ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΜΟΝΩΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΕΔΑΦΙΚΗΣ ΑΝΤΙΣΤΗΡΙΞΗΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΠΑΡΕΜΒΛΗΜΑΤΟΣ ΓΕΩΑΦΡΟΥ ΔΙΟΓΚΩΜΕΝΗΣ ΠΟΛΥΣΤΕΡΙΝΗΣ (EPS)

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ (Tηλ.: , Fax: , ΠΡΟΤΑΣΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ: ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΜΟΝΩΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΕΔΑΦΙΚΗΣ ΑΝΤΙΣΤΗΡΙΞΗΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΠΑΡΕΜΒΛΗΜΑΤΟΣ ΓΕΩΑΦΡΟΥ ΔΙΟΓΚΩΜΕΝΗΣ ΠΟΛΥΣΤΕΡΙΝΗΣ (EPS) Προς τον ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΟ ΣΥΝΔΕΣΜΟ ΠΑΡΑΓΩΓΩΝ ΔΙΟΓΚΩΜΕΝΗΣ ΠΟΛΥΣΤΕΡΙΝΗΣ (Νερατζιωτίσσης 33, 15124, Μαρούσι) Επιστημονικός Υπεύθυνος Γ. Α. ΑΘΑΝΑΣΟΠΟΥΛΟΣ Καθηγητής ΠΑΤΡΑ, ΜΑΡΤΙΟΣ 2007

2 ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΜΟΝΩΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΕΔΑΦΙΚΗΣ ΑΝΤΙΣΤΗΡΙΞΗΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΠΑΡΕΜΒΛΗΜΑΤΟΣ ΓΕΩΑΦΡΟΥ ΔΙΟΓΚΩΜΕΝΗΣ ΠΟΛΥΣΤΕΡΙΝΗΣ (EPS) ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι κατασκευές εδαφικής αντιστήριξης αποτελούν σημαντική συνιστώσα πολλών έργων υποδομής αρμοδιότητας Πολιτικού Μηχανικού. Σε περιοχές με έντονη σεισμική δραστηριότητα όπως η Ελλάδα ο σχεδιασμός των κατασκευών αυτών θα πρέπει να γίνεται έτσι ώστε να παραμένουν ευσταθείς κάτω από τη συνδυασμένη δράση των στατικών και σεισμικών δράσεων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την μεγάλη αύξηση του κόστους των κατασκευών εδαφικής αντιστήριξης. Εμπειρίες από παλαιότερους και πρόσφατους σεισμούς δείχνουν ότι σε περιπτώσεις ανεπαρκούς αντισεισμικού σχεδιασμού κατασκευών εδαφικής αντιστήριξης προκύπτουν βλάβες και αστοχίες με καταστροφικές συνέπειες στη λειτουργία μεγάλων έργων υποδομής (Σχ. 1). Επομένως η ανάπτυξη ενός συστήματος σεισμικής μόνωσης των κατασκευών εδαφικής αντιστήριξης θα ήταν ιδιαίτερα επιθυμητή με την προϋπόθεση ότι το κόστος κατασκευής του σεισμικά μονωμένου συστήματος θα είναι μικρότερο σε σχέση με την μη μονωμένη κατασκευή. (α) (β) Σχήμα 1. (α) Αστοχία τοίχου βαρύτητας λόγω ολίσθησης μεταξύ κατασκευαστικών αρμών. (β) Αστοχία σε διάτμηση πτερυγότοιχου σε ακρόβαθρο γέφυρας (δεξιά). Στα πλαίσια της προτεινόμενης έρευνας εξετάζεται η αποτελεσματικότητα ενός απλού συστήματος σεισμικής μόνωσης κατασκευών εδαφικής αντιστήριξης. Το σύστημα περιλαμβάνει την τοποθέτηση ενός στρώματος Διογκωμένης Πολυστερίνης ( dipol ) μεταξύ της οπίσθιας παρειάς της κατασκευής αντιστήριξης και του εδαφικού επιχώματος (Σχ. 2).

