Σεισμική απόκριση συστήματος μονολιθικού ακροβάθρου γέφυρας – μεταβατικού επιχώματος και βελτίωση με χρήση μιγμάτων τυπικών χονδρόκοκκων εδαφών με ανακυκλωμένα ελαστικά στο επίχωμα:
Creators: name: Παλαιοχωρινού, Αναστασία Φωτίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2015
Subjects: Ακρόβαθρο
Επίχωμα
Βελτίωση εδάφους
Abutment
Embankment
Soil improvement

description: Ο κύριος στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση της σεισμικής απόκρισης συστήματος ακροβάθρου-μεταβατικού επιχώματος με χρήση μιγμάτων τεμαχισμένων ανακυκλωμένων ελαστικών και συμβατικού μη συνεκτικού εδαφικού υλικού. Το ακρόβαθρο είναι μονολιθικά συνδεδεμένο σε συνεχή φορέα γέφυρας έξι ανοιγμάτων. Κίνητρο για την παρούσα διερεύνηση αποτέλεσε αφενός η εντεινόμενη επιβάρυνση του περιβάλλοντος λόγω συσσώρευσης μεταχειρισμένων ελαστικών και αφετέρου η προοπτική ωφέλιμης χρησιμοποίησής τους σε μονολιθικές γέφυρες. Μέσω τέτοιων τεχνικών επιτυγχάνεται η βιώσιμη διαχείριση των ελαστικών προς όφελος τόσο του περιβάλλοντος όσο και των τεχνικών έργων, σε αυτή την περίπτωση στην βελτίωση της σεισμικής απόκρισης του συστήματος ακροβάθρου-επιχώματος, ένα κρίσιμο σημείο για την εξυπηρέτηση της κυκλοφορίας έκτακτης ανάγκης αμέσως μετά από έναν ισχυρό σεισμό, αλλά και για την κατάσταση λειτουργίας των γεφυρών. Η σεισμική απόκριση του συζευγμένου συστήματος «ακρόβαθρο–μεταβατικό επίχωμα» μελετήθηκε με μη γραμμικές δυναμικές αναλύσεις στους κώδικες πεπερασμένων στοιχείων PLAXIS2D v.8 και SAP2000 v.15, σε τρία βήματα. Στο πρώτο, λαμβάνοντας υπόψη το φαινόμενο δυναμικής αλληλεπίδρασης, εκτιμήθηκε η σύνθετη δυσκαμψία και απόσβεσή του μέσω ανελαστικής στατικής ανάλυσης (push over-PLAXIS). Στο δεύτερο βήμα, ενσωματώθηκαν οι παραπάνω τιμές σε στοιχεία ελατηρίων και αποσβεστήρων και ελήφθη η δυσμενέστερη χρονοϊστορία απόκρισης δυνάμεων στην κορυφή του ακροβάθρου (SAP2000). Στο τρίτο, επιλύθηκαν τα προσομοιώματα αφού επιβλήθηκε η τελευταία χρονοϊστορία σύγχρονα με την εδαφική σεισμική κίνηση (PLAXIS). Οι παράμετροι που μελετήθηκαν ήταν το ποσοστό του ελαστικού κλάσματος κατά βάρος του βελτιωμένου επιχώματος (10% και 30%), το μήκος εφαρμογής του (διπλάσιο του ύψους του ακροβάθρου και μισό πλάτος του αριθμητικού προσομοιώματος) και η σεισμική κίνηση εισαγωγής (πέντε καταγραφές και ένας παλμός Ricker). Ως επίχωμα αναφοράς χρησιμοποιήθηκε το συμβατικό (100% μη συνεκτικό, αμμώδες έδαφος). Το έδαφος θεμελίωσης θεωρήθηκε τυπικό αργιλικό, κατηγορίας C κατά EC8, με ελαστοπλαστικό νόμο συμπεριφοράς Mohr-Coulomb. Οι ιδιότητες των μιγμάτων που χρησιμοποιήθηκαν βασίζονται σε εργαστηριακές δοκιμές που εκτελούνται στο Εργαστήριο Εδαφομηχανικής, Θεμελιώσεων και Γεωτεχνικής Σεισμικής Μηχανικής του Α.Π.Θ. Το υπό μελέτη ακρόβαθρο θεωρήθηκε μοναδιαίου πλάτους, επιφανειακά θεμελιωμένο, τυπικής γεωμετρίας. Τα αποτελέσματα περιλαμβάνουν ωθήσεις, παραμένουσες κατακόρυφες και οριζόντιες μετακινήσεις στην ελεύθερη επιφάνεια του επιχώματος και καθ’ ύψος του ακροβάθρου, χρονοϊστορίες μετακινήσεων κορυφής, παραμένουσες μετακινήσεις και στροφές, ροπές και τέμνουσες ακροβάθρου. Αξιολογήθηκαν βάσει των αντιστοίχων του συμβατικού επιχώματος. Από τα αποτελέσματα παρατηρήθηκε μια γενική τάση ευνοϊκής επιρροής του βελτιωμένου επιχώματος στα μεγέθη απόκρισης. Η θετική επιρροή είναι περισσότερο εμφανής για μεγαλύτερο ποσοστό ελαστικού κλάσματος. Το βελτιωμένο επίχωμα φαίνεται να ελέγχει το φαινόμενο “ratcheting” και συμβάλλει στην άμβλυνση του φαινομένου “bump-at-the-end-of-the-bridge” λόγω ευνοϊκής επιρροής στις οριζόντιες και κατακόρυφες μετακινήσεις. Ακόμη, συμβάλλει στη μείωση του εύρους του κενού που δημιουργείται μεταξύ ακροβάθρου και επιχώματος, κατά την ταλάντωση της γέφυρας υπό σεισμό αλλά και μακροπρόθεσμα λόγω θερμοκρασιακών μεταβολών κατά τη διάρκεια του χρόνου ζωής της. Σημειώνεται μείωση του μεγέθους ροπών και τεμνουσών, το οποίο μπορεί να αξιοποιηθεί στη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού ακροβάθρων συνεχών φορέων γεφυρών. Κρίθηκε επαρκής και οικονομικά βιώσιμη η χρήση βελτιωμένου επιχώματος έως μήκους ίσου με το διπλάσιο του ύψους του. Το μέγεθος των ωθήσεων κατά EC8 (μέθοδος M-O) σε σύγκριση με το αντίστοιχο από την αριθμητική ανάλυση προέκυψε σημαντικά μικρότερο στην κορυφή του ακροβάθρου και σημαντικά μεγαλύτερο στον πόδα, γεγονός που αποδίδεται στο ότι ο EC8 δε λαμβάνει υπόψη φαινόμενα δυναμικής αλληλεπίδρασης εδάφους θεμελίωσης – ακροβάθρου – επιχώματος.
