Αριθμητική διερεύνηση της επιρροής επεμβάσεων στο έδαφος θεμελίωσης στην σεισμική απόκριση πολυώροφων πλαισιακών κατασκευών

Αριθμητική διερεύνηση της επιρροής επεμβάσεων στο έδαφος θεμελίωσης στην σεισμική απόκριση πολυώροφων πλαισιακών κατασκευών Numerical investigation of subsoil intervention s effect on the seismic response of multistory frame structures ΚΙΡΤΑΣ, Ε. Δρ. Πολιτικός Μηχανικός MSc ΡΟΒΙΘΗΣ, Ε. Δρ. Πολιτικός Μηχανικός MSc ΠΙΤΙΛΑΚΗΣ, Κ. Δρ. Πολιτικός Μηχανικός, Καθηγητής, Α.Π.Θ. ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Η εφαρμογή επεμβάσεων στο έδαφος θεμελίωσης των κατασκευών έχει ως αποτέλεσμα την μεταβολή της δυσκαμψίας του, με αναπόφευκτη συνέπεια την τροποποίηση της δυναμικής απόκρισης του συστήματος έδαφος-θεμελίωση-κατασκευή μέσω μηχανισμών αλληλεπίδρασης. Προσφάτως έχουν δημοσιευτεί αποτελέσματα από την μελέτη της επιρροής επεμβάσεων στην απόκριση μονοβάθμιων κατασκευών. Οι επεμβάσεις αυτές περιλαμβάνουν τόσο τεχνικές ενίσχυσης της εδαφικής αντοχής και δυσκαμψίας όσο και εναλλακτικές προσεγγίσεις, με χρήση εύκαμπτων συστημάτων εντός του εδάφους θεμελίωσης. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται μια επέκταση της προηγούμενης έρευνας σε πολυώροφες πλαισιακές κατασκευές. ABSTRACT : Employment of soil interventions at the foundation area modifies the foundation stiffness, resulting in different dynamic response of the system due to the alteration of soilfoundation-structure interaction mechanisms. Investigation results, concerning the effect of interventions on the seismic response of single degree of freedom structures, have been recently published. These interventions refer to soil strength and stiffness enhancement techniques as well as to alternative approaches utilizing flexible constructions in the foundation soil area. The present paper presents an extension of the previous research to multistory structures. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η συνήθης εφαρμογή επεμβάσεων στο έδαφος θεμελίωσης αφορά περιπτώσεις όπου επιδιώκεται η ενίσχυση της εδαφικής αντοχής για την ασφαλή παραλαβή των φορτίων της ανωδομής και την ανάπτυξη μικρών τιμών καθίζησης. Κάθε επέμβαση όμως στο έδαφος, έχεις ως πρόσθετο αποτέλεσμα την τροποποίηση των χαρακτηριστικών δυσκαμψίας του συστήματος έδαφοςθεμελίωση-κατασκευή, και άρα της δυναμικής του απόκρισης, λόγω της διαφοροποίησης των πολύπλοκων μηχανισμών δυναμικής αλληλεπίδρασης. Η εξέταση της επιρροής των επεμβάσεων στο έδαφος θεμελίωσης, υπό το πρίσμα της μεταβολής της δυναμικής απόκρισης των εμπλεκόμενων συστημάτων εδάφουςθεμελίωσης-ανωδομής, έχει μόλις τα τελευταία χρόνια αρχίσει να απασχολεί ερευνητικά την επιστημονική κοινότητα. Συγκεκριμένα, μια πειραματική μελέτη της χρήσης μιας τεχνητής διεπιφάνειας στο έδαφος κάτω από τη θεμελίωση για την μείωση της σεισμικής απόκρισης συστημάτων εδάφους-κατασκευής, περιγράφεται από τους Yegian and Catan (2004) και Yegian and Kadakal (2004). Στο σύνολο των διατάξεων που χρησιμοποιήθηκαν παρατηρήθηκε σημαντική μείωση των τιμών των επιταχύνσεων που διαδίδονται εντός του μονωμένου τμήματος του συστήματος ακόμη και για ιδιαίτερα ισχυρές διεγέρσεις. Όμοιας φιλοσοφίας διάταξη μελετήθηκε από τους 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 1

