Αριθμητική διερεύνηση της δυνατότητας μείωσης της σεισμικής διακινδύνευσης κατασκευών με επεμβάσεις στο υπέδαφος θεμελίωσης

Transcript

1 Αριθμητική διερεύνηση της δυνατότητας μείωσης της σεισμικής διακινδύνευσης κατασκευών με επεμβάσεις στο υπέδαφος θεμελίωσης Numerical investigation of potential seismic risk mitigation at structures implementing foundation subsoil interventions ΚΙΡΤΑΣ, Ε.Α. ΠΙΤΙΛΑΚΗΣ, Κ.Δ. ΡΟΒΙΘΗΣ, Ε.Ν. Πολιτικός Μηχανικός, Υποψήφιος Διδάκτωρ, Α.Π.Θ. Δρ. Πολιτικός Μηχανικός, Καθηγητής, Α.Π.Θ. Πολιτικός Μηχανικός, Υποψήφιος Διδάκτωρ, Α.Π.Θ. ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Η χρήση επεμβάσεων στο έδαφος θεμελίωσης έχει κατά κανόνα ως στόχο την αύξηση της αντοχής του εδάφους έναντι στατικών και σεισμικών καταπονήσεων. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας πραγματοποιήθηκε η διερεύνηση της διαφοροποίησης της σεισμικής απόκρισης εδάφους και κατασκευής, λόγω της εφαρμογής επιλεγμένων εναλλακτικών μεθόδων επέμβασης στο υπέδαφος και την θεμελίωση, με κύριο χαρακτηριστικό την υιοθέτηση ενός τεχνητού υλικού το οποίο χαρακτηρίζεται από χαμηλή τιμή διατμητικής αντοχής. Η ερευνητική προσέγγιση του προβλήματος έγινε με την προσομοίωση και ανάλυση του συνολικού συστήματος εδάφους, επέμβασης και ανωδομής με την βοήθεια αριθμητικών προσομοιώσεων. ABSTRACT : Implementation of soil intervention aims primarily on increasing soil strength against static and dynamic loading. In the framework of this study several alternative subsoil intervention methods have been investigated, in terms of their effect on the modification of soil and structural seismic response. The common characteristic in all cases was the artificial material employed, characterized by low shear strength values. The problem was investigated from a research point of view, using numerical simulation of the soil-intervention-structure system in finite element codes. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η αντιμετώπιση του σεισμικού κινδύνου στις κατασκευές γίνεται παραδοσιακά με την κατάλληλη διαστασιολόγηση της ανωδομής και την εξασφάλιση της ικανοποιητικής συμπεριφοράς του φέροντος οργανισμού. Όσον αφορά το έδαφος θεμελίωσης λαμβάνεται απλά μέριμνα για την ασφαλή μεταφορά των φορτίων από την ανωδομή, προλαμβάνοντας τυχόν υπερβάσεις της φέρουσας ικανότητας ή των καθιζήσεων κάτω από τη θεμελίωση. Οι προσεισμικές επεμβάσεις στο έδαφος έχουν κατά κανόνα ως στόχο την αύξηση της αντοχής του εδάφους, ώστε να επιτυγχάνεται με ασφάλεια η μεταφορά των φορτίων. Η αύξηση της πυκνότητας του εδάφους, η ενίσχυση με μικροπασσάλους ή διαφράγματα όπως και η ενεμάτωση με διάφορα υλικά αυξημένης αντοχής, είναι κάποιες μόνο από τις μεθόδους που εφαρμόζονται στην πράξη και περιγράφονται αναλυτικά στη διεθνή βιβλιογραφία (Davies and Schlosser editors, 1997). Μόνο σε ειδικές περιπτώσεις δυναμικής συμπεριφοράς εδαφών, όπως στην περίπτωση ρευστοποιήσιμων εδαφών, ενδέχεται πέρα από τις κλασσικές τεχνικές αύξησης της αντοχής να γίνει χρήση κάποιων εναλλακτικών μεθόδων, που σχετίζονται κυρίως με την αποφυγή της ανάπτυξης υπερπίεσης του νερού των πόρων. Αυτές μπορεί να περιλαμβάνουν την δημιουργία συστημάτων αποστράγγισης, την υποβίβαση της στάθμης του υπόγειου ορίζοντα κ.ά. (JGS editor, 1998). Σήμερα είναι πλέον ευρύτατα γνωστή η εξάρτηση της δυναμικής συμπεριφοράς μιας κατασκευής από το είδος και τις συνθήκες θεμελίωσης της, όπως και τις ιδιότητες του 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/26 1

