Metaplastic response and collapse of frame-foundation systems, and the concept of rocking isolation

546 σ.Οποιαδήποτε, έστω και αδρομερής, επισκόπηση της σύγχρονης βιβλιογραφίας του αντισεισμικού σχεδιασμού, θα ήταν πλημμελής εάν παρέλειπε την αναφορά στην αυξανόμενη σύγχρονη τάση “δημιουργικής αμφισβήτησης” των συμβατικών (και καθιερωμένων μέσα από τους διεθνείς Κανονισμούς) μεθόδων οι οποίες βασίζονται στον υπολογισμό δυνάμεων. Αντί αυτής, προτείνεται η προσέγγιση του σχεδιασμού με γνώμονα τις μετακινήσεις, τόσο των δομικών στοιχείων της κατασκευής (Δομοστατικός Σχεδιασμός Ανωδομής) όσο και της θεμελίωσης (Γεωτεχνικός Σχεδιασμός Θεμελιώσεως). Η νέα λογική σχεδιασμού προτείνει την (υπό-προϋποθέσεις) εγκατάλειψη της σχετικής κανονιστικής απαγόρευσης, προκρίνοντας την δημιουργία “πλαστικής άρθρωσης” υπό την διεπιφάνεια θεμελιώσεως εδάφους (υλοποιούμενης είτε μέσω αποκόλλησης του πρώτου ή αστοχίας φέρουσας ικανότητας του τελευταίου). Κατ’ αυτόν τον τρόπο περιορίζεται η αδρανειακή φόρτιση που δύναται να μεταδοθεί στην ανωδομή. Μία τέτοια λογική έχει αποτελέσει αντικείμενο μελέτης διεθνώς, η δε διερεύνηση τής εφαρμοσιμότητάς της σε απλές επιφανειακές θεμελιώσεις έχει επιχειρηθεί τόσο αναλυτικά όσο και πειραματικά. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή επιδιώκεται η ολοκληρωμένη διερεύνηση της αποτελεσματικότητας της ιδέας αυτής σε επίπεδο όχι ενός απλού θεμελίου αλλά μίας πλαισιωτής κατασκευής. Ως εκ τούτου, κύριο αντικείμενο της έρευνας αποτελεί η μελέτη της μή-γραμμικής και ανελαστικής αλληλεπίδρασης συστημάτων θεμελιώσεως–εδάφους–πλαισίου υποβαλλομένων σε ισχυρή εδαφική διέγερση που ενίοτε υπερβαίνει κατά πολύ την συμβατική διέγερση σχεδιασμού. Η εργασία διαρθρώνεται σε 5 βασικές ενότητες: Αντικείμενο της πρώτης ενότητας είναι η βαθμονόμηση και επαλήθευση ενός αξιόπιστου καταστατικού προσομοιώματος ικανού να αναπαράγει με πιστότητα την μή-γραμμική λικνιστική απόκριση συστημάτων θεμελιώσεως επί αργιλικού και αμμώδους εδάφους. Το προσομοίωμα συνδυάζει μή-γραμμική κινηματική κράτυνση με συσχετισμένο νόμο πλαστικής ροής, με το κριτήριο διαρροής Von Mises (καταλλήλως τροποποιημένο ώστε να λαμβάνει υπόψιν την επίδραση της μέσης ορθής τάσης σε άμμους), και έχει ενσωματωθεί στον κώδικα πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS. Η δεύτερη ενότητα αποτελεί τον κυρίως κορμό της διεξαχθείσης έρευνας: μελετά ενδελεχώς την δυναμική απόκριση σε επιβαλλόμενη σεισμική διέγερση ρεαλιστικώς απλών πλαισιωτών κατασκευών επί εδαφικής στρώσης και αξιολογείται η αποτελεσματικότητα μιάς νέας φιλοσοφίας σχεδιασμού ή οποία ευνοεί την μή-γραμμική απόκριση της θεμελίωσης μέσω του μηχανισμού του ανασηκώματος έναντι του ισχύοντα αντισεισμικού κανονισμού που επιδιώκει την ελαστική απόκριση της θεμελίωσης ακόμα και υπό καθεστώς εξαιρετικά ισχυρών σεισμικών δράσεων. Θεωρώντας συνθήκες επίπεδης παραμόρφωσης, καταστρώθηκε κατάλληλο προσομοίωμα πεπερασμένων στοιχείων. Το έδαφος θεωρείται στιφρή άργιλος με αντοχή Su = 150 kPa, ενώ για την προσομοίωση της ανωδομής χρησιμοποιείται κατάλληλο καταστατικό προσομοίωμα που να είναι σε θέση να αναπαράγει την μή γραμμική σχέση ροπής–καμπυλότητας των μελών ωπλισμένου σκυροδέματος [Vintzilaiou et al., 2007]. Αποσκοπώντας στη συγκριτική αξιολόγηση των δύο εναλλακτικών μεθόδων θεμελιώσεως, τα συστήματα υποβλήθηκαν σε 24 χρονοϊστορίες καταγεγραμμένων επιταχύνσεων ποικίλων χαρακτηριστικών. Όταν το συμβατικώς θεμελιωμένο σύστημα υπόκειται σε σεισμικές διεγέρσεις που υπερβαίνουν τον σεισμικό κραδασμό σχεδιασμού, οι βλάβες των