Απόκριση άκαμπτων κατασκευών υπό πλευρική εξάπλωση λόγω ήπιας κλίσης ρευστοποιημένου εδάφους

Αλ Σοχήτα, Αλισάρ; Al Sochita, Alisar

dc.contributor.author	Αλ Σοχήτα, Αλισάρ
dc.contributor.author	Al Sochita, Alisar
dc.date.accessioned	2024-11-12T09:32:16Z
dc.date.available	2024-11-12T09:32:16Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/60414
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.28110
dc.rights	Default License
dc.subject	Ρευστοποίηση	el
dc.subject	Πλευρική εξάπλωση εδάφους	el
dc.subject	Άκαμπτες κατασκευές	el
dc.title	Απόκριση άκαμπτων κατασκευών υπό πλευρική εξάπλωση λόγω ήπιας κλίσης ρευστοποιημένου εδάφους	el
dc.title	Response of rigid structures under lateral spreading due to gently sloping liquefied soil	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Εδαφοδυναμική	el
heal.classification	Ρευστοποίηση	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-10-19
heal.abstract	Ρευστοποίηση εμφανίζεται όταν η πίεση πόρων σε κορεσμένα χαλαρά κοκκώδη εδάφη αυξάνεται κατά τη διάρκεια σεισμικής δόνησης, με αποτέλεσμα τον σχεδόν μηδενισμό της διατμητικής αντοχής του εδάφους. Αν το φαινόμενο εμφανιστεί σε ήπια επικλινή εδάφη προκαλείται πλευρική εξάπλωση αυτών, που είναι ιδιαίτερα δυσμενής για τις εκεί θεμελιωμένες κατασκευές. Παρόλο που υπάρχουν αρκετές μελέτες για την πλευρική εξάπλωση σε ελεύθερο πεδίο (χωρίς κατασκευή), η απόκριση κατασκευών σε ήπια κεκλιμένα εδάφη υπό αυτές τις συνθήκες δεν έχει μελετηθεί συστηματικά. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση της συμπεριφοράς επιφανειακά θεμελιωμένων, άκαμπτων κατασκευών που βρίσκονται σε ήπια επικλινή εδάφη ευάλωτα στη ρευστοποίηση, με έμφαση στις καθιζήσεις, τις οριζόντιες μετακινήσεις και τις στροφές αυτών στο τέλος της δόνησης. Η παρούσα εργασία αποτελεί παραμετρική διερεύνηση της απόκρισης επιφανειακά θεμελιωμένων κατασκευών σε ήπια κεκλιμένα ρευστοποιήσιμα εδάφη μέσω δυναμικών αναλύσεων, οι οποίες υλοποιήθηκαν με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών στο λογισμικό FLAC2D (Itasca 2005). Πραγματοποιήθηκαν συνολικά 54 δισδιάστατες αναλύσεις, όπου η συμπεριφορά της ρευστοποιήσιμης στρώσης προσομοιώθηκε με το NTUA-SAND, θεωρώντας ότι χαρακτηρίζεται από σχετική πυκνότητα Dr = 45%. Στο έδαφος επιβάλλεται οριζόντια αρμονική διέγερση βάσης με αριθμό σημαντικών κύκλων Ν = 10, περίοδο Τ = 0.35 s και μέγιστη επιτάχυνση αmax = 0.2g, η οποία ρευστοποιεί τη στρώση σε 1-2 κύκλους. Οι άκαμπτες κατασκευές προσομοιώθηκαν απλουστευτικά είτε ως φορτισμένα αβαρή θεμέλια, ή ως αφόρτιστα σώματα με κατάλληλό ειδικό βάρος που αποδίδει την επιθυμητή τιμή φορτίου. Στο πλαίσιο αυτής της διερεύνησης, εξετάστηκαν παράμετροι όπως η γωνία κλίσης του εδάφους (i = 0.3°, 2.0°, 3.4°), το πάχος της ρευστοποιήσιμης στρώσης (HL = 5, 10 m), το εύρος της κατασκευής (B = 5, 20 m), το φορτίο της κατασκευής (q = 50, 100, 200 kPa) και το ύψος της κατασκευής (L = 1, 5, 10 m). Η μελέτη επικεντρώθηκε σε δύο κανονικοποιημένους λόγους απόκρισης: τον λόγο καθιζήσεων z/z0 (όπου z η μέση καθίζηση της κατασκευής εδραζόμενης σε έδαφος ήπιας κλίσης και z0 η ομοιόμορφη καθίζηση της ίδιας κατασκευής υπό την ίδια διέγερση αν το ίδιο έδαφος ήταν οριζόντιο) και τον λόγο οριζόντιων μετατοπίσεων x/xff (όπου x η οριζόντια μετακίνηση της κατασκευής προς τα κατάντη και xff η αντίστοιχη οριζόντια μετακίνηση της στρώσης σε συνθήκες ελεύθερου πεδίου, μακριά από την κατασκευή, υπό την ίδια διέγερση). Η κανονικοποίηση των αποτελεσμάτων αποσκοπεί στην εξάλειψη της επίδρασης της διέγερσης