Στόχος της παρούσας διατριβής, είναι η κατά βάση πειραματική διερεύνηση της συμπεριφοράς διατάξεων ενίσχυσης πλακοδοκών Οπλισμένου Σκυροδέματος, έναντι τέμνουσας υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση, με χρήση πλεγμάτων συνεχών ινών άνθρακα δύο διευθύνσεων 0°/90°, σε ανόργανη μήτρα κονιάματος με βάση το τσιμέντο (Ινοπλέγματα Ανόργανης Μήτρας). Η τεχνική αυτή, αρχικά εφαρμόστηκε με την μορφή τρίπλευρου μανδύα ΙΑΜ μορφής U, με στόχο την διερεύνηση της αποτελεσματικότητας των ανοιχτών μανδυών ΙΑΜ στην αύξηση της ικανότητας ανάληψης τέμνουσας δύναμης, καθώς και του ρόλου του αριθμού των στρώσεων στην εν λόγω πιθανή αύξηση. Στην συνέχεια, στην προσπάθεια αντιμετώπισης των αδυναμιών των «ανοιχτών» μανδυών, δηλαδή της συνήθους τεχνικής ενίσχυσης δοκών σε τέμνουσα, εφαρμόστηκε ειδική διάταξη αγκύρωσης των άκρων του μανδύα, αποτελούμενη από καμπύλα μεταλλικά ελάσματα που συγκρατούσαν τον μανδύα και μετέφεραν τις δυνάμεις μέσω μηχανικών αγκυρίων στην μάζα της πλάκας σκυροδέματος της δοκού. Με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα που εξήχθησαν, ήταν δυνατή η σύγκριση των παραπάνω διατάξεων ενίσχυσης και η εξαγωγή σημαντικών συμπερασμάτων για την πρωτοπόρα τεχνική ενίσχυσης σε τέμνουσα δύναμη πλακοδοκών οπλισμένου σκυροδέματος με χρήση Ινοπλεγμάτων Ανόργανης Μήτρας. Σχετικά με τη δομή της διατριβής, αυτή αποτελείται από έξι Κεφάλαια τα οποία με την σειρά τους διαχωρίζονται σε κατάλληλες ενότητες, υποενότητες και παραγράφους. Συνοπτικά περιγράφεται παρακάτω το περιεχόμενο κάθε Κεφαλαίου. Στο πρώτο Κεφάλαιο πραγματοποιείται μία εισαγωγή για την ανάγκη διατμητικής ενίσχυσης των κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα. Παρουσιάζεται η γενική κατεύθυνση των σύγχρονων Αντισεισμικών Κανονισμών, με στόχο την κατανόηση της συμπεριφοράς της κατασκευής και των μελών της κατά την σεισμική διέγερση και τους λόγους που οδηγούν στην ανάγκη διατμητικής ενίσχυσης των δοκών οπλισμένου σκυροδέματος. Εν συνεχεία, πραγματοποιείται μια παρουσίαση των συμβατικών τεχνικών διατμητικής ενίσχυσης πλακοδοκών οπλισμένου σκυροδέματος με την εξέλιξή τους, καθώς και τις αδυναμίες που προκύπτουν, με βάση γενικά κριτήρια που ορίζει ο Κανονισμός Επεμβάσεων, οδηγώντας στην ανάγκη αναζήτησης νέας τεχνικής. Τέλος,τίθεται το πρόβλημα που εξετάζεται στην παρούσα διατριβή, με ανάλογη παρουσίαση της γενικής ιδέας των νέων διατάξεων ενίσχυσης που εξετάζονται. Στο δεύτερο Κεφάλαιο πραγματοποιείται μία παρουσίαση των Ινοπλεγμάτων Ανόργανης Μήτρας. Παρουσιάζονται πληροφορίες για τις ίνες που απαρτίζουν τα πλέγματα, τους τύπους των πλεγμάτων σύνθετων υλικών, τους τύπους ανόργανης μήτρας και τη συνάφεια μεταξύ πλεγμάτων και μητρικού υλικού. Στην συνέχεια, γίνεται αναφορά στις εφαρμογές των στοιχείων από Ινοπλέγματα σε Ανόργανη Μήτρα στις νέες κατασκευές, ενώ ακολουθεί βιβλιογραφική ανασκόπηση για τον (περιορισμένο) αριθμό ερευνητικών εργασιών που αφορούν την εφαρμογή Ινοπλεγμάτων σε Ανόργανη Μήτρα στο πεδίο των ενισχύσεων των κατασκευών, διαπιστώνοντας παράλληλα ότι τα ΙΑΜ δεν έχουν εφαρμοστεί μέχρι σήμερα στη μορφή τρίπλευρου μανδύα για την διατμητική ενίσχυση πλακοδοκών οπλισμένου σκυροδέματος. Τέλος, στην βιβλιογραφική ανασκόπηση προστίθενται δύο ερευνητικές εργασίες που παρουσιάζουν τεχνικές αγκύρωσης των άκρων τρίπλευρων μανδυών ινοπλισμένων πολυμερών, παρόμοιες με αυτή που εφαρμόσαμε στην παρούσα διατριβή. Στο τρίτο Κεφάλαιο πραγματοποιείται λεπτομερής παρουσίαση της πειραματικής διαδικασίας που ακολουθήθηκε για την παρασκευή των δοκιμίων. Συγκεκριμένα, αρχικά παρουσιάζεται ο τρόπος που πραγματοποιήθηκε ο σχεδιασμός των δοκιμίων, οι οπλισμοί που προέκυψαν, η γεωμετρία τους και οι παράμετροι που καλούμαστε να διερευνήσουμε. Στην συνέχεια, περιγράφεται η διαδικασία κατασκευής των δοκιμίων, η διαδικασία ενίσχυσής τους και η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε, με τελική αναφορά στα χρησιμοποιούμενα υλικά και τις ιδιότητές τους. Στο τέταρτο Κεφάλαιο παρουσιάζονται όλα τα πειραματικά αποτελέσματα, με την μορφή διαγραμμάτων των πειραματικά μετρημένων μεγεθών, δηλαδή του φορτίου καταγραφής του εμβόλου και της σχετικής μετακίνησής του. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται αυτοτελώς για κάθε δοκίμιο, αλλά και συγκριτικά, ενώ ακολουθεί σχολιασμός και σύγκριση των αποτελεσμάτων.