Η πλειοψηφία των υφιστάμενων κτιρίων έχει κατασκευαστεί με παλαιότερες κανονιστικές διατάξεις, χωρίς ή με πολύ χαμηλές αντισεισμικές προδιαγραφές.Τα κτίρια αυτά, στην πλειοψηφία τους, έχουν χαμηλή αντοχή σε σεισμικά φορτία, μικρή ακαμψία, είναι μη κανονικά, τόσο σε κάτοψη όσο και καθ’ ύψος, και έχουν μικρή πλαστιμότητα.
Έχουν κατασκευασθεί με κακές κατασκευαστικές πρακτικές, χωρίς σωστή επίβλεψη, με χαμηλή ποιότητα υλικών, χωρίς επαρκή οπλισμό (κυρίως οι συνδετήρες) και χωρίς σωστές λεπτομέρειες όπλισης, π.χ. οι συνδετήρες δεν γυρίζουν ποτέ σε γωνίες 135o μέσα στον πυρήνα του σκυροδέματος. Επιπλέον, η γήρανση του φέροντος οργανισμού, η ενανθράκωση του σκυροδέματος και η διάβρωση του χάλυβα οπλισμού υποβαθμίζουν περαιτέρω την ικανότητα των κτιρίων. Ως αποτέλεσμα, η φέρουσα ικανότητά τους είναι σημαντικά χαμηλότερη από την ικανότητα παρόμοιων κτιρίων που έχουν σχεδιαστεί με τα σημερινά πρότυπα.
Παρουσιάζουν αυξημένη τρωτότητα στις σεισμικές φορτίσεις και πολύ συχνά απαιτείται η αντισεισμική αναβάθμισή τους. Στο άρθρο γίνεται μια εισαγωγή στις βασικές μεθόδους, που υπάρχουν για την αντισεισμική θωράκιση των υπαρχόντων κτιρίων από οπλισμένο σκυρόδεμα. Πριν προχωρήσουμε στην παρουσίαση των μεθόδων, παρατίθενται παρακάτω ορισμένες γενικές παρατηρήσεις σε σχέση με όλες τις μεθόδους ενίσχυσης:
(i) Οι μέθοδοι για σεισμική αναβάθμιση δεν είναι πολλές. Στις περισσότερες εφαρμογές είναι συνήθως εμφανές από την αρχή ότι ορισμένες από τις μεθόδους δεν μπορούν να εφαρμοστούν, λόγω αρχιτεκτονικών, λειτουργικών ή γεωμετρικών περιορισμών, ή μη διαθεσιμότητας του κατάλληλου εξοπλισμού ή τεχνογνωσίας, π.χ. η σεισμική μόνωση δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε κτίρια που δεν είναι πανταχόθεν ελεύθερα. Ο μηχανικός σε κάθε κτίριο έχει συνήθως να επιλέξει μεταξύ 2 ή 3 μεθόδων ενίσχυσης.
(ii) Διαφορετικές μέθοδοι έχουν διαφορετικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα και η επίδρασή τους στην συνολική απόκριση, την αντοχή, την ακαμψία, την πλαστιμότητα και τη σεισμική απαίτηση μπορεί να ποικίλλει σημαντικά, ανάλογα με τη διαμόρφωση του κτιρίου. Δεν υπάρχουν τυπικές λύσεις και συνταγές που να μπορούν να εφαρμοστούν σε οποιονδήποτε δομικό τύπο.
(iii) Ιδιαίτερη προσοχή θα πρέπει να δοθεί στο γεγονός ότι, κατά τον σχεδιασμό των παρεμβάσεων ενίσχυσης, δεν μπορούν όλες οι μέθοδοι και οι τεχνικές να μειώσουν την τρωτότητα του κτιρίου. Η εσφαλμένη εφαρμογή μπορεί να ενισχύσει ορισμένα μέρη του κτιρίου, αποδυναμώνοντας ταυτόχρονα άλλα μέρη, αυξάνοντας στην πραγματικότητα την τρωτότητα και τον συνολικό κίνδυνο. Για παράδειγμα, η κατασκευή μεγάλων τοιχείων σε μία πλευρά του κτιρίου μπορεί να αυξήσει, αντί να μειώσει, τη σεισμική απαίτηση στα υποστυλώματα της απέναντι πλευράς.
