Καταστατική Προσομοίωση της Μονοτονικής και Ανακυκλικής Απόκρισης Κοκκωδών Εδαφών με Εφαρμογές στη Σεισμική Ρευστοποίηση

Λημναίου, Ταξιαρχούλα

dc.contributor.author	Λημναίου, Ταξιαρχούλα	el
dc.date.accessioned	2023-01-11T07:26:42Z
dc.date.available	2023-01-11T07:26:42Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56580
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.24278
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Καταστατική Προσομοίωση	el
dc.subject	Κοκκώδη Εδαφικά Υλικά	el
dc.subject	Ρευστοποίηση	el
dc.subject	Constitutive Modeling	en
dc.subject	Granular Soils	en
dc.subject	Μονοτονική Απόκριση	el
dc.subject	Ανακυκλική Απόκριση	el
dc.subject	Monotonic Response	en
dc.subject	Cyclic Response	el
dc.subject	Liquefaction	el
dc.title	Καταστατική Προσομοίωση της Μονοτονικής και Ανακυκλικής Απόκρισης Κοκκωδών Εδαφών με Εφαρμογές στη Σεισμική Ρευστοποίηση	el
dc.title	Constitutive Modeling of the Monotonic and Cyclic Response of Granular Soils with Applications in Seismic Liquefaction	en
dc.contributor.department	Τομέας Γεωτεχνικής	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Γεωτεχνική Μηχανική	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-07-20
heal.abstract	Η ακρίβεια των αριθμητικών αναλύσεων προβλημάτων συνοριακών τιμών που αφορούν σε έργα Γεωτεχνικού Μηχανικού βασίζονται σημαντικά στην αξιοπιστία και στη σωστή βαθμονόμηση του κατάλληλου καταστατικού προσομοιώματος, ανάλογα με το γεωυλικό και τον τύπο φόρτισης κάθε περίπτωσης. Για κοκκώδη εδάφη (όπως οι άμμοι και οι χάλικες) αποτελεί κοινή πρακτική η στοχευμένη χρήση διαφορετικών καταστατικών προσομοιωμάτων ή/και διαφορετικών βαθμονομήσεων του ίδιου προσομοιώματος, ανάλογα με τον εξεταζόμενο τύπο φόρτισης (π.χ. μονοτονική ή ανακυκλική, υπό στραγγιζόμενες ή αστράγγιστες συνθήκες, σύντομη και έντονη σεισμική διέγερση ή ήπια ανακυκλική φόρτιση πολλών κύκλων) ή/και ανάλογα με τις αρχικές συνθήκες (π.χ. σχετική πυκνότητα, επίπεδο τάσεων). Ειδικότερα, η προσομοίωση της ανακυκλικής φόρτισης κοκκωδών εδαφών, δεδομένης της πολυπλοκότητάς της, έχει προσελκύσει διαχρονικά μεγάλο ενδιαφέρον στη διεθνή βιβλιογραφία, με πληθώρα δημοσιεύσεων να αφορούν σε σχετικά καταστατικά προσομοιώματα. Ωστόσο, πολύ συχνά, οι σχετικές δημοσιεύσεις προσομοιωμάτων εμπεριέχουν επαρκείς συγκρίσεις με πειραματικά δεδομένα για την προσομοίωση της μονοτονικής συμπεριφοράς, ταυτόχρονα με συγκριτικά λίγες, προσεκτικά επιλεγμένες, ανακυκλικές δοκιμές με έμφαση στη ρευστοποίηση. Όμως, σε επίπεδο ανακυκλικής φόρτισης, μια τέτοια διακρίβωση αξιοπιστίας δεν μπορεί να θεωρείται επαρκής. Αντίθετα, για να θεωρηθεί επαρκής, θα πρέπει να καλύπτει ένα ευρύ φάσμα απόκρισης για όλες τις περιοχές παραμορφώσεων, ήτοι: α) μικρές παραμορφώσεις, όπου κυριαρχεί η οιονεί ελαστική απόκριση και έχει εξέχουσα σημασία η βαθμονόμηση με τις πραγματικές ελαστικές παραμέτρους (π.