Seismic demand of reinforced concrete and masonry structures accounting for soil-foundation-structure interaction in the light of performance based design

Abstract

Traditionally in earthquake engineering design and assessment it is very common to assume the base of the structure to be fixed, which is only an assumption since in most cases the foundation soil is flexible. Moreover, usually the input motion to the structure is considered in practice the one at free- field conditions. In the present doctoral thesis, the basic goal is the study of soil- foundation- structure interaction (SFSI) phenomenon and its effect on both reinforced concrete and masonry structures. As far as the reinforced structures are concerned, the effect of SFSI has been investigated through a thorough parametric study of the total system using direct method (where the soil, the foundation and the structure are modeled together using finite element method). On the other hand, SFSI for masonry monumental structures has been investigated using sub- structure methodology (where the soil- foundation system and structure are studied separately). Afterwards, impedance functions that consider the monumental foundation flexibility have been proposed. As far as the reinforced concrete structures are concerned, after the parametric study of the SFSI system, we saw how interaction affects seismic response of structures at foundation level and at the top of the structure (in terms of accelerations and displacement). Additionally, a new methodology is proposed for the evaluation of seismic demand considering SFSI. The methodology is based on the proposal of appropriate modification factors of free field demand to evaluate SFSI demand. The study of the effect of the SFSI on masonry monumental structures, led to the proposal of impedance functions that consider interaction and flexible foundation effects. Impedances for masonry foundations do not exist in literature. The proposed impedances resulted after a thorough parametric study of soil- foundation systems appropriately selected so as to cover a variety of actual cases. Finally, the proposed impedances were applied to two actual monuments of the Medieval City of Rhodes Arsenal De Milly and Neoclassical School.

Παραδοσιακά κατά τον αντισεισμικό σχεδιασμό οι κατασκευές θεωρούνται πλήρως πακτωμένες και ως κίνηση εισαγωγής στην κατασκευή χρησιμοποιείται αυτή του ελευθέρου πεδίου. Αυτό, συμβαδίζει με την πραγματικότητα μόνο στην περίπτωση που η υπό μελέτη κατασκευή είναι θεμελιωμένη σε άκαμπτο εδαφικό σχηματισμό. Στην παρούσα διατριβή βασικός στόχος αποτελεί η μελέτη του φαινομένου της δυναμικής αλληλεπίδρασης εδάφους- θεμελίωσης- ανωδομής (ΔΑΕΘΑ) και της επιρροής αυτού τόσο σε κατασκευές Ο/Σ, όσο και σε μνημειακές κατασκευές. Σε ότι αφορά στις κατασκευές από οπλισμένο σκυρόδεμα, το πρόβλημα μελετήθηκε μέσω μιας συστηματικής παραμετρικής ανάλυσης του συστήματος εδάφους- θεμελίωσης- ανωδομής χρησιμοποιώντας την άμεση μέθοδο (ανάλυση του συστήματος εδάφους- θεμελίωσης- ανωδομής σε ένα βήμα, με την μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων). Αντίθετα, κατά τη μελέτη του φαινομένου της αλληλεπίδρασης για μνημειακές κατασκευές χρησιμοποιήθηκε η απλοποιημένη μέθοδος των υπό-συστημάτων και προτάθηκαν κατάλληλοι δείκτες εμπέδησης που λαμβάνουν υπόψη και την ευκαμψία του συστήματος της θεμελίωσης. Σε ότι αφορά στις κατασκευές Ο/Σ ύστερα από συστηματική παραμετρική μελέτη του συστήματος εδάφους θεμελίωσης ανωδομής, είδαμε το πώς επηρεάζει η αλληλεπίδραση την σεισμική απόκριση τόσο στο επίπεδο της θεμελίωσης όσο και στην κορυφή της ανωδομής (σε όρους απόλυτων επιταχύνσεων και σχετικών μετατοπίσεων). Η ποσοτικοποίηση των διαφόρων μεταβολών έγινε μέσω των σημαντικών παραμέτρων της αλληλεπίδρασης: την μάζα της κατασκευής, το ύψος της, την δυσκαμψία της όπως επίσης και τα χαρακτηριστικά του εδαφικού σχηματισμού όπου εδράζεται η κατασκευή. Παράλληλα προτάθηκε μια μεθοδολογία μέσω της οποίας προκύπτει η πραγματική απαίτηση των κατασκευών όταν λαμβάνεται υπόψη η αλληλεπίδραση. Η μεθοδολογία αυτή, στηρίζεται στην πρόταση κατάλληλων συντελεστών μεταβολής του φάσματος απαίτησης για συνθήκες ελευθέρου πεδίου, ώστε να προκύψει το πραγματικό φάσμα απαίτησης το οποίο λαμβάνει υπόψη την αλληλεπίδραση εδάφους- θεμελίωσης- ανωδομής. Μέσω της παραμετρικής ανάλυσης αποδεικνύεται επιπλέον ότι λόγω της ΔΑΕΘΑ η απόκριση στο επίπεδο της θεμελίωσης μεταβάλλεται συγκριτικά με την κίνηση ελεύθερου πεδίου, άλλοτε λειτουργώντας προς την πλευρά ασφάλειας της κατασκευής και άλλοτε όχι. Προτείνεται η χρήση της ενεργούς κίνησης της θεμελίωσης, που επηρεάζεται τόσο από την κινηματική, όσο και από την αδρανειακή αλληλεπίδραση. Τα αριθμητικά αποτελέσματα συγκρίνονται με πραγματικές καταγραφές από την βάση δεδομένων του ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος SHARE. Παράλληλα με τα παραπάνω μελετήθηκε, όπως ήδη έχει αναφερθεί, η αλληλεπίδραση εδάφους-θεμελίωσης-ανωδομής για μνημειακές κατασκευές. Η μελέτη αυτή είχε ως αποτέλεσμα να προταθούν κλειστές λύσεις δεικτών εμπέδησης για εύκαμπτες μνημειακές κατασκευές από τοιχοποιία. Οι δείκτες εμπέδησης προέκυψαν ύστερα από μια αριθμητική ανάλυση για διάφορα συστήματα εδάφους- θεμελίωσης, ανάλογα με αυτά που συναντώνται στην πραγματικότητα. Τα υλικά και η γεωμετρία των συστημάτων που μελετήθηκαν παραμετρικά, προέκυψαν από μια βάση δεδομένων που αφορά σε πραγματικές μνημειακές κατασκευές, όπως επίσης και από τις οδηγίες που υπάρχουν στους ισχύοντες κανονισμούς. Έπειτα, οι προτεινόμενοι δείκτες εμπέδησης χρησιμοποιήθηκαν για την αποτίμηση πραγματικών μνημειακών κατασκευών και πιο συγκεκριμένα εφαρμόστηκαν στην οπλαποθήκη De Milly και στο Νεοκλασικό Σχολείο της Μεσαιωνικής Πόλης της Ρόδου.