2 εδάφους θεμελίωσης. Η αδυναμία της θεμελίωσης λόγω της δυσκαμψίας της να παρακολουθήσει επακριβώς το κινηματικό πεδίο που αναπτύσσεται στο έδαφος από τα προσπίπτοντα σεισμικά κύματα (κινηματικό μέρος) σε συνδυασμό με τον πρόσθετο καταναγκασμό που επιβάλλει στο έδαφος η ταλάντωση της κατασκευής (αδρανειακό μέρος) συνθέτουν ένα φαινόμενο το οποίο είναι γνωστό ως αλληλεπίδραση εδάφουςκατασκευής και έχει αναλυθεί σε βάθος από την διεθνή επιστημονική κοινότητα (Luco 1974, Wolf 1985, Gazetas 1987 κ.ά.). Παράλληλα η ενδοσιμότητα του εδάφους θεμελίωσης έχει ως αποτέλεσμα την διαφοροποίηση των δυναμικών χαρακτηριστικών της κατασκευής σε σχέση με την θεώρηση ακλόνητης στήριξης στη βάση (πάκτωσης). Πιο συγκεκριμένα η θεμελιώδης ιδιοπερίοδος της κατασκευής αναμένεται να αυξηθεί οδηγώντας την απόκριση του συστήματος σε μεγαλύτερες περιόδους του φάσματος απόκρισης. Αν και η γενικότερη εντύπωση είναι πως ο συνυπολογισμός της αλληλεπίδρασης στην ανάλυση των κατασκευών οδηγεί σε ευνοϊκότερες καταστάσεις έντασης του φορέα δίνοντας αυξημένες σε κάποιο βαθμό μετακινήσεις, γεγονός είναι πως δεν είναι εύκολος ο εκ των προτέρων καθορισμός της ευεργετικής η δυσμενούς επιρροής του φαινομένου στην τελική απόκριση των κατασκευών (Mylonakis and Gazetas, 2). Με δεδομένη την αλληλεπίδραση εδάφουςθεμελίωσης γίνεται κατανοητό πως οποιαδήποτε επέμβαση στην περιοχή της θεμελίωσης δύναται να αλλάξει τα δυναμικά χαρακτηριστικά του ταλαντούμενου συστήματος, μεταβάλλοντας εν τέλει και την σεισμική του απόκριση. Με βάση την σκέψη αυτή γίνεται μια προσπάθεια στην παρούσα εργασία να διερευνηθεί η δυνατότητα μείωσης της σεισμικής διακινδύνευσης κατασκευών, λόγω ακριβώς της ύπαρξης κάποιων κατάλληλων επεμβάσεων στο έδαφος θεμελίωσης. 2. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΠΕΜΒΑΣΗΣ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ Οι τεχνικές επέμβασης που θα εξεταστούν στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται στο Σχήμα 1. Η δημιουργία μιας οριζόντιας στρώσης μειωμένης δυστμησίας κάτω από την θεμελίωση (Σχήμα 1β), κατακόρυφα «εύκαμπτα» διαφράγματα πλευρικά της θεμελίωσης (Σχήμα 1γ), όπως και ο συνδυασμός των παραπάνω στην κατασκευή ενός «εύκαμπτου» περιβλήματος-κιβωτίου (Σχήμα 1δ), μεταβάλλουν την σεισμική απόκριση του συστήματος έδαφος-κατασκευή όπως προκύπτει και από τις συγκρίσεις με την κατάσταση αναφοράς που αποτελεί το αρχικό σύστημα δίχως καμία επέμβαση (Σχήμα 1α). Οι παραπάνω τεχνικές επέμβασης δεν είναι μέρος της συνήθους πρακτικής στο χώρο των γεωτεχνικών επεμβάσεων. Εμπλέκουν δε την χρήση κάποιων πρωτότυπων υλικών όπως αυτό του «αδύναμου» διατμητικά οριζοντίου στρώματος, των οποίων η δυνατότητα ανταπόκρισης σε σεισμικές συνθήκες και υπό το καθεστώς τάσεων που επιβάλλει η τοποθέτησή τους σε κάποιο βάθος κάτω από τη θεμελίωση, είναι ακόμη υπό έρευνα. Εδώ η μελέτη του φαινομένου είναι καθαρά ερευνητική εστιάζοντας στην δυναμική απόκριση του συστήματος και παραβλέποντας σε πρώτο στάδιο θέματα αντοχής. Μια πληρέστερη εικόνα μελέτης της επιρροής προτοεμφανιζόμενων αλλά και περισσότερο