(iv) Οι τεχνικές ενίσχυσης μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε δύο μεγάλες ομάδες. Από τη μία υπάρχουν μέθοδοι που χρησιμοποιούνται σε καθολικό επίπεδο και συνήθως χρησιμεύουν στη μείωση της απαίτησης στα υπάρχοντα μέλη, π.χ. νέα τοιχεία ΟΣ ή σεισμική μόνωση. Από την άλλη υπάρχουν μέθοδοι που εφαρμόζονται σε επίπεδο μέλους και χρησιμοποιούνται κυρίως για την αναβάθμιση των χαρακτηριστικών μεμονωμένων μελών, π.χ. οι μανδύες από εκτοξευόμενο σκυρόδεμα ή η περιτύλιξη με υφάσματα από ινοπλισμένα πολυμερή (FRP).
(v) Πολύ συχνά μπορεί να απαιτείται συνδυασμός δύο ή περισσότερων από τις διαθέσιμες μεθόδους. Συνήθως εφαρμόζεται αρχικά μια πιο γενική μέθοδος (π.χ. νέα τοιχεία ΟΣ) και οι άλλες μέθοδοι εφαρμόζονται σε δεύτερο στάδιο για την ενίσχυση μεμονωμένων μελών ή τμημάτων του κτιρίου που χρειάζονται ακόμη αναβάθμιση.
Μανδύες από οπλισμένο σκυρόδεμα
Είναι ίσως η πλέον διαδεδομένη τεχνική για την ενίσχυση των μελών από οπλισμένο σκυρόδεμα. Οι μανδύες (πάχους συνήθως 7-10 cm) κατασκευάζονται είτε με χυτό σκυρόδεμα είτε, συχνότερα, με εκτοξευόμενο σκυρόδεμα, αφού πρώτα έχει τοποθετηθεί πυκνός διαμήκης και εγκάρσιος οπλισμός στην περίμετρο του υπάρχοντος μέλους.
Όπως και στις νέες κατασκευές, ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στο σωστό κλείσιμο των συνδετήρων μέσα στο νέο σκυρόδεμα. Καθώς πολλές φορές δεν είναι δυνατό να τους λυγίσουμε σε γωνίες 135o, λόγω του μικρού πάχους του μανδύα, πολύ συχνά απαιτείται συγκόλληση των δύο άκρων του συνδετήρα. Οι μανδύες γενικά επεκτείνονται μέχρι την άνω στάθμη των υφιστάμενων θεμελίων, όπου αγκυρώνεται ο διαμήκης οπλισμός τους. Επίσης, απαιτείται η συνέχεια του μανδύα από όροφο σε όροφο, γύρω από τους κόμβους δοκού-υποστυλώματος. Για τη μάτιση των διαμήκων ράβδων του οπλισμού απαιτείται η δημιουργία μικρών οπών στην πλάκα και στις δοκούς με ηλεκτρικό τρυπάνι ή με μικρό κομπρεσέρ. Η τοποθέτηση των 4-5 νέων συνδετήρων στο ύψος της υφιστάμενης δοκού είναι μία δύσκολη διαδικασία, που απαιτεί τη διάνοιξη μιας σειράς από οριζόντιες οπές στις υφιστάμενες δοκούς για να περάσουν οι νέοι συνδετήρες.
