The Role of Local Soil Conditions in the Seismic Risk Assessment of R/C Bridges. Application to the Bridges of Thessaloniki s Urban Area.

Transcript

1 Ο Ρόλος των Τοπικών Εδαφικών Συνθηκών στην Εκτίμηση της Σεισμικής Διακινδύνευσης Γεφυρών Ο/Σ. Εφαρμογή στις Γέφυρες του Πολεοδομικού Συγκροτήματος Θεσσαλονίκης. The Role of Local Soil Conditions in the Seismic Risk Assessment of R/C Bridges. Application to the Bridges of Thessaloniki s Urban Area. ΑΡΓΥΡΟΥΔΗΣ, Σ. Α. Πολιτικός Μηχανικός, Υπ. Δρ, Τμ. Πολιτικών Μηχανικών, Α.Π.Θ. ΠΕΪΤΣΗ, Ε. Ι. Πολιτικός Μηχανικός, Α.Π.Θ. ΠΕΪΤΣΗ, Α. Ι. Πολιτικός Μηχανικός, Α.Π.Θ. ΠΙΤΙΛΑΚΗΣ, Κ. Δ. Δρ Πολιτικός Μηχανικός, Καθηγητής, Τμ. Πολιτικών Μηχανικών, Α.Π.Θ. ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Στην παρούσα εργασία επιχειρείται ο καθορισμός των απαραίτητων βημάτων για την ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας εκτίμησης της σεισμικής διακινδύνευσης γεφυρών Ο/Σ, η οποία θα περιλαμβάνει τη μελέτη της σεισμικής επικινδυνότητας, τη δημιουργία βάσης δεδομένων με τα απαραίτητα στοιχεία των υπό εξέταση γεφυρών, τον καθορισμό της τυπολογίας τους, καθώς και την ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου μοντέλου σεισμικής τρωτότητας. Η εφαρμογή στις γέφυρες του πολεοδομικού συγκροτήματος Θεσ/νίκης επιτρέπει τον έλεγχο και τη βελτιστοποίηση της αναπτυχθείσας μεθοδολογίας, αναδεικνύει τη σπουδαιότητα των ειδικών μελετών σεισμικής απόκρισης του εδάφους για διάφορα σεισμικά σενάρια σε κάθε θέση γέφυρας (μικροζωνικές μελέτες) και γενικά των ρόλο των τοπικών εδαφικών συνθηκών στην εκτίμηση της σεισμικής διακινδύνευσης του οδικού δικτύου. ABSTRACT: In the present study is attempted to define the necessary steps for the development of a comprehensive methodology for the estimation of the seismic risk of RC bridges, which includes the seismic hazard analysis, the creation of a data base with the necessary features of bridges, the determination of their typology and the development of appropriate vulnerability model. Through the application to the bridges in Thessaloniki urban area for a certain seismic scenario, the proposed methodology could be validated and improved, while the importance of specific seismic soil response studies in each bridge location (microzonation studies) and in general the role of the local soil conditions in the seismic risk study of roadway system are highlighted. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι γέφυρες αποτελούν βασικές συνιστώσες του οδικού δικτύου, ιδιαίτερα όσες βρίσκονται εντός μεγάλων αστικών συγκροτημάτων. Οι βλάβες από σεισμούς που παρατηρήθηκαν παγκοσμίως σε οδικές γέφυρες από Ο/Σ και η συνακόλουθη βραχυπρόθεσμη και μακροπρόθεσμη επίδρασή τους στις δραστηριότητες των πληγεισών περιοχών, κατέστησαν αναγκαία την ανάπτυξη μεθόδων αποτίμησης της σεισμικής τους τρωτότητας. Το άμεσο κόστος αποκατάστασης των γεφυρών μετά τον σεισμό της Loma Pieta (1989) ήταν περίπου $280 εκατ., για το σεισμό του Northridge (1994) ανήλθε σε $190 εκατ., ενώ το συνολικό κόστος για το δίκτυο μεταφορών ήταν $1.8 δις (Basoz and Kiremidjian, 1998). Το άμεσο κόστος αποκατάστασης του δρόμου ταχείας κυκλοφορίας Hansin μετά το σεισμό του Kobe (1995) ήταν $4.6 δις (Shinozuka, 1995), ενώ το πραγματικό κόστος είναι πολύ υψηλότερο αν συνυπολογιστούν οι προκληθείσες ημερήσιες οικονομικές απώλειες ($3.4 εκατ. περίπου) από τα διόδια, τις καθυστερήσεις στην κυκλοφορία οχημάτων και την διακοπή δραστηριοτήτων. Μέχρι πρόσφατα η σεισμική διακινδύνευση τόσο του οδικού δικτύου όσο και των υπολοίπων δικτύων κοινής ωφέλειας δεν αποτελούσε πρώτη προτεραιότητα για την διαχείριση του σεισμικού κινδύνου σε αστικές περιοχές. Οι κύριοι λόγοι ήταν η πολυπλοκότητα των δικτύων, η μεγάλη τους 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 1