description: The aim of this dissertation is to investigate the seismic response of an abutment-backfill soil system. The abutment under consideration is a structural member of a six-span Integral Abutment Bridge (IAB); while the backfill is comprised by mixture of conventional sand and tyre derived aggregates (TDAs). This research was motivated by the environmental, health, and safety threat imposed by the considerable quantities of waste tyres stockpiled in landfills or abandoned in the nature on the one hand and by their potentially beneficial use in IABs on the other hand. Thus, by making use of recycled tyres both environmental benefits and seismic response improvement of IAB abutments is accomplished; particularly the post-earthquake performance and the long-term as well. Nonlinear dynamic analyses of the abutment-rubberised backfill numerical model were performed in PLAXIS2D v.8 and SAP2000 v.15 in order to investigate the seismic response of the aforementioned conjugated system. The analyses were conducted following three steps. At first, abutment-embankment dynamic interaction was considered and the coupled stiffness and damping ratio were estimated by the means of push over analyses (PLAXIS). Next, the values calculated above were assigned to multi-linear elastic springs and dampers in SAP2000 to capture bridge-abutment-embankment interaction on the nonlinear response of the bridge. Thus, the most unfavourable of the two abutments force time history response under ground seismic excitation was selected and utilized as the collision force on top of the abutment in the next step. Both were subjected to the final numerical models assuming synchronous ground earthquake excitation and abutment stem oscillation (PLAXIS). The parametric analyses included: (i) the rubber content percentage in the rubberised soil mixture (10% and 30% rubber were examined); (ii) the rubberised backfill soil implementation length (times two the abutment height and half the PLAXIS model length); (iii) the characteristics of the seismic input motion in terms of ground acceleration (the Kypseli, Parnitha 1999, Kozani 1995, Aigio 1995, Friuli, Italy 1976, Montenegro, Yugoslavia 1979 earthquake records and one Ricker wavelet all scaled at PGA=0.3g were applied). The dynamic properties of the rubberised soil mixtures were obtained by current laboratory tests in A.U.TH. The reference model of 250 m length and 30 m depth consists of clay foundation soil (Soil Class C according to EC8 provisions), conventional backfilling soil, i.e. 100% sand and a typical geometry abutment of 8.5 m height on surface foundation. The anticipated nonlinear soil response under strong seismic excitation was estimated by conducting 1D equivalent linear analyses (EERA). Thus, the average values of the dynamic shear modulus, G/Gmax, and the damping ratio, D, were implemented in the final models. The results of the dynamic analyses refer to the final pressures, maximum pressures, pressures at the time step of peak ground acceleration; permanent vertical displacements at the backfill surface; permanent horizontal displacements at the backfill surface as well as along the abutment- rubberised backfill soil interface; top of the abutment time history and residual displacements, residual rotations, bending moments and shear forces of the abutment. The values of the aforementioned results were evaluated based on the corresponding response of the reference model. A beneficial influence trend on the abutment-backfill soil system response was observed; in particular for the 30% rubberised backfill soil. The latter seems to control more efficiently the “ratcheting” and “bump-at-the-end-of-the-bridge” effects due to the beneficial impact on the vertical and also horizontal rubberised backfill surface displacements. Furthermore, it reduces the gap range during the earthquake strong ground motion and long-term in-service. In addition, the bending moments and shear forces magnitude along the height of the abutment were reduced when utilising rubberised backfill soil. The latter conclusion is profitable for the optimum design of IABs abutments in terms of geometry and reinforcement. Last but not least, the implementation length equals to two times the abutment height was deemed sufficient and sustainable. The comparison of the pressures magnitude between EC8 provisions (M-O method) and the corresponding derived by the numerical analyses reveals that in the first case the pressures at the abutment stem are underestimated while are overestimated at the abutment footing. This is attributed to the fact that EC8, among other omissions, does not account for the foundation soil-abutment-embankment interaction.