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 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).

Muchas ciudades del Perú se encuentran ubicadas en el cinturón de fuego del Pacífico, en consecuencia, existe una mayor probabilidad de ocurrencias de sismos que generen cuantiosas pérdidas de vida y grandes perjuicios económicos. Debido a este problema, la ingeniería civil está en la obligación de investigar nuevos diseños sísmicos más precisos, los cuales originaron diversos métodos que usan a los desplazamientos de la estructura como parámetro principal, ya que a través de los desplazamientos se pueden obtener los momentos y cortantes de la estructura. A este método se le conoce como Diseño Basado en Desplazamientos. El autor que le dio los lineamientos teóricos más amplios y consistentes es Priestley, con su propuesta llamada Diseño Directo Basado en Desplazamientos. Por otro lado, en la realidad peruana, las edificaciones con sistema estructura del pórtico de acero son atípicos en comparación con las de sistema dual de concreto armado. En consecuencia, se desaprovecha las propiedades de este material y de este sistema estructural, el cual se sumerge más en el rango inelástico que el concreto. La tesis analizará los resultados obtenidos del análisis sísmico de una estructura de sistema dual y otra de pórticos de acero, ambas con una misma configuración arquitectónica, bajo las metodologías de Diseño Directo Basado en Desplazamientos y de Diseño Basado en Fuerzas. Esto generará la comparación entre los sistemas estructurales bajo las metodologías mencionadas. / Many cities in Peru are located in the Pacific ring of fire, consequently, there is a greater probability of earthquakes that generate large losses of life and great economic damage. Due to this problem, civil engineering is obliged to investigate new more accurate seismic designs, which originated several methods that use the displacements of the structure as the main parameter, since through the displacements the moments and shear of the structure can be obtained. This method is known as Displacement Based Design. The author who gave the broadest and most consistent theoretical guidelines is Priestley, with his proposal called Direct Displacement Based Design. On the other hand, in the Peruvian reality, steel frames buildings system are atypical compared to those of the dual wall-frame with reinforced concrete system. Consequently, the properties of this material and this structural system are wasted, which is more immersed in the inelastic range than concrete. The thesis will analyze the results obtained from the seismic analysis of a dual wall-frame building and another of steel frames, both with the same architectural configuration, under the Direct Displacement Based Design method and the Design Based Force method, which is the method used in most standards. The thesis will generate the comparison between the structural systems under the mentioned methodologies. / Tesis