Δυναμική αλληλεπίδραση εδάφους - κατασκευής σε ομοιογενή ή διαστρωματωμένο 3D ημιχώρο με ενσωματωμένες φυσικές ή τεχνητές κοιλότητες

Abstract

This PhD thesis deals with a structure on the surface of the soil column. More specifically, it seeks to study how and to what extent the presence of natural or artificial cavities within the soil can alter the response of a surface-based structure. The originality of the subject lies in the fact that the soil, the cavity and the superstructure are simulated as an entity in 3D, in contrast to a multitude of studies that studied the soil surface response for the presence of 2D cavity without a superstructure. In addition, new techniques forsimulating seismic excitation and absorption boundaries are introduced in the Abaqus / Cae software, which solve the problem of non-properly simulated excitation (due to the phenomenon of “leakage”) distortion and reflection phenomena at the halfspace boundaries, respectively. Chapter 1 is a bibliographic reference to previous works, interacting with or without the presence of cavities. Chapter 2 describes both the direct simulation method and the theoretical background of the applied absorbent boundaries "Infinite Elements" and PML. Chapter 3 presents the methodology of dynamic analyzes as well as at the programming level the "tools" at our disposal for the conversion of accelerometers into equivalent ground forces. In the 4rth chapter a series of analyses are performed in order to verify the good use of the absorbing boundaries and the numerical simulation as a whole (half-spacedimensions, discretization, boundary conditions, load states, etc.), guided by the Abaqus /Cae software. It is considered appropriate to reproduce analyzes from different works and different authors that dealt with wave transmission issues in 2D and 3D halfspace with or without the presence of cavities, to test not only the good application of models thatsimulate complex wave scattering phenomena, but also to determine whether the available computing capability is sufficient for 3D dynamic simulations of infinite spaces and structures. In the 5th chapter, dynamic time history analyzes are performed using a combination of PML + DRM techniques. In addition, parametric analyzes are performed to examine the effect of the angle of incidence of the seismic waves, the compliance of the soil, the relative stiffness of the structured cavity, the frequency content of the earthquake and the diameter of the cavity. Some additional analyses compare results between linear and equivalent linear analyses while the effect of floors between 5-storey and 10-storey structures is also examined. The conclusions from the analyses of the entire work and particularly the 5th chapter are summarized in the chapter “Conclusions”.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή καταπιάνεται με ένα αρκετά σύνθετο θέμα. Πιο συγκεκριμένα, επιδιώκει να μελετήσει το πως και κατά πόσο η παρουσία φυσικών ή τεχνητών κοιλοτήτων εντός του εδάφους μπορεί να μεταβάλλει την απόκριση μιας κατασκευής εδραζόμενης επί της επιφάνειας του εδάφους. Η πρωτοτυπία του θέματος έγκειται στο γεγονός πως προσομοιώνεται ταυτόχρονα και το έδαφος και η κοιλότητα καιη υπερκατασκευή σε τρισδιάστατο ημιχώρο σε αντίθεση με πληθώρα μελετών που καταπιάστηκαν με τη μελέτη της εδαφικής απόκρισης της επιφάνειας του εδάφους για παρουσία 2D κοιλότητας χωρίς την ύπαρξη υπερκατασκευής. Επιπλέον, εισάγονται καινούριες τεχνικές προσομοίωσης της σεισμικής διέγερσης και των απορροφητικών συνόρων στο λογισμικό Abaqus/Cae, που λύνουν το πρόβλημα της αλλοίωσης της διέγερσης που έρχεται εκτός προσομοιώματος και των φαινομένων ανάκλασης στα όρια του ημιχώρου αντίστοιχα. Το 1ο κεφαλαίο αποτελεί βιβλιογραφική αναφορά σε προγενέστερες εργασίες, αλληλεπίδρασης με ή χωρις την παρουσία κοιλοτήτων. Στο 2ο κεφάλαιο περιγράγονται τόσο η άμεση μέθοδος προσομοίωσης όσο και το θεωρητικό υπόβαθρο των εφαρμοζόμενων απορροφητικών συνόρων «Infinite Elements» και PML. Στο 3ο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μεθοδολογία των δυναμικών αναλύσεων καθώς και σε προγραμματιστικό επίπεδο τα «εργαλεία» που έχουμε στη διάθεση μας για την μετατροπή των επιταχυνσιογραφημάτων σε ισοδύναμες επικόμβιες δυνάμεις. Στο 4ο κεφάλαιο πραγματοποιούνται μια σειρά από αναλύσεις με σκοπό την επαλήθευση της καλής χρήσης των απορροφητικών συνόρων και του αριθμητικού προσομοιώματος στο σύνολο του (διαστάσεις ημιχώρου, διακριτοποίηση, οριακές συνθήκες, φορτιστικές καταστάσεις κ.α.), με οδηγό το λογισμικό Abaqus/Cae. Θεωρήθηκε σκόπιμο να αναπαραχθούν αναλύσεις από διαφορετικές εργασίες και διαφορετικούς συγγραφείς (4 διαφορετικές εργασίες) που καταπιάστηκαν με θέματα μετάδοσης κυμάτωνσε 2D και 3D ημιχώρο με ή χωρίς την παρουσία κοιλοτήτων, για τον έλεγχο όχι μόνο της καλή εφαρμογής μοντέλων που προσομοιώνουν πολύπλοκα φαινόμενα σκέδασης κυμάτων, αλλά και για να εξακριβωθεί αν η διαθέσιμη υπολογιστική δυνατότητα επαρκεί για 3D προσομοιώσεις ημιχώρων και κατασκευών σε δυναμικές καταπονήσεις. Στο 5ο κεφάλαιο πραγματοποιήθηκαν δυναμικές αναλύσεις χρονοϊστορίας με συνδυαστική χρήση των τεχνικών PML+DRM. Επιπροσθέτως, παρουσιάζονται παραμετρικές αναλύσεις που εξετάζουν την επίδραση της γωνίας πρόσπτωσης των σεισμικών κυμάτων, την ενδοσιμότητα του εδάφους, τη σχετική δυσκαμψία της δομημένης κοιλότητας, το συχνοτικό περιεχόμενο του σεισμού και τη διάμετρο της κοιλότητας. Κάποιες επιπλέον αναλύσεις συγκρίνουν αποτελέσματα μεταξύ γραμμικών και ισοδυνάμων γραμμικών αναλύσεων ενώ εξετάζεται και η επίδραση των ορόφων ανάμεσα σε 5-όροφες και 10-όροφες κατασκευές. To απόσταγμα από τις αναλύσεις του 5ου κεφαλαίου συνοψίζεται στο κεφάλαιο «Συμπεράσματα».