Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία παρουσιάζονται τα αποτελέσματα αναλύσεων τριδιάστατων πεπερασμένων στοιχείων στο λογισμικό Abaqus (2013), τα οποία εξετάζουν την επίδραση του εγκιβωτισμού στην αστράγγιστη διατμητική αντοχή, την ελαστική δυσκαμψία και τη σεισμική συμπεριφορά τετραγωνικών σε κάτοψη θεμελιώσεων. Η ανάλυση διαδραματίζεται σε δύο διαφορετικά εδαφικά προφίλ με αστράγγιστη διατμητική αντοχή γραμμικώς αυξανόμενη με το βάθος. Όλα τα αποτελέσματα συγκρίνονται με τα αποτελέσματα εδαφικού προφίλ ομοιογενούς αστράγγιστης διατμητικής αντοχής του επιστημονικού άρθρου με τίτλο “Static and cyclic undrained response of square embedded foundations” [Ntritsos et al., 2015].

Τα εδαφικά προφίλ που προσομοιώνονται είναι άργιλοι με αστράγγιστη διατμητική αντοχή γραμμικώς αυξανομένη του βάθους. Ο βαθμός αύξησης της αστράγγιστης διατμητικής αντοχής λαμβάνει τιμές m=2 και 10 kPa/m. Η πυκνότητα του εδάφους ισούται με 25 kN/m³ και προσομοιώνεται ως ελαστικό – απολύτως πλαστικό υλικό. Επιπλέον, ο λόγος του μέτρου ελαστικότητας προς την αστράγγιστη διατμητική αντοχή είναι ίσος με 1800. Αντίστοιχα, το ομοιογενές έδαφος της ανάλυσης του άρθρου [Ntritsos et al., 2015] έχει αστράγγιστη διατμητική αντοχή 150 kPa/m. Η θεμελίωση προσομοιώνεται πλήρως δύσκαμπτη και συμπεριφέρεται ελαστικά. Ο εγκιβωτισμός της θεμελίωσης ως ποσοστό του πλάτους της θεμελίωσης λαμβάνει τιμές 0 (επιφανειακό θεμέλιο), 0.2, 0.5 και 1. Για την προσομοίωμα χρησιμοποιούνται οκτακομβικά τριδιάστατα πεπερασμένα στοιχεία.  

Η στατική ανάλυση του φαινομένου εξετάζεται κάτω από δύο διαφορετικές συνθήκες επαφής θεμελίου – εδάφους. Στην πρώτη περίπτωση η επαφή θεμελίου – εδάφους είναι πλήρης, δηλαδή στη σχετική διεπιφάνεια δεν επιτρέπεται η αποκόλληση και το ανασήκωμα του θεμελίου (Fully Bonded Contact, FBC). Στη δεύτερη περίπτωση, και οι δύο παραπάνω καταστάσεις επιτρέπονται (Tensionless Sliding Interface, TSI).

Από την ανάλυση του φαινομένου εξάγονται εξισώσεις που καθορίζουν τη σχέση της φέρουσας ικανότητας σε μονοαξονικής τέμνουσας δύναμης (Q) και ροπή ανατροπής (M) σε συνάρτηση με την εδαφικη ετερογένεια και τον βαθμό εγκιβωτισμού της θεμελίωσης. Το ίδιο συμβαίνει και για τις ελαστικές δυσκαμψίες του συστήματος (K_HH and K_MM) υπό τις άνωθεν περιπτώσεις φόρτισης με τη διαφορά ότι τα αποτελέσματα εξετάζονται ως συνάρτηση της κλίσης αύξησης (με το βάθος) του μέτρου διάτμησης λ. Επιπλέον, παρουσιάζονται περιβάλλουσες αστοχίας (QM), (NQ) and (NM). Ειδική αναφορά γίνεται για τη σημασία της αξονικής φόρτισης και της θέσης του σημείου αναφοράς φόρτισης, το οποίο λαμβάνει διάφορες θέσεις (μέσο άνω βάσης θεμελίου, μέσο θεμελίου και μέσο κάτω βάσης θεμελίου). Ιδιαίτερη σημασία δίνεται στους μηχανισμούς αστοχίας οι οποίοι παρουσιάζονται κατά την αστοχία του εδάφους υπό τους διάφορους συνδυασμούς φορτίσεων καθώς και στις διαφορές που παρουσιάζουν ανάλογα με το εδαφικό προφίλ. Μερικά συμπεράσματα του πρώτου τμήματος της εργασίας είναι τα εξής:  

