Σεισμική συμπεριφορά ορθογωνικών σηράγγων - Αριθμητική προσομοίωση πειραμάτων φυγοκεντριστή:
Creators: name: Χατζηδημούλης, Αλέξανδρος Ηρακλή
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2014
Subjects: Ορθογωνική σήραγγα
Φυγοκεντριστής
Αριθμητική προσομοίωση
Rectangular tunnel
Centrifuge
Numerical simulation

description: Η παρούσα διπλωματική συγκεντρώνεται στην αριθμητική προσομοίωση και βαθμονόμηση των προσομοιωμάτων των πειραμάτων εύκαμπτης και δύσκαμπτης σήραγγας σε πραγματική κλίμακα δύο διαστάσεων. Χρησιμοποιείται το πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS. Έχει ως στόχο την διερεύνηση της σεισμικής συμπεριφοράς αυτών των κατασκευών. Πραγματοποιούνται αναλύσεις για την διερεύνηση σε συνθήκες πλήρους σύνδεσης και σε συνθήκες πλήρους ολίσθησης, όσον αφορά την σύνδεση εδάφους - σήραγγας, της συμπεριφοράς του συστήματος εδάφους-σήραγγας. Οι αναλύσεις είναι μη γραμμικές ελαστικές και μη-γραμμικές ελαστοπλαστικές με την υιοθέτηση του μοντέλου Mohr-Coulomb. Τα αριθμητικά αποτελέσματα αφορούν στις κατανομές των εντατικών μεγεθών γύρω από την σήραγγα (αξονικών, ροπών, διατμητικών τάσεων, ωθήσεων), των διατμητικών παραμορφώσεων, των χρονοϊστοριών επιταχύνσεων και μετακινήσεων. Κατόπιν πραγματοποιούνται στατικές αναλύσεις οι οποίες χρησιμοποιούνται για την διαστασιολόγηση στην πράξη των σηράγγων. Γίνεται σύγκριση των στατικών με τις δυναμικές αναλύσεις σε επίπεδο εντατικών μεγεθών και διατμητικών παραμορφώσεων. Οι στατικές αναλύσεις αφορούν την μέθοδο του Wang 1999 κλειστή λύση για ορθογωνικές σήραγγας και την λεπτομερή ισοδύναμη στατική ανάλυση (Ί.Σ.Α) με επιβαλλόμενες μετακινήσεις και επιβαλλόμενες δυνάμεις. Δημιουργούνται τρία προσομοιώματα με διαφορετικά όρια για τις λεπτομερείς (Ι.Σ.Α). Εξετάζονται οι διαφοροποιήσεις των αποτελεσμάτων λόγω διαφορετικών ορίων των προσομοιωμάτων για την λεπτομερή Ι.Σ.Α και οι αποκλίσεις από την δυναμική ανάλυση. Τα κυριότερα συμπεράσματα είναι (i) Τα αριθμητικά μοντέλα παρουσιάζουν με ακρίβεια την καταγραφείσα σεισμική συμπεριφορά των υπόγειων σηράγγων. Οι διαφοροποιήσεις πειράματος - προσομοιώματος αφορούν την προσομοίωσης και τα απλοποιητικά μοντέλα τα οποία χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση της άμμου. (ii) Από την πειραματική διαδικασία και τις δυναμικές αναλύσεις των προσομοιωμάτων αποδεικνύεται η ύπαρξη διατμητικής παραμόρφωσης στις ορθογωνικές σήραγγες που υπόκεινται σε διατμητικά κύματα. Παρατηρείται η ύπαρξη μίας λικνιστικής συνιστώσας παραμόρφωσης επιπρόσθετα της διατμητικής παραμόρφωσης. (iii) Παρατηρούνται έντονες πλαστικοποιήσεις του εδάφους γύρω από την επένδυση της σήραγγας και συγκεκριμένα στις γωνίες της σήραγγας. Οι πλαστικοποιήσεις επηρεάζουν τις κατανομές των εντατικών μεγεθών των ωθήσεων και των διατμητικών τάσεων. (iv) Τα αποτελέσματα των στατικών αναλύσεων σε ορισμένες περιπτώσεις αποκλίνουν σημαντικά από τη δυναμική ανάλυση (ανάλυση αναφοράς). Οι διαφοροποιήσεις είναι μεγαλύτερες στις ελαστοπλαστικές αναλύσεις, λόγω της αδυναμίας των απλουστευμένων μεθόδων για αναπαραγωγή του ιστορικού φόρτωσης του εδάφους το ίδιο αποτελεσματικά με την δυναμική ανάλυση. Η επιλογή διαφορετικού μοντέλου και διαφορετικού τρόπου προσομοίωσης του σεισμικού φορτίου (δυνάμεις - μετακινήσεις) επηρεάζουν τα τελικά αποτελέσματα. Παρατηρείται ότι τα αποτελέσματα των αναλύσεων με την μέθοδο των δυνάμεων έρχονται σε καλύτερη συμφωνία με τα αποτελέσματα της δυναμικής ανάλυσης. Καταλήγοντας, οι απλοποιημένες μεθοδολογίες θα πρέπει να χρησιμοποιούνται με προσοχή και σε προκαταρκτικά στάδια του σχεδιασμού και μόνο σε περιπτώσεις όπου το έδαφος δεν αναμένεται να αναπτύξει έντονη μη-γραμμική συμπεριφορά (για χαμηλής έντασης χρονοϊστορίες).
