Αναλυτική και πειραματική έρευνα επί ενός καινοτόμου μηχανισμού τριβής για την ανάσχεση των σεισμικών δράσεων και μετακινήσεων των γεφυρών

Abstract

An unconventional fusing mechanism which utilizes friction forces developed at the interfaces between a concrete slab connected to the bottom flange of a bridge deck and the crushed material at the approach embankments, in order to reduce the longitudinal response of bridges subjected to earthquake excitations is investigated. The basic objective of the proposed mechanism is to prevent the free oscillation of the bridge during an earthquake dissipating at the same time part of the induced seismic energy, and reducing thereby the seismic response of the critical structural members. The applicability and performance of the proposed mechanism, is further investigated. An extended experimental investigation was conducted with the use of a suitable realistic setup, with clear dimensions 1.0x1.0m. The effect of the aggregate size, the dead load applied and the rate of loading were investigated. A two stage analytical investigation was further conducted with the use of non-linear time history analyses. At a first stage, a simplified SDOF oscillator was utilized and results were utilized for a methodology proposed for the seismic design or strengthening of bridges. At a second stage four different types of bridges were utilized which included cast in-situ bridges with piers monolithically connected to the deck (straight or curved) and bridges with bearings or with seismic isolation. Results of the proposed mechanism are very promising. Reduction in the seismic response even above 70% was observed, which can lead to a cost-effective solution. A large cost reduction can be achieved through reductions in a) bearing and joint size b) pier reinforcement and section c) foundation demand.

Στο πλαίσιο της διατριβής προτείνεται μια πρωτότυπη διαμόρφωση των ακροβάθρων με την ενσωμάτωση ενός μηχανισμού παρεμπόδισης της ταλάντωσης και εν ταυτώ απόσβεσης σεισμικής ενέργειας, για την ανάσχεση των μετακινήσεων, με στόχο την ανακούφιση των κρίσιμων μελών του φέροντος οργανισμού των γεφυρών. Ο μηχανισμός συνίσταται εις μίαν πλάκα, στο ύψος του κάτω πέλματος του φορέα, του οποίου αποτελεί επέκταση προς και μέσα στο επίχωμα. Προκειμένου να τεκμηριωθεί η αξιοπιστία και η ασφάλεια της προτεινόμενης λύσης, διεξήχθη εκτεταμένη πειραματική διερεύνηση σε κατάλληλη διάταξη, υπό φυσική κλίμακα, με συνήθη αδρανή, και ρεαλιστικά κατακόρυφα φορτία, για σεισμικού μεγέθους μετακινήσεις και ταχύτητες φόρτισης. Εξετάστηκαν ο τύπος των αδρανών, το μέγεθος του κατακορύφου φορτίου και ο ρυθμός επιβολής της φόρτισης σε διάταξη μοναδιαίας επιφανείας. Η αναλυτική διερεύνηση διεξήχθη σε δύο στάδια μέσω μη γραμμικών δυναμικών αναλύσεων χρονοϊστορίας. Αρχικά έγινε προκαταρκτική παραμετρική ανάλυση μέσω της θεώρησης του ισοδύναμου μονοβάθμιου ταλαντωτή, και με βάση τα αποτελέσματα προτάθηκε μεθοδολογία για την αντισεισμική ενίσχυση νέων καθώς και υφιστάμενων γεφυρών. Σε δεύτερο στάδιο εφαρμόστηκε ο προτεινόμενος μηχανισμός σε τέσσερις περιπτώσεις γεφυρών που περιελάμβαναν γέφυρες με μονολιθική σύνδεση μεσοβάθρων-φορέα (ευθύγραμμες ή καμπύλες), πλωτές επί εφεδράνων καθώς και γεφυρών με συστήματα σεισμικής μόνωσης. Ο προτεινόμενος μηχανισμός είναι πολύ αποδοτικός καθώς η μείωση των δράσεων ανέρχεται σε ποσοστά μέχρι και άνω του 70%. Η μείωση του κόστους επιτυγχάνεται μέσω μείωσης των διαστάσεων των εφεδράνων και των αρμών, της διατομής και του οπλισμού των βάθρων και των απαιτήσεων θεμελίωσης.