2 έκταση, η ποικιλία συνιστωσών, η έλλειψη στοιχείων από πραγματικές σεισμικές βλάβες, η αβεβαιότητες στην εκτίμηση της σεισμικής επικινδυνότητας και τρωτότητας, καθώς και η απουσία κατάλληλων εργαλείων και μεθόδων για την πραγματοποίηση μελετών σεισμικής διακινδύνευσης. Τα τελευταία χρόνια, έχουν αναπτυχθεί διεθνώς, μέθοδοι αποτίμησης της σεισμικής διακινδύνευσης δικτύων κοινής ωφέλειας (Pitilakis et al, 2005) που στοχεύουν στην κατά το δυνατό πιο ρεαλιστική εκτίμηση των πιθανών βλαβών για κάποιο δεδομένο σεισμικό σενάριο. Με αυτό τον τρόπο υποστηρίζεται η λήψη κατάλληλων προσεισμικών μέτρων μετριασμού των απωλειών, καθώς και ο σχεδιασμός της αποκατάστασης των ζημιών μετά το σεισμό. Η πρόσφατα αναπτυχθείσα στις ΗΠΑ μεθοδολογία του HAZUS (NIBS, 2004), παρέχει ένα σύγχρονο εργαλείο εκτίμησης των απωλειών λόγω σεισμού για όλα τα δίκτυα κοινής ωφέλειας και υποδομές. Ειδικότερα για το οδικό δίκτυο περιλαμβάνονται καμπύλες τρωτότητας για γέφυρες, σήραγγες και δρόμους. Οι Werner et al. (2000) προτείνουν μια πολυεπίπεδη μεθοδολογία για την αποτίμηση της σεισμικής διακινδύνευσης ενός οδικού δικτύου που περιλαμβάνει μοντέλα ανάλυσης δικτύου, σεισμικής επικινδυνότητας, σεισμικής τρωτότητας των επιμέρους συνιστωσών και υπολογισμού των άμεσων και έμμεσων απωλειών. Παρόμοια μεθοδολογία αναπτύχθηκε επίσης από τους Kiremidjian et al. (2003). Μια αναβαθμισμένη μελέτη της σεισμικής διακινδύνευσης του οδικού δικτύου και των γεφυρών ειδικότερα, θα πρέπει να λάβει υπόψη τα χαρακτηριστικά της σεισμικής κίνησης συνυπολογίζοντας τις τοπικές εδαφικές συνθήκες μέσω μιας λεπτομερούς μικροζωνικής μελέτης. Στην παρούσα εργασία δίνεται αρχικά το γενικότερο πλαίσιο μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας εκτίμησης της σεισμικής διακινδύνευσης γεφυρών που συνοπτικά περιλαμβάνει τη μελέτη της σεισμικής επικινδυνότητας της υπό μελέτη περιοχής, τη δημιουργία βάσης δεδομένων με τα απαραίτητα στοιχεία των υπό εξέταση γεφυρών και την ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου μοντέλου εκτίμησης της τρωτότητας. Αναφορικά με το τελευταίο, έχουν προταθεί διάφορες μέθοδοι που βασίζονται είτε σε καμπύλες τρωτότητας είτε σε δείκτες τρωτότητας. Στην πρώτη περίπτωση προσδιορίζονται τα επίπεδα βλάβης που ενδέχεται να παρουσιάσουν οι γέφυρες, καθώς η σεισμική κίνηση συσχετίζεται μέσω καμπυλών τρωτότητας με την πιθανότητα εμφάνισης κάποιου από τα προσδιορισθέντα επίπεδα βλάβης. Στην δεύτερη περίπτωση γίνεται κατάταξη των γεφυρών βαθμολογώντας κατάλληλα τα κύρια χαρακτηριστικά που επηρεάζουν την συμπεριφορά μιας γέφυρας. Δύο τέτοιες μέθοδοι εφαρμόζονται για τις γέφυρες της περιοχής Θεσσαλονίκης, χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα της μκροζωνικής μελέτης της πόλης. Η εφαρμογή της παραπάνω προσέγγισης, για συγκεκριμένο σεισμικό σενάριο και με την χρήση κατάλληλων εργαλείων Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (G.I.S.) επιτρέπει τον έλεγχο και τη βελτιστοποίηση της αναπτυχθείσας μεθοδολογίας, αναδεικνύει τη σπουδαιότητα των ειδικών μελετών σεισμικής απόκρισης εδαφών (π.χ. μικροζωνικές μελέτες) και των ρόλο των τοπικών συνθηκών στην εκτίμηση της σεισμικής διακινδύνευσης του οδικού δικτύου. 2. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΣΕΙΣΜΙΚΗΣ ΔΙΑΚΙΝΔΥΝΕΥΣΗΣ ΓΕΦΥΡΩΝ Στο Σχήμα 1 φαίνονται συνοπτικά τα βήματα που απαιτούνται για την αποτίμηση της σεισμικής διακινδύνευσης των γεφυρών, ως τμήμα μιας γενικότερης μεθοδολογίας αποτίμησης της σεισμικής διακινδύνευσης δικτύων κοινής ωφέλειας (Pitilakis et al, 2005). ΑΠΟΓΡΑΦΗ ΓΕΦΥΡΩΝ ΒΑΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ-GIS ΤΥΠΟΛΟΓΙΑ ΓΕΦΥΡΩΝ ΤΡΩΤΟΤΗΤΑ - Καμπύλες τρωτότητας - Δείκτες τρωτότητας ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΣΕΙΣΜΙΚΗΣ ΔΙΑΚΙΝΔΥΝΕΥΣΗΣ ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΕΠΙΚΙΝΔΥΝΟΤΗΤΑ Σεισμικά Σενάρια ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΕΔΑΦΩΝ - Τοπικές εδαφικές συνθήκες - Παράμετροι σεισμικής κίνησης (πχ. PGA, Sa) Σχήμα 1. Γενικό πλαίσιο μεθοδολογίας. Figure 1. General layout of the methodology. 2.1 Απογραφή Γεφυρών-Τυπολογία Ο προσδιορισμός των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών (τεχνικών, γεωμετρικών κ.τ.λ) των γεφυρών βάσει ενός ενιαίου καταλόγου απογραφής και η δημιουργία μιας ολοκληρωμένης βάσης δεδομένων είναι μείζονος σημασίας για την τυπολογική κατηγοριοποίηση των γεφυρών και εν συνεχεία 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 2

