3o Πανελλήνιο Συνέδριο Αντισεισμικής Μηχανικής & Τεχνικής Σεισμολογίας

5–7 Νοεμβρίου, 2008 Άρθρο 1861

Κόμβοι πλακών-φορέων και τοιχοειδών ακροβάθρων

αντισεισμικών μονολιθικών γεφυρών Deck slab-abutment joints for earthquake resistant integral

abutment bridges

Στέργιος ΜΗΤΟΥΛΗΣ1, Ιωάννης ΤΕΓΟΣ2, Αλέξανδρος-Δ. ΤΣΩΝΟΣ3, Κωνσταντίνος ΠΑΠΑΣΤΕΡΙΑΝΟΣ4, Δημήτριος ΣΠΥΡΟΥ5

ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Οι κόμβοι πλακοφορέων-τοιχοειδών βάθρων στη Γεφυροποιία και στις σήραγγες με εκσκαφή και επανεπίχωση (cut and covers), δεν ελέγχονται κατά κανόνα έναντι τέμνουσας. Ωστόσο, ορισμένες δυσμενείς συγκυρίες, οι οποίες είναι συνήθεις κυρίως στους φορείς των συγκοινωνιακών έργων, είναι δυνατόν να οδηγήσουν σε πολύ υψηλές τάσεις διάτμησης στον κόμβο με αποτέλεσμα πρόωρη και ψαθυρού τύπου αστοχία του υπό τα φορτία βαρύτητας και μόνον. Η κατάσταση στον κόμβο επιβαρύνεται από τις αγκυρώσεις των καμπτικών οπλισμών των σκελών του, οι οποίες είναι δυνατόν να προκαλέσουν πρόωρες αποφλοιώσεις και να υπονομεύσουν την ευαίσθητη περιοχή, η οποία μολονότι είναι μικρή της ζητούνται πολλά. Τα πράγματα επιδεινώνονται, όταν στις εντατικές καταπονήσεις, προστεθεί ο σεισμός, ο οποίος ενδιαφέρει ιδιαίτερα στις περιπτώσεις των γεφυρών με μονολιθική σύνδεση φορέα-ακροβάθρου. Για τη διερεύνηση των κρισίμων αυτών κόμβων κατασκευάστηκαν στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας δύο δοκίμια, ένα με συμβατική και ένα με μη συμβατική όπλιση, υπό κλίμακα 1:3, τα οποία μελετήθηκαν εργαστηριακώς υπό ανακυκλιζόμενη σεισμικού τύπου φόρτιση. Με αυτόν τον τρόπον αξιολογήθηκε μία διάταξη βελτιώσεως της μηχανικής συμπεριφοράς των κόμβων πλακών-τοιχωμάτων. ABSTRACT : The deck slab-abutment joints in bridge engineering and in cut and covers, are usually not checked against shear failure. However, unfavourable load combinations, which are frequent in transportation systems, can lead to high shear stress and by extension to non-ductile failure of the joint. The aforementioned possibility is increasing by the anchorages of the longitudinal reinforcement in the joint, which are possible to lead in early spalling of the cover and in reducing the resistance of this weak joint. The seismic actions, which are usually significant in bridges with monolithic connection of the abutment with the deck, also increase the stress of these joints. In the present investigation two specimens, scaled to 1:3 of the original size, were constructed and tested in order to model experimentally the dynamic cycle loading of such joint connections. The results of the 1 Δρ. Πολιτικός Μηχανικός, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, email: mitoulis@civil.auth.gr 2 Καθηγητής, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, email: itegos@civil.auth.gr 3 Καθηγητής, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, email: tsonosa@civil.auth.gr 4 Πολιτικός Μηχανικός, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης 5 Πολιτικός Μηχανικός, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