Τέλος, παρατίθενται τα διαγράμματα των πειραματικών μετρημένων μεγεθών των αισθητήρων, που είχαν επικολληθεί κάτω από το έμβολο, για λόγους πληρότητας και επιβεβαίωσης των αποτελεσμάτων του εμβόλου. Στο πέμπτο Κεφάλαιο, με τίτλο «Αποδοτικότητα διατάξεων ενίσχυσης», παρουσιάζεται αρχικά ο τρόπος ανάληψης τέμνουσας δύναμης από τα σύνθετα υλικά καιτο πρώτο προσομοίωμα που έχει προταθεί για τον υπολογισμό της συνεισφοράς των Ινοπλεγμάτων Ανόργανης Μήτρας στην ανάληψη τέμνουσας δύναμης. Ακολουθούν υπολογισμοί, μέσω των οποίων ποσοτικοποιείται η αποδοτικότητα κάθε διάταξης ενίσχυσης και επιχειρείται η κατανόηση των αδυναμιών που προκύπτουν από την εφαρμογή του προσομοιώματος . Τέλος, στο έκτο και τελευταίο Κεφάλαιο, πραγματοποιείται μία συνοπτική περίληψη του συνόλου της παρούσας διατριβής, με την παράθεση των βασικότερων συμπερασμάτων που προκύπτουν, ενώ γίνεται αναφορά σε προτάσεις για μελλοντική έρευνα, σχετικές με το αντικείμενο της παρούσας διατριβής. / --

Η ΒΥΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. / Εκτελώντας δυναμικές αναλύσεις με χρήση πεπερασμένων στοιχείων, αναλύεται η σεισμική απόκριση τεσσάρων τοίχων αντιστήριξης οπλισμένου εδάφους στην Ταϊβάν με στοιχεία πρόσοψης κυβόλιθους. Οι τοίχοι, των οποίων τα ύψη κυμαίνονται από 3.20 m έως 5.60 m και έχουν ως οπλισμούς στρώσεις γεωπλέγματος, υποβλήθηκαν στο σεισμό Chi-Chi (1999) και η συμπεριφορά τους κρίθηκε από επιτυχής έως ανεπιτυχής: δύο από αυτούς κατέρρευσαν, ένας υπέστη μόνο ελαφρές βλάβες, ενώ ο τέταρτος τοίχος παρέμεινε πρακτικά ανέπαφος. Η μη-γραμμική ανάλυση βασίσθηκε στα γνωστά γεωμετρικά και μηχανικά χαρακτηριστικά του κάθε τοίχου, του γεωπλέγματος, των γεωτεχνικών συνθηκών σε κάθε θέση, του είδους και των ιδιοτήτων του υλικού επίχωσης. Η συμπεριφορά του εδαφικού υλικού προσομοιώθηκε κάνοντας χρήση του κριτηρίου Mohr-Coulomb, ενώ ως διέγερση βάσης στις δυναμικές αναλύσεις πεπερασμένων στοιχείων χρησιμοποιήθηκαν τα καταγεγραμμένα επιταχυνσιογραφήματα κοντά στις θέσεις των τοίχων. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων (και ειδικά η εκτιμώμενη παραμορφωμένη μορφή των τοίχων) επαλήθευσαν την παρατηρούμενη συμπεριφορά των τοίχων. Βασιζόμενοι στα αποτελέσματα, βρέθηκαν οι λόγοι της ανεπιτυχούς συμπεριφοράς των δύο τοίχων που κατέρρευσαν, ενώ εξηγήθηκε η διαφοροποίηση της συμπεριφοράς των δύο τοίχων που δεν υπέστησαν βλάβες. Επιπροσθέτως, πραγματοποιήθηκαν παραμετρικές αναλύσεις για να ευρεθεί η επίδραση σημαντικών παραμέτρων σχεδιασμού, όπως το βάθος θεμελίωσης του τοίχου, η απόσταση και το μήκος των οπλισμών, η συνεισφορά των ράβδων σύνδεσης στην ευστάθεια των στοιχείων πρόσοψης και η συνεισφορά της ανώτατης στρώσης οπλισμού στην ευστάθεια του τοίχου. Επίσης αναλύθηκε η ευστάθεια των τοίχων χρησιμοποιώντας ένα εμπορικά διαθέσιμο λογισμικό οριακής ισορροπίας, το οποίο βρέθηκε ικανό να προβλέψει την παρατηρούμενη επιτυχή και ανεπιτυχή συμπεριφορά των τεσσάρων τοίχων. / The seismic response of four reinforced soil segmental retaining walls in Taiwan, is analyzed using the dynamic finite element method. The walls – whose heights ranging from 3.20 m to 5.60 m and layers of geogrid reinforcement – were subjected to the Chi-Chi earthquake (1999) and their performance ranged from successful to unsuccessful: two of them were collapsed, one suffered only minor damage whereas the fourth wall remained practically intact. The non-linear analyses were based on the known geometrical and mechanical characteristics of each wall and of the geogrid reinforcement, the geotechnical conditions at each site and the type and properties of backfill material. The soil material behavior was modeled by using the Mohr-Coulomb failure criterion whereas recorded accelerograms in the vicinity of the sites of the walls were used as base excitation in the dynamic finite analyses. The results of the analyses (and especially the estimated deformed shape of the walls) showed a remarkable agreement with the observed performance of the walls. Based on these results the reasons for the unsuccessful performance of the two failed walls were identified whereas the differentiation of the behavior of the two undamaged walls was explained. Furthermore, parametric analyses were conducted to identify the effects of such important design parameters as the depth of the foundation of the wall, the spacing and length of reinforcement, the contribution of connecting pins to the stability of the facing elements as well as the contribution of the top layer of reinforcement to the stability of the wall. The stability of the walls were also analyzed by using a commercially available limit equilibrium software which was found to be able to predict the observed successful and unsuccessful performance of the four walls.