Doudoumis et al. (2002), με την παρεμβολή ενός τεχνητού εδαφικού στρώματος που χαρακτηρίζεται από χαμηλή διατμητική αντίσταση, κάτω ακριβώς από τη θεμελίωση. Κατά την αριθμητική διερεύνηση με χρήση δυναμικών ανελαστικών αναλύσεων που έγινε σε κατασκευές διαφορετικού αριθμού ορόφων (διαφορετικής ιδιοπεριόδου), προκύπτουν σημαντικά μειωμένες τιμές τέμνουσας βάσης έως και 70%, ειδικά στις περιπτώσεις κτιρίων μεταξύ 1-4 ορόφων. Προσφάτως έχουν δημοσιευτεί αποτελέσματα της επιρροής επεμβάσεων στο έδαφος θεμελίωσης στην δυναμική απόκριση των κατασκευών (Κίρτας και συνεργάτες 2006, Kirtas and Pitilakis 2009). Η αριθμητική διερεύνηση που έγινε περιλαμβάνει τεχνικές επέμβασης που συχνά χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση του εδάφους, αλλά και εναλλακτικές προσεγγίσεις με χρήση εύκαμπτων διατάξεων στο έδαφος θεμελίωσης για την μεταφορά της απόκρισης του συστήματος σε επιθυμητές συχνότητες. Στα πλαίσια αυτής της έρευνας μελετήθηκαν διάφοροι συνδυασμοί εδάφους, με μονοβάθμιες κατασκευές για την προσομοίωση της ανωδομής. Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν την σημαντική επιρροή των επεμβάσεων στο σεισμικό μέρος της απόκρισης των συστημάτων που εξετάστηκαν. Στις περιπτώσεις των συμβατικών επεμβάσεων, τύπου δύσκαμπτων διαφραγμάτων, ή αύξησης της αντοχής και δυσκαμψίας του εδάφους, με ενεμάτωση ή τοπική αντικατάσταση, η σεισμική απόκριση της ανωδομής επιβαρύνεται παρουσιάζοντας αυξημένες επιταχύνσεις. Όταν αντίθετα εξετάστηκαν επεμβάσεις με χρήση υλικών κατάλληλων ιδιοτήτων, σε διάταξη εύκαμπτων διαφραγμάτων, ή «εύκαμπτου κιβωτίου», παρουσιάστηκε σημαντική μείωση της επιτάχυνσης στην ανωδομή, λόγω της απομάκρυνσης από τη συχνότητα συντονισμού με τη διέγερση (Κίρτας, 2007). Στην παρούσα εργασία επιχειρείται μια επέκταση της παραπάνω έρευνας σε πολυβάθμιους πλαισιακούς φορείς. 2. ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΠΟΥ ΕΞΕΤΑΖΟΝΤΑΙ (a) αύξηση δυσκαμψίας εδάφους θεμελίωσης (b) δύσκαμπτα κατακόρυφα διαφράγματα (c) εύκαμπτα κατακόρυφα διαφράγματα (d) «εύκαμπτο κιβώτιο» Οι δύο πρώτες μέθοδοι επέμβασης χρησιμοποιούνται συχνά σε μαλακά εδάφη για την αύξηση της αντοχής τους και τη μείωση των εδαφικών παραμορφώσεων. Οι μέθοδοι (c) και (d) απαιτούν την ανάπτυξη νέων υλικών και τεχνικών, απευθύνονται περισσότερο σε στιφρά εδάφη επαρκούς φέρουσας ικανότητας, και έχουν ως στόχο καθαρά την μεταβολή των δυναμικών χαρακτηριστικών του συστήματος. Συγκεκριμένα, κατά την εφαρμογή των «εύκαμπτων διαφραγμάτων», μορφώνεται μια εδαφική στήλη κάτω από την κατασκευή η οποία αποκρίνεται πρακτικά ανεξάρτητα από το περιβάλλον έδαφος, αυξάνοντας την ιδιοπερίοδο του συστήματος. Σε ακόμη μεγαλύτερες περιόδους οδηγεί ο συνδυασμός των εύκαμπτων διαφραγμάτων με μια στρώση χαμηλής διατμητικής αντοχής στη μέθοδο (d), δημιουργώντας ένα σεισμικώς μονωμένο σύστημα. Στις περιπτώσεις αυτές επιδιώκονται τιμές ιδιοπεριόδου εκτός του εύρους των συχνοτήτων όπου οι σεισμικές διεγέρσεις παραμένουν ισχυρές, απομακρύνοντας έτσι φαινόμενα συντονισμού. Σημειώνεται πως κατά την αριθμητική διερεύνηση που ακολουθεί εξετάζεται μόνο το σεισμικό μέρος της απόκρισης, δίχως να λαμβάνονται υπόψη σε αυτή τη φάση θέματα φέρουσας ικανότητας και αντοχής του εδάφους. Παράλληλα, παρά τις διαφοροποιήσεις στη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος που συνεπάγεται η μελέτη του φαινομένου σε 2 διαστάσεις σε σχέση με το πραγματικό τρισδιάστατο πρόβλημα, θεωρείται πως η συγκεκριμένη προσέγγιση αποτελεί μια ικανοποιητική προσέγγιση, όπως αναλύεται σε σχετική εργασία (Κίρτας, 2007). hstr D (a) 2B (c) (b) (d) 2.1 Τεχνικές επέμβασης Οι τεχνικές επέμβασης που εξετάζονται παρουσιάζονται σε σκαριφήματα στο Σχήμα 1 και συνοπτικά μπορούν να περιγραφούν ως εξής: Σχήμα 1. Επεμβάσεις που εξετάζονται Figure 1. Investigated interventions 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 2