Ø  Αύξηση της αντοχής του συστήματος με την αύξηση της ‘σκληρότητας’ του εδαφικού υλικού και του βαθμού εγκιβωτισμού της θεμελίωσης.

 Ø  Οι διαφορετικές φέρουσες ικανότητες Q_max – Q_ult (δέσμευση ή όχι της στροφής)  και Μ_max – M_ult (δέσμευση ή όχι της οριζόντιας μετακίνησης), διαχωρίζονται στο ομοιογενές έδαφος για βαθμό εγκιβωτισμού ανώτερο του 0.2 και στο ανομοιογενές έδαφος για ανώτερο του 0.5.

Ø  Η φέρουσα ικανότητα σε τέμνουσα δύναμη και ροπή ανατροπής, κανονικοποιημένη ως προς τον βαθμό ανομοιογένειας της αστράγγιστης διατμητικής αντοχής m, είναι πρακτικώς ανεξάρτητη του τελευταίου. Η σχέση μεταξύ m και κανονικοποιημένης φέρουσας ικανότητας ειναι αύξουσα.

 Ø  Οι μηχανισμοί αστοχίας του ανομοιογενούς εδάφους με m=10 kPa/m προσομοιάζουν σε μεγάλο βαθμό τους αντίστοιχους του ομοιογενούς εδάφους. Αντίθετα, το ανομοιογενές έδαφος με m=2 kPa/m παρουσιάζει σημαντικά διαφορετικούς μηχανισμούς αστοχίας, κυρίως λόγω της ταχείας πλαστικοποίησης τους εδάφους.

Ø  Οι συνθήκες στη διεπιφάνεια θεμελίου – εδάφους επηρεάζουν σημαντικά τη φέρουσα ικανότητα των θεμελιώσεων.

Ø  Οι περιβάλλουσες αστοχίας υπό συνθήκες ατελούς επαφής θεμελίου – εδάφους παρουσιάζουν μειωμένη κυρτότητα σε σχέση με τις αντίστοιχες περιβάλλουσες αστοχίας υπό συνθήκες πλήρους επαφής θεμελίου – εδάφους.  

Ø  Αύξηση της δυσκαμψίας του συστήματος με την αύξηση της ‘σκληρότητας’ του εδαφικού υλικού και του βαθμού εγκιβωτισμού της θεμελίωσης.

Ø  Με την αύξηση του εγκιβωτισμού, ενισχύεται η αύξηση της περιστροφικής δυσκαμψίας έναντι της δυσκαμψίας σε φόρτιση τέμνουσας.

Ø  Η δυσκαμψία συστήματος υπό τέμνουσα δύναμη, κανονικοποιημένη ως προς τη δυσκαμψία της επιφανειακής θεμελίωσης, είναι πρακτικώς ανεξάρτητη του m. Η σχέση μεταξύ m και κανονικοποιημένης δυσκαμψίας ειναι αύξουσα.

Ø  Η δυσκαμψία συστήματος υπό τέμνουσα δύναμη, κανονικοποιημένη ως προς τον βαθμό ανομοιογένειας του μέτρου διάτμησης λ, είναι πρακτικώς ανεξάρτητη του τελευταίου. Η σχέση μεταξύ λ και κανονικοποιημένης δυσκαμψίας ειναι φθίνουσα.

Ø  Η δυσκαμψία συστήματος υπό ροπή ανατροπής, κανονικοποιημένη ως προς τη δυσκαμψία της επιφανειακής θεμελίωσης, είναι πρακτικώς ανεξάρτητη του m. Η σχέση μεταξύ m και κανονικοποιημένης δυσκαμψίας ειναι αύξουσα.