κλασσικών τεχνικών επέμβασης στο έδαφος μπορεί να αναζητηθεί αλλού (Pitilakis et al, 25). (α) (β) (γ) (δ) Σχήμα 1. Τεχνικές επέμβασης που εξετάζονται Figure 1. Investigated intervention techniques Μέθοδοι αντίστοιχοι με την χρήση εύκαμπτων διαφραγμάτων δεν έρχονται για πρώτη φορά στο προσκήνιο καθώς έχουν μελετηθεί και χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για την απομείωση των δονήσεων που προέρχονται από την κίνηση τρένων σε παρακείμενες κατασκευές (Leung et al 1989, Adam and Estorf 25). Ασφαλώς στις παραπάνω περιπτώσεις ο κύριος στόχος είναι η διαφοροποίηση του κυματικού πεδίου λόγω των κυμάτων επιφανείας, και διαφοροποιούνται από την περίπτωση της σεισμικής επιπόνησης όπου κύματα χώρου διαδίδονται προς την επιφάνεια 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/26 2

3 του εδάφους. Παρόλα αυτά αποδεικνύεται πως η σύλληψη της παρέμβασης στην διάδοση των κυμάτων και τα δυναμικά χαρακτηριστικά των ταλαντούμενων συστημάτων δεν είναι πρωτοεμφανιζόμενη. Παράλληλα, σε ερευνητικό στάδιο ακόμη, γίνονται μελέτες στην επιρροή της επέμβασης στο υπέδαφος με τη δημιουργία διεπιφάνειας που χαρακτηρίζεται από χαμηλό συντελεστή τριβής, σηματοδοτώντας την εφαρμογή σεισμικής μόνωσης σε συστήματα εδάφουςκατασκευής (Yegian and Kadakal 24, Yegian and Catan 24). Μια ερευνητική προσπάθεια που επικεντρώθηκε στην μελέτη μεθόδων μείωσης του σεισμικού κινδύνου με επεμβάσεις στο έδαφος θεμελίωσης έγινε και μέσω του ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος NEMISREF (New methods for mitigation of seismic risk of existing foundations) με την συμμετοχή και του ΑΠΘ. 3. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε προκειμένου να διερευνηθεί η επιρροή των επεμβάσεων στην απόκριση του συστήματος και εν τέλει της κατασκευής, μπορεί να συνοψιστεί στα παρακάτω βήματα: α) Μελέτη απόκρισης του συστήματος έδαφοςκατασκευή δίχως καμία επέμβαση β) Μελέτη της απόκρισης του συστήματος έδαφος-κατασκευή με την εκάστοτε επέμβαση γ) Σύγκριση των παραπάνω στο πεδίο του χρόνου και στο πεδίο των συχνοτήτων Για την αριθμητική προσομοίωση του φαινομένου χρησιμοποιούνται δυο κώδικες πεπερασμένων στοιχείων γενικής χρήσης, το ANSYS (2) και το ADINA (24). Το πρόβλημα εξετάζεται σε 2 διαστάσεις σε συνθήκες επίπεδης παραμόρφωσης, ενώ η επιλογή των πλευρικών ορίων γίνεται με τρόπο που να αποτρέπει την αλλοίωση των αποτελεσμάτων της ανάλυσης από ανεπιθύμητες ανακλάσεις κυμάτων σε αυτά. Η μελέτη γίνεται με την διενέργεια δυναμικών στο χρόνο αναλύσεων, με χρήση SV κυμάτων στο βραχώδες υπόβαθρο του προσομοιώματος έδαφος-κατασκευή που εξετάζεται. Στα πλαίσια των αναλύσεων που έλαβαν χώρα επιλέχθηκε ένα ομογενές εδαφικό προφίλ με ταχύτητα διατμητικών κυμάτων ίση με Vs=2m/s που αντιστοιχεί σε έδαφος κατηγορίας C σύμφωνα με τον EC8. Η κατασκευή προσομοιώνεται με μονοβάθμιο ταλαντωτή που εδράζεται στο έδαφος μέσω άκαμπτης θεμελίωσης, με τρόπο τέτοιο ώστε να μην επιτρέπονται διαφορικές κινήσεις εδάφους και θεμελίωσης στην διεπιφάνεια μεταξύ τους. Το ύψος της κατασκευής επιλέγεται έτσι ώστε να προκύπτει ένα κανονικοποιημένο ύψος h norm =H/B ίσο με την μονάδα, όπου 2Β η διάσταση της θεμελίωσης στο επίπεδο που εξετάζεται. Παραμετρικά διερευνήθηκε τόσο η επιρροή της (υπό συνθήκες πάκτωσης) ιδιοπεριόδου Ts της κατασκευής