Σεισμική συμπεριφορά γεφυρών θεμελιωμένων με πασσάλους σε ρευστοποιήσιμο έδαφος

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται η σεισμική συμπεριφορά μιας γέφυρας άνω διάβασης της Εγνατίας Οδού. Η γέφυρα στηρίζεται σε ένα μεσόβαθρο μορφής τοιχίου και δύο συμπαγή ακρόβαθρα. Η σύνδεση της ανωδομής με το μεσόβαθρο και τα ακρόβαθρα πραγματοποιείται μέσω ελαστομεταλλικών εφεδράνων ενώ η θεμελίωση όλη της γέφυρας γίνεται μέσω πασσάλων. Η γεωμετρία του φορέα είναι εντελώς συμμετρική λόγω της κατασκευής του μεσόβαθρου στο μέσο της γέφυρας. Η παρούσα γέφυρα παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον λόγω των εδαφικών συνθηκών που επικρατούν στην περιοχή. Το υπέδαφος στην περιοχή της μελέτης έχει δημιουργηθεί από ποτάμιες αποθέσεις, αποτελείται δε από μεγάλου πάχους ρευστοποιήσιμα χαλαρά ιλυο-αμμώδη υλικά, και αποθέσεις μαλακής αργίλου, χαρακτηρίζεται δε από μεγάλη ανομοιογένεια. Λόγω του μεγάλου μήκους της γέφυρας, από την αξιολόγηση των δύο γεωτρήσεων που πραγματοποιήθηκαν αποφασίστηκε να μελετηθεί η Θέση 2 στην περιοχή των βάθρων Μ9 και Μ10 του Τεχνικού ΤΥ2. Για τη συγκεκριμένη θέση η γεωτεχνική μελέτη υπέδειξε υψηλό κίνδυνο εκτεταμένης ρευστοποίησης. Ως εκ τούτου, για τη μείωση του κινδύνου ρευστοποίησης και την παράλληλη αναβάθμιση των συνθηκών θεμελίωσης θεωρήθηκε βελτίωση του εδάφους με κατασκευή χαλικοπασσάλων με χρήση της μεθόδου βαθιάς δονητικής συμπύκνωσης. Η μελέτη και ο αντισεισμικός σχεδιασμός της γέφυρας γίνεται σύμφωνα με τις διατάξεις του EC8, του ΕΚΩΣ2000 και της Ε39/99. Αρχικά για τη διαστασιολόγηση του φορέα γίνεται αποδεκτή η παραδοχή του βελτιωμένου εδάφους. Για τις δεδομένες εδαφικές συνθήκες επανεξετάζεται το μήκος των πασσάλων της προμελέτης που έχει προσδιοριστεί για φυσικό έδαφος υπό ρευστοποίηση. Για τον προσδιορισμό του μήκους των πασσάλων εξετάζονται δύο διαφορετικές μεθοδολογίες οι οποίες βασίζονται στον διορθωμένο αριθμό κρούσεων NSPT και οι οποίες είναι η μέθοδος Meyerhof (1976) για εμπυγνηόμενους πασσάλους και η μέθοδος του κανονισμού DIN4014 για τους έγχυτους πασσάλους γεφυρών. Παράλληλα γίνεται μία αξιολόγηση των μεθοδολογιών καθώς και των παραδοχών για τις οποίες είναι συμβατές. Για τη διαστασιολόγηση του φορέα εφαρμόζεται η δυναμική φασματική μέθοδος, με χρήση του προγράμματος SAP2000. Η διαστασιολόγηση πραγματοποιείται για τα κρίσιμα μέλη του φορέα δηλαδή το μεσόβαθρο και τους πασσάλους. Ακολουθεί η αποτίμηση της σεισμικής συμπεριφοράς της γέφυρας με χρήση στατικής ανελαστικής ανάλυσης. Αρχικά προσδιορίζονται τα χαρακτηριστικά της ανελαστικής συμπεριφοράς των κρίσιμων διατομών. Κατά την αποτίμηση ελέγχεται η σεισμική συμπεριφορά της γέφυρας για τις περιπτώσεις του βελτιωμένου και του ρευστοποιήσιμου εδάφους. Με εφαρμογή στατικής ανελαστικής μεθόδου, στις δύο κύριες διευθύνσεις του φορέα εντοπίζονται οι πιθανοί μηχανισμοί αστοχίας. Παράλληλα γίνεται μία αξιολόγηση της προσομοίωσης του εδάφους με απολύτως ελαστικά ελατήρια και με τη μορφή καμπύλων δύναμης-υποχώρησης (p-y). Τέλος εξετάζεται η σεισμική συμπεριφορά της γέφυρας για διάφορες σεισμικές διεγέρσεις κοντινού πεδίου. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στον συντελεστή συμπεριφοράς και το δείκτη πλαστιμότητας του μεσόβαθρου για τις περιπτώσεις ανελαστικής συμπεριφοράς της γέφυρας. Επίσης για κάθε μοντέλο εδαφικών συνθηκών αναλύεται η πιθανότητα τοπικής αστοχίας των κρίσιμων διατομών καθώς και η σειρά αστοχίας των κρίσιμων μελών. Από την αποτίμηση της σεισμικής συμπεριφοράς της γέφυρας για τα δύο σενάρια εδαφικών συνθηκών προέκυψαν μερικά αξιόλογα συμπεράσματα. Αρχικά, η κατανομή των ελατηρίων κατά μήκος των πασσάλων επηρεάζει σημαντικά τόσο το μέγεθος των εντατικών μεγεθών όσο και τη θέση εμφάνισης των μεγίστων. Από την ανελαστική στατική ανάλυση αποδείχτηκε ότι οι βλάβες στους πασσάλους εμφανίζονται σε διαφορετικά βάθη για το βελτιωμένο και το ρευστοποιήσιμο έδαφος. Η διαστασιολόγηση με θεώρηση βελτιωμένου εδάφους μπορεί να οδηγήσει σε αμέλεια των ζημιών που ενδέχεται να δημιουργηθούν κατά την ρευστοποίηση του εδάφους στη διάρκεια του σεισμού. Επίσης η σειρά αστοχίας των κρίσιμων μελών διαφέρει για τις δύο περιπτώσεις εδαφικών συνθηκών. Για το ενδεχόμενο της ρευστοποίησης, οι πάσσαλοι διαρρέουν πρώτοι ανακουφίζοντας το μεσόβαθρο με την απομείωση των εντατικών μεγεθών. Αντίθετα για το ενδεχόμενο βελτίωσης του εδάφους το μεσόβαθρο είναι το κρίσιμο μέλος το οποίο υφίσταται σοβαρότατες ζημιές ανάλογα με το επίπεδο της επιβαλλόμενης σεισμικής διέγερσης.

