Μία πρόταση για τον σχεδιασμό μονολιθικών οδογεφυρών πολλών ανοιγμάτων: αναλυτική διερεύνηση και τεκμηρίωση

Abstract

The case of a multispan, earthquake resistant bridge, with a fully integral superstructure system, is examined mainly on its enhanced seismic resistance. The main issue of the accommodation, of both the in-service and the seismic requirements of multispan integral bridge systems is addressed meticulously, with the objective of exploiting the aseismic advantages of the monolithical deck-abutments connection, but also minimizing structural and final costs. The axial tension poses a particularly adverse case, being the result of the concrete shrinkage effects and thermal changes. The demand of stresses-relief due to serviceability restraints may only be achieved through a completely controlled cracking in the superstructure, which is not prestressed, only conventionally reinforced and designed with the maximum decrease of the cross section area. The results of the current research, have been applied in a long bridge of high earthquake requirements, in the Egnatia Motorway in Greece, and the redesign of this system, resulted in important advantages concerning seismic resistance, cost effectiveness, serviceability and aesthetics. In the case of fully integral, seismically designed bridges with rigid abutments, or in long monolithical multispan bridges (viaducts, flyovers a.o.), so as to fulfil the serviceability requirements of the bridge it is very important firstly to determine precisely (a) the cracking mode of the continuous bridge deck due to thermal effects (b) the early age shrinkage and (c) the mitigative role of concrete relaxation. Each of the above requires a different approach in terms of serviceability. In this research a monolithic design is proposed which, in the opinion of the authors, without exaggerating, can be seen as one of the most holistic solutions in the field of bridge seismic design. It should be noted beforehand, that in order to make it feasible to utilize the important seismic advantages resulting from the design solution, submitted for integral cast in situ bridges, it is required to deal with the serviceability issues caused by monolithicity. The need to relieve the deck from the axial tension, occurring primarily due to the aforementioned group of causes which are responsible for the contraction of the superstructure, also necessitates the use of conventional reinforced concrete instead of prestressing, since the desired relief is achieved through cracking, for the deck to keep its length between the rigid –not movable- abutments . In this way the superstructure behaves as a continuous system, not as a frame system. Further on, the following are noted: (a) For gravity loads, the frame system mode of the monolithic superstructure (deck and piers) is altered into a continuous deck mode. (b) Concerning the seismic load combination it should be underlined that, owing to the integral connection to the abutments, the proposed totally monolithical system has the significant advantage that differential movements between the base and the pier head are absent, which means the elimination of seismic strain at the piers in the longitudinal direction. In other words, the system is not fed by the seismic amplification effect. The superstructure performs the same motion with the supports /foundations (c) Consequently, having ensured the system and especially the piers, against cracking effects, in accordance with the regulation requirements (for the crack width limitation), the aforementioned system mode, gives the greatest seismic advantage, that is the absence of seismic forces, in the longitudinal direction (d) Addressing the serviceability problems was based on the tension tie model (CEB). Rigorous research was conducted to utilize conventional reinforcing steel in bridge decks with long spans. This is due to the need for designing rigid deck-abutment and deck-pier connections, which will allow the dissipation of part of the induced seismic energy through hysteretic behavior of the abutments and the piers. Based on the aforementioned, an innovative totally monolithic bridge design became feasible by deriving six (6) new compatibility-compliance equations for the cracking control. It is desirable to underline the following as the main conclusions of the investigation: It is worth solving the difficult serviceability problems, because the resulting benefits are of great importance. More specifically the seismic resistance enhancement of the structure which in terms of safety reaches the ultimate target, is one of the aforementioned benefits. Moreover, the construction and the overall cost reduction (including maintenance and replacement costs for the technical life of the bridge) is also noticeable.