2.2 Χαρακτηριστικά εδάφους-επεμβάσεωνανωδομής Καθώς η μελέτη της επιρροής των επεμβάσεων σε πολυβάθμιες κατασκευές αποτελεί συνέχεια της προηγούμενης διερεύνησης των μονοβαθμίων συστηματων, χρησιμοποιήθηκαν μόνο επιλεγμένοι συνδυασμοί εδάφους-επέμβασης-κατασκευής με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, για τους οποίους έχει προκύψει μεγιστοποίηση των ευνοϊκών ή δυσμενών αποτελεσμάτων αναφορικά με την απόκριση της ανωδομής. Το έδαφος που εξετάστηκε αντιστοιχεί στην κατηγορία C του ΕC8, με ελαστικά χαρακτηριστικά που δίνουν ταχύτητα διατμητικών κυμάτων ίση με 200m/s εντός του εδαφικού μέσου. Η απόσβεση υλικού σχετίζεται με το πλάτος της σεισμικής διέγερσης. Για μια σχετικά ισχυρή σεισμική κίνηση επιλέγεται μια μέση τιμή απόσβεσης εδάφους ίση με 8-10% για το συγκεκριμένο έδαφος. Οι διαστάσεις και τα χαρακτηριστικά της κάθε επέμβασης καθορίζονται από τις διατάξεις που παρουσίασαν την εντονότερη επιρροή κατά την εξέταση των μονοβάθμιων ταλαντωτών. Έτσι, το βάθος των δύσκαμπτων διαφραγμάτων υλικού ιδιοτήτων οπλισμένου σκυροδέματος ισούται με 2Β, όσο και το πλάτος της κατασκευής. Σε αντίστοιχο βάθος εκτείνεται και η επέμβαση γενικής αύξησης της δυσκαμψίας του εδάφους, όπου λαμβάνεται μέτρο διάτμησης του βελτιωμένου υλικού δεκαπλάσιο αυτού του αρχικού εδάφους. Κατά την εξέταση των εύκαμπτων διαφραγμάτων, το βάθος στο οποίο εκτείνονται είναι λίγο μικρότερο από 2Β, ενώ το υλικό θεωρείται πως έχει ένα ισοδύναμο μέτρο ελαστικότητας ίσο με 200kPa. Τέλος, κατά τη μόρφωση του «εύκαμπτου κιβωτίου» λαμβάνεται βάθος ίσο με Β/2, μέτρο ελαστικότητας για τα διαφράγματα ίσο με 200kPa και μέτρο διάτμησης για την οριζόντια παραμορφώσιμη στρώση ίσο με 100kPa. Εξετάζονται πολυβάθμιοι πλαισιακοί φορείς που χαρακτηρίζονται από έντονη συμμετοχή της 1 ης ιδιομορφής, με ιδιοπεριόδους ίσες με 0.2s, 0.4s και 0.6s (οι τιμές αντιστοιχούν σε στήριξη τύπου πάκτωσης). Η θεμελίωση της κατασκευής λαμβάνεται άκαμπτη, τύπου κοιτόστρωσης, με πλάτος ίσο με 2Β. Η ισοδυναμία μεταξύ των μονοβάθμιων και των αντίστοιχων πολυβάθμιων κατασκευών, προκειμένου να είναι εφικτή η σύγκριση των αποτελεσμάτων, εξασφαλίζεται με τη βοήθεια των σχέσεων (Wolf, 1985): 2 m φ msdof m, m (1) SDOF 2 norm 3 m φ ρ B h SDOF m φ h m φ h (2) B SDOF, hnorm Στις παραπάνω σχέσεις m, h και φ είναι η μάζα, το ύψος και η ιδιομορφική μετακίνηση (κατά την 1 η ιδιομορφή) του ορόφου για την πολυβάθμια κατασκευή. Εξετάζονται κανονικοποιημένες τιμές m norm =2 και h norm =1. Η συσχέτιση μεταξύ μονοβάθμιου και πολυβάθμιου ταλαντωτή για την κατασκευή των 0.4s φαίνεται στη συνέχεια στον Πίνακα 1. Οι απαιτούμενες τιμές ιδιομορφικής μετακίνησης σε κάθε στάθμη έχουν προκύψει από κατάλληλη προσομοίωση του φορέα (Σχήμα 2) στο πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων SAP 2000 (CSI). Πίνακας 1. Συσχέτιση μονοβάθμιουπολυβάθμιου φορέα (T=0.4s) Table 1. Correlation between single and multi degree of freedom structure (T=0.4s). Πολυβάθμιος πλαισιακός φορέας Όροφος () Ιδιομορφική μετακίνηση φ Ύψος z Μάζα m 1 st 0.0299 3m 42t 2 nd 0.0635 6m 42t 3 rd 0.0892 9m 42t 4 th 0.1035 12m 42t Ισοδύναμος μονοβάθμιος φορέας m SDOF h SDOF 145.7t 8.79m Σχήμα 2. Μορφή πολυβάθμιου φορέα Figure 2. MDOF structural configuration 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 3

Η ισοδυναμία μεταξύ μονοβάθμιου (SDOF) και πολυβάθμιου (MDOF) ταλαντωτή κατά την δυναμική αλληλεπίδρασης εδάφουςθεμελίωσης-ανωδομής, φαίνεται από την εξέταση της συνάρτησης μεταφοράς της κίνησης μεταξύ κορυφής και βάσης της κατασκευής (Σχήμα 3). Πρόκειται για τον λόγο των φασμάτων Fourier της επιτάχυνσης στην κορυφή προς την επιτάχυνση στη βάση της κατασκευής, η οποία δείχνει τον τρόπο με τον οποίο η κίνηση ενισχύεται από την απόκριση της κατασκευής στην ανωδομή. Οι κορυφές συνεπώς των συναρτήσεων μεταφοράς, που διακρίνονται στο Σχήμα 3, επισημαίνουν την ιδιοπερίοδο της ανωδομής λαμβάνοντας υπόψη την αλληλεπίδραση του εδάφους. Για το λόγο αυτό τα μέγιστα εμφανίζονται σε τιμές της περιόδου μεγαλύτερες από την ιδιοπερίοδο της ανωδομής που αντιστοιχεί σε συνθήκες πακτωμένης βάσης (π.