Ανάλυση σεισμικής τρωτότητας γεφυρών από σκυρόδεμα

Abstract

The mail goal of the present thesis is the analytical derivation of fragility curves for modern reinforced concrete motorway bridges. At first, a classification scheme for greek bridges is developed based on their structural characteristics and the seismic energy dissipation mechanism. Then, an analytical procedure for the derivation of fragility curves is developed, where damage states, including possible damage developed at the abutment-backfill system, are defined using deck displacement at characteristic points of ‘typical’ bridge pushover curves, which are defined on the basis of the seismic energy dissipation mechanism consistently with the proposed classification scheme. Application of the proposed methodology to four bridges shows that the critical direction is the longitudinal one, where damage developed at the abutment-backfill system is critical for smaller longitudinal gap lengths. Up to this point, the single-component seismic action acts only along the principal directions of the bridge. Subsequently, the effect of the angle of incidence of the seismic action is investigated in the frame of dynamic analysis considering one or both horizontal earthquake components. The results show that the plastic hinge formation mechanism is strongly dependent on the earthquake direction and the consideration of the seismic action as single- or two-component. Furthermore, representative dynamic pushover curves are defined in order to describe the bridge response in terms of V-δ diagrams. Afterwards, a methodology for the pushover analysis of bridges for arbitrary angle of incidence of the seismic action is developed, which is verified against dynamic analyses results, and is then used to extend the analytical methodology for the derivation of fragility curves. The application of the extended methodology shows that although bridge fragility is strongly affected when the secondary horizontal earthquake component is taken into account, it is practically independent from the angle of incidence of the seismic action. Finally, the proposed analytical methodology is applied to derive site-specific fragility curves, which are compared with empirical fragility curves based on damage data from the USA and Japan. The resulting differences are mainly attributed to the definition of damage states (conservative or not) and parameters ignored in the analytical procedure, which mainly affect the estimation of bridge fragility in the transverse direction.

Κύριο αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι ο αναλυτικός προσδιορισμός πιθανοτικών καμπυλών τρωτότητας για σύγχρονες οδογέφυρες από σκυρόδεμα. Αρχικώς, προτείνεται ένα σύστημα για την ταξινόμηση των ελληνικών γεφυρών με βάση τα δομικά χαρακτηριστικά τους και τον μηχανισμό απορρόφησης της σεισμικής ενέργειας. Ακολούθως, αναπτύσσεται μια αναλυτική μεθοδολογία εξαγωγής καμπυλών τρωτότητας γεφυρών συμβατή με το προτεινόμενο σύστημα ταξινόμησης, καθότι διαφοροποιείται βάσει του μηχανισμού απορρόφησης της σεισμικής ενέργειας στον καθορισμό των ‘τυπικών’ καμπυλών αντίστασης επί των οποίων ποσοτικοποιούνται οι βλάβες στη γέφυρα και στο σύστημα ακρόβαθρο-επίχωμα-θεμελίωση (ΑΕΘ) με χρήση της μετακίνησης του καταστρώματος. Από την εφαρμογή της σε τέσσερις γέφυρες κρίσιμη προκύπτει η διαμήκης διεύθυνση, όπου οι βλάβες στο σύστημα ΑΕΘ είναι κρισιμότερες με τη μείωση του εύρους του διαμήκους αρμού. Μέχρι εδώ, θεωρείται μόνο η μία οριζόντια σεισμική συνιστώσα ασκούμενη κατά τις κύριες διευθύνσεις της γέφυρας. Γι’ αυτό, στη συνέχεια, διερευνάται η επιρροή της γωνίας πρόσπτωσης του σεισμού, θεωρώντας τη μια ή και τις δύο οριζόντιες συνιστώσες του, μέσω δυναμικών αναλύσεων, από τις οποίες διαπιστώνεται η εξάρτηση του μηχανισμού σχηματισμού πλαστικών αρθρώσεων από τη διεύθυνση πρόσπτωσης του σεισμού και από τη θεώρηση της μιας ή και των δύο οριζόντιων συνιστωσών του και καθορίζονται οι αντιπροσωπευτικές δυναμικές καμπύλες αντίστασης για την περιγραφή της συμπεριφοράς σε όρους V-δ. Ακολούθως, αναπτύσσεται μια μεθοδολογία για τη στατική ανελαστική ανάλυση γεφυρών υπό τυχούσα γωνία πρόσπτωσης του σεισμού, επαρκής με βάση τα αποτελέσματα των δυναμικών αναλύσεων, και χρησιμοποιείται για την επέκταση της αναλυτικής μεθοδολογίας εξαγωγής καμπυλών τρωτότητας, από την εφαρμογή της οποίας προκύπτει ότι η τρωτότητα διαφοροποιείται σημαντικά με τη συνεκτίμηση της δευτερεύουσας οριζόντιας συνιστώσας του σεισμού, ωστόσο παραμένει πρακτικώς αμετάβλητη από τη διεύθυνση πρόσπτωσής του. Τέλος, οι αναλυτικά εξαχθείσες καμπύλες τρωτότητας ανάγονται στα μέσα φάσματα των σεισμών του Kobe (Ιαπωνία) και του Northridge (ΗΠΑ) με εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας για τη βαθμονόμησή της με βάση εμπειρικές καμπύλες τρωτότητας από τα αντίστοιχα δεδομένα σεισμικών βλαβών, απ’ όπου διαπιστώνεται ο συντηρητικός ή μη καθορισμός των σταθμών βλάβης και η σημαντική επιρροή των παραγόντων που αγνοήθηκαν κατά την αναλυτική προσέγγιση στην αποτίμηση της τρωτότητας της εγκάρσιας διεύθυνσης.