Αναλυτική και πειραματική έρευνα επί των δυνατοτήτων αξιοποίησης των ακροβάθρων στην αντισεισμικότητα των γεφυρών

Abstract

The purpose of the present Thesis is the analytical and experimental investigation on the seismic response and performance of a simple and innovative mechanism for restraining the longitudinal seismic displacements of the bridge deck. The suggested mechanism, coarsely described, consists of a wall-web concrete member, placed at each end-part of the bridge deck and monolithically connected with it. Its bottom is mounted in a longitudinal mortise which is formed on the upper flange of the relevant pile cap. The mortise width is appropriately adjusted so that the formed gaps on either side of the wall-web concrete member to permit the unobstructed in-service expansion and contraction of the deck. During an earthquake, the mortise walls restrain notably the free oscillation of the deck, as the magnitude of the seismic displacements is much greater than the displacements caused by the serviceability requirements. Τhe Mechanism is integrated in the computational model by applying the regulatory provisions concerning seismic links in linked structures.Bridges of each one of the available construction methods were investigated by applying the proposed Mechanism in the analytical part of the research. In addition to the application of the Mechanism to specific bridge cases, a multi-parametric investigation of the suggested mechanism was conducted in order its efficiency to be determined. Regarding the analytical part of the research, a method for improving the regular behaviour of integral bridges was also suggested.The experimental investigation was deemed necessary to fully evaluate the Mechanism. Through this investigation was examined the impact of the main parameters, such as the width of the gaps and the shear span ratio of the wall-web of the abutments, on the mechanical properties of the Mechanism. In addition, a way of avoiding the use of elastomeric bearings on the closest to the abutments piers was examined experimentally and analytically. Concluding, it can be stated that use of the Mechanism renders possible the partial allotment of the seismic shear to the abutments so that the piers not to be seismically inactive, which would lead to uneconomical reinforcement ratios and would have a negative effect on the regular behaviour of the bridge, resulting in the penalty of reducing the behaviour factor imposed by the Code. The transfer of the seismic actions in the abutments is made directly to their foundation. Regarding the suggestion for improving the regular behaviour of integral bridges with unfavorable pier heights, it implies not only increased reliability against seismic actions but significant economic benefits in ensuring earthquake resistance. In addition, the suggested way of canceling the rebar-concrete bond in proper spots and lengths in piers allows the expansion of the monolithicity, avoiding of the use of elastomeric bearings on the closest to the abutments piers, which are burdened by the serviceability constraints in cases of long bridge decks. In conclusion, as resulted by the analytical part of the Thesis, the implementation of the suggested mechanism drastically reduces the antiseismic cost while increasing the reliability of the seismic provisions of bridges.

