Ανελαστική δυναμική αλληλεπίδρασης εδάφους - κατασκευής

Abstract

Two of the most important problems in geotechnical earthquake engineering are treated in this dissertation: the seismic ground response and the response of single piles under seismic loading. Over the years numerous researchers have addressed the problem of seismic ground response and several methods have been proposed for site response analysis, including: • equivalent-linear models, • nonlinear phenomenological/empirical 1-D models, and • advanced 2-D constitutive models based on plasticity theory. Due to the simplicity and numerical stability the equivalent-linear method is even nowadays the most widely used method for seismic ground response analyses. However, this method is not free of limitations: the use of a frequency-independent factor for the determination of "effective" strain leads to a spurious filtering of high-frequency components and an overestimation of the acceleration in case of strong shaking (Constantopoulos et al., 1973; Yoshida et al., 2002). A more accurate simulation of the real soil behavior under stronger shaking can be achieved using simplified 1-D nonlinear constitutive models. Despite the increased accuracy of the 1-D nonlinear models, most simplified nonlinear models overestimate damping as they utilize the Masing criterion for unloading/reloading. Furthermore, the often use of the hyperbolic backbone curve results to a spurious "trimming" of accelerations. The approximate extension of these models into 2 dimensions presents difficulties. To fill this gap advanced 2-D constitutive models based on theory of plasticity have been developed. Although, these models are the most reliable in description of the 2-D nonlinear behavior of soil, they are difficult to be applied in everyday practice because of the usually numerous parameters required. In this dissertation a new phenomenological nonlinear constitutive model proposed by (Gerolymos (2002), capable of simulating complex nonlinear characteristics of the dynamic response of soil in 1 dimension, is calibrated and validated against several experimental results. Then, it is utilized for a thorough parametric study of the nonlinear seismic response of soil deposits. The nonlinear seismic response of single piles is the objective of the second part of this dissertation. Nonlinearity refers not only to the pile surrounding soil but also on the bending behavior of the pile itself. The hysteretic model BWGG is now used for the simulation of the soil resistance as a function of the pile deflection at each depth. The calibration of the constitutive model is achieved by exploitation of several experimental results from the literature: in-situ full-scale experiments and small-scale centrifuge tests. Following the calibration, the model is verified by comparison with established analytical solutions. Current seismic design of bridge structures is based on a presumed ductile response. A capacity design methodology ensures that regions of inelastic deformation are carefully detailed to provide adequate structural ductility, without transforming the structure into a mechanism. Brittle failure modes are suppressed by providing a higher level of strength compared to the corresponding to ductile failure modes. For most bridges, the foundation system may be strategically designed to remain structurally elastic while the pier is detailed for inelastic deformation and energy dissipation. This approach is intended to avoid the difficulty of post-earthquake inspection and the high cost associated with repair of a severely damaged foundation. Essentially-elastic response of the foundation is usually ensured by increasing the strength of the foundation above that of the bridge pier so that plastic hinging occurs in the pier instead of the foundation. However, several case-histories (especially from the Kobe 1995 earthquake) have shown that: (a) pile yielding under strong shaking cannot be avoided, especially with piles embedded in soft soils; and (b) pile integrity checking after an earthquake is a cumbersome, yet feasible task. In order to explore the nonlinear inelastic response of pile-column bridge systems and the influence of the pile inelasticity and soil-structure interaction on ductility demand, some preliminary parametric analyses are conducted. Emphasis is given in the inelastic response of the pile itself. […]

