Rezime

U ovoj doktorskoj disertaciji su sprovedena istraživanja 2D i 3D modela okvirnih sistema zgrada prema performansama za uslove seizmičkog dejstva, a u skladu sa PBEE (Performance-Based Earthquake Engineering) metodologijom. Istraživanja se mogu klasifikovati u četiri bitno različite celine: istraživanja na polju akcelerograma i spektara odgovora, istraživanja na polju nelinearnog odgovora 2D modela okvirnih sistema koji participiranju u konstruktivnom sistemu okvirnih zgrada (dekomponovani ili tretirani kao nezavisne celine), istraživanja na polju nelinearnog odgovora 3D modela okvirnih zgrada i istraživanja na polju odnosa kapacitet konstrukcije/seizmički zahtev 2D i 3D modela okvirnih zgrada. Istraživanja na polju akcelerograma zasnivaju se na primeni akcelerograma realnih zemljotresa i akcelerograma veštačkih zemljotresa. Prethodno su dvokomponentalni akcelerogrami realnih zemljotresa selektovani i preuzeti iz PEER GMDB baze. Veštački akcelerogrami su razmatrani kao nepotpuni i potpuni nestacionarni veštački akcelerogrami, pri čemu je pri kreiranju potpunih nestacionarnih veštačkih akcelerograma uzeta u obzir i analiza seizmičkog hazarda. Procesiranje akcelerograma je sprovedeno po teoriji signala kroz analize: formatiranje, konvertovanje, skaliranje, kalkulacija, procesiranje, kompatibilizacija, filtriranje, generisanje i transformacija. Postupak generisanja međukomponenata akcelerograma po uglovima je sproveden rotacijom komponenata akcelerograma u pravcu raseda i upravno na pravac raseda. Integracijom međukomponenata akcelerograma kreirana je površ akcelerograma (ground motion record surface). Na osnovu generisanih međukomponenata akcelerograma razvijeni su spektri odgovora i integrisani u površ spektra odgovora (response spectra surface). Za sve akcelerograme i spektre odgovora su analizirane mere intenziteta i kreirane anvelope mere intenziteta (intensity measure envelope). Istraživanjem su razmatrani aspekti skaliranja i kompatibilizacije akcelerograma i njihov uticaj na formu površi spektra odgovora. Istraživanja na polju nelinearnog odgovora 2D modela okvirnih sistema zasnivaju se na primeni linijskih konačnih elemenata, čiji je poprečni presek diskretizovan na vlakna i kod kojih se uzimaju u obzir razvoj neelastičnih deformacija. Definisani su opšti modeli pushover krivih koji su poslužili kao podloga za dalja razmatranja u doktorskoj disertaciji: visoko duktilno, visoko ili srednje duktilno, nisko ili neduktilno ponašanje zgrada i prelazna kategorija. Takođe, sprovedena je i klasifikacija pushover krivih varijacijom duktilnosti, duktilnosti u zoni ojačanja/omekšanja i koeficijenta odnosa krutosti u nelinearnom i linearnom domenu. Primenom ova tri parametra generisan je set tipoloških modela pushover krivih kod okvirnih 2D i 3D modela zgrada. Istraživanje tipa raspodele lateralnog seizmičkog opterećenja kod NSPA pushover analize sprovedeno je razmatranjem rešenja dobijenih iz INDA analiza zemljotresa. Predložena je parabolična raspodela kao alternativa ravnomernoj i ekvivalentnoj. Prednost ovakve raspodele je dokazana upoređujući sa rešenjem dobijenim iz regresione analize za grupu zemljotresa, odnosno diskretne vrednosti INDA analiza. Takođe, istraživanjem je utvrđeno da se primenom pushover krive za ravnomernu raspodelu lateralnog seizmičkog opterećenja postiže dosta dobro pokrivanje INDA anvelope u kapacitativnom domenu. Istraživanje uticaja TU (total updating), IU (incremental updating) i HU (hybrid updating) korekcije je razmatrano na 2D modelu okvira, pri čemu se najkvalitetnija rešenja dobijaju primenom NSAPA-DBA analize, u odnosu na INDA analizu. U cilju određivanja potrebnog broja NDA analiza u okviru jedne INDA analize, razvijena je metoda koja se bazira na rešenju dobijenom iz NSPA analize. Sa druge strane, u cilju predikcije rešenja koje se dobija iz INDA analize 2D i 3D modela okvirnih zgrada sa mogućnošću razmatranja odgovora sistema u kapacitativnom domenu, a pri tome ne povećavajući znatnije vreme potrebno za procesiranje, razvijena je hibridna inkrementalna nelinearna statička-dinamička analiza (HINSDA - Hybrid Incremental Nonlinear Static-Dynamic Analysis). Istraživanjem su dobijene veće vrednosti driftova u slučaju primene PGA-IDRmax parametara, nego kod primene PGA-DR parametara. Najmanje odstupanje HINSDA krive od INDA krive dobija se primenom trećeg UBEPKHS konstitutivnog modela, dok se najveće odstupanje dobija primenom prvog UBEPKHS konstitutivnog modela. Istraživanja na polju nelinearnog odgovora 3D modela okvirnih sistema zasnivaju se na primeni linijskih konačnih elemenata, dok se na krajevima štapova apliciraju plastični zglobovi u kojima se omogućava razvoj nelinearnih deformacija. Efekti egzistencije tavanica modelirani su primenom elemenata veze. S obzirom da se kod 3D