Experimental and numerical investigation of a novel seismic energy absorption device for the protection of structures

Passive seismic energy dissipation systems, such as friction dampers, metallic –yielding- dampers, viscous dampers etc. have been proposed to reduce the dynamic response of structures under seismic excitations. Numerous such devices have been used for the strengthening of existing or new structures in USA, Canada, Japan and elsewhere. The efficacy of such devices towards the anti-earthquake design of structures seeks to minimize the extent of damages upon them, by means of absorbing a considerable amount of the seismic energy input due to the hysteretic behaviour of them. The swift development in structural engineering leads to the continuous devising of more and more seismic energy dissipation devices.The central axis of this Ph.D. Thesis consists of an integrated and in-depth study of a new seismic energy absorbing device, under the codename CAR1 and lies into the division of passive energy dissipation systems, since it does not require external power to generate system control forces. It can be used as a means of strengthening new or existing RC or steel structures, by embodying it into single diagonal or cross-shaped steel strengthening braces. Depending on the particular demands of each structure, the appropriate number of devices and locations to be installed are chosen. Moreover, the distinctive features of this device can be modified and adapted to the respective needs of any structure. The investigation of these features (geometry, material and boundary conditions) was one of the targets of this Ph.D Thesis. This new device possesses a triple function as: (i) controlling the axial forces developed in the diagonal braces by imposing an upper limit (Control), (ii) absorbing seismic energy through material yielding and simultaneous friction between the interfaces (Absorbed), and (iii) restraining the displacements of itself and, by extension, the overall structure, to a desired level (Restrain). Therefore, the advantages of this novel anti-seismic steel device CAR1 are not restricted only to the dissipation of seismic energy but also extend to the protection of the diagonal steel braces against an early failure. Furthermore, the device is designed in such a way that it is possible to secure its inelastic displacements, hence limiting, alongside, the displacements of the structure to a desired level upon the needs of each different case. To this end, the device improves the seismic response of the structure by absorbing most of the seismic energy, thereby protecting the bearing structure against contingent failure.Experimental and numerical studies have been conducted. The main consideration was given to the development of numerical simulations, through 3D Finite Elements, in order to acquire an accurate and detailed prediction of the behaviour of the CAR1 device. The finite element method (FEM) has become the most popular method in the fields of research and industrial numerical simulation, as it takes into account the laws of the material, conditions of contact between interfaces and a number of other parameters, which lead to an accurate response of the investigated device. The experimental investigation was carried out at the Experimental Laboratory of Strength of Materials and Structures, department of Civil Engineering at the Aristotle University of Thessaloniki. The results of the initial pilot experiments worked as the basis for the establishment of the 3D finite elements micro-model,capable of exhibiting accurately the behavior of the device CAR1. The results of the other experiments were the key to promote the credibility of the 3D finite element model. A Crucial stage during the assessment of the numerical models was, not only the contrast of the hysteretic loops but also the contrast of the deformation of the