Σεισµική απόκριση πασσαλοθεµελιώσεων σε πολύ µαλακά εδάφη. Seismic response of piled foundations in soft soil formations.

Σεισµική απόκριση πασσαλοθεµελιώσεων σε πολύ µαλακά εδάφη. Seismic response of piled foundations in soft soil formations. ΡΟΒΙΘΗΣ, ΕΜΜ.Ν. ΠΙΤΙΛΑΚΗΣ, Κ.. ΚΙΡΤΑΣ, ΕΜΜ.Α. Πολιτικός Μηχανικός, Msc, Υπ. ρ, Τµ. Πολιτικών Μηχανικών ΑΠΘ Πολιτικός Μηχανικός, Καθηγητής, Τµ. Πολιτικών Μηχανικών Α.Π.Θ. Πολιτικός Μηχανικός, Msc, Υπ. ρ, Τµ. Πολιτικών Μηχανικών ΑΠΘ ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Στην παρούσα εργασία διερευνάται η σεισµική απόκριση του συστήµατος εδάφουςπασσαλοθεµελίωσης-ανωδοµής υπό την παρουσία πολύ µαλακών εδαφών. Αρχικά βαθµονοµείται εκτενώς το αριθµητικό προσοµοίωµα µε βάση πειραµατικά αποτελέσµατα δοκιµών σε φυγοκεντριστή και στην συνέχεια εξετάζεται παραµετρικά η επιρροή διαφορετικών περιπτώσεων εδαφικής διαστρωµάτωσης και δυναµικών χαρακτηριστικών ανωδοµής στην σεισµική απόκριση του συστήµατος. Τα αποτελέσµατα καταδεικνύουν ότι το πάχος και η θέση των ιδιαίτερα µαλακών εδαφικών στρωµάτων επηρεάζει σηµαντικά το µέγεθος και την κατανοµή των αναπτυσσόµενων ροπών των πασσάλων ενώ διαφοροποιεί και το σεισµικό φορτίο που ασκείται στην ανωδοµή. ABSTRACT: The scope of this study is to investigate the effect of soft soil formations on the seismic response of the soil-pile-superstructure system. In the first stage of the analysis, well documented centrifuge test results were used for the validation of the numerical model. Based on the validated model, the seismic response of the system is parametrically studied for different cases of soil layering and superstructure dynamic characteristics. The results indicate that the thickness and the location of soft soil layers affect significantly the magnitude and the distribution of the pile bending moments as well as the seismic force imposed on the superstructure. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Πραγµατικά περιστατικά αστοχιών πασσαλοθεµελιώσεων εξαιτίας ισχυρών σεισµών (Niigata 19, Mexico 195, Loma Prieta 199, Kobe 1995) έχουν αναδείξει τον κρίσιµο ρόλο των µαλακών εδαφικών σχηµατισµών στην διαφοροποίηση του µηχανισµού δυναµικής αλληλεπίδρασης εδάφους-πασσαλοθεµελίωσης-ανωδοµής και κατά συνέπεια στην σεισµική απόκριση των κατασκευών θεµελιωµένων επί πασσάλων (Tokimatsu, 1999, Berill and Yasuda, ). Οι σηµαντικές διατµητικές παραµορφώσεις που χαρακτηρίζουν την σεισµική απόκριση πολύ µαλακών εδαφών επιφέρουν πρόσθετη ένταση στην θεµελίωση η οποία είναι δυνατόν να προκύψει συγκρίσιµη µε τα αδρανειακά φορτία που µεταφέρονται στους πασσάλους κατά την διάρκεια της σεισµικής διέγερσης λόγω ταλάντωσης της ανωδοµής. Στην πλειονότητα των περιπτώσεων η θέση των αστοχιών σχετίζεται άµεσα µε τα όρια των µαλακών εδαφικών στρωµάτων εισάγοντας πρόσθετες κρίσιµες διατοµές των πασσάλων που θα πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τον σχεδιασµό. Παράλληλα, µέσω πειραµατικών διατάξεων µελέτης της σεισµικής απόκρισης πασσαλοθεµελιώσεων σε ρευστοποιήσιµα αµµώδη εδάφη (Abdoun et al,, Tokimatsu et al ) αλλά και σε ιδιαίτερα µαλακούς αργιλικούς σχηµατισµούς (Meymand, 199, Wilson, 199) έχει επαληθευθεί ότι πέρα από την σχετική δυσκαµψία των εδαφικών στρώσεων, η σεισµική απόκριση των πασσάλων επηρεάζεται σηµαντικά και από: α) το πάχος του µαλακού εδαφικού σχηµατισµού σε σχέση µε το µήκος του πασσάλου, β) την θέση του µαλακού εδαφικού στρώµατος στην εδαφική διαστρωµάτωση, γ) τα δυναµικά χαρακτηριστικά της ανωδοµής καθώς και το µέγεθος και την κατανοµή µε το βάθος των 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 1/5-// 1