Η ενίσχυση πλαισίων οπλισμένου σκυροδέματος με εμφάτνωση από οπλισμένο σκυρόδεμα αποτελεί μια συχνά χρησιμοποιούμενη και αποτελεσματική μέθοδο για την αύξηση της αντοχής και της δυσκαμψίας. Η πειραματική έρευνα μέχρι στιγμής δεν καλύπτει επαρκώς το πεδίο της ενίσχυσης πλαισίων με φάτνωμα από οπλισμένο σκυρόδεμα και αυτό γιατί έχει διεξαχθεί σε μονώροφα και διώροφα πλαίσια, με πάχος φατνώματος αρκετά μικρότερο από το πλάτος των μελών του υφιστάμενου πλαισίου. Αυτό αποτυπώνεται και στο γεγονός ότι ο Ευρωκώδικας 8 – Μέρος 3 δεν αναφέρεται καθόλου στην προσθήκη εμφατνωμένων τοιχωμάτων. Ο Κανονισμός Επεμβάσεων (Καν.Επε) αναφέρεται στη διαστασιολόγηση των τοιχωμάτων αυτών μόνο σε όρους δυνάμεων και δεν παρέχει μέσα για τον υπολογισμό των χαρακτηριστικών τους παραμορφώσεων και της δυσκαμψίας τους. Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η διερεύνηση της απόκρισης πολυώροφων πλαισίων από οπλισμένο σκυρόδεμα, ενισχυόμενων με εμφατνούμενα τοιχώματα. Πραγματοποιήθηκαν υβριδικές δοκιμές σε τρία 4-όροφα πλαίσια οπλισμένου σκυροδέματος ενισχυμένα με φάτνωμα οπλισμένου σκυροδέματος κλίμακας 1:¾. Παράμετροι διερεύνησης αποτελούν τόσο ο οπλισμός του φατνώματος όσο και η σύνδεση του με το περιβάλλον πλαίσιο, για αυτό τον λόγο εξετάζονται δύο τρόποι σύνδεσης του πλαισίου με το φάτνωμα. Από τα πειραματικά αποτελέσματα προκύπτει ότι η σύνδεση για αμφότερους τους τύπους που εξετάστηκαν οδηγεί σε μονολιθική συμπεριφορά του φατνώματος με τα μέλη του περιβάλλοντος πλαισίου. Για την πιστοποίηση των συμπερασμάτων ακολούθησε εκτεταμένη προσπάθεια εκτέλεσης μη-γραμμικών δυναμικών αναλύσεων της απόκρισης των δοκιμίων χρησιμοποιώντας προσομοιώματα αυξανόμενου βαθμού λεπτομέρειας. Η σύγκριση των πειραμάτικών αποτελεσμάτων με εκείνα τον αναλύσεων έδειξαν ικανοποιητική σύγκλιση. Τέλος, με βάση τα παραπάνω προκύπτει ότι οι ιδιότητες του σύνθετου τοιχώματος μπορούν να υπολογιστούν με όσα ισχύουν κατά Καν.Επε. για μονολιθικό τοίχωμα, εφόσον υιοθετηθούν κατάλληλες παραδοχές. / The construction of reinforced concrete infills is a very effective method for retrofitting multi – storey reinforced concrete buildings. The experimental research to date has conducted only at one or two storey specimens with infill thickness considerably smaller than the width of the members of the existing frame. Because of this lack of knowledge, Eurocode 8 - Part 3 does not cover this technique. The Greek code for Structural Interventions (Kan.Epe.) refers to the dimensioning of these walls only in terms of forces and does not provide means for calculating deformation at yielding and ultimate. The purpose of this study is to investigate the response of multi-storey reinforced concrete frames, retrofitted with reinforced concrete infill walls. Three 4-storey reinforced concrete frames infilled with reinforced concrete were tested at 75%-scale via the hybrid testing method. Parameters of investigation are both the reinforcement of the infill and the connection between the surrounding frame and the infill. Two types of connection were examined. The experimental results show that both connection options lead to a close to monolithic behavior of the specimens and to a favourable flexure-controlled energy absorbing mechanism. From the experimental results deformations characteristics at yielding and ultimate were calculated. The magnitude of these deformations are in good agreement with those predicted for a monolithic wall according to Eurocode 8 and Kan.Epe, if one takes into account the reduced fixed end rotation of the wall at the base of each floor due to the epoxy–grouting of the dowels into the frame members. To verify these conclusions nonlinear dynamic analyses were performed with increasing level of detailing. The comparison of experimental results with those of the analysis showed satisfactory convergence.

