Αντισεισμικός Σχεδιασμός Υπόγειων Κατασκευών Μεγάλων Διαστάσεων σε Μικρό Βάθος Οδικές Σήραγγες, Σταθμοί Μετρό, Υπόγειοι Χώροι Στάθμευσης

Transcript

1 Αντισεισμικός Σχεδιασμός Υπόγειων Κατασκευών Μεγάλων Διαστάσεων σε Μικρό Βάθος Οδικές Σήραγγες, Σταθμοί Μετρό, Υπόγειοι Χώροι Στάθμευσης Κυριαζής Πιτιλάκης Καθηγητής ΑΠΘ 1 2 1

2 Αντισεισμικός σχεδιασμός υπόγειων έργων Αυξανόμενο ενδιαφέρον στη χώρα μας λόγω της κατασκευής του Μετρό Αθήνας και της Θεσσαλονίκης, υπόγειων χώρων στάθμευσης καθώς και σημαντικών υπόγειων οδικών έργων, όπως πιθανώς η υποθαλάσσια αρτηρία στην Θεσσαλονίκη Αποτελούνται από: Επιμήκη τμήματα (σύστημα σηράγγων) Κατασκευές μεγάλων διαστάσεων σε πολλαπλές στάθμες (π.χ. σταθμοί Μετρό) Η μελέτη υπόγειων κατασκευών μεγάλων διαστάσεων παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον καθώς οι σχετικές Κανονιστικές διατάξεις και βιβλιογραφικές αναφορές είναι περιορισμένες αν όχι ανύπαρκτες 3 Αντισεισμική μελέτη υπόγειων κατασκευών Η σεισμική απόκριση μιας εγκιβωτισμένης υπόγειας κατασκευής μεγάλων διαστάσεων διαφέρει σημαντικά από την απόκριση μιας υπέργειας κατασκευής Οι επιβαλλόμενες μετακινήσεις - παραμορφώσεις του εδάφους είναι σημαντικότερες από τα αδρανειακά φορτία Στατικά φορτία και στατικός σχεδιασμός Άλλες φορτίσεις (π.χ. άνωση) 4 2

3 Υπέργεια κατασκευή 5 Υπόγεια κατασκευή 6 3

4 Σεισμική μελέτη υπόγειων κατασκευών Διαφοροποίηση από υπέργειες κατασκευές: Απόκριση της υπόγειας κατασκευής : Αδρανειακή, κινηματική Κινηματική και αδρανειακή αλληλεπίδραση εδάφους-κατασκευής Εγκιβωτισμένη κατασκευή (ενδοσιμότητα του εδάφους, σύνθετα θέματα αλληλεπίδρασης εδάφους-κατασκευής) Η σεισμική απόκριση μιας εγκιβωτισμένης υπόγειας κατασκευής μεγάλων διαστάσεων διαφέρει σημαντικά από την απόκριση μια υπέργειας κατασκευής Οι επιβαλλόμενες μετακινήσεις και παραμορφώσεις του εδάφους είναι σημαντικότερες από τα αδρανειακά φορτία 7 Αντισεισμικός σχεδιασμός υπόγειων έργων Συνήθης πρακτική μελέτης στον ελληνικό χώρο: Δυναμικές εδαφικές ωθήσεις : Εφαρμογή διατάξεων ΕΑΚ 2 για ακλόνητους ή παραμορφώσιμους τοίχους Mononobe-Okabe Αδρανειακή απόκριση κατασκευής : Ισοδύναμα στατικά φορτία Ενδοσιμότητα εδάφους : Εκτίμηση τιμών ελατηρίων περιμετρικά της κατασκευής Με βάση τη φυσική του φαινομένου και τη διεθνή εμπειρία Ανάλυση της κατασκευής με την επιβολή μετακινήσεωνκαταναγκασμών λόγω σεισμού Πλήρης δυναμική ανάλυση 8 4

5 Περιεχόμενα Ανασκόπηση μορφολογίας υπόγειων κατασκευών μεγάλων διαστάσεων - Παθολογία Αρχές και φιλοσοφία αντισεισμικού σχεδιασμού Παραδείγματα - Πολυώροφος σταθμός Μετρό - Υποθαλάσσια αρτηρία 9 Τυπικά παραδείγματα h (εως d/2) d/2 H D d 2B 1 5

6 - Φορτίσεις σχεδιασμού - Σεισμικές ωθήσεις εδαφών - Δείκτες εμπέδησης και απόσβεσης - Μέθοδοι ανάλυσης κατά την εγκάρσια έννοια - - ισοδύναμη στατική - - πλήρως δυναμική - - επιβαλλόμενων καταναγκασμών μετακινήσεων - Εντατικά μεγέθη διατομών - Διατμητικές τάσεις διεπιφάνειας - Σεισμική ανάλυση κατά την διαμήκη έννοια - Αρχές σχεδιασμού έναντι ρευστοποίησης - Γενικά προβλήματα σχεδιασμού σε στατικές και δυναμικές συνθήκες φόρτισης 11 Μορφολογία 12 6

7

8 15 Σήραγγα Busan-Geoje, Korea 16 8

9

10 Ζεύξη Σουηδίας-Δανίας: Oresund Link

11 Bjorvika Norway

12

13

14

15 Fy, Fz < 5cm δy, δz Αρμός Gina Διατμητική κλείδα 29 ΤΟΜΗ ΑΡΜΟΥ 3 15

16

17 Υποθαλάσσια σήραγγα του BART Ν Ν Μ= = 7.25 Μ= = 8 Σήραγγα BART Τραβασάρου και Chacko (28) 33 Τυπική διατομή σήραγγας του BART Μαλακή Άργιλος Ειδικό Υλικό Πλήρωσης Σήραγγα ρ= 1.1 t/m 3 ~ 25 m Κοινό Υλικό Άργιλος Βάση Θεμελίωσης Τραβασάρου και Chacko (28) 34 17