χ. για την κατασκευή με Τ=0.4s προκύπτει λόγω αλληλεπίδρασης ιδιοπερίοδος ίση με 0.43s). Από τα διαγράμματα φαίνεται πως η εφαρμογή των σχέσεων (1) και (2) είχε ως αποτέλεσμα την ισοδυναμία της απόκρισης μονοβάθμιων και αντίστοιχων πολυβάθμιων φορέων. Η μόνη διαφορά εμφανίζεται στην 2 η ιδιοπερίοδο της πολυβάθμιας κατασκευής, που προφανώς λείπει από τον ισοδύναμο μονοβάθμιο φορέα, η οποία όμως δεν αναμένεται να διαφοροποιεί σε σημαντικό βαθμό την τελική δυναμική συμπεριφορά λόγω μειωμένης συμμετοχής στην συνολική απόκριση. Structural Transfer Function 35 30 25 20 15 10 5 0 0.1 30 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 25 20 15 10 5 0 0.1 30 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 25 Κατασκευή Tstr=0.6s 20 15 10 5 0 Κατασκευή Tstr=0.2s Κατασκευή Tstr=0.4s Mdof Sdof 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 T (sec) Σχήμα 3. Συνάρτηση μεταφοράς της κατασκευής Figure 3. Transfer function of the structure 3. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ 3.1 Στοιχεία αριθμητικής προσομοίωσης Η μελέτη της επιρροής των επεμβάσεων περιλαμβάνει την αριθμητική προσομοίωση του συστήματος έδαφος με επέμβαση και ανωδομή, σε βάθος που φτάνει έως και το βραχώδες υπόβαθρο, με χρήση του κώδικα πεπερασμένων στοιχείων ADINA (2000). Το πρόβλημα εξετάζεται σε συνθήκες επίπεδης παραμόρφωσης (2D), με χρήση επιφανειακών στοιχείων για την προσομοίωση του εδάφους και των επεμβάσεων. Η ανωδομή προσομοιώνεται με γραμμικά στοιχεία κατάλληλων ιδιοτήτων. Τμήμα του προσομοιώματος των πεπερασμένων στοιχείων στην περιοχή της κατασκευής παρουσιάζεται στο Σχήμα 4. Η αριθμητική διερεύνηση περιλαμβάνει δυναμικές αναλύσεις με επιλεγμένες χρονοϊστορίες, τύπου αρμονικού παλμού, αλλά και από καταγραφές σεισμών, που εφαρμόζονται στο βραχώδες υπόβαθρο. Στην συνέχεια το πρόβλημα εξετάζεται στο πεδίο του χρόνου και των συχνοτήτων όπως θα παρουσιαστεί παρακάτω. Η μελέτη των μονάβάθμιων κατασκευών που προηγήθηκε, λαμβάνει υπόψη τόσο γραμμική όσο και μη-γραμμική εδαφική συμπεριφορά με ισοδύναμο γραμμικό τρόπο. Η ορθότητα και ακρίβεια της μεθοδολογίας της αριθμητικής διερεύνησης που υιοθετήθηκε, έχει πιστοποιηθεί με συγκρίσεις τόσο με αναλυτικές λύσεις και άλλους κώδικες όσο και με φυσικά πειράματα δυναμικής απόκρισης σε συσκευή φυγόκεντρου δύναμης (Kirtas et al., 2009). Η μελέτη της επιρροής των επεμβάσεων σε μηγραμμική εδαφική συμπεριφορά επιβεβαίωσε τα αποτελέσματα των γραμμικών αναλύσεων για τους μονοβάθμιους φορείς. Σχήμα 4. Αριθμητική προσομοίωση φορέα Figure 4. Numerical modeling of the structure 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 4

Σε συνέχεια των παραπάνω, στην παρούσα εργασία εξετάζονται πολυβάθμιες κατασκευές λαμβάνοντας γραμμική εδαφική συμπεριφορά. Εφόσον τα αποτελέσματα των αναλύσεων δείξουν όμοια επιρροή των επεμβάσεων, μπορεί να γίνει μια επέκταση των αναλυτικών συμπερασμάτων που προέκυψαν από την εξέταση μονοβάθμιων κατασκευών, υπό τις προϋποθέσεις και τους περιορισμούς ασφαλώς που αναφέρονται στην παρούσα εργασία. 