Πειραματική διερεύνηση ιδιοτήτων κοκκοποιημένων ανακυκλωμένων ελαστικών και αριθμητική διερεύνηση της βελτίωσης της σεισμικής απόκρισης τοίχου αντιστήριξης με προσθήκη κοκκοποιημένων ελαστικών στη μάζ
Creators: name: Καραθάνου, Σουλτάνα Ιωάννη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2015
Subjects: Κοκκοποιημένα ελαστικά
Τριαξονική δοκιμή
Eπίχωμα
Granulated tires
Triaxial Testing
Βackfill

description: Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στον Τομέα Γεωτεχνικής Μηχανικής του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης στα πλαίσια του μεταπτυχιακού προγράμματος σπουδών Αντισεισμικός Σχεδιασμός Τεχνικών Έργων (ΑΣΤΕ). Αντικείμενο της διπλωματικής αυτής εργασίας αποτελεί η πειραματική μελέτη των δυναμικών ιδιοτήτων (μεταβολή του δυναμικού μέτρου διάτμησης G και του λόγου απόσβεσης DT) κοκκοποιημένων ελαστικών που προέρχονται από επεξεργασία μεταχειρισμένων ελαστικών αυτοκινήτων, η μελέτη της αντοχής τους σε ανακυκλική φόρτιση, καθώς και η μελέτη της σεισμικής συμπεριφοράς αριθμητικού προσομοιώματος τοίχου αντιστήριξης όταν στη μάζα του αντιστηριζόμενου εδάφους τοποθετούνται διάφορα ποσοστά κοκκοποιημένων ελαστικών. Τα δοκίμια που μελετήθηκαν πειραματικά παρασκευάστηκαν από τρια κλάσματα καθαρών ελαστικών, δυο χονδρόκοκκων και ενός λεπτόκοκκου κλάσματος καθώς και από μίγματα ενός χονδρόκοκκου και ενός λεπτόκοκκου κλάσματος σε ποσοστά 80%-20% και 20%-80% κ.β. αντιστοίχως. Τα δοκίμια αυτά υποβλήθηκαν σε δοκιμές ανακυκλικής τριαξονικής φόρτισης ελεγχόμενης παραμόρφωσης, για μεσαία και μεγάλα πλάτη διατμητικών παραμορφώσεων. Για όλους τους τύπους δοκιμίων διερευνήθηκε η επιρροή του αριθμού των κύκλων φόρτισης, η ταχύτητα επιβολής της φόρτισης, η μέση διάμετρος κόκκων (για τα δοκίμια καθαρών ελαστικών) και η σχετική αναλογία της μέσης διαμέτρου κόκκων (για τα δοκίμια μιγμάτων ελαστικών). Ακόμη, παρασκευάστηκαν δοκίμια χονδρόκοκκου κλάσματος, δύο διαφορετικών σχετικών πυκνοτήτων (Dr=50% και Dr=90%), τα οποία υποβλήθηκαν σε δοκιμές τριαξονικής ανακυκλικής φόρτισης ελεγχόμενης τάσης, με σκοπό τον προσδιορισμό των παραμέτρων αντοχής τους σε ανακυκλική φόρτιση (έλεγχος ρευστοποίησης). Συμπληρωματικές εργαστηριακές δοκιμές διενεργήθηκαν για τον προσδιορισμό του μέγιστου και ελάχιστου δείκτη πόρων των χρησιμοποιούμενων υλικών, καθώς και για τον προσδιορισμό της μέσης διαμέτρου των κόκκων τους. Τα πειραματικά αποτελέσματα κατέδειξαν ότι ο αριθμός των κύκλων φόρτισης μειώνει το μέτρο διάτμησης των ελαστικών και αυξάνει το ποσοστό απόσβεσής τους. Το μέτρο διάτμησης μειώνεται πιο έντονα όσο αυξάνονται τα επίπεδα διατμητικής παραμόρφωσης και η έναρξη της μείωσης αυτής παρατηρείται για μικρότερο αριθμό κύκλων φόρτισης απ’ ότι συμβαίνει για μικρότερα πλάτη παραμορφώσεων. Αντίθετα, η αύξηση του ποσοστού της απόσβεσης γίνεται πιο έντονη για μικρότερα πλάτη διατμητικών παραμορφώσεων. Όσο αυξάνονται οι κύκλοι φόρτισης, οι διακυμάνσεις των τιμών του μέτρου διάτμησης και του ποσοστού απόσβεσης μεταξύ των διαφορετικών τύπων δοκιμίων περιορίζονται. Η αύξηση της συχνότητας φόρτισης αυξάνει το μέτρο ελαστικότητας των δοκιμίων και μειώνει ελάχιστα το ποσοστό της απόσβεσης αυτών. Για μικρότερα πλάτη διατμητικής παραμόρφωσης η αύξηση του μέτρου διάτμησης και η μείωση του ποσοστού απόσβεσης είναι εντονότερη. Με την αύξηση των διατμητικών παραμορφώσεων παρατηρείται σταθεροποίηση των τιμών του μέτρου διάτμησης και της απόσβεσης. Η σταθεροποίηση των τιμών αυτών συμβαίνει από μικρότερα πλάτη διατμητικής παραμόρφωσης όσο αυξάνεται η συχνότητα φόρτισης. Τέλος, τα χονδρόκοκκα δοκίμια ελαστικών δεν αποδείχθηκαν ρευστοποιήσιμα καθώς η πίεση του νερού των πόρων δεν ξεπέρασε τις τιμές των ενεργών ορθών τάσεων και παρόλο που οι αξονικές παραμορφώσεις σε ορισμένες περιπτώσεις ξεπέρασαν το 5% δεν παρατηρήθηκε απομείωσε της αντοχής των δοκιμίων. Οι παραμένουσες παραμορφώσεις των δοκιμίων δεν ξεπέρασαν σε καμία περίπτωση το 2%. Για το αριθμητικό προσομοίωμα του συστήματος τοίχου αντιστήριξης-επιχώματος χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS με το οποίο διενεργήθηκαν 2D ισοδύναμες γραμμικές αναλύσεις. Το μοντέλο βαθμονομήθηκε σύμφωνα με πειραματικό πρόγραμμα τοίχου αντιστήριξης πραγματικών διαστάσεων που πραγματοποιήθηκε στο πανεπιστήμιο του San Diego, California και υποβλήθηκε σε σεισμική διέγερση με τη βοήθεια σεισμικής τράπεζας μιας διεύθυνσης (NEES). Τα αποτελέσματα του αριθμητικού προσομοιώματος κατέδειξαν ότι η προσθήκη ελαστικών στη μάζα του επιχώματος επηρεάζει τη σεισμική απόκριση του συστήματος με τρόπο που εξαρτάται σημαντικά και από το συχνοτικό περιεχόμενο των σεισμικών διεγέρσεων (πιθανότητα εμφάνισης συντονισμού). Γενικότερα, οι δυναμικές ωθήσεις που ασκούνται στον τοίχο αντιστήριξης μειώνονται με την προσθήκη ελαστικών λόγω του μικρότερου ειδικού βάρους τους. Οι καθιζήσεις που προκύπτουν από την στατική και τη δυναμική φόρτιση συνολικά είναι αρκετά μεγαλες.