18 Ζημιές Παθολογία 35 Kobe, 1995, Mw=6.9 Dakai subway 36 18

19 Dakai Station, Kobe 1995, Mw= Kobe, 1995, Mw=6.9 Dakai subway 38 19

20 Kamisawa station 16.68mx13.3m Kobe 1995, M6.9 R=35km Υποστυλώματα ανά 5.m Στατική αξονική δύναμη 8.74KN => σ αν =9MPa <23.5MPa 64Φ32, (5.8%) 9mm/125mm (.23%) Διατμητική αντοχή 54 ΚΝ Καμπτική αντοχή ΚΝ Διατμητική αστοχία 39 Κobe 1995 M6.9 Kamisawa Station 4 2

21 Αστοχίες σε σήραγγες Βάθος <5m Αλλούβια, ιζήματα PGA surf >.15g M >6 R < 5 km Sarma et al, Φορτίσεις 42 21

22 Στατικές Φορτίσεις H(m) Koγ'Η W1 Koγ'Η D(m) W2 γwd Koγ'(Η+D) Koγ'(Η+D) γwd γwd γwd B(m) 43 Σεισμικές Φορτίσεις - Ισοδύναμη Στατική Ανάλυση H(m) 1.5αγD τ1 1.5αγD D(m) τ4 (W2/g)*α (W2/g)*kv τ2.5αγd τ3 B(m).5αγD 44 22

23 Φορτίσεις σχεδιασμού Μικρής έντασης σεισμοί: Η κατασκευή πρέπει να παραμένει στην ελαστική περιοχή χωρίς ζημιές Μεγάλης έντασης σεισμοί: Αποφυγή κατάρρευσης, παρουσία ανελαστικών παραμορφώσεων, δημιουργία πλαστικών αρθρώσεων και αναγκαιότητα ύπαρξης ικανής πλαστιμότητας σε κρίσιμους κόμβους Σεισμός Σχεδιασμού Λειτουργίας (ΛΣΣ): 1% σε 5 χρόνια Μέγιστος Σεισμός Σχεδιασμού (ΜΣΣ): 5% σε 5 χρόνια 5 και 1 χρόνια μέση περίοδο επανάληψης 45 ΜΣΣ ΛΣΣ U = D + L + E1 + E2 + EQ U =1.5D + 1.3L + ( )E1 + E EQ D : Νεκρά φορτία L : Κινητά φορτία E1 : Κατακόρυφα (έδαφος, νερό) E2 : Οριζόντια (έδαφος, νερό) EQ : Σεισμικά φορτία max U για (max E2, min E1) Εάν η U ικανοποιείται για ελαστική ανάλυση του φορέα, δεν απαιτείται άλλος έλεγχος Εάν η U δεν ικανοποιείται από την ελαστική ανάλυση τότε απαιτείται η εξασφάλιση ικανοποιητικής πλαστιμότητας 46 23

24 Σεισμική επικινδυνότητα σε συνθήκες βραχώδους έξαρσης Επιρροή τοπικών εδαφικών συνθηκών και επιφανειακής γεωλογίας σε συνθήκες ελεύθερου πεδίου (1D, 2D, 3D) PHGA, PVGA, PGV, PGD, PSA, PSV, Sd, διατμητικές παραμορφώσεις και τάσεις στο έδαφος, χρονοϊστορίες επιταχύνσεων (3-5) Ασύγχρονη εδαφική ταλάντωση Εδαφική αστοχία (ρευστοποίηση ) 47 Θεσσαλονίκη Τm=475 4 PHGA (g) g.2g g g

25 Τm = 5 Καθιζήσεις λόγω ρευστοποίησης 5 years PGV ALTITUDE (M) ΛΕΥΚΟΣ ΠΥΡΓΟΣ C: 2/25 B1: 35/2 SH B2: 28/2 E: 5/15 F: 8/6 1D E: 7/3 F: 75/6 E: 6/3 G*: 12/8 A: 25/2 ΡΟΤΟΝΤΑ SW Lateral propagation E: 4/8 G*: 12/8 G: 25/2 E: 35/ F: 85/6 G: 25/ DISTANCE (M) 5 25

26 Time (sec) LEP ROT Altitude (m) Αpga Αpga Αpga Μέγιστη επιτάχυνση εισαγωγής:.1g Μέγιστη επιτάχυνση εισαγωγής:.3g Σύνθεση 2D 1D 2D 1D 2D 1D Θεσσαλονίκη 2D, 1D αναλύσεις A: Ενίσχυση της PGA εισαγωγής στο υπόβαθρο

27 PSA (2D) PSA (1D) Ο σεισμικός συντελεστής σύμφωνα με τον ΕΑΚ και τα αντίστοιχα φάσματα σχεδιασμού στην επιφάνεια του εδάφους, δεν είναι δυνατόν να εφαρμοσθούν στην μελέτη μιας υπόγειας κατασκευής μεγάλων διατάσεων 54 27

28 Βασικές αρχές σεισμικής απόκρισης και αντισεισμικού σχεδιασμού

29 Kawasima 1994,

30 Παραμορφώσεις στο έδαφος Μ6.1, Σχέσεις υπολογισμού παραμορφώσεων Κύματα S(παρόμοιες σχέσεις δίνονται για κύματα P και Rayleigh) St. John and Zahrah, 1987 Επιμήκης παραμόρφωση : παραμόρφωση : Vs ε l = sinφcosφ C s Vs ε n = sinφcosφ C s Διατμητική παραμόρφωση : Καμπυλότητα : V p 2 γ= cos φ Κ C p α s 3 = cos φ 2 C s 6 3

31 Σχέσεις υπολογισμού παραμορφώσεων Κύματα S Power, 1996 Οι συνολικές αξονικές παραμορφώσεις προκύπτουν από το συνδυασμό των επιμήκων παραμορφώσεων λόγω αξονικής και καμπτικής καταπόνησης V α ab s s 3 ε = sinφcosφ + r cos φ 2 Cs Cs C s : φαινόμενη ταχύτητα Παρόμοιες σχέσεις δίνονται για κύματα P και Rayleigh 61 Μέγιστη αξονική παραμόρφωση : Μέγιστη καμπτική παραμόρφωση : Σχέσεις υπολογισμού παραμορφώσεων Π.χ. για κύμα S με φ=45 o : 2π A a fl ε max = L 2 EA 2 4EA l c π l c 2 + Ka L 2π A b fl ε max = L r 4 EI 2 4EA l c π l 2 + Kt L ab a b = max + max ε ε ε c 62 31