2

experimental research lead in the evaluation of the proposed non-conventional reinforcing of these joints.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η κατασκευή και η λειτουργική εξασφάλιση των γεφυρών με μονολιθική σύνδεση φορέα-ακροβάθρων, δηλαδή των γεφυρών χωρίς εφέδρανα, αποτελούν τα τελευταία χρόνια την αιχμή της εξέλιξης της Γεφυροποιίας. Στις ΗΠΑ ο ανταγωνισμός μεταξύ των Πολιτειών έδωσε προβάδισμα τόσο στην κατασκευή των γεφυρών αυτού του είδους, όσο και στην έρευνα των προβλημάτων που σχετίζονται με τη λειτουργική και σεισμική απόκριση αυτών. Η κατασκευή της ενιαίας γέφυρας Happy Hollow στην Πολιτεία του Tennessee, συνολικού μήκους 358m, με καμπύλη κάτοψη, προκειμένου να εκτονωθεί ακτινικά ένα μέρος των λειτουργικών καταναγκασμών, αποτελεί ενδεικτική περίπτωση της ορμής αυτής της χώρας στην κατασκευή πλήρως μονολιθικών συστημάτων. Στην Ευρώπη η Γερμανία, υιοθετούσα στοιχεία από τη Γεφυροποιία των ΗΠΑ, αλλά και συμβάλλουσα ουσιωδώς στην εξέλιξη των πλήρως μονολιθικών-εύρωστων γεφυρών, (“ερωμένες-robust”), έχει κατασκευάσει την τελευταία δεκαετία ενιαίες γέφυρες με συνολικά μήκη μέχρι και 180m οι οποίες, στην πλειονότητά τους, είναι συμβατικώς οπλισμένες. Ως αντιπροσωπευτικές γέφυρες αναφέρονται: η Nesenbachtal-Bruecke, (J. Schlaich), και η La Fertre-Steg σε αστικό περιβάλλον, καθώς και οι Rednitztal – Bruecke και Schwabachtal - Bruecke. Στην Ελλάδα, παρότι το 5ο κεφάλαιο των ΟΜΟΕ, (ΟΜΟΕ, 2002) αναφέρει ως άνω όριο για το μήκος ενιαίων γεφυρών αυτό των 60m, στην Εγνατία οδό έχουν κατασκευαστεί μονολιθικά τμήματα γεφυρών, δηλαδή με συνεχές κατάστρωμα μονολιθικώς συνδεδεμένο με τα μεσόβαθρα, μεγαλυτέρου μήκους από το προαναφερθέν. Ωστόσο, εξαιρέσει κάποιων επουσιωδών περιπτώσεων άνω διαβάσεων, ουδέποτε εφαρμόσθηκε μονολιθική σύνδεση φορέα-ακροβάθρου, καθώς η απομόνωση μέσω εφεδράνων των ακροβάθρων αποτελεί σήμερα τον κανόνα. Στη σύγχρονη Γεφυροποιία, ο εμφανώς προσιδιάζων στη φύση του υλικού του οπλισμένου σκυροδέματος τρόπος κατασκευής των ενιαίων γεφυρών, λόγω της συμβατότητας της λύσεως αυτής με το μονολιθικό χαρακτήρα του σκυροδέματος, περιορίστηκε εξαιτίας κατασκευαστικών μεθόδων όπως π.χ. η προκατασκευή και η σταδιακή προώθηση, οι οποίες αποκλείουν τη δυνατότητα μονολιθικότητας μεταξύ βάθρων και φορέα. Ωστόσο, η κατασκευή των ενιαίων γεφυρών παραμένει στο προσκήνιο, καθώς αυτές έχουν σαφή πλεονεκτήματα έναντι των -εξαιτίας της απειλής των καταναγκασμών- πολυδιασπασμένων συστημάτων γεφυρών στα οποία πλεονάζει η χρήση εφεδράνων και αρμών. Εκτός από την αισθητική και την ανθεκτικότητα, η αντισεισμικότητα των ενιαίων γεφυρών είναι βελτιωμένη καθώς: (α) η αυξημένη υπερστατικότητά τους επιτρέπει την ανακατανομή της σεισμικής έντασης χωρίς να θέτει σε κίνδυνο την ακεραιότητα του συστήματος, (β) αξιοποιούν τη δυνατότητα του οπλισμένου σκυροδέματος να απορροφά ένα μέρος της σεισμικής ενέργειας μέσω πλαστικών παραμορφώσεων και (γ) είναι απαλλαγμένες, σε μεγάλο βαθμό, από τις απαιτήσεις συντήρησης και αντικατάστασης αναλωσίμων στοιχείων, όπως είναι τα εφέδρανα και οι αρμοί. Ωστόσο, οι καταναγκασμοί, προερχόμενοι από τις διαφορικές καθιζήσεις, την προένταση, τη συστολή ξήρανσης, τον ερπυσμό και τις θερμοκρασιακές μεταβολές καταπονούν υπέρμετρα τα ακραία και συνήθως βραχέα κατά το ύψος μεσόβαθρα, τα τυχόν συνδεόμενα μονολιθικώς με το κατάστρωμα ακρόβαθρα και προκαλούν βλάβες στα

3

μεταβατικά επιχώματα με καθιζήσεις και με το αναφερόμενο κατωτέρω φαινόμενο “ratcheting”. Η λειτουργική καταπόνηση των ακροβάθρων και των ακραίων μεσοβάθρων είναι δυνατό να αντιμετωπιστεί με επάρκεια εφόσον η λειτουργική ρηγμάτωση αυτών προκύπτει με αποδεκτά εύρη ρωγμών κατά τον ισχύοντα κανονισμό. Ωστόσο, αναγνωρίζεται ότι σε γέφυρες πολύ μεγάλων ανοιγμάτων η απολύτως μονολιθική λύση είναι δύσκολο ή και ανέφικτο να ικανοποιήσει τις λειτουργικές απαιτήσεις. Στις ΗΠΑ το παραπάνω πρόβλημα των λειτουργικών καταναγκασμών που καταπονούν τα ακρόβαθρα αντιμετωπίζεται με την κατασκευή κινητών ακροβάθρων, Σχήμα 1, τα οποία αποτελούνται από έναν ακρόβαθρο-πέτασμα ύψους Η=2,50~4,00m (“stub-type abutment”) το οποίο αποτελεί τον κεφαλόδεσμο-κεφαλοδοκό, μίας, συνήθως, σειράς συμβατικών ή μεταλλικών πασσάλων. Ο ρόλος των πασσάλων είναι να παραλαμβάνουν μόνο τα κατακόρυφα φορτία του ακροβάθρου και να προσδίδουν, με την ευκαμψία τους, κινητότητα στο ακρόβαθρο, (Arockiasamy, Butrieng, Sivakumar 2004), καθώς αυτοί έχουν την δυνατότητα να κινούνται μέσα σε προδιατρημένες, συνήθως, οπές οι οποίες πληρούνται μετά την τοποθέτηση των πασσάλων με χαλαρή άμμο, (Arsoy 2000). Για τις ενιαίες γέφυρες μεγάλου μήκους το προαναφερθέν τοίχωμα-κεφαλόδεσμος αποτελείται από δύο τμήματα συνδεόμενα αρθρωτά μεταξύ τους μέσω ενός καταλλήλου συνδέσμου. Σε αυτά τα ημι-μονολιθικά ακρόβαθρα ελαχιστοποιείται η καμπτική καταπόνηση των πασσάλων, γεγονός που συμβάλλει στην βελτίωση της ανθεκτικότητας του ακροβάθρου έναντι των ημερησίως και ετησίως ανακυκλιζόμενων λειτουργικών καταπονήσεων. Στην Ευρώπη εφαρμόζονται συνήθως ακρόβαθρα πλήρους ύψους, (Tsang, England, Dunstan 2002), τα οποία είναι δυνατό να διαθέτουν αρθρωτή σύνδεση με τη θεμελίωσή τους, (England, Tsang, Bush 2000). Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας παρουσιάζονται, ως εναλλακτικές λύσεις του Αμερικανικού τύπου ακροβάθρου, δύο καινοτόμοι μορφολογικώς τύποι ακροβάθρων με δυνατότητες εξυπηρέτησης αφενός των αντισεισμικών και αφετέρου των λειτουργικών αναγκών της γέφυρας. Με τα προτεινόμενα ακρόβαθρα είναι δυνατό να απαλλαγεί το σύστημα από όλους του αρμούς, γεγονός που συνιστά σημαντικό πλεονέκτημα και για την ανθεκτικότητα της γέφυρας και για την οδηγική λειτουργικότητά της. Είναι γνωστόν ότι η Ελληνική, τουλάχιστον, Γεφυροποιΐα στο σημερινό της επίπεδο, παρά τη συνήθη πλέον επιδίωξη μονολιθικής συνδέσεως φορέα-μεσοβάθρων, απομονώνει τα ακρόβαθρα από τον φορέα μέσω εφεδράνων. Με την προτεινόμενη οιονεί υπέρβαση, η οποία συνίσταται στην λυσιτελή αντιμετώπιση των αναφυομένων λειτουργικών προβλημάτων, επιτυγχάνεται σημαντική ανακούφιση των μεσοβάθρων, μέσω της μεταφοράς σημαντικού μέρους των σεισμικών δράσεων στα ακρόβαθρα, τα οποία αναβαθμίζονται πλέον σε ισχυρούς αντισεισμικούς παράγοντες των γεφυρών.