Στην παρούσα εργασία αναπτύχθηκαν καμπύλες τρωτότητας οδικών και σιδηροδρομικών γεφυρών οπλισμένου σκυροδέματος που συναντώνται στην Ευρώπη. Οι κατηγορίες που εξετάστηκαν ήταν αυτές των κανονικών γεφυρών, με συνεχές κατάστρωμα συνδεδεμένο με τα βάθρα είτε μονολιθικά είτε μέσω ελαστομεταλλικών εφεδράνων. Άλλες παράμετροι που θεωρήθηκαν όσον αφορά στην τυπολογία των γεφυρών είναι το μήκος της γέφυρας, το ύψος των βάθρων και η διατομή τους, ο αριθμός των υποστυλωμάτων ανά βάθρο και το επίπεδο αντισεισμικού σχεδιασμού. Ο σχεδιασμός, η διαστασιολόγηση και οι λεπτομέρειες όπλισης έγιναν βάσει του Ευρωκώδικα 2 για γέφυρες που δεν υποβάλλονται σε σεισμική φόρτιση και του Ευρωκώδικας 8 για γέφυρες που σχεδιάζονται αντισεισμικά. Για την εκτίμηση στη συνέχεια των αντισεισμικών απαιτήσεων πραγματοποιήθηκε γραμμική ελαστική ανάλυση σύμφωνα με το μέρος 3 του Ευρωκώδικα 8 χρησιμοποιώντας την επιβατική δυσκαμψία των βάθρων και το ελαστικό φάσμα απόκρισης. Εν τέλει ότι οι συναρτήσεις τρωτότητας κατασκευάστηκαν έχοντας λάβει υπόψη την αβεβαιότητα του μοντέλου όσον αφορά στην σεισμική απόκριση και αντοχή, την διασπορά στην αντοχή των υλικών και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά και την αβεβαιότητα των φασματικών τιμών. / This study presents first a literature review of existing fragility functions for bridges and then new fragility curves that were produced for European road and railway RC bridges. Regular bridges with continuous deck, connected to the piers either monolithically or through elastomeric bearings, were studied. Other variable parameters were: bridge length, pier height and cross-section, number of columns per pier and level of seismic design. Each bridge was designed, dimensioned and detailed according to Eurocode 2 and, for bridges with seismic design, according to Eurocode 8. Linear elastic analysis was subsequently performed according to Part 3 of Eurocode 8 to estimate the seismic demand. Fragility functions were then constructed accounting for the model uncertainty for demand and capacity, the dispersion of material and geometric properties and the uncertainty of spectral values.

