ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΑΙ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΛΙΜΕΝΙΚΩΝ ΣΙΛΟ ΠΕΡΙΛΗΨΗ SEISMIC BEHAVIOR AND RETROFIT OF SILOS AT A PORT ABSTRACT

Transcript

1 ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΑΙ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΛΙΜΕΝΙΚΩΝ ΣΙΛΟ Κων/νος Σπυράκος, Αναπληρωτής Καθηγητής ΕΜΠ Εργαστήριο Αντισεισμικής Τεχνολογίας, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών ΕΜΠ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην εργασία εξετάζεται η μη γραμμική, σεισμική απόκριση λιμενικού σιλό. Πραγματοποιήθηκαν αναλύσεις σύμφωνα με τον ισχύοντα Ελληνικό Αντισεισμικό Κανονισμό (ΕΑΚ) καθώς και δυναμικές αναλύσεις στο πεδίο του χρόνου για τρεις σεισμικές διεγέρσεις από τον Ελληνικό χώρο (Αιγίου1995, Λευκάδας 1973, Αλκυονίδων 1981) και για διαφορετικά ύψη πλήρωσης του σιλό. Για τις αναλύσεις στο πεδίο του χρόνου το μοντέλο ανάλυσης έχει μορφωθεί κατάλληλα ώστε να λαμβάνεται υπόψη η αλληλεπίδραση εδάφους κατασκευής (Soil Structure Interaction, SSI) και λικνισμός του σιλό ως προς την θεμελίωση του. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν τη σημασία της έντασης και του συχνοτικού περιεχομένου της σεισμικής διέγερσης, καθώς και του ύψους πλήρωσης του σιλό στην απόκριση του συστήματος. Με βάση τις αναλύσεις πραγματοποιήθηκε ενίσχυση του δακτυλίου έδρασης του σιλό με μανδύα έγχυτου σκυροδέματος καθώς και χρήση ινοπλισμένων πολυμερών με ίνες άνθρακα. SEISMIC BEHAVIOR AND RETROFIT OF SILOS AT A PORT C. C. Spyrakos, Associate Professor, NTUA Labοratory for Earthquake Engineering, Civil Engineering Department, National Technical University of Athens. ABSTRACT This work presents the analysis and retrofit study of a silo at a port on the island of Milos. The 30 m high reinforced concrete silos rests on a stiff foundation allowing uplift under strong seismic motions. Dynamic analysis using current Greek code specifications as well as recorded accelerograms from near field seismic motion were used in order to access the effects of uplift and soil structure interaction. Based on the analysis, a retrofit scheme using shotcrete and composite materials has been implemented.

