Αναλυτική και πειραματική διερεύνηση επί της αντισεισμικής μηχανικής απόδοσης ενός προτεινομένου νέου τύπου ακροβάθρου με ιδιότητες ανάσχεσης των σεισμικών μετακινήσεων του φορέα της γέφυρας

Abstract

The aim of this study is the analytical and experimental investigation on the seismicefficiency of an innovative restraining system. This system consists of transverselydirected R/C walls, which behave as seismic stoppers. The aforementioned wallsconstitute part of the abutment and they are transversely directed to thelongitudinal direction of the bridge. The walls are constructed in a concrete boxshapedsubstructure, which replaces the conventional wing-walls and retains thebackfill material. Therefore, the earth pressures affect only the stability of theconcrete box-shaped substructure and the abutment’s foundation, and not theearthquake resistance of the restraining walls. The expansion joint, which exists inconventional abutments, is eliminated, while only a road joint is preserved betweenthe continuity slab and the road surface, constructed on a sliding body. The designof the proposed system follows the capacity design provisions which ensure theavoidance of the early failure of its members.The available height of the abutment and the thickness of the walls are the mainparameters affecting the serviceability level and seismic resistance of theaforementioned system. These parameters are strongly correlated, as they bothinfluence the shear ratio of concrete walls and consequently, the seismic efficiencyof the restraining system. This study investigates the applicability of the proposedrestraining system in all bridge types, independently of their length and theabutment’s available height.The restraining walls of the abutment contribute not only by their own stiffness butalso by dissipating energy through hysteretic behavior. As a result, the proposedabutment should mainly be exploited in ductile bridge systems. In this respect, thisstudy proposes a methodology for the modification of floating deck bridges toductile systems. It is noted that, floating deck bridges are the ones constructedusing the method of segmental erection with precast prestressed Ι-beams and theincremental launching method.The design and optimization of the proposed abutment is also one of the main goalsof the study. The design of the system aiming at the maximization of its seismicefficiency, is based on two criteria referring, on one hand, on the accommodation ofthe in-service induced longitudinal movements of the deck and, on the other hand,on the earthquake loading of the walls. The carried investigation covers the fourmain construction methods of concrete bridges typology related to the finalresisting system of the bridge, namely: (a) cast in-situ bridge construction, (b) segmental erection with precast prestressed Ι-beams, (c) incremental launchingmethod and (d) form traveler method. The main parameters investigated are: (a)bridge type, (b) length of the continuous bridge deck, (c) dimensions, type,longitudinal reinforcement ratio and arrangement of the restraining walls, (d) totalstiffness of the system, (e) foundation soil type and (f) the seismicity of the region.The results of the investigation showed that the proposed restraining systemimproves the safety, durability, serviceability, aesthetics and cost-effectiveness ofbridges. Specifically, the exploitation of the proposed abutment in monolithic andfloating deck bridge systems showed that, the longitudinal and transversemovements of the deck are effectively reduced. The aforementioned reductions inthe seismic movements lead to reduced seismic actions of the piers. It is notedthat, the reduction in the seismic actions leads to cost- effective and smaller crosssectionsof the piers, which also serve aesthetics. Finally, the experimentalinvestigation verified that the capacity of the system to dissipate energy issignificant.