3.2 Επισκόπηση αποτελεσμάτων Η εξαγωγή συμπερασμάτων για την επιρροή της κάθε επέμβασης γίνεται με την μελέτη των αποτελεσμάτων της αριθμητικής ανάλυσης τόσο στο πεδίο του χρόνου όσο και στο πεδίο των συχνοτήτων. Για την γενίκευση των αποτελεσμάτων της αριθμητικής διερεύνησης εισάγεται η έννοια του «λόγου απόκρισης». Πρόκειται για τον λόγο των τιμών της απόκρισης σε κάθε συχνότητα, του συστήματος μετά την επέμβαση προς το αρχικό σύστημα. Αυτό επιτυγχάνεται με την εξαγωγή των φασμάτων Fourier των χρονοϊστοριών απόκρισης για διάφορα μεγέθη, όπως η επιτάχυνση στην κορυφή και στην βάση της κατασκευής, τα εντατικά μεγέθη που αναπτύσσονται σε επιλεγμένα δομικά στοιχεία κτλ. Σε περιοχές συχνοτήτων όπου η τιμή του λόγου αυτού είναι μικρότερη της μονάδας, σημαίνει πως η απόκριση μετά την επέμβαση είναι μειωμένη, άρα αντιστοιχεί σε ευνοϊκή επιρροή της επέμβασης στο εξεταζόμενο μέγεθος. Αντίθετα, στην περίπτωση τιμών του λόγου απόκρισης μεγαλύτερων της μονάδας, εντοπίζεται αύξηση στην απόκριση του συστήματος στις συγκεκριμένες συχνότητες. Η εικόνα του λόγου απόκρισης στο πεδίο των συχνοτήτων δεν αρκεί για να περιγράψει την τελική μεταβολή της συμπεριφοράς της κατασκευής, καθώς θα πρέπει να συνδυαστεί με την ιδιοσυχνότητα του συστήματος αλλά και την δεσπόζουσα περίοδο της διέγερσης. Συνεπώς ο λόγος απόκρισης αποτελεί έναν χρήσιμο δείκτη για την εκτίμηση της συμπεριφοράς μιας κατασκευής υπό σεισμική φόρτιση, αρκεί να είναι επίσης γνωστά η ιδιοπερίοδος κατασκευής και το συχνοτικό περιεχόμενο της διέγερσης. Η εισαγωγή του λόγου απόκρισης έχει το πρόσθετο πλεονέκτημα πως φιλτράρει την επιρροή του πάχους της εδαφικής απόκρισης, δηλαδή της ιδιοπεριόδου του, και κατά συνέπεια των τοπικών εδαφικών συνθηκών, καθώς αποτελεί έναν λόγο αποκρίσεων που αποτυπώνεται στο πεδίο των συχνοτήτων. Πράγματι, η χρονοϊστορία απόκρισης τόσο στο αρχικό σύστημα, όσο και σε αυτό μετά την επέμβαση, εμπεριέχει την επιρροή της ιδιοπεριόδου του εδάφους έως το βραχώδες υπόβαθρο, με αποτέλεσμα κατά τον υπολογισμό του λόγου απόκρισης και τη διαίρεση των σχετικών φασμάτων Fourier η επιρροή αυτή να φιλτράρεται, και το τελικό αποτέλεσμα να περιλαμβάνει μόνο την επιρροή της επέμβασης. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5, όταν εξετάζονται δυο εδαφικές αποθέσεις διαφορετικού πάχους, η μορφή του λόγου απόκρισης επιταχύνσεων είναι πρακτικά η ίδια. Το ίδιο συμβαίνει και με τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά διαφορετικών σεισμικών διεγέρσεων. Η παρατήρηση αυτή έχει ισχύ ασφαλώς μόνο κατά την γραμμική ελαστική θεώρηση της εδαφικής συμπεριφοράς. Από αναλύσεις που λαμβάνουν όμως υπόψη την μη γραμμικότητα του εδάφους κατά την εξέταση των μονοβάθμιων κατασκευών (Κίρτας, 2007), έχει βρεθεί ότι η μορφή του λόγου απόκρισης δεν μεταβάλλεται σημαντικά μεταξύ των διαφορετικών θεωρήσεων. Στο συγκεκριμένο σχήμα φαίνεται ενδεικτικά και το συχνοτικό εύρος στο οποίο η επέμβαση των εύκαμπτων διαφραγμάτων έχει ευνοϊκή επίδραση στην σεισμική απόκριση του μονοβάθμιου ταλαντωτή των 0.4s. Διακρίνεται πως στην περιοχή της ιδιοσυχνότητας του φορέα η απόκριση αναμένεται μειωμένη, καθώς ο λόγος των επιταχύνσεων, ιδιαίτερα στην κορυφή της ανωδομής που σχετίζεται με την ανάπτυξη των εντατικών μεγεθών σε αυτή, είναι μικρότερος της μονάδας. Λόγος απόκρισης 5.00 3.00 1.00 3.00 Διαφορετικό πάχος εδαφικής απόθεσης Επιταχύνσεις κορυφής Hsoil=A Hsoil=2A Επιταχύνσεις βάσης 1.00 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 T (sec) Σχήμα 5. Λόγος απόκρισης για εδαφικές αποθέσεις διαφορετικού πάχους (T str =0.4s) Figure 5. Response ratio for different soil deposit depths (T str =0.4s) 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 5