3 Τοίχος βαρύτητας Τοίχος πρόβολος Ακρόβαθρο γέφυρας Τοίχωμα υπογείου Σχήμα 2. Μόνωση έναντι σεισμικών πλευρικών ωθήσεων με χρήση συμπιεστού παρεμβλήματος EPS. Το υλικό της διογκωμένης πολυστερίνης που ονομάζεται Γεωαφρός EPS χαρακτηρίζεται από μεγάλη ελαφρότητα και αυξημένη συμπιεστότητα σε σχέση με το εδαφικό υλικό. Κατά τη διάρκεια του σεισμικού κραδασμού το στρώμα του γεωαφρού EPS παίζει το ρόλο ενός συμπιεστού παρεμβλήματος κι απορροφά μεγάλο μέρος των σεισμικών ωθήσεων με αποτέλεσμα τη μείωση αυτών που τελικά ασκούνται στην κατασκευή αντιστήριξης. Στο Εργαστήριο Γεωτεχνικής Μηχανικής του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών διεξάγεται από ετών έρευνα σε σχέση με την αποτελεσματικότητα του συστήματος σεισμικής μόνωσης κατασκευών αντιστήριξης που παρουσιάζεται στο Σχ. 2. Η έρευνα αυτή ακολουθεί δύο κύριες κατευθύνσεις: α) πειραματική διερεύνηση της μηχανικής συμπεριφοράς του EPS υπό δυναμική/κυκλική φόρτιση στην περιοχή παραμορφώσεων που αναπτύσσονται στις εφαρμογές της Γεωτεχνικής Μηχανικής και β) αναλυτική διερεύνηση της σεισμικής απόκρισης τοίχων αντιστήριξης σεισμικά μονωμένων με συμπιεστό παρέμβλημα. Όσον αφορά στην πρώτη κατεύθυνση έρευνας είναι ήδη διαθέσιμα αποτελέσματα που επιτρέπουν τον προσδιορισμό των μηχανικών παραμέτρων του υλικού (βλ. ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ), όταν είναι γνωστή η πυκνότητά του και οι συνθήκες φόρτισής του (τάσεις και παραμορφώσεις). Αναφορικά με την αποτελεσματικότητα της υπό διερεύνηση μεθόδου σεισμικής μόνωσης, τα ήδη διαθέσιμα αποτελέσματα προκαταρκτικών θεωρητικών και αριθμητικών αναλύσεων, της ερευνητικής ομάδας μας, υποδεικνύουν ότι είναι δυνατή η δραστική μείωση των σεισμικών ωθήσεων σε κατασκευές εδαφικής αντιστήριξης, εφόσον επιλεγούν κατάλληλα η πυκνότητα και οι διαστάσεις του συμπιεστού παρεμβλήματος. Έχει μάλιστα αναπτυχθεί μια προσωρινή μεθοδολογία σχεδιασμού σεισμικά μονωμένων κατασκευών εδαφικής αντιστήριξης, η οποία αναμένεται να αναπτυχθεί περαιτέρω στα πλαίσια της προτεινόμενης έρευνας (βλ. ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ). ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ Η προτεινόμενη έρευνα έχει δύο κύρια αντικείμενα:

4 1. Τη διεξαγωγή αριθμητικών αναλύσεων συμπεριφοράς κατασκευών εδαφικής αντιστήριξης σεισμικά μονωμένων με συμπιεστό παρέμβλημα γεωαφρού EPS. Προγραμματίζεται ένας μεγάλος αριθμός παραμετρικών αναλύσεων ώστε να εξακριβωθεί η επίδραση σημαντικών παραμέτρων που αφορούν το συμπιεστό παρέμβλημα (σχήμα, πάχος, πυκνότητα), την κατασκευή αντιστήριξης (τύπος, ύψος, ευκαμψία, δυνατότητα μετακίνησης, κλίση επιχώματος), τη σεισμική διέγερση (αρμονική μεταβαλλόμενης συχνότητας και έντασης, καταγραμμένα επιταχυνσιογραφήματα) και το είδος της ανάλυσης (ισοδύναμη γραμμική, μη γραμμική ανελαστική, με χρήση των μεθόδων πεπερασμένων στοιχείων ή πεπερασμένων διαφορών). Θα διεξαχθούν επίσης αριθμητικές αναλύσεις προσομοιώνοντας δημοσιευμένες δοκιμές Σεισμικής Τράπεζας για τη διερεύνηση της αξιοπιστίας της μεθοδολογίας ανάλυσης. 