title: Αριθμητική προσομοίωση της σεισμικής καταπόνησης λιμενικών κρηπιδότοιχων

title: Numerical simulation of the seismic distress of harbor quay walls
Creators: name: Ντομοπουλου Θωμαη
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2023

description: Οι λιμενικοί κρηπιδότοιχοι είναι μεγάλες κατασκευές αντιστήριξης και αποτελούν σημαντικά έργα υποδομής στα λιμάνια. Η μελέτη της σεισμικής απόκρισης αυτών των έργων κρίνεται ιδιαίτερα σημαντική καθώς τα λιμάνια αποτελούν το κέντρο των μεταφορών και της οικονομίας σε πολλές περιοχές και ιδιαίτερα στα νησιά. Η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στην αριθμητική προσομοίωση της σεισμικής καταπόνησης λιμενικών κρηπιδότοιχων. Η παραμετρική διερεύνηση υλοποιείται μέσω διδιάστατων δυναμικών αναλύσεων με χρήση του λογισμικού PLAXIS 2D. Το εν λόγω λογισμικό βασίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και χρησιμοποιείται ευρέως για την προσομοίωση στατικών και δυναμικών γεωτεχνικών προβλημάτων.
            Πιο συγκεκριμένα, το κύριο αντικείμενο μελέτης της εργασίας αποτελεί ένα σύστημα διπλών δύσκαμπτων λιμενικών τοίχων, οι οποίοι βρίσκονται σε σχετικά κοντινή απόσταση, όπως συχνά συμβαίνει σε λιμενοβραχίονες. Το υπολογιστικό προσομοίωμα αυτού του συστήματος βασίζεται στη γεωμετρία ενός προβλήματος δύο τοίχων αντιστήριξης που περιέγραψε ο Wood (1973) χρησιμοποιώντας μία ελαστική μέθοδο δυναμικής ανάλυσης. Μεταξύ των δύο τοίχων θεωρείται ότι υπάρχει ισότροπο-ομοιογενές και ελαστικό εδαφικό υλικό, ενώ στη βάση τους τοποθετείται άκαμπτη θεμελίωση. Η αναλυτική λύση που ανέπτυξε ο Wood για τον υπολογισμό των δυναμικών ωθήσεων και των ροπών ανατροπής στη βάση του κάθε τοίχου υπό ξηρές συνθήκες χρησιμοποιείται για την επαλήθευση του αρχικού υπολογιστικού προσομοιώματος. Στη συνέχεια, η εν λόγω γεωμετρία τροποποιήθηκε, ορίζοντας μία μαλακή εδαφική στρώση στη θεμελίωση του συστήματος, επιτρέποντας κατ’ αυτόν τον τρόπο τη δυνατότητα παραμόρφωσης στους κρηπιδότοιχους. Σκοπός αυτής της διαδικασίας προσομοίωσης ήταν η δημιουργία ρεαλιστικών εδαφικών συνθηκών σε ένα λιμένα. Για τον υπολογισμό των τιμών των εδαφικών ωθήσεων χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος των Mononobe – Okabe (Okabe 1926, Mononobe & Matsuo 1929) η οποία βασίζεται στη μέθοδο Coulomb υπολογίζοντας επιπλέον τις αδρανειακές δυνάμεις που ασκούνται στο σύστημα τοίχος – έδαφος. Η εφαρμογή της μεθόδου γίνεται υπό ψευδοστατικές συνθήκες ανάλυσης.
            Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας αρχικά πραγματοποιήθηκε έλεγχος αξιοπιστίας της αριθμητικής προσομοίωσης με τις προαναφερθείσες αναλυτικές μεθοδολογίες. Συγκεκριμένα, το προσομοίωμα των δύο δύσκαμπτων τοίχων επαληθεύτηκε με τη μέθοδο του Wood και αντίστοιχα η επαλήθευση του συστήματος των εύκαμπτων κρηπιδότοιχων πραγματοποιήθηκε κατά Mononobe – Okabe. Στις αριθμητικές αναλύσεις χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικές γεωμετρίες ως προς την απόσταση των δύο τοίχων οι οποίες ορίστηκαν από τον λόγο μήκους προς ύψος. Αρχικά, θεωρήθηκε μία μικρή απόσταση μεταξύ των δύο τοίχων, ορίζοντας τον λόγο L/H = 3, ενώ στη συνέχεια οι ίδιες αναλύσεις έγιναν για τριπλάσια απόσταση ανάμεσα στους δύο τοίχους, δηλαδή για λόγο L/H = 10.
            Για τη ρεαλιστική προσέγγιση της σεισμικής απόκρισης ενός συστήματος διπλών λιμενικών κρηπιδότοιχων χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικές περιπτώσεις στις οποίες βασική μεταβλητή αποτέλεσε η γωνία εσωτερικής τριβής. Η πρώτη περίπτωση αφορά ένα προσομοίωμα με τυπικές τιμές στις γωνίες τριβής του εδάφους πλήρωσης και του εδάφους θεμελίωσης. Στη συνέχεια, για την προσομοίωση συνθηκών ρευστοποίησης των εδαφών του υπό μελέτη συστήματος μειώθηκαν οι γωνίες εσωτερικής τριβής. Η επιλογή αυτή αποσκοπεί στη δραστική μείωση της διατμητικής αντοχής των εδαφών, η οποία προκαλείται εξαιτίας της ρευστοποίησης. Με βάση τα παραπάνω, η δεύτερη περίπτωση αφορά ένα προσομοίωμα με μειωμένη γωνία τριβής μόνο στο υπέδαφος της θεμελίωσης, ενώ στην τρίτη -και δυσμενέστερη περίπτωση ως προς τις εδαφικές συνθήκες- μειώθηκε η γωνία εσωτερικής τριβής, όχι μόνο στη στρώση της θεμελίωσης, αλλά και στο αντιστηριζόμενο έδαφος μεταξύ των δύο τοίχων.
