Field scale experimental soil structure interaction

Abstract

The objectives of this thesis are the field experimental study of the soil-foundation-structure interaction effects in the response of the structures and the experimental assessment of the effectiveness of gravel-rubber mixture layers as an alternative low-cost geotechnical seismic isolation system. In particular, the first part of this thesis presents the field experimental campaign performed on two different structural configurations, a stiff and a flexible, of EuroProteas prototype structure founded on soft soil. The objective of this study is the evaluation of the soil-foundation-structure interaction effects on the response of the structures and the expansion of the corresponding limited data inventory of response histories due to the small number of field experiments performed on this subject. The testing protocol included ambient noise measurements and free- and forced-vibration experiments, while a large number of instruments were employed to monitor the structure and the soil response. The system composed of the stiff structural configuration of EuroProteas founded on soft soil was expected to be prone to interaction effects, whereas it was anticipated that the flexible configuration of the structure would neglect the interaction. The acquired data was used to evaluate the interaction effects in terms of period elongation, stiffness, damping, and strains induced in the soil. The experimental findings showed that the response of the stiff structure under dynamic loading is dominated by rocking and its fundamental frequency is significantly shifted to lower values compared to the numerically calculated fixed-base value. In addition, numerical models proposed in the literature for the evaluation of the foundation impedance functions and the damping of the structure, which are based on simplified assumptions, were validated. The second part of the thesis is focused on the effectiveness of geotechnical seismic isolation (GSI) layers composed of gravel-rubber mixtures placed underneath shallow foundations. The main aim of this experimental research was to provide experimental evidence of the use of gravel-rubber mixture layers underneath shallow foundations as an alternative low-cost seismic isolation technique. Three mixtures with different rubber content per mixture weight but the same mean grain size ratio were used as foundation soil to investigate the effect of the rubber content of the mixture on the dynamic response of the structure. The experimental campaign comprised ambient noise measurements and free- and forced-vibration experiments. The experimental results showed that a GSI layer of 0.5 m thickness composed of a mixture with 30\% rubber content per weight effectively isolates the structure. The effect of the rubber content was expressed in terms of period elongation, base shear and moment, and kinetic energy. Furthermore, the dissipation of energy was indicated by the observed attenuation of the motion inside the mixture layer.