εδαφικών πλευρικών ωθήσεων στην περίµετρο του πασσάλου. Σε επίπεδο αριθµητικής προσοµοίωσης, η διαφοροποίηση της σεισµικής απόκρισης πασσαλοθεµελιώσεων λόγω της παρουσίας µαλακών εδαφικών αποθέσεων έχει αντιµετωπιστεί τόσο µε την µέθοδο της αποσύζευξης κινηµατικής και αδρανειακής αλληλεπίδρασης (Mylonakis et al, 1997) όσο και µε την θεώρηση του συζευγµένου συστήµατος εδάφους-πασσαλοθεµελίωσηςανωδοµής µε χρήση ή αριθµητικών προσοµοιωµάτων (Lok et al, 199, Finn, 5) Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η επιρροή ιδιαίτερα µαλακών αργιλικών σχηµατισµών στην σεισµική απόκριση του συστήµατος εδάφους-πασσαλοθεµελίωσηςανωδοµής µε την βοήθεια αριθµητικών αναλύσεων. Η αξιοπιστία του αριθµητικού προσοµοιώµατος αρχικά ελέγχθηκε και βαθµονοµήθηκε µε βάση καλά τεκµηριωµένα πειραµατικά αποτελέσµατα ώστε στην συνέχεια να χρησιµοποιηθεί προκειµένου να µελετηθεί η µεταβολή της σεισµικής απόκρισης του συστήµατος για διαφορετικά σενάρια εδαφικής διαστρωµάτωσης καθώς και δυναµικών χαρακτηριστικών της ανωδοµής. Τα βασικά στάδια της µεθοδολογίας που ακολουθήθηκε δίνονται παρακάτω.. ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ Η µεθοδολογία που εφαρµόστηκε χωρίζεται σε δύο στάδια. Το πρώτο αφορά την εκτενή βαθµονόµηση του αριθµητικού µοντέλου εδάφους πασσαλοθεµελίωσης - ανωδοµής θεωρώντας διστρωµατικό έδαφος θεµελίωσης µε επιφανειακό στρώµα ιδιαίτερα µαλακής αργίλου. Τα αποτελέσµατα συγκρίθηκαν µε µια σειρά διαθέσιµων και καλά τεκµηριωµένων πειραµατικών δεδοµένων από πειράµατα υπό κλίµακα σε φυγοκεντριστή (Wilson, 199) προκειµένου να επαληθευθεί η αξιοπιστία της προσοµοίωσης τόσο ως προς την µετάδοση της σεισµικής κίνησης στο εδαφικό µέσο, όσο και ως προς την επιρροή των φαινοµένων αλληλεπίδρασης εδάφους-θεµελίωσης και ανωδοµής στην σεισµική απόκριση του συστήµατος. Στο δεύτερο στάδιο το ήδη βαθµονοµηµένο αριθµητικό µοντέλο, χρησιµοποιείται προκειµένου να διερευνηθεί η επιρροή του πάχους του µαλακού αργιλικού στρώµατος και της θέσης του στην εδαφική διαστρωµάτωση καθώς και των δυναµικών χαρακτηριστικών της ανωδοµής στην σεισµική απόκριση των πασσάλων. Παράλληλα, Σχήµα 1: Πειραµατική διάταξη συστήµατος εδάφους-πασσαλοθεµελίωσης-ανωδοµής (Wilson, 199) Figure 1: Centrifuge model illustrating the experimental soil-pile-structure configuration. (Wilson,199) δεδοµένης της αριθµητικής προσοµοίωσης του συνολικού συστήµατος, εξετάζεται και η διαφοροποίηση, λόγω της παρουσίας µαλακών εδαφικών σχηµατισµών, τόσο της εδαφικής απόκρισης όσο και της απόκρισης της ανωδοµής. Επισηµαίνεται ότι στα πλαίσια της παρούσας εργασίας η παραµετρική ανάλυση πραγµατοποιείται για την περίπτωση των µεµονωµένων πασσάλων καθώς και για συγκεκριµένη σεισµική κίνηση, όπως και θα εξηγηθεί αναλυτικότερα παρακάτω..1 Περιγραφή πειραµατικής διάταξης Η πειραµατική διάταξη που χρησιµοποιήθηκε για την βαθµονόµηση του αριθµητικού µοντέλου δίνεται στο σχήµα 1. Περιλαµβάνει συστήµατα ανωδοµής θεµελιωµένα επί µεµονωµένων πασσάλων (S και SP αντίστοιχα) και ένα σύστηµα ανωδοµής θεµελιωµένο επί οµάδας πασσάλων (x). Τα πειράµατα πραγµατοποιήθηκαν στον φυγοκεντριστή ακτίνας 9m του κέντρου γεωτεχνικής µηχανικής του πανεπιστηµίου του Davis, µε φυγόκεντρο επιτάχυνση g. To διστρωµατικό εδαφικό προφίλ αποτελείται από ένα επιφανειακό στρώµα πάχους m ιδιαίτερα µαλακής και πλαστικής αργίλου (c u =-1KPa, PI=%) υπερκείµενο ενός 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 1/5-//