         Με βάση τα καταγεγραμμένα περιστατικά σε ισχυρούς σεισμούς, οι διπλοί κρηπιδότοιχοι τείνουν να στρίψουν ή/και να απομακρυνθούν μεταξύ τους, δηλαδή να μετατοπιστούν προς την πλευρά της θάλασσας εκατέρωθεν. Στο πλαίσιο της παρούσας έρευνας, για την ενίσχυση του υπό μελέτη συστήματος και την αποφυγή των προαναφερθέντων πιθανών σεισμικών βλαβών, τοποθετήθηκαν διαγώνιοι και οριζόντιοι ελκυστήρες οι οποίοι ενώνουν τους δύο τοίχους μεταξύ τους. Η εφαρμογή των ελκυστήρων έγινε και για τις τρεις περιπτώσεις που αναφέρθηκαν και χρησιμοποιώντας δύο παλμούς Ricker με συχνότητες 6Hz και 2Hz ως διεγέρσεις βάσης. Τέλος, μία ακόμη βασική παράμετρος για τον έλεγχο της συμπεριφοράς των λιμενικών τοίχων υπό σεισμική καταπόνηση ήταν η εξέταση δύο τύπων εδάφους θεμελίωσης. Οι ταχύτητες διάδοσης των εγκάρσιων σεισμικών κυμάτων των δύο εδαφών ήταν ίσες με Vs=100m/s και Vs=300m/s, όπου η πρώτη αντιστοιχεί σε πολύ μαλακή επιφανειακή στρώση, γεγονός σύνηθες σε παράκτιες περιοχές. Όπως αποδεικνύεται από τα αποτελέσματα, η εφαρμογή των ελκυστήρων συμβάλλει στη διατήρηση της ευστάθειας του συστήματος των διπλών τοίχων και την αποτροπή της εμφάνισης σημαντικών στροφών και ολισθήσεων.
description: Quay walls are retaining structures that constitute important components of port infrastructure. The seismic design of these walls is of paramount importance, since ports are the centers of transportations and economy in many regions, and especially islands. The present diploma thesis focuses on the numerical simulation of the seismic distress of quay walls. The parametric investigation is carried out via 2-D dynamic analyses using PLAXIS 2D software. This software is based on the finite element method and it is widely used to simulate static and dynamic geotechnical problems.
More specifically, the main topic of this study is a system of two rigid port walls, which are located opposite to each other at a relatively close distance that is often constructed in harbors. The analysis of this system is based on the analytical model of a double retaining wall system, which has been presented by Wood (1973) based on an elastic method of dynamic analysis. The two walls retain an isotropic-homogeneous and elastic soil material, while their base foundation is considered to be rigid. The analytical solution, developed by Wood under dry conditions, was used to verify the adopted numerical simulation approach. Subsequently, this geometry was modified by defining a soft soil layer at the foundation of the retaining system, thus, enabling deformation of the walls. The purpose of this modification was to create realistic soil conditions occurring at a port. The calculation of soil thrusts for flexible quay walls can be achived using the method of Mononobe – Okabe (Okabe 1926, Mononobe & Matsuo 1929), which is based on Coulomb’s method and can calculate the inertial forces which are exerted on the walls under pseudostatic conditions.
Initially the numerical models were validated with the aforementioned analytical methodologies. In particular, the model of the two rigid walls was verified by Wood's method, while the verification of the flexible quay wall system was performed via Mononobe – Okabe method. The numerical analyses were conducted considering two different geometries with reference to the distance among the two walls, which was defined based on the ratio of length to height. Initially, a small distance between the two walls was examined, i.e., for length to height ratio L/H=3. In the sequence, the same analyses were performed for a much greater distance between the two walls, i.e., L/H = 10.
In order to realistically examine the seismic response of a port quay wall system, three different cases were examined, in which the main variable was the angle of friction. The first case refers to a model with typical values at the friction angles of the retaining soil and the foundation soil that are often observed in ports. Then, in order to simulate liquefaction conditions of the soils, a reduction of their friction angles was imposed in order to drastically reduce soil shear strength, which is caused due to liquefaction. Accordingly, the second case comprises of a model with a reduced friction angle at the foundation soil layer. Moreover, the third case represents the most unfavorable soil conditions by reducing the friction angle, not only at the foundation soil layer, but also for the backfill soil material among the two walls.
According to the literature, during a severe earthquake, the two quay walls tend to turn and/or slide towards the sea at both sides. In the present research, in order to strengthen the system of the double quay walls against earthquakes, diagonal and horizontal tie-rods were installed to connect the two walls. The proposed schemes of tie-rods were tested for the three aforementioned cases using Ricker pulses with frequencies 6Hz and 2Hz as base excitations. Lastly, an important parameter that affects the response of the system is the foundation soil, thus, two types of soil with shear wave velocities equal to Vs=100m/s and Vs=300m/s were examined, the second is a soft surface soil layer that commonly occurs in coastal areas. As verified by the results, the proposed tie-rods assist to maintain the stability of the double quay walls system and avoid substantial seismic damages.