The present diploma thesis focuses on the numerical assessment of the seismic response of an existing two-span overpass which is part of the Egnatia Odos Motorway. The connection of the prestressed-concrete superstructure to the pier and abutments is accomplished through elastomeric bearings while the bridge is founded on piles. The geometry is symmetric as the pier lies in the middle of the bridge span. The overpass is of particular interest because of the prevailing soil conditions in the area. The foundation subsoil consists of altering liquefiable loose silty-sandy materials of great thickness and soft clay deposits. After the evaluation of the findings of two boreholes that were performed, it was decided to investigate region B that corresponds to the piers M9 and M10 of the initial overpass. Therefore, to mitigate the risk of liquefaction and to upgrade the conditions of the foundation, the soil was improved with the construction of stone columns using the deep vibrational compaction method. The seismic design of the bridge is evaluated in accordance with the provisions of EC8 and Greek Codes EKOS2000, E39/99. For the dimensioning of the bridge, it is initially assumed that the soil is improved. The piles’ length is reconsidered, given the fact that the original design was based on looser soil conditions. To determine the piles’ length two different methodologies are put into practice, which are based on the number of corrected NSPT values ie the methodology of Meyerhof (1976) for driven piles and the methodology described in DIN4014 for bore shafts. Parallel an evaluation of the assumptions under which the two methodologies are compatible is performed. For the dimensioning of the bridge under seismic conditions, the dynamic modal response spectrum analysis method is employed, with the aid of the software SAP2000. The design is carried out for the critical members of the bridge ie. the pier and the piles. Furthermore, the structure response is assessed via pushover analysis after the determination of the inelastic behavior of the critical sections. In the assessment of the seismic behavior of the bridge, two scenarios are applied: the scenario of improved soil and the scenario of liquefiable soil. By applying the pushover analysis in the longitudinal as well as in the transverse direction, the potential failure mechanisms are identified. Also an evaluation of effect of interaction simulation using elastic springs and non-linear force-displacement (p-y) curves is carried out. Finally, the seismic response of the bridge is examined for various near-field strong motion recordings. Particular emphasis is paid on the calculation of behavior factor and of the ductility index of the pier, for the cases of the inelastic response of the bridge. Also the likelihood of local failure of the critical sections, as well as the order of critical failure modes, is analyzed for each case of soil conditions considered. From the assessment of the bridge response for each case of soil conditions, remarkable conclusions have emerged. Initially, the distribution of the soil springs significantly affects both the size of internal forces and the position of the maximum forces along the pile. With the aid of pushover analysis, it was proven that the piles’ damages appear in different depths for each case of soil conditions. The design with the hypothesis of improved soil could lead to neglect of possible damages in case ofliquefaction during an earthquake. Also the order of critical failure modes differs in both cases. In case of liquefaction, the piles yield firstly. Thus the pier is relieved due to the redistribution of internal forces. In contrast, for the case of improved soil the crucial section is the pier which is damaged severely depending on the earthquake recording.