Πίνακας 1. Ιδιότητες των κατασκευών της πειραµατικής διάταξης (πρωτότυπη κλίµακα). Table 1. Prototype characteristics of pile supported structures Ιδιότητα S SP Μάζα ανωδοµής (t) 9.1 5.1 Ύψος (m). 7. T str,fixed (sec)..75 στρώµατος πάχους 11m πυκνής άµµου (Dr=75-%). Τα χαρακτηριστικά των κατασκευών θεµελιωµένων επί των µεµονωµένων πασσάλων δίνονται στον πίνακα 1. Η κοινή διατοµή των πασσάλων είναι κοίλη κυκλική µε εξωτερική διάµετρο D=.7m και πάχος tw=.m. Η σεισµική κίνηση εισαγωγής που θεωρήθηκε στην βάση του εδαφικού προφίλ προέκυψε από µια πραγµατική καταγραφή του σεισµού του Kobe κανονικοποιηµένη σε µέγιστη εδαφική επιτάχυνση PGA=.5g.. Περιγραφή αριθµητικού προσοµοιώµατος Για την αριθµητική προσοµοίωση της πειραµατικής διάταξης χρησιµοποιήθηκε ο γενικός κώδικας πεπερασµένων στοιχείων ANSYS (Ansys Inc, ), θεωρώντας προσοµοιώµατα επίπεδης παραµόρφωσης µε χρήση κοµβων πεπερασµένων στοιχείων για την προσοµοίωση του εδάφους. Οι διαστάσεις του αριθµητικού µοντέλου αντιστοιχούν στις πρωτότυπες διαστάσεις της πειραµατικής διάταξης ενώ ο κάνναβος των πεπερασµένων στοιχείων µορφώθηκε µε βάση το αναµενόµενο µήκος κύµατος της σεισµικής κίνησης. Στα πλευρικά όρια του αριθµητικού προσοµοιώµατος εισήχθησαν συνοριακές συνθήκες τέτοιες ώστε να επιτρέπεται η πιθανή σχετική µετακίνηση µεταξύ των ορίων της πειραµατικής διάταξης και του εδάφους. Οι πάσσαλοι µοντελοποιήθηκαν µε στοιχεία δοκού απευθείας συνδεδεµένα µε τον κάνναβο των πεπερασµένων στοιχείων του εδάφους θεωρώντας ότι για το επίπεδο έντασης του συγκεκριµένου σεισµικού κραδασµού που χρησιµοποιήθηκε δεν αναµένεται σηµαντική σχετική µετακίνηση πασσάλου-εδάφους. Με δεδοµένο την παραδοχή επίπεδης παραµόρφωσης, η δυσκαµψία των πασσάλων ανάγεται στο 1m πλάτος του προσοµοιώµατος που θεωρείται κατά την εκτός επίπεδου διεύθυνση (Anandarajah and Zhang, ). Με βάση τα παραπάνω, η ροπή αδράνειας και το εµβαδόν διατοµής του πασσάλου λαµβάνονται αυξηµένα κατά τον συντελεστή 1/D, όπου D η διάµετρος του πασσάλου. Αντίστοιχα τροποποιείται και η µάζα της ανωδοµής προκειµένου να διατηρηθεί η τιµή της ιδιοπεριόδου της πακτωµένης κατασκευής. Στο σχήµα δίνεται σχηµατικά το αριθµητικό προσοµοίωµα, µαζί µε τις θέσεις των καταγραφών που ελήφθησαν υπόψη. Η επιλογή των θέσεων πραγµατοποιήθηκε στα πλαίσια µιας συνδυασµένης βαθµονόµησης τόσο της εδαφικής απόκρισης (θέσεις 1 έως ) όσο και της επιρροής της αλληλεπίδρασης εδάφους-πασσαλοθεµελίωσης στην απόκριση της ανωδοµής (θέσεις 5 έως ). Η αριθµητική προσοµοίωση µε παραδοχή επίπεδης παραµόρφωσης, οδηγεί σε εντονότερη επιρροή της εδαφικής απόκρισης λόγω της παρουσίας των πασσάλων σε σχέση µε την πραγµατική συµπεριφορά του συνολικού συστήµατος εδάφους-πασσάλου. Λαµβάνοντας δε υπόψη και την θέση των οργάνων του πειράµατος (κάτοψη, σχήµα 1), ο έλεγχος της εδαφικής απόκρισης (θέσεις 1 έως ) γίνεται σε σχετικά αποµακρυσµένες θέσεις από τις κατασκευές. Για την προσοµοίωση