Για την επίτευξη της μονολιθικότητας του νέου, ενισχυμένου μέλους, απαιτείται σωστή σύνδεση του νέου και του υπάρχοντος σκυροδέματος. Αυτό επιτυγχάνεται με το αγρίεμα της επιφάνειας του υφιστάμενου μέλους, τη συγκόλληση του παλαιού και του νέου διαμήκους οπλισμού με συνδέσμους σχήματος-U, αλλά κυρίως με την εισαγωγή διατμητικών βλήτρων, που αγκυρώνονται στο υπάρχον σκυρόδεμα με εποξειδική ρητίνη.
Νέα Τοιχεία από Οπλισμένο Σκυρόδεμα
Η μέθοδος αυτή συνίσταται στην κατασκευή νέων τοιχείων μεγάλων διαστάσεων σε επιλεγμένες θέσεις στην περίμετρο ή/και στο εσωτερικό του κτιρίου. Οι τοίχοι έχουν πολύ ευεργετική επίδραση στη αντισεισμική συμπεριφορά των υφιστάμενων κτιρίων, παρέχοντας ταυτόχρονα σημαντική αύξηση της αντοχής και της ακαμψίας. Ένα πολύ σημαντικό πλεονέκτημα της μεθόδου είναι η σημαντική μείωση της απαίτησης στα υπάρχοντα ελαφρώς οπλισμένα μέλη του κτιρίου, λόγω των μεγάλων διαστάσεων και της πολύ μεγάλης ακαμψίας των νέων μελών. Τα τοιχεία γενικά τοποθετούνται σε συμμετρικές θέσεις, έτσι ώστε να μην προκαλέσουν μη κανονικότητα σε κάτοψη και ανεπιθύμητη στρέψη.
Μια τυπική διατομή ενός τέτοιου τοιχείου σε υφιστάμενα κτίρια είναι παρόμοια με αντίστοιχα τοιχεία σε νέες κατασκευές, με περισφιγμένα υποστυλώματα με πυκνούς συνδετήρες στα δύο άκρα και έναν ελαφρώς οπλισμένο κορμό στο κέντρο. Η μόνη σημαντική διαφορά είναι ο μεγάλος αριθμός βλήτρων, που χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση των νέων μελών και την ασφαλή μεταφορά των σεισμικών δυνάμεων από το υπάρχον κτίριο στο έδαφος.
Είναι συνήθως προτιμότερο τα τοιχεία να κατασκευάζονται σε φατνώματα του υπάρχοντος σκελετού και να περικλείουν τα δύο υφιστάμενα υποστυλώματα, γύρω από τα οποία κατασκευάζονται μανδύες. Οι μανδύες μπορούν να κατασκευαστούν είτε με χυτό σκυρόδεμα μαζί με τον κορμό του τοιχείου ή ξεχωριστά με τη χρήση εκτοξευόμενου σκυροδέματος.
Διαγώνιοι Ή χιαστί δικτυωτοί μεταλλικοί σύνδεσμοι
Οι δικτυωτοί σύνδεσμοι προσφέρουν παρόμοια πλεονεκτήματα με νέα τοιχεία από ΟΣ, αυξάνοντας την αντοχή και την ακαμψία του κτιρίου. Προσαρμόζονται απευθείας σε προεπιλεγμένα φατνώματα του φέροντος οργανισμού και συμβάλλουν στην ανάληψη των σεισμικών φορτίων μέσω της αξονικής δύναμης που αναπτύσσεται στα κεκλιμένα μέλη τους. Οι διαγώνιες μεταλλικές δοκοί είναι συγκολλημένες σε χαλύβδινες πλάκες που είναι αγκυρωμένες στις γωνίες του φατνώματος με αγκύρια και εποξειδικές ρητίνες.