 Ø  Η δυσκαμψία συστήματος υπό ροπή ανατροπής, κανονικοποιημένη ως προς τον βαθμό ανομοιογένειας του μέτρου διάτμησης λ, είναι πρακτικώς ανεξάρτητη του τελευταίου. Η σχέση μεταξύ λ και κανονικοποιημένης δυσκαμψίας δεν παρουσιάζει συγκεκριμένη μονοτονία.   

Στο δεύτερο και πιο σημαντικό τμήμα της εργασίας γίνεται εκτενής αναφορά στη μονοδιάστατη σεισμική απόκριση του συστήματος εδάφους – θεμελίου – ανωδομής υπό την επιτάχυνση δύο σεισμικών καταγραφών. Αυτές είναι οι Shin-Kobe (Kobe, Japan, 1995) και LXR (Ληξούρι, Κεφαλονιά, Ελλαδα, 2014). Πρέπει να τονιστεί ότι η σεισμική απόκριση εξετάζεται παραμετρικά ως συνάρτηση του βαθμού εγκιβωτισμού της θεμελίωσης (0.2 και 1), της εδαφικής ετερογένειας, του συντελεστή ασφαλείας (2 και 5) και του ύψους της ανωδομής (10 και 20 m). Η ανωδομή προσομοιώνεται με στοιχεία δοκού ως ελαστική και πλήρως άκαμπτη. Στη διεπιφάνεια θεμελίου – εδάφους επιτρέπεται η ολίσθηση και το ανασήκωμα του θεμελίου. Για την καλύτερη εποπτεία του φαινομένου και την αποκόμιση απτών συμπερασμάτων παρουσιάζονται διαγράμματα επιτάχυνσης σε διάφορες θέσεις του προσομοιώματος, καθίζησης θεμελίου και ροπής ανατροπής συναρτήσει της στροφής. Μερικά από τα συμπεράσματα που προκύπτουν είναι τα εξής:    

Ø  Η εδαφική ανομοιογένεια  οδηγεί σε:

 ·         αύξηση της επιτάχυνσης στο ελεύθερο πεδίο του εδάφους,

·         αύξηση συνήθως της παραμένουσας στροφής του συστήματος θεμελίου – ανωδομής λόγω της μεγαλύτερης ‘ευπάθειας’ στην παλμική κατευθυντικότητα,

·         μείωση της ροπής ανατροπής και του μεγέθους του βρόχου υστέρησης με σημείο αναφοράς την κορυφή του θεμελίου.

Ø   Αύξηση του βαθμού εγκιβωτισμού της θεμελίωσης οδηγεί σε:

·         μείωση συνήθως της παραμένουσας καθίζησης του συστήματος θεμελίου – ανωδομής,

·         αύξηση της ροπής ανατροπής στην κορυφή του θεμελίου άρα και του μεγέθους του βρόχου υστέρησης.

 Ø  Μείωση του κατακόρυφου συντελεστή ασφάλειας του συστήματος οδηγεί σε:

·         μείωση της επιτάχυνσης στην κορυφής της κατασκευής,

 ·         αύξηση της παραμένουσας καθίζησης και στροφής του συστήματος θεμελίου – ανωδομής,

·         αύξηση της ροπής ανατροπής στην κορυφή του θεμελίου άρα και του μεγέθους του βρόχου υστέρησης.

Ø   Αύξηση του ύψους της ανωδομής οδηγεί σε:

·         μείωση της επιτάχυνσης στην κορυφής της κατασκευής,

·         μείωση της παραμένουσας καθίζησης του συστήματος θεμελίου – ανωδομής,

·         μικρή αύξηση της ροπής ανατροπής στην κορυφή του θεμελίου άρα και του μεγέθους του βρόχου υστέρησης.

 ΛΕΞΕΙΣ – ΚΛΕΙΔΙΑ: αλληλεπίδραση εδάφους – κατασκευής; ανομοιογενές έδαφος; αστοχία; θεμελιώσεις; προσομοίωμα πεπερασμένων στοιχείων; σεισμική απόκριση; φέρουσα ικανότητα;