3 την μελέτη της δομικής τους τρωτότητας. Ωστόσο, τις περισσότερες φορές δεν υπάρχει στις αρμόδιες υπηρεσίες οργανωμένο αρχείο μελετών, ιδιαίτερα για τις παλαιότερες γέφυρες, οπότε η συγκέντρωση όλων των απαιτούμενων στοιχείων καθίσταται δυσχερής. Για την Μητροπολιτική περιοχή Θεσσαλονίκης συλλέχθηκαν στοιχεία για 83 γέφυρες από υπηρεσίες (ΔΕΚΕ, ΕΓΝΑΤΙΑ ΟΔΟΣ, ΟΣΕ), μελετητικά γραφεία, καθώς και από επιτόπου αυτοψίες. Ο κατάλογος απογραφής περιλαμβάνει γενικά στοιχεία της γέφυρας (π.χ. θέση, έτος μελέτης), γεωμετρικά (π.χ. αριθμός ανοιγμάτων, μήκος, λοξότητα), τεχνικά (π.χ. τύπος ανωδομής, στηρίξεων, εφεδράνων, μεσοβάθρων, ακροβάθρων, θεμελίωσης, αριθμός ενδιάμεσων αρθρώσεων), γεωτεχνικά (κατηγορία εδάφους). Η βάση δεδομένων που δημιουργήθηκε ενσωματώθηκε σε περιβάλλον GIS (ΕΓΣΑ 87), σε συνδυασμό με το οδικό δίκτυο της περιοχής. Με αυτόν τον τρόπο γίνεται δυνατή η απευθείας συσχέτιση με τα αποτελέσματα της μικροζωνικής μελέτης και εφαρμογή του μοντέλου εκτίμησης τρωτότητας, η καλύτερη απεικόνιση της κατανομής των βλαβών, ενώ σε μεταγενέστερο στάδιο μπορεί να γίνει η μελέτη της επιρροής των βλαβών στη λειτουργία του οδικού δικτύου. Η τυπολογική κατηγοριοποίηση των γεφυρών βασίζεται στην ταξινόμηση των κρίσιμων χαρακτηριστικών ως προς την σεισμική συμπεριφορά των γεφυρών. Η κατηγοριοποίηση αυτή απαιτείται για την εκτίμηση της σεισμικής τρωτότητας και διαφοροποιείται ανάλογα με την χρησιμοποιούμενη μέθοδο (βλ. 2.3). Στον Πίνακα 1, δίνεται η τυπολογική κατηγοριοποίηση με βάση τον αριθμό ανοιγμάτων, το επίπεδο σχεδιασμού, τον τύπο υποστυλωμάτων και την συνέχεια των ανοιγμάτων, παρόμοια με αυτήν που προτείνεται από το ΗΑZUS. Ο σχεδιασμός των γεφυρών εξαρτάται από τις εκάστοτε κανονιστικές απαιτήσεις και σχετίζεται με το έτος εκπόνησης της μελέτης. Η προτεινόμενη κατηγοριοποίηση περιλαμβάνει τις γέφυρες που σχεδιάστηκαν με σύγχρονο αντισεισμικό κανονισμό και αυτές που έγιναν με βάση παλαιότερο (συμβατικό) κανονισμό. Για την παρούσα εφαρμογή θεωρήθηκε ως έτος αλλαγής του αντισεισμικού κανονισμού το 1986, ωστόσο μια πιο ρεαλιστική θεώρηση είναι το έτος 1993, οπότε και άλλαξαν ουσιαστικά οι κανονιστικές απαιτήσεις σύμφωνα με την εγκύκλιο Ε39/93. Στο Σχήμα 2 φαίνεται η κατανομή των γεφυρών της περιοχής Θεσσαλονίκης με βάση την κατηγοριοποίηση του Πίνακα 1. Οι γέφυρες ενός ανοίγματος καταλαμβάνουν το 35%, ενώ δεν συναντάται η κατηγορία 5 (συνεχής φορέας με μονά υποστυλώματα, χωρίς αντισεισμικό σχεδιασμό). Σημειώνεται ότι για την κατάταξη έγιναν κάποιες θεωρήσεις, όπως για παράδειγμα το ότι οι γέφυρες με μεσόβαθρα μορφής V ή τοιχοειδούς ταξινομούνται ως μονά υποστυλώματα. Πίνακας 1. Τυπολογία γεφυρών Ο/Σ. Table 1. Typology of R/C bridges. Τύπος Υποστυλωμ. Συνέχεια ανοιγμάτων Σχεδιασμός KAT Ενός ανοίγματος - - Συμβατικός 1 Αντισεισμικός 2 Πολλών ανοιγμάτων Μη συνεχής Συμβατικός 3 Μονό υποστύλωμα Πολλαπλά υποστυλώματα KAT9 2% KAT8 18% KAT7 6% KAT6 10% Αντισεισμικός 4 Συνεχής Συμβατικός 5 Αντισεισμικός 6 Μη συνεχής Συμβατικός 7 Αντισεισμικός 8 Συνεχής Συμβατικός 9 KAT10 11% KAT4 6% Αντισεισμικός 10 KAT1 14% KAT3 12% KAT2 21% Σχήμα 2. Κατανομή γεφυρών ανά κατηγορία στη περιοχή Θεσσαλονίκης. Figure 2. Distribution of bridges per class in Thessaloniki area 2.2 Σεισμική Επικινδυνότητα, Τοπικές Εδαφικές Συνθήκες Η ανάλυση της σεισμικής επικινδυνότητας που απαιτείται για την αποτίμηση της σεισμικής διακινδύνευσης των γεφυρών και κατ 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 3