Όπως στην περίπτωση των νέων τοιχείων ΟΣ, οι δικτυωτοί σύνδεσμοι πρέπει να τοποθετούνται σε συμμετρικές θέσεις, έτσι ώστε να μην προκαλείται ανεπιθύμητη στρέψη στο κτίριο. Δεδομένου ότι στη γενική περίπτωση οι μεταλλικές δοκοί συνδέονται σε υπάρχοντα μη ενισχυμένα μέλη από σκυρόδεμα του κτιρίου, η μέθοδος δεν είναι κατάλληλη, όταν οι δοκοί και οι κολόνες δεν διαθέτουν κάποια ελάχιστη αντοχή. Εάν δεν συμβαίνει αυτό, τα στοιχεία από σκυρόδεμα μπορούν να ενισχυθούν με σύνθετα υλικά ή με μανδύα ΟΣ.
Οι σύνδεσμοι μπορούν εύκολα να συνδυαστούν με αποβεστήρες, που αυξάνουν σημαντικά την απόσβεση κατά τη σεισμική διέγερση. Σημειώνεται πάντως ότι η χρήση αποσβεστήρων είναι συμφέρουσα οικονομικά σε ψηλότερα κτίρια (άνω των 10-15 ορόφων), που δεν είναι συνηθισμένα στην Ελλάδα.
Ινοπλισμένα Πολυμερή (ΙΟΠ)
Τα ινοπλισμένα πολυμερή (Fiber Reinforced Polymers, FRP) αποτελούνται από ίνες υψηλής αντοχής σε εφελκυσμό μέσα σε μια μήτρα από εποξειδικό υλικό. Οι ίνες είναι συνήθως κατασκευασμένες από άνθρακα (CFRP), γυαλί (GFRP), αραμίδιο (AFRP) ή σπανιότερα βασάλτη. Τα ΙΟΠ αντιμετωπίζονται ως πρόσθετος οπλισμός, με μόνη διαφορά τις αρχικές παραμορφώσεις, που υπάρχουν στο σκυρόδεμα και τον οπλισμό, λόγω των στατικών φορτίων τη στιγμή της εφαρμογής τους. Λόγω της υψηλής αντοχής τους σε εφελκυσμό και του μικρού βάρους τους (σε σύγκριση με τα συμβατικά δομικά υλικά, και ιδιαίτερα τον χάλυβα), έχουν γίνει ένα σημαντικό δομικό υλικό για χρήση ως εσωτερικός ή πιο συχνά ως εξωτερικός οπλισμός.
Η ενίσχυση των υφιστάμενων κτιρίων με ΙΟΠ μπορεί να γίνει με διάφορες τεχνικές: περιτύλιξη με υφάσματα ΙΟΠ (FRP fabrics), λάμες από ΙΟΠ (FRP laminates), οπλισμός εγκοπής πλησίον της επιφάνειας (NSM FRPs, near surface mounted FRPs) ή κορδόνια από ΙΟΠ. Η περιτύλιξη με υφάσματα με τις ίνες τοποθετημένες παράλληλα με την κατεύθυνση των συνδετήρων χρησιμοποιείται συνήθως για την αύξηση της περίσφιξης, της πλαστιμότητας και της αντοχής σε διάτμηση. Τα ελάσματα και οι λάμες εγκοπής (laminates και NSM αντίστοιχα) χρησιμοποιούνται κυρίως για την αύξηση της ικανότητας σε κάμψη, συνήθως σε δοκούς ή πλάκες, αλλά μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για ενίσχυση σε διάτμηση. Τέλος, τα κορδόνια από ΙΟΠ χρησιμοποιούνται συνήθως για την αγκύρωση υφασμάτων ΙΟΠ.
Μεταλλικά ελάσματα και μεταλλικοί κλωβοί
Μεταλλικά ελάσματα, που συνδέονται με τα μέλη από σκυρόδεμα με εποξειδικές ρητίνες, μπορούν να βελτιώσουν την αντοχή σε κάμψη, όπως τα ελάσματα ΙΟΠ. Αντίστοιχα, χαλύβδινες γωνίες και ορθογώνιες λάμες, που συγκολλούνται μεταξύ τους για να σχηματίσουν έναν μεταλλικό κλωβό, μπορούν να αυξήσουν την αντοχή σε διάτμηση, την περίσφιξη και την πλαστιμότητα, χωρίς να επηρεάζουν σημαντικά την ακαμψία του υπάρχοντος συστήματος, με παρόμοιο τρόπο με τα υφάσματα ΙΟΠ.
