Διερεύνηση γεωτεχνικής σεισμικής μόνωσης κατασκευών σε πασσάλους με χρήση γεωαφρού EPS

Abstract

Presented in this dissertation is a comprehensive theoretical and experimental investigation of the potential to apply geotechnical seismic isolation to bridge piers founded on piles using an expanded polystyrene of compressible inclusion (geofoam EPS). The concept concerns the embedment of piles in a geofoam EPS compressible inclusion with strictly controlled modulus of elasticity, thickness and length, resulting in increased of the structure natural period and, consequently, in reduced seismic design forces. The inclusion replaces the natural soil material around the piles with a commercially produced material providing control over the mechanical characteristics of the foundation and allowing for reduced safety factor values compared to the conventionally adopted in Geotechnical Engineering. At the same time, the vertical load bearing mechanisms are not disturbed, since these loads are carried by the lower part of the piles, far from the area where the geosynthetic is placed. The proposed system offers the advantage of easy installation, maintenance or replacement in the event of damage or failure at a considerably lower cost compared to more conventional solutions based on the use of bearings from the classical solutions of isolation.

In the first, analytical, part of this dissertation, the investigation includes: (1) the stiffness coefficients for flexible elastic piles or pile groups with compressible inclusion in homogeneous soil, (2) the effect of the compressible inclusion on the response of bridges piers with rigid superstructure, (3) the effect on the natural period of the bridges piers with flexible superstructure, (4) the reduction of the seismic design forces and (5) the effect on the pile displacements and moments. For the documentation of this concept, an exact analytical solution is presented, in two dimensions, of the pile-inclusion interaction with in the framework of the theory of linear elasticity. The results are validated by comparison with results from numerical analyses using the finite elements. The second part of this dissertation is based on an extensive laboratory investigation of the behavior EPS geofoam compressible inclusion specimens in the form hollow cylinders cut in half or quarters (central angle of 180o and 90o) under monotonic compressive loading through a stiff pile. The mechanical behavior of specimens with this particular shape is correlated with the mechanical behavior observed by conventional testing of cylindrical specimens in unconfined compression. Yield stress, compressive strength and initial modulus of elasticity are examined. The results of these tests are used to produce normalized p-y curves which are correlated to corresponding curves obtained from unconfined compression tests on cylindrical specimens. Finally, the stiffness values calculated from the results of the laboratory tests on compressive inclusion specimens with a central angle of 180o and 90o are compared with the values obtained by the closed form analytic solutions and correction factors are proposed.

The proposed method is rational, is based on fundamental natural laws, includes simple mathematical analyses and experimental documentation, offers the advantages of easy installation (even for existing structures) and maintenance has considerably lower cost compared to conventional systems for the seismic protection of structures.

Παρουσιάζεται ολοκληρωμένη θεωρητική και πειραματική διερεύνηση της δυνατότητας γεωτεχνικής σεισμικής μόνωσης σε βάθρα γεφυρών θεμελιωμένων σε πασσάλους με χρήση παρεμβλήματος διογκωμένου πολυστερένιου (γεωαφρού EPS). Η ιδέα που διερευνάται αφορά την επένδυση των πασσάλων με παρέμβλημα EPS αυστηρά καθορισμένου μέτρου ελαστικότητας, πάχους και μήκους εγκιβωτισμού, με αποτέλεσμα την αύξηση της ιδιοπεριόδου της κατασκευής και, συνεπώς, τη μείωση των σεισμικών δυνάμεων σχεδιασμού. Επιπλέον, το παρέμβλημα αντικαθιστά το φυσικό εδαφικό υλικό γύρω από τον πάσσαλο με υλικό εργοστασιακής κατασκευής, όπου επιτρέπει τον έλεγχο των μηχανικών χαρακτηριστικών της θεμελίωσης και, συνεπώς, τη μείωση των συντελεστών ασφάλειας συγκριτικά με αυτούς που παραδοσιακά υιοθετούνται στη Γεωτεχνική Μηχανική. Παράλληλα ο μηχανισμός ανάληψης των κατακόρυφων φορτίων δεν διαταράσσεται καθότι αυτά παραλαμβάνονται από το κατώτερο τμήμα των πασσάλων, μακριά από το σημείο τοποθέτησης του γεωσυνθετικού υλικού. Το προτεινόμενο σύστημα προσφέρει το πλεονέκτημα της εύκολης εγκατάστασης, συντήρησης ή και αντικατάστασης σε περίπτωση βλάβης/αστοχίας με σημαντικά χαμηλότερο κόστος απ’ ό,τι οι κλασικές λύσεις μόνωσης που βασίζονται σε εφέδρανα. Στο πρώτο μέρος της διατριβής διερευνώνται: (1) οι συντελεστές δυσκαμψίας εύκαμπτων ελαστικών πασσάλων ή ομάδων πασσάλων με συμπιεστό παρέμβλημα σε ομοιογενές έδαφος, (2) η επίδραση της παρουσίας του παρεβλήματος στην ενδοσιμότητα βάθρων γεφυρών με άκαμπτη ανωδομή, (3) η επίδραση στην ιδιοπερίοδο των βάθρων για εύκαμπτη ανωδομή, (4) η απομείωση στις σεισμικές δυνάμεις σχεδιασμού και (5) η επίδραση στις μετακινήσεις και τις καμπτικές ροπές των πασσάλων. Για την τεκμηρίωση της πρότασης παρουσιάζεται ακριβής αναλυτική λύση σε δύο διαστάσεις της αλληλεπίδρασης πασσάλου-ελαστικού παρεμβλήματος στο πλαίσιο της γραμμικής θεωρίας της ελαστικότητας. Η λύση τεκμηριώνεται συγκρίνοντας με αποτελέσματα αριθμητικών αναλύσεων πεπερασμένων στοιχείων. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής παρουσιάζονται τα αποτελέσματα διεξοδικής εργαστηριακής ανάλυσης δοκιμίων γεωαφρού EPS δακτυλιοειδούς μορφής, ανοίγματος 1800 και 900, υπό συνθήκες μονοτονικής φόρτισης. Διερευνάται η μηχανική συμπεριφορά δοκιμίων της συγκεκριμένης μορφής και η συσχέτιση της με τις μηχανικές ιδιότητες που προκύπτουν από συμβατικές δοκιμές ανεμπόδιστης θλίψης. Εξετάζονται το όριο διαρροής, η αντοχή σε θλίψη και το αρχικό μέτρο ελαστικότητας. Τα αποτελέσματα των δοκιμών χρησιμοποιούνται για την διαμόρφωση κανονικοποιημένων καμπυλών p-y που συσχετίζονται με αντίστοιχες καμπύλες από δοκιμές ανεμπόδιστης θλίψης σε κυλινδρικά δοκίμια. Τέλος, γίνεται σύγκριση των τιμών της δυσκαμψίας που προέκυψαν από τις εργαστηριακές δοκιμές σε δοκίμια μορφής δακτυλίου ανοίγματος 1800 και 900 με τις τιμές που υπολογίστηκαν από τις κλειστές αναλυτικές σχέσεις και προτείνονται διορθωτικοί συντελεστές. Η προτεινόμενη μέθοδος είναι ορθολογική, βασίζεται σε θεμελιώδεις φυσικές αρχές, περιλαμβάνει απλές μαθηματικές αναλύσεις και πειραματική τεκμηρίωση και προσφέρει τα πλεονεκτήματα της εύκολης εγκατάστασης (ακόμα και σε υπάρχουσες κατασκευές) συντήρησης και σημαντικά χαμηλότερου κόστους συγκριτικά με κλασικά συστήματα προστασίας κατασκευών.