experimental tests with the numerical results. Therefore, a reliable numerical tool for the prediction of the response of this novel CAR1 device was created.From the rigorous parametric study conducted, the main parameters that influence the behavior of the CAR1 device were emerged. The variety of choices (in terms of its individual features), depending on the required needs of each structure, was also confirmed. The results obtained were described in P-u diagrams, upon which the structural engineer can select the features of this seismic energy absorbing CAR1device for variable antiseismic performance targets (based on target reaction force or target displacement). Finally, this Ph.D Thesis ends with the selection of the individual features of the CAR1 devices to strengthen a three-storey frame bearing structure.Based on the results of the analyses conducted for this study, the following conclusions can be drawn: (i) the device is in line with the international seismic design requirements, as it improves the seismic response of the structure, absorbs a great deal of the seismic energy input, protecting thereby the bearing structure and enables the structural engineer and/or manufacturer to have a more reliable prediction of the contingent failure, (ii) a reliable tool has been created, capable of producing accurately enough reasonably: a) the stiffness of the experimental test, b) the experimental load- displacement curve (P-u), c) the deformed state of the overlapping blade coupons at any time increment, and d) the failure mode in the final loading stage of the experimental set up and, (iii) the Load-Displacement diagrams make it easier for the structural engineer to choose the individual features of the CAR1 device for the seismic strengthening of the structures (modified per each floor of a multi-storey structure).Τα παθητικά συστήματα απορρόφησης σεισμικής ενέργειας, όπως είναι οιαποσβεστήρες τριβής, οι αποσβεστήρες διαρροής, οι ιξώδεις αποσβεστήρες κ.α. έχουν προταθεί για να μειώσουν τη δυναμική απόκριση κατασκευών που υπόκεινται σε σεισμικές διεγέρσεις. Πολλές τέτοιες διατάξεις έχουν χρησιμοποιηθεί για την ενίσχυση υπαρχουσών ή νέων κατασκευών στις Η.Π.Α., στον Καναδά, στην Ιαπωνία και αλλού. Hαποτελεσματικότητα αυτών των διατάξεων για τον αντισεισμικό σχεδιασμό των κατασκευών,στοχεύει στην ελαχιστοποίηση των βλαβών της κατασκευής απορροφώντας μεγάλο μέρος της σεισμικής ενεργείας που εισάγεται στην κατασκευή λόγω της υστερητικής συμπεριφοράς των διατάξεων αυτών. Η αλματώδης εξέλιξη στον τομέα της μηχανικής οδηγεί στην συνεχή δημιουργία ολοένα και περισσότερων διατάξεων απορρόφησης σεισμικής ενέργειας.Ο κεντρικός άξονας της παρούσας διατριβής συνίσταται στην ολοκληρωμένη και εμπεριστατωμένη μελέτη μιας νέας διάταξης απορρόφησης σεισμικής ενέργειας, η οποία φέρει την κωδική ονομασία CAR1 και ανήκει στα παθητικά συστήματα απορρόφησης σεισμικής ενέργειας. Η νέα αυτή διάταξη μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ενίσχυση νέων ή υφιστάμενων κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος O/Σ ή μεταλλικών, με την ενσωμάτωσή της σε διαγώνιες μεταλλικές ράβδους ενίσχυσης. Ανάλογα με τις ανάγκες της κάθε κατασκευής επιλέγεται ο κατάλληλος αριθμός των διατάξεων και οι θέσεις που θα τοποθετηθούν. Επίσης τα επιμέρους χαρακτηριστικά της διάταξης μπορούν να διαφοροποιηθούν και να προσαρμοστούν στις εκάστοτε ανάγκες της κατασκευής. Η μελέτη αυτών των χαρακτηριστικών (γεωμετρία, υλικό και συνοριακές συνθήκες) αποτέλεσε έναν από τους επιμέρους στόχους της εκπονηθείσας διδακτορικής διατριβής. Η νέα αυτή διάταξη έχει τριπλή λειτουργία καθώς: (i) ρυθμίζει τις δυνάμεις που αναπτύσσονται στις διαγώνιες ράβδους ενίσχυσης, επιβάλλοντας ένα ανώτατο όριο αξονικών δυνάμεων (Control), (ii)αποσβένει σεισμική ενέργεια μέσω διαρροής υλικού και ταυτόχρονης τριβής των διεπιφανειών (Absorption), και (iii) ασφαλίζει τις μετακινήσεις της διάταξης, ως επέκταση