32

33 65 Ανάλυση κατά την εγκάρσια έννοια 66 33

34 Wang (1993), Penzien (2), Hashash et al. (21) Racking coefficient γ c / γ ff = β (1 - ν s ) Με τον συντελεστή σχετικής δυστμησίας της κατασκευής (racking coefficient) επιτυγχάνεται με απλοποιητικό τρόπο ο συνυπολογισμός της διαφοροποίησης του καταναγκασμού λόγω διαφορετικής δυσκαμψίας εδάφους-κατασκευής 67 4(1-v s) R= 1+a l a=(3-4v) s s k si k =G /h si s s k 68 34

35 Δυστμησία ορθογωνικής σήραγγας τ = γ S G m m F= SH 1 1 G W S=1/Δ 69 G H W HW 24 EIw EIR 2 2 m F= + 2 ( Ι R =I S ) G m HW (Ι R =/= I S ) F= Ψ 12 EIR Ι W Ι S Ι R τ = γ S G m και W = L (m) Δ όπου structure Δstructure R= = H = Δ Δ free-field free-field (1+α )(α +3α )+(α +α )(3α +1) Ψ= H α 1 = I R /I I (1+α 1+6α 2) γ γ και α 2 = [I R /I W ][H/W] structure free-field 7 35

36 F=. Άκαμπτη κατασκευή, παραλαμβάνει ολόκληρο το σεισμικό φορτίο χωρίς διατμητική παραμόρφωση F < 1. Κατασκευή σχετικά δύσκαμπτη ως προς το έδαφος οπότε θα υποστεί μικρότερες παραμορφώσεις από αυτό F= 1. Κατασκευή και έδαφος ίσης δυσκαμψίας οπότε η κατασκευή θα δεχθεί τις παραμορφώσεις ελευθέρου πεδίου F> 1. Η διατμητική παραμόρφωση της κατασκευής υπερβαίνει αυτής του εδάφους F>>1. Κατασκευή υπερβολικά εύκαμπτη έως ανύπαρκτη με αποτέλεσμα να έχουμε διατμητικές παραμορφώσεις αντίστοιχες ορθογωνικής διατομής 71 Μέθοδος του συντελεστή σχετικής δυστμησίας (F-R) 1. Γεωμετρικά στοιχεία σήραγγας 2. Εκτίμηση των σεισμικών διατμητικών παραμορφώσεων σε συνθήκες ελεύθερου πεδίου 3. Προσδιορισμός του συντελεστή σχετικής δυστμησίας F 4. Προσδιορισμός του συντελεστή R 5. Εκτίμηση της διατμητικής παραμόρφωσης της σήραγγας Δ σήραγγας = R χ Δ ελευθ.πεδίου 6. Ανάλυση της κατασκευής για την Δ σήραγγας (t) 7. Συνδυασμός φορτίσεων φορτιστικών καταστάσεων 8. Διαστασιολόγηση 72 36

37 Καταναγκασμός μετακινήσεων λόγω σεισμικών εδαφικών παραμορφώσεων 73 Περιγραφή φυσικού προβλήματος Αναλυτικό προσομοίωμα σταθμού κατά την εγκάρσια έννοια 74 37

38 Δείκτες εμπέδησης 75 Ισοδύναμη στατική ανάλυση Ky Kz2 Kz1 Ks Kb,z Kb,z Οριζόντια ελατήρια Ky 76 38

39 Οριζόντια ελατήρια Ky 77 Ισοδύναμη στατική ανάλυση Ky Kz2 Kz1 Ks Kb,z Kb,z Ελατήρια σε άλλες θέσεις 78 39

40 Ισοδύναμη στατική ανάλυση Ky Kz2 Kz1 Ks Kb,z Kb,z Κατακόρυφα διατμητικά Ελατήρια διαφραγμάτων 79 Ισοδύναμη στατική ανάλυση Διατμητικά ελατήρια στην κάτω πλάκα: P xu Pu Ks xu x Κλίση διαγράμματος P-x K s P = x u u Pu Pu λ Su Αργιλικό έδαφος: Ks = = x x u u Αμμώδες έδαφος: Pu n N n (W1 + W2 +.3 Q + kv W 2) Ks = = = x x x u u u 8 4

41 Ωθήσεις 81 Υπολογισμός δυναμικών εδαφικών ωθήσεων Συμβατικός υπολογισμός (ΕΑΚ2, EC8, Εγκύκλιος 39, κλπ) Ακλόνητος τοίχος Τοίχος με δυνατότητα μετακίνησης Mononobe-Okabe 82 41

42 Προσεγγιστικός υπολογισμός ωθήσεων σε περίπτωση πολυώροφου σταθμού η χώρων στάθμευσης. Είναι ακριβής?? Ψευδοστατική θεώρηση δυναμικών ωθήσεων Ψευδοστατική θεώρηση αδρανειακών φορτίων στην κατασκευή Υπολογισμός ΕΑΚ 2 (ακλόνητοι τοίχοι) για τα πρώτα 1m βάθους Εφαρμογή διατμητικών τάσεων περιμετρικά Σεισμικός συντελεστής στο μέσον του βάθους και κατανομή βάσει ΕΑΚ gal 3mm Kawasima, 26 Δυναμικό μέρος των ωθήσεων 84 42