υποστυλωμάτων είναι σαφώς μή επισκευάσιμες Παρότι σε όρους συνολικής διαφορικής μετακίνησης τα δύο συστήματα φαίνεται ότι συμπεριφέρονται ισοδύναμα, σε όρους διαφορικής μετακίνησης λόγω καμπτικής καταπόνησης η απόκριση του υπο-διαστασιολογημένου συστήματος είναι σαφώς ευνοϊκότερη. Όπως προκύπτει από τους υπολογισθέντες λόγους δC / h, οι βλάβες των υποστυλωμάτων του «λικνιστικώς μονωμένου» πλαισίου είναι ασήμαντες για τουλάχιστον το 50% των περιπτώσεων, ενώ για τις υπόλοιπες διατηρούνται εντός των ορίων επισκευασιμότητας [Priestley et al., 2007]. Εν κατακλείδι συμπεραίνεται ότι η καμπτική καταπόνηση της ανωδομής είναι δυνατόν να περιορισθεί με υπο-διαστασιολόγηση των θεμελίων ώστε να αποκριθούν μη-γραμμικά εξαντλώντας τήν φέρουσα ικανότητά τους. Ετσι περιορίζουν την μεταδιδόμενη στα υποστυλώματα ένταση στα επίπεδα της δικής τους (μικρότερης) ροπής αντοχής. Αν και η στροφή του θεμελίου συνεπάγεται σημαντική κινηματική επιπόνηση και βλάβες στα μη δομικά μέλη επί του πλαισίου, η δομητική αστοχία των υποστυλωμάτων αποφεύγεται ακόμη και όταν η σεισμική ένταση υπερβαίνει κατά πολύ την αντοχή σχεδιασμού της κατασκευής. Στην τρίτη ενότητα της διατριβής αναπτύσσεται μια απλοποιημένη μεθοδολογία προκαταρκτικού σχεδιασμού της θεμελίωσης με εφαρμογή της προτεινόμενης προσέγγισης. Βάσει αυτής υπολογίζεται η μέγιστη και η ελάχιστη ανεκτή διάσταση του θεμελίου ώστε να εξασφαλίζεται η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης λογικής σχεδιασμού. Για τον προσδιορισμό ενός ασφαλούς άνω ορίου η ελάχιστη τιμή του συντελεστή απομείωσης CRF, πρέπει να λαμβάνει την τιμή 2, ώστε αφενός μεν να αποκλειστεί το ενδεχόμενο υπέρβασης της ροπής αντοχής του υποστυλώματος λόγω διακύμανσης του κατακορύφου φορτίου Ν, αφετέρου δε να συνυπολογιστούν πιθανές αβεβαιότητες ως προς την πραγματική αντοχή του εδάφους και της ανωδομής, ή φαινόμενα δυναμικής υπεραντοχής. Η μικρότερη δυνατή διάσταση του θεμελίου θα είναι αυτή που θα ικανοποιεί την απαίτηση δκ > δε όπου δκ η μέγιστη οριζόντια μετακίνηση που μπορεί να παραλάβει η ανωδομή χωρίς να ανατραπεί και δε η σεισμική απαίτηση εκπεφρασμένη σε όρους μετακινήσεων. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής αναπτύσσεται απλοποιημένη μεθοδολογία για τον προσεγγιστικό προσδιορισμό των μεγεθών αυτών. Οι αναλύσεις των ενοτήτων 2 και 3 πραγματοποιήθηκαν θεωρώντας συνθήκες μονοδιάστατης εδαφικής ενίσχυσης. Προκειμένου να ληφθούν υπόψιν διδιάστατα κυματικά φαινόμενα τα οποία ενδέχεται να αλλοιώνουν τον τελικώς επιβαλλόμενο κραδασμό, στην τέταρτη ενότητα διενεργείται ενδελεχής μελέτη της επίδρασης της διδιάστατης γεωμετρίας εδαφικής κοιλάδας στην παραγόμενη στην επιφάνεια σεισμική διέγερση. Μεταξύ των σπουδαιότερων συμπερασμάτων προέκυψε ότι η διέγερσή της κοιλάδας με αμιγώς οριζόντια σεισμική κίνηση αναπόφευκτα δημιουργεί λόγω της διδιάστατης γεωμετρίας και μία παρασιτική κατακόρυφη συνιστώσα, η οποία μάλιστα σε όρους μέγιστης τιμής είναι συγκρίσιμη με την οριζόντια. Αξίζει μάλιστα να σημειωθεί ότι σε αντίθεση με την «φυσική» κατακόρυφη συνιστώσα η οποία, ως αποτέλεσμα κυμάτων P είναι ιδιαιτέρως υψίσυχνη, η παρασιτική κατακόρυφη είναι συχνοτισμένη και εν φάσει με την αντίστοιχη οριζόντια. Έτσι πολλαπλασιάζεται η πιθανότητα επιζήμιας δράσης στις κατασκευές. Η επίδραση της παραγόμενης στην επιφάνεια παρασιτικής κατακόρυφης συνιστώσας της σεισμικής κίνησης σε επιφανειακώς θεμελιωμένη στην θέση αυτή πλαισιωτή κατασκευή, μελετάται στην τελευταία πέμπτη ενότητα της διατριβής. Προέκυψε ότι η ταυτόχρονη δράση της παρασιτικής κατακόρυφης