Αντικείμενο της παρούσας Διατριβής αποτελεί η αναλυτική και πειραματικήδιερεύνηση επί της αντισεισμικής μηχανικής απόδοσης ενός καινοτόμου μηχανισμούανασχέσεως των σεισμικών μετακινήσεων του φορέα των γεφυρών. Ο μηχανισμόςαυτός συνίσταται από τοιχώματα, τα οποία λειτουργούν ως σεισμικοί ανασχετήρεςεγκατεστημένοι στα ακρόβαθρα και προσανατολισμένοι εγκαρσίως ως προς τονάξονα της γέφυρας. Τα τοιχώματα αυτά βρίσκονται εντός κιβωτίου, το οποίουποκαθιστά τους καθιερωμένους τοίχους αντεπιστροφής, μέσω του οποίουεπιτυγχάνεται η αντιστήριξη και ο διαχωρισμός του μεταβατικού επιχώματος από τουπόλοιπο σύστημα. Κατά συνέπεια, οι ασκούμενες στα τοιχώματα του κιβωτίουωθήσεις των γαιών δεν επηρεάζουν τη σεισμική απόκριση του συστήματος, ωστόσοπρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά τον έλεγχο ευστάθειας του ακροβάθρου. Με τοπροτεινόμενο σύστημα η γέφυρα απαλλάσσεται από τους εσωτερικούς της αρμούςενώ, οι ακραίοι αρμοί, οι οποίοι είναι λειτουργικού και όχι αντισεισμικού εύρους,μεταφέρονται μέσω επεκτάσεων της πλάκας του καταστρώματος πέραν τουπροαναφερθέντος συστήματος και διαμορφώνονται άνωθεν καταλλήλου σώματοςολισθήσεως. Η μελέτη του παραπάνω συστήματος διέπεται από τις αρχές τουικανοτικού σχεδιασμού μέσω του οποίου επιδιώκεται η αποφυγή πρόωρης αστοχίαςτων μελών του.Δύο από τις κύριες παραμέτρους που καθορίζουν την απόκριση του μηχανισμούείναι το διαθέσιμο ύψος των ακροβάθρων αφενός και, το πάχος των τοιχωμάτωναφετέρου. Στα πλαίσια της Διατριβής διερευνάται το πεδίο εφαρμογής τουμηχανισμού, εις τρόπον ώστε να είναι δυνατή η αξιοποίησή του σε όλα ταακρόβαθρα ασχέτως διαθέσιμου ύψους καθώς επίσης και σε όλες τις γέφυρες μικρούκαι μεγάλου μήκους, δεδομένου ότι οι λειτουργικές απαιτήσεις θέτουν περιορισμούςως προς τον καθορισμό των προαναφερθεισών παραμέτρων.Η αντισεισμική συνεισφορά των τοιχωμάτων- ανασχετήρων επιδιώκεται αφενός μενμέσω της δυσκαμψίας τους και αφετέρου, μέσω της απορρόφησης σεισμικήςενέργειας, μέσω της υστερητικής απόκρισης των στοιχείων αυτών. Το γεγονός αυτόσυνεπάγεται την αξιοποίηση του προτεινόμενου αντισεισμικού ακροβάθρου σεπλάστιμα, βάσει των απαιτήσεων των Κανονισμών, συστήματα. Ως εκ τούτου, σταπλαίσια της παρούσας Διατριβής προτείνεται μεθοδολογία μετάλλαξης των “πλωτών”επί εφεδράνων γεφυρών σε πλάστιμα συστήματα, έτσι ώστε να καθίσταται εφικτή ηαξιοποίηση του προτεινομένου ακροβάθρου και σε αυτά τα συστήματα. Μετά τηνπλάστιμη προσαρμογή του συστήματος είναι δυνατή η ένταξη στα ακρόβαθρα των υπόψη γεφυρών του προτεινόμενου ανασχετικού μηχανισμού. Σημειωτέον ότι, σταπλωτά επί εφεδράνων συστήματα εντάσσονται γέφυρες, οι οποίες έχουνκατασκευαστεί με τις μεθόδους της προκατασκευής και της προώθησης.Στους στόχους της διεξαχθείσας έρευνας εντάσσεται η βελτιστοποίηση τηςμορφολογίας και των διαστάσεων του ακροβάθρου, με σκοπό αφενός μεν τονσυμβιβασμό των οιονεί, αντικρουόμενων, αντισεισμικών και λειτουργικώναπαιτήσεων της γέφυρας και αφετέρου, τη μεγιστοποίηση της αντισεισμικής τουαπόδοσης. Η διεξαχθείσα έρευνα καλύπτει τους τέσσερις συνηθέστερους, βάσει τηςμεθόδου κατασκευής, τύπους γεφυρών, δηλαδή των: (α) χυτών επί τόπου, (β)προκατασκευασμένων, (γ) γεφυρών κατασκευασμένων με τη μέθοδο τηςπροώθησης και (δ) γεφυρών κατασκευασμένων με τη μέθοδο του προωθούμενουικριώματος. Η αναλυτική και πειραματική διερεύνηση καλύπτει ένα ευρύ φάσμαπαραμέτρων που επηρεάζουν τη σεισμική απόκριση των γεφυρών. Οι κύριεςπαράμετροι που ετέθησαν υπό διερεύνηση ήταν: (α) Το είδος των γεφυρών ανάλογαμε την εφαρμοσθείσα μέθοδο κατασκευής του φορέα, (β) το μήκος του συνεχούςκαταστρώματος των γεφυρών, (γ) η μορφολογία, η όπλιση, η διάταξη και το είδοςτων αξιοποιηθέντων σεισμικών ανασχετήρων στα ακρόβαθρα των γεφυρών, (δ) ησυνολική δυσκαμψία του συστήματος, (ε) η κατηγορία του εδάφους θεμελίωσης τηςγέφυρας και (στ) η σεισμικότητα της περιοχής.Τα αποτελέσματα υπήρξαν ιδιαιτέρως ενθαρρυντικά στους τομείς της ασφάλειας, τηςανθεκτικότητας, της λειτουργικότητας, της αισθητικής και προπάντων τηςοικονομικότητας. Συγκεκριμένα, η αξιοποίηση του προτεινόμενου αντισεισμικούακροβάθρου τόσο σε μονολιθικά όσο και σε πλωτά επί εφεδράνων συστήματαγεφυρών έδειξε ότι οδηγεί σε σημαντική μείωση των διαμήκων και εγκαρσίωνμετακινήσεων του φορέα. Οι προαναφερθείσες μειώσεις των σεισμικώνμετακινήσεων οδηγούν σε αντίστοιχη μείωση των εντατικών μεγεθών τωνμεσοβάθρων, γεγονός που οδηγεί σε λεπτότερες και σε αισθητικώς πιο αποδεκτέςδιατομές των μεσοβάθρων. Τέλος, τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι ηαποσβεστική απόδοση του προτεινόμενου μηχανισμού είναι σημαντική.