Σεισμική μόνωση

Σεισμική Μόνωση

Οι θερμομονωτικές ιδιότητες της διογκωμένης πολυστερίνης είναι γνωστές εδώ και αρκετές δεκαετίες και χρησιμοποιείται ευρέως σε εφαρμογές οικοδομικών έργων. Αντίθετα, είναι πολύ λίγο (ή και καθόλου) γνωστό ότι το γεωσυνθετικό αυτό υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μέσο μόνωσης (συμπιεστό παρέμβλημα) σε έργα Πολιτικού Μηχανικού έναντι τόσο ΣΤΑΤΙΚΩΝ όσο και ΣΕΙΣΜΙΚΩΝ εδαφικών φορτίσεων.

09-01-1

Με βάση τα ανωτέρω δεδομένα ο Πανελλήνιος Σύνδεσμος Διογκωμένης Πολυστερίνης (ΕPS) συνεργάζεται και υποστηρίζει, κατά τη διάρκεια της τελευταίας πενταετίας, ερευνητικά προγράμματα του Εργαστηρίου Γεωτεχνικής Μηχανικής, του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, καθώς επίσης του Πανεπιστημίου του Michigan (ΗΠΑ).

Αντικείμενο της συνεργασίας αποτελεί η ανάπτυξη τεχνικών λύσεων οι οποίες χωρίς να απαιτούν εξειδικευμένη τεχνογνωσία και ειδικά μέσα κατά την κατασκευή οικοδομικών και άλλων τεχνικών έργων παρέχουν προστασία έναντι των σεισμικών ωθήσεων.

Γίνεται φανερό ότι η συγκεκριμένη εφαρμογή της διογκωμένης πολυστερίνης αποκτά ιδιαίτερη σημασία σε έργα υποδομής αλλά και σε συνήθη οικοδομικά έργα.

09-01-2

Οι κατασκευές εδαφικής αντιστήριξης αποτελούν σημαντικό αντικείμενο των έργων πολιτικού μηχανικού. Τα έργα αυτά μπορεί να είναι διαφόρων τύπων (π.χ. τοίχοι αντιστήριξης με οπλισμένο σκυρόδεμα - βαρύτητας ή προβόλου, βάθρα γεφυρών, σήραγγες ή τοίχοι υπογείων) και έχουν σχεδιαστεί για να αντισταθούν με ασφάλεια στις οριζόντιες πιέσεις που ασκούνται από τα εδαφικά υλικά.

Στις σεισμογενείς περιοχές μία κατασκευή εδαφικής αντιστήριξης θα πρέπει να σχεδιαστεί ώστε να είναι σε θέση να αντέξει τη σεισμική επιφόρτιση σε συνδυασμό και πρόσθετα με τη στατική.

Οι διατάξεις της τρέχουσας σεισμικής νομοθεσίας και των Ευρωκωδίκων για την εκτίμηση της εδαφικής ώθησης στο σεισμικό σχεδιασμό, βασίζονται κυρίως στη μέθοδο Mononobe-Okabe και στα αποτελέσματα από τη χρήση τους με μια σημαντική αύξηση των εδαφικών πιέσεων κάτω από ισχυρή σεισμική δόνηση (Towhata, 2008).

09-01-7

Οι ελλιπείς μελέτες σε τέτοιες περιπτώσεις μπορεί να οδηγήσουν σε σοβαρές βλάβες ή ακόμα και κατάρρευση της αντιστήριξης, με καταστροφικές συνέπειες για σημαντικά έργα υποδομής. Από την άλλη πλευρά, ο κατάλληλος σχεδιασμός σύμφωνα με την πλευρική-στατική επιφόρτιση, αυξημένη με τα δυναμικά αποτελέσματα, οδηγεί σε σημαντική αύξηση του κόστους κατασκευής.

Παρά το γεγονός ότι το κύρος των τρεχουσών διατάξεων του σεισμικού κώδικα, καθώς και η δυνατότητα εφαρμογής των παραδοχών που έγιναν με αναλυτικούς υπολογισμούς σε συνήθεις τοίχους αντιστήριξης είναι αποδεκτά, ετέθη πρόσφατα το ερώτημα (Lew et al, 2010; Nakamura 2006; Αl Atik και Sitar, 2008), αν ο σχεδιασμός και η διαστασιολόγηση αυτών των τοίχων θα γίνεται, και κατά πάσα πιθανότητα θα συνεχίσει να γίνεται για κάποιο χρονικό διάστημα στο μέλλον, με βάση τους υπάρχοντες κώδικες.

