Earthquake response of bridge abutments accounting for soil-structure interaction and inclined piles

Rundt om i verden bygges store konstruksjoner som broer, ferjekaier og skyskrapere i områder med stor seismisk risiko. I mange tilfeller krever disse konstruksjonene pelefundamentering på grunn av dårlige jordforhold. Under et jordskjelv avhenger responsen til konstruksjonen og responsen til jorden av hverandre. Bakkebevegelsen påvirker forskyvninger i konstruksjonen og konstruksjonens bevegelse påvirker forskyvninger i jorden. Dette kalles jord-konstruksjonen-interaksjon, og det kan være spesielt viktig for konstruksjoner med pelefundament. Kommersiell FE-programvare gjør det mulig å vurdere de fleste konstruksjonstekniske og geotekniske problem på en forholdsvis nøyaktig måte. Imidlertid er detaljerte numeriske løsninger for dynamisk jord-konstruksjon-interaksjonsrespons en utfordrende og tidkrevende prosess som ofte krever tverrfaglig kunnskap. Generelt foretrekkes forenklede metoder som er robuste, brukervennlige og verifiserbare i praktisk ingeniørarbeid. Hovedmålet med dette doktorgradsarbeidet er å bistå bransjen med praktiske beregningsmetoder for å analysere konstruksjoner, spesielt broer, som er fundamentert ved bruk av både vertikale og skrå peler. Disse metodene tar sikte på å fange essensen av problemstillingen samtidig som de er enkle å forstå, implementere og anvende.

Grunnet kostnadsbegrensninger, er det vanligvis ikke gjennomførbart å utføre komplekse dynamiske analyser av jord-konstruksjon-problemet for enkle konstruksjoner. Enkle og effektive beregningsmetoder har blitt utviklet for dynamiske analyser av broer og andre konstruksjoner som tar hensyn til interaksjonen mellom jord og konstruksjon. Disse metodene tillater forholdsvis nøyaktige analyser på en enkel, rask og praktisk måte.

Hovedtema for doktorgradsavhandlingen vil være SSI (Soil Structure Interaction) på pelefundamenterte brulandkar. En SSI-analyse beskriver hvordan konstruksjonen og massene rundt konstruksjonen påvirker hverandre. Effekten av SSI er særlig viktig for stive konstruksjoner på myk grunn. Et eksempel på en forholdsvis stiv konstruksjon er brulandkaret. Slike konstruksjoner må ofte ta opp store horisontale laster injisert av seismiske påvirkninger. Responsen av en pel eller en pelegruppe utsatt for vertikale lastvirkninger er forholdsvis godt dokumentert i litteraturen. Horisontal påkjenning derimot, fører til en kompleks, ikke-lineær respons av pelene. Dette problemet forverres ytterligere ved dynamiske påkjenninger. Skrå peler blir ofte brukt for å ta opp horisontale laster, men frarådes i områder med høy seismisk aktivitet. Dette skyldes flere jordskjelv rundt om i verden hvor skrå peler ikke har oppført seg slik som tiltenkt. Dette har ført til at flere regelverk, deriblant Eurokode 8, fraråder bruk av skråpeler ved seismisk dimensjonering. Likevel, så har flere studier av numeriske løsninger vist fordeler ved bruk av skråpeler, både med tanke underbygning og overbygning. SSI-problemet kan, noe forenklet, løses ved hjelp av to forskjellige fremgangsmåter. «Ingeniørmetoden» deler responsen i to bidrag, kinematisk respons og respons på grunn av treghetskrefter som oppstår i f.eks. overbygningen. Den kinematiske løsningen tar hensyn til stivheten av fundamantent og innvirkningen det har på bevegelsen av grunnen. De to løsningen legges deretter sammen. Den «direkte» metoden er en numerisk evaluering av problemet. Avhandlingen vil benytte begge metodene, men fokusere på numeriske løsningsmetoder.