της εδαφικής δυσκαµψίας, προσδιορίστηκε αρχικά το µέτρο διάτµησης σε µικρές παραµορφώσεις G max για κάθε ένα από τα εδαφικά υλικά. SP S 7 5 Σχήµα. Αριθµητικό προσοµοίωµα του συστήµατος εδάφους πασσαλοθεµελίωσηςανωδοµής. Figure. Soil-pile-superstructure numerical model employed. Για την πυκνή άµµο χρησιµοποιήθηκε η σχέση των Seed and Idriss (197): G P Soft clay Dense Sand max atm P σ P = 1. K,max m (1) atm όπου Κ,max =5, σ = (1+ Κ )σ και m vo Kο=.. Αντίστοιχα, το αρχικό µέτρο διάτµησης 1 m 11m 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 1/5-//

για την µαλακή άργιλο προσδιορίστηκε από την εµπειρική σχέση (Boulanger et al, 1999) G max c () u,seismic Προκειµένου να προσοµοιωθεί η δυναµική συµπεριφορά του εδάφους όπως αυτή εκφράζεται από την σχέση µεταξύ µέτρου διάτµησης και διατµητικών παραµορφώσεων, στα πλαίσια των πρακτικά ελαστικών αναλύσεων, ακολουθήθηκε η παρακάτω διαδικασία (Pitilakis et al, ). Θεωρώντας την κατανοµή του αρχικού µέτρου διάτµησης G max µε το βάθος υπολογίζονται οι µέγιστες διατµητικές παραµορφώσεις σε κάθε εδαφικό στρώµα γ max που προκύπτουν από µια αρχική ελαστική ανάλυση της εδαφικής απόκρισης. Λαµβάνοντας µια ενεργό τιµή της διατµητικής παραµόρφωσης, γeff.5 γmax, η κατανοµή µε το βάθος της εδαφικής δυσκαµψίας τροποποιείται µε βάση κατάλληλα επιλεγµένες από την διεθνή βιβλιογραφία καµπύλες G/G max γ. Η νέα κατανοµή της εδαφικής δυσκαµψίας εισάγεται στο αριθµητικό προσοµοίωµα οπότε και πραγµατοποιείται µια δεύτερη ελαστική ανάλυση. Η διαδικασία θεωρείται ότι έχει ολοκληρωθεί όταν οι αναπτυσσόµενες διατµητικές παραµορφώσεις µεταξύ δύο διαδοχικών ελαστικών αναλύσεων συγκλίνουν. Αντίστοιχη διαδικασία εφαρµόζεται και για την απόσβεση του εδάφους D=D(γ), η οποία θεωρήθηκε τύπου Rayleigh. Με βάση την παραπάνω διαδικασία προκύπτουν ισοδύναµες ελαστικές ιδιότητες για κάθε εδαφικό υλικό. Στο σχήµα δίνονται ενδεικτικά για το επιφανειακό στρώµα της µαλακής αργίλου και για το συγκεκριµένο επίπεδο έντασης της σεισµικής διέγερσης. Μετά την ανάλυση της σεισµικής απόκρισης του συνολικού συστήµατος τα αποτελέσµατα δίνονται στα σχήµατα και 5. Συγκεκριµένα στο σχήµα παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα σε επίπεδο εδαφικής απόκρισης (θέσεις ελέγχου 1-) τόσο στο πεδίο του χρόνου όσο και στο πεδίο των συχνοτήτων. Αντίστοιχα, στο σχήµα 5 δίνονται τα αποτελέσµατα στις θέσεις ελέγχου 5 και 7 (κεφαλή µεµονωµένων πασσάλων) και, (κορυφή ανωδοµής κατασκευών S και SP αντίστοιχα). Υπενθυµίζεται ότι τα εξεταζόµενα συστήµατα S και SP χαρακτηρίζονται από διαφορετικά δυναµικά χαρακτηριστικά ανωδοµής (Τ S =.sec και Τ SP =.75sec). z (m) 1 5 1 G (MPa) Go Geq.1 Geq. 5% % 15% D(%) 1% 5% % Do Deq.1 Deq. f (Hz) 1 Σχήµα. Ισοδύναµα ελαστικά χαρακτηριστικά αργιλικού στρώµατος Figure. Equivalent linear characteristics corresponding to the soft clay layer Η διαφοροποίηση µεταξύ αριθµητικών αναλύσεων και πειραµατικών καταγραφών σε επίπεδο εδαφικής απόκρισης (σχήµα ) εντοπίζεται κυρίως σε µια καταγραφή στο αργιλικό στρώµα (Control point ) και στην συχνότητα των Hz. Από την άλλη µεριά, Acceleration (g). -.. -.. -.. Control Point Control Point Control Point Control Point 1 Experiment Numerical time (sec) -. 1 1 1.. Experiment Control Point 1 Nume rical....1....1 Control Point T(sec) 1..1... Control Point Control Point T(sec) 1 Σχήµα. Ανάλυση της εδαφικής απόκρισης Figure. Soil response analysis results 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 1/5-//