2 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΦΟΡΕΑ KAI TOY ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ Κατά κανόνα στις σεισμικές αναλύσεις κατασκευών θεωρείται ότι η κατασκευή είναι μονολιθικά συνδεδεμένη με το έδαφος. Κατά την διάρκεια ισχυρών σεισμικών διεγέρσεων ωστόσο, και με δεδομένο ότι το έδαφος δεν μπορεί να αντισταθεί στον αναπτυσσόμενο εφελκυσμό, σε αρκετές περιπτώσεις συμβαίνει μερικό ανασήκωμα της θεμελίωσης. Αν και αυτό το φαινόμενο έχει σπάνια παρατηρηθεί σε πολυώροφα κτίρια, καθώς τα θεμέλιά τους είναι οπτικά απρόσιτα, έχει παρουσιασθεί ένας σημαντικός αριθμός παραδειγμάτων (Xu and Spyrakos, 1996, Ganev, T. et. al., 1995) από διάφορα είδη κατασκευών, όπως δεξαμενές και πύργοι, με σαφείς ενδείξεις ανασηκώματος της βάσης τους (λικνισμού) κατά την διάρκεια ισχυρών σεισμών. Η επίδραση του λικνισμού εξετάστηκε στην μελέτη αξιολόγησης της συμπεριφοράς και ενίσχυσης τετραδύμων σιλό αποθήκευσης περλίτη στη νήσο Μήλο. Η κατασκευή ενός αντιπροσωπευτικού σιλό που αναλύεται στην παρούσα εργασία περιλαμβάνει το κυλινδρικό κέλυφος του σιλό, εσωτερικής διαμέτρου 8m, ύψους 30m και πάχους 35cm, και τη θεμελίωση, η οποία λόγω διαστάσεων είναι σχετικά άκαμπτη. Η θεμελίωση εδράζεται απλά στο έδαφος. Τα σιλό κατασκευάστηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 70 (Φωτογραφία 1, Φωτογραφία 2). Τα υλικά κατασκευής των σιλό είναι: οπλισμένο σκυρόδεμα κατηγορίας Β225 και χάλυβας κατηγορίας StIII. Από δομική άποψη τα σιλό μπορούν να διακριτοποιηθούν σε δύο τμήματα: (α) υποδομή των σιλό που περιλαμβάνει τις πλάκες θεμελίωσης, και τους δακτυλίους έδρασης του κέλυφους, και (β) ανωδομή των σιλό που περιλαμβάνει το κέλυφος το οποίο εδράζεται στους δακτυλίους της υποδομής και εκτείνεται μέχρι το ανώτερο σημείο των σιλό. Ως κέλυφος νοείται το αρχικό κυλινδρικό τοίχωμα και οι μανδύες έγχυτου σκυροδέματος που κατασκευάστηκαν μεταγενέστερα. Πρέπει να σημειωθεί ότι το κέλυφος δεν συνδέεται μονολιθικά με την θεμελίωση, γεγονός που επιτρέπει λικνισμό της ανωδομής σε ισχυρό σεισμό (Σχήμα 1). Η ανωδομή (κέλυφος) των σιλό είχε παρουσιάσει και στο παρελθόν έντονη διάβρωση των οπλισμών και ενανθράκωση του σκυροδέματος. Τα προβλήματα αυτά είχαν αντιμετωπιστεί με την κατασκευή πρόσθετων μανδύων περιμετρικά των σιλό. Συγκεκριμένα, το ιστορικό των επεμβάσεων στα κελύφη είναι τα εξής: Τη χρονική περίοδο κατασκευάστηκε μονόπλευρος εξωτερικός μανδύας από έγχυτο σκυρόδεμα πάχους 30 cm από την βάση του κυλινδρικού κελύφους (κεφαλή δακτυλίου) μέχρι περίπου του ύψους των 8.00 m. Ο μανδύας είναι οπλισμένος με πλέγμα (σχάρα) 15 x 15 cm. Το 1996 κατασκευάστηκε μονόπλευρος εξωτερικός μανδύας από έγχυτο σκυρόδεμα Β225 στο υπόλοιπο ύψος των σιλό. Ο μανδύας έχει πάχος 15 εώς 20 cm. Οι οπλισμοί του μανδύα είναι πλέγμα (σχάρα) Φ12 ή Φ14 σε αποστάσεις 12 x 12 cm. Κατά την διάρκεια των αυτοψιών που πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια εκπόνησης της μελέτης διενεργήθηκαν διάφορες επί τόπου μετρήσεις. Μετρήθηκαν στοιχεία όπως διαστάσεις διατομών, μήκη δομικών στοιχείων, επικαλύψεις, διατομές και αποστάσεις οπλισμών. Οι διατομές και οι αποστάσεις των οπλισμών μετρήθηκαν σε θέσεις όπου οι οπλισμοί ήταν εμφανείς καθώς και σε αντιπροσωπευτικές θέσεις αφού οι οπλισμοί αποκαλύφθηκαν η ανιχνεύτηκαν με μαγνητικές μεθόδους. Από τις επί τόπου μετρήσεις

3 Φωτογραφία 1. Σιλό αποθήκευσης περλίτη και σήραγγα μεταφοράς. Φωτογραφία 2. Σιλό αποθήκευσης περλίτη.

