις θα είναι πιο ορθολογική και πιθανότατα πιο οικονομική απ’ τη συμβατική μεθοδολογία σχεδιασμού βάσει δυνάμεων. Η έλλειψη μιας μεθοδολογίας αντισεισμικού σχεδιασμού γεφυρών βάσει μετακινήσεων που να είναι απλή, εφικτή και συμβατή με την εφαρμοζόμενη πρακτική και η απουσία πρότασης σχεδιασμού των περιοχών του φορέα βάσει μετακινήσεων, αποδεικνύει το γνωστικό κενό που υπάρχει σ’ αυτή την περιοχή του αντισεισμικού σχεδιασμού. Η παρούσα εργασία επιχειρεί να συμβάλλει στην πλήρωση αυτού του κενού και προς τούτο προτείνει μια νέα μεθοδολογία. Αναφέρεται σε (μή-μονωμένες) γέφυρες σκυροδέματος και περιλαμβάνει μια απλή διαδικασία για την εκτίμηση των απαιτούμενων ανελαστικών παραμορφώσεων, τόσο των βάθρων, όσο και των περιοχών του φορέα - κάνοντας χρήση ελαστικής φασματικής ανάλυσης και επεκτείνοντας τον κανόνα των "Ίσων Μετακινήσεων" στο τοπικό επίπεδο. Η διαδικασία αναπτύσσεται και βαθμονομείται βάσει (σχεδόν δύο χιλιάδων) μή-γραμμικών δυναμικών αναλύσεων (με εν χρόνω ολοκλήρωση) αντιπροσωπευτικών γεφυρών, τριών έως πέντε ανοιγμάτων. Όμως για την εφαρμογή της απαιτούνται μόνο ελαστικά εργαλεία. Σε αντίθεση με τις έως τώρα ερευνητικές προσπάθειες, όπου γίνεται η απλουστευτική παραδοχή γραμμικής συμπεριφοράς του φορέα, στην παρούσα έρευνα δίνεται έμφαση στην προσομοίωση των περιοχών του φορέα και λαμβάνονται υπ’ όψιν οι μή-γραμμικότητές του. Από την εφαρμογή του διαπιστώνεται ότι ο προτεινόμενος σχεδιασμός βάσει μετακινήσεων προσφέρει πολύ οικονομικότερα ποσοστά όπλισης (από 1/2 έως 1/7 στο διαμήκη οπλισμό και από 1/1 έως 1/3 στον εγκάρσιο οπλισμό), χωρίς να επιβαρύνει ουσιαστικά την επιτελεστικότητα της γέφυρας - η υπεραντοχή των γεφυρών που σχεδιάζονται με την προτεινόμενη μεθοδολογία είναι πρακτικά ισοδύναμη με την υπεραντοχή των συμβατικά σχεδιασμένων γεφυρών. Η παρουσίαση της μεθοδολογίας περιλαμβάνει την περιγραφή της διαδικασίας σχεδιασμού υπό μορφή αλγόριθμου (Κεφ. 2), του τρόπου εφαρμογής της στην πράξη (διαδικασία προσομοίωσης, παραδείγματα σχεδιασμού: Κεφ. 3), του θεωρητικού υποβάθρου βάσει του οποίου αναπτύχθηκε (Κεφ. 4), των προβλημάτων της συμβατικής μεθοδολογίας (παραδείγματα σχεδιασμού βάσει δυνάμεων: Κεφ. 3) και των κενών που διαπιστώνονται στην τεκμηρίωση της συμβατικής μεθοδολογίας (Κεφ. 4). Η αποτίμηση του σχεδιασμού (Κεφ. 3) δεκαέξι αντιπροσωπευτικών γεφυρών (οκτώ σχεδιασμένων βάσει μετακινήσεων και οκτώ συμβατικά σχεδιασμένων), παρουσιάζεται υπό μορφή παράλληλης σύγκρισης της επιτελεστικότητας και συνηγορεί υπέρ των πλεονεκτημάτων της νέας μεθοδολογίας. Στα Παραρτήματα δίνονται πληροφορίες για τα υπολογιστικά εργαλεία που αναπτύχθηκαν για την προσομοίωση και την ανάλυση των γεφυρών (επέκταση προγράμματος ANSRuop). / The majority of seismic design researchers/specialists concludes that displacement-based design methodologies reduce the uncertainty of the design process and probably lead to less expensive structures. The absence of a simple displacement-based seismic design procedure for bridges that will be feasible and compatible with the current design practice and the nonexistence of a proposal for the displacement-based design of the deck indicate the gap of knowledge in this field of earthquake engineering. This thesis attempts to contribute to the reduction of this gap and for this scope proposes a new methodology. The procedure focuses on bridges with concrete piers monolithically connected to a prestressed concrete continuous deck and comprises simple steps for the estimation of the inelastic/nonlinear deformations of both the piers and the deck - through elastic modal response spectrum analysis, extending the applicability of the "equal displacement" rule to the level of member deformations. About two thousands nonlinear dynamic (time-history) analyses of several representative bridges (with deck of three or five spans) are used for the development and the calibration of the procedure. However, for the application of the methodology only elastic modal response spectrum analysis is needed. Contrary to other current researches, which adopt the hypothesis of deck elastic response, the nonlinearities of the deck are modeled. The proposed displacement-based procedure offers lower reinforcement ratios (from 1/2 to 1/7 for the longitudinal reinforcement and from 1/1 to 1/3 for the transverse reinforcement) at no detriment to the expected seismic performance - the global overstrength of the bridges which are designed with the proposed procedure is practically equivalent to the global overstrength of the conventionally designed bridges (current force-based design). The step by step description of the design algorithm (Chap. 2) is followed by the practical application of the methodology (modeling aspects, design examples: Chap. 3), the conceptual justification (Chap. 4), the deficiencies of the conventional design procedure (force-based design examples: Chap. 3) and the fallacies in the justification of the conventional design methodology (Chap. 4). Comparative performance-based design evaluation (Chap. 3) of sixteen representative bridges (eight bridges subjected to alternative seismic design) indicates the benefits of the proposed procedure. The computational capabilities which were developed for the modeling and the analysis of the bridges are described in the appendices (upgrade of program ANSRuop).