όσο και της μάζας m s, στην διαφοροποίηση που επέφερε η εφαρμογή της εκάστοτε επέμβασης. Η μάζα της κατασκευής λήφθηκε υπόψη σε όρους κανονικοποιημένης μάζας που ορίζεται ως (Wolf,1985): ms m = (1) norm 3 ρ Β όπου ρ η πυκνότητα του εδάφους. Διερευνήθηκαν τιμές κανονικοποιημένης μάζας ίσες με.5 και 2. Αντίστοιχες παράμετροι που αφορούν την επιρροή στοιχείων της κάθε επέμβασης εξετάστηκαν επίσης ώστε να διαπιστωθεί η σπουδαιότητα τους στην παρατηρηθείσα μεταβολή της απόκρισης. Η σεισμική διέγερση στη βάση του προσομοιώματος αποτελείται από μια μονοχρωματική ημιτονοειδή κίνηση σταθερού πλάτους 2m/sec², ενώ εξετάζονται περίοδοι που καλύπτουν το εύρος μεταξύ.1-1sec με πυκνότητα.1sec. Παράλληλα γίνονται και ενδεικτικές αναλύσεις με άλλου είδους διεγέρσεις προκειμένου να διαπιστωθεί η ευαισθησία της τελικής απόκρισης από την επιλογή της εισαγόμενης κίνησης. Για την επίτευξη ενός εποπτικού τρόπου εξέτασης και παρουσίασης των αποτελεσμάτων της σύγκρισης, επιλέγονται αρχικά οι μέγιστες τιμές από τις χρονοϊστορίες των μεγεθών που εξετάζονται (όπως επιτάχυνση στη βάση και κορυφή της κατασκευής, ροπή στην βάση κτλ) για κάθε ιδιοπερίοδο διέγερσης. Στη συνέχεια υπολογίζεται ο λόγος των μέγιστων τιμών της τροποποιημένης (με την επέμβαση) προς την αρχική (δίχως επέμβαση) απόκριση. Κάθε τιμή του λόγου που προκύπτει μικρότερη της μονάδος θεωρείται ως ευνοϊκή επιρροή της επέμβασης, καθώς το σχετικό μέγεθος απόκρισης προκύπτει μικρότερο από την δίχως επέμβαση κατάσταση. 4. ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΤΩΝ ΚΩΔΙΚΩΝ Η χρήση των κωδίκων πεπερασμένων στοιχείων γενικής χρήσης για την διενέργεια των αναλύσεων και την εξαγωγή συμπερασμάτων, προϋποθέτει την αξιοπιστία 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/26 3

4 των αριθμητικών αυτών εργαλείων στο είδος της ανάλυσης που χρησιμοποιούνται κατά τη μελέτη του φαινομένου. Προκύπτει συνεπώς η ανάγκη βαθμονόμησής τους με τρόπο ώστε να επαληθεύεται η ορθότητα των αριθμητικών αναλύσεων σε θέματα διάδοσης σεισμικών κυμάτων και φαινομένων αλληλεπίδρασης. Η βαθμονόμηση αυτή γίνεται με την σύγκριση με φυσικά πειράματα σε διατάξεις φυγοκεντριστή, που διεξήχθησαν υπό συγκεκριμένη κλίμακα και περιλαμβάνουν την μελέτη συστημάτων εδάφους και κατασκευής υπό δυναμική διέγερση, συμπεριλαμβανομένου συνεπώς και του φαινομένου της αλληλεπίδρασης. Τα πειράματα σε συσκευή φυγόκεντρου έχουν το πλεονέκτημα αναπαραγωγής του πεδίου των τάσεων στο έδαφος σε πρωτότυπη κλίμακα με αποτέλεσμα να θεωρούνται κατάλληλα για φυσική προσομοίωση γεωτεχνικών πειραμάτων. Τα πειράματα που προσομοιώθηκαν ανήκουν γενικότερα σε δυο κατηγορίες συνθηκών εδάφους και τύπων θεμελίωσης. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε όσον αφορά την προσομοίωση της μη-γραμμικής συμπεριφοράς του εδάφους υπό καθεστώς ισχυρής δυναμικής φόρτισης περιελάμβανε μια επαναληπτική διαδικασία. Μια αρχική ανάλυση με τις ελαστικές σταθερές του εδάφους να αντιστοιχούν σε συνθήκες μικρών παραμορφώσεων έχει ως αποτέλεσμα έναν πρώτο υπολογισμό των αναπτυσσόμενων διατμητικών παραμορφώσεων με το βάθος. Στη συνέχεια το μέτρο διάτμησης και η απόσβεση του εδάφους υφίστανται κατάλληλη τροποποίηση ώστε να αντιστοιχούν στις τιμές των διατμητικών παραμορφώσεων που υπολογίστηκαν από τον πρώτο κύκλο