Μελέτη της επιρροής της βελτίωσης του εδάφους στη δυναμική αλληλεπίδραση εδάφους-θεμελίωσης-ανωδομής

Abstract

This dissertation deals with the seismic performance of elastic or yielding structures on improved foundation ground. Part of this dissertation attempts to put the selection of improved ground properties in the case of granular columns on a more solid basis. The purpose of the dissertation is to highlight the effects of soil replacement and soil-foundation-structure interaction on the effective input base motion of the structure in the form of the combined pseudoacceleration-displacement response spectra (also known as demand spectra), which are used by established performance assessment methods, and their combined effect on the seismic performance of the superstructure. The dissertation uses to this end finite element analyses of coupled soil-foundation-structure systems, in which the structure is modeled with an elastic and a yielding single degree-of-freedom (reversed pendulum) oscillator as well. As far as foundation ground improvement is concerned, the dissertation focuses on the case of typical stone columns and granular columns by mixtures of gravel and granulated rubber. Initially the results are discussed based on the differences between the numerically calculated demand spectra under free field conditions on natural and improved soil. Then the discussion is expanded by taking into account, when calculating the demand spectra at the base of the structure, the soil-foundation-structure interaction effects and finally structural yield. All employed numerical methods are put through a series of validation checks against analytical and other already validated numerical methods. In order to estimate the properties of the equivalent homogenous material of an improved foundation soil with stone columns or columns of a gravel-granulated rubber mixture the homogenization Mori-Tanaka method is employed. This method returns seven anisotropic material parameters. For practical applications it is suggested that only the shear modulus corresponding to the vertical plane, in which shear deformations are caused by traveling seismic waves, as it suffices for the calculation of the seismic surface ground motion. This analytical method and the results of three-dimensional finite element analyses of a typical improved soil cell agree qualitatively. In contrast, the typical assumption of equal shear strains or equal shear stresses between the piles and the soil is not verified. Therefore, the results agree with the literature in that the phenomenon of the concentration of seismic stresses in a ground improved with stone columns needs further investigation.

Η διατριβή αυτή αφορά στη σεισμική επίδοση ελαστικών ή ανελαστικών κατασκευών σε βελτιωμένο έδαφος θεμελίωσης. Μέρος της διατριβής αυτής αποσκοπεί να θέσει την επιλογή των ιδιοτήτων του βελτιωμένου εδάφους στην περίπτωση των χαλικοπασσάλων σε πιο ορθή βάση. Ο στόχος της μελέτης είναι να τονιστεί η επιρροή της αντικατάστασης του εδάφους και της αλληλεπίδρασης εδάφους-θεμελίωσης-ανωδομής στην κίνηση της βάσης της κατασκευής υπό τη μορφή των συνδυασμένων φασμάτων απόκρισης ψευδοεπιτάχυνσης-μετατόπισης, τα οποία χρησιμοποιούνται από καθιερωμένες μεθόδους αποτίμησης, και η επιρροή τους στη σεισμική επίδοση της ανωδομής. Για το σκοπό αυτό η διατριβή αυτή χρησιμοποιεί αναλύσεις πεπερασμένων στοιχείων συζευγμένων συστημάτων εδάφους-θεμελίωσης-ανωδομής, στα οποία η κατασκευή προσομοιώνεται τόσο με ελαστικό όσο και ανελαστικό μονοβάθμιο ταλαντωτή. Όσον αφορά στη βελτίωση του εδάφους, έμφαση δίνεται στους τυπικούς χαλικοπασσάλους και σε πασσάλους από χάλικες και κοκκώδες ελαστικό. Αρχικώς τα αποτελέσματα αναλύονται με βάση τις διαφορές ανάμεσα στα φάσματα απαίτησης που υπολογίζονται αριθμητικά υπό συνθήκες ελευθέρου πεδίου στο φυσικό και στο βελτιωμένο έδαφος. Έπειτα η συζήτηση επεκτείνεται συμπεριλαμβάνοντας κατά τον υπολογισμό των φασμάτων απαίτησης στη βάση της κατασκευής τα φαινόμενα αλληλεπίδρασης-εδάφους-κατασκευής και εν τέλει την ανελαστική συμπεριφοράς της κατασκευής. Όλες αριθμητικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται υποβάλλονται σε μια σειρά ελέγχων βαθμονόμησης με βάση αναλυτικές μεθόδους και ήδη βαθμονομημένες αριθμητικές μεθόδους. Προκειμένου να εκτιμηθούν οι ιδιότητες του ισοδύναμου ομοιόμορφου υλικού ενός εδάφους βελτιωμένου με χαλικοπασσάλους ή πασσάλους από μίγμα χαλίκων και κοκκώδους ελαστικού εφαρμόζεται η αναλυτική μέθοδος ομογενοποίησης Mori-Tanaka. Από τη μέθοδο αυτή προκύπτουν επτά παράμετροι ενός ανισότροπου υλικού. Για πρακτικές εφαρμογές προτείνεται η χρήση μόνον του μέτρου διάτμησης που αντιστοιχεί στο κατακόρυφο επίπεδο στο οποίο προκαλούνται διατμητικές παραμορφώσεις από τα σεισμικά κύματα, καθώς επαρκεί για τον υπολογισμό της σεισμικής κίνησης στην επιφάνεια του εδάφους. Η αναλυτική μέθοδος και τα αποτελέσματα των τρισδιάστατων αναλύσεων πεπερασμένων στοιχείων της τυπικής εδαφικής κυψέλης συμφωνούν ποιοτικά. Αντιθέτως, η τυπική παραδοχή ίσων παραμορφώσεων ή τάσεων ανάμεσα στους πασσάλους και στο έδαφος που τους περιβάλλει δεν επαληθεύεται. Έτσι, η διατριβή καταλήγει σε συμφωνία με τη βιβλιογραφία στο ότι η συγκέντρωση τάσεων σε έδαφος ενισχυμένο με χαλικοπασσάλους απαιτεί περαιτέρω διερεύνηση.