Ανελαστική ανάλυση της δυναμικής συμπεριφοράς γεφυρών από σκυρόδεμα

Abstract

The main objective of this thesis is to adapt, extend-improve and evaluate the modal pushover analysis (MPA) as applied to concrete bridges. Firstly, the theoretical background of the MPA procedure is briefly discussed, and a set of additional assumptions and decisions regarding alternative procedures that can be used are presented, in order to apply the method in the case of bridges, due to their different structural system and dynamic characteristics, compared to those of ordinary building structures. The research focuses on the transverse direction of analysis, wherein the seismic response is very complex and often substantially different from that of buildings. Key issues are the number of modes that should be considered in the case of bridges, the way a pushover curve is bilinearized before being transformed into a capacity curve, the selection of an appropriate point for monitoring the displacement demand, and the use of inelastic spectra for defining the earthquake demand for each mode. The proposed MPA procedure is then verified by applying it to three actual concrete bridges with different seismic response. In developing the MPA procedure for bridges, it was found (to varying degrees in each type of bridge) that both the target displacement and the bridge response quantities were dependent on the selected control point, due to the shape change of eigenmodes in the post-yielding range. Therefore, for bridges with significant influence of the higher modes, wherein a change of the shape of eigenmodes also takes place, it is found that MPA can lead to an incorrect assessment of the seismic response. An improved MPA procedure is proposed herein, involving an additional step to the initial procedure, in which a correction of the modal response quantities based on the instantaneous actual deformed shape of the structure, is applied. The scope of the improved proposed method is presented in detail. Subsequently, a multi-modal pushover curve in terms of base shear vs displacement, is proposed, as a more accurate estimate of the actual response of the structure, compared to the pushover curve of the conventional pushover analysis, since it takes into account the modes that contribute significantly to the response of the structure. The bridges are also analyzed using conventional pushover analysis, which is included as an option in modern seismic codes. The assessment of non-linear static procedures, in terms of both response quantities and pushover curves, is performed by comparing their results with those obtained by the more accurate inelastic response history analysis. An overall assessment of the proposed methodology is carried out and recommendations are made for future research aiming to further improve the method.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η προσαρμογή, η επέκταση-βελτίωση και η αξιολόγηση της Ιδιομορφικής Ανελαστικής Στατικής Ανάλυσης (ΙΑΣΑ), σε φορείς γεφυρών από σκυρόδεμα. Αρχικώς, γίνεται αναφορά στο θεωρητικό υπόβαθρο της ΙΑΣΑ και μελετώνται τα κρίσιμα σημεία της μεθοδολογίας που χρήζουν προσοχής, λόγω της διαφορετικότητας του δομικού συστήματος και των δυναμικών χαρακτηριστικών των γεφυρών σε σχέση με τους συνήθεις κτιριακούς φορείς. Η έρευνα επικεντρώνεται στην εγκάρσια διεύθυνση ανάλυσης, στην οποία η σεισμική απόκρισή τους είναι πολύ συχνά σύνθετη και ουσιωδώς διαφορετική από αυτήν των κτιρίων. Διερευνώνται ο αριθμός των απαραίτητων ιδιομορφών που θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη στην ανάλυση, ο τρόπος διγραμμικοποίησης των καμπυλών αντίστασης του φορέα, η επιλογή κατάλληλου σημείου χάραξης των καμπυλών αντίστασης, και ο τρόπος υπολογισμού της στοχευόμενης μετακίνησης για συγκεκριμένη ένταση σεισμικής διέγερσης. Για τη διεξαγωγή της έρευνας, επιλέγονται τρεις τύποι πραγματικών γεφυρών από σκυρόδεμα με διαφορετική σεισμική απόκριση. Κατά την εφαρμογή της ΙΑΣΑ στις γέφυρες, διαπιστώνεται ότι τα ιδιομορφικά μεγέθη απόκρισης εξαρτώνται (σε διαφορετικό βαθμό σε κάθε τύπο γεφυρών) από τη θέση του σημείου ελέγχου των μετακινήσεων, λόγω της μεταβολής του σχήματος των ιδιομορφών μετά τη διαρροή. Ως εκ τούτου, για γέφυρες με σημαντική επιρροή των ανώτερων ιδιομορφών στις οποίες ταυτόχρονα λαμβάνει χώρα ουσιώδης μεταβολή του σχήματος των ιδιομορφών, αποδεικνύεται ότι η ΙΑΣΑ μπορεί να οδηγήσει σε λανθασμένη εκτίμηση της σεισμικής απόκρισης. Προτείνεται μια βελτιωμένη ΙΑΣΑ, κατά την οποία εφαρμόζεται μια διόρθωση των ιδιομορφικών μεγεθών απόκρισης με βάση το στιγμιαίο σχήμα παραμόρφωσης των ιδιομορφικών μετακινήσεων που αντιστοιχεί στην εξεταζόμενη στάθμη σεισμικής διέγερσης και επηρεάζεται από την ανελαστική απόκριση. Ακολούθως, προτείνεται η χάραξη της πολυ-ιδιομορφικής καμπύλης αντίστασης, σε όρους τέμνουσας βάσης προς μετακίνηση ενός σημείου ελέγχου, ως πιο ακριβής εκτιμήτρια της πραγματικής απόκρισης του φορέα, σε σχέση με αυτήν που προκύπτει από τη συμβατική ανελαστική στατική ανάλυση, εφόσον συνεκτιμά το σύνολο των ιδιομορφών που συνεισφέρουν ουσιωδώς στην απόκριση της κατασκευής. Οι γέφυρες αναλύονται και με την συμβατική ανελαστική στατική ανάλυση, η οποία περιλαμβάνεται ως επιλογή και στους σύγχρονους αντισεισμικούς κανονισμούς. Η αποτίμηση των ανελαστικών στατικών αναλύσεων, σε όρους τόσο των επιμέρους μεγεθών απόκρισης όσο και των αντίστοιχων καμπυλών αντίστασης του φορέα, πραγματοποιήθηκε μέσω της σύγκρισης των αποτελεσμάτων τους με τα αντίστοιχα αποτελέσματα που προκύπτουν από την εξ ορισμού ακριβέστερη μέθοδο ανάλυσης, την ανελαστική δυναμική ανάλυση. Γίνεται συνολική αποτίμηση της προτεινόμενης μεθοδολογίας για κάθε τύπο γέφυρας, καθώς και προτάσεις που αφορούν στη μελλοντική έρευνα για την περαιτέρω βελτίωσή της.