αναλύσεων, σύμφωνα με κατάλληλα επιλεγμένες ανά υλικό καμπύλες G-γ-D (Seed et al1968, Vucetic and Dobry 1991). Ακολουθεί επόμενος κύκλος αναλύσεων έως ότου επιτευχθεί σύγκλιση στις τιμές των διατμητικών παραμορφώσεων που αναπτύσσονται. Μια αναλυτικότερη παρουσίαση της εφαρμογής της όπως και πλήρης περιγραφή των πειραμάτων και της προσομοίωσης που ακολουθήθηκε σε πρώτο στάδιο, μπορεί να αναζητηθεί αλλού (Pitilakis et al, 25). Ο κώδικας ANSYS πιο συγκεκριμένα ελέγχθηκε με βάση το πείραμα με διάταξη που παρουσιάζεται στο Σχήμα 2. Το πείραμα αυτό αναφέρεται σε διστρωματικό έδαφος, με την ύπαρξη μιας επιφανειακής στρώσης 6m από πολύ μαλακή άργιλο επάνω σε μια απόθεση πυκνής άμμου πάχους 11m. Γίνεται μελέτη της δυναμικής αλληλεπίδρασης των μονοβάθμιων ταλαντωτών με βαθιά θεμελίωση με το περιβάλλον έδαφος. Ενδεικτικά αποτελέσματα της προσομοίωσης φαίνονται στο διάγραμμα του Σχήματος 3. Σχήμα 2. Πείραμα συσκευής φυγόκεντρου που προσομοιώθηκε με τον κώδικα ANSYS (πηγή: Wilson et al, 1997b, Διεξαγωγή πειράματος: University of California, Davis) Figure 2. Centrifuge experiment simulated with ANSYS Acc (g) Control point 1 Control point 2 Control point 6 Control point 7 Experiment Numerical t (sec) Σχήμα 3. Αποτελέσματα προσομοίωσης του πειράματος με τον κώδικα ANSYS Figure 3. Experiment simulation results with ANSYS Με τον κώδικα ADINA έγινε η προσομοίωση ενός πλαισιακού μονοβάθμιου ταλαντωτή με επιφανειακή θεμελίωση επάνω σε απόθεση άμμου υψηλής πυκνότητας πάχους 17m. Η διάταξη που προσομοιώθηκε παρουσιάζεται στο Σχήμα 4 ενώ ενδεικτικά αποτελέσματα στα διάφορα σημεία ελέγχου φαίνονται στο Σχήμα 5. Περισσότερες λεπτομέρειες για την πειραματική διάταξη όπως και ένας ενδιαφέρων σχολιασμός των αποτελεσμάτων 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/26 4

5 της προσομοίωσης μπορούν να βρεθούν σε προγενέστερη εργασία (Pitilakis et al, 24). Η επιτυχής προσομοίωση των φυσικών πειραμάτων επιβεβαίωσε την δυνατότητα των κωδίκων που χρησιμοποιήθηκαν να αναπαραστήσουν φαινόμενα διάδοσης κυματισμών και αλληλεπίδρασης εδάφουςθεμελίωσης-κατασκευής. Σχήμα 4. Πείραμα συσκευής φυγόκεντρου που προσομοιώθηκε με τον κώδικα ADINA (πηγή: Pitilakis et al, 24, Διεξαγωγή πειράματος: Cambridge University) Figure 4. Centrifuge experiment simulated with ADINA Acc (g) Earthquake Scenario 3 Control point 1 Control point 2 Control point 3 Control point 4 Control point 5 Earthquake 3 input motion Experiment Numerical t (sec) Σχήμα 5. Αποτελέσματα προσομοίωσης του πειράματος με τον κώδικα ADINA Figure 5. Experiment simulation results with ADINA 5. ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΩΝ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΠΕΜΒΑΣΗΣ 5.1 «Αδύναμη» οριζόντια στρώση Η εισαγωγή μιας οριζόντιας στρώσης μικρής δυστμησίας στο έδαφος κάτω από την θεμελίωση έχει ως στόχο το μερικό φιλτράρισμα των κυμάτων που διαδίδονται προς την επιφάνεια. Πιο συγκεκριμένα η οριζόντια αυτή στρώση θα πρέπει να είναι σχεδιασμένη έτσι ώστε να επιτρέπει την ανάπτυξη σημαντικών τιμών διατμητικών παραμορφώσεων υπό χαμηλά σχετικά επίπεδα διατμητικών τάσεων. Η υλοποίησή της μπορεί να περιλαμβάνει κάποιο υλικό με ιδιαίτερα χαμηλό μέτρο διάτμησης, γρήγορη διατμητική αστοχία ή και διεπιφάνεια με κατάλληλο συντελεστή τριβής, Η προσομοίωση