Σεισμική συμπεριφορά κυκλικών σηράγγων-Αριθμητική προσομοίωση πειραμάτων σε φυγοκεντριστή:
Creators: name: Τρικαλιώτη, Αρετή-Δέσποινα Γεωργίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2012
Subjects: Κυκλικές σήραγγες
Πειράματα σε φυγοκεντριστή
Προσομοίωση
Circular tunnels
Centrifuge tests
Abaqus

description: Οι υπόγειες κατασκευές και οι σήραγγες αποτελούν βασικές συνιστώσες των κατασκευών. Λαμβάνοντας υπόψη τη σημασία τους, ο ορθός αντισεισμικός σχεδιασμός τους είναι πρωταρχικής σημασίας ιδιαίτερα για σεισμογενείς περιοχές. Η σεισμική συμπεριφορά τους διαφοροποιείται από εκείνη των υπέργειων κατασκευών και η έλλειψη γνώσης σχετικά με αυτή, κάνει τον αντισεισμικό σχεδιασμό μια πολύ απαιτητική διαδικασία. Για το σκοπό αυτό, διενεργήθηκαν δοκιμές σε φυγοκεντριστή το 2007 σε κυκλικά μοντέλα σηράγγων ενσωματωμένα σε ξηρή άμμο. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν στις εγκαταστάσεις φυγοκέντρησης του Πανεπιστημίου του Cambridge με ερευνητές του Πανεπιστημίου της Νάπολης Federico II, στα πλαίσια του Ιταλικού ερευνητικού προγράμματος ReLUIS. Τα αποτελέσματα των δύο περιπτώσεων δοκιμών τίθενται στη διάθεση της επιστημονικής κοινότητας μέσω της οργάνωσης Round Robin Tunnel Test (RRTT). Κύριο αντικείμενο της παρούσας εργασίας αποτέλεσε η αριθμητική μοντελοποίηση των πειραματικών δοκιμών, προκειμένου να κατανοήσουμε καλύτερα τη σεισμική συμπεριφορά των κυκλικών σηράγγων. Η τελική σύσταση και τα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν παρουσιάζονται στο Σχήμα 2. Τα μοντέλα υποβλήθηκαν σε ημιτονοειδείς διεγέρσεις αυξανόμενου πλάτους και συχνότητας. Τα αποτελέσματα έδειξαν μικρή ενίσχυση των οριζόντιων επιταχύνσεων και σημαντικές καθιζήσεις. Επιπλέον, αναφέρθηκαν μόνιμες τιμές για τα εντατικά μεγέθη.Για την αριθμητική προσομοίωση των δοκιμών, χρησιμοποιήθηκε ο κώδικας ABAQUS. Πραγματοποιήθηκαν πλήρεις δυναμικές αναλύσεις των συστημάτων εδάφους-σήραγγας υπό συνθήκες επίπεδης παραμόρφωσης (Σχήμα 3). Το έδαφος διαμορφώθηκε ως ένα γραμμικό ιξωδο-ελαστικό υλικό για μια πρώτη σειρά αναλύσεων, ενώ για τις τελικές αναλύσεις χρησιμοποιήθηκε ένα μοντέλο κινηματικής κράτυνσης με κριτήριο αστοχίας Von-Mises. Αρκετές περιπτώσεις εξετάστηκαν σχετικά με τη διεπιφάνεια εδάφους-σήραγγας. Οι αριθμητικές προβλέψεις συγκρίθηκαν με τα πειραματικά αποτελέσματα όσον αφορά τις επιταχύνσεις, τις διατμητικές παραμορφώσεις του εδάφους και τα εντατικά μεγέθη της σήραγγας. Από τις συγκρίσεις, προέκυψαν τα εξής : Για τις ισοδύναμες ελαστικές αναλύσεις:  Yπήρξε επιτυχημένη προσέγγιση των επιταχύνσεων .  Η αριθμητική ανάλυση δεν κατάφερε να προσεγγίσει την ακριβή εξέλιξη των ροπών κάμψης. Ωστόσο, τα αποτελέσματα από την άποψη των μεγίστων τιμών ήταν ικανοποιητικά. Οι μέγιστες τιμές υπολογίζονται ως το μέγιστο του ημι-πλάτους των κύκλων φόρτισης των χρονοϊστοριών.  Οι υπολογιζόμενες αξονικές δυνάμεις βρέθηκαν να αποκλίνουν σημαντικά από τις πειραματικές τιμές (πάνω από μία τάξη μεγέθους). Η διαφορά αυτή μπορεί να αποδοθεί είτε σε σφάλμα κατά τη διάρκεια της εγγραφής είτε σε σφάλμα των αριθμητικών μοντέλων.  Τα αποτελέσματα των θεωρητικών λύσεων είναι σε σχετικά καλή συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα για τις ροπές κάμψης. Οι όποιες διαφορές μπορεί να αποδοθούν στις πλαστικές παραμορφώσεις του εδάφους που δεν μπορούν να αναπαραχθούν επακριβώς από τις θεωρητικές λύσεις. Για τις ελαστοπλαστικές αναλύσεις :  Οι υπολογιζόμενες επιταχύνσεις προσέγγισαν αρκετά καλά τα πειραματικά δεδομένα. Τυχόν αποκλίσεις των αποτελεσμάτων αποδίδονται στις διαφορές μεταξύ της δυσκαμψίας και της απόσβεσης ,που προβλέπονται για κάθε διέγερση, του αριθμητικού μοντέλου σε σχέση με τις πραγματικές τιμές. Αναφορικά με τις αξονικές δυνάμεις μεταξύ ελαστοπλαστικών αναλύσεων και πειραματικών δεδομένων υπήρξε μεγάλη διαφορά, ίδιας τάξης μεγέθους με αυτές των ελαστικών αναλύσεων, που έχει ήδη αναφερθεί.  Η ελαστοπλαστική ανάλυση δεν κατάφερε να αναπαράγει την ακριβή εξέλιξη των ροπών κάμψης, αν και παρατηρήθηκαν παρόμοιες τιμές. Ωστόσο, τα αποτελέσματα από την άποψη των μεγίστων τιμών ήταν σε σχετικά καλή συμφωνία (καλύτερη από τις ελαστικές αναλύσεις).Διαπιστώθηκαν για την σύγκριση με τις θεωρητικές λύσεις ,οι ίδιες παρατηρήσεις με τις ελαστικές αναλύσεις ,με την διαφορά ότι οι ροπές που προέκυψαν από τις ελαστοπλαστικές αναλύσεις προσεγγίζουν καλύτερα τα αποτελέσματα των θεωρητικών λύσεων σε σύγκριση με τις ελαστικές αναλύσεις.  Και πάλι, οι υπολογιζόμενες αξονικές δυνάμεις βρέθηκαν να διαφέρουν σημαντικά από τις πειραματικές τιμές (πάνω από μία τάξη μεγέθους).  Τα αποτελέσματα των θεωρητικών λύσεων είναι σε σχετικά καλή συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα για τις ροπές κάμψης. Οι διαφορές μπορεί να αποδοθούν στις πλαστικές παραμορφώσεις εδάφους που δεν αποδίδονται από τις θεωρητικές λύσεις. Τέλος, μπορεί να ειπωθεί ότι το μοντέλο δεν ήταν σε θέση να προσεγγίσει το μέγεθος των καθιζήσεων.