βάσης, καθώς και στην χρήση εμπειρικών σχέσεων από τη βιβλιογραφία για τους παρονομαστές των λόγων (τα μεγέθη z0 και xff). Έτσι επιτυγχάνεται η γενίκευση των αποτελεσμάτων για οποιεσδήποτε κατασκευές και ρευστοποιήσιμες στρώσεις, πάντα υπό τους περιορισμούς της παρούσας εργασίας. Επιπλέον, διερευνήθηκε η στροφή θ της κατασκευής προς τα κατάντη της κεκλιμένης στρώσης, η οποία όμως δεν ήταν δυνατόν να κανονικοποιηθεί δεδομένου ότι οι κατασκευές δεν εμφανίζουν στροφή αν το έδαφος είναι οριζόντιο, ενώ δεν νοείται στροφή του ελεύθερου πεδίου. Από τις αναλύσεις προκύπτει ότι μια στενή κατασκευή θεμελιωμένη σε ήπια κεκλιμένη ρευστοποιήσιμη εδαφική στρώση εμφανίζει αυξημένη καθίζηση σε σύγκριση με το αν το έδαφος ήταν οριζόντιο (z/z0 > 1) και μειωμένη οριζόντια μετακίνηση σε σύγκριση με το ελεύθερο πεδίο (x/xff < 1), αναπτύσσοντας ταυτόχρονα στροφή προς τα κατάντη. Οι παρατηρήσεις αυτές σχετίζονται με τη δημιουργία ενός ασύμμετρου μηχανισμού αστοχίας στο επικλινές έδαφος θεμελίωσης, λόγω της συνένωσης του με τον μηχανισμό αστοχίας της πλευρικής εξάπλωσης που αναπτύσσεται στη βάση της ρευστοποιήσιμης στρώσης. Η ασυμμετρία αυτή δεν παρατηρείται αν το έδαφος είναι οριζόντιο, αφού δεν υπάρχει πλευρική εξάπλωση. Η αύξηση της γωνίας κλίσης i του εδάφους οδηγεί σε αύξηση της καθίζησης z, της οριζόντιας μετακίνησης x και της στροφής θ, ενώ η αύξηση του φορτίου q της κατασκευής αυξάνει την καθίζηση z και τη στροφή θ, αλλά όχι την οριζόντια μετακίνηση x. Επιπλέον, η αύξηση του εύρους της κατασκευής B μειώνει και τα τρία μεγέθη απόκρισης (z, x και θ), ενώ η αύξηση του ύψους L της κατασκευής επηρεάζει κυρίως τη στροφή θ μειωτικά. Τέλος, η αύξηση του πάχους της ρευστοποιήσιμης στρώσης ΗL αυξάνει και τα τρία μεγέθη απόκρισης (z, x και θ) της κατασκευής. Σύμφωνα με το σύνολο των αναλύσεων που πραγματοποιήθηκαν προκύπτει ότι ο λόγος καθιζήσεων z/z0 αυξάνεται με την αύξηση του φορτίου της κατασκευής q και της γωνίας κλίσης του εδάφους i, ενώ το ύψος της κατασκευής L δεν παρουσιάζει συστηματική επίδραση (αν το φορτίο q και το πλάτος Β μένουν σταθερά). Αντίθετα, η αύξηση του πλάτους της κατασκευής B (για το ίδιο ύψος L και φορτίο q) και του πάχους της ρευστοποιήσιμης στρώσης HL οδηγεί σε μείωση του λόγου καθιζήσεων z/z0, με τον λόγο να κυμαίνεται από 0.76 έως 1.43, και στο 54% των περιπτώσεων να υπερβαίνει το 1.0. Αντίστοιχα, ο λόγος οριζόντιων μετακινήσεων x/xff αυξάνεται με την αύξηση της γωνίας κλίσης του εδάφους i για τιμές i ≤ 2°, ενώ για μεγαλύτερες τιμές δεν παρατηρείται συστηματική επίδραση. Η αύξηση του ύψους της κατασκευής L και, σε μικρότερο βαθμό, η αύξηση του λόγου πλάτους κατασκευής προς πάχος ρευστοποιήσιμης στρώσης B/HL μειώνουν τον λόγο x/xff. Συνολικά, στις αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν, ο λόγος αυτός κυμαίνεται από 0.23 έως 1.41, με , με το 87% των περιπτώσεων να έχουν τιμές κάτω από 1,0. Η εργασία προτείνει ενδεικτικές σχέσεις εκτίμησης των ανωτέρω κανονικοποιημένων λόγων απόκρισης μετά από μη-γραμμική παλινδρόμηση των αποτελεσμάτων των αριθμητικών αναλύσεων που οδηγούν σε πολύ-παραμετρικές σχέσεις με με σχετικό σφάλμα ±7.6% και ±29.2% για τους λόγους z/z0 και x/xff, αντίστοιχα. Αναφορικά με τη γωνία στροφής θ προς τα κατάντη, προκύπτει ότι η αύξηση του φορτίου q και του πάχους HL αυξάνουν τη στροφή, ενώ το πλάτος B και το ύψος L έχουν μειωτική επίδραση. Πιο γενικά, η αύξηση του λόγου B/HL έχει μειωτική επίδραση στη γωνία στροφής, η οποία φτάνει σε μηδενική τιμή για B/HL ≥ 1.0. Το εύρος της γωνίας στροφής κυμαίνεται από 0° έως 3° στις αναλύσεις, με το 82% των περιπτώσεων να παρουσιάζουν στροφή μικρότερη από τη γωνία κλίσης του εδάφους i. Ωστόσο, η εξάρτηση των αποτελεσμάτων της στροφής από τη διέγερση βάσης καθιστά δύσκολη τη γενίκευση των ευρημάτων.	el
