Πειραματική και αριθμητική διερεύνηση της βελτίωσης της σεισμικής απόκρισης κατασκευών με τη χρήση μιγμάτων ανακυκλωμένων υλικών στο έδαφος θεμελίωσης
Creators: name: Πιστόλας, Γεώργιος-Αχιλλέας Α.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2015
Subjects: Ανακυκλική τριαξονική φόρτιση
Σεισμική μόνωση
Αλληλεπίδραση εδάφους-κατασκευής
Μίγματα εδάφους-ελαστικών
Cyclic triaxial
Seismic isolation
Soil-structure interaction
Soil/rubber mixtures

description: Η παρούσα διατριβή μελετά πειραματικά και αριθμητικά της βελτίωσης της σεισμικής απόκρισης των κατασκευών με εφαρμογή μιγμάτων κοκκωδών εδαφών με κοκκοποιημένα ελαστικά στο έδαφος θεμελίωσης. Για το σκοπό αυτό, η μελέτη διαιρείται σε δύο μεγάλα υποκεφάλαια: αυτό της πειραματικής διερεύνησης της επιρροής του ελαστικού κλάσματος στα μηχανικά χαρακτηριστικά των μιγμάτων με κοκκώδη εδάφη και αυτό της αριθμητικής εφαρμογής μιγμάτων σαν μέθοδο σεισμικής μόνωσης των κατασκευών, με τη μορφή εδαφικής μονωτικής στρώσης κάτω από τη θεμελίωση. Η πειραματική μελέτη των μιγμάτων κοκκωδών εδαφών με κοκκοποιημένα ελαστικά αφορά τη διερεύνηση των δυναμικών ιδιοτήτων και της αντοχής των υλικών σε μεγάλο εύρος τιμών του ποσοστού του ελαστικού κλάσματος. Εξετάζονται μίγματα φυσικής ποταμίσιας άμμου και χαλικιών με κοκκοποιημένα ελαστικά με ποσοστό ελαστικού από 10% έως 60% κατά βάρος ξηρού μίγματος. Επιπλέον, εξετάζονται και τα καθαρά εδαφικά και ελαστικά υλικά. Οι δυναμικές ιδιότητες των μιγμάτων άμμου και χαλικιών με κοκκοποιημένα ελαστικά, μελετώνται σε μεγάλο εύρος διατμητικών παραμορφώσεων. Για το σκοπό αυτό, τα υλικά εξετάζονται με πειραματικές διατάξεις στήλης συντονισμού και ανακυκλικής τριαξονικής φόρτισης. Τα πειραματικά αποτελέσματα των δυναμικών δοκιμών των μιγμάτων της παρούσας μελέτης, επιτρέπουν την εκτίμηση αναλυτικών σχέσεων υπολογισμού του αρχικού μέτρου διάτμησης, Go, του αρχικού ποσοστού απόσβεσης, DTo, και της εξέλιξής τους με την ανάπτυξη των διατμητικών παραμορφώσεων, υπό μορφή καμπυλών G-γ-D για μεγάλο εύρος τιμών ποσοστού ελαστικού στο μίγμα και για μεγάλο εύρος διατμητικών παραμορφώσεων. Η αντοχή των μιγμάτων εξετάζεται με τη διαδικασία μονοτονικής τριαξονικής φόρτισης. Η επιρροή του ελαστικού κλάσματος των μιγμάτων στη μορφή αστοχίας τους, καταδεικνύει πως η ευθύγραμμη μορφή του κριτηρίου αστοχίας Mohr-Coulomb δεν περιγράφει ικανοποιητικά την αντοχή τους. Για το λόγο αυτό προτείνεται μία παραβολικού τύπου τροποποίηση της περιβάλλουσας αστοχίας Mohr-Coulomb, ώστε να λαμβάνεται υπόψη η επιρροή του ελαστικού κλάσματος στην αντοχή του υλικού. Η επιρροή της εφαρμογής των μιγμάτων κοκκωδών εδαφών με κοκκοποιημένα ελαστικά σαν εδαφική στρώση σεισμικής μόνωσης κάτω από τη θεμελίωση των κατασκευών, μελετάται με την εκτέλεση αριθμητικών αναλύσεων στον κώδικα πεπερασμένων στοιχείων Abaqus. Η κατασκευή προσομοιώνεται σε τρεις διαστάσεις, με τη μορφή ‘μονοβάθμιου’ ταλαντωτή, χάριν γενίκευσης των αποτελεσμάτων. Η προσομοίωση λαμβάνει υπόψη τη μη γραμμική συμπεριφορά του βελτιωμένου εδάφους θεμελίωσης καθώς επίσης και τη δυνατότητα ολίσθησης και αποκόλλησης της θεμελίωσης από το υποκείμενο έδαφος. Η παραμετρική διερεύνηση του προβλήματος όπως εφαρμόζεται στην παρούσα μελέτη, επιτρέπει την σύνθεση εμπειρικών συσχετίσεων εκτίμησης της επιρροής της προτεινόμενης μεθόδου σεισμικής μόνωσης στην τέμνουσα βάσης και στη σχετική μετακίνηση βάσης-κορυφής (drift) της κατασκευής. Η μελέτη του προβλήματος αλληλεπίδρασης βελτιωμένου εδάφους-κατασκευής, καταδεικνύει πως, πλέον των παραμέτρων που επηρεάζουν το πρόβλημα αλληλεπίδρασης εδάφους κατασκευής, προστίθενται παράμετροι επιρροής σχετικές με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά και το υλικό της επέμβασης στο έδαφος θεμελίωσης. Τα όρια εφαρμογής της προτεινόμενης μεθόδου καθορίζονται με την εκτέλεση αναλύσεων υπερωθητικού τύπου φόρτισης στην κατασκευή και προτείνεται η οριακή εκκεντρότητα του φορτίου κατά τη σεισμική διέγερση, ώστε να μην εμφανιστεί ανατροπή της κατασκευής. Για την εκτίμηση της οριακής εκκεντρότητας, λαμβάνεται υπόψη η ενδοσιμότητα και η μη γραμμική απόκριση του βελτιωμένου εδάφους θεμελίωσης. Τέλος τα συμπεράσματα της παρούσας μελέτης τεκμηριώνονται και από τα αποτελέσματα δυναμικής υπερωθητικής ανάλυσης (Incremental Dynamic Analysis – I.D.A.).
