Assessment of Sensitivity of an Arched Steel Bridge to Imposed Differential Displacements due to Soil Liquefaction

Καϋμενάκη, Βασιλική; Kaymenaki, Vasiliki

dc.contributor.author	Καϋμενάκη, Βασιλική	el
dc.contributor.author	Kaymenaki, Vasiliki	en
dc.date.accessioned	2015-02-09T11:29:21Z
dc.date.available	2015-02-09T11:29:21Z
dc.date.issued	2015-02-09
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/40268
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.5750
dc.rights	Default License
dc.subject	Arched steel bridge	en
dc.subject	Soil liquefaction	el
dc.subject	Shallow foundation	el
dc.subject	Τοξωτή μεταλλική γέφυρα	el
dc.subject	Ρευστοποιήσιμο έδαφος	el
dc.subject	Επιφανειακή θεμελίωση	el
dc.subject	Διαφορικές μετακινήσεις και στροφές	el
dc.subject	Differential displacements and rotations	en
dc.subject	Μη γραμμική ανάλυση	el
dc.subject	Nonlinear analysis	en
dc.title	Assessment of Sensitivity of an Arched Steel Bridge to Imposed Differential Displacements due to Soil Liquefaction	en
dc.title	Διερεύνηση ευπάθειας τοξωτής μεταλλικής γέφυρας σε διαφορικές μετακινήσεις λόγω ρευστοποίησης εδάφους	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ	el
heal.classification	GEOTECHNICAL ENGINEERING	en
heal.classification	Structural engineering	en
heal.classification	Δομοστατική	el
heal.classificationURI	http://localhost:8080/healp/data/8/9/1
heal.classificationURI	http://localhost:8080/healp/data/11/24/4
heal.classificationURI	http://skos.um.es/unesco6/330532
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2014-10-27
heal.abstract	Αντικείμενο της παρούσας εργασίας αποτελεί η διερεύνηση της απόκρισης μεταλλικής τοξωτής γέφυρας δύο ανοιγμάτων κατά την επιβολή μετακινήσεων και στροφών στη βάση του μεσοβάθρου λόγω ρευστοποίησης των υποκείμενων εδαφικών σχηματισμών. Εξετάζεται ένας νέος τρόπος θεμελίωσης γεφυρών που περιλαμβάνει τη χρήση επιφανειακής θεμελίωσης και την εκμετάλλευση του ρευστοποιήσιμου εδάφους ως συστήματος φυσικής σεισμικής μόνωσης, με αποτέλεσμα τη μείωση της έντασης που φτάνει στην ανωδομή και τη μείωση του κόστους θεμελίωσης συγκριτικά με τη μέθοδο βαθιάς θεμελίωσης με πασσάλους που χρησιμοποιείται μέχρι σήμερα. Ωστόσο, ένα από τα βασικότερα μειονεκτήματα της παραπάνω μεθόδου είναι οι αυξημένες μετακινήσεις και στροφές που αναπτύσσονται στη βάση των βάθρων. Με αφορμή το παραπάνω μειονέκτημα ορίζεται ο στόχος της εργασίας που είναι ο προσδιορισμός των ανεκτών μετακινήσεων και στροφών που μπορεί να παραλάβει η γέφυρα χωρίς να αστοχήσει. Η γέφυρα που μελετάται αποτελείται από δύο αμφιέρειστα ανοίγματα θεωρητικού μήκους 42.00m το καθένα, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με πλάκα συνέχειας. Το θεωρητικό πλάτος του καταστρώματος ισούται με 14.70m. Το κατάστρωμα της γέφυρας είναι σύμμικτο και το κάθε άνοιγμα αποτελείται από δύο κύριες δοκούς και δεκαεφτά διαδοκίδες. Κάθε κύρια δοκός αναρτάται από ένα τόξο με τη χρήση αναρτήρων ενώ τα δύο τόξα του κάθε ανοίγματος συνδέονται μεταξύ τους με εγκάρσια και διαγώνια μέλη δυσκαμψίας. Το ύψος των τόξων είναι ίσο με 10.00m. Οι δοκοί, οι διαδοκίδες, τα τόξα και οι σύνδεσμοι δυσκαμψίας έχουν κατασκευαστεί από δομικό χάλυβα. Το μεσόβαθρο αποτελείται από τη δοκό έδρασης και τρεις στύλους κυκλικής συμπαγούς διατομής από οπλισμένο σκυρόδεμα και έχει ύψος 10m συμπεριλαμβανομένης της δοκού έδρασης. Τα ακρόβαθρα θεωρούνται πολύ δύσκαμπτα σε σχέση με τη γέφυρα και γι’ αυτό λαμβάνονται υπόψη ως ακλόνητα. Στην παρούσα εργασία μορφώνεται το αριθμητικό προσομοίωμα με τη χρήση του λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων ADINA 8.5.0 και εκτελούνται μη γραμμικές αναλύσεις έχοντας λάβει υπόψη τη μη γραμμική συμπεριφορά γεωμετρίας και υλικού. Η μη γραμμική συμπεριφορά των στύλων του μεσοβάθρου από οπλισμένο σκυρόδεμα έχει προσομοιωθεί με τη χρήση διαγραμμάτων ροπών – καμπυλοτήτων. Στη γέφυρα ασκούνται τρεις βασικές φορτίσεις συμπεριλαμβανομένων του ίδιου βάρους της κατασκευής, των πρόσθετων μόνιμων φορτίων του καταστρώματος και