Η παρούσα διατριβή ανήκει στο γενικότερο θεματικό πεδίο της σεισμικής αποτίμησης, σχεδιασμού ή ανασχεδιασμού κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος με βάση τις μετακινήσεις. Οι σύγχρονες μέθοδοι αυτού του τύπου, στηρίζονται σε έλεγχο και σύγκριση της σεισμικής απαίτησης με την ικανότητα των μελών της κατασκευής σε όρους μετακινήσεων παρά σε όρους δυνάμεων. Δημιουργείται επομένως η ανάγκη για απλό και αξιόπιστο υπολογισμό της συμπεριφοράς μελών οπλισμένου σκυροδέματος σε κάμψη και διάτμηση, σε όρους μετακινήσεων. Το αντικείμενο της παρούσης διατριβής είναι η ανάπτυξη προσομοιωμάτων για τον υπολογισμό των βασικών χαρακτηριστικών της συμπεριφοράς καμπτόμενων μελών οπλισμένου σκυροδέματος και συγκεκριμένα: της ροπής διαρροής, της παραμόρφωσης στη διαρροή, της ενεργού δυσκαμψίας, της παραμόρφωσης στην αστοχία, της διατμητικής αντοχής σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση, της αντοχής μελών με χαμηλό λόγο διάτμησης και της συμπεριφοράς υπό διαξονική καταπόνηση. Εξετάζονται μέλη διαφόρων τύπων και διαφορετικής διατομής, μέλη με ενίσχυση μανδύα οπλισμένου σκυροδέματος ή μανδύα σύνθετων υλικών, καθώς επίσης και μέλη με μάτιση του διαμήκους οπλισμού στην περιοχή πλαστικής άρθρωσης. Για την ανάπτυξη των προσομοιωμάτων, καθώς και για τον έλεγχο άλλων παλαιότερων, αναπτύχθηκε και αξιοποιήθηκε βάση πειραματικών δεδομένων μελών οπλισμένου σκυροδέματος με περισσότερα από 2800 πειράματα από τη διεθνή βιβλιογραφία. Για τον υπολογισμό της ροπής και της καμπυλότητας στη διαρροή, αναπτύσσονται απλές σχέσεις υπολογισμού, βασιζόμενες σε ανάλυση σε επίπεδο διατομής και καθορίζονται τα κατάλληλα κριτήρια διαρροής. Αναπτύσσονται ακολούθως σχέσεις υπολογισμού της παραμόρφωσης στη διαρροή, και συγκεκριμένα της γωνίας στροφής χορδής του μέλους στη διαρροή, θy, ως άθροισμα τριών όρων: καμπτικής παραμόρφωσης, διατμητικής παραμόρφωσης και παραμόρφωσης λόγω ολίσθησης των ράβδων διαμήκους οπλισμού από την περιοχή αγκύρωσης. Προτείνονται δε δύο εναλλακτικοί τρόποι υπολογισμού της ενεργού δυσκαμψίας, ένας θεωρητικός και ένας καθαρά εμπειρικός. Στη συνέχεια εξετάζεται η παραμόρφωση στην αστοχία και προτείνονται δύο εναλλακτικοί μέθοδοι υπολογισμού της γωνίας στροφής χορδής στην αστοχία, θu. Η 1η βασίζεται στον υπολογισμό της καμπυλότητας στην αστοχία, φu, με εφαρμογή του κατάλληλου προσομοιώματος περίσφιγξης του σκυροδέματος, και στην εφαρμογή της φu σε μήκος πλαστικής άρθρωσης ίσο με Lpl, ενώ η 2η σε καθαρά εμπειρικές εξισώσεις. Εξετάζεται ακολούθως η διατμητική αντοχή σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση και προτείνονται προσομοιώματα για αστοχία σε διαγώνιο εφελκυσμό ή αστοχία σε λοξή θλίψη, μετά την καμπτική διαρροή. Στη συνέχεια εξετάζεται η συμπεριφορά μελών οπλισμένου σκυροδέματος υπό διαξονική καταπόνηση. Εξετάζονται επίσης μέλη με χαμηλό λόγο διάτμησης και προτείνονται νέα αντιπροσωπευτικότερα κριτήρια για τον χαρακτηρισμό ενός μέλους ως “κοντό μέλος”, καθώς και νέα μεθοδολογία υπολογισμού της αντοχής των μελών αυτών, με κατάλληλο συνδυασμό του προσομοιώματος των Shohara and Kato, 1981 και των Φαρδής και συνεργάτες 1998. Ακολούθως εξετάζονται μέλη ενισχυμένα με μανδύα σύνθετων υλικών και προτείνονται προσομοιώματα υπολογισμού της γωνίας στροφής χορδής στη διαρροή και την καμπτική αστοχία, καθώς και προσομοίωμα υπολογισμού της διατμητικής αντοχής. Στη συνέχεια εξετάζεται η συμπεριφορά μελών με μάτιση του διαμήκους οπλισμού στην περιοχή πλαστικής άρθρωσης, καθώς και η εφαρμογή μανδύα σύνθετων υλικών για την ενίσχυση της περιοχής αυτής. Τέλος εξετάζεται η συμπεριφορά στη διαρροή και στην αστοχία, μελών ενισχυμένων με μανδύα οπλισμένου σκυροδέματος. Η ανάπτυξη όλων των προτεινόμενων προσομοιωμάτων της διατριβής βασίζεται στην καλύτερη δυνατή συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα της βάσης δεδομένων, χωρίς όμως να θυσιάζεται η απλότητα και η ευχρηστία αυτών. / The present Thesis belongs in the general field of seismic assessment, design and redesign of concrete structures with displacement based procedures. Modern methods of this kind are based in controlling and comparing seismic demand with structural elements capacity in terms of displacements rather than forces. This leads in the need of estimating reinforced concrete elements performance under bending and shear, in terms of displacements. The object of the Thesis is development of models for calculating the basic performance characteristics of reinforced concrete elements under bending, in particular: yield moment, deformation at yielding, effective stiffness, deformation at ultimate, shear strength under cyclic loading, maximum strength of members with low shear ratio and behavior under biaxial loading. Members with various types of section and various characteristics are included, as also members retrofitted with