09-01-img 3559 2

Επιπρόσθετα, πρόσφατα πειραματικά αποτελέσματα από σεισμικές τράπεζες μεγάλης κλίμακας δείχνουν ότι για μεγάλες εδαφικές επιταχύνσεις, καταγράφονται σημαντικές εδαφικές ωθήσεις στις κατασκευές αντιστήριξης (Wilson και Elgamal, 2010).

Για αυτούς τους λόγους, μία εφαρμογή μείωσης της σεισμικής ώθησης (ή σεισμικής μόνωσης) θα ήταν ευπρόσδεκτη από τους πολιτικούς μηχανικούς και την κατασκευαστική βιομηχανία (τόσο για τις υπάρχουσες όσο και για τις νέες κατασκευές).

Την τελευταία δεκαετία προτάθηκε μια νέα μέθοδος για την μόνωση των κατασκευών αντιστήριξης σε πλάγιες σεισμικές εδαφικές ωθήσεις (Horvath, 1995; Inglis et al., 1996; Pelekis et al. 2000; Hazarika and Okuzono, 2004; Hazarika, 2005, Athanasopoulos et al., 2007, Zarnani and Bathurst, 2009). Σύμφωνα με αυτή τη μέθοδο ένα στρώμα γεωαφρού EPS (έχοντας το ρόλο συμπιεστού παρεμβλήματος) τοποθετείται μεταξύ της πίσω πλευράς του τοίχου αντιστήριξης και του εδαφικού υλικού επίχωσης (Σχ.1).

Κατά τη διάρκεια του σεισμού, οι σεισμικές ωθήσεις εφαρμόζονται αρχικά στο στρώμα του EPS. Το στρώμα αυτό λειτουργεί σαν αποσβεστήρας (εξ αιτίας της μεγάλης συμπιεστότητας του) απορροφώντας το μεγαλύτερο μέρος της πίεσης και μεταφέροντας μόνο ένα μέρος της στην κατασκευή.

alt

Σχήμα 1: Μόνωση έναντι οριζόντιας σεισμικής ώθησης, σε κατασκευές εδαφικής αντιστήριξης με συμπιεστό παρέμβλημα γεωαφρού EPS.

Μέχρι σήμερα, η έρευνα σε αυτή την κατεύθυνση έχει εστιαστεί σε δοκιμές σεισμικής τράπεζας με δοκίμια μικρής κλίμακας (Zarnani and Bathurst 2009) και με αριθμητικές αναλυτικές μεθόδους (π.χ.. Inglis et al., 1996, Athanasopoulos et al., 2007). Οι δοκιμές μικρής κλίμακας σε σεισμική τράπεζα έχουν δεδομένους περιορισμούς εξ αιτίας των επιδράσεων ορίου και κλίμακας, ενώ οι αριθμητικές αναλύσεις είναι τυπικά περιορισμένες εξ αιτίας των παραδοχών για την απόκριση τάσης – παραμόρφωσης του εδάφους.

Για να αναπτυχθεί μία αξιόπιστη μεθοδολογία για τη σεισμική μόνωση και/ή για την αντισεισμική ανακατασκευή των έργων εδαφικής αντιστήριξης, πρέπει να επικυρωθούν τα αποτελέσματα της αριθμητικής ανάλυσης μέσω φυσικών ελέγχων, όπως οι δοκιμές σε φυγόκεντρο, επειδή οι συνθήκες κλίμακας και ορίων επιτρέπουν τη σωστή μοντελοποίηση της συμπεριφοράς του εδάφους, καθώς επίσης είναι δυνατόν να εκτιμηθούν σωστά, οι οριζόντιες εδαφικές ωθήσεις.

Οι δοκιμές στη φυγόκεντρο προσαρμόζονται ιδανικά και παρουσιάζουν μία μεγάλη ευκαιρία για μοντελοποίηση των κατασκευών εδαφικής αντιστήριξης, αφενός μεν επειδή οι συνθήκες κλίμακας και ορίων επιτρέπουν τη σωστή προσομοίωση της συμπεριφοράς του εδάφους, αφετέρου δε είναι δυνατόν να εκτιμηθούν σωστά οι οριζόντιες εδαφικές ωθήσεις. Οι δοκιμές στη φυγόκεντρο είναι επίσης σχετικά οικονομικές και αναπαράξιμες και συνεπώς μία παραμετρική μελέτη μπορεί να προσαρμοστεί, ώστε να ορίσει τις παραμέτρους που επηρεάζουν περισσότερο τη μονωτική αποτελεσματικότητα των παρεμβλημάτων EPS.

