Στέργιος Α. ΜΗΤΟΥΛΗΣ 1, Ιωάννης Α. ΤΕΓΟΣ 2, Αποστόλης ΠΟΥΤΣΙΑΚΑΣ 3

Transcript

1 1 Μείωση των σεισμικών δράσεων σχεδιασμού γεφυρών μέσω της αξιοποίησης του επιχώματος Reduction in seismic actions of bridges by developing the dynamic resistance of the backfills Στέργιος Α. ΜΗΤΟΥΛΗΣ 1, Ιωάννης Α. ΤΕΓΟΣ 2, Αποστόλης ΠΟΥΤΣΙΑΚΑΣ 3 Λέξεις κλειδιά: γέφυρα, πάσσαλοι, εμπλοκή, επίχωμα, αντίσταση, μείωση, σεισμικές δράσεις ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Στην παρούσα εργασία επιδιώκεται, μέσω βελτιωμένης εμπλοκής του επιχώματος, η αξιοποίηση της αποσβεστικής ικανότητός του, με στόχο τη μείωση των σεισμικών δράσεων σχεδιασμού των γεφυρών. Η εμπλοκή του επιχώματος επιτυγχάνεται με την επέκταση της πλάκας του καταστρώματος και στις δύο διευθύνσεις προς το επίχωμα, η οποία διαθέτει πλάτος ίσο προς την απόσταση των μεταξύ των πτερυγοτοίχων του ακροβάθρου, με τους οποίους είναι απλώς εν επαφή, έχουσα τη δυνατότητα να κινείται μεταξύ τους. Η εν λόγω πλάκα αποτελεί τον κεφαλόδεσμο μικροπασσάλων. Οι λειτουργικές ανάγκες του φορέα εξυπηρετούνται από την ευκαμψία των μικροπασσάλων, την δυνατότητα ρηγματώσεως της πλάκας εμπλοκής και την κατάλληλη επιλογή του επιχώματος. Κατά το διαμήκη σεισμό οι πάσσαλοι εμπλοκής συμβάλλουν αποτελεσματικώς στην ισχυρή σύζευξη της γέφυρας με τα επιχώματα. Όσον αφορά την εγκάρσια διεύθυνση του σεισμού, η εν λόγω πλάκαδίσκος προσδίδει ικανοποιητικό βαθμό παγιώσεως του φορέα στο αναμορφωμένο ακρόβαθρο. Η πρόταση αφορά το σύνολο των γεφυρών και ιδιαιτέρως εκείνων που κατά τον σεισμό αποκρίνονται με μεγάλες μετακινήσεις. Ο υπολογισμός του εντόνως μη γραμμικώς αποκρινόμενου συστήματος παρεμπόδισης της σεισμικής ταλάντωσης της γέφυρας πραγματοποιήθηκε στην παρούσα έρευνα αναλύοντας την χρονοϊστορία συνθετικών και καταγεγραμμένων επιταχυνσιογραφημάτων, ανηγμένων στα αντίστοιχα ελαστικά φάσματα του Ευρωκώδικα 8. 1 Δρ. Πολιτικός Μηχανικός, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, mitoulis@civil.auth.gr 2 Καθηγητής, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, itegos@civil.auth.gr 3 Πολιτικός Μηχανικός, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

2 2 ABSTRACT : In the present paper an external restraining system is proposed under the main objective of the study, which is the enhancement of the earthquake resistance of isolated bridge systems. This objective is examined through the possibility of the improved seismic participation of the approach embankments, which are able to dissipate part of the induced seismic energy. The seismic participation of the embankments, which are seismically inactive, according to current conceptual design of bridges, is achieved through the extension of the continuous deck slab onto the embankments and its restrain by the backfill through steel piles. The serviceability requirements of the deck are appropriately accommodated by specific structural measures namely by: (a) the flexibility of the steel piles, (b) the looseness of the backfill, (c) the partial replacement of the embankment s surface layers by expanded polystyrene (EPS), and (d) the in-service allowable cracking of the continuity slab. The proposed technique can be utilized in all bridge structures, especially in those exhibiting large displacements during earthquake. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο σχεδιασμός των γεφυρών πρέπει να συμβιβάζει τη λειτουργικότητα και την αντισεισμικότητα, τα οποία είναι συνιστώσες του ιδίου προβλήματος, αλλά έχουν αντίθετες απαιτήσεις σχεδιασμού. Η λειτουργικότητα, η οποία συνήθως προκύπτει κρίσιμη για τη διαμήκη διεύθυνση της γέφυρας, απαιτεί την ελεύθερη συστολή και διαστολή του καταστρώματος, η οποία προκύπτει από τις θερμοκρασιακές διακυμάνσεις (Eurocode 1, Part 1-5, 2003) και τα φαινόμενα του ερπυσμού και της συστολής ξήρανσης (Arockiasamy, 2005). Η λειτουργικότητα εξυπηρετείται από εύκαμπτα, κατά το δυνατόν συστήματα γεφυρών, όπως για παράδειγμα από συστήματα στα οποία το κατάστρωμα εδράζεται επί των μεσοβάθρων δια ελαστομεταλλικών εφεδράνων. Ο ρόλος των εφεδράνων δεν περιορίζεται στην διευθέτηση των λειτουργικών αναγκών των γεφυρών, καθότι η χρήση τους σε συστήματα σεισμικής μόνωσης, οδηγεί σε σημαντική μείωση των σεισμικών δράσεων των μεσοβάθρων. Η ευκαμψία του συστήματος σεισμικής μόνωσης οδηγεί σε αύξηση της ιδιοπεριόδου των γεφυρών με αποτέλεσμα η επιτάχυνση σχεδιασμού να μειώνεται και κατ επέκταση να μειώνεται και η καταπόνηση των μεσοβάθρων. Επιπλέον, η ανελαστική απόκριση των εφεδράνων οδηγεί στην κατανάλωση ενέργειας, γεγονός που αποτελεί μία επιπλέον διέξοδο στο πρόβλημα των σεισμικών φορτίων των γεφυρών. Παρά το γεγονός ότι η σεισμική μόνωση φαίνεται να αποδίδει τη βέλτιστη λύση συμβιβασμού των αντιμαχομένων προβλημάτων σχεδιασμού, δηλαδή της λειτουργικότητας και της αντισεισμικότητας, ωστόσο, τα σεισμικώς μονωμένα συστήματα γεφυρών υπόκεινται στον περιορισμό χρήσεως συντελεστού συμπεριφοράς ίσου με τη μονάδα δηλαδή q=1 (Eurocode 8 Part 2, 2005). Η τελευταία απαίτηση αφενός οδηγεί σε σημαντική αύξηση των επιταχύνσεων σχεδιασμού, συγκριτικώς προς τα