43 Δυναμικές εδαφικές ωθήσεις Σύγκριση μεθόδων υπολογισμού σε σταθμό με 4 στάθμες (28m) Δυναμική Ώθηση (kpa) ΣΤΑΘΜΗ ΟΡΟΦΗΣ Συνολική Ωθηση (kpa) ΣΤΑΘΜΗ ΟΡΟΦΗΣ ADINA ΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΑDINA Mononobe - Okabe Mononobe Okabe (τραπεζοειδης) ΕΑΚ2 (ακλόνητοι τοίχοι) -3-6 ADINA ΓΕΩΣΤΑΤΙΚΕΣ Περιβάλλουσα Ε.Α.Κ. Μononobe-Okabe (ομοιόμορφη) Mononobe-Okabe (τραπεζοειδής) ΣΤΑΘΜΗ ΠΛΑΚΑΣ 1 ΣΤΑΘΜΗ ΠΛΑΚΑΣ 1 BAΘΟΣ (m) BAΘΟΣ (m) ΣΤΑΘΜΗ ΠΛΑΚΑΣ 2-15 ΣΤΑΘΜΗ ΠΛΑΚΑΣ ΣΤΑΘΜΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗΣ Σύγκριση δυναμικών ωθήσεων -21 ΣΤΑΘΜΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗΣ Σύγκριση ολικών ωθήσεων H προσαρμογή του ΕΑΚ 2 για ακλόνητους τοίχους μπορεί να χρησιμοποιηθεί - με εξαιρέσεις - ως περιβάλλουσα (?) 85 Σύγκριση μεθόδων υπολογισμού σεισμικών και ολικών ωθήσεων σε υποθαλάσσια σήραγγα (7.5m) Ωθήσεις σyy στo κατακόρυφο τοίχωμα σyy(kpa) z(m) Σεισμικές ωθήσεις THESS Σεισμικές ωθήσεις KOZ Θεώρηση ακλόνητου τοίχου Μέσος όρος ADINA M.O.- ομοιόμορφη κατανομή M.O. τριγωνική κατανομή

44 Σύγκριση μεθόδων υπολογισμού σεισμικών και ολικών ωθήσεων σε υποθαλάσσια σήραγγα (7.5m) Συνολικές ωθήσεις σyy στo κατακόρυφο τοίχωμα σyy(kpa) z(m) Συνολικές ωθήσεις THESS Συνολικές ωθήσεις KOZ Συνολικές Ωθήσεις ΕΑΚ Μέσος όρος ADINA Εικόνα παραμόρφωσης τη χρονική στιγμή t=5.39 sec γιατοσεισμότηςκοζάνης t : για [Δ ορ.-δ βασης ]max Εικόνα παραμόρφωσης τη χρονική στιγμή t=5.59 sec γιατοσεισμότηςκοζάνης 88 44

45 Διατμητικές τάσεις στην περίμετρο 89 Σταθμός Μετρό 1D ανάλυση εδαφικής απόκρισης Δυναμική ανάλυση (σεισμός Κοζάνης) ABS Max Stress YZ Values (3rd peak) 6 5 Stress YZ (KPa) y (m) Μέγιστες ενεργές τιμές διατμητικών τάσεων (3rd peak 7%) 9 45

46 Πολυώροφος Σταθμός Μετρό Υπολογισμοί Διατμητική τάση ΥΖ (KN/m²) Μέγιστη τιμή Ενεργός τιμή 1D FF αναλύσεις (μέση τιμή) 1D FF αναλύσεις (Koz95T-μπλε γραμμή) Δυναμική ανάλυση (Koz95T) πλήρης αντιστοιχία τιμών από πλήρη δυναμική και 1D αναλύσεις εδαφικής απόκρισης Δυνατότητα χρήσης τιμών από 1D 91 Ορθογωνική σήραγγα 35,1 1,3 P1 P2 P3 7,5 1,45 T1 T2 T3 T4,6 1,1 P4 P5 P6 1,3 8,8 17, 17, -1.5 Effective shear stress at the side walls σyz(kpa) z(m) Thessaloniki time-history Kozani time-history Mohr-Coulomb limit stress 92 46

47 15 Effective shear stress at the roof slab 1 5 σyz (kpa) Thessaloniki tme-history Kozani time-history Mohr-Coulomb limit stress -15 L (m) 25 2 Effective shear stress at inverted slab Thessaloniki time-history Kozani time-history Mohr-Coulomb limit stress σyz (kpa) L (m) 93 Μέθοδοι υπολογισμού κατά την εγκάρσια έννοια 1. Ισοδύναμη στατική φόρτιση συνδυασμός φορτίσεων σύμφωνα με τους ισχύοντες κανονισμούς 2. Ως άνω με ταυτόχρονη χρήση δεικτών εμπέδησης 3. Μέθοδος συντελεστή διατμητικού καταναγκασμού διαφορικών μετακινήσεων (ranking coefficient) 4. Πλήρης δυναμική ανάλυση του συστήματος έδαφοςσήραγγα (αριθμητική ανάλυση) 5. «Υβριδική» μέθοδος με την επιβολή στατικού καταναγκασμού σεισμικών μετακινήσεων για συγκεκριμένα χρονικά παράθυρα (αριθμητική προσέγγιση) 94 47

48 Σταθμός Μετρό Vs (m/s) m D H Ky 2 3 ADINA Simp 1D Kz2 4 z (m) 5 Kz1 Ks 6 Kb,z Kb,z 7 2B 22m 8 9 Σκαρίφημα υπόγειας κατασκευής και εδαφικό προφίλ Πιτιλάκης και Συνεργάτες (27) σε συνεργασία με ΑΤΤΙΚΟ ΜΕΤΡΟ Α.Ε. και ΟΜΕΤΕ Α.Ε. & Συνεργάτες 95 Υπολογισμός δυναμικών εδαφικών ωθήσεων Πλήρης δυναμική ανάλυση 2D προσομοίωμα εδάφους και υπόγειας κατασκευής (ADINA FE code) 96 48

49 (β) Πλήρης δυναμική ανάλυση 1 Bending Moments 1 Bending Moments Moment (KNm) Moment (KNm) Top slab left Top slab right 5 1 t (sec) t (sec) Σεισμός Κοζάνης, 1995 Καμπτικές ροπές 15 Bending Moments 6 Bending Moments 1 4 Moment (KNm) 5-5 Moment (KNm) Foundation slab left -4-6 Diaphragm above left slab connection 5 1 t (sec) t (sec) Shear (KN) Shear Force Top slab left 5 1 t (sec) Shear (KN) Shear Force Top slab right 5 1 t (sec) Σεισμός Κοζάνης, 1995 Τέμνουσες Shear (KN) Shear Force Foundation slab left 5 1 t (sec) Shear (KN) Shear Force Diaphragm above left slab connection 5 1 t (sec)