4 επέκταση του οδικού δικτύου, προκύπτει με βάση το σεισμοτεκτονικό περιβάλλον και την σεισμικότητα της συγκεκριμένης περιοχής. Η χωρική κατανομή της εισαγόμενης σεισμικής κίνησης θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη την επιρροή των τοπικών γεωλογικών και εδαφικών συνθηκών και της τοπογραφίας, ακόμη και την επιρροή κοιλάδας (Pitilakis, 2004). Επιπλέον, περιγράφεται από κατάλληλες παραμέτρους για την αποτίμηση της τρωτότητας γεφυρών, όπως η μέγιστη εδαφική επιτάχυνση ή η φασματική τιμή της επιτάχυνσης σε μια συγκεκριμένη περίοδο (π.χ. 1,0sec). Τέλος, καθώς οι γέφυρες περιλαμβάνουν κατασκευές υψηλής σπουδαιότητας, η ανάλυση της σεισμικής επικινδυνότητας θα πρέπει να πραγματοποιείται για σεισμικά σενάρια με διαφορετική περίοδο επαναφοράς (π.χ. 100, 475, 1000 χρόνια). Μια τέτοια προσέγγιση μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω μιας λεπτομερούς μικροζωνικής μελέτης. Στο Σχήμα 3 δίνεται ένα παράδειγμα από τη μικροζωνική Θεσσαλονίκης με την κατανομή της επιφανειακής φασματικής επιτάχυνσης στο 1.0s, για το σεισμικό σενάριο με περίοδο επαναφοράς 475ετών, όπως έχει προκύψει ύστερα από την επεξεργασία των αποτελεσμάτων ενός πλήθους μονοδιάστατων μη γραμμικών αναλύσεων εδαφικής απόκρισης (Pitilakis et al, 2004a). Σχήμα 3. Κατανομή φασματικών επιταχύνσεων επιφάνειας για Τ=1.0sec (g s). Figure 3. Distribution of spectral acceleration in surface at T=1.0sec (g s). 2.3 Σεισμική Τρωτότητα Γεφυρών Ο/Σ Η αποτίμηση της τρωτότητας συνίσταται στην ποσοτικοποίηση του ενδεχόμενου βαθμού βλάβης ως συνάρτηση του επιπέδου της σεισμικής έντασης. Η μελέτη της σεισμικής τρωτότητας μπορεί να γίνει με μεθόδους οι οποίες σε γενικές γραμμές διακρίνονται στις παρακάτω κατηγορίες: - Εμπειρικές μέθοδοι βασισμένες σε στατιστική επεξεργασία πραγματικών δεδομένων/ (empirical models) Στην προσέγγιση αυτή χρησιμοποιούνται δεδομένα βλαβών που παρατηρήθηκαν σε προηγούμενους σεισμούς, κυρίως στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ιαπωνία, προκειμένου να εκτιμηθούν καμπύλες τρωτότητας ύστερα από στατιστική επεξεργασία (Basöz and Kiremidjian, 1998 και Shinozuka et al., 2003). Οι καμπύλες τρωτότητας περιγράφουν την πιθανότητα, για δεδομένη σεισμική ένταση, η βλάβη της κατασκευής να είναι ίση ή μεγαλύτερη από ένα συγκεκριμένο επίπεδο και αναπαρίστανται από συναρτήσεις σωρευτικής κατανομής. Συνήθως αναφέρονται σε διαφορετικές κατηγορίες γεφυρών, οι οποίες καθορίζονται με βάση την τυπολογία τους, καθώς γίνεται η παραδοχή πως κατασκευές με παρόμοια χαρακτηριστικά θα παρουσιάσουν παρόμοια συμπεριφορά για την ίδια σεισμική δράση. - Μέθοδοι βασισμένες σε δείκτες τρωτότητας (vulnerability indices) Οι μέθοδοι αυτές στοχεύουν σε μια προκαταρκτική κατάταξη (σε σχέση με την τρωτότητα) των γεφυρών η οποία πραγματοποιείται βαθμολογώντας κατάλληλα τα κύρια χαρακτηριστικά που επηρεάζουν τη σεισμική συμπεριφορά μιας γέφυρας. Τέτοιες μεθοδολογίες έχουν αναπτυχθεί διεθνώς: Kawashima & Unjoh (1990), Μέθοδος Kim (1993), Buckle & Friedland, (1995), Basoz and Kiremidjian, (1995) και στην Ελλάδα από τον ΟΑΣΠ (ΟΑΣΠ, 2002). - Μέθοδοι βασισμένες στην κρίση του μηχανικού (expert judgment models) Πρόκειται για έναν εναλλακτικό τρόπο προεκτίμησης της σεισμικής συμπεριφοράς γεφυρών διαφορετικής τυπολογίας (ATC-13 και ATC-25), όπου αντί των (ελλειπόντων) στατιστικών δεδομένων, χρησιμοποιείται η εμπειρία. Βασίζεται στην στατιστική επεξεργασία της (ποσοτικοποιημένης) «κρίσης» έμπειρων μηχανικών για τη συμπεριφορά της κατασκευής, με αποτέλεσμα τη δημιουργία μητρώων πιθανότητας βλάβης 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 4