3 3 συστήματα γεφυρών που αξιοποιούν την υστερητική απόσβεση των μεσοβάθρων που είναι μονολιθικώς συνδεδεμένα με το κατάστρωμα. Επιπλέον, η αύξηση της ιδιοπεριόδου των σεισμικώς μονωμένων γεφυρών οδηγεί και σε ένα πρόβλημα, το οποίο αναγνωρίζεται διεθνώς (Skinner, 1994; Buckle, 1992; Kelly 2001), και το οποίον σχετίζεται με τη σημαντική αύξηση των μετακινήσεων του καταστρώματος. Συνήθως, το κλειδί για τον περιορισμό των μετακινήσεων είναι συνήθως η αύξηση της αποσβέσεως (Kawashima, 2004). Η αύξηση της αποσβέσεως κανονιστικώς αντιμετωπίζεται με τη χρήση εφεδράνων υψηλής απόσβεση, π.χ. με τη χρήση ελαστομεταλλικών εφεδράνων με πυρήνα μολύβδου, είτε με τη χρήση υδραυλικών αποσβεστήρων (OΣΜ 2004). Σημειωτέον ότι, οι υδραυλικοί αποσβεστήρες είναι ιδιαιτέρως ακριβές αντισεισμικές διατάξεις οι οποίες αυξάνουν σημαντικά το αρχικό αλλά και το τελικό, συμπεριλαμβανομένου και του κόστους συντήρησης ή και αντικατάστασης, κόστος των γεφυρών. Η αντισεισμικότητα των γεφυρών είναι δυνατό να επιτευχθεί και με την κατά το δυνατό αύξηση των μονολιθικών συνδέσεων μεταξύ καταστρώματος και μεσοβάθρων. Στην περίπτωση αυτή αφενός η δυσκαμψία του συστήματος παραλαβής των σεισμικών δράσεων είναι αυξημένη, αφετέρου η αξιοποίηση της υστερητικής απόσβεσης των μεσοβάθρων δίνει τη δυνατότητα υποβιβασμού των σεισμικών δράσεων, μέσω του συντελεστή συμπεριφοράς. Ωστόσο, η αυξημένη μονολιθικότητα στις γέφυρες αφενός περιορίζεται από την εφαρμογή ορισμένων μεθόδων κατασκευής, όπως είναι η προώθηση και η προκατασκευή αφετέρου δεν είναι λυσιτελής στο πρόβλημα των μετακινήσεων, καθότι οι υπολογιστικές μετακινήσεις πολλαπλασιάζονται με τον χρησιμοποιηθέντα κατά τη σεισμική ανάλυση συντελεστή συμπεριφοράς. Η περιγραφείσα παραπάνω αντισεισμική θωράκιση των γεφυρών είναι δυνατό να χαρακτηριστεί ως συμβατική, δεδομένου ότι αυτή ακολουθεί τις κανονιστικές συστάσεις. Ωστόσο, εκτός από τις συμβατικές μεθόδους αντιμετώπισης της σεισμικής δράσης είναι δυνατό να αξιοποιηθούν και μη συμβατικές τεχνικές με στόχο τον έλεγχο της σεισμικής καταπόνησης των γεφυρών. Συγκεκριμένα είναι δυνατό να αξιοποιηθούν στοιχεία της γέφυρας, όπως το ακρόβαθρο και το επίχωμα. Τα στοιχεία αυτά παρότι στις σύγχρονες γέφυρες θεωρούνται ότι δεν συμμετέχουν στο σύστημα παραλαβής των σεισμικών δράσεων εντούτοις κατάλληλη κατασκευαστική διαμόρφωση των στοιχείων αυτών είναι δυνατό να αποδώσει σημαντική μείωση των μετακινήσεων της γέφυρας. Κατ επέκταση η σεισμική τους αξιοποίηση είναι δυνατό να οδηγήσει σε σημαντική μείωση των μετακινήσεων του καταστρώματος (Kotsoglou, 2007; Mitoulis, 2006; Mikami, 2008; Mylonakis, 1999) και των δράσεων σχεδιασμού οδηγώντας έτσι σε οικονομικότερες κατασκευαστικές λύσεις (Nutt, 2000). Σημειωτέον ότι, στις σύγχρονες γέφυρες ο σχεδιασμός των ακραίων αρμών λαμβάνει υπόψη του ένα ποσοστό των σεισμικών

