Διερεύνηση της σεισμικής συμπεριφοράς ορθογωνικών σηράγγων και της προοπτικής χρήσης μιγμάτων άμμου/κοκκοποιημένων ελαστικών ως μέσο βελτίωσής της
Creators: name: Μαντίκας, Γεώργιος Δημητρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2015
Subjects: δυναμική απόκριση ορθογωνικών σηράγγων
μίγματα άμμου/κοκκοποιημένων ελαστικών
συστήματα σήραγγα-έδαφος-υπέργειες κατασκευές
dynamic response of rectangular tunnels
granulated scrap tires in mixtures with sand
tunnel-soil-above ground structures systems

description: Οι υπόγειες κατασκευές, οι σήραγγες, οι υπόγειοι σιδηρόδρομοι και οι υπόγειοι χώροι στάθμευσης αποτελούν βασικά στοιχεία των πάσης φύσεως δικτύων κοινής ωφέλειας και των υποδομών. Ο σωστός αντισεισμικός σχεδιασμός τους είναι απαραίτητος για τη διασφάλιση της ανθρώπινης ζωής, παρέχοντας και οικονομικά οφέλη. Ενώ η σεισμική τους συμπεριφορά κατά τη διάρκεια πρόσφατων σεισμών αποδείχτηκε γενικώς καλύτερη από την αντίστοιχη των υπέργειων κατασκευών, δεν παύουν να έχουν καταγραφεί σημαντικές αστοχίες, οι οποίες καταδεικνύουν κάποιες αδυναμίες των σύχρονων αντισεισμικών μεθόδων κατασκευής. Είναι σημαντικό να διευκρινιστεί ότι λόγω της ιδιομορφίας τους, οι υπόγειες κατασκευές αποκρίνονται σεισμικώς πολύ διαφορετικά σε σχέση με τις υπέργειες, καθώς υπόκεινται κυρίως σε ισχυρές επιβαλλόμενες εδαφικές παραμορφώσεις, παρά σε αδρανειακά φορτία. Σκοπός της παρούσης διπλωματικής εργασίας αποτελεί η διερεύνηση της δυναμικής απόκρισης κατά την εγκάρσια έννοια, ορθογωνικών σηράγγων εγκιβωτισμένων σε χαλαρά εδάφη. Το πρόβλημα μελετάται μέσω διενέργειας παραμετρικών δυναμικών αναλύσεων σε αντιπροσωπευτικά προσομοιώματα εδάφους-σήραγγας. Γίνεται χρήση του κώδικα πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS, ενώ σε όλες τις περιπτώσεις θεωρείται γραμμική ελαστική απόκριση του συστήματος. Εξετάζεται η επιρροή κρίσιμων παραμέτρων, όπως η σχετική δυσκαμψία εδάφους-σήραγγας, τα χαρακτηριστικά της μεταξύ τους διεπιφάνειας, οι διαστάσεις και το βάθος εγκιβωτισμού της σήραγγας και ο λόγος Poisson του εδάφους. Για να συνδεθούν τα αποτελέσματα της παρούσης εργασίας με την υπάρχουσα βιβλιογραφία επιλέχτηκε να παρουσιαστούν με τη μορφή πρακτικών διαγραμμάτων συσχέτισης του συντελεστή racking R (ο λόγος των παραμορφώσεων της κατασκευής προς τις αντίστοιχες παραμορφώσεις του εδάφους σε κατάσταση ελεύθερου πεδίου) και της στροφής της σήραγγας με τη σχετική δυσκαμψία εδάφους-κατασκευής, κατά τα πρότυπα της μεθοδολογίας του Wang (1993). Τα αποτελέσματα κάτεδειξαν μεταξύ άλλων, σύνθετη μορφή διατμητικής παραμόρφωσης και λικνισμού των ορθογωνικών σηράγγων.Τα τελευταία χρόνια έχει προταθεί η χρήση μιγμάτων τεμαχισμένων ανακυκλωμένων ελαστικών και συμβατικού μη συνεκτικού εδαφικού υλικού ως μέθοδος βελτίωσης της σεισμικής συμπεριφοράς των κατασκευών. Σαν δευτερεύων στόχος της παρούσης διπλωματικής τέθηκε η διερεύνηση της προοπτικής χρήσης τέτοιων μιγμάτων και στις περιπτώσεις των σηράγγων. Τα αποτελέσματα παρατίθενται σε όρους διατμητικών και λικνιστικών παραμορφώσεων, καθώς και εδαφικών ωθήσεων και εσωτερικών εντατικών μεγεθών, και φανερώνουν μια μάλλον ευνοϊκότερη απόκριση αυτού του συστήματος «απομόνωσης». Τέλος, η εργασία πραγματεύεται τις επιπτώσεις που επιφέρει η ύπαρξη υπέργειων κατασκευών στη σεισμική συμπεριφορά των σηράγγων, κατά την εγκάρσια έννοια, στις αστικές περιοχές. Γι’ αυτό το σκοπό διενεργείται μια αριθμητική παραμετρική ανάλυση σε αντιπροσωπευτικά συστήματα σήραγγα-έδαφος-υπέργειες κατασκευές, με τις τελευταίες να προσομοιώνονται απλοποιητικά ως μονοβάθμιοι ταλαντωτές. Οι υπέργειες κατασκευές εντοπίζονται πλευρικά της σήραγγας, αφού αυτή κατασκευάζεται με τη μέθοδο εκσκαφής και επανεπίχωσης. Εξετάζονται αρκετά θέματα που σχετίζονται άμεσα με τη δυναμική απόκριση της σήραγγας, όπως η σχετική δυσκαμψία εδάφους-σήραγγας, ο αριθμός και το ύψος των κατασκευών και η χρήση ή όχι μιγμάτων άμμου/ελαστικών. Για την πλειονότητα των περιπτώσεων, παρατηρείται μια μείωση των διατμητικών παραμορφώσεων και μια αύξηση των στροφών των σηράγγων, όταν λαμβάνεται υπόψη η ύπαρξη υπέργειων κατασκευών. Κρίνεται απαραίτητο να γίνει περαιτέρω έρευνα επί του θέματος, ώστε να ποσοτικοποιηθούν ακριβέστερα σε όρους μηχανικής οι επιπτώσεις της παρουσίας υπέργειων κατασκευών στη σεισμική απόκριση σηράγγων που υπόκεινται αυτών σε αστικές περιοχές.