Η παρούσα διατριβή μελετά πειραματικά την επίδραση της αλληλεπίδρασης εδάφους-θεμελίωσης-ανωδομής στην απόκριση των κατασκευών και την αποτελεσματικότητα της βελτίωσης του εδάφους με μίγματα κοκκοποιημένων ελαστικών με χαλίκια ως μία εναλλακτική πρόταση γεωτεχνικής σεισμικής μόνωσης χαμηλού κόστους. Συγκεκριμένα, στο πρώτο τμήμα της παρούσας διατριβής παρουσιάζονται τα πειράματα πεδίου που διεξήχθησαν σε δύο διαφορετικές κατασκευαστικές διατάξεις, μίας δύσκαμπτης και μίας εύκαμπτης, της πρότυπης κατασκευής του ΕυρωΠρωτέα που είναι θεμελιωμένη σε μαλακό έδαφος. Ο σκοπός της πειραματικής διαδικασίας ήταν η αξιολόγηση της επιρροής των φαινομένων της αλληλεπίδρασης εδάφους-θεμελίωσης-ανωδομής στην απόκριση των κατασκευών και η διεύρυνση της αντίστοιχης περιορισμένης βάσης δεδομένων των διαθέσιμων καταγραφών απόκρισης λόγω του μικρού διαθέσιμου στη βιβλιογραφία αριθμού πειραμάτων πεδίου σχετικών με το αντικείμενο. Το πειραματικό πρόγραμμα δοκιμών περιελάμβανε μετρήσεις περιβαλλοντικού θορύβου και δοκιμές ελεύθερης και εξαναγκασμένης ταλάντωσης, ενώ χρησιμοποιήθηκε πληθώρα οργάνων για την καταγραφή της απόκρισης τόσο της κατασκευής όσο και του εδάφους. Για το σύστημα εδάφους-κατασκευής αποτελούμενο από της δύσκαμπτη κατασκευαστική διάταξη του ΕυρωΠρωτέα θεμελιωμένη σε μαλακό έδαφος, ήταν αναμενόμενη η ενεργοποίηση σημαντικών φαινομένων αλληλεπίδρασης, ενώ για την εύκαμπτη κατασκευαστική διάταξη του ΕυρωΠρωτέα, τα φαινόμενα αλληλεπίδρασης προβλεπόταν να έχουν σχεδόν αμελητέα επίδραση. Τα πειραματικά δεδομένα αξιοποιήθηκαν για την επιβεβαίωση των φαινομένων αλληλεπίδρασης σε παραμέτρους όπως η επιμήκυνση της ιδιοπεριόδου, η δυσκαμψία, η απόσβεση και η ανάπτυξη διατμητικών τάσεων στο έδαφος. Τα πειραματικά αποτελέσματα ανέδειξαν την έντονη επιρροή των φαινομένων αλληλεπίδρασης στην δυναμική απόκριση της δύσκαμπτης κατασκευής με τη μείωση της ιδιοσυχνότητας του συστήματος εδάφους-κατασκευής σε σχέση με την αντίστοιχη τιμή που προέκυψε από αριθμητικές αναλύσεις με τη θεώρηση πλήρους πάκτωσης. Επιπρόσθετα, επιβεβαιώθηκαν οι προτεινόμενες στη βιβλιογραφία αναλυτικές σχέσεις για την εκτίμηση των δυναμικών δεικτών εμπέδησης. Το δεύτερο τμήμα της διατριβής επικεντρώνεται στην αποτελεσματικότητα της εφαρμογής στρώσεων αποτελούμενες από μίγματα χαλίκων-κοκκοποιημένων ελαστικών κάτω από τη επιφανειακή θεμελίωση κατασκευών. Ο βασικός στόχος της πειραματικής διερεύνησης που παρουσιάζεται στην παρούσα διατριβή ήταν η αξιολόγηση της εφαρμογής της στρώσης μίγματος χαλίκων-κοκκοποιημένων ελαστικών ως μία εναλλακτική τεχνική γεωτεχνικής σεισμικής μόνωσης χαμηλού κόστους. Για τη διερεύνηση της επιρροής του ποσοστού ελαστικού στο μίγμα στην δυναμική απόκριση της κατασκευής, εφαρμόστηκαν τρία μίγματα με διαφορετικό ποσοστό ελαστικού κατά βάρος αλλά με τον ίδιο λόγο μέσου μεγέθους κόκκων. Το πειραματικό πρόγραμμα δοκιμών περιελάμβανε μετρήσεις περιβαλλοντικού θορύβου και δοκιμές ελεύθερης και εξαναγκασμένης ταλάντωσης. Από τα πειραματικά αποτελέσματα διαπιστώθηκε ότι μία στρώση θεμελίωσης από μίγμα χαλίκων-κοκκοποιημένων ελαστικών πάχους 0.5 m με ποσοστό ελαστικού 30% κατά βάρος μπορεί να μονώσει αποτελεσματικά την κατασκευή. Η επιρροή του ποσοστού σε ελαστικό του μίγματος στην δυναμική απόκριση της κατασκευής αποτυπώθηκε στην επιμήκυνση της ιδιοπεριόδου της κατασκευής, καθώς και στην σημαντική μείωση της αναπτυσσόμενης τέμνουσας και ροπής βάσης. Επιπλέον, η απόσβεση της ενέργειας εκφράστηκε μέσα από την απομείωση της κίνησης που παρατηρήθηκε εντός της στρώση μίγματος χαλίκων-κοκκοποιημένων ελαστικών.