Η ενίσχυση μελών από οπλισμένο σκυρόδεμα με χρήση εξωτερικών μεταλλικών ελασμάτων ήταν μια από τις πιο δημοφιλείς μεθόδους και πολύ συνηθισμένη σε εφαρμογές μετασκευής πριν από κάποιες δεκαετίες, ωστόσο σταδιακά αντικαθίσταται από άλλες πιο αξιόπιστες και ευκολότερες στη χρήση μεθόδους, ιδιαίτερα αυτές με τη χρήση σύνθετων υλικών.
Σεισμική μόνωση και Αντισεισμικά Συστήματα Ελέγχου Απόκρισης
Μια σειρά από καινοτόμες τεχνολογίες έχουν αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια για να παρέχουν υψηλή αντισεισμική προστασία σε κτιριακά έργα. Τα συστήματα αυτά μπορούν να εφαρμοστούν και σε πολλές περιπτώσεις σεισμικής αναβάθμισης υφισταμένων κτιρίων όταν πληρούνται κάποιες προϋποθέσεις. Μπορούν να χωριστούν σε δύο βασικές ομάδες:
Σεισμική μόνωση
Ένα καλά μελετημένο, σύμφωνα με τους αντισεισμικούς κανονισμούς, συμβατικό κτίριο όταν φτάσει τον σεισμό για τον οποίο σχεδιάστηκε, θα εμφανίσει βλάβες σε δομικά του στοιχεία (χωρίς να καταρρεύσει). Όμως ακόμη και για μικρότερα επίπεδα σεισμού ενδέχεται να γίνουν υλικές ζημιές στο περιεχόμενό του δηλαδή να σπάσουν υαλοπίνακες και σωληνώσεις αλλά και να ανατραπούν έπιπλα, βιβλία, έργα τέχνης κ.λπ. Αντίθετα, το σεισμικώς μονωμένο κτίριο παρέχει πλήρη αντισεισμική προστασία γιατί μειώνονται σημαντικά οι δυνάμεις και οι επιταχύνσεις του σεισμού και στο κέλυφός του αλλά και εντός του.
Αυτό συμβαίνει επειδή με τη σεισμική μόνωση διαχωρίζεται η ανωδομή του κτιρίου από τη βάση του και επιτυγχάνεται σημαντική αύξηση της ιδιοπεριόδου και της απόσβεσής του έτσι ώστε οι δυνάμεις του σεισμού να μειώνονται πολύ (ενδεικτικά στο 25% του σεισμού σχεδιασμού). Έτσι σε υφιστάμενα κτίρια σχεδιασμένα με παλαιούς κανονισμούς, αυτές, οι χαμηλές πλέον, σεισμικές δράσεις είναι συνήθως εφικτό να παραληφθούν από το υφιστάμενο δομικό σύστημα χωρίς καθόλου ή πολύ περιορισμένες επιπρόσθετες ενισχύσεις. Έτσι επιτυγχάνεται χαμηλό κόστος και σύντομος χρόνος κατασκευής ενώ διατηρείται η αρχιτεκτονική μορφή.
Η επέμβαση για την τοποθέτηση σεισμικής μόνωσης γίνεται συνήθως στη στάθμη κάτω από την πλάκα ισογείου. Γίνεται απότμηση των κατακόρυφων στοιχείων, με αφαίρεση τμήματος κατάλληλου ύψους (της τάξης του 0.5-0.8 m) και χρήση υδραυλικών γρύλων για να τοποθετηθούν τα εφέδρανα.