4 4 μετακινήσεων σχεδιασμού του καταστρώματος. Το γεγονός αυτό οδηγεί στην εκούσια αποδοχή της σεισμικής εμπλοκής του ακροβάθρου και του επιχώματος «πίσω» από αυτό, χωρίς όμως να λαμβάνονται υπόψη οι κίνδυνοι που ελλοχεύουν από τη σεισμική αυτή εμπλοκή, οι οποίοι συνδέονται με μη ελεγχόμενα κρουστικά φαινόμενα καταστρώματοςθωρακίου και πιθανές μόνιμες στροφές της ακραίας στήριξης (ακροβάθρου) της γέφυρας. Στην παρούσα εργασία προτείνεται ένα εξωτερικό σύστημα ανασχέσεως των σεισμικών δράσεων σχεδιασμού των γεφυρών. Το σύστημα αποτελείται από την επέκταση της πλάκας καταστρώματος των γεφυρών προς το επίχωμα και την παγίωσή της επί ομάδας μεταλλικών πασσάλων εμπλοκής, οι οποίοι μπήγονται στο μεταβατικό επίχωμα της γέφυρας. Εκτός από την παραμετρική διερεύνηση του προβλήματος και την αναλυτική διαπίστωση της αποδοτικότητας του προτεινομένου συστήματος δίδεται και η διαδικασία που ακολουθήθηκε κατά τον σχεδιασμό και την βελτιστοποίηση του συστήματος. Η αποδοτικότητα του συστήματος έχει ήδη διερευνηθεί σε μονολιθικά συστήματα (Μητούλης, 2007). Στην παρούσα εργασία δίδονται τα αποτελέσματα για μία σεισμικώς μονωμένης γέφυρας του αυτοκινητοδρόμου ΠΑΘΕ. ΤΟ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟ ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΟ ΑΚΡΟΒΑΘΡΟ Γενικά Στο Σχήμα 1 δίδεται το προτεινόμενο εξωτερικό σύστημα ανασχέσεως των σεισμικών μετακινήσεων του καταστρώματος. Το σύστημα αποτελείται από: (α) την πλάκα εμπλοκής, η οποία είναι η επέκταση της πλάκας καταστρώματος προς το μεταβατικό επίχωμα και (β) του πασσάλους εμπλοκής οι οποίοι τοποθετούνται στο ειδικά επιλεγμένο υλικό του μεταβατικού επιχώματος. Το επίχωμα κάτω από την πλάκα εμπλοκής προβλέπεται οπλισμένο προς αποφυγή των καθιζήσεων του επιχώματος, οι οποίες θα ήταν δυνατό να προκαλέσουν ανεπιθύμητες βλάβες στην πλάκα. Τα μέλη του εξωτερικού συστήματος ανασχέσεως επιλέχθηκαν με τρόπο ώστε αφενός να τακτοποιούνται οι λειτουργικές μετακινήσεις του καταστρώματος, οι οποίες μεταβιβάζονται στην πλάκα εμπλοκής και αφετέρου να μεγιστοποιείται η σεισμική συμμετοχή του μεταβατικού επιχώματος. Τα κριτήρια που οδήγησαν στην επιλογή των μελών του συστήματος ανασχέσεως ήταν τα εξής: (α) η απαίτηση ελαστικής αποκρίσεως των πασσάλων εμπλοκής στην κατάσταση λειτουργίας της γέφυρας, (β) η μείωση των καθιζήσεων του επιχώματος, (γ) η ελεγχόμενη φόρτιση της φορτίσεως του καταστρώματος στην κατάσταση λειτουργίας της γέφυρας, η οποία προκαλείται από τις μεταβολές του μήκους του καταστρώματος και τις αναπτυσσόμενες δυνάμεις δεσμεύσεως της πλάκας