Σύμφωνα με αυτή την ερευνητική εργασία παρουσιάζεται η πρώτη ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ πρότυπη κλίμακα (πλήρης κλίμακα) αποτελεσμάτων με σεβασμό στη σεισμική μόνωση των κατασκευών εδαφικής αντιστήριξης. Παρουσιάζεται επίσης η ευκαιρία να επανακαθοριστεί το ρόλο των φυσικών δοκιμών με την ανάπτυξη νέων αντιλήψεων των προβλημάτων της δυναμικής αλληλεπίδρασης εδάφους – κατασκευής.

Σε περιοχές με έντονη σεισμική δραστηριότητα, θα πρέπει να σχεδιάζονται κατασκευές εδαφικής αντιστήριξης, ώστε να μπορέσουν να αντέξουν τις σεισμικές ωθήσεις, πέραν των στατικών φορτίων. Την τελευταία δεκαετία, έχει προταθεί μία νέα μέθοδος μόνωσης των κατασκευών εδαφικής αντιστήριξης έναντι των οριζόντιων σεισμικών και στατικών ωθήσεων, όπου τοποθετείται ένα στρώμα γεωαφρού EPS (παίζοντας το ρόλο ενός συμπιεστού παρεμβλήματος) μεταξύ της πίσω όψης του τοίχου και του υλικού επίχωσης και δρα σαν αποσβεστήρας.

Πραγματοποιήθηκαν δύο δοκιμές φυγοκέντρησης σε μοντέλα τοίχων αντιστήριξης 4 μέτρων και επιχωματώθηκαν με ξηρή, μεσαίας πυκνότητας άμμο Νεβάδας. Τα μοντέλα δονήθηκαν με μία σειρά από ημιτονοειδείς δονήσεις. Αυτές οι δοκιμές έδωσαν το πρώτο σύνολο δεδομένων για τέτοιου είδους project. Τα προκαταρκτικά αποτελέσματα και η επεξεργασία των δεδομένων από τις δοκιμές φυγοκέντρησης, δείχνουν ότι το στρώμα γεωαφρού EPS, το οποίο συμπεριλήφθηκε στο δεύτερο μοντέλο, έδρασε σαν αποσβεστήρας και συνέβαλλε στη μείωση των σεισμικών ωθήσεων, οι οποίες εφαρμόστηκαν στον τοίχο αντιστήριξης.

Η μονωτική αποτελεσματικότητα του παρεμβλήματος EPS tr=10%, βρέθηκε να κυμαίνεται μεταξύ 10% και 50% καθ’ ύψος του τοίχου, για επιτάχυνση 0.2g σε συχνότητα 2Hz.

Αυτά τα αποτελέσματα βρίσκονται σε συμφωνία με τις προηγούμενες αριθμητικές αναλύσεις, που πραγματοποιήθηκαν σε παρόμοιους τοίχους και σε παρόμοιες συνθήκες εδάφους. Οι υπόψη δοκιμές φυγοκέντρησης μας δίνουν δεδομένα υψηλής ποιότητας, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την καλύτερη κατανόηση της σεισμικής απόκρισης και για την εκτέλεση έργων εδαφικής αντιστήριξης γενικά.

Η χρησιμοποίηση παρεμβλημάτων διογκωμένης πολυστερίνης, αναμένεται να οδηγήσει σε κατασκευαστικές λύσεις μεγαλύτερης ευστάθειας σε συνδυασμό με σοβαρές μειώσεις κόστους. Επιπλέον θα πρέπει να τονιστεί ότι είναι δυνατόν η εφαρμογή να εφαρμοστεί και εκ των υστέρων, δηλαδή σε ήδη έτοιμες κατασκευές βελτιώνοντας έτσι την σεισμική τους συμπεριφορά.

Ποσοστιαίο πάχος παρεμβλήματος EPS 20, tr (%), για επίτευξη αποτελεσματικότητας σεισμικής μόνωσης Ar=50%

alt

Εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας για την περίπτωση συνήθους τοίχου-προβόλου σκυροδέματος ύψους 4.0m οδηγεί στις ακόλουθες μέσες μειώσεις κόστους (σε σχέση με την κατασκευή συμβατικού τοίχου) για τις τρεις ζώνες σεισμικής επικινδυνότητας του Ελληνικού χώρου:

alt