Συνολικά η χρήση σεισμικής μόνωσης παρέχει: (1) διατήρηση του αρχιτεκτονικού χαρακτήρα του κτιρίου, (2) Ελαχιστοποίηση της πιθανότητας βλάβης των δομικών στοιχείων του κτιρίου, (3) Προστασία του περιεχομένου του κτιρίου από τις αναπτυσσόμενες επιταχύνσεις κατά τη διάρκεια του σεισμού, (4) Απρόσκοπτη συνέχεια της λειτουργίας του κτιρίου μετά από σεισμό, (5) Αποφυγή μείωσης του ωφέλιμου χώρου του κτιρίου όπως συμβαίνει με τις συμβατικές λύσεις ενίσχυσης, (6) Μείωση του κόστους κατασκευής, (7) Μείωση του χρόνου επεμβάσεων, (8) Μείωση της όχλησης των ενοίκων.
Αντισεισμικά Συστήματα Ελέγχου Απόκρισης
Τα συστήματα ελέγχου απόκρισης (response control systems) είναι μηχανισμοί που συνήθως αποσκοπούν στην απόσβεση ενός ποσοστού της σεισμικής ενέργειας που εισέρχεται στην κατασκευή. Υπάρχει πολύ μεγάλη ποικιλία τέτοιων συστημάτων που διακρίνονται σε συστήματα ενεργητικού, ημιενεργητικού και παθητικού ελέγχου.
Τα πιο συνηθισμένα και πιο απλά στη λειτουργία ανήκουν στην τελευταία κατηγορία που περιλαμβάνει μεταξύ άλλων: (α) αποσβεστήρες τριβής, (β) ιξώδεις και ιξωδοελαστικούς αποσβεστήρες, (γ) συνδέσμους περιορισμένου λυγισμού (BRB), (δ) συντονισμένους αποσβεστήρες μάζας (Tuned Mass Dampers). Σημειώνεται ότι και η σεισμική μόνωση είναι σύστημα ελέγχου απόκρισης αλλά είθισται να εξετάζεται ξεχωριστά.
Η χρήση αυτών των συστημάτων είναι σχετικά πιο εύκολη από την τοποθέτηση σεισμικής μόνωσης ωστόσο συνήθως απαιτεί ταυτόχρονη, αλλά σχετικά περιορισμένης έκτασης, ενίσχυση του δομικού συστήματος. Τα περισσότερα από αυτά τα συστήματα μπορούν να τοποθετηθούν στις όψεις του κτιρίου μειώνοντας το κόστος και τον χρόνο επέμβασης καθώς και την όχληση των ενοίκων.
Πηγές:
Seismic Retrofit of Existing Reinforced Concrete Buildings, Stelios Antoniou, (Wiley-Blackwell)
C. Giarlelis, D. Koufalis, C. Repapis, (2020), “Seismic Isolation: An Effective Technique for the Seismic Retrofitting of a Reinforced Concrete Building”, Structural Engineering International, 30:1, pp 43-52, Taylor & Francis.
A. Lampropoulos, E. Apostolidi, S. Dritsos, C. Giarlelis, J. Jara, F. Sutcu, T. Takeuchi, J. White, (2021), «Seismic Isolation and Response Control», IABSE SED 19, ISBN: 978-3-85748-180-2, 114pp
*Ο κ. Στέλιος Αντωνίου είναι Δρ. Πολιτικός Μηχανικός, Μέλος Ελληνικού Τμήματος Αντισεισμικής Μηχανικής (ΕΤΑΜ), Επικεφαλής Τμήματος Επισκευών και Ενισχύσεων ΑΛΦΑΚΑΤ Α.Τ.Ε., και Διευθυντής Ανάπτυξης Λογισμικού Seismosoft ltd.
Ο κ. Χρήστος Γιαρλέλης είναι Πολιτικός Μηχανικός, Μέλος Δ.Σ. Ελληνικού Τμήματος Αντισεισμικής Μηχανικής (ΕΤΑΜ), Εταίρος/Επικεφαλής Τμήματος Αντισεισμικού Σχεδιασμού EQUIDAS Consulting Engineers.