FRP jacket or concrete jacket and members with lap-splice of longitudinal reinforcement in plastic hinge region. In order to develop new models and check older ones, a database of more than 2800 experiments from international literature on reinforced concrete elements was created and used here. Simple equations and procedures are suggested for calculating yield moment and corresponding curvature, based on section analysis, by specifying the appropriate yield criteria. Equations for calculating deformation at yielding, in particular chord rotation at yielding, θy as the sum of deformations due to bending, due to shear and due to slippage of longitudinal reinforcement from anchorage zone, are also developed. Calculation of effective stiffness is based on two alternative models, one theoretical and one purely empirical. Deformation at ultimate is then examined where two methods for calculating chord rotation at ultimate are suggested. 1st one is based on ultimate curvature, φu, where an appropriate concrete confinement model is used, and plastic hinge length Lpl, while 2nd one is based on purely empirical equations. Shear strength under cyclic loading is also examined and new models for calculating shear strength for shear tension and shear compression failure after flexural yield are developed. Behavior of reinforced concrete elements under biaxial loading is then examined. Elements with low shear ratio are also covered and new, more representative, criteria to characterize an element as a “short element” are suggested. A procedure based on an appropriate combination of Shohara and Kato 1981 model and Fardis et al. 1998 model is then suggested for calculating maximum strength of such “short elements”. Retrofitted members with FRP jacket are then examined and models for chord rotation at yielding and ultimate, as well as for shear strength are suggested. Behavior of members with lap-splice of longitudinal reinforcement inside plastic hinge region is then examined, including also retrofitting of this region with FRP jacket. Performance at yielding and ultimate of retrofitted members with concrete jacket is also examined. Development of all the suggested models of the Thesis is based on best fit with experimental results of the database, without sacrificing simplicity and applicability of the models.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται την αποτίμηση της σεισμικής συμπεριφοράς και την ενίσχυση μη-κανονικών σε κάτοψη κτιρίων οπλισμένου σκυροδέματος. Σε μια έντονα σεισμογενή περιοχή όπως η Ελλάδα, η ύπαρξη πολύ μεγάλου ποσοστού (περί το 70%) κατασκευών που δεν διαθέτουν την ασφάλεια έναντι του σεισμού που απαιτούν οι σημερινοί κανονισμοί, αποτελεί μεγάλο πρόβλημα. Επιπλέον, πέραν της έλλειψης αντισεισμικού σχεδιασμού τους, η δομική μορφολογία της πλειοψηφίας των κατασκευών αυτών ευνοεί την ανάπτυξη στρεπτικής απόκρισης κατά το σεισμό, καθιστώντας ακόμα πιο δυσμενή την κατάσταση. Πέραν των τεχνικών και οικονομικών δυσχερειών που παρουσιάζει η ενίσχυση των κατασκευών αυτών, έως τώρα, και πριν τη θεσμοθέτηση στην Ελλάδα του αντίστοιχου μέρους του Ευρωκώδικα 8 (Μέρος 3) ή του Κανονισμού Επεμβάσεων (ΚΑΝΕΠΕ), η ενίσχυση είχε κυρίως εμπειρικό χαρακτήρα. Στη διατριβή αυτή προτείνονται υπολογιστικά εργαλεία και μέθοδοι για τη λεπτομερή αποτίμηση της σεισμικής συμπεριφοράς της προβληματικής αυτής κατηγορίας κατασκευών με στόχο την κατανόηση της απόκρισής τους κατά το σεισμό αλλά και τον προσδιορισμό των «αδύνατων σημείων» τους, έτσι ώστε η ενίσχυση να είναι προσανατολισμένη ακριβώς εκεί, κάτι που είναι ορθολογικότερο όχι μόνο επιστημονικά αλλά και από άποψη κόστους. Ως αντικείμενο μελέτης και εφαρμογής των μεθόδων και διαδικασιών που προτείνονται σε αυτή τη διατριβή χρησιμοποιούνται τέσσερα πραγματικά κτίρια, δύο από τα οποία προϋπήρχαν ενώ τα υπόλοιπα κατασκευάστηκαν με σκοπό τη διεξαγωγή πειραματικών δοκιμών με την ψευδοδυναμική μέθοδο. Τα υφιστάμενα κτίρια είναι η τετραώροφη πολυκατοικία επί των οδών Πίνδου και Γ. Παπανδρέου στη Νέα Φιλαδέλφεια Αττικής η οποία κατέρρευσε κατά τον σεισμό της Αθήνας το 1999, και το Δημοτικό Θέατρο Αργοστολίου «Ο Κέφαλος». Από τα δύο κτίρια που κατασκευάστηκαν εξ’ αρχής, το πρώτο είναι τριώροφο σε φυσική κλίμακα και κατασκευάστηκε για να δοκιμαστεί ψευδο-δυναμικά στο Κοινό Κέντρο Έρευνας της Ευρωπαϊκής Ένωσης στην Ispra της Ιταλίας, και το δεύτερο είναι διώροφο σε κλίμακα 1:0.75 και κατασκευάστηκε για να δοκιμαστεί ψευδο-δυναμικά στο Εργαστήριο Κατασκευών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Και τα τέσσερα κτίρια είναι χαρακτηριστικά της μελετητικής και κατασκευαστικής πρακτικής που ίσχυε στην Ελλάδα αλλά και στην ευρύτερη περιοχή της νότιας Ευρώπης τη δεκαετία του 1970. Στο πρώτο Κεφάλαιο της διατριβής γίνεται αναφορά στο πρόβλημα της ύπαρξης στη χώρα μας