Ανάλυση και σχεδιασμός συστημάτων θεμελιώσεων−ανωδομής έναντι μεγάλων εδαφικών μετακινήσεων

Abstract

Large caissons are often employed as foundations for long bridges spanning over land or water. Owing to their massive dimensions, they constitute the technically feasible solution when the foundation soil has inadequate bearing capacity to support the superstructure on a shallow or piled foundation. Though primarily used to transfer vertical loads (N) safely into soft ground, caissons are also subjected to significant horizontal (Q) and overturning moment (M) loads imposed from severe environmental or seismic events. The response under combined loading involves complex three-dimensional stress distribution along the caisson shaft and at the circumference. Strikingly, however, although notable work has been published regarding the combined capacity of shallow and skirted foundations, with embedment ratios (embedment depth, D, to foundation width, B) D / B ≤ 1, solutions for deeply embedded foundations (D / B ≥ 1) are missing from the literature. It is in this respect that the present Dissertation aspires to shed light on the inelastic static and seismic response of deeply embedded foundations. More specifically:1.By means of an extensive parametric investigation with finite elements in 3D, a generalized failure criterion is developed and proposed, accounting for material (soil) and caisson-soil interface nonlinearities. The failure criterion is validated for various soil and interface conditions, and it is given in terms of, currently the State-of-the-Art in foundation design, three-dimensional N-Q-M failure envelopes.2.Motivated by some rather interesting aspects that were revealed from the response of deeply embedded foundations under combined loading, and in particular regarding the “overstrength” that the foundation was shown to exhibit under certain loading combinations (a response that cannot be captured by the conventionally employed analysis methodologies, in which the foundation is substituted with a set of linear, or even nonlinear, usually uncoupled, springs attached at the base of the superstructure), it is shown that accounting for nonlinear foundation stiffness when soil–foundation–structure interaction (SFSI) effects are significant is essential for reproducing the accurate response. By means of a numerical study of caisson foundations supporting bridge pier-deck systems (of varying pier-to-deck joint stiffness) subjected to lateral loading, the importance of incorporating nonlinear SFSI effects into the geotechnical assessment of foundations is stressed, and a seismic design methodology for caisson foundations is developed.3.Finally, by means of powerful numerical techniques (Spectral Matching, and Incremental Dynamic Analysis), the seismic nonlinear inelastic response of caisson foundations was extensively examined, with due consideration to soil and interface nonlinearities. The analysis involved the comparison, in Performance Based Design terms, of the response of seismically under-designed and seismically over-designed caissons supporting bridge piers. The results highlighted the efficacy of “rocking isolation” that dominates the response of the seismically under-designed caissons with a high static safety factor.