5 και τελικά τον προσδιορισμό καμπυλών τρωτότητας για κάθε κατηγορία γεφυρών. - Αναλυτικές μέθοδοι (structural models) Η σεισμική συμπεριφορά κατασκευών από Ο/Σ και επομένως η σεισμική τους τρωτότητα είναι δυνατό να εκτιμηθεί με τη βοήθεια αναλυτικών μοντέλων, από τα οποία, μέσω κατάλληλης συσχέτισης των υπολογιζόμενων μεγεθών απόκρισης με το βαθμό βλάβης, μπορούν να προκύψουν καμπύλες τρωτότητας (π.χ. Karim and Yamazaki, 2001, Mander and Basoz, 1999). 3. ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΙΣ ΓΕΦΥΡΕΣ ΘΕΣ/ΝΙΚΗΣ Στην παρούσα εργασία γίνεται εφαρμογή δύο διαφορετικών μεθόδων εκτίμησης της τρωτότητας των γεφυρών της περιοχής Θεσσαλονίκης. Η πρώτη μέθοδος βασίζεται σε καμπύλες τρωτότητας (ΗΑZUS), ενώ η δεύτερη σε δείκτες τρωτότητας (Kim, 1993). Χρησιμοποιούνται τα αποτελέσματα της μικροζωνικής μελέτης για το σεισμικό σενάριο με μέση περίοδο επαναφοράς 475 έτη. Για γέφυρες εκτός περιοχής της μικροζωνικής χρησιμοποιήθηκαν χάρτες σεισμικής επικινδυνότητας που δίνουν τη τιμή της επιτάχυνσης στο υπόβαθρο, ενώ η επιρροή των εδαφικών συνθηκών λήφθηκε υπόψη με κατάλληλους συντελεστές ενίσχυσης με βάση την κατηγορία εδάφους (Pitilakis et al. 2004b). ανοιγμάτων και η λοξότητα. Οι συγκεκριμένες καμπύλες αναπτύχθηκαν για γέφυρες της τυπολογίας των ΗΠΑ, ωστόσο για τις ανάγκες της παρούσας εργασίας και ελλείψει αντίστοιχων καμπυλών για όλους τους τύπους γεφυρών του ελληνικού χώρου, κρίθηκε σκόπιμη η χρησιμοποίησή τους. Περαιτέρω έρευνα απαιτείται για την παραγωγή νέων καμπυλών ή για την προσαρμογή των υφιστάμενων σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά των γεφυρών της Ελλάδας. Προς την κατεύθυνση αυτή γίνονται προσπάθειες μέσω αναλυτικών μεθόδων, όπως η χρήση της ανελαστικής στατικής ανάλυσης, σε συνδυασμό με τη μέθοδο των φασμάτων απαίτησης και αντίστασης (demand and capacity spectra) και έναν συμβατό με τη λογική των καμπυλών αντίστασης (pushover curves) τρόπο ορισμού των σταθμών βλάβης (Ζορμπά και Κοραή, 2005). Στο Σχήμα 4 φαίνεται η γεωγραφική κατανομή των αναμενόμενων επιπέδων βλάβης, σύμφωνα με τη θεώρηση ότι ως επικρατέστερο είναι αυτό που παρουσιάζει πιθανότητα υπέρβασης μεγαλύτερη ή ίση από 50%, ενώ στον Πίνακα 3 δίνεται ως ποσοστό του συνόλου των γεφυρών. 3.1 Εκτίμηση της διακινδύνευσης με βάση καμπύλες τρωτότητας ΗΑZUS Στην μέθοδο του HAΖUS (NIBS, 2004) η εκτίμηση της σεισμικής τρωτότητας γίνεται μέσω καμπυλών τρωτότητας οι οποίες αναπαρίστανται από συναρτήσεις λογαριθμοκανονικής κατανομής, δίνοντας την πιθανότητα υπέρβασης διαφορετικών επιπέδων βλάβης (μικρή, μέτρια, μεσαία, εκτεταμένη, κατάρρευση) για δεδομένη ένταση της εδαφικής κίνησης. Η τελευταία περιγράφεται από την φασματική τιμή της επιτάχυνσης Sa(1.0sec), ενώ η καμπύλη τρωτότητας για το κάθε επίπεδο βλάβης χαρακτηρίζεται από τη μέση τιμή φασματικής επιτάχυνσης (που αντιστοιχεί στην πιθανότητα 50%) και τον συντελεστή διασποράς. Οι προτεινόμενες καμπύλες έχουν προκύψει για πρότυπες γέφυρες με βάση την αναλυτική προσέγγιση που προτείνεται από τους Mander and Basoz (1999), ενώ τροποποιούνται με διορθωτικούς συντελεστές ανάλογα με επιμέρους χαρακτηριστικά, όπως ο αριθμός Σχήμα 4. Κατανομή βλαβών στις γέφυρες της ευρύτερης περιοχής Θεσ/νίκης κατά HAZUS (σενάριο 475 χρόνων). Figure 4. Distribution of damages to bridges of Thessaloniki area according to HAZUS (scenario of 475 years). 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 5

6 3.2 Εκτίμηση της διακινδύνευσης με βάση δείκτες τρωτότητας (Kim) O Kim (1993) αναλύοντας στατιστικά τις παρατηρήσεις από σεισμικές βλάβες γεφυρών, πρότεινε δύο μοντέλα (Α και Β) εκτίμησης της σεισμικής τους διακινδύνευσης τα οποία βασίζονται στην βαθμολόγηση 12 συνολικά παραμέτρων που επηρεάζουν την σεισμική συμπεριφορά των γεφυρών, λαμβάνοντας υπόψη στην τελική αποτίμηση την σχετική βαρύτητα της καθεμίας. Έτσι προκύπτει ένας δείκτης σεισμικής διακινδύνευσης (y i ) ο οποίος αντιστοιχεί σε μία κατηγορία βαθμού διακινδύνευσης και σε ένα επίπεδο αναμενόμενης βλάβης (Πίνακας 2). Οι παράμετροι που υπεισέρχονται στην προτεινόμενη μέθοδο είναι: Η σεισμική ένταση, το επίπεδο σχεδιασμού, ο τύπος της ανωδομής, η λοξότητα/καμπυλότητα της ανωδομής, η ύπαρξη ενδιάμεσων αρθρώσεων, ο τύπος των βάθρων, ο τύπος της θεμελίωσης, το υλικό, η ανισοϋψία των βάθρων, οι τοπικές εδαφικές συνθήκες, η επιρροή της ρευστοποίησης και το μήκος έδρασης. Η προτεινόμενη βαθμονόμηση των επιμέρους κριτηρίων προσαρμόστηκε στην τυπολογία των ελληνικών γεφυρών, όπου αυτό χρειάστηκε, όπως για