4 συμπεραίνεται η σε ικανοποιητικό βαθμό εφαρμογή των κατασκευαστικών σχεδίων της αδείας. Για την εξακρίβωση της εσωτερικής κατάστασης των σιλό διενεργήθηκε αυτοψία στην οποία διαπιστώθηκε ότι δεν υπήρχαν προβλήματα οξείδωσης οπλισμών ή ενανθράκωσης σκυροδέματος στο εσωτερικό του κελύφους. Διενεργήθηκαν επίσης και επί τόπου δοκιμές και δειγματοληψία πυρήνων σκυροδέματος. Τα αποτελέσματα των επι τόπου δοκιμών και μετρήσεων που αφορούν σε κρουσιμετρήσεις, μετρήσης βάθους ενανθράκωσης, μετρήσεις δυναμικού χάλυβα καθώς και τα αποτελέσματα των εργαστηριακών δοκιμών που αφορούν στην αντοχή πυρήνων σκυροδέματος, μέτρηση χλωριόντων και μετρήσεις βάθους ενανθράκωσης σε πυρήνες αξιολογήθηκαν για την επισκευή ενίσχυση της κατασκευής. Από τις πυρηνοληψίες και από τους σχετικούς ελέγχους αντοχής προέκυψε ότι η υφιστάμενη ποιότητα του σκυροδέματος είναι C12/15. ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ Πραγματοποιήθηκαν δύο σειρές αναλύσεων: i) ανάλυση του φορέα σύμφωνα με τις διατάξεις του ΕΑΚ, χωρίς να λαμβάνονται υπόψη το φαινόμενο του λικνισμού και της δυναμικής αλληλεπίδρασης εδάφους - κατασκευής και ii) ανάλυση στο πεδίο του χρόνου για επιλεγμένες χρονοιστορίες εδαφικών επιταχύνσεων μακρινού και κοντινού πεδίου με θεώρηση της αλληλεπίδρασης και του λικνισμού. Για την ανάλυση με τα σεισμικά φορτία του ΕΑΚ η προσομοίωση των σιλό έγινε με χρήση επιφανειακών πεπερασμένων στοιχείων. Για το σκοπό αυτό προσομοιώθηκε και το τμήμα των σηραγγών έδρασης που βρίσκεται κάτω από το silo στο οποίο παρατηρήθηκε η συγκέντρωση των μεγαλύτερων προβλημάτων (δίαβρωση οπλισμών, ενανθράκωση σκυροδέματος κλπ). Στο μοντέλο της υποδομής περιλαμβάνονται: (α) το κυλινδρικό κέλυφος του σιλό στο οποίο εδράζεται (απλά) η ανωδομή του, (β) ο πυθμένας του σιλό με την οπή για την εκκένωση του, (γ) τα τοιχώματα των σηραγγών έδρασης, και (δ) η πλάκα θεμελίωσης του φορέα της υποδομής. (Σχήμα 1). Η πλάκα θεμελίωσης θεωρείται ελαστικά εδραζόμενη επί εδάφους με δείκτη c o =100,000 ΚΝ/m 3. Η επιτρεπόμενη τάση εδάφους λήφθηκε ως σ επ =300 kpa, τιμή που αντιστοιχεί σε βραχώδες έδαφος χαμηλής αντοχής. Επίσης θεωρήθηκαν: α) ζώνη σεισμικής επικινδυνότητας Ι, δηλαδή η σεισμική επιτάχυνση εδάφους ελήφθη ίση με Α=0.12g, β) κατηγορία σπουδαιότητας Σ2, γ) έδαφος κατηγορίας θεμελίωσης Α, και δ) συντελεστής μετελαστικής συμπεριφοράς q=1.00. Στην δεύτερη σειρά αναλύσεων η μεθοδολογία προσομοίωσης του εδάφους, όπως προαναφέρθηκε, λαμβάνει υπόψη την αλληλεπίδραση του εδάφους κατασκεής. (Spyrakos & Xu, 1996, Antes & Spyrakos,1997). (Σχήμα 2). Το έδαφος προσομοιώνεται με ένα σύστημα δύο ελατηρίων και δύο αποσβεστήρων, οι σταθερές των οποίων υπολογίζονται από τις σχέσεις για κατακόρυφη κίνηση και λικνισμό στην περίπτωση κυκλικού θεμελίου. (Σχήμα 3). Τα ελατήρια και οι αποσβεστήρες έχουν τοποθετηθεί κατακόρυφα σε αποστάσεις τέτοιες ώστε το σύστημα να αναπτύσσει ισοδύναμη αντίσταση με εκείνα (συνδυασμός στροφικών και κατακόρυφων). Πραγματοποιήθηκαν δυναμικές αναλύσεις για τις σεισμικές διεγέρσεις από τον Ελληνικό χώρο (Αίγιου 1995, Λευκάδας 1973 και Αλκυονίδων 1981), (Σχήμα 4). Για την σεισμική δράση επιλέχθηκαν οι πρώτες δύο καταγραφές που χαρακτηρίζονταν από παλμό