Αντικείμενο της παρούσας Διατριβής αποτελεί η αναλυτική και πειραματική διερεύνηση επί της αντισεισμικής μηχανικής απόκρισης και απόδοσης ενός απλού και καινοτόμου μηχανισμού ανάσχεσης των σεισμικών μετακινήσεων του φορέα των γεφυρών κατά την διαμήκη διεύθυνση. Αδρομερώς περιγραφόμενος ο προτεινόμενος Μηχανισμός συνίσταται από τοιχοειδές εξάρτημα σε κάθε άκρο του φορέα της γέφυρας, συνδεόμενο μονολιθικώς με τον φορέα και εδραζόμενο επί πυθμένος καταλλήλου διαμήκους εντορμίας που διαμορφώνεται στο άνω πέλμα του οικείου κεφαλοδέσμου. Το εύρος της εντορμίας ρυθμίζεται καταλλήλως ώστε τα εναπομείναντα κενά εκατέρωθεν του τοιχοειδούς εξαρτήματος εδράσεως του φορέα να επιτρέπουν την ακώλυτη εκδήλωση των λειτουργικών συστολοδιαστολών του φορέα, αλλά τα τοιχώματα της εντορμίας να παρεμποδίζουν δραστικώς την ελεύθερη ταλάντωση του φορέα κατά τον σεισμό, καθώς το μέγεθος των σεισμικών μετακινήσεων είναι πολλαπλάσιο εκείνων που δημιουργούν οι λειτουργικές απαιτήσεις. Για την ένταξη του Μηχανισμού στο υπολογιστικό προσομοίωμα εφαρμόζονται οι κανονιστικές διατάξεις που αναφέρονται στη διαχείριση του προβλήματος των αντισεισμικών ανασχετήρων (stoppers) των γεφυρών.Στο αναλυτικό σκέλος της έρευνας εξετάστηκαν γέφυρες όλων των κατασκευαστικών ειδών, οι οποίες διαστασιολογήθηκαν εκάστη σε δύο παραλλαγές, η μία χωρίς τον προτεινόμενο μηχανισμό και η άλλη με τον προτεινόμενο μηχανισμό. Εκτός της εφαρμογής του Μηχανισμού σε συγκεκριμένες περιπτώσεις γεφυρών διενεργήθηκε μια πολυπαραμετρική διερεύνηση της συμπεριφοράς του προτεινόμενου μηχανισμού ώστε να προκύψει η αποδοτικότητα του.. Όσον αφορά το αναλυτικό σκέλος, προτάθηκε επίσης μια μεθοδολογία για την βελτίωση της κανονικότητας των μονολιθικών γεφυρών. Στο πειραματικό σκέλος της έρευνας εξετάστηκε η επιρροή των κυριότερων παραμέτρων, όπως το εύρος των λειτουργικών διακένων (gap) και το άνοιγμα διατμήσεως του τοιχοειδούς εδράσεως στα μηχανικά χαρακτηριστικά του Μηχανισμού καθώς και ένας τρόπος αποφυγής των εφεδράνων στα πλησιέστερα προς τα ακρόβαθρα μεσόβαθρα (ο οποίος μελετήθηκε και αναλυτικά με εφαρμογή σε μεγάλη οδογέφυρα της Εγνατίας Οδού), ο οποίος συνίσταται στην παρεμπόδιση της ενσωμάτωσης στο σκυρόδεμα των διαμήκων καμπτικών οπλισμών σε κατάλληλες θέσεις και σε κατάλληλο μήκος. Συμπερασματικά αναφέρεται πως μέσω του καινοτόμου μηχανισμού stopper είναι δυνατή η διοχέτευση καταλλήλου τμήματος των σεισμικών αδρανειακών δράσεων στα ακρόβαθρα ώστε να μην υποαπασχολούνται τα μεσόβαθρα, γεγονός που θα οδηγούσε αφενός σε λύσεις αντιοικονομικού ελαχίστου οπλισμού και αφετέρου θα διετάρασσε την κανονικότητα του συστήματος με αποτέλεσμα την κανονιστική ποινή της μειώσεως της τιμής του συντελεστή συμπεριφοράς. Η μεταφορά των σεισμικών δράσεων στα ακρόβαθρα γίνεται κατευθείαν στο θεμέλιο, οπότε η παραλαβή τους είναι δραστικώς ευχερέστερη, καθόσον αυτές δεν συνοδεύονται από σεισμικές ροπές ανατροπής. Αναφορικώς με την πρόταση για την αδάπανη κανονικοποίηση των υπό δυσμενή γεωμετρία ανισοϋψών βάθρων γεφυρών, αυτή συνεπάγεται όχι μόνον αυξημένη αξιοπιστία έναντι του σεισμικού πλήγματος αλλά και σημαντικό οικονομικό όφελος στην εξασφάλιση της αντισεισμικότητας. Επίσης, η αξιοποίηση της δυνατότητας αποφυγής της πρόσφυσης σε κατάλληλες θέσεις και μήκη των καμπτικών διαμήκων οπλισμών των μεσοβάθρων δίνει την δυνατότητα της αποφυγής εφεδράνων και της επεκτάσεως της μονολιθικότητας ακόμη και στις περιπτώσεις ακραίων (πλησιέστερων προς τα ακρόβαθρα) μεσοβάθρων, τα οποία ως γνωστόν απειλούνται από τους λειτουργικούς καταναγκασμούς στις γέφυρες μεγάλου μήκους. Εν κατακλείδι, όπως προέκυψε και από το αναλυτικό σκέλος της Διατριβής, η εφαρμογή του μηχανισμού μειώνει δραστικά το λεγόμενο αντισεισμικό κόστος, ενώ ταυτόχρονα αυξάνει την αξιοπιστία των αντισεισμικών προβλέψεων των γεφυρών.