Acceleration (g). Control Point Experiment Numerical -.. -.. -.. -.....1....1 Control Point 7 Control Point Control Point 5 Control Point 5 Control Point 7 T (sec) 1. Expe rime nt Numerical...... Control Point Control Point T (sec) 1 Σχήµα 5. Απόκριση κεφαλής πασσάλων και κορυφής της ανωδοµής Figure 5. Pile head and superstructure response analysis results συγκρίνοντας τα φάσµατα των πειραµατικών καταγραφών στις θέσεις και παρατηρείται µια σηµαντική µεγέθυνση της κίνησης στην συχνότητα αυτή η οποία φαίνεται να οφείλεται περισσότερο στην αδρανειακή ταλάντωση της κατασκευής θεµελιωµένης επί της οµάδας των πασσάλων (T fixed =.5sec) που υπήρχε στην πειραµατική διάταξη παρά στην απόκριση του επιφανειακού στρώµατος της µαλακής αργίλου, η οποία συχνοτικά εντοπίζεται στην περιοχή του 1sec. Επίσης παρατηρείται µια σχετική απόκλιση πλάτους κίνησης στην απόκριση της περισσότερο δύσκαµπτης κατασκευής S (Control points 5,) η οποία θα πρέπει να αποδοθεί στην ανάλυση µε παραδοχή επίπεδης παραµόρφωσης. Παρόλα αυτά σε επίπεδο συχνοτήτων η σύγκλιση παραµένει ικανοποιητική και για την κατασκευή αυτή. Κατά συνέπεια, θεωρείται ότι µέσω της συγκεκριµένης µεθοδολογίας προσοµοίωσης είναι δυνατόν να αναπαραχθεί ικανοποιητικά η σεισµική απόκριση του συζευγµένου συστήµατος εδάφουςπασσαλοθεµελίωσης-ανωδοµής για το συγκεκριµένο επίπεδο έντασης της σεισµικής διέγερσης που θεωρήθηκε.. ΠΑΡΑΜΕΤΡΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Με βάση το βαθµονοµηµένο πλέον µοντέλο, διενεργήθηκε στην συνέχεια µια παραµετρική ανάλυση προκειµένου να διερευνηθεί ο βαθµός στον οποίο διαφορετικές περιπτώσεις εδαφικής διαστρωµάτωσης καθώς και δυναµικών χαρακτηριστικών της ανωδοµής επηρεάζουν την απόκριση του συστήµατος. Η σεισµική κίνηση εισαγωγής στην βάση του εδαφικού προφίλ διατηρήθηκε η ίδια µε αυτήν που χρησιµοποιήθηκε και κατά την πειραµατική διαδικασία, γεγονός το οποίο θα πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά την αξιολόγηση των αποτελεσµάτων. Στα πλαίσια της παραµετρικής ανάλυσης εφαρµόστηκε η ίδια µεθοδολογία που χρησιµοποιήθηκε και κατά το στάδιο της βαθµονόµησης, ενώ η αξιολόγηση των αποτελεσµάτων των αριθµητικών αναλύσεων αφορά τόσο στην µεταβολή της εδαφικής απόκρισης όσο και στην διαφοροποίηση των µεγεθών απόκρισης πασσαλοθεµελίωσης και ανωδοµής..1 Επιρροή του πάχους του µαλακού στρώµατος της αργίλου Σε ένα πρώτο στάδιο παραµετρικής ανάλυσης εξετάστηκε ο βαθµός επιρροής του πάχους του επιφανειακού στρώµατος της µαλακής αργίλου. Για τον σκοπό αυτό αναλύθηκε η σεισµική απόκριση του συνολικού συστήµατος θεωρώντας το πάχος του επιφανειακού στρώµατος της µαλακής αργίλου διαδοχικά ίσο µε, και 9m. Στόχο της επιµέρους αυτής παραµετρικής ανάλυσης αποτέλεσε ουσιαστικά η διερεύνηση της επιρροής της θέσης της διεπιφάνειας της µαλακής αργίλου µε την πυκνή άµµου. Σε επίπεδο εδαφικής απόκρισης, εξετάστηκε η µεταβολή µε το βάθος των µέγιστων τιµών αναπτυσσόµενης επιτάχυνσης και διατµητικής παραµόρφωσης. Τα αποτελέσµατα δίνονται στο σχήµα. Από τα διαγράµµατα παρατηρείται ότι η αύξηση του πάχους της µαλακής αργίλου και κατά συνέπεια ο υποβιβασµός της στάθµης της διεπιφάνειας οδήγησε σε µειωµένα επίπεδα τόσο εδαφικής επιτάχυνσης όσο και διατµητικών παραµορφώσεων στο στρώµα της αργίλου. Κατά συνέπεια προκύπτει ότι, σε επίπεδο οριακής αντοχής, µεγαλύτερου 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 1/5-// 5