5 Σχήμα 1: Κατακόρυφη τομή σιλό (near - field) ο οποίος δύναται να προκαλέσει μεγάλες μετατοπίσεις και εντάσεις σε εύκαμπτες κατασκευές. (Praveen, 1999). Από τις αναλύσεις παρατηρήθηκαν υπερβάσεις της θλιπτικής αντοχής του σκυροδέματος και ανεπάρκεια των υφιστάμενων οπλισμών στα κατώτερα τμήματα του δακτυλίου έδρασης της ανωδομής.

6 Σχήμα 2: Μοντέλο ανωδομής με τη θeμελίωση για τη θεώρηση δυναμικής αλληλεπίδρασης. Σχήμα 3: Μοντέλο θεμελίωσης για θεώρηση δυναμικής αλληλεπίδρασης.

7 επιτάχυνση (m/sec 2 ) Επιταχυνσιογράφημα Σεισμού Αιγίου (1995) χρόνος (sec) Σχήμα 4

8 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Οι αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν για τα διαφορετικά επιταχυνσιογραφήματα οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η απόκριση αυτών των κατασκευών ως προς το εύρος του ανασηκώματος επηρεάζεται σε σημαντικό βαθμό από τη διέγερση. Παρατηρείται ότι στην περίπτωση της πρακτικά παλμικής διέγερσης της Λευκάδας το ανασήκωμα είναι αισθητά μεγαλύτερο από εκείνο που προκύπτει για τις άλλες δύο σεισμικές διεγέρσεις. Η ευνοϊκή επίδραση του λικνισμού καταδεικνύεται στα Σχήματα 5 και 6, στα οποία είναι σαφής ή μείωση της ροπής στην βάση λόγω του λικνισμού, γεγονός για το οποίο έχει ληφθεί πρόνοια στον αρχικό σχεδιασμό και την κατασκευή των σιλό. Ωστόσο το ανασήκωμα μπορεί να είναι κρίσιμο για συγκρούσεις του άνω τμήματος του κέλυφους με γειτονικά. Σημαντική είναι και η επιρροή του ύψους πλήρωσης. Με συνεκτίμηση της μάζας του περλίτη η επίδραση στην ιδιοπερίοδο της κατασκευής μπορεί να είναι τέτοια ώστε να προκληθεί ενίσχυση της απόκρισης. Για το λόγο αυτό συνιστάται για τον σχεδιασμό αυτού του είδους των κατασκευών η διενέργεια αναλύσεων με διαφορετικά ύψη πλήρωσης, ώστε να καλυφθεί όλο το φάσμα των δυνατών ιδιοπεριόδων της κατασκευής (Veletsos & Shivakumer 1997). Με βάση τις αναλύσεις προτάθηκαν οι ακόλουθες ενισχύσεις: i) Κατασκευή της ανωδομής από τη βάση τους και σε ύψος 1.50 m. ii) Εφαρμογή δύο στρώσεων σύνθετων υλικών περιμετρικά των δακτυλίων έδρασης της ανωδομής των σιλό, με οριζόντια τοποθέτηση των κύριων ινών των ανθρακουφασμάτων για την περίσφιξη των δακτυλίων έδρασης. REFERENCES Xu, C. and Spyrakos, C.C. (1996) Seismic Analysis of Towers Including Foundation Uplift, Engineering Structures, Vol. 18, pp Ganev, T., Yamazaki, F. and Katayama, T. Observation and numerical analysis of Soil- (1995) (Structure Interaction of a reinforced concrete tower, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, vol.24, pp Antes, H. and Spyrakos, C.C. (1997) Soil structure interaction, Chapter 6 in Computer Analysis and Design of Earthquake Resistant Structures, Computer Mechanics Publications, Southampton, pp Praveen, K.M. (1999) Response of buildings to near-field pulse-like ground motions, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 28, pp Veletsos, A.S. and Shivakumar, P. (1997) Tanks containing liquids or solids, Chapter 15 in Computer Analysis and Design of Earthquake Resistant Structures, Computer Mechanics Publications, Southampton, pp

9