modela zgrada nelinearan odgovor razmatra primenom pushover krivih za različite uglove dejstva zemljotresa, to je integracijom istih dobijena pushover površ (pushover surface) za NSPA i za INDA (IDA) analizu. Razmatranjem je prikazan opšti model pushover površi i ukazano je na neke specifične modele pushover površi. Tipološki modeli NSPA pushover površi su definisani u funkciji varijacije duktilnosti, duktilnosti u zoni ojačanja/omekšanja i koeficijenta odnosa krutosti u nelinearnom i linearnom domenu za jedan i dva glavna pravca. Generalno razmatrajući identifikovane su četiri grupe pushover površi: rotaciono polisimetrične u osnovi, monosimetrične u osnovi, bisimetrične u osnovi i asimetrične u osnovi. Uvedenim koeficijentom površi duktilnosti (ductility area coefficient) moguće je analizirati performanse 3D modela zgrada uzimajući u obzir duktilnost za sve pravce, odnosno uglove dejstva zemljotresa. Istraživanjem je pokazano da INDA (IDA) pushover površ ima drugačiji oblik, u odnosu na NSPA pushover površi, s obzirom da je primenjena druga mera intenziteta i inženjerski parametar zahteva. U cilju analize performansi 4x6x3, 4x6x5-13, 15x4x4, 15x4x4-6 i 9x6x5-12 3D modela zgrada sproveden je monitoring razvoja plastičnih zglobova po inkrementalnim fazama, a koji je prezentovan preko izopovrši u polarnim koordinatama. Takođe, razmatrane su realizovane krive u polarnim koordinatama za driftove, relativnu vrednost ukupne smičuće sile u osnovi zgrade i duktilnost. Istraživanjem je utvrđeno da su kod svih modela zgrada realizovani manji ili nešto veći maksimalni globalni driftovi DRmax od globalnog drifta DRIO, za IO performansni nivo prema FEMA propisima. Kod zgrada veće spratnosti se lakše realizuje viša klasa duktilnosti, a da se povećanjem neregularnosti u osnovi ova duktilnost redukuje. Razmatrajući realizovane NSPA pushover površi u prostornim koordinatama utvrđeno je da je kod svih 3D modela zgrada krutost u nelinearnom domenu gotovo horizontalna Kn≈0 ili blago pozitivna, osim u pojedinim slučajevima, gde sa povećanjem nelinearnih deformacija krutost postaje negativna Kn<0. Kod 9x6x5-12 3D modela zgrade su realizovane znatno manje maksimalne relativne vrednosti ukupne smičuće sile, u odnosu na relativne vrednosti ukupne smičuće sile kod 4x6x3, 4x6x5-13, 15x4x4 i 15x4x4-6 3D modela zgrada, a što je direktna posledica proračuna seizmičkog dejstva prema SRP propisima. U odnosu na krive relativne vrednosti ukupne smičuće sile u osnovi zgrade (V/W)adeq za maksimalni globalni drift DRmax određene NSPA analizama koje su kružnog ili približno kružnog oblika, krive relativnog spektralnog ubrzanja Sa/Sa,y određene IDA analizama su elipsoidnog oblika ili složenije forme. U početnom delu istraživanja odnosa kapacitet konstrukcije/seizmički zahtev 2D i 3D modela okvirnih zgrada definisani su opšti modeli odnosa pushover krivih i krivih zahteva (BR/SD), a koji su poslužili kao podloga za dalja razmatranja ciljnih pomeranja. U drugom delu je razvijena iterativna metoda koeficijenata pomeranja (IDCM - Iterative Displacement Coefficient Method) kojom su određeni nivoi ciljnih pomeranja. Na osnovu IDCM metode i sprovedenih numeričkih testova na pushover krivama standardizovanih modela odgovora i random funkcija odgovora, utvrđeno je da se postiže veoma zadovoljavajuće slaganje vrednosti driftova realizovanih prema IDCM i NDA analizi. Takođe, minimalna su odstupanja relativne vrednosti ukupne smičuće sile u osnovi objekta realizovana IDCM metodom, u odnosu na rešenja dobijena NDA metodom pri nivoima ciljnih pomeranja (V/W)t. U trećem delu je sprovedeno istraživanje za nivo seizmičkog zahteva 3D modela zgrada, a prezentovano je preko anvelope ciljnog pomeranja (target displacement envelope) i driftova za: performansne nivoe, srednju vrednost, medijanu ciljnog pomeranja i maksimalno pomeranje. Takođe, prikazane su i relativne vrednosti ukupnih smičućih sila u osnovi zgrade za ciljna pomeranja i za maksimalni globalni drift. Na osnovu definisane anvelope ciljnog pomeranja razvijen je niz koeficijenata kojima se ocenjuju performanse 3D modela zgrada. Takođe, performanse zgrada su analizirane i primenom razvijene površi globalnog drifta (drift surface) i površi međuspratnog drifta (interstorey drift surface). U četvrtom delu je, na osnovu razvijene NSPA analize zasnovane na principu projektovanja zgrada prema mehanizmima loma (NSPA-DMBD - Nonlinear Static Pushover Analysis - Damage Mechanisms-Based Design) i istraživanjem na modelu okvirnog sistema, ukazano da je čak kod inicijalne NSPA analize indikator nepovoljnog mehanizma loma bio preko graničnih dilatacija betona. Kod nižih spratova, prema NSPA-DMBD metodi, vrednosti međuspratnih driftova se redukuju, dok se kod viših spratova povećavaju uravnotežujući na taj način odgovor konstrukcije.