Soil Structure Interaction of Seismic Isolated Bridges

Abstract

Η εργασία αφορά στην επίδραση της αλληλεπίδρασης εδάφους-κατασκευής (SSI) σε σεισμικά μονωμένες γέφυρες. Η γενική άποψη είναι ότι τα ευεργετικά αποτελέσματα της σεισμικής μόνωσης ενισχύονται λόγω της δυναμικής αλληλεπίδρασης μεταξύ εδάφους, θεμελίωσης και κατασκευής. Η λανθασμένη αυτή αντίληψη σχετίζεται με την πρόσθετη ελαστικότητα που σύμφωνα με το φάσμα σχεδιασμού προσδίδεται στην κατασκευή μέσω του φαινομένου της αλληλεπίδρασης. Στην πραγματικότητα, είναι πολύ πιθανό η σεισμική απόκριση του συνολικού συστήματος να μην ακολουθεί την ομαλή γραμμή του φάσματος, η οποία δείχνει απλά έναν μέσο όρο των αποκρίσεων. Η παραπάνω διαπίστωση ερευνάται με τη βοήθεια 2 μοντέλων σεισμικά μονωμένων γεφυρών και κατάλληλων μοντέλων των δυναμικών δυσκαμψιών του εδάφους που εξετάστηκε (η θεμελίωση έγινε μέσω πασσάλων τριβής). Συγκεκριμένα για την προσομοίωση των δυναμικών δυσκαμψιών χρησιμοποιήθηκαν ελατήρια, αποσβεστήρες και "gyromasses", τα οποία αντιστοιχούν σε στοιχεία που εχουν προταθεί πρόσφατα στη βιβλιογραφία. Κάθε στοιχείο "gyromass" παίζει το ρόλο μιας κανονικής μάζας, με το πλεονέκτημα οτι δεν προσθέτει αδρανειακές δυναμεις στις εξισώσεις ισορροπίας του συστήματος. Με κατάλληλους συνδυασμούς ελατηρίων, αποσβεστήρων και στοιχείων "gyromasses" μπορούν να προσομοιωθούν ακόμα και ιδιαίτερα ευαίσθητες στην συχνότητα διέγερσης δυναμικές δυσκαμψίες, πλεονεκτώντας έναντι των απλών μοντέλων Voigt που χρησιμοποιούνται συνήθως για απλές προσομοιώσεις. Χρησιμοποιήθηκαν 2 ομάδες σεισμικών διεγέρσεων, με 20 σεισμούς το καθένα; οι σεισμοί κοντινού πεδίου (near fault set) και οι σεισμοί μακρινού πεδίου (far field set). Η εργασία εξετάζει παράγοντες που καθορίζουν την αλληλεπίδραση εδάφους κατασκευής: τη γεωμετρία και τον αριθμό των πασσάλων θεμελίωσης, τα χαρακτηριστικά του εδάφους, την ελαστικότητα της κατασκευής, κ.α. Τα αποτελέσματα μελετώνται αρχικά σε όρους μετακινήσεων της μόνωσης και διατμητικής δύναμης των πυλώνων των γεφυρών. Στη συνέχεια εξετάζονται τα δυναμικά χαρακτηριστικά των συστημάτων σε συνδυασμό με το λεγόμενο "power spectra" επιλεγμένων σεισμικών διεγέρσεων, με σκοπό τον εντοπισμό των παραγόντων που καθορίζουν την απόκριση των κατασκευών και πιθανότατα την πρόβλεψη τους.

This thesis focuses on the impact of the Soil-Structure Interaction (SSI) on seismic isolated bridges. The general conception is that the beneficial effects of the structural isolation are amplified due to the dynamic interaction between the soil, the foundation and the structure. Such a misconception is related with the additional flexibility that the design spectrum contributes to the system when the SSI acts. In reality, the spectrum is only a smoothed average of the response spectra. Hence, the lengthening of the period may possibly not correspond to small seismic forces, as it is unlikely for the response at a real seismic event to follow closely the smooth line of the spectrum. The validity of this statement is examined with the help of stick models of 2 seismic isolated bridges and equivalent models of the frequency-dependent impedance functions of the soil and foundation (consists of a pile group). The latter models consist of frequency-independent springs and dashpots as well as "gyromasses", which are elements proposed recently in the literature. Each "gyromass" plays the role of an ordinary mass, with the advantage of not adding inertial forces into the system. Appropriate combinations of springs, dashpots, and "gyromasses" can match in the frequency domain even the most frequency-sensitive impedance functions providing an advantage over simple Voigt models (spring-dashpot in parallel) used frequently in SSI analyses. The models are suitable for use in time domain and are utilized in this study for the nonlinear time history analyses of the bridges, subjected to 2 sets of 20 motions; the near fault and the far field sets. The paper examines factors which influence the SSI effects on a structure: number and geometry of piles, spacing of piles, soil characteristics, flexibility of superstructure etc. The results are presented in terms of displacements and forces of the system and some general conclusions are drawn over the possible vulnerability of a soil-foundation-isolated superstructure system to the SSI effects. To this direction, the dynamic characteristics of the models experiencing the soil-structure interaction in combination with the power spectra of “dangerous” excitations reveal interesting aspects of the total system’s response. Further analysis would possibly predict the cases that the SSI demands detailed modeling due to its detrimental role.