της στο παρόν γίνεται στα πλαίσια της γραμμικής ελαστικότητας υποθέτοντας μια μικρή τιμή του μέτρου διάτμησης. Η αριθμητική προσομοίωση της επέμβασης σε πρώτο στάδιο δείχνει πως για να υπάρξει ουσιαστική μεταβολή στην σεισμική απόκριση θα πρέπει η οριζόντια στρώση να εκτείνεται σε σημαντικό μήκος, και ως εκ τούτου καθιστώντας την εφαρμογή της αρκετά δύσκολη στην πράξη (Σχήμα 6-7). Acc (g) Benchmark Horiz. Layer (small) t (sec) Σχήμα 6. Απόκριση κατασκευής με μικρό μήκος επέμβασης (L=2B) Figure 6. Structural response with small intervention length. (L=2B) Acc (g) Benchmark Horiz. Layer (extended) t (sec) Σχήμα 7. Απόκριση κατασκευής με εκτεταμένο μήκος επέμβασης (L=6B) Figure 7. Structural response with extended intervention length. (L=6B) 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/26 5

6 5.2 «Εύκαμπτα» κατακόρυφα διαφράγματα Η κατασκευή κατακόρυφων εύκαμπτων διαφραγμάτων γύρω από την κατασκευή έχει ως στόχο να διαφοροποιήσει τα δυναμικά χαρακτηριστικά του αποκρινόμενου συστήματος οδηγώντας το σε μεγαλύτερες περιόδους. Παράλληλα αναμένεται να μεταβάλει σε κάποιο βαθμό και την σεισμική κίνηση που διαδίδεται από το βραχώδες υπόβαθρο προς τη βάση της κατασκευής, λόγω της απόκρισης του εδάφους που περιβάλλεται από τα διαφράγματα. Η διαφοροποίηση της κορυφαίας επιτάχυνσης λόγω της επέμβασης και για μεταβλητό βάθος διαφραγμάτων φαίνεται στο Σχήμα 8 για την βάση και στο Σχήμα 9 για την κορυφή της κατασκευής. Μπορεί συνεπώς να διακριθεί μια περιοχή, η οποία μεταβάλλεται με το βάθος των διαφραγμάτων, όπου παρατηρείται μείωση της αρχικής απόκρισης σε επίπεδα που φτάνουν έως και το 5% στην κορυφή της κατασκευής. Παρόμοια αποτελέσματα, πέρα από την κατασκευή με ιδιοπερίοδο Ts=.4sec και κανονικοποιημένη μάζα ίση με 2 που παρουσιάζεται στα σχήματα, εμφανίζονται και στην μελέτη των κατασκευών με ιδιοπερίοδο στα.2sec και.4sec. Αντίθετα, όπως φαίνεται στην μεταβολή του λόγου που αφορά τη ροπή στη βάση της κατασκευής (Σχήμα 1), η κατάσταση διαφοροποιείται όταν εξετάζονται κατασκευές με κανονικοποιημένη μάζα κατασκευής ίση με.5, όπου το εύρος της βελτίωσης της απόκρισης περιορίζεται σε ένα μικρό μέρος του φάσματος των συχνοτήτων Base Acceleration Ratio D=B D=4B/3 D=5B/ Σχήμα 8. Μεταβολή του λόγου της επιτάχυνσης στην βάση (Ts=.4sec, m norm =2) Figure 8. Variation of structure base acceleration ratio (Ts=.4sec, m norm =2) διέγερσης, το οποίο συνδέεται άμεσα με την θεμελιώδη ιδιοπερίοδο της κατασκευής στο σύστημα αναφοράς και τον συντονισμό που είχε επιτευχθεί κατά την ανάλυσή του. Θα πρέπει επίσης να αναφερθεί ότι σε όλες τις περιπτώσεις υπήρξε σημαντική αύξηση του λόγου των στροφών στη βάση της κατασκευής, η οποία ενδεχομένως παραμένει χαμηλή σε απόλυτες τιμές αλλά σίγουρα χρήζει κάποιας ιδιαίτερης προσοχής. Superstructure Accel. Ratio D=B D=4B/3 D=5B/ Σχήμα 9. Μεταβολή του λόγου της επιτάχυνσης στην κορυφή της κατασκευής (Ts=.4sec, m norm =2) Figure 9. Variation of superstructure acceleration ratio (Ts=.4sec, m norm =2) Base Moment Ratio D=5B/3 m norm =.5 D=5B/3 m norm = Σχήμα 1. Μεταβολή του λόγου της ροπής στην βάση της κατασκευής (Ts=.4sec, D=5B/3) Figure 1. Variation of structural base moment ratio (Ts=.4sec, D=5B/3) 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/26 6