χ., από γεωφυσικές δοκιμές στο πεδίο), β) μεσαίες παραμορφώσεις, όπου η συμπεριφορά είναι μη-γραμμική υστερητική και παρατηρείται συσσώρευση παραμενουσών παραμορφώσεων με τον αριθμό των επιβαλλόμενων κύκλων φόρτισης, και γ) μεγάλες παραμορφώσεις, με έμφαση στις παραμορφώσεις που εκδηλώνονται κατά τη ρευστοποίηση, καθώς και στη συσσώρευση παραμορφώσεων μετά την εκδήλωση αυτής. Έτσι, παρόλο που στη βιβλιογραφία υπάρχει πληθώρα πολύ αξιόλογων εξειδικευμένων καταστατικών προσομοιωμάτων, υπάρχουν ελάχιστες δημοσιεύσεις που να παρουσιάζουν λεπτομερή διακρίβωση της αξιοπιστίας τους σε όλο το φάσμα ανακυκλικής απόκρισης, σύμφωνα με την ανωτέρω συλλογιστική. Παράλληλα, έχει παρατηρηθεί πως αρκετά από τα προσομοιώματα που επιδεικνύουν ακριβή συμπεριφορά κατά την ανακυκλική φόρτιση δεν είναι εξίσου ακριβή κατά τη μονοτονική φόρτιση, ή χρειάζονται αναβαθμονόμηση για τον σκοπό αυτό. Σύμφωνα με τα παραπάνω, αναδύεται η ανάγκη για ένα καταστατικό προσομοίωμα για κοκκώδη εδάφη, το οποίο θα είναι ικανό να προσομοιώνει τόσο τη μονοτονική συμπεριφορά (μέχρι την Κρίσιμη Κατάσταση), όσο και την ανακυκλική συμπεριφορά (για οποιοδήποτε επίπεδο παραμόρφωσης) με ενιαία και μοναδική βαθμονόμηση των παραμέτρων του ανά γεωυλικό, ανεξάρτητα από τη σχετική πυκνότητα και το επίπεδο τάσης, και κυρίως ανεξάρτητα από τον τύπο φόρτισης. Αυτός είναι και ο στόχος του προσομοιώματος που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της παρούσας Διατριβής. Συγκεκριμένα, καταστρώνεται ένα νέο ελαστο-πλαστικό προσομοίωμα το οποίο βασίζεται στη Θεωρία Κρίσιμης Κατάστασης, ανήκει στην οικογένεια των προσομοιωμάτων οριακής επιφάνειας SANISAND και δανείζεται στοιχεία τόσο από αυτά, όσο και από το προσομοίωμα NTUA-SAND (Andrianopoulos et al. 2010), μετά από κατάλληλες τροποποιήσεις. Βασικό χαρακτηριστικό του είναι η χρήση της τελευταίας αντιστροφής φόρτισης για τον ορισμό τόσο των ελαστικών όσο και των πλαστικών παραμορφώσεων. Η έμφαση δίνεται στον ορθό ορισμό του σημείου αντιστροφής φόρτισης ώστε να μην υπερακοντίζεται η σχέση τάσης-παραμόρφωσης. Χρησιμοποιεί μια συνάρτηση επίδρασης της δομής που ποσοτικοποιεί το πλαστικό μέτρο κράτυνσης με στόχο τον ορθό ρυθμό συσσώρευσης παραμενουσών παραμορφώσεων και μια συνάρτηση που ποσοτικοποιεί τον συντελεστή διαστολικότητας με στόχο την ορθή απόκριση μετά την αρχική ρευστοποίηση. Το προσομοίωμα έχει συνολικά 14 παραμέτρους, 12 από τις οποίες βαθμονομούνται πρώτα και αφορούν στη μονοτονική φόρτιση και στο τέλος βαθμονομούνται ακόμη 2 που αφορούν στην ανακυκλική φόρτιση. Από τις παραμέτρους αυτές, 9 βαθμονομούνται άμεσα επί τη βάση πειραματικών αποτελεσμάτων και μετά βαθμονομούνται οι υπόλοιπες 