1 1 1 PGA (g).1. H=9m 1 1 Σχήµα. Κατανοµή µε το βάθος µέγιστων τιµών εδαφικής επιτάχυνσης και διατµητικής παραµόρφωσης. Figure. Peak ground accelerations and shear strains distribution 1 1 1 γ.5.1 H=m H=m πάχους µαλακές εδαφικές αποθέσεις είναι δυνατόν να οδηγήσουν σε αυξηµένα επίπεδα ασφάλειας έναντι διατµητικής αστοχίας. Κάτι τέτοιο αναδεικνύεται και από το σχήµα 7 όπου φαίνεται η σύγκριση µεταξύ της µέγιστης αναπτυσσόµενης τάσης τ µε την max = G γ max διατµητική αντοχή cu για κάθε µια από τις εξεταζόµενες περιπτώσεις. Σε επίπεδο απόκρισης των µεµονωµένων πασσάλων, υπολογίστηκαν αρχικά οι κατανοµές των µέγιστων αναπτυσσόµενων ροπών κατά µήκος του πασσάλου (σχήµα ). Από την αξιολόγηση των αποτελεσµάτων προκύπτει άµεσα ο κρίσιµος ρόλος της διεπιφάνειας των δύο εδαφικών στρώσεων, δεδοµένου ότι η αναπτυσσόµενη ροπή στην θέση αυτή προέκυψε συγκρίσιµη ή ακόµα και µεγαλύτερη (περίπτωση µικρού πάχους µαλακού στρώµατος) από την αντίστοιχη στην περιοχή κοντά στην κεφαλή του πασσάλου. Η αύξηση του πάχους του µαλακού αργιλικού στρώµατος οδήγησε σε µικρότερες ροπές στην θέση της διεπιφάνειας ιδιαίτερα για την πιο δύσκαµπτη κατασκευή S (πάσσαλος ). Ταυτόχρονα διαφοροποιήθηκε και η µορφή της κατανοµής µε το βάθος των µέγιστων ροπών. Η ανάλυση µε το µεγαλύτερο πάχος αργιλικού στρώµατος, οδηγεί σε µεγαλύτερες ροπές κοντά την κεφαλή του πασσάλου σε σχέση µε την διεπιφάνεια και για τα δύο συστήµατα πασσαλοθεµελίωσης-ανωδοµής, γεγονός το οποίο εισάγει την εντονότερη επιρροή των αδρανειακών φορτιών της ανωδοµής στην καµπτική επιπόνηση των πασσάλων. Στο σχήµα 9a δίνονται τα φάσµατα απόκρισης στην θέση της κεφαλής του πασσάλου για 1 1.5.5 H=m τ,max Cu (KPa) 1 5 H=m 1 5 7 H=9m 5 1 ) z(m (KPa) Σχήµα 7. Σύγκριση µεταξύ της µέγιστης αναπτυσσόµενης διατµητικής τάσης και της διατµητικής αντοχής c u της αργίλου. Figure 7. Comparison of the maximum shear stress with the soft clay shear strength. Moment (MNm) -.5.5 1 -.5.5 1 -.5.5 1 P 1 1 1 1 P 1 1 1 1 Σχήµα. Κατανοµή µέγιστων ροπών πασσάλου (απόλυτες τιµές). Figure. Peak bending moment distribution along the pile s length (absolute values) κάθε εξεταζόµενη περίπτωση, προκειµένου να εξεταστεί η διαφοροποίηση του σεισµικού φορτίου που τελικά εισάγεται στην ανωδοµή. Βέβαια θα πρέπει να σηµειωθεί ότι στην απόκριση της κεφαλής του πασσάλου ενυπάρχει και η επιρροή της αδρανειακής ταλάντωσης της ανωδοµής και κατά συνέπεια τα φάσµατα του σχήµατος 9a δεν αντιστοιχούν άµεσα στην διαφοροποιηµένη σεισµική κίνηση στην βάση της κατασκευής λόγω της ύπαρξης αποκλειστικά της θεµελίωσης (κινηµατική αλληλεπίδραση). Σε κάθε περίπτωση όµως δίνουν µια εικόνα της επιρροής του µαλακού εδαφικού στρώµατος στο σεισµικό φορτίο που δέχεται η κατασκευή, από την οποία προκύπτει ότι η αύξηση του πάχους του αργιλικού στρώµατος οδηγεί σε µια µεταφορά του φάσµατος σε µεγαλύτερες περιόδους. 1 1 1 1 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 1/5-//