50 Axial Force (KN) Axial Force Top slab left 5 1 t (sec) Axial Force (KN) Axial Force Top slab right 5 1 t (sec) Σεισμός Κοζάνης, 1995 Αξονικές Axial Force (KN) Axial Force Foundation slab left 5 1 t (sec) Axial Force (KN) Axial Force Diaphragm above left slab connection 5 1 t (sec) Σύγκριση μεθόδων ανάλυσης 1 Ανάλυση του φορέα για δυναμικές εδαφικές ωθήσεις και αδρανειακά φορτία κατασκευής (α) ψευδοστατικός υπολογισμός (επιβολή ισοδύναμων φορτίων) (β) πλήρης δυναμική ανάλυση 1 5

51 Ανάλυση φορέα για ωθήσεις και αδρανειακά φορτία Ροπή (KNm) Ψευδοστατική ανάλυση - Πλήρης δυναμική ανάλυση Ψευδοστατική επιβολή φορτίων Δυναμική ανάλυση 4 Πλάκα 1 οροφής Πλάκα 2 Ισοδύναμη στατική μέθοδος: Πλάκα 3 Πλάκα 4 Πλάκα 5 θεμελίωσης Διαφράγματα (οροφή) Διαφράγματα (θεμελ.-άνω) Διαφράγματα (θεμελ.-κάτω) Οδηγεί σε υπερδιαστασιολόγηση ορισμένων κρίσιμων διατομών και υποδιαστασιολόγηση άλλων (Μεγάλες αβεβαιότητες) Μειωμένη αξιοπιστία ψευδοστατικού υπολογισμού εδαφικών ωθήσεων και αδρανειακών φορτίων Επιλογή των τιμών για τους δείκτες εμπέδησης??? 11 Σύγκριση μεθόδων 2 Ανάλυση του φορέα για επιβαλλόμενες μετακινήσεις σεισμικές εδαφικές (α) επιβολή φόρτισης ως στατικού εδαφικού καταναγκασμού (β) πλήρης δυναμική ανάλυση 12 51

52 (α) Επιβολή καταναγκασμού εδαφικών μετακινήσεων Ανάλυση της εδαφικής απόκρισης σε 1Δ ή2δ άνευ κατασκευής Υπολογισμός διαφορικών εδαφικών μετακινήσεων (free-field) Επιβολή του καταναγκασμού σε 2D προσομοίωμα εδάφους και κατασκευής

53 Δομικό στοιχείο Πλάκα -4 left (z=-26.7m) Πλάκα -4 right (z=-26.7m) Πλάκα left (z=-1.5m) Πλάκα right (z=-1.5m) Διαφράγματα (σύνδεση με πλάκα θεμελίωσης άνω) Στατική επιβολή μετακινήσεων (δίχως μάζες) Σεισμός Κοζάνης Ενεργός ροπή (KNm) Δυναμική ανάλυση (δίχως μάζες) Δυναμική ανάλυση (με μάζες) Διαφράγματα (σύνδεση με πλάκα θεμελίωσης - κάτω) Σεισμός Θεσσαλονίκης 1995 Πλάκα -4 left (z=-26.7m) Πλάκα -4 right (z=-26.7m) Πλάκα left (z=-1.5m) Πλάκα right (z=-1.5m) Διαφράγματα (σύνδεση με πλάκα θεμελίωσης άνω) Διαφράγματα (σύνδεση με πλάκα θεμελίωσης κάτω) Εδαφικός καταναγκασμός Δυναμική ανάλυση Σύγκριση μεθόδων υπολογισμού Ροπή (KNm) Σεισμός Κοζάνης 1995 Στατική επιβολή μετακίνησεων Δυναμική ανάλυση Δυναμική με αδράνεια κατασκευής Ροπή (KNm) Σεισμός Θεσσαλονίκης 1978 Στατική επιβολή μετακίνησεων Δυναμική ανάλυση Δυναμική με αδράνεια κατασκευής 2 2 Πλάκα οροφής Πλάκα Διαφράγματα Διαφράγματα θεμελίωσης (άνω) (κάτω) Πλάκα οροφής Πλάκα Διαφράγματα Διαφράγματα θεμελίωσης (άνω) (κάτω) Σχετική συμφωνία αποτελεσμάτων στην πλάκα θεμελίωσης Σημαντικές διαφορές στην πλάκα οροφής της κατασκευής Ανακατανομή ροπών κατά την πλήρη δυναμική ανάλυση στο κατακόρυφο διάφραγμα που δεν φαίνεται στην ψευδοστατική μέθοδο Η αδρανειακή απόκριση σημαντική μόνο στην πλάκα οροφής 16 53

54 Α(m/sec 2 ) Χρονοϊστορία Επιτάχυνσης στην επιφάνεια- THESS 6 5 Επιτάχυνση σε απόσταση από το έργο (free field) 4 Επιτάχυνση στη θέση του έργου t (sec) Α(m/sec 2 ) Χρονοϊστορία Επιτάχυνσης σε βάθος 3.5m από τον πυθμένα (κεφαλή σήραγγας) -THESS Επιτάχυνση σε απόσταση από το έργο (free field) Επιτάχυνση στη θέση του έργου t (sec). m Water Thermaikos bay Vs=13m/s γ=18.6κν/m³ Vs=27m/s γ=21.κν/m³ Vs=38m/s 35.1 m γ=21.5κν/m³ Vs=5m/s γ=22.κν/m³ Vs=7m/s γ=22.κν/m³ Compacted gravel material -1.5 m m m -3.5 m m m Α(m/sec 2 ) Χρονοϊστορία Επιτάχυνσης σε βάθος 12.m από τον πυθμένα -THESS 4 Επιτάχυνση σε απόσταση από το έργο (free field) 3 Επιτάχυνση στη θέση του έργου t (sec) 3 Χρονοϊστορία Επιτάχυνσης στην επιφάνεια- THESS IΙ Χρονοϊστορία Επιτάχυνσης σε βάθος 2.m από τον πυθμένα -THESS Επιτάχυνση σε απόσταση από το έργο (free field) Επιτάχυνση στη θέση του έργου Α(m/sec 2 ) Α(m/sec 2 ) t (sec) -3 t (sec) Προφίλ επιβαλλόμενων διαφορικών μετακινήσεων - THESS Δu(m) z(m) Σεισμός Θεσσαλονίκης 'Ανω πλάκα Κάτω πλάκα