4

Σχήμα 1. Διαμόρφωση μονολιθικού τοιχοειδούς ακροβάθρου – κεφαλοδέσμου κατά την επικρατούσα στις ΗΠΑ πρακτική.

Η ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΩΝ ΕΠΙΧΩΜΑΤΩΝ Εκτός από τα αναφερθέντα στην εισαγωγή προβλήματα που σχετίζονται με την λειτουργικότητα και την ανθεκτικότητα των ακροβάθρων των ενιαίων γεφυρών, η λειτουργική και η σεισμική συμπεριφορά των μεταβατικών επιχωμάτων αποτελεί σημαντικό πεδίο έρευνας τα τελευταία χρόνια. Το επίχωμα ανθίσταται λειτουργικώς με αυξημένες ωθήσεις στην κίνηση του ακροβάθρου προς αυτό, ιδιαίτερα τις θερμές ημέρες των καλοκαιρινών μηνών. Η συνολική ώθηση που δέχεται το κινούμενο ακρόβαθρο εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, (Lock, Bolton, Low 2002), οι κυριότεροι των οποίων είναι: (α) η γεωμετρία του ακροβάθρου, δηλαδή το ύψος και το πάχος του κορμού του, (β) η υφή της διεπιφάνειας επαφής ακροβάθρου- επιχώματος, (γ) το είδος της λειτουργικής κίνησης του ακροβάθρου (μεταφορική ή στροφική), και (δ) το είδος του εδάφους και ο βαθμός συμπύκνωσης του μεταβατικού επιχώματος. Ο προσδιορισμός, ωστόσο, των παθητικών ωθήσεων λαμβάνοντας υπόψη τους προαναφερθέντες παράγοντες δεν είναι δυνατόν να θεωρηθεί επαρκής καθότι έχει παρατηρηθεί ότι οι παθητικές ωθήσεις αυξάνονται μακροπρόθεσμα καθώς το έδαφος εισχωρεί στο κάτω μέρος του κενού και σφηνώνεται πίσω από το απομακρυνόμενο από το επίχωμα, κατά τους χειμερινούς μήνες, ακρόβαθρο, το οποίο στην κατάσταση διαστολής της γέφυρας τείνει να επανέλθει στην αρχική του θέση, κίνηση στην οποία αντιστέκεται το μη αναστρεψίμως σφηνωμένο έδαφος πίσω από αυτό. Το φαινόμενο αναφέρεται στην διεθνή βιβλιογραφία ως “ratcheting” και η αντιμετώπισή του συνίσταται σε σύνθετες λύσεις, (Horvath α,β 1998), (Horvath 2000) οι οποίες συνδυάζουν: (α) την όπλιση του επιχώματος με διάφορους τρόπους ώστε αυτό αφενός να διατηρεί τη γεωμετρία του και αφετέρου να εμφανίζει περιορισμένες καθιζήσεις και (β) την τοποθέτηση συμπιεστών ενθεμάτων όπως διογκωμένη πολυστερίνη, (EPS-geofoam), ανάμεσα στο ακρόβαθρο και το επίχωμα, ώστε το ακρόβαθρο κατά τη διαστολή του να μην μετακινεί το υλικό του επιχώματος. Οι παραπάνω λύσεις προτάθηκαν αρχικώς από τον Horvath και υιοθετήθηκαν και από το NCHRP των ΗΠΑ