4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 4.1 Αποτελέσματα προκαταρκτικής μελέτης Στο πρώτο στάδιο της διερεύνησης, που έγινε με χρήση αρμονικών διεγέρσεων στη βάση του προσομοιώματος, προέκυψε πως και στην περίπτωση των πολυβάθμιων πλαισιακών κατασκευών οι επεμβάσεις που αφορούν αύξηση της δυσκαμψίας του εδάφους έχουν ουδέτερη ή δυσμενή επιρροή στην σεισμική συμπεριφορά της ανωδομής (Kirtas et al. 2006, Pitilakis et al. 2009). Τόσο η χρήση δύσκαμπτων διαφραγμάτων όσο και η ενίσχυση του εδαφικού υλικού επιφανειακά, είχε ως αποτέλεσμα την σημαντική αύξηση της απόκρισης, ιδιαίτερα σε κάποιες περιπτώσεις με έντονα φαινόμενα αλληλεπίδρασης. Ασφαλώς είναι πολλές οι περιπτώσεις, κυρίως σε μαλακά εδάφη, όπου αυτές οι επεμβάσεις κρίνονται αναγκαίες για λόγους αύξησης της φέρουσας ικανότητας του εδάφους και την αποφυγή αστοχίας ή μεγάλων καθιζήσεων. Θα πρέπει όμως παράλληλα, όπως προκύπτει από τα αποτελέσματα της μελέτης, να λαμβάνεται υπόψη η δυσμενής επιρροή των συγκεκριμένων επεμβάσεων στην μεταβολή της σεισμικής απόκρισης της ανωδομής. Τα πρώτα αποτελέσματα για τους πολυβάθμιους φορείς αναφορικά με τις επεμβάσεις των εύκαμπτων διαφραγμάτων και του «εύκαμπτου κιβωτίου», έδειξαν βελτίωση της σεισμικής απόκρισης. Συγκεκριμένα παρατηρείται ανάπτυξη μικρότερων επιταχύνσεων και εντατικών μεγεθών στην ανωδομή. Για το λόγο αυτό αποφασίστηκε η συνέχιση της μελέτης με ρεαλιστικότερες μορφές σεισμικής κίνησης στο βραχώδες υπόβαθρο. Και στις δυο περιπτώσεις η μορφή του λόγου απόκρισης μεταξύ μονοβάθμιων και πολυβάθμιων κατασκευών είναι σχεδόν ταυτόσημη, επιτρέποντας την εξαγωγή συμπερασμάτων για την επιρροή των επεμβάσεων στις πολυώροφες πλαισιακές κατασκευές, μόνο από την παρατήρηση των αποτελεσμάτων των ισοδύναμων μονοβάθμιων φορέων. 4.2 Διερεύνηση με χρήση πραγματικών καταγραφών Στη συνέχεια, η διερεύνηση της επιρροής των επεμβάσεων εύκαμπτου τύπου επεκτάθηκε με τη χρήση διεγέρσεων από πραγματικές καταγραφές σεισμικών γεγονότων. Παρόλη τη σημαντική διαφοροποίηση του τύπου της διέγερσης, καθώς σε αντίθεση με τις αρμονικές κινήσεις, οι σεισμικές καταγραφές περιλαμβάνουν μεγάλο φάσμα συχνοτήτων, ο λόγος απόκρισης έχει την ίδια γενική μορφή. Ενδεικτικά στο Σχήμα 6 φαίνεται η μεταβολή με τη συχνότητα του λόγου απόκρισης, ο οποίος εμφανίζεται μειωμένος στην περιοχή των ιδιοπεριόδων του κάθε φορέα. Η μείωση αυτή γίνεται αντιληπτή στο πεδίο του χρόνου όταν και η διέγερση είναι πλούσια στο συγκεκριμένο συχνοτικό εύρος. Όταν εξετάζονται οι χρονοϊστορίες ροπών στη βάση των στύλων, όπου η μείωση είναι κοντά στο 20%, φαίνεται η ομοιότητα της επιρροής της επέμβασης μεταξύ μονοβάθμιου και πολυβάθμιου φορέα (Σχήμα 7 για T str =0.4s). Superstructure Acc. Ratio 5.00 3.00 1.00 3.00 1.00 6.00 T=0.2s (Soil C, D=5B/3, mnorm=2) T=0.4s (Soil C, D=5B/3, mnorm=2) T=0.6s (Soil C, D=5B/3, mnorm=2) Sdof structure Mdof structure 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 T (sec) Σχήμα 6. Λόγος απόκρισης επιταχύνσεων κορυφής Figure 6. Superstructure acceleration response ratio Base Moment time-histories (KNm) Mdof (Έδαφος C, mnorm=2) 200.0 150.0 100.0 50.0 0.0-50.0-100.0 Benchmark -150.0 Intervention -200.0 6000.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 4000.0 Sdof (Έδαφος C, mnorm=2) 2000.0 0.0-2000.0-4000.0-6000.0-8000.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 t (sec) Σχήμα 7. Χρονοϊστορίες ροπών στη βάση Figure 7. Base moment time-histories 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 6

Όταν εξετάζεται η περίπτωση του «εύκαμπτου κιβώτιου», η εικόνα είναι ευνοϊκότερη, καθώς αλλάζει δραματικά η ιδιοπερίοδος του ταλαντούμενου συστήματος, μετατοπιζόμενη εκτός του εύρους των συχνοτήτων των συνηθισμένων σεισμικών διεγέρσεων. Η ομοιότητα που επισημάνθηκε κατά την συσχέτιση της επιρροής των επεμβάσεων μεταξύ μονοβάθμιων και πολυβάθμιων φορέων εξακολουθεί να υφίσταται, ενώ η μεταβολή των εντατικών μεγεθών στα δομικά στοιχεία της πλαισιακής κατασκευής, ακολουθεί την γενικότερη μεταβολή της επιτάχυνσης στην ανωδομή λόγω της ύπαρξης της επέμβασης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 8. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την εντυπωσιακή μείωση στην αναπτυσσόμενη ροπή στο πεδίο του χρόνου (Σχήμα 9 για T str =0.2s) Superstructure Acc.- Moment Ratio 8.00 6.00 6.00 6.00 T=0.2s (Soil C, mnorm=2) Moment Ratio Top Acc. Ratio T=0.4s (Soil C, mnorm=2) T=0.6s (Soil C, mnorm=2) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 T (sec) Σχήμα 8. Λόγοι απόκρισης επιταχύνσεων κορυφής και ροπής στη βάση του στύλου Figure 8. Top acceleration and base moment response ratios 400.0 Mdof (Έδαφος C, mnorm=2) 300.0 200.0 100.0 0.0-100.0-200.0 Benchmark -300.0 Intervention -400.0 7500.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Sdof (Έδαφος C, mnorm=2) 5000.0 2500.0 0.0-2500.0-5000.0-7500.0-10000.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 t (sec) Base Moment time-histories (KNm) Σχήμα 9. Χρονοϊστορίες ροπών στη βάση για μονοβάθμιο και πολυβάθμιο φορέα Figure 9. Base moment time-histories for Sdof and Mdof structure Από την παρατήρηση των αποτελεσμάτων στην περίπτωση των πολυβάθμιων φορέων διαπιστώνεται πως ισχύουν σε γενικές γραμμές τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την μελέτη μονοβάθμιων κατασκευών. Η επιρροή της κάθε επέμβασης είναι παρόμοια μεταξύ των δυο τύπων φορέα, όπως αποδείχθηκε τόσο στο πεδίο του χρόνου όσο και στο πεδίο των συχνοτήτων με την χρήση του λόγου απόκρισης. Είναι συνεπώς δυνατή η επέκταση των συμπερασμάτων της αναλυτικής διερεύνησης που έγινε για τους μονοβάθμιους και σε πολυώροφες κατασκευές πλαισιακού τύπου. Η μελέτη του συζευγμένου συστήματος εδάφους-κατασκευής δεν επιτρέπει την σαφή διάκριση του ρόλου του κινηματικού και αδρανειακού μέρους της αλληλεπίδρασης στην τελική επιρροή της κάθε επέμβασης. Διαπιστώνεται γενικότερα πως η επιρροή της αδρανειακής αλληλεπίδρασης εμφανίζεται περισσότερο έντονη στις επεμβάσεις που είχαν την μικρότερη επιρροή στην δυσκαμψία του συστήματος, δηλαδή στα δύσκαμπτα και εύκαμπτα διαφράγματα. Όταν όμως η επέμβαση στο έδαφος θεμελίωσης συνεπάγεται τη ριζική μεταβολή της δυσκαμψίας του συστήματος, όπως συμβαίνει κυρίως στην περίπτωση του «εύκαμπτου κιβωτίου», τότε ο ρόλος της κινηματικής αλληλεπίδρασης είναι ιδιαίτερα σημαντικός. 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η επιρροή επεμβάσεων στο έδαφος στην σεισμική απόκριση πολυώροφων κατασκευών πλαισιακού τύπου. Χρησιμοποιήθηκαν φορείς όπου η πρώτη ιδιομορφή παίζει προεξέχοντα ρόλο στην δυναμική τους απόκριση. Η μεταβολή της απόκρισής λόγω των επεμβάσεων μελετήθηκε τόσο στο πεδίο του χρόνου όσο και στο πεδίο των συχνοτήτων, σε αντιπαραβολή με την εικόνα που λήφθηκε από την εξέταση ισοδύναμων μονοβάθμιων συστημάτων. Ο σκοπός της μελέτης ήταν να διερευνηθούν οι πιθανές διαφοροποιήσεις στην επιρροή των επεμβάσεων στους πολυβάθμιους φορείς έναντι των αντίστοιχων μονοβάθμιων, και να διαπιστωθεί εάν η όποια ευεργετική δράση κάποιων επεμβάσεων, σε μονοβάθμια συστμηματα εξακολουθεί να υφίσταται σε πολυώροφες κατασκευές. Η μελέτη της απόκρισης των πολυβάθμιων φορέων έγινε λαμβάνοντας υπόψη επεμβάσεις που σχετίζονται με αύξηση της γενικότερης 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 7

δυσκαμψίας του συστήματος, όπως και επεμβάσεις που αναφέρονται στην ενσωμάτωση εύκαμπτων διατάξεων γύρω και κάτω από τη θεμελίωση. Τα αποτελέσματα της μελέτης με χρήση αρμονικών διεγέρσεων δείχνουν μια απόλυτη συμφωνία μεταξύ μονοβάθμιου και πολυβάθμιου φορέα στο φάσμα περιόδων 0.1-1.0s, που ενδιαφέρει περισσότερο για κατασκευές μηχανικού. Η επιρροή ήταν δυσμενής στις επεμβάσεις αύξησης της εδαφικής δυσκαμψίας, οι οποίες δεν εξετάστηκαν περαιτέρω. Στη συνέχεια, με χρήση πραγματικών χρονοϊστοριών επιτάχυνσης, μελετήθηκαν με μεγαλύτερη λεπτομέρεια οι επεμβάσεις των