e  p  s     g  e  o  f  o  a  m

 

Οι θερμομονωτικές ιδιότητες της διογκωμένης πολυστερίνης (eps) είναι γνωστές εδώ και αρκετές δεκαετίες και χρησιμοποιείται ευρέως σε εφαρμογές οικοδομικών έργων.

Αντίθετα είναι λιγότερο γνωστό ότι το αυτό το ελαφρύ και μεγάλης συμπιεστότητας υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μέσο μόνωσης (συμπιεστό παρέμβλημα) σε έργα υποδομής αρμοδιότητας Πολιτικού Μηχανικού έναντι τόσο στατικών όσο και σεισμικών εδαφικών φορτίσεων.

Στα έργα αυτά αναφέρεται ως γεωαφρός (eps geofoam), όρος που υποδεικνύει το βιομηχανικό προϊόν ορθογωνίου παραλληλεπίπεδου πρίσματος που εντάσσεται στα γεωσυνθετικά υλικά και αποτελείται από θερμικά συγκολλημένες πολυεδρικές κυψέλες πολυστυρενίου.

γεωαφρός

γεωαφρός
 
Σε περιοχές με έντονη σεισμική δραστηριότητα -όπως η Ελλάδα- ο σχεδιασμός των κατασκευών εδαφικής αντιστήριξης (π.χ. τοίχοι αντιστήριξης με οπλισμένο σκυρόδεμα-βαρύτητας ή προβόλου, βάθρα γεφυρών ή τοίχοι υπογείων) θα πρέπει να γίνεται έτσι ώστε να παραμένουν ευσταθείς κάτω από τη συνδυασμένη στατική και σεισμική δράση. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη μεγάλη αύξηση του κόστους των κατασκευών εδαφικής αντιστήριξης. Εμπειρίες από παλαιότερους σεισμούς δείχνουν ότι σε περιπτώσεις ανεπαρκούς αντισεισμικού σχεδιασμού κατασκευών εδαφικής αντιστήριξης προκύπτουν βλάβες και αστοχίες με καταστροφικές συνέπειες στη λειτουργία των μεγάλων έργων υποδομής.


Αστοχία τοίχου βαρύτητας
λόγω ολίσθησης μεταξύ κατασκευαστικών αρμών
γεωαφρός Αστοχία σε διάτμηση πτερυγότοιχου σε ακρόβαθρο γέφυρας γεωαφρός 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)


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, Al Atik & Sitar 2008) αν ο σχεδιασμός και η διστασιολόγηση αυτών των τοίχων θα γίνεται και κατά πάση πιθανότητα θα συνεχίσει να γίνεται με βάση τους υπάρχοντες κώδικες.
Επιπρόσθετα, πρόσφατα πειραματικά αποτελέσματα από σεισμικές τράπεζες μεγάλης κλίμακας δείχνουν ότι για μεγάλες εδαφικές επιταχύνσεις, καταγράφονται σημαντικές εδαφικές ωθήσεις στις κατασκευές αντιστήριξης. (Wilson & Elgamal 2010).
Για αυτούς τους λόγους, μια 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 τη μόνωση των κατασκευών αντιστήριξης σε πλάγιες σεισμικές εδαφικές ωθήσεις (Horvath 1995, Inglis et al. 1996, Pelekis et al 2000, Hazarika 2005, Athanasopoulos et al 2007, Zrnani & Bathurst 2009).  
 
  γεωαφρός

 

 

Σύμφωνα με αυτή τη μέθοδο ένα στρώμα γεωαφρού eps (έχοντας το ρόλο του συμπιεστού παρεμβλήματος) τοποθετείται μεταξύ της πίσω πλευράς του τοίχου αντιστήριξης και του εδαφικού υλικού επίχωσης (σχ.1)

 

 

Τοίχος βαρύτητας Τοίχος πρόβολος Ακρόβαθρο γέφυρας Τοίχωμα υπογείου
γεωαφρός τοίχοι αντιστήριξης
Σχήμα 1.   Μόνωση έναντι σεισμικών πλευρικών ωθήσεων με χρήση συμπιεστού παρεμβλήματος eps

 

Κατά τη διάρκεια του σεισμού, οι σεισμικές ωθήσεις εφαρμόζονται αρχικά στο στρώμα του eps. Το στρώμα αυτό λειτουργεί σαναποσβεστήρας (λόγω της μεγάλης συμπιεστότητας του) απορροφώντας το μεγαλύτερο μέρος της πίεσης και μεταφέροντας μόνο ένα μέρος της πίεσης στην κατασκευή. 
Μέχρι σήμερα, η έρευνα σε αυτήν την κατεύθυνση έχει εστιαστεί σε δοκιμές σεισμικής τράπεζας με δοκίμια μικρής κλίμακας (Zarnani & 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.   

 

γεωαφρός Για να αναπτυχθεί μια αξιόπιστη μεθοδολογία για τη σεισμική μόνωση και 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 μια 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 μια παραμετρική μελέτη μπορεί να προσαρμοστεί, ώστε να ορίσει τις παραμέτρους που επηρεάζουν περισσότερο τη μονωτική αποτελεσματικότητα των παρεμβλημάτων eps.

 

 

Έτσι σύμφωνα με αυτήν την ερευνητική εργασία παρουσιάζεται η πρώτη πρότυπη κλίμακα (πλήρης κλίμακα) αποτελεσμάτων με σεβασμό στη σεισμική μόνωση των κατασκευών εδαφικής αντιστήριξης καθώς επίσης παρουσιάζεται η ευκαιρία επανακαθορισμού του ρόλου των φυσικών δοκιμών με την ανάπτυξη νέων αντιλήψεων των προβλημάτων της δυναμικής αλληλεπίδρασης εδάφους-κατασκευής.
Καθώς οι κατασκευές εδαφικής αντιστήριξης αποτελούν σημαντική παράμετρο πολλών έργων Πολιτικού μηχανικού, σχεδιάζονται με σκοπό να αντισταθούν με ασφάλεια στις οριζόντιες ωθήσεις που ασκεί το έδαφος.

Διάταξη φυγόκεντρου RPI, NY

Πραγματοποιήθηκαν δύο δοκιμές φυγοκέντρισης σε μοντέλα τοίχων αντιστήριξης 4 μέτρων και επιχωματώθηκαν με ξηρή, μεσαίας πυκνότητας άμμο Νεβάδας. Τα μοντέλα δονήθηκαν με μια 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 φυγοκέντρισης, δείχνουν ότι το στρώμα γεωαφρού eps, το οποίο συμπεριλήφθηκε στο δεύτερο μοντέλο, έδρασε σαν αποσβεστήρας και συνέβαλε 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 φυγοκέντρισης 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.

Επίσης λόγω της παρουσίας του eps, οι στατικές οριζόντιες ωθήσεις μειώθηκαν μερικώς, αφού τό έδαφος είναι δυνατόν να παραμορφώσει περισσότερο το eps και συνεπώς να κινητοποιήσει τις ενεργές ωθήσεις σε μεγαλύτερο βαθμό.

Η μείωση αυτή κυμαίνεται μεταξύ 5% και 30%, καθ' ύψος του τοίχου.