Σεισμική τρωτότητα γεφυρών βελτιωμένης αξιοπιστίας συνεκτιμώντας την αλληλεπίδραση εδάφους-κατασκευής και υβριδικά πειραματικά δεδομένα

Abstract

Seismic assessment of structures, especially of bridges which are considered as the parts of a transportation system with the greatest importance, has gained the interest of many research groups worldwide. In this framework, several methodologies have been proposed for the estimation of the probability that a structure will reach or exceed a certain damage state given a ground motion intensity level. Despite the rapid growth of the computing power, the development of sophisticated algorithms for the structure analysis, the formulation of specialized material constitutive laws and the numerical consideration of complex loading cases, a significant number of uncertainty sources still exists and affects the reliability of fragility methodologies.Especially in the case of bridges, these uncertainties are related to the characteristics of the seismic input motion, the mechanical material properties, the boundary conditions at the soil-superstructure interface (both at the location of piers and abutment-embankment systems at the deck ends), the force transfer and damping mechanisms of the seismic motion as well as the numerical methods used for the analysis of the overall bridge system.The main scope of this dissertation is to propose an improved methodology for the seismic assessment of bridges in which phenomena such as the abutment-embankment-bridge interaction, the seismic isolation and the direction of the input motion, are considered in a probabilistic way. In particular, this methodology takes into consideration the contribution of the abutment foundation at the abutment-embankment system stiffness in both the longitudinal and transverse direction as well as the uncertainty related with the backfill and foundation soil properties. Moreover, uncertainty related with the bridge bearing properties is well controlled though appropriate hybrid experiments of the overall bridge while the multiple damage modes (which exist and interact during a seismic event) under all the possible excitation angles are also taken into account. Mean capacity curves and the respective dispersion values were derived from the separate study of abutment-embankment systems themselves along the longitudinal and the transverse direction. Hybrid experiments (combination of numerical and experimental tested modules) were then performed for the case of a real three-span bridge structure. The purpose of the hybrid experiment was to reduce the epistemic uncertainty related with the bearing properties. This was achieved by considering, in the most realistic manner, the bearing interaction with the overall bridge system and the corresponding seismic demand levels. The experimentally derived bearing properties and the probabilistic characteristics of the abutment-embankment system stiffness were then used in the fragility methodology in order to reduce the system uncertainty while the effect of the input motion characteristics and the incidence angle of the seismic motion in the bridge fragility were also studied.This research shows that it is possible to reduce the uncertainty in the seismic assessment study of the soil-foundation-bridge system by (a) considering in a more reliable way the abutment-embankment system compliance accounting for the abutment configuration, the direction of excitation and the backfill and foundation soil properties, (b) demonstrating that it is possible to perform hybrid experiments in order to identify (and to simulate) more accurately, the mechanical properties of strain rate dependent members and (c) highlighting cases in which the effect of the seismic motion incidence angle is undestimated at the system level in the extrapolation process of the multiple interacting damage modes.