description: Underground structures and tunnels constitute crucial components of the build environment. Considering their significance, their rational seismic design is of prior importance especially in seismic prone areas. Their seismic performance is generally very distinct from that of aboveground structures. The lack of knowledge, regarding this behavior, that is reflecting on the lack of specific guidelines and code regulations makes the seismic design a very demanding procedure. To this end, dynamic centrifuge tests were carried out in 2007, on circular tunnel models embedded in dry sand. The tests were performed at the geotechnical centrifuge facility of the University of Cambridge by researchers of University of Napoli Federico II, within the framework of the ReLUIS Italian Research Project. The results of two test cases were made available to the scientific community within the Round Robin Tunnel Test (RRTT) organization. The main objective of this thesis is to numerically model the test cases, in order to better understand the seismic behavior of circular tunnels. The tests set up and the instrumentation are presented in Figure 2. The soil-tunnel systems were subjected to sine wavelets of increasing amplitude and frequency. The results indicated small amplification of the horizontal accelerations, while the soil settlements found to be increased. Moreover, residuals values were reported for the internal forces. For the numerical simulation of the tests, we used the general purpose FE code ABAQUS. Full dynamic time history analyses of the coupled soil-tunnel systems were performed, under plane strain conditions (Figure 3). Linear elastic behavior was assumed for the tunnel specimen. The soil behavior was modelled as (i) a linear visco-elastic material for a first series of analyses, while for the final analyses a kinematic hardening model with a Von-Mises failure criterion was used. Several assumptions were adopted regarding the soil-tunnel interface. The numerical predictions were compared with the experimental results in terms of accelerations, soil shear strains and tunnel internal forces. The main conclusions may be summarized as follows: Equivalent linear analyses:  The computed accelerations are in very good agreement with the experimental data.  Numerical analyses did not manage to capture the exact evolution of the bending moments (i.e. residuals). However, the results in terms of dynamic increments were in relatively good agreement. The latter are computed as the maximum of the semi-amplitude of the cycles of the time histories.  The computed axial forces were found to significantly deviate from the experimental values (over an order of magnitude). This difference may be attributed to either an error during the recording or an error of the numerical models.  The results of the closed form solutions are in a relatively good agreement with the experimental results for the bending moments. The reported differences may be attributed to the soil plastic deformations that are not captured by the theoretical solutions. Elasto-plastic analyses:  The computed accelerations are found to be in a relatively good agreement with the experimental data. Any deviations of the results are attributed to the differences between the stiffness and damping that the numerical model predicts for each shake with respect to the actual values.  As for the elastic analyses, the elasto-plastic analyses did not manage to capture the exact evolution of the bending moments, although similar phenomena were observed (i.e. residual values). However, the results in terms of dynamic increments were in relatively good agreement (better than the elastic analyses).  Again, the computed axial forces were found to significantly differ from the experimental values (over an order of magnitude).  The results of the closed form solutions are in a relatively good agreement with the experimental results for the bending moments. The differences may be attributed to the soil plastic deformations that are not captured from the theoretical solutions. Finally, it can be said that the model was not able to approach the magnitude of the soil settlements.