παράδειγμα στο έτος κατασκευής ή το μήκος έδρασης. Ο καθορισμός της σχετικής συμμετοχής της κάθε παραμέτρου στην αποτίμηση της σεισμικής διακινδύνευσης, σύμφωνα με την συγκεκριμένη μέθοδο, δείχνει πως οι πιο σημαντικοί παράγοντες είναι: 1. Η σεισμική ένταση (31,4%) 2. Η επιρροή της ρευστοποίησης (20,5%) 3. Το επίπεδο σχεδιασμού (10,4%) 4. Το πλάτος έδρασης (8,7%) Στο Πίνακα 3 δίνεται η ποσοστιαία κατανομή των αναμενόμενων επιπέδων βλάβης για το σύνολο των γεφυρών της περιοχής μελέτης σύμφωνα με τη μέθοδο Kim. Πίνακας 2. Ταξινόμηση του δείκτη διακινδύνευσης (Kim, 1991). Table 2. Rank of damage index (Kim, 1991). Επίπεδο βλάβης Βαθμός διακινδύνευσης Δείκτης βλάβης 0: καθόλου 1: μικρή C: χαμηλός yi<1.5 2: μεσαία B: μεσαίος 1.5 yi<2.5 3: σοβαρή 4: κατάρρευση A: υψηλός 2.5 yi Πίνακας 3.Κατανομή αναμενόμενων βλαβών Table 3. Distribution of expected damages HAZUS 86% 10% 2% 2% 0% KIM (A) 70% 23% 7% KIM (B) 71% 25% 4% 0: καθόλου, 1:μικρές, 2: μέτριες 3: εκτεταμένες, 4: κατάρρευση Τα αποτελέσματα των δύο μεθόδων δεν είναι άμεσα συγκρίσιμα καθώς στη μέθοδο Kim διακρίνονται 3 επίπεδα βλάβης (καθόλου/ μικρές, μέτριες, εκτεταμένες/κατάρρευση), ενώ στο ΗAZUS διαφοροποιούνται σε 5 ξεχωριστά επίπεδα βλάβης. Επιπλέον αποτελούν δυο διαφορετικές μεθοδολογικές προσεγγίσεις με διαφορετικές παραδοχές, που ωστόσο δίνουν μια προκαταρκτική εικόνα της σεισμικής διακινδύνευσης των γεφυρών. Έτσι, η μέθοδος Kim δίνει δυσμενέστερα αποτελέσματα σε σχέση με το HAZUS, καθώς το ποσοστό των γεφυρών που αναμένεται να υποστούν μέτριες έως εκτεταμένες βλάβες είναι μεγαλύτερο. Από την εφαρμογή των μεθόδων προκύπτει ότι για το συγκεκριμένο σεισμικό σενάριο (μέση περίοδος επαναφοράς 475 έτη) δεν αναμένονται σημαντικές βλάβες στην συντριπτική πλειοψηφία των γεφυρών της υπό μελέτη περιοχής. Οι βλάβες που αναμένονται κυρίως, είναι από καθόλου έως μικρές, ωστόσο υπάρχει ένας περιορισμένος αριθμός γεφυρών που παρουσιάζει υψηλότερες πιθανότητες για μέτριες έως εκτεταμένες βλάβες ειδικότερα στην δυτική Θεσσαλονίκη (Σχήμα 4). Σημειώνεται πως στην συγκεκριμένη περιοχή το έδαφος χαρακτηρίζεται από βαθιές και μικρής δυστμησίας αλλουβιακές αποθέσεις, κυρίως αργιλικές με ενδιάμεσες στρώσεις άμμου και ιλύος, χαμηλής αντοχής και υψηλής συμπιεστότητας (κατηγορίας C και D κατά EC8), οπότε η σεισμική κίνηση παρουσιάζει ισχυρότερη ενίσχυση σε υψηλότερες περιόδους. Επιπρόσθετα οι βλάβες αναμένονται σε γέφυρες μεγαλύτερης δομικής τρωτότητας, όπως είναι αυτές με ανεπαρκή αντισεισμικό σχεδιασμό, ανωδομή με αμφιέρειστους φορείς (μη συνεχής) και μονόστυλα μεσόβαθρα. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η αποτίμηση της σεισμικής διακινδύνευσης των γεφυρών αλλά και ολόκληρου του οδικού 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 6

7 δικτύου μιας περιοχής κρίνεται υψίστης σημασίας, καθώς οι γέφυρες αποτελούν τα πλέον ευαίσθητα στοιχεία του οδικού δικτύου από άποψη σεισμικής τρωτότητας, όπως προκύπτει από τις βλάβες που παρατηρήθηκαν σε παλαιότερους σεισμούς. Επιπλέον η σημαντικότητα τους είναι συχνά υψηλή, ιδιαίτερα όταν παρέχουν πρόσβαση σε κτίρια και εγκαταστάσεις μεγάλης σπουδαιότητας, όπως νοσοκομεία, αεροδρόμια κτλ, ενώ τόσο οι βραχυπρόθεσμες όσο και οι μακροπρόθεσμες συνέπειες από ενδεχόμενες βλάβες μπορεί να είναι σοβαρές για την πληγείσα περιοχή. Η εμπειρία από προηγούμενους σεισμούς στον ελληνικό χώρο είναι ενθαρρυντική ως προς τη σεισμική συμπεριφορά των γεφυρών από Ο/Σ, καθώς αυτές δεν παρουσίασαν σημαντικές βλάβες, ωστόσο είναι απαραίτητη η περισσότερο ενδελεχής μελέτη της σεισμικής τρωτότητάς τους, αφού ο σεισμικός κίνδυνος είναι υπαρκτός. Στην παρούσα εργασία δίνεται αρχικά το γενικότερο πλαίσιο μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας εκτίμησης της σεισμικής διακινδύνευσης γεφυρών, ενώ γίνεται εφαρμογή για τις γέφυρες της περιοχής Θεσσαλονίκης με βάση δύο διαφορετικές μεθόδους εκτίμησης της τρωτότητας (καμπύλες και δείκτες τρωτότητας), χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα της μκροζωνικής μελέτης της πόλης. Από την εφαρμογή προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα: Στην χώρα μας υπάρχει έλλειψη αρχείου των μελετών των γεφυρών, ειδικότερα σε περιπτώσεις παλαιότερων γεφυρών, γεγονός που δυσχεραίνει την συλλογή των απαραίτητων στοιχείων για την μελέτη της σεισμικής διακινδύνευσης. Γενικά οι μέθοδοι αποτίμησης σεισμικής τρωτότητας τόσο με τη χρήση καμπυλών τρωτότητας όσο και μέσω δεικτών τρωτότητας είναι σχετικά απλές και εύχρηστες εφόσον υπάρχουν τα απαραίτητα στοιχεία. Εξάλλου στοχεύουν στον ορθολογικό και ταχύ προσεισμικό έλεγχο των υφιστάμενων γεφυρών, ώστε να καθοριστεί ο βαθμός προτεραιότητας για περαιτέρω ελέγχους και να διαμορφωθεί ακολούθως η κατάλληλη στρατηγική δράσεων τόσο προσεισμικής ενίσχυσής τους όσο και αποκατάστασης των ζημιών μετά τον σεισμό. Για την εφαρμογή των δύο μεθόδων στην συγκεκριμένη εργασία έγιναν κάποιες παραδοχές είτε λόγω έλλειψης στοιχείων είτε λόγω προσαρμογής των μεθόδων στα ελληνικά δεδομένα, οι οποίες ενδέχεται να επηρεάσουν το τελικό αποτέλεσμα. Από τα αποτελέσματα της εφαρμογής προκύπτει ότι για το συγκεκριμένο σεισμικό σενάριο (με μέση περίοδος επαναφοράς 475 έτη) δεν αναμένονται εκτεταμένες βλάβες στην πλειοψηφία του αριθμού των γεφυρών του πολεοδομικού συγκροτήματος Θεσσαλονίκης. Οι βλάβες που αναμένονται κυρίως, είναι από καθόλου έως μικρού επιπέδου, ωστόσο υπάρχει ένας περιορισμένος αριθμός γεφυρών που παρουσιάζει υψηλότερες πιθανότητες για μέτριες έως εκτεταμένες βλάβες. Οι τύποι των γεφυρών που παρουσιάζουν υψηλότερο βαθμό σεισμικής διακινδύνευσης είναι οι εξής: 1. Γέφυρες κατασκευασμένες με ανεπαρκή αντισεισμικό σχεδιασμό. 2. Γέφυρες με μη συνεχή ανωδομή (αμφιέρειστα τμήματα) και με ανεπαρκές πλάτος έδρασης. 3. Γέφυρες σε περιοχές με υψηλή αναμενόμενη εδαφική επιτάχυνση, όπως αυτές που βρίσκονται στο δυτικό τμήμα της Θεσσαλονίκης. Απαραίτητο στοιχείο για την ολοκληρωμένη και κατά το δυνατό αξιόπιστη μελέτη της σεισμικής διακινδύνευσης των γεφυρών είναι η ύπαρξη συστηματικής μελέτης της εδαφικής απόκρισης στη θέση της κάθε γέφυρας χωριστά (και για όλα τα σεισμικά σενάρια) ή λεπτομερής υψηλής τεχνολογίας μικροζωνική μελέτη. Στα πλαίσια της τελευταίας πραγματοποιείται η γεωτεχνική κατηγοριοποίηση των εδαφών, η ανάλυση της σεισμικής επικινδυνότητας, η μελέτη της επιρροής των τοπικών εδαφικών συνθηκών στην απόκριση του εδάφους, ο προσδιορισμός της χωρικής κατανομής των παραμέτρων της σεισμικής κίνησης και των δευτερογενώς προκαλούμενων φαινομένων (π.χ. ρευστοποίηση). Έτσι, στις μεθόδους που βασίζονται στους δείκτες τρωτότητας, η τιμή της PGA, ο τύπος εδάφους, αλλά και η πιθανότητα ρευστοποίησης υπεισέρχονται ως επιμέρους κριτήρια, ενώ στις καμπύλες τρωτότητας η πιθανότητα εμφάνισης του κάθε επιπέδου βλάβης δίνεται συναρτήσει της τιμής της μέγιστης εδαφικής επιτάχυνσης ή της εδαφικής φασματικής επιτάχυνσης σε συγκεκριμένη περίοδο. Τέλος, αναδεικνύεται ο ρόλος και η σπουδαιότητα του Γεωγραφικού Συστήματος Πληροφοριών (GIS) στη μελέτη σεισμικής διακινδύνευσης του οδικού δικτύου, καθώς συμβάλει στην εισαγωγή και διαχείριση 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 7

8 δεδομένων γεφυρών, τη συνδυαστική χρήση θεματικών χαρτών και επεξεργασία δεδομένων, την απεικόνιση των αποτελεσμάτων υπό μορφή χαρτών. Σε κάθε περίπτωση απαιτείται περαιτέρω έρευνα για την καταλληλότητα και την εφαρμοσιμότητά των μεθόδων στην Ελλάδα ή για την πιθανή βελτίωσή τους έτσι ώστε να προσαρμόζονται στην ελληνική πρακτική και τυπολογία των γεφυρών. 4. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Applied Technology Council (1985), Earthquake damage evaluation data for California, ATC-13, Redwood City California, USA. Applied Technology Council (1991), Seismic vulnerability and impact of disruption of lifelines in the conterminous United States, ATC-25, Redwood City California, USA. Basoz N. and Kiremidjian A.S., (1995), Prioritization of Bridges for Seismic Retrofitting, Technical Report NCEER , National Center for Earthquake Engineering Research, State University of New York, Buffalo. Basoz, N. and Kiremidjian, A.S., (1998), Evaluation of Bridge Damage Data from the Loma Prieta and Northridge, California Earthquake. Technical Report MCEER , State University of New York, Buffalo. Buckle I.G. and Friedland I.M., editors, (1995), Seismic Retrofitting Manual for Highway Bridges, Report FHWA-RD , Grant DTFH61-92-C-00106, Federal Highway Administration, Washington, DC. Karim K. and F. Yamazaki (2001), Effect of earthquake ground motions on fragility curves of highway bridge piers based on numerical simulation, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 30: Kawashima K. and Unjoh S., (1990), An Inspection Method of Seismic Vulnerability of Existing Highway Bridges, Structural Eng./Earthquake Eng., 7 (1): Kim, S.H., (1993), A GIS-Based Regional Risk Analysis Approach for Bridges Against Earthquakes, Dissertation, State University of New York at Buffalo, Department of Civil Engineering. Kiremidjian, A., Moore, J., Fan, Y., Ozgur, Y., Basoz, N., Williams, M., (2003), The PEER Highway Demonstration Project. Proceedings, 6th U.S Conference and Workshop on Lifeline Earthquake Engineering, Long Beach, California, TCLEE/ASCE, Monograph No.25, edited by J. E. Beavers, Mander, J. and Basoz, N. (1999), Seismic fragility curve theory for highway bridges. In: M. Elliot and P. McDonough (Editors), Proceedings, 5th US Conference on Lifeline Earthquake Engineering, TCLEE/ASCE, Monograph No.16. National Institute of Building Sciences (2004), Direct physical damage to lifelinestransportation systems. HAZUS-MH Technical manual, Chapter 7, Federal Emergency Management Agency, Washington, D.C. Pitilakis K., Alexoudi A., Argyroudis S., Monge O., Martin C., (2005), "Chapter 9: Vulnerability assessment of lifelines", C.S. Oliveira, A. Roca and X. Goula ed. "Assessing and Managing Earthquake Risk. Geo-Scientific and Engineering Knowledge for Earthquake Risk mitigation: Developments, Tools and Techniques", Springer Publ. Pitilakis K., Kappos A., Hatzigogos Th., Anastasiadis An., Anastasiadis Ag., Alexoudi M., Argyroudis S., Penelis G., Panagiotopoulos Ch., Panagopoulos G., Kakderi K., Papadopoulos I., Dikas N., (2004a), Synthesis of the application to Thessaloniki city, Final report in RISK-UE: An Advanced Approach to Earthquake Risk Scenarios with Applications to Different European Towns, European Commission, DG ΧΙI , CEC Contract Number: EVK4- CT ( Pitilakis K., Gazepis Ch., Anastasiadis A., (2004b), Design Response Spectra and Soil Classification for Seismic Code Provisions, Proc. 13WCEE, paper no. 2904, Vancouver BC, August 1-6, 12pp. Pitilakis K., (2004), Chapter 5: Site effects. In: Recent Advances in Earthquake Geotechnical Engineering & Microzonation (A. Ansal, ed.), Kluwer Publications. Shinozuka, M. (Editor), The Hanshin-Awaji Earthquake of January 17, 1995: Performance of Lifelines, Technical Report NCEER , State University of New York, Buffalo. Shinozuka, M., M.Q. Feng, H.-K. Kim, T. Uzawa, T. Ueda (2003), Statistical Analysis of Fragility Curves, Technical Report MCEER , State University of New York, Buffalo. Werner, S.D, C.E. Taylor., J.E. Moore, J.S. Walton, S. Cho., (2000), A Risk-Based Methodology for Assessing the Seismic Performance of Highway Systems, Technical Report MCEER , State University of New York, Buffalo. Ζορμπά Τ., Κοραή Α. (2005), Αποτίμηση της σεισμικής τρωτότητας γεφυρών του νομού Θεσσαλονίκης. Αναλυτικός υπολογισμός καμπυλών τρωτότητας, Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία, ΑΣΤΕ, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών ΑΠΘ. ΟΑΣΠ (2002). Συμπλήρωση και επέκταση μεθοδολογίας Προσεισμικού ελέγχου υφιστάμενων γεφυρών με πρακτικές εφαρμογές», Ομάδα μελέτης Α. Καραμάνος, Θ. Πανουτσόπουλος, Σ. Σταθόπουλος, Σ. Καρακατσανίδης. 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 8