Αντικείμενο της Διατριβής αποτελεί η διερεύνηση της απόκρισης φρεάτων θεμελιώσεων βαθμών εγκιβωτισμού D/B ≥ 1 (όπου D το βάθος εγκιβωτισμού, και B το πλάτος του θεμελίου), υποβαλλομένων σε στατικώς και σεισμικώς ισχυρές φορτίσεις. Η διερεύνηση πραγματοποιείται με χρήση σοφιστευμένων αριθμητικών μεθόδων (Πεπερασμένων Στοιχείων), ενώ ιδιαίτερη έμφαση δίδεται στην μή-γραμμική ανελαστική συμπεριφορά στο επίπεδο της θεμελίωσης. Τα αποτελέσματα της έρευνας συνοψίζονται ως εξής: 1.Αναπτύχθηκε γενικευμένο κριτήριο αστοχίας, και αποτυπώθηκαν όλοι οι συνδυασμοί αξονικής (Ν)-τέμνουσας (Q)- ροπής (M), που οδηγούν στην αστοχία του θεμελίου, σε μία καμπύλη φέρουσας αντοχής (περιβάλλουσα αστοχίας), η οποία ισχύει ανεξαρτήτως εδαφικών συνθηκών (είτε συνεκτικό είτε μή-συνεκτικό έδαφος) και είδους διεπιφάνειας (θεώρηση πλήρους επαφής ή μή-γραμμική). Επιπροσθέτως, χαρτογραφήθηκαν επί της καμπύλης όλοι οι δυνατοί κινηματικοί μηχανισμοί που διέπουν την αστοχία των φρεάτων, ενώ επετεύχθη η μαθηματική διατύπωση της σύζευξης των μετακινησιακών βαθμών ελευθερίας στην κεφαλή του φρέατος.2.Αναπτύχθηκε καινοτόμος μεθοδολογία σεισμικού σχεδιασμού φρεάτων θεμελιώσεως γεφυρών, όπου λαμβάνεται υπόψιν η μή-γραμμική συμπεριφορά της θεμελίωσης (έδαφος και διεπιφάνειες) και της ανωδομής. Για τον σκοπό αυτό εξετάστηκαν συστήματα πυλώνα-καταστρώματος θεμελιωμένων επί φρεάτων, υποβαλλομένων σε οριζόντια φόρτιση (Q) στο επίπεδο του καταστρώματος. Η έμφαση δόθηκε στην απόκριση της θεμελίωσης με διερεύνηση της επιρροής των συνθηκών ζεύξης πυλώνα-καταστρώματος. Παρατηρήθηκε ότι λόγω των κινηματικών περιορισμών που επιβάλλει ο φορέας της γέφυρας στην κίνηση του φρέατος, η φόρτιση (σε όρους M-Q) επί της θεμελιώσεως ακολουθεί μια μή-γραμμική όδευση, η οποία χαρακτηρίζεται από την ανάπτυξη συγκεκριμένης “υπεραντοχής” σε φέρουσα ικανότητα (περίπου διπλάσιας από αυτήν σε καθαρή τέμνουσα δύναμη). Επιπλέον, δείχνεται ότι η εν-λόγω όδευση χαρακτηρίζεται από ιδιότητες αναλλοίωτες ως προς τη γεωμετρία και την δυσκαμψία του συστήματος εδάφους-θεμελίωσης-ανωδομής, οι οποίες επιτρέπουν την μαθηματική περιγραφή της. Βάσει των αποτελεσμάτων της έρευνας, προτείνονται κατευθυντήριες οδηγίες για τον σεισμικό σχεδιασμό των φρεάτων.3.Επιβεβαιώθηκε μέσω εμπεριστατωμένης πιθανοτικής διερεύνησης της σεισμικής μή-γραμμικής ανελαστικής απόκρισης εδάφους─φρέατος─ανωδομής, η αξία της “μόνωσης μέσω λικνισμού” του φρέατος. Πιο συγκεκριμένα, η έρευνα επικεντρώθηκε στην σύγκριση, σε όρους σταθμών επιτελεστικότητας, της απόκρισης "βαρέως" και "ελαφρώς" φορτιζομένων (κατακορύφως) φρεάτων, σεισμικώς υπέρ- και υπό-διαστασιολογημένων, βάσει του σεισμικού συντελεστή ασφαλείας. Δύο εμπεριστατωμένες μέθοδοι εφαρμόστηκαν γι’ αυτόν τον σκοπό: (α) η μέθοδος της Στοχευμένης Φασματικής Απόκρισης (spectral matching), και (β) η Ανάλυση Δυναμικής Αντίστασης (Incremental Dynamic Analysis). Τα αποτελέσματα των δυναμικών αναλύσεων έδειξαν ότι η ανάπτυξη γεωμετρικών μή-γραμμικοτήτων στο επίπεδο της θεμελίωσης (αποκόλληση, ολίσθηση, ανασήκωμα βάσης), η οποία κυριαρχεί στην απόκριση των ελαφρώς φορτιζομένων σεισμικώς υπό-διαστασιολογημένων φρεάτων, παρέχουν ένα άνω όριο στις μεταβιβαζόμενες σεισμικές δράσεις στην ανωδομή ενώ οι αναπτυσσόμενες μετακινήσεις βρίσκονται εντός “ανεκτών” ορίων, και, ως εκ τούτου, το υπόδειγμα αυτό δύναται να υιοθετηθεί ως μία οικονομικώς συμφέρουσα τεχνική λύση η οποία ταυτόχρονα δρα εν είδει σεισμικής μόνωσης.