εύκαμπτων διαφραγμάτων και του «εύκαμπτου κιβωτίου». Σε γενικές γραμμές αποδείχθηκε πως η επιρροή των επεμβάσεων στο υπέδαφος θεμελίωσης ακολουθεί πιστά την τάση που προέκυψε για τις μονοβάθμιες κατασκευές. Πέρα από κάποια επιρροή που εντοπίζεται στην δεύτερη ιδιομορφή των πολυβάθμιων, (η συμβολή της οποίας είναι γενικά μικρή στην συνολική απόκριση και κυρίως στην μεταβολή αυτής λόγω της επέμβασης), διαπιστώθηκε πως υπάρχει έντονη ομοιότητα στην επιρροή της επέμβασης στα δυο ισοδύναμα συστήματα. Με βάση τα παραπάνω, οι τεχνικές επέμβασης που περιλαμβάνουν την ενσωμάτωση κάποιων εύκαμπτων διατάξεων στο έδαφος επιτυγχάνουν την μεταβολή της ιδιοπεριόδου απόκρισης του συστήματος και μπορούν να το οδηγήσουν σε συχνότητες απόκρισης εκτός του συχνοτικού περιεχομένου της διέγερσης, βελτιώνοντας την συμπεριφορά του υπό σεισμικά φορτία. Οι τεχνικές αύξησης της εδαφικής δυσκαμψίας αντίθετα, συχνά απαραίτητες για την ενίσχυση μαλακών εδαφών, θα πρέπει να εξετάζονται προσεκτικά για το ενδεχόμενο αύξησης της σεισμικής απόκρισης της ανωδομής μέσω των μηχανισμών δυναμικής αλληλεπίδρασης. 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ADINA R & D Inc. (2004), Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis - Theory and modeling guide. Watertown, USA. Computers and Structures Inc., SAP 2000 - Structural Analysis Program: Linear and Nonlinear Static and Dynamic Analysis and Design of Three-Dimensional Structures. Berkeley, California, USA Doudoumis, I., Papadopoulos, P. and Papaliangas, T. (2002), A Low-Cost Base- Isolation System on Artificial Soil Layers with Low Shearing Resistance. Proceedings of the 12 European Conference on Earthquake Engineering. London, England Kirtas, E. and Pitilakis, K. (2009), Subsoil Interventions Effect on Structural Seismic Response. Part II: Parametric Investigation. Journal of Earthquake Engineering, Vol. 13(3), pp. 328-344 Kirtas, E., Rovithis, E. and Pitilakis, K. (2009), Subsoil Interventions Effect on Structural Seismic Response. Part I: Validation of Numerical Simulations. Journal of Earthquake Engineering, Vol. 13(2), pp. 155-169 Kirtas, E., Rovithis, E., Pitilakis, K. and Sextos A. (2006), Numerical Investigation of Potential Foundation Intervention as a Means for Mitigating Seismic Risk. Proceedings of the 8th U.S. National Conference on Earthquake Engineering. San Francisco, California Pitilakis K., Kirtas E. and Rovithis E. (2009), Effect of Foundation Soil Interventions to the Seismic Response of Mdof Structures. Proc. of the 3rd Greece-Japan Workshop: Seismic Design, Observation and Retrofit of Foundations, Santorini, Greece Wolf, J.P. (1985), Dynamic soil-structure interaction. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ Yegian, M. and Catan, M. (2004), Soil isolation for seismic protection using a smooth synthetic liner. J. of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 130(11), pp. 1131-1139 Yegian, M. and Kadakal, U. (2004), Foundation isolation for seismic protection using a smooth synthetic liner. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 130(11), pp. 1121-1130 Κίρτας Ε. (2007), Αριθμητική Διερεύνηση Βελτίωσης της Σεισμικής Συμπεριφοράς Κατασκευών με Επεμβάσεις στο Υπέδαφος Θεμελίωσης. Διδακτορική Διατριβή, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πολυτεχνική Σχολή, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Κίρτας Ε., Πιτιλάκης Κ., Ροβίθης Ε. (2006), Αριθμητική Διερεύνηση της Δυνατότητας Μείωσης της Σεισμικής Διακινδύνευσης Κατασκευών με Επεμβάσεις στο Υπέδαφος Θεμελίωσης. 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, Ξάνθη 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 8