ενδέχεται να είναι ιδιατέρως επιζήμια για την ανωδομή: αύξηση της καμπτικής επιπόνησης, αυξημένη καμπυλότητα στο υποστύλωμα, και σημαντική διαφορική σχετική μετάθεση ορόφου.Scope of this research is to explore the effectiveness of a new approach to foundation seismic design. Instead of the conventional foundation over-design, it is now intentionally under-designed to uplift and mobilize the strength of the supporting soil in the hope that they will thus act as a rocking−isolation mechanism, limiting the inertia transmitted to the superstructure, and guiding the plastic "hinge" into the foundation−soil interface. Idealized simple but realistic reinforced concrete (RC) moment resisting frames serve as an example to compare the two design alternatives. The thesis is structured along 5 sections: The first section presents a simplified constitutive model for analysis of the cyclic response of shallow foundations. The model is based on a simple kinematic hardening constitutive model with Von Mises failure criterion modified accordingly so as to be applicable for sand. The model is validated against centrifuge tests performed at UC Davis and large-scale 1-g experiments under the EU program TRISEE. Despite its simplicity and lack of generality and rigor, for the particular type of problem investigated herein such a constitutive model yields quite reasonable results. The second section, which forms the core of this thesis, investigates the potential effectiveness of the proposed new design by comparing the response of a fairly simple 1-bay 2-dof frame founded on a stiff clay under very strong seismic shaking (exceeding the design level). The problem is analyzed employing the finite element (FE) method, taking account of material (soil and superstructure) and geometric (uplifting and P-Δ effects) nonlinearities. The response of the two alternatives is first investigated through static pushover analysis. The seismic performance is further explored through dynamic time history analysis, using as excitation a wide range of seismic motions. It is shown that For very strong seismic shaking, the performance of the rocking–foundation system is advantageous : it survives sustaining non-negligible but repairable damage to its beams and non-structural elements (infill walls, etc.). The third section proposes a Simplified Methodology for the Foundation Design of Rocking−isolated Frames. According to this the range of optimum (or acceptable) footing widths should simultaneously meet two contradicting criteria: (i) the footing width B needs to be small enough, so that its moment capacity Mult is adequately smaller than the corresponding capacity of the column MRD and (ii) the footing width B has to be large enough, so that an adequate margin of safety against toppling is achieved. Sections 4 and 5 investigate the response of a simple frame structure subjected to valley contaminated ground motion. Emphasis was given in the proper simulation of the 2D wave propagation phenomena that take place in one typical trapezoidal alluvial basin accounting for both elastic and full non-linear soil response. It was shown that the valley presence may significantly modify the rocking response of the frame and hence producing unexpectedly high distress on its structural members.Φανή Μ. Γελαγώτ

A simplified nonlinear sway-rocking model for evaluation of seismic response of structures on shallow foundations