μεγάλου ποσοστού υφισταμένων κατασκευών χωρίς επαρκή ή και στοιχειώδη αντισεισμικό σχεδιασμό. Ακολουθεί μια σύντομη ιστορική αναδρομή στην εξέλιξη και βελτίωση των Ελληνικών αντισεισμικών κανονισμών, καθώς και μια αναφορά στις πρακτικές δυσχέρειες της σεισμικής αποτίμησης και ενίσχυσης. Στο δεύτερο Κεφάλαιο γίνεται αναφορά στους στόχους αποτίμησης της φέρουσας ικανότητας και της ενίσχυσης κατά τους σύγχρονους κανονισμούς (Ευρωκώδικα 8 – Μέρος 3 και ΚΑΝΕΠΕ), τις στάθμες επιτελεστικότητας κατά το σεισμό που αυτοί εισάγουν, καθώς και στην ανίσωση ασφαλείας που ισχύει κατά περίπτωση για τη σεισμική «ζήτηση» και τη σεισμική «ικανότητα», με αναλυτική παρουσίαση των κατά περίπτωση συντελεστών ασφαλείας που ισχύουν για τα υλικά, τις μεθόδους ανάλυσης, την αξιοπιστία των διαθέσιμων δεδομένων κλπ. Στο τρίτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται συνοπτικά το υπολογιστικό εργαλείο ANSRuop που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διατριβής και χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή όλων των αναλύσεων, γραμμικών ελαστικών, ιδιομορφικών, δυναμικών φασματικών, μη-γραμμικών στατικών (pushover) και μη-γραμμικών αναλύσεων χρονοϊστορίας. Στη συνέχεια παρατίθενται και αναλύονται οι μαθηματικές σχέσεις που χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση των μελών οπλισμένου σκυροδέματος και την ποσοτικοποίηση των μεγεθών έντασης και παραμόρφωσης που υπεισέρχονται στην διαδικασία της σεισμικής αποτίμησης και ενίσχυσης. Στο τέταρτο Κεφάλαιο γίνεται εφαρμογή των μεθόδων αποτίμησης για τις τέσσερις κατασκευές με τις οποίες ασχολείται η διατριβή. Αυτές περιλαμβάνουν τη διερεύνηση των στατικών εκκεντροτήτων των κατασκευών (οι οποίες δίνουν ένδειξη για την ενδεχόμενη ανάπτυξη δυσμενούς στρεπτικής απόκρισης κατά το σεισμό η οποία οδηγεί σε περαιτέρω αύξηση των παραμορφώσεων), τη διερεύνηση των ιδιομορφικών χαρακτηριστικών τους, (ιδιοπεριόδων και ιδιομορφών), τη διεξαγωγή μη-γραμμικών στατικών αναλύσεων στο χώρο (pushover) για μια πρώτη εκτίμηση της συμπεριφοράς και των αδύνατων σημείων των κατασκευών, και τη διεξαγωγή δεσμών μη-γραμμικών αναλύσεων χρονοϊστορίας για την ακριβή κατανόηση της σεισμικής απόκρισης και το λεπτομερή προσδιορισμό των αδύνατων αυτών σημείων. Στο πέμπτο Κεφάλαιο προτείνονται τρόποι ενίσχυσης για τις τρεις από τις κατασκευές του Κεφαλαίου 4, και διερευνάται η αποδοτικότητα και η επάρκεια της ενίσχυσης με χρήση των υπολογιστικών μεθόδων του Κεφαλαίου 4, ενώ εξετάζεται και το κατά πόσο ο τρόπος της ενίσχυσης πέτυχε το στόχο της μείωσης της στατικής εκκεντρότητας και συνεπώς οδήγησε σε μερική αποτροπή της στρεπτικής απόκρισης. Στο έκτο Κεφάλαιο γίνεται διερεύνηση της σχέσης ανάμεσα στις ανελαστικές και τις ελαστικές παραμορφώσεις που προκύπτουν υπολογιστικά από τη διεξαγωγή μη-γραμμικών αναλύσεων χρονοϊστορίας και ελαστικών αναλύσεων (ισοδύναμης στατικής ή δυναμικής φασματικής) αντίστοιχα, ειδικά για την περίπτωση των μη-κανονικών κτιρίων με τα οποία ασχολείται η παρούσα διατριβή. Η σύγκριση αυτή είναι σημαντική, δεδομένου ότι σε πολύ μεγάλο βαθμό στην πράξη για τον προσδιορισμό των (ανελαστικών) παραμορφώσεων οι κανονισμοί επιτρέπουν χρήση ελαστικών αναλύσεων. Στο έβδομο Κεφάλαιο εισάγεται ένα απλό υπολογιστικό προσομοίωμα, με ένα κατακόρυφο στοιχείο ανά όροφο, με σκοπό την αναπαραγωγή της δυναμικής απόκρισης στο χώρο πλήρων, μη-κανονικών σε κάτοψη κατασκευών, αλλά και την περαιτέρω διερεύνηση της επιρροής της στατικής εκκεντρότητας στην απόκριση. Στο όγδοο Κεφάλαιο αξιοποιούνται τα αποτελέσματα των δεσμών μη-γραμμικών αναλύσεων χρονοϊστορίας για μία από τις κατασκευές της διατριβής, καθώς και τα αποτελέσματα από αναλύσεις σεισμικής επικινδυνότητας για τον Ελλαδικό χώρο που έγιναν στα πλαίσια της διατριβής, για την σεισμική αποτίμηση σε πιθανοτικούς όρους, και συγκεκριμένα με εφαρμογή της μεθοδολογίας Cornell που δίνει το μέσο ετήσιο ρυθμό υπέρβασης μιας συγκεκριμένης Οριακής Κατάστασης σε ένα μέλος ή περιοχή μέλους ενός δομήματος. Τέλος, στο ένατο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα γενικά συμπεράσματα που προκύπτουν από την εφαρμογή των μεθόδων και διαδικασιών σεισμικής αποτίμησης και ενίσχυσης μη-κανονικών σε κάτοψη κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος. / This thesis deals with the problem of seismic performance assessment and strengthening of existing, asymmetric in-plan reinforced concrete buildings. In a highly seismic region such as Greece, the fact that the majority (over 70%) of existing buildings are not designed against earthquake loads constitutes a serious problem. Furthermore, the structural configuration of these buildings often is such that promotes torsional response during the earthquake, thus worsening their already poor performance. In addition to the technical and financial difficulties inherent in the seismic