5

(Stark T.D.,et al., 2004), (Wu J. et al., 2006). Η απόκριση του συστήματος του οπλισμένου επιχώματος συνδυαζόμενου με συμπιεστό ένθεμα πίσω από το ακρόβαθρο ελέγχθηκε πειραματικώς σε ακρόβαθρο πλήρους ύψους από τους Poetzl και Neumann, (Poetzl και Neumann 2005). Η εργασία παρουσιάζει εξαιρετικό ενδιαφέρον καθότι δίνονται σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τον τρόπο οπλίσεως του επιχώματος καθώς και με τα τεχνικά χαρακτηριστικά των EPS. Η ερευνητική αυτή εργασία αναδεικνύει επίσης και το μείζον ενδιαφέρον που επιδεικνύεται για την κατασκευή μονολιθικών ακροβάθρων στον ευρωπαϊκό χώρο. Εκτός του προβλήματος του ratcheting, προβληματισμοί που αναφέρονται στις καθιζήσεις του μεταβατικού επιχώματος, (Briaud, Seo, Ha, Scullion, 2003), οδηγούν σε λύσεις μεταβατικών επιχωμάτων συγκεκριμένης κοκκομετρικής διαβάθμισης και σε εκτεταμένα στοιχεία προσβάσεως-πλάκες ή φορείς προσβάσεως- αν και έχουν διατυπωθεί επιφυλάξεις για την παρουσία αυτών των παραδοσιακών μέσων, καθόσον αυτά επηρεάζουν δυσμενώς τη λειτουργικότητα μέσω της δεσμεύσεως της κινητότητας του ακροβάθρου, (Hoppe E.J., 2005). Μολονότι τα αναλυθέντα προβλήματα των μονολιθικώς συνδεδεμένων με την ανωδομή ακροβάθρων και κατ’ επέκτασιν των ενιαίων γεφυρών, ως ανεφέρθη, βρίσκονται στην αιχμή της έρευνας επί των ολοσώμων γεφυρών υπάρχει ακόμη πολύς δρόμος για να θεωρηθεί επαρκής η διερεύνησή τους. Προς το παρόν έχουν γίνει προσεγγίσεις του μαθηματικού προβλήματος της σεισμικής απόκρισης των ενιαίων γεφυρών και επαλήθευση αυτών με καταγεγραμμένες κινήσεις (Zhang J., Makris N., 2001; Zhang J., Makris N., 2002; Goel R.K, 1997). Οι προσεγγίσεις αυτές αφορούν συγκεκριμένες γέφυρες στις οποίες έχει εφαρμοστεί το ακρόβαθρο του Σχήματος 1, για συμβατικά μεταβατικά επιχώματα χωρίς τοποθέτηση EPS. Μέχρι σήμερα δεν έχει εξεταστεί το πρόβλημα της δυναμικής αλληλεπίδρασης μεταξύ ακροβάθρων πλήρους ύψους και οπλισμένων μεταβατικών επιχωμάτων εν συνδυασμώ με την παρουσία, ή μη, μεταξύ αυτών μίας στρώσεως EPS. Συμπεράσματα από μία τέτοια έρευνα θα ήταν πολύ χρήσιμα και θα ήταν δυνατό να συμβάλλουν στην βελτίωση της αντισεισμικότητας και στην οικονομικότητα των γεφυρών, (Mitoulis, Tegos 2005;Tegos, et al., 2005).

ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΙ ΚΑΙΝΟΤΟΜΟΙ ΤΥΠΟΙ ΑΚΡΟΒΑΘΡΩΝ Στην παρούσα εργασία προτείνονται δύο νέοι τύποι ακροβάθρων τα οποία συνδέονται μονολιθικά με την πλάκα καταστρώματος των γεφυρών. Τα ακρόβαθρα αυτά είναι δυνατό να χαρακτηριστούν ως εναλλακτικού τύπου, και διαφέρουν ουσιωδώς από τα αντίστοιχα κοντά μονολιθικά ακρόβαθρα που εφαρμόζονται στις ΗΠΑ. Οι δύο τύποι ακροβάθρων δίνονται στα Σχήματα 2 και 3. Στα δύο προτεινόμενα ακρόβαθρα εμφανίζονται οι εξεταζόμενοι στην παρούσα εργασία, ως προς την μηχανική τους συμπεριφορά, κόμβοι τοιχοειδών κορμών-πλάκας καταστρώματος γεφυρών. Οι προτεινόμενες διαμορφώσεις ακροβάθρων συναρτώνται με την προς βελτίωση της ευκαμψίας αύξηση του ύψους σε αυτά συγκριτικώς με τα αντίστοιχα νανοειδή σήμερον εφαρμοζόμενα, χάρη στην ενδιάμεση παρεμβολή των εφεδράνων.