.. Pilehead. H=m H=9m.1 f : Hz T (sec) 1 1 5 (a) (b) Σχήµα 9. (a)φάσµατα απόκρισης επιτάχυνσης στην κεφαλή του πασσάλου, (b) Συνάρτηση µεταφοράς κορυφής προς βάσης ανωδοµής S Figure 9. (a) pile head acceleration response spectra, (b) S superstructure top to base transfer function Amplitude 1 1 S system H=m Παρόλα αυτά, η ιδιοπερίοδος της κατασκευής λαµβάνοντας υπόψη την επιρροή της αλληλεπίδρασης εδάφους θεµελίωσης - ανωδοµής διατηρείται στα ίδια επίπεδα (περίπου 1 sec) όπως φαίνεται και από τις συναρτήσεις µεταφοράς µεταξύ βάσης και κορυφής της ανωδοµής (σχήµα 9b). Εξάλλου κάτι τέτοιο ήταν αναµενόµενο δεδοµένου ότι η σχετική δυσκαµψία εδάφους-κατασκευής παρέµεινε ίδια σε κάθε περίπτωση. Συνδυάζοντας τις παραπάνω παρατηρήσεις προκύπτει ότι µεγαλύτερο σεισµικό φορτίο αναµένεται να ασκηθεί στην κατασκευή στην περίπτωση του µικρού πάχους της µαλακής αργίλου, κάτι το οποίο επαληθεύεται από τις χρονοιστορίες επιτάχυνσης στην κορυφή της ανωδοµής που δίνονται στο σχήµα 1. Acceleration (g). Superstructure S H=m H=m H=9m time (sec) -. 5 1 15 Σχήµα 1. Χρονοιστορίες επιτάχυνσης στην κορυφή της ανωδοµής. Figure 1. Superstructure acceleration time histories.. Επιρροή της εδαφικής διαστρωµάτωσης Κατά την δεύτερη σειρά παραµετρικών αναλύσεων εξετάστηκε σε προκαταρκτικό επίπεδο η επιρροή της εδαφικής διαστρωµάτωσης στην σεισµική απόκριση του συνολικού συστήµατος. Για τον σκοπό αυτό χρησιµοποιήθηκε ένα τριστρωµατικό εδαφικό προφίλ όπου το στρώµα της µαλακής αργίλου θεωρήθηκε σε βάθος m από την επιφάνεια (σχήµα 11). Η δυσκαµψία του εδαφικού προφίλ τροποποιήθηκε ώστε να αντιστοιχεί στο διαφοροποιηµένο πεδίο τάσεων ενώ η απόκριση του συστήµατος συγκρίθηκε µε την αντίστοιχη που προέκυψε θεωρώντας διστρωµατικό εδαφικό προφίλ µε το αργιλικό στρώµα, πάχους επίσης m, επιφανειακά. Soft SP (T=.75sec) clay P Dense Sand S (T=.sec) m m 11m Σχήµα 11. Αριθµητικό προσοµοίωµα µελέτης της επιρροής της εδαφικής διαστρωµάτωσης Figure 11. Numerical model employed for the examination of the soil layering effect. Από τα αποτελέσµατα της ανάλυσης δίνεται ενδεικτικά η σύγκριση της κατανοµής των µέγιστων ροπών κάθε πασσάλου θεωρώντας διστρωµατικό (layer) και τριστρωµατικό (layer) έδαφος θεµελίωσης αντίστοιχα (σχήµα 1). Με βάση τα προκύπτοντα αποτελέσµατα, η επιρροή της αδρανειακής ταλάντωσης της ανωδοµής φαίνεται να είναι εντονότερη στην περίπτωση του τριστρωµατικού εδαφικού προφίλ δεδοµένου ότι οι ροπές προέκυψαν µεγαλύτερες κοντά στην κεφαλή του πασσάλου. Moment (MNm) -.5.5 1 1 1 1 1 layer layer Moment (MNm) -.5.5 1 1 1 P 1 1 layer layer Σχήµα 1. Κατανοµή µέγιστων ροπών πασσάλου (απόλυτες τιµές). Figure 1. Peak bending moment distribution along the pile s length (absolute values). 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 1/5-// 7

Επίσης διαφοροποιείται σηµαντικά και η µορφή της κατανοµής της ροπής του πασσάλου γεγονός το οποίο σχετίζεται άµεσα και µε την αύξηση του αριθµού των διεπιφανειών στην περίπτωση του τριστρωµατικού εδαφικού προφίλ.. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η σεισµική απόκριση του συζευγµένου συστήµατος εδάφους-πασσαλοθεµελίωσηςανωδοµής µελετήθηκε µε βαθµονοµηµένα αριθµητικά προσοµοιώµατα για διαφορετικά σενάρια εδαφικής διαστρωµάτωσης καθώς και δυναµικών χαρακτηριστικών ανωδοµής. Από την ανάλυση των αποτελεσµάτων προέκυψε ότι η επιπόνηση των πασσάλων λόγω της παρουσίας µαλακών εδαφικών σχηµατισµών φαίνεται να είναι σηµαντικότερη για µικρού πάχους µαλακές εδαφικές αποθέσεις ενώ και η θέση του ιδιαίτερα µαλακού εδαφικού στρώµατος διαφοροποιεί σηµαντικά την εντατική κατάσταση του πασσάλου και κατά συνέπεια θα πρέπει να συνυπολογίζεται κατά τον καθορισµό των κρίσιµων διατοµών των πασσάλων. Παράλληλα και το σεισµικό φορτίο που δέχεται η κατασκευή είναι δυνατόν να διαφοροποιηθεί δυσµενώς ανάλογα µε το πάχος και την θέση του µαλακού εδαφικού σχηµατισµού. 5. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα εργασία πραγµατοποιήθηκε στα πλαίσια του ερευνητικού προγράµµατος XSOILS (Θεµελίωση Τεχνικών Έργων σε Σεισµικώς Προβληµατικά Εδάφη υπό Ισχυρή Σεισµική όνηση) χρηµατοδοτούµενου από την ΓΓΕΤ. Επίσης αναγνωρίζεται η συµβολή του Ιδρύµατος Κρατικών Υποτροφιών στον πρώτο από τους συγγραφείς.. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Abdoun, T., Dobry, R., O Rourke T.D. and Goh, S.H. () Pile Response to Lateral Spreads: Centrifuge Modelling Journal of Geotechnical and Geoenviromental Engineering, Vol.19, pp. 9-7. Anandarajah, A. and Zhang, J. () Simplified Finite Element Modeling of Nonlinear Dynamic Pile-Soil Interaction 1 th Engineering Mechanics Conference, May 1-,, Austin, Texas ANSYS Inc () ANSYS User s manual. Version.1, SAS IP, Houston, USA Berill, J. and Yasuda, S. (), Liquefaction and pile foundations: Some Issues. Journal of Earthquake Engineering, Vol., pp. 1-1. Boulanger, R. W., Curras, C.J., Kutter, B. L Wilson, D. W., and Abghari A. (1999) Seismic soil-pile-structure interaction experiments and analyses, Journal of Geot. Geoenv. Eng. 15(9), pp.75-759. Finn, L. (5) A Study of Piles during Earthquakes: Issues of Design and Analysis Bulletin of Earthquake Engineering, Vol., pp.11-. Lok, M.T., Pestana M.J. and Seed R.B. (199) Numerical modeling and simulation of coupled soil-pile-structure interaction Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics III, Geotechnical Special Publication No.75, ASCE, pp. 111-11. Meymand, P.H. (199) Shaking Table Scale Model Tests of Nonlinear Soil-Pile- Superstructure Interaction in Soft Clay Ph.D. University of California, Berkeley. Mylonakis G., Nikolaou A., and Gazetas G. (1997) Soil-Pile-Bridge seismic interaction: Kinematic and Inertial effects. Part I: Soft Soil Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol., pp.7-59. Pitilakis, K., Kirtas, E., Sextos, A., Bolton, M., Madabhushi, G., Brennan, A. () Validation by centrifuge testing of numerical simulations for soil-foundationstructure systems, Proceedings of the 1th World Conference on Earthquake Engineering, Vancouver, Canada Seed, H. B., and Idriss, I. M. (197). Soil moduli and damping factors for dynamic response analysis Rep. No. UCB/EERC- 7/1, Earthquake Engineering. Res, Ctr., University of California, Berkeley, Calif. Tokimatsu, K., Suzuki, H. and Sato, M., () Effects of inertial and kinematic forces on pile stresses in large shaking table tests Proceedings of the 1 th World Conference on Earthquake Engineering, Vancouver, Canada, August 1-,, Paper No.1. Tokimatsu, K. (1999), Performance of pile foundations in laterally spreading soils. Earthquake Geotechnical Engineering, Seco e Pinto (ed), 1999 Balkema, Rotterdam. Wilson, D.W. (199) Soil-Pile-Superstructure Interaction in Liquefying Sand and Soft Clay Ph.D. University of California, Davis 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 1/5-//