Η επίδραση της παρουσίας σήραγγας στη σεισμική απόκριση υπερκείμενων κατασκευών

Abstract

Η σεισμική απόκριση των κατασκευών που υπέρκεινται σε εδαφικές διαστρωματώσεις έχει μελετηθεί εκτενώς. Επίσης, πολυάριθμες μελέτες μπορούν να βρεθούν στη βιβλιογραφία σχετικά με τις παραμορφώσεις που επιβάλλονται στις κατασκευές κατά τη διάρκεια της εκσκαφής των σηράγγων στις προάστιες περιοχές. Εντούτοις, ο αντίκτυπος της παρουσίας μιας σήραγγας στη σεισμική απόκριση των υπερκείμενων κατασκευών έχει επιστήσει πολύ περιορισμένη προσοχή. Ο στόχος αυτής της μελέτης είναι να εξεταστεί η ιδιαίτερη επιρροή που έχει η παρουσία μιας σήραγγας στην επιφανειακή επιτάχυνση, καθώς επίσης και να επισημανθούν τα όρια των παραμέτρων, όπως το βάθος σηράγγων και η οριζόντια απόσταση μιας κατασκευής από τον άξονα της σήραγγας, πέρα από τα οποία η διαφορά στην επιφανειακή εδαφική επιτάχυνση δεν μπορεί να παραμεληθεί. #ιορθωμένα επιταχυνσιογραφήματα των σεισμών στην Αθήνα (Ελλάδα), Κόμπε (Ιαπωνία) και Ντότσε (Τουρκία) χρησιμοποιούνται σε αυτήν την έρευνα. Τα γεωτεχνικά στοιχεία έχουν προέλθει από τις γεωτρήσεις που πραγματοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια της κατασκευής του μετρό στην Αθήνα. Για το σεισμό της Αθήνας τρείς προσεγγίσεις εφαρμόστηκαν. Στην πρώτη προσέγγιση η εδαφική διαστρωμάτωση με τη σήραγγα μοντελοποιήθηκαν ως ένα ελαστικό σύστημα με το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων που ονομάζεται Plaxis. Στη δεύτερη προσέγγιση το μέρος της εδαφικής διαστρωμάτωσης πάνω από το στρώμα του βράχου και μέχρι μια απόσταση 2.5 m κάτω από το χαμηλότερο σημείο της σήραγγας μοντελοποιήθηκε με λογισμικό ικανό να υπολογίζει μη ελαστική εδαφική συμπεριφορά, ενώ το ανώτερο μέρος συμπεριλαμβανομένης της σήραγγας διαμορφώθηκε ως ελαστικό σύστημα χρησιμοποιώντας το Plaxis. Στην τρίτη προσέγγιση το μέρος της εδαφικής διαστρωμάτωσης πάνω από το στρώμα του βράχου και μέχρι μια απόσταση 2.5 m πάνω από το υψηλότερο σημείο της σήραγγας μοντελοποιήθηκε με το λογισμικό Plaxis που είναι ικανό να υπολογίζει ελαστική εδαφική συμπεριφορά, ενώ το κατώτερο μέρος συμπεριλαμβανομένης της σήραγγας διαμορφώθηκε ως μη ελαστικό σύστημα χρησιμοποιώντας το Shake. Η δεύτερη και η τρίτη προσέγγιση θεωρούνται ως ρεαλιστικότερες , ειδικά για τις τελευταίες δύο σεισμικές περιπτώσεις διέγερσης. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης έδειξαν ότι η παρουσία των ρηχών σηράγγων τροποποιεί αρκετά την επιφανειακή εδαφική κίνηση μέσα σε μία περιοχή που εξαρτάται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά τους. Ακόμα κι αν αυτή είναι μια περιορισμένη μελέτη, τα αποτελέσματα σαφώς υποδεικνύουν ότι το φαινόμενο πρέπει να εξεταστεί όταν: ι) αξιολογείται η προσδοκώμενη σεισμική συμπεριφορά των υπερκείμενων κατασκευών, ΙΙ) λαμβάνονται αποφάσεις σχετικά με τη λήψη μέτρων για την ενίσχυση των κατασκευών που είναι ευάλωτες, ΙΙΙ) όταν προσδιορίζονται τα φάσματα σχεδιασμού των νέων κτιρίων που κατασκευάζονται κοντά σε τέτοιες σήραγγες και IV) λαμβάνονται αποφάσεις για την εκλογή τοποθεσίας μίας σήραγγας που κατασκευάζεται.

The seismic response of structures overlaying soil strata has been extensively studied. Also, numerous studies can be found in the literature regarding the deformations imposed on structures during the excavation of tunnels in suburban areas. However, the impact of the presence of a tunnel on the seismic response of overlaying structures has drawn very limited attention. The goal of this study is to examine the considerable influence that the existence of a tunnel has on ground acceleration, as well as to point out the limits of parameters, such as the tunnel depth and the horizontal distance of a structure from the axis of the tunnel, beyond which the difference in ground acceleration cannot be neglected. The corrected accelerograms of the Athens(Greece), Kobe(Japan) and Duzce (Turkey) earthquakes are used in this investigation. The geotechnical data has been drawn from the drillings that took place during the construction of the subway in Athens. For the Athens earthquake three approaches were applied. In the first approach the soil stratum with the tunnel were modeled as a linear system with the finite element software called Plaxis. In the second approach the part of the soil stratum over the bedrock and up to a distance of 2.5 m below the lower part of the tunnel were modeled with software capable to account for nonlinear soil behavior, while the upper part including the tunnel were modeled as a linear system using Plaxis. In the third approach the part of the soil stratum over the bedrock and up to a distance of 2.5 m above the higher part of the tunnel was modeled as a linear system using Plaxis, while the upper part was modeled with software capable to account for nonlinear soil behavior (shake). The second and the third approaches are considered as more realistic especially for the latter two seismic excitation cases. The results of this study showed that the presence of the shallow tunnels considerably modify the surface ground motion within a range that depends on their geometrical characteristics. Even though this is a limited study, the results clearly indicate that the phenomenon should be considered when : i) evaluating the anticipated seismic behavior of overlaying structures, ii) deciding on strengthening measures in order to protect structures with inferior strength, iii) specifying the design spectra of new buildings to be constructed in the vicinity of such tunnels and iv) making decisions regarding relocation of a tunnel to be constructed.