description: Underground structures, tunnels, subways, and parking lots, are crucial components of the build environment and transportation networks. Considering their importance for life save and economy, appropriate seismic design is of prior significance. Their seismic performance during past earthquakes is generally better than aboveground structures. However several cases of severe damage to total collapse have been reported in the literature. These recent damages revealed some important weaknesses in the current seismic design practices. It is important to consider that the specific geometric and conceptual features of underground structures make their seismic performance very distinct from the behavior of aboveground structures, as they are subjected to strong seismic ground deformations, rather than inertial loads. This thesis aims at investigating the dynamic response of rectangular tunnels embedded in soft soils. The problem is investigated in the transversal direction, by means of dynamic analyses that are performed on representative soil-tunnel systems and are carried out using the finite element code ABAQUS, assuming a linear elastic behavior for both the soil and the tunnel. Crucial parameters affecting the response are accounted for in this parametric study, namely: the soil to tunnel relative flexibility, the soil-tunnel interface characteristics, the tunnel dimensions, the tunnel burial depth and the soil’s Poisson ratio. To connect the results of this study with the existing literature, it is chosen to present the results in much the same way as in Wang (1993), i.e. in the form of practical design charts plotting the relative racking stiffness (the ratio of structural distortion to free-field racking displacements) and the rigid rotation of the tunnel as a function of the flexibility ratio. Among other findings, numerical results indicate a rocking deformation mode coupled with a racking distortion of tunnels during seismic shaking. The use of granulated scrap tires in mixtures with sand has been proposed the last years as an alternative way to exploit the vast stockpiles of available scrap tires for the improvement of the seismic performance of structures. In this regard, a second objective of this thesis is to investigate whether the use of rubber-sand mixtures (RSM) around the tunnel affects in a beneficial way its seismic performance. The effects of the RSM layer are investigated in terms of tunnel deformations, dynamic earth pressures and lining dynamic internal forces. Preliminary results presented herein indicate a rather good performance of this “isolation” system. Finally, the study discusses the effect of above-ground structures on the transversal seismic response of tunnels in urban areas. For this purpose, a numerical parametric study is conducted on representative tunnel-soil-above ground structures systems, with the latter being simulated as simple-degree of freedom oscillators. The above ground structures are located aside the tunnel, assuming that the tunnel is constructed with a cut and cover method. Several crucial issues related with the dynamic response are accounted, namely: the soil-tunnel relative flexibility, the number and height of above ground structures and the use or not of rubber-sand mixtures. For the majority of the cases, results indicate that the consideration of above ground structures results in a decrease of the racking distortion and an increase of the rocking deformation of the tunnels, compared to the free field conditions case. Further research deemed to be necessary to further understand and rigorously quantify in engineering terms, the effects of above ground structures on the dynamic response of tunnels, passing below these structures in urban areas.