Seismic vulnerability of reinforced concrete buildings considering aging and soil-structure interaction effects

Abstract

The disastrous effects of strong seismic events on social and economical scale have emerged the need of developing operational tools that could be utilized by civil protection authorities and decision makers to predict future losses due to seismic events with a high accuracy level. In this context, the reliable vulnerability assessment of existing structures and infrastructures is a prerequisite for seismic loss estimation, risk mitigation and management. There are numerous studies regarding the derivation of fragility curves for reinforced concrete buildings. However currently available fragility databases neglect several issues related to the development of aging with time, the base conditions of a structure and building specific features. Traditionally, it is implicitly assumed that the structures are optimally maintained during their lifetime and the impact of the progressive deterioration due to various time-dependent mechanisms on structural performance is commonly neglected. On this basis strength and stiffness deterioration of the material properties caused by aggressive environmental attack is not accounted for. For reinforced concrete structures reinforcement corrosion due to chloride ingress is considered the most serious degradation mechanism, affecting the expected seismic performance and the predominant damage mechanisms of the structural systems.Besides aging effects the influence of soil conditions and SSI might also contribute to the building’s seismic fragility. SSI and local site effects may play an important role modifying considerably the free field input motion as well as the dynamic characteristics of the building and finally its response. It has been shown that soil deformability and SSI may modify the structural response and fragility leading to either beneficial or unfavorable effects depending on the dynamic properties of the soil and the structure as well as the characteristics of the input motion.In the context of building-specific vulnerability assessment, the use of conventional generic fragility curves, although appropriate for assessing fragility and losses in a regional/urban scale, may lead to inaccurate fragility and loss estimates in the case of individual building assessment, which constitute crucial components in the framework of decision making and risk mitigation strategies. This issue is crucial especially in the case of structures with strategic interest. The use of field monitoring data for identifying the actual state of existing structures has recently drawn attention in the civil engineering community for developing real time assessment tools and reducing uncertainties involved within the risk assessment procedure.These open issues are investigated by the present thesis, which aspires: (a) to provide insights on the effects of aging and soil-structure interaction on the seismic vulnerability of RC buildings and (b) to investigate how field monitoring data could be used for the derivation of time and building specific fragility functions reflecting the actual structural state in terms of age and building specific characteristics.

Σε χώρες υψηλής σεισμικής επικινδυνότητας ενδέχεται κατά τη διάρκεια ενός ισχυρού σεισμού να εμφανιστούν σοβαρές βλάβες σε κτιριακές και όχι μόνο δομές, οι οποίες ιδιαίτερα στην περίπτωση κτιρίων υψηλής σπουδαιότητας μπορεί να οδηγήσουν σε σημαντικές απώλειες τόσο σε κοινωνικό όσο και σε οικονομικό επίπεδο. Δεδομένου του σημαντικού διακυβεύματος, πολλές επιστημονικές μελέτες έχουν επικεντρωθεί στην ανάπτυξη μεθοδολογιών για την αποτίμηση της σεισμικής τρωτότητας κτιρίων από οπλισμένο σκυρόδεμα. Η συνήθης πρακτική των μεθοδολογιών αυτών είναι η θεώρηση της τρωτότητας ως «αμετάβλητης» στο χρόνο αγνοώντας οποιοδήποτε φαινόμενο γήρανσης. Έτσι δεν λαμβάνονται υπόψη παράγοντες που σχετίζονται με τις συνθήκες του περιβάλλοντος των κατασκευών οι οποίοι ωστόσο είναι δυνατόν να προκαλέσουν σημαντικές φθορές σε αυτές με αποτέλεσμα τη μείωση της λειτουργικότητας και της αντοχής τους. Ένας από τους πιο σημαντικούς παράγοντες της κατηγορίας αυτής με σημαντικές επιδράσεις στα κτίρια οπλισμένου σκυροδέματος, αποτελεί το φαινόμενο της διάβρωσης του χάλυβα του οπλισμού λόγω της διείσδυσης των χλωριόντων της ατμόσφαιρας. Επίσης σημαντική επίδραση στη σεισμική τρωτότητα των κτιρίων ασκεί και το φαινόμενο της αλληλεπίδρασης εδάφους-κατασκευής. Το φαινόμενο αυτό αφορά στην αλληλεπίδραση του εδάφους και της κατασκευής με αποτέλεσμα τη διαφοροποίηση της απόκρισης του συστήματος σε δυναμική φόρτιση. Η επίδραση του φαινομένου μπορεί να είναι άλλοτε θετική και άλλοτε αρνητική καθώς εξαρτάται τόσο από τα δυναμικά χαρακτηριστικά του εδάφους και του υπό μελέτη συστήματος όσο και από τα χαρακτηριστικά (συχνοτικό περιεχόμενο, πλάτος, διάρκεια) της σεισμικής διέγερσης. Επιπλέον κατά την αποτίμηση υφισταμένων κτιρίων, ειδικά στις περιπτώσεις κτιρίων στρατηγικής σημασίας, η χρήση γενικευμένων καμπυλών τρωτότητας, μπορεί να οδηγήσει σε μη ακριβή αποτελέσματα καθώς δε λαμβάνει υπόψη τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του κάθε κτιρίου. Επίσης δε λαμβάνονται υπόψη παράμετροι οι οποίες μπορεί να οδηγήσουν σε απομείωση της δυσκαμψίας στο χρόνο και να επηρεάσουν τη σεισμική συμπεριφορά τους , όπως είναι τα φαινόμενα γήρανσης καθώς και πιθανές προϋπάρχουσες βλάβες λόγω προηγούμενων ισχυρών σεισμών. Σε αυτές τις περιπτώσεις η ενοργάνωση των κτιρίων και η ανάλυση των μετρήσεων πεδίου μπορεί να αποτελέσει ένα σημαντικό εργαλείο για την εκτίμηση της πραγματικής δυναμικής συμπεριφοράς και σεισμικής τρωτότητας των κατασκευών τη δεδομένη στιγμή της αποτίμησής τους και τη μείωση των αβεβαιοτήτων που υπεισέρχονται κατά την αποτίμηση της σεισμικής διακινδύνευσης. Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση όλων των ανωτέρω επιμέρους θεμάτων προτάσσοντας μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία βελτιωμένης αξιοπιστίας για την αποτίμηση της σεισμικής τρωτότητας κτιρίων οπλισμένου σκυροδέματος στην οποία θα συνεκτιμώνται φαινόμενα τα οποία μέχρι τώρα έχουν αντιμετωπιστεί μόνο επιμεριστικά. Σκοπός της διατριβής είναι (α) η διερεύνηση της επιρροής των φαινομένων γήρανσης και της αλληλεπίδρασης εδάφους-κατασκευής στη σεισμική τρωτότητα κτιρίων οπλισμένου σκυροδέματος και (β) η χρήση μετρήσεων πεδίου για την κατασκευή καμπυλών τρωτότητας, αντιπροσωπευτικές της πραγματικής κατάστασης του ενοργανωμένου κτιρίου συναρτήσει του χρόνου και των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών του.