6

Είναι γνωστόν ότι, οι Οδηγίες για την Αντισεισμική Μελέτη Γεφυρών (ΟΑΜΓ-FB, 2007) στην περίπτωση απόπειρας μονολιθικής σύνδεσης του ακροβάθρου με το κατάστρωμα επιβάλλουν δίκην “ποινής προς αποφυγήν” τιμή συντελεστή συμπεριφοράς q=1,5 γεγονός που αποτελεί αντικίνητρο για τυχόν επιλογή των. Ωστόσο, μία λύση, τουλάχιστον κατά τη διαμήκη διεύθυνση της γέφυρας, μέσω κατάλληλης οπλίσεως προς εξασφάλιση υψηλού δείκτη πλαστιμότητας στον τοιχοειδή κορμό είναι δυνατό να παρακάμψει, τουλάχιστο κατά το πνεύμα, αυτό το άρθρο. Επίσης, κατά την εγκάρσια διεύθυνση ο μικρός λόγος διατμήσεως αs, (ΟΑΜΓ-FB, 2007), που λειτουργεί το ακρόβαθρο οδηγεί στην τιμή qy=1. Αλλά μία τέτοια εκ πρώτης όψεως δυσμενής τιμή αντιμετωπίζεται εύκολα και μέσω της, συνήθως, τοιχοειδούς μορφολογίας και των μεσοβάθρων, οπότε η οικονομική διάσταση του προβλήματος βελτιώνεται δραστικώς. Το ακρόβαθρο του Σχήματος 2 περιλαμβάνει τον τοιχοειδή κορμό εδράσεως του φορέα, ο οποίος είναι πακτωμένος στην ακλόνητη πλάκα της θεμελιώσεως. Το μεταβατικό επίχωμα προβλέπεται στην περίπτωση αυτή οπλισμένο. Τα προκύπτοντα λειτουργικά προβλήματα αντιμετωπίζονται με βάση την κλασική λύση Horvath, η οποία προβλέπει μία στρώση γεωαφρώδους υλικού, (EPS-geofoam), πίσω από το ακρόβαθρο. Το πάχος του EPS είναι δυνατό να καθοριστεί βάσει των λειτουργικών απαιτήσεων του μήκους του καταστρώματος. Η επιλογή αυτή είναι δυνατό να συσχετιστεί με τυχόν επιδίωξη της συμμετοχής του επιχώματος κατά το σεισμό, με απώτερο στόχο τη μείωση των σεισμικών δράσεων σχεδιασμού της γέφυρας, μέσω της παρεμπόδισης της ελεύθερης σεισμικής ταλάντωσής της. Αυτός ο τύπος ακροβάθρου είναι δυνατό να αξιοποιηθεί σε όλους τους τύπους των γεφυρών, υπό την προϋπόθεση σταθεράς στηρίξεως του φορέα επί του τοιχοειδούς κορμού. Στο Σχήμα 3 δίνεται ο 2ος προτεινόμενος τύπος ακροβάθρου, το οποίο ονομάστηκε διπλό ακρόβαθρο, καθότι αποτελείται από δύο τοιχοειδή στοιχεία, εκ των οποίων το πρώτο, (Τμήμα Ι), εξυπηρετεί την πλαισιακή στήριξη του φορέα, ενώ το δεύτερο, (Τμήμα II), δέχεται τις ωθήσεις του μεταβατικού επιχώματος και συνδέεται με τους τοίχους αντεπιστροφής. Ο ρόλος της διαφραγματικής συνδετήριας δοκού, η οποία ευρίσκεται στο ύψος της στέψης των τοίχων αντεπιστροφής, είναι να μεταφέρει τις δυνάμεις, που προκύπτουν από την πρόσκρουση του καταστρώματος επί του ακροβάθρου, στους καταλλήλου ενισχύσεως και βελτιωμένης πλαστιμότητας τοίχους αντεπιστροφής. Μεταξύ των δύο τοιχωμάτων παρεμβάλλεται αρμός, το εύρος Δ του οποίου καθορίζεται από τις λειτουργικές απαιτήσεις του καταστρώματος και όχι από τις σεισμικές μετακινήσεις. Η επιλογή του εύρους του αρμού και στο ακρόβαθρο αυτού του τύπου είναι δυνατό να συσχετιστεί με τυχόν πρόθεση αντισεισμικής εμπλοκής του επιχώματος, αλλά και των δυσκάμπτων τοίχων αντεπιστροφής, (Tegos et al,2005). Οι δύο τύποι ακροβάθρων που περιγράφησαν παραπάνω είναι δυνατόν να αξιοποιηθούν ιδιαιτέρως σε πλακογέφυρες με διάκενα, αλλά και γενικότερα σε όλες τις περιπτώσεις των χυτών επί τόπου γεφυρών.

7

οπλισμένομεταβατικόεπίχωμα

1.50

8.00 - 10.0m

0.50-0.75m EPS

πτερυγότοιχος

5,00m

EPS

οπλισμένομεταβατικόεπίχωμα

~

Σχήμα 2. Πρώτος (1ος) τύπος μονολιθικού ακροβάθρου: Tοιχοειδές μονολιθικό ακρόβαθρο το οποίο διαχωρίζεται από το οπλισμένο μεταβατικό επίχωμα μέσω στρώσεως EPS, (α) Κατακόρυφη τομή, (β) Κάτοψη.

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ

Σκοπιμότης

Στις μονολιθικές γέφυρες, ένας, εκ της ιεαραρχίας των αντοχών, ασθενέστερος κρίκος της ικανοτικής αλυσίδας είναι η αντοχή των κόμβων ακροβάθρου-φορέα. Εξ’ αυτού κρίθηκε επιβεβλημένη η διερεύνηση της μηχανικής συμπεριφοράς αυτού του δομικού στοιχείου έναντι των σεισμικών καταπονήσεων. Μάλιστα δοκιμάστηκε προς βελτίωση της εν λόγω συμπεριφοράς ειδική διάταξη μη συμβατικής οπλίσεως κόμβου, αποτελούμενη από οριζόντιους οπλισμούς του τύπου των αναβολέων, (φουρκετών). Η πειραματική έρευνα έθεσε ως στόχο: (α) την αξιολόγηση της μηχανικής συμπεριφοράς υπό σεισμικού τύπου φόρτιση και της δυναμικής απόκρισης των κόμβων των πλακών φορέων-τοιχοειδών κορμών ακροβάθρων γεφυρών και, (β) την αξιολόγηση μη συμβατικής οπλίσεως και τον προσδιορισμό της αποδοτικότητας αυτής με στόχο την βελτίωση της σεισμικής αποκρίσεως των κόμβων.

8

1.5m

5.00m

10.0m

8.00 - 10.0m

4.00 - 5.00m

10.0m

Σχήμα 3. Δεύτερος (2ος) τύπος μονολιθικού ακροβάθρου: Διπλό ακρόβαθρο με αρμούς λειτουργικού εύρους μεταξύ των δύο τμημάτων του.

Δοκίμια κόμβου πλακοφορέα-ακροβάθρου

Για τις ανάγκες της πειραματικής έρευνας κατασκευάστηκαν δύο δοκίμια μορφής Γ και διατομής 300/200mm, (Παπαστεριανός Κ., Σπύρου Δ., 2005): (α) ένα δοκίμιο με συμβατική όπλιση του κόμβου, Σχήμα 4, και (β) ένα δοκίμιο με μη συμβατική όπλιση, καθώς σε αυτό τοποθετήθηκε πρόσθετος οπλισμός φουρκετών, καλά αγκυρωμένος και στις δύο διευθύνσεις του κόμβου, Σχήμα 5. Συγκεκριμένα από τα δύο επίπεδα των φουρκετών το ένα είναι παράλληλο προς την πλάκα-προσομοίωμα της πλάκας καταστρώματος- και το άλλο είναι παράλληλο προς το τοίχωμα-προσομοίωμα του τοιχοειδούς ακροβάθρου. Τα δοκίμια κατασκευάστηκαν υπό κλίμακα 1:3 και περιελάμβαναν συμμετρικό καμπτικό οπλισμό σε ποσοστό ρ=ρ΄=0,8%ο. Ο χάλυβας του διαμήκους και του εγκαρσίου οπλισμού ήταν ποιότητας S500s και το σκυρόδεμα ποιότητας C30/37.