55 Ορθογωνική σήραγγα : Στατική επιβολή σεισμικών εδαφικών μετακινήσεων 19 Μετακίνηση (m) Χρονοϊστορία διαφορικής μετακίνησης y της σήραγγας -THESS διαφορική μετακίνηση (m) Διαφορική Μετακίνηση άνω-κάτω πλάκας THESS.8.6 Αναλυτική μέθοδος (Wang) Δυναμική ανάλυση t (sec) -.8 t (sec) Διαφορική μετακίνηση καθ' ύψος της σήραγγας z(m) Σεισμός Θεσσαλονίκης Σεισμός Κοζάνης μετακίνηση (m) 11 55

56 Διαφορική μετακίνηση άνω και κάτω πλάκας για τους δύο σεισμούς σχεδιασμού διαφορική μετακίνηση (m) Διαφορική Μετακίνηση άνω-κάτω πλάκας THESS Αναλυτική μέθοδος (Wang) Δυναμική ανάλυση t (sec) Σύγκριση μεταξύ (α) πλήρους δυναμικής ανάλυσης και (β) της μεθόδου του συντελεστή διατμητικής ευκαμψίας (Ranking coefficient) διαφορική μετακίνηση (m) Διαφορική Μετακίνηση άνω-κάτω πλάκας KOZ t (sec) Αναλυτική μέθοδος (Wang) Δυναμική ανάλυση 111 Ροπή(kNm) Χρονοϊστορία ροπής κόμβων 1, 4 -THESS t (sec) Ροπή κόμβων 1, 4 Ενεργός τιμή ροπής (612.3kNm) π1 π2 π3 τ1 τ2 τ3 τ4 π4 π5 π Ροπή(kNm) Χρονοϊστορία ροπής κόμβων 2,3 -THESS t (sec) Ροπή κόμβων 2, 3 Ενεργός τιμή ροπής (357.3kNm)

57 π1 π2 π3 τ1 τ2 τ3 τ4 π4 π5 π Στροφή (rad) Χρονοϊστορίες στροφής κόμβων στην άνω πλάκα της σήραγγας -THESS t (sec) στροφή στον κόμβο 1 στροφή στον κόμβο 2 στροφή στον κόμβο 3 στροφή στον κόμβο 4 Στροφή (rad) Χρονοϊστορίες στροφής κόμβων στην κάτω πλάκα της σήραγγας -THESS t (sec) στροφή στον κόμβο 5 στροφή στον κόμβο 6 στροφή στον κόμβο 7 στροφή στον κόμβο π1 π2 π3 τ1 τ2 τ3 τ4 π4 π5 π Μετακίνηση (m) Χρονοϊστορίες μετακίνησης z στην άνω πλάκα της σήραγγας -KOZ Μετακίνηση z στον κόμβο 1 Μετακίνηση z στον κόμβο 2 Μετακίνηση z στον κόμβο 3 Μετακίνηση z στον κόμβο Μετακίνηση (m) Χρονοϊστορίες μετακίνησης z στην κατω πλάκα της σήραγγας -KOZ Μετακίνηση z στον κόμβο 8 Μετακίνηση z στον κόμβο 6 Μετακίνηση z στον κόμβο 7 Μετακίνηση z στον κόμβο t (sec) -.3 t (sec)

58 Διάγραμμα αξονικών Διάγραμμα τεμνουσών Διάγραμμα ροπών 115 Ισοδύναμη Στατική Μέθοδος F1=32.95kN/m Kwx kn/m Kwx z x Kwz z x Kwz F2=5.9kN/m Ksx Ksz kn/m Ksx Ksz 15.2 kn/m 15.2 kn/m z x Kwz kn/m Ksx Ksz kn/m

59 π1 π2 π3 τ1 τ2 τ3 τ4 π4 π5 π Shear Force results Shear Force V (kn) model A model B model C model D model E time-history analysis eq. static method P1 left P1 center P1 right P2 left P2 center P2 right P3 left P3 center P3 right P4 left P4 center P4 right P5 left P5 center P5 right P6 left P6 center P6 right Τ1 up Τ1 down Τ2 up Τ2 down Τ3 up Τ3 down Τ4 up Τ4 down

60 15 Bending Moment results 1 Bending Moment M (knm) model A model B model C model D model E time-history analysis eq. static method P1 left P1 center P1 right P2 left P2 center P2 right P3 left P3 center P3 right P4 left P4 center P4 right P5 left P5 center P5 right P6 left P6 center P6 right Τ1 up Τ1 down Τ2 up Τ2 down Τ3 up Τ3 down Τ4 up Τ4 down 119 Αξονικό(kN) Σύγκριση Αξονικών δυναμικών αναλύσεων και ισοδύναμης στατικής μεθόδου (σε επιπεδο κρίσιμων διατομών) Σεισμός Κοζάνης Σεισμός Θεσσαλονίκης Ισοδύναμη στατική μέθοδος Π1αριστερά Π1 άνοιγμα Π1δεξιά Π2αριστερά Π2 άνοιγμα Π3δεξιά Π3αριστερά Π3άνοιγμα Π3δεξιά Π4αριστερά Π4 άνοιγμα Π4δεξιά Π5αριστερά Π5 άνοιγμα Π5δεξιά Π6αριστερά Π6 άνοιγμα Π6δεξιά Τ1 πάνω Τ1 κάτω Τ2 πάνω Τ2 κάτω Τ2 πάνω Τ2 κάτω Τ2 πάνω Τ2 κάτω 12 6

