Πειραματική και αριθμητική διερεύνηση της βελτίωσης της σεισμικής απόκρισης κατασκευών με την χρήση μιγμάτων ανακυκλωμένων υλικών στο έδαφος θεμελίωσης

Abstract

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. Moreover, the clean soil and rubber materials are studied. The ratio of the mean grain size for the tested materials, D50r/D50s, in the case of sand/rubber mixtures equals to 4:1 and in the case of gravel/rubber mixtures equals to 1:2. The tested specimens are saturated and dense, with void ratio approximately equal to 0.7.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 available range of shear deformation for the resonant column device is about γ=10-5% to 7∙10-2%. The cyclic triaxial device allows for the investigation of the dynamic properties of the materials in a shear deformation range of about γ=10-4% to 2%, depending on the type of the material. The dynamic properties under investigation are 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.Moreover, the effect of the confining pressure, the load frequency and the number of load cycles in the value of the initial shear modulus, Go, and the initial damping ratio, DTo, is studied. The applied confining pressure ranges between 25kPa and 200kPa. Towards studying the effect of load frequency, the applied confining pressures is 400kPa. In this case the specimen is in a more stiff state and the effect of load frequency is more intense. The load frequencies applied are 0.5-1.0-2.0Hz and 3.0Hz. The effect of the number of load cycles is studied for a maximum number of 50 cycles.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 increase of the rubber inclusion in the mixture leads to the decrease of the shear modulus and increase of the damping ratio. However, the increase of the damping ratio is observed for low (γ≈2∙10-5%) and for high (γ≥1%) shear strain level. For a shear strain within the range of γ=10-2% up to 1%, a decrease in the value of damping ratio is observed when increasing the rubber content of the mixture. This behavior is caused due to the different mechanisms that are active for different strain levels. The experimental data as well as the proposed curves are compared to existing curves from the literature, for clean granular materials and mixtures with granulated rubber.The strength of the mixtures of the current study is tested by means of monotonic triaxial testing under drained loading conditions (CD). Based on the experimental data, the values of Young’s modulus, E, dilation angle, ψ, and the strength parameters according to the Mohr-Coulomb and Drucker-Prager yield criteria are reported. 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 experimental data of the current study, allows for the calibration of the hardening and softening behavior of the mixtures, according to the Drucker-Prager yield criterion. In the following analytical procedure using finite element analysis, this is the applied material non-linearity. The Drucker-Prager yield criterion is used due to the failure mode that the granular soils/rubber mixtures present and due to more precise adaptation to the experimental procedure used.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 analysis with the code Abaqus. The structure is simulated in the form of a single degree of freedom oscillator, in order to obtain more generalized results. The improvement material is considered to be non-linear and moreover the interface between the structure and the improvement material allows for slipping and detachment of the foundation. The overall approach of the soil-structure interaction problem that is performed, allows for a realistic study on the effect of the proposed method on the seismic performance of the structure. The data from the existing literature on the proposed seismic isolation technique is limited and there is no evidence of quantifying the effect and the limitations of the method. The parametric study of the problem, as applied in the current thesis, allows for the composition of empirical relations that can be used to estimate the effect of the proposed seismic isolation technique on the base shear and drift displacement of the structure. Moreover, the overall approach on the problem of improved soil-structure interaction, leads to the determination of realistic limitations of the proposed method, in terms of rubber inclusion and geometrical characteristics of the isolation soil and the structure. The proposed limits set the boundaries of an effective implementation of the method, without jeopardizing the overall stability of the structure during a seismic excitation.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. In the case of mixture with rubber inclusion ≥40% per unit weight and a structure with slenderness λ≥4.0, instability due to overturning of the structure is observed. However, in the case of a less slender structure, λ≤2.0, the soil/rubber mixture layer proves to be very efficient, and reduces the base shear value up to 60%, in the case of mixture with rubber inclusion 60% per unit weight. The effectiveness of the isolation layer is of course affected by the dynamic properties of the structure and the characteristics of the input motion. Slipping motion of the structure is not observed in the case of applying soil/rubber mixtures as foundation material and the its effect is not of importance, compared to the case of using pure soil as foundation material. The limitations of the implementation of the proposed seismic isolation technique are proposed from the scope structure overturning and are 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, as a state of the art approach to the problem of a structure’s seismic excitation.