heal.abstract	Liquefaction occurs when pore pressure increases in saturated loose granular soils during seismic shaking, resulting in the nearly complete loss of the soil's shear strength. If the phenomenon occurs in gently sloping soil it causes lateral spreading, which is particularly detrimental to thereby founded structures. Although there are several studies on lateral spreading in free field conditions (i.e., without the presence of a structure), the response of structures on gently sloping soil under these conditions has not been systematically studied. The aim of this thesis is to investigate the behavior of rigid structures founded at the surface of gently sloping liquefiable soils, focusing on their settlements, horizontal displacements and rotations at the end of the shaking. Specifically, this thesis comprises a parametric investigation of the response of such structures via dynamic analyses, executed via the finite difference method with the FLAC2D software (Itasca 2005). A total of 54 two-dimensional analyses were performed, where the behavior of the liquefiable layer was simulated using the NTUA-SAND model, assuming a relative density of Dr = 45%. The soil is subjected to a horizontal harmonic base excitation with a number of significant cycles N = 10, a period T = 0.35 s, and a maximum acceleration αmax = 0.2g, which liquefies the layer during the first 1-2 cycles. The rigid structures were simplistically simulated either as loaded weightless foundations or as load-free bodies with an appropriate unit weight value that provides the desired load at the ground surface. In the context of this investigation, the examined parameters include the soil slope angle (i = 0.3°, 2.0°, 3.4°), the thickness of the liquefiable layer (HL = 5, 10 m), the width of the structure (B = 5, 20 m), as well as its load (q = 50, 100, 200 kPa) and its height (L = 1, 5, 10 m). The study focused on two normalized response ratios: the settlement ratio z/z0 (where z is the average settlement of the structure founded on gently sloping soil and z0 is the uniform settlement of the same structure under the same excitation if the soil was horizontal) and the horizontal displacement ratio x/xff (where x is the horizontal downstream displacement of the structure and xff is the corresponding horizontal displacements of the layer under free-field conditions under the same excitation). The normalization of the results aims to eliminate the effect of the base excitation and enables the use of empirical relationships from the literature for estimating the denominators of the ratios (quantities z0 and xff). This procedure allows the generalization of the results for any structures and liquefiable layers, always within the limitations of this study. In addition, the downstream rotation θ of the structure downstream was similarly investigated. However, this parameter could not be normalized since structures do not exhibit rotation if the ground is horizontal, while there is no such thing as rotation of the ground surface . The analyses indicate that a narrow structure founded on a gentle sloping liquefiable soil layer exhibits increased settlement in comparison to what would be observed if the ground was horizontal (z/z0 > 1). In addition, it exhibits reduced horizontal displacement compared to the free field (x/xff < 1), while developing a downstream rotation θ. These observations are related to the formation of an asymmetric failure mechanism in the sloping foundation soil, due to its connection to the failure mechanism of lateral spreading that develops at the bottom of the soil layer. This asymmetry is not observed if the ground is horizontal, since there is no lateral spreading. The results show that increasing the slope angle i of the ground leads to an increase in settlement z, horizontal displacement x and rotation θ, while increasing the load q of the structure increases the settlement z and rotation θ, but not the horizontal displacement x. Additionally, increasing the width B of the structure reduces all three response parameters (settlement z, horizontal displacement x, and rotation θ), while increasing the height L of the structure primarily affects the rotation θ in an inverse manner. Lastly, increasing the thickness of the liquefiable layer HL increases all three response quantities (settlement z, horizontal displacement x, and rotation θ) of the structure. Furthermore, the performed analyses show that the settlement ratio z/z0 increases with increasing structure load q and slope angle i, while the height of the structure L does not show a systematic effect (provided that the load q and the width B remain constant). On the contrary, increasing the width of the structure B (for the same height L and load q) and the thickness of the liquefiable layer HL leads to a decrease in the settlement ratio z/z0. Overall, in the performed analyses, this ratio ranges from 0.76 to 1.43 and in 54% of cases it exceeds 1.0. Correspondingly, the horizontal displacement ratio x/xff increases with increasing slope angle i for values i ≤ 2°, while for larger angle i values no systematic effect is observed. Increasing the height of the structure L and, to a lesser degree, increasing the ratio of structure width to liquefiable layer thickness B/HL decreases the x/xff ratio. As a whole, in the performed analyses, this ratio ranges from 0.23 to 1.41, with 87% of cases having values below 1.0. The study also proposes indicative relations for estimating the aforementioned normalized response ratios after non-linear regression of the results of the numerical analyses leading to multi-variable relations with a relative error of ±7.6% and ±29.2% for the ratios z/z0 and x/xff, respectively. Regarding the downward rotation θ, it can be deduced that increasing the load q and the thickness HL increases the rotation, while the width B and the height L have a decreasing effect. In general, increasing the B/HL ratio has a decreasing effect on rotation θ, which reaches a zero value for B/HL ≥ 1.0. The rotation angle θ varies from 0° to 3° in the performed analyses, with 82% of the cases showing a rotation less than the slope angle i of the ground. However, and unlike the ratios z/z0 and x/xff, the dependence of the rotation results on the base excitation makes it difficult to generalize these specific findings.	en
heal.advisorName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας
heal.advisorName	Papadimitrou, Achilleas
heal.committeeMemberName	Γερόλυμος, Νικόλαος
heal.committeeMemberName	Ζερβός, Αντώνιος
heal.academicPublisher	Σχολή Πολιτικών Μηχανικών Τομέας Γεωτεχνικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	160
heal.fullTextAvailability	false