Επιρροή της σεισμικής στροφικής απόκρισης της πασσαλοθεμελίωσης στην επιτελεστικότητα γεφυρών μεγάλου ύψους και ανεμογεννητριών

Abstract

The response of pile foundations under vertically propagating seismic shear waves consists of translational and rotational components. The investigation of the effect of the total, translational and rotational, seismic excitation in structures founded on piles is presented herein. The pile foundations are subjected to displacement time histories of different characteristics along their length, due to the seismic shear waves vertically propagating into the soil. Thus, the translational and rotational motion of the pile foundations’ top is the real Foundation Input Motion (FIM) that excites the superstructure. Considering the rotational component of this motion small enough, the scientific society usually neglects its existance and as a result no specific information is available about the rotational effect on the structures. In order to quantify the effect of the pile foundations’ rotational motion, bridges and wind turbines founded on monopiles and pile groups in various soil types are used. The soil – pile system is excited with harmonic, pulse and real earthquake time histories, considering that the superstructure is loaded with both the translational and rotational motion. Results show that the rotational component of the pile foundation’s response affects the superstructure depending on the dynamic properties of the soil – foundation – structure system and the frequency content of the excitation. The different response of the superstructure, comparing to the one due to the pure translational excitation, may be either significant, by enhancing the demands on the structure’s top, or capable of being ignored but in no case beneficial, by decreasing the superstructures’s response. The effect of the rotational component of the motion is attributed to the rigid body rotation mechanism and the triggering of rotational modes of vibration.

Η απόκριση των πασσαλοθεμελιώσεων στη δράση των κατακορύφως διαδιδόμενων διατμητικών, σεισμικών κυμάτων αποτελείται από μία μεταφορική και μία στροφική συνιστώσα. Αντικείμενο του παρόντος αποτελεί η διερεύνηση της επιρροής της συνολικής σεισμικής διέγερσης, αποτελούμενης από μεταφορική και στροφική επιτάχυνση, σε κατασκευές θεμελιωμένες επί πασσάλων. Τα διατμητικά, σεισμικά κύματα διαδίδονται κατακορύφως εντός του εδάφους επιβάλλοντας χρονοϊστορίες μετακινήσεων διαφορετικών χαρακτηριστικών κατά μήκος των πασσάλων θεμελίωσης. Στην κεφαλή τους, οι πασσαλοθεμελιώσεις εκτελούν σύνθετη κίνηση, που συνίσταται από μεταφορική και στροφική συνιστώσα, η οποία διεγείρει την ανωδομή αποτελώντας την πραγματική Κίνηση Εισαγωγής στη Θεμελίωση (FIM). Η επιστημονική κοινότητα, θεωρώντας το μέγεθος της στροφικής συνιστώσας μικρό, επιλέγει συνήθως την αγνόησή της με αποτέλεσμα να μην είναι γνωστή η επιρροή που αυτή ασκεί στις κατασκευές. Για την ποσοτικοποίηση της επιρροής της στροφικής απόκρισης των πασσαλοθεμελιώσεων χρησιμοποιήθηκαν γέφυρες και ανεμογεννήτριες εδραζόμενες επί μεμονωμένων και ομάδων πασσάλων σε διάφορους τύπους εδαφικών σχηματισμών. Διεγείροντας τα συστήματα εδάφους – θεμελίωσης με αρμονικές κινήσεις, παλμούς και πραγματικές σεισμικές καταγραφές και λαμβάνοντας υπ’ όψην τη σύνθετη, μεταφορική και στροφική, κίνηση που φορτίζει την ανωδομή, προκύπτει ότι η συμμετοχή της στροφικής κίνησης της πασσαλοθεμελίωσης μεταβάλει την απόκριση της κατασκευής. Το μέγεθος της μεταβολής εξαρτάται από τα δυναμικά χαρακτηριστικά του συστήματος εδάφους – θεμελίωσης – ανωδομής σε συνδυασμό με το συχνοτικό περιεχόμενο της διέγερσης και μπορεί να είναι είτε σημαντικό, ενισχύοντας την απόκριση στην κορυφή των κατασκευών, είτε σχεδόν μηδενικό, ικανό να αγνοηθεί, αλλά σε καμία περίπτωση ευεργετικό, απομειώνοντας την απόκριση της ανωδομής. Η επιρροή της στροφικής αυτής κίνησης αποδίδεται στο στερεοστατικό μηχανισμό απόκρισης των κατασκευών υπό τη δράση της σε συνδυασμό με την ενεργοποίηση στροφικών ιδιομορφών ταλάντωσης.