9

0.25

0.20

0.25

0.30

0.20 0.25

0.25

AA BB

Γ

Γ

Δ

Δ

TOMH A-A TOMH Γ-Γ, Δ-Δ TOMH B-B

4O8

4O8

4O84O8

6O10

12O10

6O10

4O8

Σχήμα 4. Διάταξη συμβατικής οπλίσεως του δοκιμίου (1ο δοκίμιο): (α) κάτοψη και (β) χαρακτηριστικές τομές των συμβαλλόντων δομικών στοιχείων. Η διάταξη φόρτισης

Η επιβολή της ανακυκλιζόμενης φορτίσεως που επιβλήθηκε στα υπό εξέταση δοκίμια πλακοφορέα-ακροβάθρου έγινε με ειδική διάταξη, Σχήμα 6, στο Εργαστήριο Κατασκευών Οπλισμένου Σκυροδέματος και Φέρουσας Τοιχοποιΐας του ΑΠΘ προσαρμοσμένης στις ανάγκες της παρούσας πειραματικής έρευνας. Η ανακυκλιζόμενη φόρτιση του δοκιμίου εισήχθη μέσω υδραυλικού δυναμικού εμβόλου διπλής ενέργειας, (θλίψης-εφελκυσμού). Οι δυνάμεις του εμβόλου ασκούνται στα άκρα των ειδικώς διαμορφωθέντων δύο σκελών του δοκιμίου με τη βοήθεια διατάξεως, η οποία αποτελείται από μετωπικές πλάκες, μεταξύ των οποίων εγκιβωτίζεται το άκρο του δοκιμίου, μέσω προεντεταμένων κοχλιώσεων, Σχήμα 6. Κατά τη φόρτιση το έμβολο ασκεί δυνάμεις εναλλασσομένου προσήμου στα άκρα του δοκιμίου. Σχηματικώς το διάγραμμα ελευθέρου σώματος του δοκιμίου δίνεται στο Σχήμα 7. Η ιστορία της φορτίσεως του δοκιμίου δίνεται στο Σχήμα 8. Όπως φαίνεται και από το ανωτέρω Σχήμα 8, η φόρτιση του δοκιμίου περιελάμβανε την επιβολή κύκλων μετατόπισης, αυξανομένου εύρους κατά 5mm ανά κύκλο φορτίσεως.

(α)

(β)

10

1.51

0.92

0.25

6O8

6O8

1.280.50 0.58

0.20

0.25

0.30

0.20 0.25

0.25

AA BB

Γ

Γ

Δ

Δ

TOMH A-A TOMH Γ-Γ, Δ-Δ TOMH B-B

Σχήμα 5. Διάταξη μη συμβατικής οπλίσεως (φουρκέτες) του δοκιμίου (2ο δοκίμιο): (α) κάτοψη και (β) χαρακτηριστικές τομές των συμβαλλόντων δομικών στοιχείων. Η δύναμη Ρ που εφαρμόζεται από το έμβολο στο δοκίμιο αναλύεται σε δύο κάθετες μεταξύ τους δυνάμεις, μία κατά μήκος του μεγάλου σκέλους, (αξονική δύναμη), και μία κάθετη στο σκέλος, (τέμνουσα δύναμη), η οποία δημιουργεί και ροπή κάμψης στο κάθε σκέλος του δοκιμίου, με εναλλασσόμενο πρόσημο. Η τοποθέτηση του εμβόλου έγινε εις τρόπον ώστε να αποφευχθεί η φόρτιση των σκελών με στρεπτικές ροπές κατά τη φόρτιση. Η διαδικασία φορτίσεως συνδυάστηκε με έλεγχο των μετατοπίσεων -deflection control. Το εκάστοτε επιβαλλόμενο φορτίο (Ρ) του εμβόλου μετρήθηκε με τη βοήθεια load cells τα οποία ήταν συνδεδεμένα με γέφυρα Wheatstone, με τη βοήθεια της οποίας ελήφθησαν οι αναγνώσεις των τιμών του φορτίου κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας. Η μέτρηση των μετατοπίσεων (u) του δοκιμίου έγινε με τη βοήθεια βολτομέτρου το οποίο συνδεόταν με ποτενσιόμετρο. Το πρόγραμμα της φόρτισης των δοκιμίων περιελάμβανε δέκα κύκλους φορτίσεως.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ

Η διερεύνηση της αποδοτικότητας της προτεινόμενης μη συμβατικής οπλίσεως στο δεύτερο δοκίμιο έγινε με σύγκριση των βρόχων υστέρησης των δύο δοκιμίων -συμβατικού και μη συμβατικού- με τους οποίους αποκρίθηκαν τα δύο δοκίμια υπό την επιβολή της προαναφερθείσας χρονοϊστορίας σεισμικού τύπου φορτίσεως, Σχήμα 8. Για κάθε ένα από τα δοκίμια σχεδιάστηκαν οι βρόχοι υστέρησης σε διαγράμματα φόρτισης μετατόπισης (P-u), Σχήματα 9 και 10.

(α)

(β)

11

1.510.92

Έμβολο διπλής

Load cell 0.25

ενέργειας

Σχήμα 6. Διάταξη φορτίσεως των δοκιμίων.