61 8 6 4 Σύγκριση τεμνουσών δυναμικών αναλύσεων και ισοδύναμης στατικής μεθόδου (σε επιπεδο κρίσιμων διατομών) Σεισμός Κοζάνης Σεισμός Θεσσαλονίκης Ισοδύναμη στατική μέθοδος Τέμνουσα(kN) Π1αριστερά Π1 άνοιγμα Π1δεξιά Π2αριστερά Π2 άνοιγμα Π3δεξιά Π3αριστερά Π3άνοιγμα Π3δεξιά Π4αριστερά Π4 άνοιγμα Π4δεξιά Π5αριστερά Π5 άνοιγμα Π5δεξιά Π6αριστερά Π6 άνοιγμα Π6δεξιά Τ1 πάνω Τ1 κάτω Τ2 πάνω Τ2 κάτω Τ2 πάνω Τ2 κάτω Τ2 πάνω Τ2 κάτω Σύγκριση ροπών δυναμικών αναλύσεων και ισοδύναμης στατικής μεθόδου (σε επιπεδο κρίσιμων διατομών) Σεισμός Κοζάνης Σεισμός Θεσσαλονίκης Ισοδύναμη στατική μέθοδος Ροπή(kNm) Π1αριστερά Π1 άνοιγμα Π1δεξιά Π2αριστερά Π2 άνοιγμα Π3δεξιά Π3αριστερά Π3άνοιγμα Π3δεξιά Π4αριστερά Π4δεξιά Π4 άνοιγμα Π5αριστερά Π5 άνοιγμα Π5δεξιά Π6αριστερά Π6 άνοιγμα Π6δεξιά Τ1 πάνω Τ1 κάτω Τ2 πάνω Τ2 κάτω Τ2 πάνω Τ2 κάτω Τ2 πάνω Τ2 κάτω

62 Ανάλυση κατά την διαμήκη έννοια Α-σύγχρονη Κίνηση 123 Φαινόμενη ταχύτητα : V app V = sin ψ V app (η C s ) : 7 15 m/s Για σήραγγες : min L = 1m-15m (Kawashima, 1996)

63 Τοπικές εδαφικές συνθήκες και ασύγχρονη κίνηση διαφορά φάσης τοπικές εδαφικές συνθήκες Anastasopoulos et al 28, BEE Α 125 Δοκιμές ασύγχρονης δόνησης με δύο διατμητικές τράπεζες L = 1m Laminar box

64

65 Διαμήκης ασύγχρονη ταλάντωση Εγκάρσια ασύγχρονη ταλάντωση

66 131 Κ ij, C ij από Mylonakis et al. 26 Κ αρχ =31.5ΜΝ/m 2 Προσομοίωση αρμών GINA ETS (Daewoo 24)

67 Αξονική παραμόρφωση αρμών εδαφική κίνηση θ σήραγγα Δu (m) Μέγιστη παραμόρφωση συνδέσμου συναρτήσει της Cs Σεισμός Θεσ/νίκης Σεισμός Κοζάνης Cs (m/sec).25.2 Μέγιστη παραμόρφωση συνδέσμου συναρτήσει της γωνίας πρόσπτωσης φ Σεισμός Θεσ/νίκης Σεισμός Κοζάνης Δu (m) φ (deg) Χρονοϊστορία αξονικής παραμόρφωσης του αρμού 1- THESS αξονική παραμόρφωση (m) Χωρίς Διαφορά Φάσης -.6 t (sec).4 Χρονοϊστορία αξονικής παραμόρφωσης του αρμού 2- THESS.3 αξονική παραμόρφωση (m) "Ι t (sec)

68 .3 Χρονοϊστορία αξονικής παραμόρφωσης του αρμού 3- THESS αξονική παραμόρφωση (m) "Ι t (sec).2 Χρονοϊστορία αξονικής παραμόρφωσης του αρμού 4- THESS αξονική παραμόρφωση (m) "Ι t (sec) Χρονοϊστορία αξονικής παραμόρφωσης του αρμού 5- THESS αξονική παραμόρφωση (m) t (sec) αξονική παραμόρφωση (m) Χρονοϊστορία αξονικής παραμόρφωσης του αρμού 6- THESS t (sec)

69 αξονική παραμόρφωση (m) Χρονοϊστορία αξονικής παραμόρφωσης αρμών 2 και 3 - THESS (max Δx=.45, min Δx=-.48m) Αρμός 2 Αρμός 3 "Ι Β: Χωρίς απόσβεση -.6 t (sec) Cs = 1m/s αξονική παραμόρφωση (m) Χρονοϊστορία αξονικής παραμόρφωσης αρμών 2 και 3 - THESS (max Δx=.44m, min Δx=-.46m).1 "Ι t (sec) Αρμός 2 Αρμός 3 Γ : Με απόσβεση 137 αξονική παραμόρφωση (m) αξονική παραμόρφωση (m) Χρονοϊστορία αξονικής παραμόρφωσης του αρμού 6- THESS t (sec) Σύγκριση χρονοϊστοριών αξονικής παραμόρφωσης αρμού 6 κατά τις θεωρήσεις Γ και Δ- ΤΗΕSS t (sec) Θεώρηση Γ Θεώρηση Δ "Ι A Χωρίς Διαφορά Φάσης, Μηδενική Απόσβεση και ομοιόμορφο έδαφος Γ Διαφορά Φάσης και ομοιόμορφο έδαφος +Απόσβεση Δ +Απόσβεση και μεταβλητή στρωματογραφία