7 5.3 «Εύκαμπτο» περίβλημα-κιβώτιο εδάφουςκατασκευής Στην περίπτωση ενός συνδυασμού των δυο παραπάνω μεθόδων, με χρήση των κατακόρυφων εύκαμπτων διαφραγμάτων και ταυτόχρονη κατασκευή της οριζόντιας «αδύναμης» διατμητικά στρώσης, γίνεται εφαρμογή των αρχών της σεισμικής μόνωσης στο σύστημα έδαφος-κατασκευή. Κατά τη διάρκεια της σεισμικής κίνησης αναμένεται πέρα από το φιλτράρισμα της και η μεταφορά της απόκρισης του συστήματος σε μεγάλες ιδιοπεριόδους. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων σε βάση και κορυφή (Σχήματα 11-12) αναφέρονται σε συγκεκριμένη τιμή του μέτρου ελαστικότητας των κατακόρυφων διαφραγμάτων και σε τιμή κανονικοποιημένης μάζας ίσης με.5, αποδεικνύοντας την αποτελεσματικότητα της επέμβασης και σε χαμηλές τιμές της μάζας της κατασκευής σε αντίθεση με την προηγούμενη μέθοδο. Στην τιμή m norm =2 η επέμβαση βεβαίως εμφανίζει ακόμη εντυπωσιακότερα αποτελέσματα. Σε κάθε περίπτωση υπάρχει μια άνω τιμή περιόδου διέγερσης, πάνω από την οποία η απόκριση αυξάνεται σε σχέση με την αρχική. Η μελέτη της εξάρτησης των αναλύσεων από το είδος της σεισμικής κίνησης που επιλέχθηκε, υιοθετώντας εκτός της συνεχούς αρμονικής κίνησης και δυο παλμούς (Ricker και αρμονικό), δείχνει ότι υπάρχουν μικροδιαφορές, η τάση όμως παραμένει ίδια σε όλες τις περιπτώσεις φόρτισης (Σχήμα 13). Base Acceleration Ratio G=5 KPa G=1 KPa G=2 KPa G=4 KPa Σχήμα 11. Μεταβολή του λόγου της ρ επιτάχυνσης στην βάση της κατασκευής (Ts=.4sec, m norm =.5) Figure 11. Variation of structure base acceleration ratio (Ts=.4sec, m norm =.5) Superstructure Accel. Ratio G=5 KPa G=1 KPa G=2 KPa G=4 KPa Σχήμα 12. Μεταβολή του λόγου της επιτάχυνσης στην κορυφή της κατασκευής (Ts=.4sec, m norm =.5) Figure 12. Variation of superstructure acceleration ratio (Ts=.4sec, m norm =.5) Superstructure Accel. Ratio Harmonic continuous Harmonic 1 cycle Ricker Σχήμα 13. Επιρροή του είδους της διέγερσης στην μεταβολή της επιτάχυνσης της ανωδομής Figure 13. Influence of input motion type on superstructure acceleration modification 6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Κατά την μελέτη της επιρροής τριών πρωτότυπων τεχνικών επέμβασης στην σεισμική συμπεριφορά του συστήματος έδαφος-κατασκευή διαπιστώθηκε πως είναι θεωρητικά δυνατή η επίτευξη ευνοϊκότερης απόκρισης σε συγκεκριμένο φάσμα συχνοτήτων διέγερσης. Η παραμετρική ανάλυση διερεύνησε τον ρόλο κάποιων σημαντικών παραμέτρων που αφορούν την τυπολογία των επεμβάσεων, τα χαρακτηριστικά της σεισμικής κίνησης και τις 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/26 7

8 ιδιότητες του συστήματος έδαφος-κατασκευή ενώ ανέδειξε την επιρροή της μάζας της κατασκευής στην αποτελεσματικότητα των μεθόδων που εξετάστηκαν. Η εφαρμογή «σεισμικής μόνωσης» τύπου εύκαμπτου κιβωτίου στο έδαφος ήταν η επέμβαση που έδωσε την μεγαλύτερη βελτίωση. Περισσότερες αριθμητικές μελέτες σε συνδυασμό με φυσικά πειράματα και ταυτόχρονη παρακολούθηση της προόδου σε επίπεδο τεχνολογικής εφαρμογής των μεθόδων που περιγράφηκαν, κρίνονται απαραίτητες για την συνέχιση της εργασίας αυτής. 7. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Στο σημείο αυτό αναγνωρίζεται η συμβολή του ιδρύματος Αλέξανδρος Ωνάσης, μέσω χορήγησης υποτροφίας για εκπόνηση διδακτορικής διατριβής, όπως και του ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος NEMISREF το οποίο συνεισέφερε ουσιαστικά στην διεξαγωγή πειραμάτων και αναλύσεων. 8. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Adam, M. and Estorff, O. von (25), Reduction of Train-Induced Building Vibrations by Using Open and Filled Trenches, Computers and Structures, Vol. 83, pp ADINA R & D Inc. (24) Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis - Theory and modeling guide, Watertown, USA. ANSYS Inc (2) ANSYS User s manual. Version 8.1, SAS IP, Houston, USA. Davis, M. C. R., Schlosser, F. editors (1997), Ground Improvement Geosystems: Densification and Reinforcement, Proc. of the Third International Conference on Ground Improvement Geosystems, Thomas Telford, London, 3-5 June. Gazetas G. (1987), Soil-Dynamics: An Overview, Dynamic behaviour of foundations and buried structures (editors: Banerjee P., Butterfield R.), Elsevier Applied Science. Japanese Geotechnical Society editor (1998), Remedial Measures Against Soil Liquefaction: From Investigation and Design to Implementation, A.A. Balkema, Rotterdam. Leung, K. L., Vardoulakis, I. G., Beskos, D. E., Tassoulas, J. L. (1991), Vibration Isolation by Trenches in Continuously Nonhomogeneus Soil by the BEM, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol. 1, No. 3, pp Luco, J.E. (1974), Impedance functions for a rigid foundation on a layered medium, Nuclear Engineering and Design, Vol. 31, pp Mylonakis, G. and Gazetas, G. (2), Seismic soil-structure interaction: Beneficial or detrimental?, Journal of Earthquake Engineering, Vol. 4, No. 3, pp Pitilakis, K., Kirtas, E., Rovithis, E. (25), Is it Possible to Improve the Seismic Structural Behaviour with Intervention to Subsoil and Foundation Conditions?, 1 st Greece-Japan Workshop: Seismic Design, Observation and Retrofit of Foundations, October 11-12, Athens, Greece. Pitilakis, K., Kirtas, E., Sextos, A., Bolton, M., Madabhushi, G., Brennan, A. (24), Validation by centrifuge testing of numerical simulations for soil-foundationstructure systems, Proc. of the 13th World Conference on Earthquake Engineering (13WCEE), Vancouver, Canada. Seed, H.B., Wong, R.T., Idriss I.M., Tokimatsu K. (1986), Moduli and damping factors for dynamic analyses of cohesionless soils, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 112, No. 11, pp Vucetic, M. and Dobry, R. (1991), Effect of soil plasticity on cyclic response, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 117 No. 1, pp Wilson, D. W., Boulanger, R. W., and Kutter, B. L. (1997b), Soil-pile-superstructure interaction at soft or liquefiable soil sites - Centrifuge data report for Csp4. Rep. No UCD/CGMDR-97/5, Center for Geotechnical Modeling, Department of Civil and Environmental Engineering, University of California, Davis, Calif. Wolf, J. (1985), Dynamic Soil-Structure Interaction, Prentice-Hall. Yegian, M. K. and Catan, M. (24), Soil Isolation for Seismic Protection Using a Smooth Synthetic Liner, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 13, No. 11, pp Yegian, M. K. and Kadakal, U. (24), Foundation Isolation for Seismic Protection Using a Smooth Synthetic Liner, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.13, No.11, pp ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/26 8