5 5 εμπλοκής, (δ) η αύξηση της σεισμικής αποδοτικότητας του συστήματος ανασχέσεως, (ε) η ακεραιότητα του ακροβάθρου και η οικονομικότητα. Ο σχεδιασμός της πλάκας εμπλοκής έγινε εις τρόπον ώστε ένα μέρος των λειτουργικών καταναγκασμών του καταστρώματος, που προέρχονται από τα φαινόμενα του ερπυσμού, της συστολής ξήρανσης και των θερμοκρασιακών επιδράσεων, να απορροφώνται δια της λειτουργικώς επιτρεπόμενης ρηγματώσεως της πλάκας αυτής. Το πάχος της πλάκας επιλέχθηκε ίσο με 0,30μ και το ποσοστό του διαμήκους οπλισμού της ίσο προς 2%. Σημειωτέον ότι, το πάχος της πλάκας συνεχείας αυξάνεται τοπικώς πάνω από τους πασσάλους εμπλοκής με στόχο να διαμορφώσει έναν ισχυρό και άκαμπτο κεφαλόδεσμο. Το μήκος του καταστρώματος καθορίζει το μήκος της πλάκας εμπλοκής δεδομένου ότι αυτή αναδέχεται και εκτονώνει ένα ποσοστό της διαμήκους λειτουργικής μετακίνησης του καταστρώματος. Το μήκος αυτό προέκυψε 15m. Το εγκάρσιο πλάτος της πλάκας είναι ίσο προς το πλάτος του καταστρώματος 14,20m. Οι πάσσαλοι εμπλοκής επιλέχθηκαν μεταλλικοί διατομής ΙΡΕ 330, καθότι βρέθηκε ότι αυτή η διατομή των πασσάλων είναι δυνατό να παραλάβει μέσω αμιγώς ελαστικής παραμόρφωσης τη λειτουργική μετακίνηση του καταστρώματος. Σημειωτέον ότι η εξαναγκασμένη μετακίνηση της κεφαλής των πασσάλων εμπλοκής αντιστοιχεί στο υπόλοιπο της μετακίνησης που δεν εκτονώθηκε στην πλάκα εμπλοκής. Ο προσανατολισμός των πασσάλων επιλέχθηκε ώστε κατά τη διαμήκη διεύθυνση της γέφυρας οι πάσσαλοι να έχουν τη μικρότερη δυσκαμψία. Ο αριθμός των πασσάλων επιλέχθηκε με κριτήριο την μέγιστη αποδεκτή λειτουργική επιπόνηση του καταστρώματος από μία δύναμη έκκεντρη ως προς το κέντρο βάρους αυτού. Η δύναμη αυτή είναι δυνατό να είναι είτε θλιπτική είτε εφελκυστική κατά τη διαστολή ή τη συστολή του καταστρώματος αντιστοίχως. Δεδομένου ότι η δύναμη αυτή παράγει, εξαιτίας της εκκεντρότητάς της, και μία ροπή ελέγχθηκαν τόσο οι τάσεις που αναπτύσσονται στο κατάστρωμα όσο και οι ροπές στο πρώτο άνοιγμα και στο πρώτο στήριγμα της γέφυρας προκειμένου να διαπιστωθεί η επάρκεια της προεντάσεως του καταστρώματος έναντι των προαναφερθέντων λειτουργικών εντάσεων. Σημειώνεται ότι ο έλεγχος της αντιστάσεως των πασσάλων είναι δυνατό να επιτευχθεί και με τη χρήση στρώσης διογκωμένης πολυστερίνης καταλλήλου πάχους και τοποθετημένης κάτω από τον κεφαλόδεσμο των πασσάλων. Το επίχωμα επιλέχθηκε να χωριστεί σε δύο ζώνες. Η πρώτη ζώνη εξυπηρετεί την σχετικώς ακώλυτη λειτουργικώς μετακίνηση των πασσάλων οπότε επιλέχθηκε να αποτελείται από μία σχετικώς χαλαρή άμμο με γωνία τριβής 30 ο. Η δεύτερη ζώνη αποτελείται από ένα αυτοφερόμενο οπλισμένο επίχωμα, το οποίον μειώνει σημαντικά την καθίζηση του επιχώματος και προστατεύει την πλάκα εμπλοκής από πιθανές καμπτικές παραμορφώσεις. Σημειώνεται ότι το οπλισμένο μεταβατικό επίχωμα συμμετέχει, σε ένα μήκος του, στο σύστημα

6 6 παραλαβής των σεισμικών δράσεων της γέφυρας, δεδομένου ότι ο αρμός που χωρίζει το θωράκιο από το κατάστρωμα υπολογίστηκε με βάση τις λειτουργικές και μόνο μετακινήσεις του καταστρώματος. Κατ επέκταση οι σεισμικές μετακινήσεις αναμένεται να ενεργοποιήσουν αντισεισμικώς το θωράκιο και το επίχωμα που βρίσκεται πίσω από αυτό. στρώση ΕPS χαλαρό επίχωμα Σχήμα 1. Το προτεινόμενο εξωτερικό σύστημα ανασχέσεως των σεισμικών μετακινήσεων του καταστρώματος, (α) Κατά μήκος τομή και (β) Κάτοψη. ΓΕΦΥΡΑ-ΑΦΕΤΗΡΙΑ Η αποδοτικότητα του προτεινόμενου συστήματος ανασχέσεως έγινε αξιοποιώντας μία γέφυρα του αυτοκινητοδρόμου ΠΑΘΕ η μελέτη της οποίας έχει πραγματοποιηθεί από τη μελετητική εταιρεία ΜΕΤΕ-ΣΥΣΜ Α.Ε. Η γέφυρα δίνεται σε κατά μήκος τομή στο Σχήμα 2(α) και αξιοποιήθηκε ως γέφυρα- αφετηρία στην παρούσα έρευνα. Το συνολικό της µήκος είναι L=177,5m και αποτελείται από πέντε ανοίγματα, δύο ακραία μήκους 34,75m και τέσσερα κεντρικά των 36,0m. Το κατάστρωμα

7 7 αποτελείται από έξι προκατασκευασμένες, προεντεταμένες δοκούς μορφής διπλού ταύ, ύψους 2,00m σε αξονικές αποστάσεις 2,50m και από την πλάκα του καταστρώματος πάχους 0,25m. Η πλάκα καταστρώματος διαμορφώνεται από προκατασκευασμένες πλάκες πάχους 0,10m, που στηρίζονται στο πάνω πέλμα των δοκών, και χυτή επί τόπου στρώση πάχους 0,15m. Η έδραση του καταστρώματος στα μεσόβαθρα και στα ακρόβαθρα γίνεται δια ελαστομεταλλικών εφεδράνων χαμηλής απόσβεσης. Τα μεσόβαθρα, Σχήμα 2(δ), είναι κυκλικής δακτυλιοειδούς διατομής εξωτερικής διαμέτρου 3,0 m και εσωτερικής 2,00 m. Η θεμελίωση τους γίνεται σε πασσαλο-ομάδα 3x3. Η διάμετρος των πασσάλων είναι 1,0m. Η γέφυρα είναι θεμελιωμένη σε έδαφος κατηγορίας Β και σε Ζώνη Σεισµικής Επικινδυνότητας ΙΙ (α g =0,24g). Ο συντελεστής σπουδαιότητας είναι γ Ι =1,00 ενώ ο συντελεστής συμπεριφοράς έχει την τιμή q=1 τόσο στη διαμήκη όσο και στην εγκάρσια διεύθυνση. A1 M1 M2 M3 M A (α) 14,20 7,50 2,25 2,50 3,00 2,00 (β) (γ) (δ) Σχήμα 2. (α) Κατά μήκος τομή της γέφυρας του τμήματος Σκάρφεια-Ράχες του αυτοκινητοδρόμου ΠΑΘΕ. (β) Kατά μήκος τομή του ακροβάθρου. (γ) Εγκάρσια τομή καταστρώματος στο άνοιγμα και (δ) Διατομή μεσοβάθρων. ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΩΝ ΓΕΦΥΡΩΝ Το περιγραφέν στην προηγούμενη παράγραφο σύστημα ανασχέσεως των σεισμικών δράσεων σχεδιασμού εφαρμόστηκε στην γέφυρα αφετηρία. Η διερεύνηση της αντισεισμικής του αποδοτικότητας του συστήματος εμπλοκής έγινε μέσω της συγκρίσεως των ποσοστιαίων μειώσεων των

