Seismic soil structure interaction of navigation locks

Abstract

The subject of this work is the investigation of the seismic behaviour of concrete hydraulic structures considering the soil-structure and fluid-structure interaction with an emphasis on navigation locks. The scope of this thesis is to validate via finite element analyses and extend further the existing theories referring to the dynamic soil and water pressures and to give further useful information about the proper design of embedded structures with respect to earthquake safety. The first chapter describes the problem statement, introduces the field of investigation to the reader and sets the aims of this work. The second and third chapters consist of the literature research on this subject; they gather information about the dynamic behaviour of concrete hydraulic structures, emphasizing the a. hydrodynamic pressures on structures b. dynamic soil pressures on structures c. dynamic behaviour of structures with soil-structure interaction. The fourth and fifth chapters describe the finite element models used for the afore-mentioned investigation. Here, modelling concepts and assumptions are discussed and parametric studies are conducted. These chapters aim to validate the correctness of the theoretical background and to extend it for cases where an analytical solution is difficult to be conducted. The fourth chapter deals with the hydrodynamic pressures of soil-water-structure systems and the fifth chapter with dynamic soil pressures of soil-structure systems. The sixth chapter differs from the concept of the two former chapters and investigates another topic of numerical analysis for soil structure interaction, i.e. the appropriate boundaries of the numerical model. For embedded structures or for general soil-structure interaction problems, where the numerical model has to include the soil, the boundaries given at the model can influence the wave propagation dramatically and thus an incorrect acceleration time history is applied at the structure. This chapter compares the responses of models using the most common boundaries with the predicted response of 1-dimensional wave propagation. The seventh chapter presents two case studies of a seismic analysis of two navigation locks. The first navigation lock has gravity chamber walls and the second one has a U-frame section. This chapter aims to validate the applicability of the findings of the third and fourth chapters. The eighth and last chapter summarizes the conclusions drawn by this numerical investigation and indicates some subjects for further investigation.

Αντικείμενο αυτής της εργασίας είναι η διερεύνηση της σεισμικής συμπεριφοράς υδραυλικών κατασκευών σκυροδέματος λαμβάνοντας υπόψη την αλληλεπίδραση εδάφους-κατασκευής και ρευστού-κατασκευής με έμφαση στις κλεισιάδες πλοήγησης. Το αντικείμενο αυτής της διατριβής είναι να επαληθεύσει μέσω αναλύσεων πεπερασμένων στοιχείων και να επεκτείνει περαιτέρω τις υπάρχουσες θεωρίες που αναφέρονται στις δυναμικές πιέσεις εδάφους και ρευστού και να δώσει περαιτέρω χρήσιμες πληροφορίες για τον σωστό σχεδιασμό ενσωματωμένων στο έδαφος κατασκευών σε σχέση με την αντισεισμική ασφάλεια. Το πρώτο κεφάλαιο περιγράφει το προς επίλυση πρόβλημα, εισάγει το πεδίο της έρευνας στον αναγνώστη και θέτει τους στόχους αυτής της εργασίας. Το δεύτερο και το τρίτο κεφάλαιο αποτελούν τη βιβλιογραφική έρευνα για αυτό το θέμα. Στα κεφάλαια αυτά συλλέγονται πληροφορίες σχετικά με τη δυναμική συμπεριφορά των υδραυλικών κατασκευών από σκυρόδεμα, επικεντρώνοντας: 1. Στις υδροδυναμικές πιέσεις σε κατασκευές 2. Στις δυναμικές πιέσεις εδάφους στις κατασκευές 3. Στη δυναμική συμπεριφορά κατασκευών με αλληλεπίδραση εδάφους-κατασκευής. Το τέταρτο και το πέμπτο κεφάλαιο περιγράφουν τα μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν για την αναφερόμενη έρευνα. Εδώ, συζητούνται οι έννοιες και οι υποθέσεις μοντελοποίησης και γίνονται παραμετρικές μελέτες. Αυτά τα κεφάλαια στοχεύουν στην επαλήθευση της ορθότητας του θεωρητικού υποβάθρου και στην επέκταση του για περιπτώσεις όπου μια αναλυτική λύση είναι δύσκολο να βρεθεί. Το τέταρτο κεφάλαιο πραγματεύεται την υδροδυναμικές πίέσεις συστημάτων εδάφους-νερού-κατασκευής και το πέμπτο κεφάλαιο με δυναμικές πιέσεις εδάφους συστημάτων εδαφους-κατασκευής. Το έκτο κεφάλαιο διαφέρει από τα δύο προηγούμενα κεφάλαια και διερευνά ένα άλλο θέμα της αριθμητικής ανάλυσης για την αλληλεπίδραση εδάφους-κατασκευής, αυτό των συνοριακών συνθηκών του αριθμητικού μοντέλου. Για ενσωματωμένες στο έδαφος κατασκευές ή για γενικά προβλήματα αλληλεπίδρασης εδάφους-κατασκευής, όπου το αριθμητικό μοντέλο πρέπει να περιλαμβάνει το έδαφος, οι συνοριακές συνθήκες, που δίνονται στο μοντέλο μπορούν να επηρεάσουν δραματικά τη διάδοση των (σεισμικών) κυμάτων και επομένως εφαρμόζεται εσφαλμένη χονοϊστορία επιτάχυνσης στην κατασκευή. Αυτό το κεφάλαιο συγκρίνει τις αποκρίσεις των μοντέλων χρησιμοποιώντας τις πιο κοινές συνοριακές συνθήκες μετην προβλεπόμενη απόκριση της μονοδιάστατης διάδοσης κύματος.Το έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζει δύο παραδείγματα σεισμικής ανάλυσης κλεισιάδων πλοήγησης. Η πρώτη κλεισιάδα πλοήγησης έχει ως τοιχώματα του θαλάμου τοίχους αντιστήριξης βαρύτητας και η δεύτερη έχει θάλαμο σε διατομή πλαισίου σχήματος U. Αυτό το κεφάλαιο στοχεύει στην επικύρωση των ευρημάτων του τρίτου και τέταρτου κεφαλαίου. Το όγδοο και τελευταίο κεφάλαιο συνοψίζει τα συμπεράσματα που εξάγονται από αυτήν την αριθμητική έρευνα και υποδεικνύει ορισμένα θέματα για περαιτέρω διερεύνηση.