P P

ll1

u=l1-l

παραμορφωμένοδοκίμιο

θέση του δοκιμίου προτης επιβολής της φορτίσεως

Σχήμα 7. Διάγραμμα ελευθέρου σώματος του δοκιμίου. Ως ανεφέρθη, το πρόγραμμα της φόρτισης των δοκιμίων περιελάμβανε δέκα κύκλους φορτίσεως. Ωστόσο, το συμβατικώς οπλισμένο δοκίμιο, Σχήμα 4, αστόχησε μετά την ολοκλήρωση του ένατου (9ου) κύκλου φορτίσεως, Σχήμα 9, Σχήμα 10, καθότι κατά τη διάρκεια του τελευταίου κύκλου το δοκίμιο εμφάνισε πλήρη αποδιοργάνωση του κόμβου. Σημειώνεται δε ότι δεν θεωρήθηκε, εν προκειμένω, το θεωρητικό σημείο αστοχίας του δοκιμίου, που είναι το σημείο του βρόχου στο οποίο το δοκίμιο αποκρίνεται με αντοχή ίση με ένα ποσοστό της μέγιστης μετρηθείσας τιμής, καθώς η πειραματική έρευνα έθεσε ως στόχο και τον προσδιορισμό της φέρουσας ικανότητας του κόμβου μετά το πέρας της δοκιμής. Όσον αφορά την απόκριση του δοκιμίου κατά τη διάρκεια της φορτίσεως, σημειώνεται ότι, αυτό αποκρίθηκε με ρωγμές σημαντικού εύρους στον κόμβο από τον 1ο κύκλο φορτίσεως. Μέχρι τον 4ο κύκλο φόρτισης το δοκίμιο εμφάνισε όλες τις ρωγμές, η σταθερή διεύρυνση των

12

οποίων στους επόμενους κύκλους οδήγησαν στην αστοχία του. Το μέγιστο εύρος ρωγμής -3mm στον 5ο κύκλο φόρτισης- μετρήθηκε στη διαγώνιο του κόμβου. Η δημιουργία της εν λόγω ρωγμής οφείλεται πιθανόν στην ολίσθηση των διαμήκων οπλισμών. Στο πρώτο μισό του 5ου κύκλου φόρτισης λόγω των δυνάμεων εκτροπής των από 12Ø10 ενιαίων εξωτερικών οπλισμών, Σχήμα 4, παρατηρήθηκαν διαμήκεις ρωγμές παράλληλες με τους εν λόγω οπλισμούς, οι οποίοι υπόκεινται και σε θλίψη. Ιδιαιτέρως σε αυτή την περίπτωση φαίνεται να πάσχει το σκέλος του οπλισμού που έχει μεγαλύτερο μήκος. Η φόρτιση του μη συμβατικού δοκιμίου περιέλαβε τέσσερις κύκλους φόρτισης, Σχήμα 11, καθότι η δοκιμή διεκόπη λόγω αστοχίας του δοκιμίου στην περιοχή ασκήσεως του φορτίου. Η αντίστοιχη ρηγμάτωση του δοκιμίου στον κόμβο, μέχρι τον 4ο κύκλο, Σχήμα 12, ήταν προδήλως ευμενέστερη συγκριτικώς προς το 1ο δοκίμιο -συμβατικό- μέχρι το πέρας του 4ου κύκλου φορτίσεως δεν είχαν εμφανιστεί ίχνη αποδιοργάνωσης του κόμβου. Η σύγκριση των δύο δοκιμίων έγινε μέσω των βρόχων υστέρησης με τους οποίους αποκρίθηκαν τα δύο δοκίμια, Σχήμα 9 και 11. Στο Σχήμα 13 δίνονται σε αντιπαραβολή, για λόγους σύγκρισης, οι βρόχοι απόκρισης του συμβατικού και του μη συμβατικού δοκιμίου μέχρι τον 4ο κύκλο φόρτισης. Γενικώς, είναι δυνατό να διατυπωθεί το συμπέρασμα ότι το μη συμβατικό δοκίμιο κόμβου αποκρίθηκε με αυξημένη ικανότητα απορρόφησης ενέργειας και με αυξημένη δυσκαμψία. Κατ’ επέκτασιν η αξιοποίηση της προτεινόμενης μη συμβατικής οπλίσεως κόμβων πλακοφορέων-τοιχοειδών βάθρων είναι αποδοτικότερη, καθότι είναι ικανή να αποκριθεί με αυξημένη καμπτική παραμορφωσιμότητα των σκελών του και κατ’ επέκτασιν να αξιοποιήσει αποδοτικότερα τα πλεονεκτήματα της μονολιθικής σύνδεσης πλάκας καταστρώματος-ακροβάθρου.

5

10

5

10

πλευρική μετατόπιση

u(m

m)

αριθμός κύκλου605040

20

60

1

1

10

30

5040302010

Σχήμα 8. Η επιβαλλόμενη από το δυναμικό έμβολο ιστορία της δυναμικής φορτίσεως των δοκιμίων.

13

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

-60 -40 -20 0 20 40 60Μετατόπιση u (mm)

Δύναμη

P (k

N)

Σχήμα 9. Βρόχοι υστέρησης του δοκιμίου με τη συμβατική όπλιση, (9 κύκλοι φόρτισης).

Σχήμα 10. Η εικόνα ρηγμάτωσης του δοκιμίου με τη συμβατική όπλιση, (9ος κύκλος φόρτισης).

14

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

-60 -40 -20 0 20 40 60Μετατόπιση u (mm)

Δύναμη

P (k

N)

Σχήμα 11. Βρόχοι υστέρησης του δοκιμίου με τη μη συμβατική όπλιση, (4 κύκλοι φόρτισης).

Σχήμα 12. Η εικόνα ρηγμάτωσης του δοκιμίου με τη μη συμβατική όπλιση, (4ος κύκλος φόρτισης).