8 8 μετακινήσεων του καταστρώματος της συμβατικής γέφυρας-αφετηρίας και της μη-συμβατικής γέφυρας. Παρακάτω περιγράφονται τα προσομοιώματα της γέφυρας αφετηρίας και του συστήματος ανασχέσεως. Το προσομοίωμα της μη-συμβατικής γέφυρας προέκυψε από αυτό της συμβατικής με την προσθήκη των συστημάτων ανασχέσεως στα δύο άκρα της γέφυρας-αφετηρίας. Η γεωμετρία των δύο γεφυρών ήταν η ίδια. Προσομοίωση της Γέφυρας - Αφετηρίας Η προσομοίωση του καταστρώματος της γέφυρας αφετηρίας έγινε με στοιχεία δοκού με ιδιότητες διατομής αυτές του καταστρώματος, Σχήμα 2. Το προσομοίωμα της γέφυρας- αφετηρίας δίνεται στο Σχήμα 3. Η ενεργός δυσκαμψία του προεντεταμένου καταστρώματος θεωρείται ίση με αυτή της αρηγμάτωτης διατομής. Η έδραση του καταστρώματος τόσο στα μεσόβαθρα όσο και στα ακρόβαθρα γίνεται μέσω ελαστομεταλλικών εφεδράνων, Λεπτομέρεια στο Σχήμα 3. Η προσομοίωση της μεταφορικής και στροφικής δυσκαμψίας των εφεδράνων έγινε με χρήση κατάλληλων στοιχείων σύνδεσης (link elements) οι ιδιότητες των οποίων υπολογίστηκαν σύμφωνα με το προσομοίωμα των Naeim et al., (Naeim et al., 1999). Η προσομοίωση των μεσοβάθρων έγινε επίσης με στοιχεία δοκού. Η δυνατότητα σχηματισμού πλαστικών αρθρώσεων στον πόδα των μεσοβάθρων λαμβάνεται υπόψη μέσω της θεώρησης μη γραμμικών στροφικών ελατηρίων στη βάση των στοιχείων αυτών. Η ενεργός δυσκαμψία των στοιχείων αυτών λαμβάνεται ίση με EI eff =M y /φ y, όπου M y είναι η ροπή διαρροής και φ y η καμπυλότητα διαρροής, όπως έχουν προκύψει από την ανάλυση των διατομών με το πρόγραμμα RCCOLA, (Kappos, 2002), χρησιμοποιώντας για το περισφιγμένο σκυρόδεμα το προσομοίωμα του Καθηγητή Κάππου, (Kappos, 1991). Η ευκαμψία της θεμελιώσεως των μεσοβάθρων λαμβάνεται υπόψη με χρήση των ελατηριακών σταθερών που προέβλεπε η μελέτη εφαρμογής. Η επιρροή του επιχώματος δεν λαμβάνεται υπόψη, καθώς θεωρείται ο πλήρης διαχωρισμός του συστήματος από το επίχωμα δια της παρεμβολής του κιβωτίου εντός του οποίου βρίσκονται αποθηκευμένα τα εγκαρσίως προσανατολισμένα τοιχώματα. Προσομοίωση του συστήματος ανασχέσεως To προτεινόμενο σύστημα ανασχέσεως προσομοιώθηκε ώστε να προκύψει, από την γέφυρα-αφετηρία, το προσομοίωμα της μη-συμβατικής γέφυρας, Σχήμα 4. Το σύστημα αποτελείται από: (α) την πλάκα εμπλοκής η οποία προσομοιώθηκε με στοιχεία δοκού. Το στοιχείο αυτό έχει διαστάσεις 0,30m πάχος και 14,2m πλάτος, (β) οι πάσσαλοι εμπλοκής οι οποίοι προσομοιώθηκαν με 10 στοιχεία δοκού κάθε ένα από τα οποία είχε μήκος 1m. Το συνολικό μήκος των πασσάλων είναι 10m, μήκος το οποίο σχετίζεται με την αποφυγή της καθιζήσεως του κεφαλοδέσμου των πασσάλων.

