Non-linear seismic interaction between soil and slender structure

Abstract

The dissertation provides theoretical and experimental support to the concept ofdeliberately seismically under-designing shallow foundations to invoke strong below-groundnonlinearity in the form of rocking, and thereby render RC structures safe under intenseseismic excitation. To this end,(I) A series of small-scale (1-g) and centrifuge tests are conducted investigating theperformance of elastic single bridge pier models supported on shallow foundations ofdifferent sizes. Static and seismic loading scenarios explore the potential benefits andlimitations of under-designed rocking foundations in comparison to conventionalalternatives. (II) A validated nonlinear numerical method is developed to provide further insights onthe different shallow foundation response mechanisms with emphasis on soil failure. Themethodology of Anastasopoulos et al. [2010] is incorporated and extended to account forscale effects in cohesionless soil. (III) For a realistic modelling of the nonlinear response of the superstructure, the novelsmall-scale physical model of Knappett et al [2011] is utilized and further developed tofabricate 1:50 scaled replicas of well-confined modern RC bridge piers. A total of 26 suchpiers were constructed. The validity of their response was verified by a number of 4-pointbending tests. (IV) Four shaking table centrifuge tests investigate and compare the performance of twoRC model bridge piers, having the same structural section in each case, but with twodifferent foundation designs — a conventional design and a rocking isolation design. Eachalternative is tested under two different seismic loading scenarios, where the sequence ofreal ground motions was imposed at the soil model base in such an order as to allow alsoinvestigation of the effect of the exact seismic history. (V) To improve rocking isolation design so as to avoid large foundation settlements, anadditional set of 9 centrifuge tests (4 static and 5 dynamic) are conducted involving severalhybrid foundation schemes. In these schemes the shallow rocking footing is suitably“strengthened” by geometrical modifications or various means of soil improvement: (i) avariable–geometry foundation, whose small rocking stiffness and capacity increase withfoundation rotation after some threshold angle; (ii) a rocking-isolated footing standing ontop of an appropriately designed “cofferdam”, which provokes uplifting by hindering theformation of bearing capacity failure mechanisms under the footing; (iii) combineddensification with a 2 x 2 group of unconnected piles (one under each foundation corner);and (iv) a grid of micro-pile inclusions. The results demonstrate the virtues of rocking-isolation shallow foundations, which stemfrom: (i) reducing accelerations transmitted onto the deck; (ii) increasing system ductility; (iii) limiting permanent deck drifts; and (iv) increasing resistance against damageaccumulation in successive earthquakes. Yet, these tests also highlight the main drawback ofrocking isolation. That is, the so called “sinking response”, or in other words the gradualaccumulation of settlement caused by strongly inelastic soil behaviour. The four newconcepts for improving the performance of rocking foundations that were introduced andtested in this dissertation prove capable of ameliorating this drawback while retaining thebenefits of rocking isolation.

Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η θεωρητική και πειραματική τεκμηρίωση της ιδέας της σεισμικής μόνωσης κατασκευών εξ ωπλισμένου σκυροδέματος μέσω της εκούσιας υπο-διαστασεολόγησης της θεμελίωσης η οποία θα επιφέρει μή γραμμική συμπεριφορά του συστήματος εδάφους-θεμελιώσεως με αποτέλεσμα τη λικνιστική απόκριση της κατασκευής. Στην κατεύθυνση αυτήν εκτελέστηκαν οι παρακάτω εργασίες: (I) Πειράματα μικρής κλίμακας σε 1-g και φυγοκεντριστή στα οποία διερευνήθηκε η συμπεριφορά ελαστικού βάθρου θεμελιωμένου επί επιφανειακών πεδίλων διαφόρων μεγεθών. Επιβλήθηκαν τόσο δυναμικές όσο και στατικές φορτίσεις ώστε να εξεταστούν τα πιθανά οφέλη των υπο-διαστασεολογημένων θεμελιών σε σχέση με τα συμβατικώς σχεδιασμένα. (II) Αναπτύχθηκε και τεκμηριώθηκε μή-γραμμική αριθμητική μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε για την εμβάθυνση στους μηχανισμούς απόκρισης επιφανειακών θεμελίων με έμφαση σε περιπτώσεις εδαφικής αστοχίας. Στα ανωτέρω ενσωματώθηκε η μεθοδολογία των Anastasopoulos et al. [2010] η οποία επεκτάθηκε ώστε να λαμβάνει υπόψιν φαινόμενα μικρής κλίμακας σε μη συνεκτικό έδαφος. (III) Για την ρεαλιστική προσομοίωση της μή γραμμικής απόκρισης της ανωδομής υιοθετήθηκε η πρωτοποριακή διαδικασία των Knappett et al [2011] η οποία επεκτάθηκε ώστε, με βάση αυτή, να κατασκευαστούν πειραματικά ομοιώματα σύγχρονων βάθρων γεφυρών σε κλίμακα 1:50. Κατασκευάστηκαν 26 ομοιώματα, ενώ η τεκμηρίωση της ορθότητας της προσομοίωσης πραγματοποιήθηκε μέσω δοκιμών καμπτικής φόρτισης 4 σημείων. (IV) Εκτελέστηκαν 4 πειράματα φυγοκεντριστή στα οποία συγκρίθηκε η σεισμική συμπεριφορά δύο ζευγών βάθρων γεφυρών θεμελιωμένων επί συμβατικού ή υπο-διαστασεολογημένου επιφανειακού πεδίλου. Σε κάθε περίπτωση εξετάστηκαν δύο σενάρια φόρτισης επιβάλλοντας τη διέγερση στη βάση της εδαφικής στήλης ώστε να διερευνηθεί η επιρροή της αλληλουχίας των σεισμικών γεγονότων. (V) Προκειμένου να διερευνηθούν τρόποι περαιτέρω βελτίωσης της συμπεριφοράς των σεισμικώς μονωμένων –μέσω λικνιστικής απόκρισης του θεμελίου- συστημάτων, εκτελέστηκαν επιπλέον 9 δοκιμές φυγοκνετριστή (4 υπό στατική και 5 υπό δυναμική φόρτιση). Στόχος των εν λόγω πειραμάτων ήταν η πρόταση υβριδικών θεμελίων τα οποία θα εξασφαλίζουν μεν τη λικνιστική απόκριση χωρίς όμως να συσσωρεύουν καθιζήσεις. Για τον σκοπό αυτόν προτάθηκαν οι εξής μέθοδοι “αναβάθμισης”: (i) πέδιλο μεταβλητής γεωμετρίας του οποίου η λικνιστική δυσκαμψία και αντοχή αυξάνει έπειτα από μία δεδομένη τιμή της στροφής (ii) σεισμικώς μονωμένο πέδιλο επί καταλλήλως εγκιβωτισμένου εδάφους το οποίο περιορίζει τη δυνατότητα εδαφικής αστοχίας τύπου φέρουσας ικανότητας εξαναγκάζοντας το θεμέλιο σε λικνιστική απόκριση (iii) συνδυασμός συμπύκνωσης με ομάδα 2 x 2 ασύνδετων πασσάλων (ένας σε κάθε γωνία του θεμελίου); και (iv) κάνναβος μικροπασσάλων. Τα αποτελέσματα της έρευνας επιβεβαιώνουν τα οφέλη της λικνιστικής απόκρισης ως μέσου σεισμικής μόνωσης κατασκευών τα οποία συνοψίζονται ως: (i) μείωση της σειμικής επιτάχυνσης που μεταδίδεται στην ανωδομή; (ii) ενίσχυση της πλαστιμότητας του συστήματος; (iii) περιορισμός της μόνιμης (μή-αναστρέψιμης) μετακίνησης στο κατάστρωμα ; και (iv) περιορισμός της συσσώρευσης βλαβών λόγω διαδοχικών σεισμικών γεγονότων. Ταυτοχρόνως, αναδείχθηκαν τα κύρια μειονεκτήματα του εν λόγω σχεδιασμού, το κυρίαρχο εκ των οποίων είναι η σταδιακή συσσώρευση καθιζήσεων κατά τον λικνισμό λόγω της μή-γραμμικής εδαφικής συμπεριφοράς. Εντούτοις, τα αποτελέσματα των δοκιμών ανέδειξαν τα προαναφερθέντα υβριδικά συστήματα ως ικανά να διατηρήσουν τα οφέλη της λικνιστικής απόκρισης περιορίζοντας δραστικά τη συσσώρευση των καθιζήσεων.