των επιβαλλόμενων μετακινήσεων ή στροφών. Μελετάται η απόκριση της γέφυρας σε τρεις φάσεις, δηλαδή στο τέλος της επιβολής της κάθε φόρτισης, ενώ η κάθε φόρτιση προστίθεται στην προηγούμενη. Ταυτόχρονα, μετά την επιβολή του συνόλου των κατακόρυφων φορτίων συγκρίνεται η απόκριση της γέφυρας με διαφορετικό λογισμικό και επιβεβαιώνεται η σωστή προσομοίωσή της. Παρακολουθείται η συμπεριφορά των στύλων του μεσοβάθρου, των μεταλλικών στοιχείων της ανωδομής και των εφεδράνων κατά τη διάρκεια επιβολής των φορτίσεων. Ωστόσο, δεν διερευνάται η συμπεριφορά των στοιχείων της γέφυρας που θεωρούνται εύκολα επισκευάσιμα ή αντικαταστάσιμα, χωρίς να προσδίδουν ιδιαίτερη δυσκαμψία στο μεταλλικό φορέα της ανωδομής και στο μεσόβαθρο, όπως η πλάκα συνέχειας και οι αρμοί. Αυτά τα στοιχεία είναι πολύ πιθανό να εμφανίσουν αστοχία σε χαμηλές τιμές επιβαλλόμενων μετακινήσεων και στροφών, ωστόσο δεν επιφέρουν κατάρρευση της γέφυρας. Παράλληλα, δεν μελετάται η απόκριση της δοκού έδρασης καθώς είναι αρκετά δύσκαμπτη και δεν επηρεάζεται σημαντικά από τις επιβαλλόμενες μετακινήσεις και στροφές. Μετά το τέλος της επιβολής των μετακινήσεων και στροφών, προσδιορίζονται τα δομικά στοιχεία που οδηγούνται πρώτα στην αστοχία και καθορίζεται η μέγιστη τιμή των μετακινήσεων και στροφών που μπορεί να παραλάβει η γέφυρα. Ταυτόχρονα, καθορίζονται δείκτες βλάβης για κάθε στοιχείο που μελετάται. Κρισιμότερη θεωρείται η διαμήκης μετακίνηση καθώς λαμβάνει και τη μικρότερη τιμή, περίπου ίση με 0.5m. Οι τιμές της εγκάρσιας μετακίνησης και καθίζησης που μπορεί να παραλάβει η γέφυρα είναι αρκετά μεγάλες, περίπου ίσες με 2.5m, δηλαδή 5 φορές μεγαλύτερες από την τιμή της διαμήκους μετακίνησης. Οι στροφές κατά τη διαμήκη και την εγκάρσια έννοια που μπορεί να ανεχθεί η γέφυρα λαμβάνουν τις τιμές 0.025rad και 0.034rad, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η γέφυρα μπορεί να παραλάβει μεγάλες μετακινήσεις και στροφές χωρίς να οδηγείται σε καταστροφική αστοχία. Τα όρια των μετακινήσεων και στροφών αξιολογούνται ως επαρκώς μεγάλα σε σύγκριση με τις πιθανές εδαφικές μετακινήσεις και στροφές για συνήθη τεχνικά έργα και εξίσου μεγάλα σε σχέση με τις αναμενόμενες τιμές μετακινήσεων και στροφών λόγω ρευστοποίησης με εξαίρεση τη διαμήκη μετακίνηση που είναι και η πιο κρίσιμη. Η διπλωματική αυτή διεξάγεται στα πλαίσια ερευνητικού προγράμματος “ΘΑΛΗΣ” με τίτλο «Πρωτότυπος σχεδιασμός βάθρων γεφυρών σε ρευστοποιήσιμο έδαφος με χρήση φυσικής σεισμικής μόνωσης» και με επιστημονικό υπεύθυνο τον καθηγητή Γ. Δ. Μπουκοβάλα. Μέρος της διπλωματικής εργασίας παρουσιάστηκε στο 8ο Συνέδριο Μεταλλικών Κατασκευών που διεξήχθη στην Τρίπολη στις 2-4 Οκτωβρίου 2014, με τίτλο “Αποτίμηση της ευαισθησίας μεταλλικής τοξωτής γέφυρας σε επιβαλλόμενες οριζόντιες εδαφικές μετακινήσεις” και με συγγραφείς τους Β. Καϋμενάκη, Ι. Βασιλοπούλου, Χ. Ι. Γαντέ και Γ. Δ. Μπουκοβάλα.	el
heal.abstract	The present diploma thesis deals with the assessment of the response of an arched steel bridge to imposed differential displacements and rotations due to soil liquefaction. A new design foundation method is investigated, including the use of shallow foundation and the exploitation of liquefied soil layer as natural seismic isolation. The advantages of the above method include the reduction of seismic forces acting on the superstructure and the significant decrease of the foundation cost, due to the elimination of the piles, which is of the most common solution in such cases. Nevertheless, the most important disadvantage of this innovative foundation method is the large displacements and rotations that are expected to develop at the bottom of the pier. The aim of the diploma thesis is to define the acceptable limits of displacements and rotations so that no collapse of the bridge occurs. The bridge consists of two simply supported spans with theoretical length equal to 42.00m, each. The connection between the two spans is realized by a continuous reinforced concrete slab. The theoretical width of