description: In the current thesis, an experimental and analytical approach to the seismic isolation of structures using granular soil/granulated rubber mixtures is presented. To this end, the study is divided in two subsections: as a first step the effect of the rubber content in the mechanical properties of the mixtures is investigated and as a second step the implementation of the mixtures as seismic isolation materials in the foundation soil of structures is studied. The experimental study of the granular soil/granulated rubber mixtures focuses on the dynamic properties and the strength parameters of the materials, in a wide range of deformation and rubber inclusion. Mixtures of natural river sand and quarry gravel, with granulated rubber inclusion of 10% up to 60% per dry mixture weight are studied. The dynamic properties of the sand/rubber and gravel/rubber mixtures are studied for a wide range of shear deformation. Towards this goal, the materials are tested using a resonant column and a cyclic triaxial device. The experimental data of the investigation on the dynamic properties of sand/rubber and gravel/rubber mixtures if the current study, allows for the extraction of analytical relations to estimate the initial shear modulus, Go, the initial damping ratio, DTo, and the influence of shear deformation on their values, in the form of G-γ-D curves, for a wide range of shear deformation and rubber content in the mixture. The strength of the mixtures is studied using monotonic triaxial testing. The effect of the rubber inclusion in the failure mode of the mixtures signifies that the linear mode of the Mohr-Coulomb yield criterion does not adjust properly to the experimental data. For this reason, a parabolic modification of the Mohr-Coulomb model is proposed, that takes into account the effect of the rubber content of the mixtures. The effect of the implementation of the granular soil/rubber mixtures as seismic isolation material below the structure’s foundation is investigated using finite element code Abaqus. The structure is simulated as a single degree of freedom oscillator. The improvement material is considered to be non-linear and the interface between the structure and the improvement material allows for slipping and detachment of the foundation. The parametric study of the problem, allows for the composition of empirical relations to estimate the effect of the proposed seismic isolation technique on the base shear and drift displacement. The study on the problem of improved soil-structure interaction, signifies the importance of additional factors, compared to the classical problem of soil-structure interaction. The geometrical characteristics as well as the material parameters of the improved soil layer presents a considerable effect on the response of the structure. The limitations of the implementation of the proposed seismic isolation technique are proposed from the scope structure overturning and defined by means of pushover analysis of the structure. The limiting values of horizontal seismic load eccentricity are defined, accounting for the non-linear behavior and the deformability of the mixture soil layer. Finally, the results and conclusions of the current study are verified by means of Incremental Dynamic Analysis.