This paper presents a simplified Nonlinear Sway-Rocking model as a preliminary design tool for seismic soil-structure interaction analysis. The proposed model is intended to capture the nonlinear load-displacement response of shallow foundations during strong earthquake events where foundation bearing capacity is fully mobilised. Emphasis is given to heavily-loaded structures resting on a saturated clay half-space. The variation of soil stiffness and strength with depth, referred to as soil non-homogeneity, is considered in the model. Although independent springs are utilised for each of the swaying and rocking motions, coupling between these motions is taken into account by expressing the load-displacement relations as functions of the factor of safety against vertical bearing capacity failure (FSv) and the moment-to-shear ratio (M/H). The simplified model has been calibrated and validated against results from a series of static push-over and dynamic analyses performed using a more rigorous finite-difference numerical model. Despite some limitations of the current implementation, the concept of this model gives engineers more degrees of freedom in defining their own model components, providing a good balance between simplicity, flexibility and accuracy

Metaplastic response and collapse of frame-foundation systems, and the concept of rocking isolation

Scope of this research is to explore the effectiveness of a new approach to foundation seismic design. Instead of the conventional foundation over-design, it is now intentionally under-designed to uplift and mobilize the strength of the supporting soil in the hope that they will thus act as a rocking?isolation mechanism, limiting the inertia transmitted to the superstructure, and guiding the plastic "hinge" into the foundation?soil interface. Idealized simple but realistic reinforced concrete (RC) moment resisting frames serve as an example to compare the two design alternatives. The thesis is structured along 5 sections: The first section presents a simplified constitutive model for analysis of the cyclic response of shallow foundations. The model is based on a simple kinematic hardening constitutive model with Von Mises failure criterion modified accordingly so as to be applicable for sand. The model is validated against centrifuge tests performed at UC Davis and large-scale 1-g experiments under the EU program TRISEE. Despite its simplicity and lack of generality and rigor, for the particular type of problem investigated herein such a constitutive model yields quite reasonable results. The second section, which forms the core of this thesis, investigates the potential effectiveness of the proposed new design by comparing the response of a fairly simple 1-bay 2-dof frame founded on a stiff clay under very strong seismic shaking (exceeding the design level). The problem is analyzed employing the finite element (FE) method, taking account of material (soil and superstructure) and geometric (uplifting and P-Δ effects) nonlinearities. The response of the two alternatives is first investigated through static pushover analysis. The seismic performance is further explored through dynamic time history analysis, using as excitation a wide range of seismic motions. It is shown that For very strong seismic shaking, the performance of the rocking-foundation system is advantageous : it survives sustaining non-negligible but repairable damage to its beams and non-structural elements (infill walls, etc.). The third section proposes a Simplified Methodology for the Foundation Design of Rocking?isolated