description: This thesis focus on the numerical simulation of representative test cases that is performed in order to further investigate the seismic response of these types of structures but also to validate the numerical tools that are commonly used in the design prac0tice. In particular, the centrifuge models are analyzed numerically in time domain by means of the finite element code ABAQUS. The analyses are performed in prototype scale, assuming plane strain behaviour. The effects of the soil-tunnel inteface properties and the soil non linear response due to the dynamic loading are accounted for. In particular the analyses are performed assuming either full bonding between the soil and the tunnel or full slip with separation. The soil non0linear response is simulated with (i) a visco-elastic material through the equivalent linear approximation or (ii) with an elasto-plastic model that follows the Mohr Coulomb yield criterion. In both cases, the models are extensively calibrated through back analysis of the tests. The effect of the tunnel existance during the model construction on the soil properties around its perimeter is accounted for, assuming a zone around the tunnel that have reduced mechanical properties. The extend of this zone is parametrically investigated. Numerical predictions are compared with the recorded data within the validation of the numerical models. Through the presentation of these comparisons crucial issues related to the response are highlighted and discussed. The final calibrated models are then used for the evaluation of simplified analysis methods that are commonly used by the engineering tunneling practise. In particular, the simplified method proposed by Wang but also the equivalent static analysis method are evaluated. The main conclusions may be summarized in the following. The numarical models are found capable to reproduce the recorded response with sufficient engineering accuracy. The differences (generally minor) are mainly attributed to calibration issues but also to the simplification of the constituve models which are implemented to simulate the sand. The selection of these models is made though, in order to calibrate their efficiency, as they are commonly used in tunneling engineering practise. Both the experimental data and the numerical predictions prove the theoretically expected racking distortion of the rectangular tunnels under shear wave propagation. A rocking mode of vibration in addition to racking is also reported. The elasto-plastic analysis reveal a post-earthquake residual response for the lining forces but also for the seismic earth pressures and shear stresses around the tunnel. This phenomenon is attributed to the soil yielding response that results in stress redistributions within the soil and therefore in stress concentrations in the soil and on the lining. The results of the simplified analysis methods are found in some cases quite distinct compared to the dynamic analysis that used in any case as the benchmark. The differences are generally larger in case of elasto-plastic analysis due to the inability of the simplified methods to reproduce the soil loading history, as effectively as the dynamic analysis. Both the model size and the way of the simulation of the equivalent seismic load are affected the results. Generally, the results of the analyses were the equivalent seismic load is modelled as inertial force, are in better agreement with the dynamic analysis. In any case, simplified methods should be used with caution in preliminary stages of design and only in cases where the soil non-linear response is expected to be reduced (e.g. low seismicity).