15

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Προτείνονται στην παρούσα εργασία δύο καινοτόμοι τύποι ακροβάθρων με μονολιθική σύνδεση με το φορέα, ως εναλλακτική πρόταση έναντι του αντιστοίχου καθιερωμένου στις ΗΠΑ τύπου συνδέσεως. Από την πειραματική διερεύνηση της μηχανικής συμπεριφοράς του ολοκληρωμένου συστήματος προέκυψαν τα εξής συμπεράσματα: 1) Για γέφυρες μικρού και μεσαίου μήκους τα αναφυόμενα λειτουργικά προβλήματα είναι ικανοποιητικώς αντιμετωπίσιμα. 2) Τα αντισεισμικά καθώς και τα, συνδεόμενα με την ανθεκτικότητα, αποκομιζόμενα οφέλη είναι σημαντικά. 3) Ένας εκ των κρισίμων κρίκων της ικανοτικής αλυσίδας αντοχών, ο κόμβος της πλάκας φορέα με το τοιχοειδές ακρόβαθρο, ο οποίος μελετήθηκε για λόγους αξιοπιστίας πειραματικώς, προέκυψε ότι δια καταλλήλου προσθέτου οπλίσεως είναι εύκολο να προσαρμοστεί στις απαιτήσεις πλαστιμότητας που ανακύπτουν εκ της μονολιθικής συνδέσεως φορέα-ακροβάθρου. Αναγνωρίζεται, οπωσδήποτε, ότι απαιτείται σημαντική περαιτέρω έρευνα για την οριστική και πλήρη αντιμετώπιση ενός προβλήματος μονολιθικής σύνδεσης φορέα-ακροβάθρου το οποίον, κατά την άποψη των συγγραφέων θα αποτελέσει άλμα για την περαιτέρω εξέλιξη των ολοσώμων γεφυρών.

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

-30 -20 -10 0 10 20 30

Μετατόπιση u (mm)

Δύναμ

η P

(kN

)

δοκίμιο με συμβατική όπλιση δοκίμιο με μη συμβατική όπλιση

Σχήμα 13. Σύγκριση των βρόχων υστέρησης των δύο δοκιμίων, (4 κύκλοι φόρτισης).

16

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Arockiasamy M., Butrieng N., Sivakumar M., (2004), “State-of-the-Art of Integral Abutment

Bridges: Design and Practice”, Journal of Bridge Engineering, Vol. 9, No. 5. Arsoy S., (2000), “Experimental and Analytical Investigations of Piles and Abutments of

Integral Bridges”, PhD Dissertation, Virginia Polytechnic Institute and State University. Briaud J.L., Seo J., Ha H., Scullion T., (2003), “Investigation of Settlement at Bridge

Approach Slab Expansion Joint: Bump at the End of Bridge”, Project Summary Report 4147-S, Project 0-4147, Texa s Transportation Institute.

England, G.L, Tsang, N.C.M., Bush, D.I., (2000), “Integral bridges: A fundamental approach to the time-temperature loading problem”. Thomas Telford ISBN: 0 7277 28458.

Goel R.K, (1997), “Earthquake characteristics of bridges with integral abutments”, Journal of Structural Engineering, Vol. 123, No. 11.

Hoppe E.J., (2005), “Field Study of Integral Backwall with Elastic Inclusion”, Report No. 2, Government Accession No. 3. Recipient’s Catalog No. FHWA/VTRC 05-R28.

Horvath J.S., (1998β), “The compressible-inclusion function of EPS Geofoam: An overview of concepts, Applications and Products”, Manhattan College Research Report No.CE/GE-98-1.

Horvath J.S., (2000), “Integral-Abutment Bridges:Problems and Innovative Solutions Using EPS Geofoam and Other Geosynthetics”, Manhattan College Research Report No. CE/GE-00-2, New York, USA.

Lock R.J., Bolton M., Low A., (2002), “Integral bridge abutments”, CUED/D-SOILS/TR320 M.Eng. Project Report.

Mitoulis S.A. and Tegos I.A., (2005), “Reduction of seismic actions in bridges by developing the pounding interaction between the deck and appropriately reformed abutments”, EE-21st century, Ohrid.

Poetzl, Νeumann, (2005), “Fungenlose betonbrucken mit flexiblen widerlagern”, Beton-und Stahlbeonbau, Heft 8.

Stark T.D., Arellano D., Horvath J.S., Leshchinsky D., (2004), “Guideline and Recommended Standard for Geofoam Applications in Highway Embankments”, NCHRP Report 529.

Tegos Ι.Α., Sextos A., Mitoulis S.A., Tsitotas M., (2005), “Contribution to the improvement of seismic performance of integral bridges”, 4th European Workshop on the Seismic Behaviour of Irregular structures, Thessaloniki.

Tsang N, England G., Dunstan T., (2002), “Soil/Structure interaction of integral bridge with full height abutments”, 15th ASCE Engineering Mechanics Conference, Columbia University, New York.

Wu J., Le K., Helwany E., Ketchart K., (2006), “Design and Construction Guidelines for Geosynthetic-Reinforced Soil Bridge Abutments with a Flexible Facing”, NCHRP Report 556.

Zhang, J. and Makris, N., (2001α), “Seismic Response Analysis of Highway Overcrossings Including Soil-Structure Interaction”, PEER Report, 2001/02.

Zhang, J., and Makris, N., (2002β), “Kinematic response functions and dynamic stiffnesses of bridge embankments”, Earthquake Eng. Struct. Dyn., 31, 1933–1966.

Παπαστεριανός Κ., Σπύρου Δ., (2005), “Πειραματική έρευνα κόμβων γεφυρών κάτω διαβάσεων”, Διπλωματική Εργασία, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών ΑΠΘ.

Υπουργείο Περιβάλλοντος Χωροταξίας και Δημόσιων Έργων, Eιδική Eπιτροπή Επεξεργασίας Θεμάτων Διευρωπαϊκού Δικτύου–Ομάδα Εργασίας, (2002), ΟΜΟΕ-Τεύχος Τεχνικών Έργων.

Υπουργείο Περιβάλλοντος Χωροταξίας και Δημόσιων Έργων, Γενική Διεύθυνση Δημόσιων Έργων, Διεύθυνση Μελετών Έργων Οδοποιίας, (2007), “Οδηγίες για την Αντισεισμική Μελέτη Γεφυρών σε συνδυασμό με DIN-FB 102, 103, 104”, (ΟΑΜΓ-FB).