και της κατασκευής σε ένα επιθυμητό επίπεδο (Restraint). Kατά συνέπεια τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η διάταξη απορρόφησης σεισμικής ενέργειας CAR1 δεν είναι μόνο η απορρόφηση σεισμικής ενέργειας αλλά και η προστασία των διαγώνιων μεταλλικών στοιχείων από πρόωρη αστοχία. Παράλληλα, η διάταξη είναι σχεδιασμένη με τέτοιο τρόπο ώστε να ασφαλίζει τις ανελαστικές της μετακινήσεις, συνεπώς περιορίζει παράλληλα και τις ανελαστικές μετακινήσεις της κατασκευής σε ένα επιθυμητό επίπεδο που επιλέγεται με βάση τις ανάγκες της κάθε μελέτης. Συνεπώς, η διάταξη βελτιώνει την σεισμική απόκριση της κατασκευής διότι απορροφά το μεγαλύτερο μέρος της σεισμικής ενέργειας προστατευοντας έτσι τον φέροντα οργανισμό της κατασκευής από αστοχία.Η μελέτη της προτεινόμενης διάταξης πραγματοποιήθηκε τόσο πειραματικά όσο και αναλυτικά. Κύριο μέλημα αποτέλεσε η ανάπτυξη αριθμητικών προσομοιωμάτων, μέσω τρισδιάστατων πεπερασμένων στοιχείων, για την ακριβή και λεπτομερή πρόβλεψη της συμπεριφοράς της διάταξης. Η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων (FEM) έχει γίνει η πιο δημοφιλής μέθοδος στους τομείς της έρευνας και της βιομηχανικής αριθμητικής προσομοίωσης, καθώς λαμβάνει υπόψη τους νόμους υλικού, συνθήκες επαφής μεταξύ διεπιφανειών και άλλες παραμέτρους, οι οποίες οδηγούν στην ακριβή περιγραφή της απόκρισης της συσκευής. Η πειραματική διερεύνηση πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Πειραματικής Αντοχής των Υλικών και Κατασκευών του Α.Π.Θ. Τα αποτελέσματα των αρχικών πιλοτικών πειραμάτων, αποτέλεσαν την βάση για τη δημιουργία του αναλυτικού μικρομοντέλου με τρισδιάστατα πεπερασμένα στοιχεία, ικανού να αποδώσει με ακρίβεια τη συμπεριφορά της διάταξης CAR1. Τα αποτελέσματα των υπόλοιπων πειραμάτων αποτέλεσαν το κλειδί για την ανάδειξη της αξιοπιστίας του αναλυτικού προσομοιώματος με πεπερασμένα στοιχεία. Κρίσιμο στάδιο της αξιολόγησης των αριθμητικών προσομοιωμάτωναποτέλεσε όχι μόνο η σύγκριση των υστερητικών βρόχων αλλά και η σύγκριση της μορφής των παραμορφώσεων μεταξύ των πειραματικών δοκιμίων και των αντίστοιχων αριθμητικών προσομοιωμάτων. Κατά συνέπεια, δημιουργήθηκε ένα αξιόπιστο αριθμητικό εργαλείο πρόβλεψης της συμπεριφοράς της διάταξης απορρόφησης σεισμικής ενέργειας CAR1.ivΑπό την παραμετρική διερεύνηση που πραγματοποιήθηκε αναδείχτηκαν οι κυριότερες παράμετροι που επηρεάζουν την συμπεριφορά της διάταξης CAR1 και επιβεβαιώθηκε η πληθώρα των επιλογών (ως προς τα επιμέρους χαρακτηριστικά της) που προσφέρει η νέα αυτή διάταξη στον μελετητή μηχανικό σύμφωνα με τις ανάγκες της εκάστοτε κατασκευής. Τα αποτελέσματα συγκεντρώθηκαν σε διαγράμματα P-u με βάση τα οποία μπορεί να γίνει η επιλογή των χαρακτηριστικών της διάταξης απορρόφησης σεισμικής ενέργειας για διάφορα στάδια αντισεισμικής ενίσχυσης (με βάση την επιθυμητή αναπτυσσόμενη δύναμη ή την επιθυμητή μετακίνηση). Ο κύκλος της παρούσας διατριβής κλείνει με την επιλογή των επιμέρους χαρακτηριστικών των διατάξεων CAR1 για την ενίσχυση ενός τριώροφου πλαισιακού φορέα.Από τη διεξοδική έρευνα που πραγματοποιήθηκε, προκύπτει ότι: (i) η διάταξη είναι σύμφωνη με τις παγκόσμιες απαιτήσεις αντισεισμικού σχεδιασμού, μιας και βελτιώνει την απόκριση της κατασκευής, απορροφά μεγάλο μέρος της σεισμικής ενέργειας προστατεύοντας έτσι τον φέροντα οργανισμό της κατασκευής και δίνει την δυνατότητα μιας πιο αξιόπιστης πρόβλεψης της αστοχίας στο μελετητή/κατασκευαστή, (ii) έχει δημιουργηθεί ένα αξιόπιστο εργαλείο ικανό να αποδώσει με ικανοποιητική ακρίβεια: α) τη δυσκαμψία του πειραματικού δοκιμίου, β) την πειραματική καμπύλη φορτίου βύθισης (Ρ-u), γ) τη παραμορφωμένη μορφή των επάλληλων λαμών σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή και δ) τη μορφή αστοχίας στο τελικό στάδιο φόρτισης του πειραματικού δοκιμίου και (iii) τα διαγράμματα P-u διευκολύνουν τον μελετητή να επιλέξει τα επιμέρους χαρακτηριστικά της διάταξης CAR1 για την ενίσχυση ενός φορέα (διαφοροποιημένης ανά όροφο)