Frames. According to this the range of optimum (or acceptable) footing widths should simultaneously meet two contradicting criteria: (i) the footing width B needs to be small enough, so that its moment capacity Mult is adequately smaller than the corresponding capacity of the column MRD and (ii) the footing width B has to be large enough, so that an adequate margin of safety against toppling is achieved. Sections 4 and 5 investigate the response of a simple frame structure subjected to valley contaminated ground motion. Emphasis was given in the proper simulation of the 2D wave propagation phenomena that take place in one typical trapezoidal alluvial basin accounting for both elastic and full non-linear soil response. It was shown that the valley presence may significantly modify the rocking response of the frame and hence producing unexpectedly high distress on its structural members.Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η πρόταση μιας νέας λογικής στον αντισεισμικό σχεδιασμό θεμελιώσεων με γνώμονα τις μετακινήσεις, τόσο των δομικών στοιχείων της κατασκευής (Δομοστατικός Σχεδιασμός Ανωδομής) όσο και της θεμελίωσης (Γεωτεχνικός Σχεδιασμός Θεμελιώσεως). Η νέα λογική σχεδιασμού προτείνει την (υπό-προϋποθέσεις) εγκατάλειψη της σχετικής κανονιστικής απαγόρευσης, προκρίνοντας την δημιουργία “πλαστικής άρθρωσης” υπό την διεπιφάνεια θεμελιώσεως εδάφους (υλοποιούμενης είτε μέσω αποκόλλησης του πρώτου ή αστοχίας φέρουσας ικανότητας του τελευταίου). Κατ’ αυτόν τον τρόπο περιορίζεται η αδρανειακή φόρτιση που δύναται να μεταδοθεί στην ανωδομή. Μία τέτοια λογική έχει αποτελέσει αντικείμενο μελέτης διεθνώς, η δε διερεύνηση τής εφαρμοσιμότητάς της σε απλές επιφανειακές θεμελιώσεις έχει επιχειρηθεί τόσο αναλυτικά όσο και πειραματικά. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή επιδιώκεται η ολοκληρωμένη διερεύνηση της αποτελεσματικότητας της ιδέας αυτής σε επίπεδο όχι ενός απλού θεμελίου αλλά μίας πλαισιωτής κατασκευής. Ως εκ τούτου, κύριο αντικείμενο της έρευνας αποτελεί η μελέτη της μή-γραμμικής και ανελαστικής αλληλεπίδρασης συστημάτων θεμελιώσεως-εδάφους-πλαισίου υποβαλλομένων σε ισχυρή εδαφική διέγερση που ενίοτε υπερβαίνει κατά πολύ την συμβατική διέγερση σχεδιασμού. Η εργασία διαρθρώνεται σε 5 βασικές ενότητες: Αντικείμενο της πρώτης ενότητας είναι η βαθμονόμηση και επαλήθευση ενός αξιόπιστου καταστατικού προσομοιώματος ικανού να αναπαράγει με πιστότητα την μή-γραμμική λικνιστική απόκριση συστημάτων θεμελιώσεως επί αργιλικού και αμμώδους εδάφους. Το προσομοίωμα συνδυάζει μή-γραμμική κινηματική κράτυνση με συσχετισμένο νόμο πλαστικής ροής, με το κριτήριο διαρροής Von Mises (καταλλήλως τροποποιημένο ώστε να λαμβάνει υπόψιν την επίδραση της μέσης ορθής τάσης σε άμμους), και έχει ενσωματωθεί στον κώδικα πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS. Η δεύτερη ενότητα αποτελεί τον κυρίως κορμό της διεξαχθείσης έρευνας: μελετά ενδελεχώς την δυναμική απόκριση σε επιβαλλόμενη σεισμική διέγερση ρεαλιστικώς απλών πλαισιωτών κατασκευών επί εδαφικής στρώσης και αξιολογείται η αποτελεσματικότητα μιάς νέας φιλοσοφίας σχεδιασμού ή οποία ευνοεί την μή-γραμμική απόκριση της θεμελίωσης μέσω του μηχανισμού του ανασηκώματος έναντι του ισχύοντα αντισεισμικού κανονισμού που επιδιώκει την ελαστική απόκριση της θεμελίωσης ακόμα και υπό καθεστώς εξαιρετικά ισχυρών σεισμικών δράσεων. Θεωρώντας συνθήκες επίπεδης παραμόρφωσης, καταστρώθηκε κατάλληλο προσομοίωμα πεπερασμένων στοιχείων, ενώ για την προσομοίωση της ανωδομής χρησιμοποιείται κατάλληλο καταστατικό προσομοίωμα που να είναι σε θέση να αναπαράγει την μή γραμμική σχέση ροπής-καμπυλότητας των μελών ωπλισμένου σκυροδέματος [Vintzilaiou et al., 2007]. Αποσκοπώντας στη συγκριτική αξιολόγηση των δύο εναλλακτικών μεθόδων θεμελιώσεως, τα συστήματα υποβλήθηκαν σε 24 χρονοϊστορίες καταγεγραμμένων επιταχύνσεων ποικίλων χαρακτηριστικών. Όταν το συμβατικώς θεμελιωμένο σύστημα υπόκειται σε σεισμικές διεγέρσεις που υπερβαίνουν τον σεισμικό κραδασμό σχεδιασμού, οι βλάβες των υποστυλωμάτων είναι σαφώς μή επισκευάσιμες..