9 9 Λεπτομέρεια z x y 1 κατάστρωμα 2 πλάκα συνεχείας 3 άκαμπτη ζώνη (από κ.β διατομής καταστρώματος έως άνω στρώση εφεδράνου) 4 άκαμπτη ζώνη (έδραση καταστρώματος στα εφέδρανα) 5 εφέδρανο (link element) 6 άκαμπτη ζώνη (πλάτος κεφαλής μεσοβάθρων) 7 μεσόβαθρο z Λεπτομερεια x Kxi,Kyi κατάστρωμα (33 στοιχεία δοκού) μεσόβαθρα στοιχεία δοκού πιθανή πλαστική άρθρωση Krxi, Kryi, Krzi Kzi M1 M2 M3 M4 Σχήμα 3. Προσομοίωμα της γέφυρας - αφετηρίας Η πρώτη ζώνη του επιχώματος της γέφυρας (Ζώνη Ι, Σχήμα 1) είναι το τμήμα του επιχώματος στο οποίο τοποθετούνται οι πάσσαλοι εμπλοκής. Το υλικό αυτής της ζώνης επιλέχθηκε να συντίθεται από σχετικώς χαλαρή άμμο, τη οποίας η γωνία εσωτερικής τριβής είναι ίση με 30 ο. Η αντίσταση του επιχώματος προσομοιώθηκε με διγραμμικά ελατήρια βάσει του ΑPI (ΑPI, 1993). Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε περιγράφεται αναλυτικά από τους Basu (2004). Η αντίσταση P u υπολογίστηκε με βάση τον Haliburton (1971). Το χαλαρό επίχωμα θεωρήθηκε ότι εμφανίζει μόνιμες παραμορφώσεις όταν η παραμόρφωσή του ξεπερνάει την τιμή των 25mm. Τα φαινόμενα ομάδας αγνοήθηκαν καθότι οι αποστάσεις μεταξύ των πασσάλων εμπλοκής είναι μεγαλύτερες από το τριπλάσιο της μέγιστης διάστασης της διατομής των πασσάλων (ATC-32, 1996). Η δεύτερη ζώνη του επιχώματος (Ζώνη ΙΙ) επιλέχθηκε να είναι οπλισμένη. Η αντίσταση του θωρακίου του ακροβάθρου και του οπλισμένου επιχώματος ελήφθη υπόψη με τη προσομοίωμα του Caltrans (Caltrans, 1999). Η δυσκαμψία υπολογίστηκε K abut = KN/m. Το οπλιμένο επίχωμα βρέθηκε ότι διαρρέει σε μία μετακίνηση Δ eff =58mm, η οποία αντιστοιχεί σε μία αντίσταση κατά τον CalTrans P bw =7495KN. Η μετελαστική δυσκαμψία του επιχώματος βρέθηκε ίση με K res = KN/m. Τέλος το εύρος του αρμού μεταξύ της πλάκας καταστρώματος και του θωρακίου υπολογίστηκε βάσει των λειτουργικών καταναγκασμών ίσο προς 23mm.

10 10 Παραμετρική διερεύνηση Προκειμένου να διερευνηθεί η αποδοτικότητα του προτεινόμενου συστήματος ανασχέσεως οι δύο γέφυρες (συμβατική και μη-συμβατική) αναλύθηκαν για διαφορετικές σεισμικότητες και για διαφορετικές κατηγορίες εδάφους. Συγκεκριμένα οι παράμετροι που αναλύθηκαν ήταν οι εξής: (α) η επιτάχυνση σχεδιασμού. Αναλύθηκαν οι γέφυρες για επιτάχυνση σχεδιασμού 0,16g και 0,24g και (β) η κατηγορία του εδάφους. Αναλύθηκαν περιπτώσεις γεφυρών θεμελιωμένων σε έδαφος κατηγορίας Α, Β και C του Ευρωκώδικα 8 Μέρος 1 (Eurocode 8, Part 1, 2005). Τα προκύψαντα συστήματα γεφυρών. Τα συνθετικά επιταχυνσιογραφήματα που χρησιμοποιήθηκαν, (5 ανά διεύθυνση σχεδιασμού), αντιστοιχούν στα ελαστικά φάσματα σχεδιασμού του Ευρωκώδικα 8 Μέρος 1 και στις τρεις διαφορετικές κατηγορίες εδάφους: Α,Β και C. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Η αντισεισμική αποδοτικότητα του προτεινόμενου συστήματος ανασχέσεως καθορίστηκε υπολογίζοντας την ποσοστιαία μείωση των σεισμικών μετακινήσεων του καταστρώματος κατά τη διαμήκη και την εγκάρσια διεύθυνση του καταστρώματος. Η μείωση αυτή, η οποία εκφράζεται από την Εξίσωση 1 επετεύχθη χάρη στην ισχυρή αντισεισμική εμπλοκή του επιχώματος, μέσω των πασσάλων εμπλοκής. P.R. 1 u E, μη συμβ. = (1) ue, συμβ. Στην Εξίσωση 1 όπου u Ε,μη-συμβ. είναι η μετακίνηση του καταστρώματος της μη συμβατικής γέφυρας και u Ε,συμβ. είναι η μετακίνηση του καταστρώματος της συμβατικής γέφυρας. Στο Σχήμα 5 δίνονται οι ποσοστιαίες μειώσεις των μετακινήσεων για τη γέφυρα συνολικού μήκους 177,5m, η οποία αξιοποιεί το προτεινόμενο σύστημα ανασχέσεως. Το Σχήμα 5(α) δίνει τις ποσοστιαίες μειώσεις των διαμήκων μετακινήσεων του καταστρώματος στις θέσεις των ακροβάθρων και των μεσοβάθρων, ενώ, το Σχήμα 5(β) δίνει τις ποσοστιαίες μειώσεις των εγκαρσίων μετακινήσεων. Από τα διαγράμματα προκύπτει ότι η προτεινόμενη διάταξη εμπλοκής μειώνει τις μετακινήσεις κατά τη διαμήκη διεύθυνση της γέφυρας έως και 65%. Στην εγκάρσια διεύθυνση οι μετακινήσεις μειώνονται σε ποσοστό έως 30%. Η προαναφερθείσα μείωση αφορά κυρίως τις θέσεις πάνω από τα ακραία μεσόβαθρα. Η αποδοτικότητα του συστήματος μειώνεται στο κεντρικό τμήμα του καταστρώματος της γέφυρας. Σημειωτέον ότι, η αντισεισμική αποδοτικότητα του συστήματος κατά την εγκάρσια διεύθυνση εξαρτάται από την στροφική αντίσταση του συστήματος περί τον κατακόρυφο άξονα, η οποία διαπιστώθηκε ότι είναι μικρότερη από την αντίστοιχη μεταφορική κατά τη διαμήκη διεύθυνση της γέφυρας.