strengthening procedures, until now (i.e. before Eurocode 8 – Part 3 and the Greek Code for Structural Interventions - KANEPE) there was a lack of a framework of codes addressing the issues of the assessment of seismic performance and strengthening of existing buildings. This dissertation suggests computational tools and procedures for a detailed assessment of the seismic performance of this problematic category of structures, aiming to the understanding of their response and the identification of their “weak points” so that the strengthening procedure can focus exactly there. Four real buildings are used as specimens for this study, two of which were designed and constructed to be tested pseudo-dynamically. The four buildings are: the four-story apartment building that collapsed during the 1999 Athens earthquake; the municipal theater of Argostoli “O KEFALOS”; the three-story building that was constructed and pseudo-dynamically tested at the reaction wall facilities of the ELSA laboratory of the European Joint Research Centre in Ispra, Italy, and the two-story building that was constructed and pseudo-dynamically tested at the reaction wall facilities of the Laboratory of Structures of the Department of Civil Engineering of the University of Patras in Greece. The first Chapter of the thesis deals with the definition of the problem that is posed by the existence of a big majority of structures without adequate (or any) resistance to lateral, earthquake loads. Also present are brief references to the historical evolution of the Greek Seismic Codes, and to the practical difficulties of the assessment of seismic performance and strengthening. The second Chapter defines the targets of seismic performance assessment and strengthening according to modern Codes, looks into the Limit States that they induce, and the comparison of deformational capacity and demand, with a reference to the relevant safety factors. The third Chapter presents briefly the computational tool that was developed during the course of this PhD work, namely the computer program ANSRuop that was used to carry out all the analyses, including linear static, modal, multimodal response spectrum, nonlinear static (pushover) and nonlinear time-history analyses. Next are presented the analytical equations that are used for the modeling of reinforced concrete buildings, and the quantification of the terms of forces and deformations that are involved in the assessment and strengthening procedures. The fourth Chapter contains the application of the seismic performance assessment procedures to the four buildings of the thesis, including the identification of their static eccentricities in-plan (which give an indication or whether or not torsional response is to be expected during the earthquake, which leads to a magnification of the deformations), their dynamic characteristics (natural periods and modes of vibration), as well as the carrying out of sets of nonlinear time-history analyses aiming to the understanding of their seismic response and the detailed identification of their “weak points”. In the fifth Chapter, strengthening schemes are proposed for three of the buildings of the thesis, the efficiency and adequacy of which are investigated using the computational methods also used in the fourth Chapter. Special attention is made to whether the strengthening scheme succeeded in reducing the static eccentricities in-plan, which in turn leads to a reduction of the torsional response. The sixth Chapter investigates the relation between inelastic and elastic deformations, which are the results of nonlinear time-history analyses and elastic analyses (equivalent static or multimodal response spectrum), respectively. The seventh Chapter introduces a simple computational model with one vertical element per floor, which aims to the replication of the three-dimensional dynamic response of complex, asymmetric in-plan structures, but also to the further investigation of the effect of static eccentricity to the response. The eighth Chapter utilizes the results of the sets of the nonlinear time-history analyses for one of the buildings of the thesis, as well as the results of seismic risk analyses, which were also conducted within the framework of this PhD work, with an aim to the expression of the assessment of seismic performance in probabilistic terms (specifically with the application of a methodology proposed by Cornell, which leads to the mean annual rate of exceedance of a specific limit state at a structural member). Finally, the ninth Chapter presents the general conclusions that can be extracted from the application of the methods and procedures of seismic performance assessment and strengthening of existing, asymmetric in-plan reinforced concrete buildings.