description: The present Thesis was conducted at the Department of Geotechnical Engineering Department of Civil Engineering, Aristotle University of Thessaloniki during the postgraduate program Antiseismic Design of Structures. The object of this Thesis includes the experimental study of the dynamic properties (dynamic shear modulus G and damping ratio DT) of granulated rubber derived from recycled used tires, the study of their resistance to cyclic loading, and the study of the seismic response of a retaining wall when granulated rubber is added in the mass of the retained soil in various rates. The specimens that were studied, were composed of three fractions of pure rubber, two coarse and one fine fraction ,and mixtures of a coarse and a fine fraction at levels of 80% -20% and 20% -80% by weight, respectively. The specimens were tested under cyclic triaxial loading, for medium and large levels of applied shear deformations. For all types of specimens , the influence of the number of loading cycles, the frequency of the loading, the average grain diameter (for pure rubber specimens) and the relative ratio of the average grain diameter (for rubber mixtures specimens) were studied. Specimens made out of a coarse rubber fraction of two different relative densities (Dr = 50% and Dr = 90%), underwent cyclic triaxial loading, in order to determine their resistance in liquefaction. Additional laboratory tests were conducted to determine the maximum and minimum pore ratio of the materials that were used, as well as to determine the average diameter of the granules. The experimental results showed that the number of loading cycles reduces the shear modulus of the specimens and increases their damping ratio. The shear modulus’ decrease appears to be more intense as the shear deformation levels rise and is observed for smaller number of loading cycles compared to lower levels of deformation. Conversely, the increase of the damping ratio is more intense for lower levels of shear deformation. As the loading cycles increase, the deviation of the shear modulus’ and damping ratio’s values, between all types of specimens, is limited. Increasing the frequency of the loading increases the shear modulus of the specimens and slightly decreases their damping ratio. For lower shear deformation the shear modulus’ increase and the reduce of their damping ratio’s values, are stronger. It is observed that increasing shear deformation levels stabilizes the shear modulus’ and the damping ratio’s values. As the loading frequency increases, this stabilization occurs for lower shear deformation levels. Finally, coarse rubber specimens were not proved to be liquefiable, as the pore pressure did not surpass the value of the effective vertical stress and although the axial deformation in some cases surpassed 5% , the strength of the specimens was not impaired. Residual deformations of the specimens did not exceed 2% in any case. For numerical analysis, a retaining wall was simulated using the software ABAQUS. Using the finite element method, 2D equivalent linear analysis were held, for studying the seismic response of the model, when granulated rubber is added in the mass of the embankment in various rates. This model was calibrated according to a real-dimension retaining wall experimental project, that held at the University of San Diego, California and subjected to seismic loading using a seismic table (NEES). The results of the numerical analysis demonstrated that the addition of rubber to the mass of the embankment affects the seismic response of the system in a manner that depends significantly on the frequency content of the seismic excitations (resonance). Generally, the dynamic horizontal stresses exerted on the retaining wall are reduced with the addition of rubber, because of the rubber’s lower specific weight. Subsidence resulting from the static and dynamic loading is quite increased.