11 11 Στο Σχήμα 6 δίνονται οι ποσοστιαίες μειώσεις των μετακινήσεων για την αυξημένη σεισμικότητα. Το Σχήμα 6(α) αφορά τις διαμήκεις μετακινήσεις ενώ, το Σχήμα 6(β) τις εγκάρσιες. Από τα διαγράμματα προκύπτει ότι η προτεινόμενη διάταξη εμπλοκής μειώνει τις μετακινήσεις κατά τη διαμήκη διεύθυνση της γέφυρας έως και 65%. Στην εγκάρσια διεύθυνση οι μετακινήσεις μειώνονται σε ποσοστό έως 30%. Η σύγκριση των δύο σχημάτων (5 και 6) οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η σεισμικότητα δεν επηρεάζει σημαντικά την σεισμική αποδοτικότητα του συστήματος εμπλοκής. Αναφορικά με την επιρροή της κατηγορίας του εδάφους δεν είναι δυνατό να εξαχθούν συγκεκριμένα συμπεράσματα καθότι όπως φαίνεται από τα σχήματα η επιρροή αυτής της παραμέτρου δεν είναι ομοιόμορφη. ΛεπτομέρειαP Kabut Kres Δeff ux αρμός διαστολής Pbw πλάκα συνεχείας Λεπτομέρεια IPE-μεταλλικοί πάσσαλοι M1 z M2 M3 M4 x Σχήμα 4. Προσομοίωμα της μη-συμβατικής γέφυρας. ν 100% τω x Έδαφος: A B C 80% ο λ ή u ν β ε ω 60% ε τα σ ή ιν Μ κ 40% %. ε τα Ṛ μ 20% P 0% Κόμβος καταστρώματος πάνω από το: a g =0.16g A1 M1 M2 M3 M4 A2 ν τω ο λ ή u y ν β ε ω ε τα σ ή Μ ιν κ %. ε τα Ṛ μ P a g =0.16g 50% 40% 30% 20% 10% 0% Έδαφος: A B C Κόμβος καταστρώματος πάνω από το: A1 M1 M2 M3 M4 A2 (α) (β) Σχήμα 5. Η ποσοστιαία μείωση των σεισμικών μετακινήσεων του καταστρώματος: (α) διαμήκεις μετακινήσεις και (β) εγκάρσιες μετακινήσεις (a g =0,16g).

12 12 ν 100% τω 80% ο λ ή u x Έδαφος: A B C ν β ε ω 60% ε τα σ ή ιν Μ κ 40% %. ε τα Ṛ μ 20% P 0% Κόμβος καταστρώματος πάνω από το: a g =0.24g A1 M1 M2 M3 M4 A2 ν τω ο λ ή u y ν β ε ω ε τα σ ή Μ ιν κ %. ε τα Ṛ μ P a g =0.24g 50% 40% 30% 20% 10% 0% Έδαφος: A B C Κόμβος καταστρώματος πάνω από το: A1 M1 M2 M3 M4 A2 (α) (β) Σχήμα 6. Η ποσοστιαία μείωση των σεισμικών μετακινήσεων του καταστρώματος: (α) διαμήκεις μετακινήσεις και (β) εγκάρσιες μετακινήσεις (a g =0,24g). ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα διερεύνηση προτείνεται ένας σύστημα ανασχέσεως των σεισμικών δράσεων των γεφυρών το οποίον αξιοποιεί την σεισμική αντίσταση των επιχωμάτων. Το προτεινόμενο σύστημα αποτελείται από την πλάκα εμπλοκής, η οποία προκύπτει από την επέκταση της πλάκας καταστρώματος προς το επίχωμα και τους πασσάλους εμπλοκής, οι οποίοι παγιώνουν αυτή την πλάκα σε καταλλήλως διαμορφωμένο επίχωμα. Η παραμετρική διερεύνηση της αντισεισμικής αποδοτικότητας του συστήματος κατέληξε στα κάτωθι συμπεράσματα: Το προτεινόμενο σύστημα ανασχέσεως είναι δυνατό με κατάλληλη επιλογή των μελών του αφενός να εξυπηρετήσει τις λειτουργικώς επιβαλλόμενες μετακινήσεις του καταστρώματος και αφετέρου να συνεισφέρει σημαντικά στην παραλαβή των σεισμικών δράσεων σχεδιασμού. Η επιλογή των πασσάλων εμπλοκής και του επιχώματος επί του οποίου γίνεται η έμπηξη των πασσάλων κρίνονται ιδιαιτέρως σημαντικές παράμετροι σχεδιασμού του συστήματος. Προτείνεται η χρήση μεταλλικών πασσάλων διατομής ΙPE, οι οποίοι διαθέτουν ελεγχόμενη δυσκαμψία και αυξάνουν σημαντικά την επιφάνεια επαφής με το επίχωμα. Το επίχωμα προτείνεται να συντίθεται από χαλαρό υλικό ώστε να εκτονώνονται οι λειτουργικές μετακινήσεις του καταστρώματος χωρίς τη μεταβίβαση ισχυρών δυνάμεων εμπλοκής στο κατάστρωμα της γέφυρας.