the deck is equal to 14.70m. The composite deck consists of two main and seventeen transverse beams for each span. Each main beam is suspended by one arch with the use of tie rods. The two arches of each span are interconnected with horizontal and diagonal bracing members. The height of the arches is equal to 10.00m. The main and transverse beams, the arches and the bracing members are made of structural steel. The pier consists of three circular reinforced concrete columns, which are connected at the top with a concrete beam. The abutments are considered as rigid due to their significant stiffness. Nonlinear analyses are performed, taking into account the geometric and material nonlinearity. The nonlinear behavior of the concrete columns of the pier has been simulated by means of moment – curvature diagrams. Three load cases are considered including the self weight, the superimposed and the imposed displacements or rotations. The response of the bridge is estimated during three different periods, more specifically at the end of each load case. The accuracy of the model is verified by comparing the response of the bridge due to vertical loads, with the one of linear analyses conducted with SOFiSTiK. In the present diploma thesis, the response of the pier columns, the steel elements and the elastomeric bearings is investigated. Nevertheless, the response of structural elements, which are considered easily repairable or replaceable, such as the continuous slab and the expansion joints, is not considered, as they do not add significant stiffness to the steel superstructure of the bridge and the pier. It is possible for the aforementioned elements to reach failure at low values of the imposed displacements and rotations, but they cannot cause collapse of the bridge. After imposing the displacements and rotations at the bottom of the pier, the first group of structural elements that reaches failure is defined and the tolerable limits of displacements and rotations are specified. Also, damage indices are defined for each group. The longitudinal displacement is the most hazardous as it takes the lower permissible value (almost 0.5m). The maximum transverse displacement and vertical settlement that the bridge can sustain are quite large, approximately equal to 2.5m, almost five times larger than the value of longitudinal displacement. The acceptable longitudinal and transverse rotations, at the bottom of the pier, are equal to 0.025rad and 0.034rad, respectively. The analyses showed that the bridge can sustain large displacements and rotations, satisfying the acceptable safety levels. The limits of displacements and rotations are deemed as sufficiently large in comparison to anticipated soil displacements and rotations occurring in bridges, even in liquefied soil, except of the longitudinal displacement which is the most critical. The present diploma thesis is part of the research program “THALIS” entitled “Innovative Design of Bridge Piers on Liquefiable Soils with the use of Natural Seismic Isolation” with principal investigator Professor G. D. Bouckovalas. A part of this diploma thesis has already been presented at the 8th Greek National Steel Structures Conference, in Tripoli, Greece, on 2-4 October 2014, with title “Assessment of Sensitivity of an Arched Steel Bridge to Imposed Horizontal Soil Displacements”. The authors of the above paper are V. Kaymenaki, I. Vassilopoulou, C. J. Gantes and G. D. Bouckovalas.	en
heal.advisorName	Γαντές, Χάρης	el
heal.advisorName	Gantes, Charis	en
heal.committeeMemberName	Μπουκοβάλας, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Ψυχάρης, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Γαντές, Χάρης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο.Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Δομοστατικής. Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών.	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	188 σ.
heal.fullTextAvailability	true