2. Τη διεξαγωγή δοκιμών σεισμικής απόκρισης φυσικών ομοιωμάτων τοίχων μικρής κλίμακας, στο εσωτερικό συστήματος Φυγοκεντριστή ( centrifuge tests ). Στις δοκιμές αυτές αυξάνεται τεχνητά το βάρος των χρησιμοποιούμενων υλικών, ώστε οι τιμές των εδαφικών τάσεων να ταυτίζονται με αυτές που αναπτύσσονται στην περίπτωση των προσομοιούμενων κατασκευών πλήρους κλίμακας. Το κόστος εγκατάστασης διατάξεων Φυγοκεντριστή είναι εξαιρετικά υψηλό και για το λόγο αυτό είναι διαθέσιμος ένας μικρός αριθμός τέτοιων διατάξεων σε ορισμένες χώρες του κόσμου. Σημειώνεται ότι τα αποτελέσματα των δοκιμών Φυγοκεντριστή θεωρούνται απολύτως αντιπροσωπευτικά των συνθηκών πεδίου και υπερτερούν σημαντικά σε σχέση με αυτά της σεισμικής τράπεζας ( shaking table tests ). Αναμένεται ότι ο συνδυασμός των αποτελεσμάτων των δοκιμών Φυγοκεντριστή με τα αποτελέσματα των αριθμητικών αναλύσεων θα οδηγήσει στο τελικό στάδιο της ανάπτυξης, αξιόπιστης και επίσημα αποδεκτής, μεθοδολογίας σχεδιασμού σεισμικά μονωμένων κατασκευών εδαφικής αντιστήριξης. Έχει εκδηλωθεί ενδιαφέρον για συνεργασία και εκτέλεση των δοκιμών Φυγοκεντριστή από το Department of Civil and Environmental Engineering του University of California, Berkeley, ΗΠΑ. ΠΡΟΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ Για την εκτέλεση των δοκιμών Φυγοκεντριστή που αναφέρθηκαν στην προηγούμενη ενότητα, σε συνεργασία με το University of California, θα απαιτηθεί δαπάνη για την κάλυψη των εργαστηριακών εξόδων διεξαγωγής των δοκιμών, στις ΗΠΑ, και των εξόδων μετάβασης-παραμονής-επιστροφής ενός ερευνητή. ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗΣ ΟΜΑΔΑΣ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΠΑΤΡΩΝ 1. Athanasopoulos, G.A., Pelekis, P.C. and Xenaki, V.C., 1999, Dynamic Properties of EPS Geofoam: An Experimental Investigation, Geosynthetics International, Vol.6, No. 3, pp Athanasopoulos, G.A. and Xenaki, V.C., 2001, Experimental Investigation of the Interaction Mechanism at the EPS Geofoam Sand Interface by Direct Shear Testing, Geosynthetics International, Vol.8, No. 6, pp Athanasopoulos, G.A., Nikolopoulou, C.P., Xenaki, V.C. and Stathopoulou, V.D., 2007, Reducing the Seismic Earth Pressures on Retaining Walls by EPS Geofoam Buffers - Numerical Parametric Analyses, Proceedings of Geosynthetics 2007, Washington DC, January 2007, USA

5 4. Athanasopoulos, G.A., Nikolopoulou, C.P. and Xenaki, V.C., 2007, Seismic Isolation of Earth-Retaining Structures by EPS Geofoam Inclusions Dynamic FE Analyses, Proceedings of 4 th International Conference on Earthquake Geotechnical Engineering, Thessaloniki, July 2007, Greece 5. Pelekis, P.C., Xenaki, V.C. and Athanasopoulos, G.A., 2000, Use of EPS Geofoam for Seismic Isolation of Earth Retaining Structures: Results of a FEM Study, Proceedings of the 2 nd European Geosynthetics Conference, EuroGeo 2000, Bologna, Italy, October 2000, A. Cancelli, D. Cazzuffi and C. Soccodato Eds., Vol. 2, pp Αθανασόπουλος, Γ.