13 13 Η σεισμική εμπλοκή του προτεινόμενου συστήματος είναι δυνατό να αποδώσει σημαντική μείωση των σεισμικών μετακινήσεων του καταστρώματος τόσο κατά τη διαμήκη όσο και κατά την εγκάρσια διεύθυνση της γέφυρας. Η αναλυτική διερεύνηση έδειξε ότι οι σεισμικές μετακινήσεις του καταστρώματος είναι δυνατό να μειωθούν σε ποσοστά έως 65% κατά τη διαμήκη και έως 30% κατά την εγκάρσια διεύθυνση της γέφυρας. Η επιρροή της σεισμικότητα στην αντισεισμική αποδοτικότητα του συστήματος ανασχέσεως φαίνεται να είναι σχετικώς μικρή. Αντιθέτως η κατηγορία του εδάφους επηρεάζει την αποδοτικότητα του συστήματος. Από την παρούσα ωστόσο διερεύνηση δεν είναι δυνατό να εξαχθούν περαιτέρω συγκεκριμένα συμπεράσματα για την επιρροή αυτής της παραμέτρου, καθότι όπως φαίνεται από τα σχήματα αυτή δεν είναι ομοιόμορφη. ΑΝΑΦΟΡΕΣ American Petroleum Institute (API). Recommended practice for planning, designing, and constructing fixed offshore platforms working stress design, 20 th Ed., API RP2A-WSD, Washington DC (1993). Arockiasamy M., Sivakumar M., Design Implications of creep and shrinkage in integral abutment bridges. ACI Special Publication, Vol. 227, (2005) pp ATC-32, Improved Seismic Design Criteria for California Bridges, Contract 59N203, Applied Technology Council (1996). Basu P.K., Knickerbocker D.J., Behavior of jointless high performance concrete bridges, Final Report, Project No. TNSPR-RES1162 (2004). Buckle I., Mayes R., History and Application of Seismic Isolation to Highway Bridges, in Proceedings of the 1 st US-Japan Workshop on Earthquake Protective Systems, NCEER 92-4, pp , NCEER, State University of New York, Buffalo NY USA (1992). Caltrans, Seismic Design Criteria 1.1, California Department of Transportation, Sacramento, California (1999). CEN [Comité Européen de Normalisation], Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-5: General actions - Thermal actions, Final Draft pren , (2003).

14 14 CEN [Comité Européen de Normalisation], Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 2: Bridges, (2004). CEN [Comité Européen de Normalisation], Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance, Part 1: General rules, seismic actions ands rules for buildings, January (2003). Haliburton T.A., Soil structure interaction; numerical analysis of beams and beam columns. Technical Publication No. 14, School of Civil Engineering, Oklahoma State University, Stillwater, Oklahoma (1971). Kappos A.J., RCCOLA-90: A microcomputer program for the analysis of the inelastic response of reinforced concrete sections, Dept. of Civ. Engrg., Aristotle University of Thessaloniki, Thessaloniki, Greece (2002). Kawashima K., Seismic isolation of highway bridges, Journal of Japan Association for Earthquake Engineering Vol. 4 (2004) No. 3, (Special Issue). Kelly T.E., «Base isolation of structures, Design guidelines» S.E. Holmes Consulting Group Ltd, (2001). Kotsoglou A,, Pantazopoulou S., Bridge-embankment interaction under transverse ground excitation. Earthquake Engineering & Structural Dynamics Vol. 36, Issue 12, (2007) p Mikami T., Unjoh S., Kondoh M., The effect of abutments as displacement limiting measure on seismic performance of bridges, Accessed 15 Oct Mitoulis S., Tegos I., An alternative proposal for a movable abutment for integral bridges, in Proceedings of the First European Conference on Earthquake Engineering and Seismology, Geneva, Switzerland (2006). Mylonakis G., Simeonov V.K., Reinhorn A.M., Buckle I.G., Implications of Spatial Variation of Ground Motion on the Seismic Response of Bridges: Case Study. ACI International - Special Publication (1999), SP-187 (K. Krishnan Editor), Naeim F., Kelly J.M., «Design of seismic isolated structures, From theory to practice», John Wiley and Sons, Inc (1999).

15 15 Nutt R.V., Mayes R.L., Comparison of Typical Bridge Columns Seismically Designed With and Without Abutment Participation Using AASHTO Division I-A and Proposed AASHTO LRFD Provisions, Task F3-1(a) (2000). Skinner R.V., Robinson W.H., McVerry G.H., «An Introduction to Seismic Isolation», John Wiley & Sons, New York, USA (1994). Μητούλης Σ.Α., «Μείωση των σεισμικών δράσεων σχεδιασμού των γεφυρών μέσω της παρεμπόδισης της ελεύθερης ταλάντωσης δια της εμπλοκής του ακροβάθρου και του μεταβατικού επιχώματος», Διδακτορική διατριβή που υποβλήθηκε στο Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη (2007). Υπουργείο Περιβάλλοντος Χωροταξίας και Δημόσιων Έργων, Γενική Διεύθυνση Δημόσιων Έργων, Διεύθυνση Μελετών Έργων Οδοποιίας, Οδηγίες για την Μελέτη Γεφυρών με Σεισμική Μόνωση (ΟΣΜ), (2004).