Das Thema dieser Arbeit ist die Untersuchung des seismischen Verhaltens von massiven Wasserbauwerken mit Berücksichtigung der Boden-Bauwerk- und Flüssigkeits-Bauwerk-Wechselwirkung mit dem Schwerpunkt Schiffsschleusen. Das Ziel der Arbeit ist die Validierung der vorhandenen Theorien und ihrer Weiterentwicklung mittels Finite-Elemente-Analysen. Die Ergebnisse geben nützliche Informationen über die Bemessung von eingebetteten Bauwerken im Hinblick auf die Sicherheit gegen Erdbebeneinwirkungen. Das erste Kapitel beschreibt die Problematik, führt den Leser ins Untersuchungs-feld ein und setzt die Ziele dieser Arbeit. Das zweite und das dritte Kapitel erfasst die Literaturrecherche dieser Thematik; es erfasst Informationen über das dynamische Verhalten von massiven Wasserbauwerken mit folgenden Schwerpunkten: a. hydrodynamische Drücke auf Bauwerken b. dynamische Erddrücke auf Bauwerken c. dynamisches Verhalten von Bauwerken mit Boden-Bauwerk-Wechselwirkung Das vierte und fünfte Kapitel beschreiben die Finite-Elemente-Modelle der Untersuchung. Hier werden Modellierungstechniken und Annahmen diskutiert und parametrische Studien durchgeführt. Beide Kapitel zielen auf die Validie-rung der Richtigkeit des theoretischen Unterbaus und seiner Erweiterung für Fälle, in denen die Ableitung einer analytischen Lösung schwierig ist. Das vierte Kapitel behandelt die hydrodynamischen Drücke von Boden-Flüssigkeit- Bauwerk-Systemen und das fünfte Kapitel die dynamischen Erddrücke von Boden-Bauwerk-Systemen. Das sechste Kapitel weicht von dem Konzept der vorherigen zwei Kapitel ab und untersucht eine andere Problematik der numerischen Analyse von Boden-Bauwerk-Wechselwirkung: die Problematik der geeigneten Randbedingungen des numerischen Modells. Für eingebettete Baukonstruktionen oder allgemein für Probleme der Boden-Bauwerk-Wechselwirkung, bei denen der Boden mitmodelliert werden muss, können die eingegebenen Randbedingungen das Verhalten der Wellenausbreitung sehr stark beeinflussen, sodass eine falsche odenbeschleunigung am Bauwerk angebracht wird. Das Kapitel vergleicht die Antworten der verschiedenen Modelle mit den am häufigsten angewendeten Randbedingungen mit der erwarteten Antwort der eindimensionalen Wellenaus-breitung. Das siebte Kapitel präsentiert zwei Fallstudien einer seismischen Analyse von zwei Schiffsschleusen. Die erste Schiffschleuse hat Schwergewichtsmauern als Kammerwände und die zweite einen U-förmigen monolithischen Kammerquerschnitt. Dieses Kapitel untersucht die Anwendbarkeit der Befunde des dritten und vierten Kapitels. Das achte und letzte Kapitel erfasst die Ergebnisse der Untersuchung und be-schreibt mögliche noch zu untersuchende Gebiete.