Α., 2006, Σεισμική Μόνωση Κατασκευών Εδαφικής Αντιστήριξης με Συμπιεστό Παρέμβλημα Γεωαφρού EPS, Ημερίδα του Πανελλήνιου Συνδέσμου Παραγωγών Διογκωμένης Πολυστερίνης: Η Διογκωμένη Πολυστερίνη EPS Ένα Πολυμορφικό Δομικό Υλικό, Αθήνα, 9 Νοεμβρίου Αθανασόπουλος, Γ.Α., Νικολοπούλου, Χ.Π., Ξενάκη, Β.Κ., και Σταθοπούλου, Β.Δ., 2007, Σεισμική Μόνωση Κατασκευών Εδαφικής Αντιστήριξης με Συμπιεστό Παρέμβλημα Γεωαφρού EPS, Ημερίδα ΤΕΕ: Γεωτεχνικές Εφαρμογές Γεωσυνθετικών Υλικών, Αθήνα, 11 Ιανουαρίου Νικολοπούλου, Χ.Π., 2006, Μόνωση Κατασκευών Εδαφικής Αντιστήριξης Έναντι Σεισμικών Πλευρικών Ωθήσεων με Χρήση Γεωαφρου EPS Επίδραση της Μη-Γραμμικής Συμπεριφοράς των Υλικών, Διατριβή για ΜΔΕ, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, Σεπτέμβριος Ξενάκη, Β.Κ., Πελέκης, Π. Κ. και Αθανασόπουλος, Γ.Α., 2001, Πειραματική Διερεύνηση των Δυναμικών Ιδιοτήτων του Γεωαφρού Διογκωμένης Πολυστερίνης, Πρακτικά 4 ου Πανελληνίου Συνεδρίου Γεωτεχνικής και Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, Αθήνα, 30 Μαϊου 1 Ιουνίου 2001, Τόμος 1, σελ Ξενάκη, Β. Κ., Πελέκης, Π.Κ. και Αθανασόπουλος, Γ.Α., 2001α, Χρήση του Γεωαφρού Διογκωμένης Πολυστερίνης για τη Σεισμική Μόνωση Τοίχων Αντιστήριξης: Ανάλυση με τη ΜΠΣ, Πρακτικά 4 ου Πανελληνίου Συνεδρίου Γεωτεχνικής και Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, Αθήνα, 30 Μαϊου 1 Ιουνίου 2001, Τόμος 1, σελ Ξενάκη, Β.Κ., Πελέκης, Π.Κ., Αθανασόπουλος, Γ.Α., 2001β, Μείωση των Σεισμικών Ωθήσεων σε Τοίχους Αντιστήριξης με χρήση του Γεωαφρού Διογκωμένης Πολυστερίνης: Ανάλυση με τη ΜΠΣ, 2 ο Συνέδριο Αντισεισμικής Μηχανικής & Τεχνικής Σεισμολογίας, Θεσσαλονίκη, Νοεμβρίου, 2001, Τόμος A, σελ Ξενάκη, Β.Κ., 2005, Πειραματική Διερεύνηση της Μηχανικής Συμπεριφοράς Γεωαφρών Διογκωμένης Πολυστερίνης υπό Συνθήκες Στατικής και Δυναμικής/Κυκλικής Φόρτισης, Διδακτορική Διατριβή, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, Μάρτιος 2005, 334 σελίδες. 13. Ξενάκη, Β.Κ., Αθανασόπουλος, Γ.Α., 2001, Μηχανισμός Αλληλεπίδρασης στη Διεπιφάνεια Γεωαφρού Διογκωμένης Πολυστερίνης-Άμμου: Πειραματική Διερεύνηση, Πρακτικά 4 ου Πανελληνίου Συνεδρίου Γεωτεχνικής και Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, Αθήνα, 30 Μαϊου 1 Ιουνίου 2001, Τόμος 1, σελ Ξενάκη, Β.Κ., Αθανασόπουλος, Γ.Α., 2006, Μηχανική Συμπεριφορά του Γεωαφρού Διογκωμένης Πολυστερίνης (ΓΔΠ) υπό Συνθήκες Στατικής και Δυναμικής / Κυκλικής Φόρτισης, Πρακτικά 5 ου Πανελληνίου Συνεδρίου Γεωτεχνικής και Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, Ξάνθη, 31/5 2/6 2006, Τόμος 1, σελ Σταθοπούλου, Β.Δ., 2005, Σεισμική Μόνωση Τοίχων Εδαφικής Αντιστήριξης με Γεωαφρό Διογκωμένης Πολυστερίνης Παραμετρική Αριθμητική Ανάλυση, Διατριβή για ΜΔΕ, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, Ιούλιος 2005