5 (3 για μονοτονική και 2 για ανακυκλική φόρτιση) μέσω επαναληπτικής διαδικασίας. Η κατάστρωση έγινε σε επίπεδο μοναδιαίου στοιχείου και παρουσιάζεται βαθμονόμηση για πέντε (5) άμμους της βιβλιογραφίας (Nevada, Toyoura, Ottawa, Μ31, Monterey), αλλά και δύο (2) χάλικες, που ως σύνολο καλύπτουν ένα εύρος τιμών μέσης διαμέτρου κόκκων D50 από 0.1 έως 9 mm. Έγιναν συγκρίσεις με πειραματικά δεδομένα με τεράστιο εύρος αρχικών συνθηκών και τύπων φόρτισης (συνολικό εύρος σχετικής πυκνότητας Dr = 2 – 90% και αρχικής μέσης ενεργού τάσης po = 33.33 – 2000 kPa). Όταν δεν υπάρχουν διαθέσιμα εξειδικευμένα πειραματικά αποτελέσματα για κάποιο γεωυλικό, χρησιμοποιούνται εμπειρικές σχέσεις από τη βιβλιογραφία. Μέσω της ενδελεχούς αυτής διερεύνησης καλύπτεται όλο το εύρος των ανακυκλικών παραμορφώσεων, όπως συζητήθηκε ανωτέρω, αλλά και η μονοτονική φόρτιση, με ενιαίο σετ παραμέτρων ανά κοκκώδες έδαφος, τουλάχιστον όσον αφορά στις άμμους. Από την άλλη, όσον αφορά στους χάλικες, η απενεργοποίηση της λειτουργίας των συναρτήσεων συσσώρευσης της δομής κατά τη μονοτονική φόρτιση (θέτοντας την παράμετρο Νο = 0) αποδεικνύεται επαρκής ώστε να μην απαιτείται περαιτέρω τροποποίηση της βαθμονόμησης. Η διερεύνηση αυτή αποτυπώνει ότι το προτεινόμενο καταστατικό προσομοίωμα για κοκκώδη εδάφη είναι, με βάση το σχεδιασμό του, ένα προσομοίωμα γενικής χρήσης, το οποίο παρέχει στο χρήστη τη δυνατότητα για μία ικανοποιητική προσομοίωση, χωρίς να απαιτείται αναβαθμονόμηση για το ίδιο γεωυλικό, ανεξάρτητα από το αν το εξεταζόμενο πρόβλημα είναι στατικό, δυναμικό ή ανακυκλικό. Προκειμένου να καταστεί δυνατή η χρήση του σε προβλήματα συνοριακών τιμών, το νέο προσομοίωμα ενσωματώνεται στους κώδικες πεπερασμένων διαφορών FLAC και FLAC3D για αναλύσεις σε 2 και 3 διαστάσεις, αντίστοιχα. Οι κώδικες αυτοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πλήρως-συζευγμένες μη-γραμμικές στατικές και δυναμικές αναλύσεις ρεαλιστικών προβλημάτων από το μελετητή μηχανικό. Αρχικά, οι εξισώσεις του προσομοιώματος προγραμματίζονται σε γλώσσα C++ και στη συνέχεια ενσωματώνονται στο λογισμικό ως υπό-ρουτίνα χρήστη (User-Defined-Model routine). Η ενσωμάτωση υλοποιείται με χρήση εμπρός-τασικής ολοκλήρωσης Euler με αυτόματο έλεγχο λάθους, η οποία έχει αποδειχθεί αξιόπιστη για προβλήματα δυναμικής φόρτισης εδαφών σε καθεστώς ρευστοποίησης. Στο τελευταίο στάδιο της διατριβής αξιολογείται εκτενώς η ικανότητα του βαθμονομημένου προσομοιώματος να προβλέψει την απόκριση του εδάφους σε επίπεδο προβλημάτων συνοριακών τιμών μεγάλης κλίμακας. Για τον σκοπό αυτό, λόγω της πολυπλοκότητάς τους, επιλέχθηκαν προβλήματα δυναμικής φόρτισης με εκδήλωση ρευστοποίησης. Για τη διακρίβωση του προσομοιώματος γίνεται χρήση αποτελεσμάτων πειραματικών δοκιμών φυγοκεντριστή της