Η διατριβή πραγματεύεται δύο από τα σημαντικότερα προβλήματα της γεωτεχνικής σεισμικής μηχανικής: την δυναμική απόκριση του εδάφους και την συμπεριφορά των πασσάλων σε σεισμική διέγερση. Για την υπολογιστική εκτίμηση της δυναμικής απόκρισης εδαφικών σχηματισμών πολυάριθμα καταστατικά προσομοιώματα έχουν προταθεί έως σήμερα, τα οποία ταξινομούνται αδρά σε τρεις μεγάλες κατηγορίες: • Ιξωδοελαστικά ισοδύναμα-γραμμικά προσομοιώματα • Υστερητικά, μη-γραμμικά ανακυκλικά προσομοιώματα σε 1 διάσταση • Προσομοιώματα βασισμένα στην θεωρία πλαστικότητας. Εξαιτίας της απλότητάς τους, τα ισοδύναμα-γραμμικά προσομοιώματα είναι τα πλέον χρησιμοποιούμενα στην ανάλυση της σεισμικής απόκρισης του εδάφους. Παρόλα αυτά, η αντίστοιχη μέθοδος εμπεριέχει ένα εγγενές μειονέκτημα: λόγω του ενιαίου μειωτικού συντελεστή στο πλάτος της παραμόρφωσης που χρησιμοποιεί, αθέλητα επιβάλλει ένα πλασματικό φιλτράρισμα των υψίσυχνων συνιστωσών του σεισμικού κύματος. Επιπλέον, η ακρίβεια των προβλέψεων της μεθόδου μειώνεται σε περιπτώσεις ισχυρής διατμητικής παραμόρφωσης του εδάφους. Σε τέτοια επίπεδα μη-γραμμικής συμπεριφοράς, η αξιοπιστία της μεθόδου είναι κάπως αμφίβολη και ο μηχανικός πρέπει να καταφύγει σε πιο λεπτομερή αλλά 1-διάστατα υστερητικά μη-γραμμικά προσομοιώματα τα οποία εν γένει προβλέπουν ικανοποιητικά την μη-γραμμική συμπεριφορά του εδάφους, αν και η μεν συνήθης χρήση του κριτηρίου Masing για την αποφόρτιση/επαναφόρτιση οδηγεί στην υπερεκτίμηση της εδαφικής απόσβεσης, η δε επίσης συνήθως χρήση υπερβολικής μονοτονικής καμπύλης οδηγεί σε αφύσικο "ψαλίδισμα" των επιταχύνσεων. Η προσεγγιστική επέκταση των προσομοιωμάτων αυτών σε 2 διαστάσεις είναι φυσικό να παρουσιάζει δυσκολίες. Το κενό έρχονται να καλύψουν προσομοιώματα βασισμένα στην πλαστική θεωρία. Μολονότι θεωρητικώς τα εν λόγω προσομοιώματα είναι περισσότερο αξιόπιστα στην περιγραφή της 2-διάστατης ανελαστικής απόκρισης του εδάφους, συχνά χαρακτηρίζονται από δυσκολία πρακτικής εφαρμογής λόγω και του μεγάλου αριθμού παραμέτρων που χρησιμοποιούν. Στην παρούσα διατριβή, ένα νέο υστερητικό μη-γραμμικό προσομοίωμα προταθέν από τον Γερόλυμο (2002), ικανό να προσομοιώνει πολύπλοκα μη-γραμμικά χαρακτηριστικά της ανακυκλικής συμπεριφοράς του εδάφους σε 1 διάσταση, βαθμονομείται και επαληθεύεται με βάση πληθώρα πειραματικών αποτελεσμάτων. Εν συνεχεία δε, χρησιμοποιείται σε μια εκτενή παραμετρική διερεύνηση της δυναμικής μη-γραμμικής συμπεριφοράς εδαφικών σχηματισμών. Η μη-γραμμική σεισμική απόκριση πασσάλου αποτελεί τον στόχο του δεύτερου μέρους της διατριβής. Η μη-γραμμικότητα αναφέρεται τόσο στο περιβάλλον τον πάσσαλο έδαφος, όσο και στην καμπτική συμπεριφορά του ίδιου του πασσάλου. Το υστερητικό προσομοίωμα BWGG χρησιμοποιείται τώρα για την περιγραφή της εδαφικής αντίστασης συναρτήσει της αναπτυσσόμενης μετατόπισης σε κάθε βάθος του πασσάλου. Η βαθμονόμηση του προσομοιώματος αυτού ευωδούται με αξιοποίηση πλήθους πειραματικών αποτελεσμάτων της διεθνούς βιβλιογραφίας: πειράματα φυσικής κλίμακας στο ύπαιθρο, πειράματα μικρής κλίμακας σε φυγοκεντριστή. Εν συνεχεία δε, το βαθμονομηθέν προσομοίωμα χρησιμοποιείται σε παραμετρική διερεύνηση και σύγκριση με καθιερωμένες αναλυτικές μεθόδους. Κατά την συνήθη πρακτική η πλάστιμη συμπεριφορά των κατασκευών λαμβάνεται υπόψη στον σχεδίασμά τους. Παρόλα αυτά οι θεμελιώσεις σχεδιάζονται ακόμα με στόχο να συμπεριφερθούν ελαστικά κατά τον σεισμό, παρά την αναπόφευκτα ανελαστική απόκριση του ίδιου του εδάφους. Η λογική της πλάστιμης συμπεριφοράς της θεμελίωσης αποτελεί μια νέα ιδέα για την σεισμική μηχανική. Ο πιθανός σχηματισμός πλαστικής άρθρωσης στον πάσσαλο δεν συνιστάται από τους αντισεισμικούς κανονισμούς για δύο λόγους: (α) η θέση της πλαστικής άρθρωσης δεν είναι προσβάσιμη μετά τον σεισμό για έλεγχο και επισκευή, και (β) η αστοχία του πασσάλου πριν αστοχήσει το έδαφος αποτελεί ανεπιθύμητη ψαθυρή συμπεριφορά. Παρόλα αυτά πλήθος περιστατικών στον σεισμό του Κόμπε έδειξαν ότι η μεν διαρροή των πασσάλων σε ισχυρές δονήσεις δεν μπορεί να αποφευχθεί (ειδικά όταν διαπερνούν μαλακά εδάφη), ο δε μετασεισμικός έλεγχος της ακεραιότητάς τους αποτελεί δύσκολη αλλά όχι αδύνατη εργασία. Με σκοπό την διερεύνηση της ευεργετικής ή δυσμενούς επίδρασης της πλαστικοποίησης των πασσάλων στην δυναμική απόκριση μιας κατασκευής εκτελούνται παραμετρικές αναλύσεις προσομοιώνοντας την ανελαστική συμπεριφορά τόσο του εδάφους όσο και του πασσάλου με το βαθμονομημένο καταστατικό προσομοίωμα BWGG. […]