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. Ο λόγος της μέσης διαμέτρου κόκκων των δύο υλικών του μίγματος, D50r/D50s, είναι στην περίπτωση των μιγμάτων άμμου/ελαστικών ίσος με 4:1 και στην περίπτωση των μιγμάτων χαλικιών/ελαστικών ίσος με 1:2. Τα δοκίμια των μιγμάτων και των καθαρών εδαφικών υλικών που εξετάζονται είναι κορεσμένα και πυκνά, με δείκτη πόρων περίπου ίσο με 0.7.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. Το εύρος παραμορφώσεων που εφαρμόζεται με τη συσκευή στήλης συντονισμού κυμαίνεται στο εύρος τιμών γ=10-5% έως 7∙10-2%. Η δοκιμή ανακυκλικής τριαξονικής φόρτισης, επιτρέπει τη μελέτη των δυναμικών ιδιοτήτων των υλικών σε εύρος παραμορφώσεων γ=10-4% έως 2%, ανάλογα και με τη φύση του υλικού. Η μελέτη των δυναμικών ιδιοτήτων των μιγμάτων πραγματοποιείται σε όρους αρχικού μέτρου διάτμησης, Go, αρχικού ποσοστού απόσβεσης, DTo, και της εξέλιξής τους με την ανάπτυξη των διατμητικών παραμορφώσεων, υπό μορφή καμπυλών G-γ-D.Επιπλέον, μελετάται η επιρροή της επιβαλλόμενης περιβάλλουσας τάσης στην τιμή των δυναμικών χαρακτηριστικών των μιγμάτων καθώς επίσης και η επιρροή της συχνότητας φόρτισης και του αριθμού των κύκλων φόρτισης στην τιμή του αρχικού μέτρου διάτμησης, Go, και του αρχικού ποσοστού απόσβεσης, DTo. Η επιβαλλόμενη περιβάλλουσα τάση κατά την εκτέλεση των πειραματικών δοκιμών κυμαίνεται από 25kPa έως 200kPa. Για τη μελέτης της επιρροής της συχνότητας φόρτισης, η περιβάλλουσα τάση που επιβάλλεται είναι 400kPa ώστε το υλικό να βρίσκεται κατά το δυνατόν στην πιο άκαμπτη κατάστασή του και η συχνότητα της φόρτισης να εμφανίζει τη σημαντικότερη επιρροή. Οι συχνότητες φόρτισης για τις οποίες εξετάζονται τα υλικά είναι 0.5-1.0-2.0 και 3.0Hz. Η επιρροή του αριθμού των κύκλων φόρτισης, εξετάζεται για μέγιστο αριθμό 50 κύκλων 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 προσθήκη του ελαστικού στο μίγμα οδηγεί σε μείωση του μέτρου διάτμησης και σε αύξηση του ποσοστού απόσβεσης. Ωστόσο η αύξηση του ποσοστού απόσβεσης παρατηρείται σε μικρές (γ≈2∙10-5%) και σε μεγάλες (γ≥1%) διατμητικές παραμορφώσεις. Σε ένα εύρος μέσων διατμητικών παραμορφώσεων της τάξης του γ=10-2% έως 1%, παρατηρείται εν γένει μία μείωση του ποσοστού απόσβεσης με την αύξηση του ποσοστού ελαστικού. Η συμπεριφορά αυτή του ποσοστού απόσβεσης οφείλεται στη διαφοροποίηση των μηχανισμών που αναπτύσσονται ανάλογα με το επίπεδο παραμόρφωσης. Τα πειραματικά αποτελέσματα καθώς και η μορφή των καμπυλών των προτεινόμενων συσχετίσεων, συγκρίνονται με αντίστοιχες προτεινόμενες στη βιβλιογραφία για κοκκώδη εδάφη και μίγματα κοκκωδών εδαφών με κοκκοποιημένα ελαστικά.