βιβλιογραφίας σε άμμο Nevada. Συνολικά, έγινε προσομοίωση εννιά (9) προβλημάτων που εντάσσονται σε τέσσερις (4) διαφορετικές κατηγορίες: (α) σεισμική απόκριση οριζόντιας ρευστοποιήσιμης εδαφικής στρώσης, (β) πλευρική εξάπλωση ελαφρώς κεκλιμένης ρευστοποιήσιμης εδαφικής στρώσης, (γ) σεισμική απόκριση συστήματος αβαθούς θεμελίου - ρευστοποιήσιμου εδάφους με διαφορετικές στρωματογραφίες και υπό διαφορετικές διεγέρσεις, (δ) σεισμική απόκριση ομάδας πασσάλων υπό πλευρική εξάπλωση ελαφρώς κεκλιμένης ρευστοποιήσιμης εδαφικής στρώσης. Τα προβλήματα (α), (β) και (γ) διερευνήθηκαν στο διδιάστατο χώρο (2Δ) με χρήση του λογισμικού FLAC, ενώ το (δ) στον τριδιάστατο χώρο (3Δ) με χρήση του FLAC3D. Καθώς το ρευστοποιήσιμο αμμώδες έδαφος είναι κοινό και στις εννιά (9) δοκιμές φυγοκεντριστή (άμμος Nevada διαφορετικών τιμών σχετικής πυκνότητας Dr = 40 – 85%), υιοθετήθηκε επιπλέον: (i) κοινή βαθμονόμηση του προσομοιώματος (βασισμένη σε εργαστηριακές δοκιμές σε επίπεδο μοναδιαίου στοιχείου) και (ii) κοινή αριθμητική μεθοδολογία ανάλυσης (σε όρους συντελεστή διαπερατότητας, αριθμητικής απόσβεσης κ.α.). Έτσι, αποτυπώνεται αμιγώς η ικανότητα του προσομοιώματος να προβλέπει αποτελεσματικά την απόκριση του ίδιου εδάφους, ανεξάρτητα από το εξεταζόμενο πρόβλημα, χωρίς η αποτύπωση αυτή να επηρεάζεται από την αριθμητική μεθοδολογία ανάλυσης. Η αξιολόγηση αυτή δείχνει ικανοποιητική προσομοίωση, χωρίς ανάγκη αναβαθμονόμησης για το ίδιο κοκκώδες έδαφος, ανεξάρτητα από το εξεταζόμενο πρόβλημα συνοριακών τιμών. Τέλος, εκτελέστηκαν παραμετρικές αναλύσεις κάποιων εξ αυτών των προβλημάτων συνοριακών τιμών με στόχο την αποτύπωση της ευαισθησίας των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης σε δύο (2) από τα πρωτότυπα χαρακτηριστικά του προσομοιώματος, ήτοι τη μεθοδολογία ορθού ορισμού του σημείου αντιστροφής φόρτισης (ώστε να μην «υπερακοντίζεται» η σχέση τάσης-παραμόρφωσης) και τη συνάρτηση που μεταβάλλει το συντελεστή διαστολικότητας με στόχο την ορθή απόκριση μετά την αρχική ρευστοποίηση. Οι αναλύσεις αυτές υπογραμμίζουν ότι τα εν λόγω καταστατικά χαρακτηριστικά είναι χρήσιμα, μα δεν μπορούν να θεωρηθούν κρίσιμα, τουλάχιστον για τα εξετασμένα προβλήματα συνοριακών τιμών.	el
heal.sponsor	Πρόγραμμα Υποτροφιών Ιδρύματος Ωνάση	el
heal.advisorName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας	el
heal.committeeMemberName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας	el
heal.committeeMemberName	Μιχαήλ, Καββαδάς	el
heal.committeeMemberName	Γεώργιος, Μπουκοβάλας	el
heal.committeeMemberName	Βασιλική, Γεωργιάννου	el
heal.committeeMemberName	Νικόλαος, Γερόλυμος	el
heal.committeeMemberName	Παναγιώτης, Ντακούλας	el
heal.committeeMemberName	Δημήτριος, Καραμήτρος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	false