70 αξονική παραμόρφωση (m) Σύγκριση χρονοϊστοριών αξονικής παραμόρφωσης αρμού 2 κατά τις θεωρήσεις Γ και Ε -.6 ΤΗΕSS Θεώρηση Ε Θεώρηση Γ.4.2 "Ι t (sec) E και ΣΤ + δι-γραμμική σχέση για τον σύνδεσμο GINA Σύγκριση χρονοϊστοριών αξονικής παραμόρφωσης αρμού 6 κατά τις θεωρήσεις Δ και ΣΤ -.8 ΤΗΕSS αξονική παραμόρφωση (m) "Ι Θεώρηση Δ Θεώρηση ΣΤ εβ εα σα -.8 t (sec) σβ 139 Ρευστοποίηση 14 7

71 Εγκάρσιες και διαμήκεις οριζόντιες μετακινήσεις και καθιζήσεις εξαιτίας της πλευρικής εξάπλωσης με αποτέλεσμα => καταναγκασμό «στατικών» διαφορικών μετακινήσεων Ανύψωση σήραγγας λόγω αυξημένων ανωστικών δυνάμεων (υδατικές υπερπιέσεις λόγω ρεστοποίησης) 141 Μέθοδοι αντιμετώπισης Διαθέσιμη διατμητική αντοχή περιμετρικά της σήραγγας Διατμητικές κλείδες Προεντεταμένοι διαμήκεις εντατήρες Νεκρό βάρος Αποστράγγιση (σκάφη, χαλικοπάσσαλοι κλπ)

72 Χαρακτηριστικά σήραγγας BART Κατασκευή από Οπλισμένο Σκυρόδεμα, Κέλυφος από Χάλυβα Συνολικό μήκος 5.5 km Η σήραγγα περιβάλλεται από χαλαρές άμμους με χαλίκια (Dr < 5%) Υψηλή σεισμικότητα της περιοχής Τρωτότητα Πιθανή ανύψωση σήραγγας λόγω ρευστοποίησης του περιβάλλοντος εδάφους Fugro West Inc. (Section Designer Prime)-> Αποτίμηση της τρωτότητας και πρόταση κατάλληλης μεθόδου βελτίωσης 143 Κριτήρια σχεδιασμού Σήραγγας BART Ειδικά κριτήρια σχεδιασμού Δύο επίπεδα σεισμών σχεδιασμού Βασικός Σεισμός Σχεδιασμού (Design Basis Earthquake DBE): T=1 χρόνια, PGA.63g Μικρότερος Βασικός Σεισμός Σχεδιασμού (Lower Design Basis Earthquake LDBE): T=5 χρόνια, PGA.5g Στόχοι επιτελεστικότητας DBE: Ασφαλής εκκένωση, αποφυγή εισροής νερού λάσπης στη σήραγγα LDBE: Δυνατότητα επαναλειτουργίας σε σύντομο χρονικό διάστημα Κριτήρια αποδοχής Κριτήρια αντοχής (επιτρεπόμενες τάσεις) Κριτήρια παραμόρφωσης (επιτρεπόμενες παραμορφώσεις κυρίως αξονικές στο χαλύβδινο κέλυφος)

73 Φιλοσοφία σχεδιασμού Σχεδιασμός με βάση την επιτελεστικότητα (ή μεβάσητις παραμορφώσεις) έναντι του σχεδιασμού με χρήση Συντελεστή Ασφαλείας Θεώρηση δύο επιπέδων σεισμού σχεδιασμού Θεώρηση μέσης απόκρισης που προέκυψε από 7 χρονοϊστορίες κανονικοποιημένες ως προς τα φάσματα για κάθε επίπεδο Απαιτήσεις παραμορφώσεων Φορτιστικοί συνδυασμοί που έλαβαν υπόψη απαιτήσεις λόγω 1. ανύψωσης λόγω ρευστοποίησης 2. αξονικών παραμορφώσεων και απαιτήσεις ροπών ε M M + + ax uplift global ε y M y, θ= M y, θ= Κριτήρια απόφασης επεμβάσεων Εάν στις περισσότερες θέσεις ο λόγος διαρροής είναι 1. < λ < 2. Δεν προτείνεται επισκευή Σε μεμονωμένες θέσεις οι λόγοι διαρροής ενδέχεται να μην ανταποκρίνονται στα κριτήρια σχεδιασμού Ανάγκη περαιτέρω υπολογισμών / επισκευή

74 Συγκρίσεις αποτελεσμάτων 2 Πειράματα σε Φυγοκεντριστή University of California, Davis Αναλύσεις με FLAC (UBCSAND) και OpenSees (Elgamal et al.) Ανύψωση Σήραγγας (cm) Πείραμα FLAC OpenSees Kutter et al. (28) Επιτάχυνση (g) Διέγερση στην Βάση Διάρκεια (s) Τραβασάρου και Chacko (28) 147 Διανύσματα μετατόπισης Ο ρόλος της PGV! Τραβασάρου και Chacko (28)

75 Διατομή οριζόντιου διατμητικού κλειδιού: bxd = 19mm x 6mm μήκος: l = 7mm Διατομή κατακόρυφου διατμητικού κλειδιού: bxd = 6mm x 165mm μήκος: l = 7mm θέση προεντεταμένης αγκυρωσης διατμητική κλείδα συνδεσμος GINA 149 3D view of the tunnel-segment model Η μελέτη ρευστοποίησης των επιφανειακών χαλαρών σχηματισμών καταλήγει σε οριζόντιες και κατακόρυφες μετακινήσεις από 1cm έως 2cm 15 75

76 Δυνάμεις στην διατμητική κλείδα λόγω οριζόντιων μετακινήσεων Horizontal displacement Case (a) d (m) V sd (kn) Case (b) d (m) V sd (kn) * * * Διατμητική αντοχή σκυροδέματος 15ΚΝ Δυνάμεις στην διατμητική κλείδα λόγω κατακόρυφων μετακινήσεων Vertical displacement Case (a) d (m) V sd (kn) Case (b) d (m) V sd (kn) * * * Διατμητική αντοχή σκυροδέματος 26ΚΝ 151 Γενικά Θέματα Διαστασιολόγησης Πόσο σημαντικός είναι ο αντισεισμικός σχεδιασμός σε σχέση με τα υπόλοιπα φορτία στατικής φύσεως?