Η Διδακτορική Διατριβή αφορά στον Σχεδιασμό γεφυρών υψηλού βαθμού μονολιθικότητος, πολλών ανοιγμάτων. Το κύριο ζήτημα είναι η αντιμετώπιση των λειτουργικών απαιτήσεων του μονολιθικώς δεσμευμένου φορέα γεφύρας, κυρίως λόγω των αυτεντατικών φαινομένων και ο Σχεδιασμός του φορέα πολλών ανοιγμάτων με συμβατικό, Οπλισμένο Σκυρόδεμα Ο/Σ (άνευ προεντάσεως). Η αποτελεσματική και αξιόπιστη επίλυση του προβλήματος της λειτουργικότητος μέσω καινοτόμου Σχεδιασμού του φορέα και των ακροβάθρων, είναι ιδιαίτερης σημασίας, δεδομένων των εξαιρετικών πλεονεκτημάτων σεισμικής αντίστασης, οικομονικότητος, ανθεκτικότητος και αισθητικής που παρουσιάζει ο προτεινόμενος σχεδιασμός μονολιθικών γεφυρών, στην προκειμένη περίπτωση, ειδικώς των γεφυρών πολλών ανοιγμάτων μεγάλου μήκους.Όσον αφορά στα κυριότερα πρωτότυπα σημεία της Διατριβής:Ως πρώτο στοιχείο πρωτοτυπίας επισημαίνεται, η ενδελεχής διερεύνηση, αξιολόγηση και συστηματική ταξινόμηση διακριτών περιπτώσεων γεφυρών υψηλής μονολιθικότητος, ανά τον κόσμο, η ολοκληρωμένη ανάλυση των χαρακτηριστικών και των ιδαιτεροτήτων τους, των μεθόδων με τις οποίες μελετήθηκαν και κατασκευάστηκαν, καθώς και η αξιολόγησή τους. Τολμά να αντιπαρατεθεί με το αναφυόμενο στην οξύτερη δυνατή του μορφή, λειτουργικό πρόβλημα, και της εξ΄ αυτού απορρέουσας αλληλεπιδράσεως καταναγκασμών και εξωτερικής φορτίσεως.Σε αντίθεση με τις μέχρι σήμερα ισχύουσες επιλογές (α) εφεδράνων στα άκρα (Ευρωπαϊκή) και κινητών ακροβάθρων (ΗΠΑ), επιλέγει καινοτόμως ακλόνητα ακρόβαθρα και επωμίζεται την εξασφάλιση της λειτουργικότητος και της, έναντι του σεισμού, ευστάθειά τους.Τολμά την επιβολή πάκτωσης του φορέα στα ακρόβαθρα και αναλαμβάνει την παραλαβή της υπάρχουσας ροπής από το καταλλήλως διαμορφωμένο-προσαρμοσμένο ακρόβαθρο, το οποίο δύναται να χαρακτηρισθεί ως καινοτόμο.Τολμά την επαναφορά του Οπλισμένου Σκυροδέματος στη Γεφυροποιία, χωρίς μάλιστα την αντιαισθητική αύξηση των υψών των διατομών του φορέα σε σχέση με το προεντεταμένο σκυρόδεμα.Καινοτομεί στη διάταξη των 14μετρων ράβδων οπλισμού, οι οποίες δεν χρειάζονται τις συμβατικές παραθέσεις, που θα προκαλούσαν αδιαχώρητο οπλίσεως και αδυναμία ασφαλούς σκυροδέτησης.Είναι απαλλαγμένη από την ανάγκη της τμηματικής σκυροδετήσεως, την οποία δεν μπορούν να αποφύγουν οι φορείς από προεντεταμένο σκυρόδεμα (εξ αιτίας των απωλειών εκ των τριβών). Τα ανοίγματα των επιμέρους φατνωμάτων ουδόλως υστερούν σε μήκος έναντι των αντιστοίχων των προεντεταμένων φορέων γεφυρών.Επινοεί και προσφέρει μία πρωτότυπη και καινοτόμο λύση προσομοίωσης του φορέα, για τον προσδιορισμό των προσθέτων καταπονήσεων, εκ των καταναγκασμών, η οποία ερείζεται στη θεωρία των συνθέτων ελκυστήρων και η οποία προτείνεται και εφαρμόζεται για πρώτη φορά.Επιτυγχάνει την απλοποίηση του προβλήματος της αντιμετώπισης των καταναγκασμών, το οποίο εξετάζεται στο πλαίσιο ενός τυπικού φατνώματος και όχι επί του συνολικού μήκους της γεφύρας.Δεν οριοθετείται από άνω φράγμα, όσον αφορά στο αντιμετωπιζόμενο μήκος γεφύρας. Μάλιστα είναι τόσο οικονομικό, όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος της γεφύρας, γεγονός που οφείλεται στο ότι, οι εκ των καταναγκασμών δράσεις είναι ίδιες για τα μικρά και τα μεγάλα μήκη γεφυρών. Ωστόσο κρίνεται ενίοτε αντιοικονομική για τα μικρά μήκη, εξαιτίας του σχετικώς δαπανηρού των δύο ακροβάθρων της, συγκριτικώς με τα συμβατικά.Ξεκαθαρίζοντας και με ίδιο πειραματικό υλικό, αλλά και με κανονιστικές διατάξεις, τη μηχανική απόκριση των ρηγματωμένων και αρρηγμάτωτων ελκυστήρων, και οριοθετώντας, στο πλαίσιο του ως άνω τυπικού φατνώματος, τα μήκη αμφοτέρων, καταλήγει τελικώς σε εξάδα πρωτότυπων εξισώσεων, μέσω των οποίων διεξάγεται ο Έλεγχος σε ρηγμάτωση, και πλήρης υπολογισμός των αναγκαίων διαμήκων οπλισμών, για τον υποβιβασμό του εύρους των ρωγμών σε κανονιστικώς αποδεκτά επίπεδα.Αντισεισμικώς, μετά την τακτοποίηση του λειτουργικού μέρους του προβλήματος, για μεν τη δύσκολη διαμήκη διεύθυνση αποτελεί την ιδανική λύση, τύπου "Αυγού του Κολόμβου", καθόσον ο φορέας δεν παρουσιάζει διαφορικές μετακινήσεις, ως προς τους πόδας των μεσοβάθρων, ενώ για τη συνεκτίμηση της χωρικής μεταβλητότητας της σεισμικής κίνησης κατά τον σεισμικό σχεδιασμό των εν θέματι γεφυρών, κυρίως στην περίπτωση ακραίας διαφοροποίησης τοπικών εδαφικών συνθηκών, ισχύει επίσης η προαναφερόμενη ρήση του Αριστοτέλη, δεδομένου ότι η περιορισμένη επιρροή της παραμέτρου στις μονολιθικές γέφυρες δεν αφορά ουσιαστικά το σκεπτικό της παρούσας εργασίας. Σε ότι αφορά την 'εύκολη' εγκάρσια διεύθυνση, η λύση είναι απλούστατη, δια της πριμοδοτήσεως της αντίστοιχης πλευράς της τοιχοειδούς διατομής των μεσοβάθρων. Ωστόσο, εκτός αυτού, υπάρχει και το πρόσθετο πλεονέκτημα της εγκαρσίας πακτώσεως του φορέα στα ακρόβαθρα, με ό,τι αυτή συνεπάγεται στη μείωση των εγκαρσίων σεισμικών μετακινήσεων.