Η αντοχή των μιγμάτων κοκκωδών εδαφών με κοκκοποιημένα ελαστικά εξετάζεται με δοκιμές μονοτονικής τριαξονικής φόρτισης υπό στραγγιζόμενες συνθήκες (CD). Με βάση τα πειραματικά δεδομένα, εκτιμώνται το μέτρο ελαστικότητας, Ε, η γωνία διαστολής, ψ, και οι παράμετροι αντοχής των κριτηρίων αστοχίας Mohr-Coulomb και Drucker-Prager. 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.Τα πειραματικά δεδομένα των δοκιμών μονοτονικής τριαξονικής φόρτισης χρησιμοποιούνται για τη βαθμονόμηση της κράτυνσης, μετά τη διαρροή, των μιγμάτων, βάσει του κριτηρίου αστοχίας Drucker-Prager. Αυτού του τύπου η μη γραμμική απόκριση υλικού εφαρμόζεται κατά την εκτέλεση των αναλύσεων πεπερασμένων στοιχείων της παρούσας μελέτης. Η επιλογή του κριτηρίου αστοχίας στηρίζεται στη μορφή αστοχίας που εμφανίζουν τα μίγματα κοκκωδών εδαφών με κοκκοποιημένα ελαστικά και στην πειραματική διαδικασία που ακολουθείται για την εκτίμηση των παραμέτρων αντοχής.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 πλήρης προσομοίωση του συστήματος εδάφους-κατασκευής που εφαρμόζεται, επιτρέπει την ρεαλιστικότερη μελέτη της προτεινόμενης μεθόδου επέμβασης καθώς είναι δυνατόν να μελετηθούν φαινόμενα ολίσθησης και κυρίως ανατροπής της κατασκευής. Τα βιβλιογραφικά δεδομένα είναι εξαιρετικά περιορισμένα όσο αφορά την προτεινόμενη μέθοδο σεισμικής μόνωσης των κατασκευών και παρουσιάζεται έλλειψη στην ποσοτικοποίηση της επιρροής της στα σεισμικά μεγέθη της κατασκευής και στα όρια εφαρμογής της. 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. Επιπλέον, η συνολική μελέτη του προβλήματος της αλληλεπίδρασης βελτιωμένου εδάφους-κατασκευής που εφαρμόζεται, επιτρέπει τον καθορισμό ρεαλιστικών ορίων ποσοστού ελαστικού και γεωμετρικών χαρακτηριστικών της επέμβασης και της κατασκευής, ώστε η προτεινόμενη μέθοδος σεισμικής μόνωσης να είναι αποτελεσματική χωρίς να θέτει σε κίνδυνο τη συνολική ευστάθεια της κατασκευής κατά τη σεισμική διέγερση.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. Για ποσοστό ελαστικού στο μίγμα ≥40% κ.β., παρατηρείται εν γένει απώλεια ευστάθειας της κατασκευής με ανατροπή, στην περίπτωση που η λυγηρότητά της είναι λ≥4.0. Ωστόσο, στην περίπτωση λιγότερο λυγηρών κατασκευών, με τιμή λ≤2.0, η επιρροή της επέμβασης με μίγματα είναι εξαιρετικά ευνοϊκή, ακόμη και για ποσοστό ελαστικού 60% κ.β. μίγματος, οδηγώντας σε μείωση της σεισμική τέμνουσας βάσης έως και 60%. Η επιρροή της επέμβασης βέβαια εξαρτάται και από τα δυναμικά χαρακτηριστικά της κατασκευής όπως και από τα χαρακτηριστικά της διέγερσης. Τα φαινόμενα ολίσθησης της κατασκευής με βελτιωμένο έδαφος θεμελίωσης εν γένει δεν είναι σημαντικά, ή τουλάχιστον δεν είναι σημαντικότερα συγκριτικά με την περίπτωση έδρασης επί αμιγούς εδαφικού υλικού. 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.) ως πιο εποπτικής μεθόδου ελέγχου της σεισμικής απόκρισης των κατασκευών.