Η αποτίμηση της σεισμικής συμπεριφοράς των κατασκευών και ιδιαίτερα των γεφυρών, οι οποίες κατατάσσονται στα έργα υποδομής μεγάλης σπουδαιότητας, αποτελεί αντικείμενο μελέτης πολλών ερευνητικών ομάδων της διεθνούς επιστημονικής κοινότητας. Στο πλαίσιο αυτό, έχουν αναπτυχθεί διάφορες μεθοδολογίες εκτίμησης της υπό συνθήκη πιθανότητας υπέρβασης συγκεκριμένων σταθμών βλαβών για διακριτά επίπεδα έντασης. Παρά την αλματώδη αύξηση της ισχύος των υπολογιστικών συστημάτων και την ανάπτυξη σύνθετων αλγορίθμων ανάλυσης των κατασκευών, τη διατύπωση εξειδικευμένων καταστατικών νόμων υλικών και την αριθμητική συνεκτίμηση πολύπλοκων φορτιστικών καταστάσεων, εξακολουθεί να υφίσταται ένας σημαντικός αριθμός πηγών αβεβαιότητας ο οποίος σε μεγάλο βαθμό διαμορφώνει και την τελική αξιοπιστία της αποτίμησης της σεισμικής συμπεριφοράς των δομικών συστημάτων. Ειδικά για την περίπτωση των γεφυρών, οι αβεβαιότητες αυτές αφορούν στα χαρακτηριστικά της σεισμικής φόρτισης, στις μηχανικές ιδιότητες των υλικών και της ποσοτικοποίησης αυτών, στις συνοριακές συνθήκες στη διεπιφάνεια εδάφους-ανωδομής (τόσο σε επίπεδο μεσοβάθρων όσο και ακροβάθρου-επιχώματος), στους μηχανισμούς παραλαβής, μεταφοράς ή απόσβεσης των σεισμικών δυνάμεων καθώς και στις μεθόδους αριθμητικής ανάλυσης του συνολικού συστήματος. Κεντρικό άξονα της διεξαχθείσας έρευνας αποτέλεσε η διατύπωση μίας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας βελτιωμένης αξιοπιστίας για την αποτίμηση της σεισμικής τρωτότητας των γεφυρών στην οποία συνεκτιμώνται με πιθανοτικό τρόπο φαινόμενα τα οποία μέχρι σήμερα έχουν αντιμετωπιστεί μόνο επιμεριστικά, όπως η αλληλεπίδραση ακροβάθρου-επιχώματος, η συμβολή της σεισμικής μόνωσης στην απορρόφηση της σεισμικής ενέργειας καθώς και η διεύθυνση διάδοσης των σεισμικών κυμάτων. Συγκεκριμένα, στη μεθοδολογία αυτή συνεκτιμάται η συμμετοχή της θεμελίωσης στην αντίστασητου συστήματος ακροβάθρου-επιχώματος κατά τις δύο οριζόντιες διευθύνσεις καθώς επίσης και η αβεβαιότητα που χαρακτηρίζει τις ιδιότητες των εδαφικών υλικών της επίχωσης και της θεμελίωσης. Παράλληλα, ελέγχεται μέσω κατάλληλων υβριδικών πειραμάτων, η αβεβαιότητα που σχετίζεται με τις ιδιότητες των εφεδράνων, ενώ ταυτόχρονα συνεκτιμώνται οι πολλαπλές μορφές βλάβης (που συνυπάρχουν και αλληλεπιδρούν σε μία κατασκευή κατά τη διάρκεια μίας ισχυρής σεισμικής διέγερσης) υπό διαφορετικές πιθανές γωνίες πρόσπτωσης της σεισμικής διέγερσης. Από την ξεχωριστή μελέτη συστημάτων ακροβάθρων-επιχωμάτων προέκυψαν οι μέσες καμπύλες αντίστασης καθώς επίσης και η αντίστοιχη τυπική απόκλιση κατά τη διαμήκη και την εγκάρσια διεύθυνση του φορέα. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκαν υβριδικές δοκιμές (συνδυασμός αριθμητικών αναλύσεων και πειραματικών δοκιμών σε διακριτά υποσυστήματα) για την περίπτωση μίας πραγματικής γέφυρας τριών ανοιγμάτων. Σκοπός των υβριδικών πειραμάτων ήταν να περιοριστεί κατά το δυνατό η επιστημικού τύπου αβεβαιότητα που συναρτάται με την προσομοίωση των ιδιοτήτων των εφεδράνων, γεγονός το οποίο επιτεύχθηκε λαμβάνοντας υπόψη με κατά το δυνατόν ρεαλιστικό τρόπο, την αλληλεπίδρασή τους με το συνολικό σύστημα και τις αντίστοιχες στάθμες σεισμικής απαίτησης. Στη συνέχεια, οι πειραματικώς προσδιορισθείσες μηχανικές ιδιότητες καθώς και τα πιθανοτικά χαρακτηριστικά της ενδοσιμότητας του συστήματος ακροβάθρου-επιχώματος αξιοποιήθηκαν για τη μείωση της αβεβαιότητας του συστήματος κατά την περαιτέρω μελέτη της επιρροής των χαρακτηριστικών και της γωνίας πρόσπτωσης της σεισμικής διέγερσης στην σεισμική τρωτότητα των γεφυρών. Από τη διεξοδική έρευνα που πραγματοποιήθηκε, προκύπτει ότι είναι εφικτή η μείωση της αβεβαιότητας στην αποτίμηση της σεισμικής τρωτότητας του συστήματος εδάφους-θεμελίωσης-φορέα γέφυρας δια (α) της περισσότερο αξιόπιστης συνεκτίμησης της ενδοσιμότητας του ακροβάθρου-επιχώματος λαμβάνοντας υπόψη την επιρροή της γεωμετρίας του, της διεύθυνσης φόρτισης καθώς και τις ιδιότητες του υλικού επίχωσης, (β) της απόδειξης ότι είναι πλέον δυνατή η εκτέλεση υβριδικών πειραμάτων ώστε να προσδιορίζονται με μεγαλύτερη ακρίβεια (και συνεπώς να προσομοιώνονται αντίστοιχα) μηχανικές ιδιότητες που εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την ένταση και τον ρυθμό της φόρτισης και (γ) της ανάδειξης των περιπτώσεων κατά τις οποίες υποεκτιμάται η επιρροή της γωνίας πρόσπτωσης των σεισμικών κυμάτων κατά προεκβολή της αλληλεξάρτησης διαφορετικών μορφών βλάβης σε επίπεδο συστήματος.