Rocking isolation of frames on isolated footings:Design insights and limitations

To date, a significant research effort has been devoted attempting to introduce novel seismic protection schemes, taking advantage of mobilization of inelastic foundation response. According to such an emerging seismic design concept, termed rocking isolation, instead of over-designing the footings of a frame (as in conventional capacity design), they are intentionally under-designed to promote uplifting and respond to strong seismic shaking through rocking, thus bounding the inertia forces transmitted to the superstructure. Recent research has demonstrated the potential effectiveness of rocking isolation for the seismic protection of frame structures, using a simple 1-bay frame as an illustrative example. This article: (a) sheds light in the possible limitations of rocking isolation, especially in view of the unavoidable uncertainties regarding the estimation of soil properties; (b) investigates the potential detrimental effects of ground motion characteristics; and (c) assesses the effectiveness of rocking isolation to more complex structures. It is shown that the concept may be generalized to 2-bay frames, and that even when foundation rocking is limited, the positive effect of foundation under-design remains, especially when it comes to very strong seismic shaking. In contrast, its effectiveness may be limited when the frame is subjected to combined horizontal and synchronous vertical acceleration components a possible scenario on the surface of alluvial basins

Hybrid Method for Analysis and Design of Slope Stabilizing Piles

Piles are extensively used as a means of slope stabilization. Despite the rapid advances in computing and software power, the design of such piles may still include a high degree of conservatism, stemming from the use of simplified, easy-to-apply methodologies. This paper develops a hybrid method for designing slope-stabilizing piles, combining the accuracy of rigorous three-dimensional (3D) finiteelement (FE) simulation with the simplicity of widely accepted analytical techniques. It consists of two steps: (1) evaluation of the lateral resisting force (RF) needed to increase the safety factor of the precarious slope to the desired value, and (2) estimation of the optimum pile configuration that offers the required RF for a prescribed deformation level. The first step utilizes the results of conventional slope-stability analysis. A novel approach is proposed for the second step. This consists of decoupling the slope geometry from the computation of pile lateral capacity, which allows numerical simulation of only a limited region of soil around the piles. A comprehensive validation is presented against published experimental, field, and theoretical results from fully coupled 3D nonlinear FE analyses. The proposed method provides a useful, computationally efficient tool for parametric analyses and design of slope-stabilizing piles