When a non-persistent joint system is formed in a large-scale rock slope, slope failure may occur due to presence of a the stepped sliding surface. Such a surface can be divided into joint-to-joint sliding surfaces or joint-to-rock bridge sliding surfaces. In the latter case, the rock bridge provides shear resistance parallel to the joint and tensile resistance perpendicular to the joint. The load of the sliding rock can lead to failure of the rock bridge, thereby connecting the two joints at each ends of the bridge and resulting in step-path failure of the slope. If each rock bridge on a slope has the same length, the tensile strength is lower than the shear strength, resulting in the rock bridges oriented perpendicular to the joint being more prone to failure. In addition, the smaller the ratio of discontinuity spacing to length, the greater the likelihood of step-path failure. To assess the risk of stepped sliding on a rock slope with non-persistent joints, stability analysis can be performed using limit equilibrium analysis or numerical analysis. This involves constructing a step-path failure surface through a systematic discontinuity survey and analysis.
Reinforced concrete (RC) bridges with both skew and curvature are pretty common in areas with complex terrains. Existing studies have shown skewed and/or curved bridges exhibit more complicated seismic performance than straight bridges, and yet related seismic risk studies are still rare. These bridges deserve more studies in low-to-moderate seismic regions than those in seismic-prone areas. This is because for bridges with irregular and complex geometric designs, comprehensive seismic analysis is not always required and little knowledge about actual seismic risks for these bridges in low-to-moderate regions is available. To provide more insightful understanding of the seismic risks and the impact from the geometric configurations, analytical fragility studies are carried out on four typical bridge designs with different geometric configurations (i.e., straight, curved, skewed, skewed and curved) in the mountain west region of the United States. The results show the curved and skewed geometries can considerably affect the bridge seismic fragility in a complex manner, underscoring the importance of conducting detailed seismic risk assessment of skewed and curved bridges in low-to-moderate seismic regions.
Nikitas, Nikolaos;Macdonald, John H.G.;Jakobsen, Jasna B.
Wind and Structures
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v.14
no.3
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pp.221-238
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2011
The estimated response of large-scale engineering structures to severe wind loads is prone to modelling uncertainties that can only ultimately be assessed by full-scale testing. To this end ambient vibration data from full-scale monitoring of the historic Clifton Suspension Bridge has been analysed using a combination of a frequency domain system identification method and a more elaborate stochastic identification technique. There is evidence of incipient coupling action between the first vertical and torsional modes in strong winds, providing unique full-scale data and making this an interesting case study. Flutter derivative estimation, which has rarely previously been attempted on full-scale data, was performed to provide deeper insight into the bridge aerodynamic behaviour, identifying trends towards flutter at higher wind speeds. It is shown that, as for other early suspension bridges with bluff cross-sections, single-degree-of-freedom flutter could potentially occur at wind speeds somewhat below requirements for modern designs. The analysis also demonstrates the viability of system identification techniques for extracting valuable results from full-scale data.
Bhagwat, Madhav;Sasmal, Saptarshi;Novak, B.;Upadhyay, A.
Earthquakes and Structures
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v.2
no.4
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pp.337-356
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2011
In this paper, cable-stayed bridges with single pylon and two equal side spans, with variations in geometry and span ranging from 120 m to 240 m have been studied. 3D models of the bridges considered in this study have been analysed using ANSYS. As the first step towards a detailed seismic analysis, free vibration response of different geometries is studied for their mode shapes and frequencies. Typical pattern of free vibration responses in different frequencies with change in geometry is observed. Further, three different seismic loading histories are chosen with various characteristics to find the structural response of different geometries under seismic loading. Effect of variation in pylon shape, cable arrangement with variation in span is found to have typical characteristics with different structural response under seismic loading. From the study, it is observed that the structural response is very much dependent on the geometry of the cable-stayed bridge and the characteristics of the seismic loading as well. Further, structural responses obtained from the study would help the design engineers to take decisions on geometric shapes of the bridges to be constructed in seismic prone zones.
Cho, Jae Young;Shim, Jong Han;Lee, Hak Eun;Kwon, O Whon
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.18
no.1
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pp.33-45
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2006
Cable-stayed bridges are more inherently vulnerable to wind during the erection stages than when they are already being used. Even if a bridge that is already being used is aerodynamically stable, it is prone to having aerodynamic instabilities within the design wind speed during construction. Therefore, when the bridge's designers deliberate on the method they will use in constructing the bridge, they must likewise come up with a suitable plan to ensure the stability of the bridge during its erection (e.g., conducting a wind-tunnel investigation). This paper describes the aeroelastic full-bridge model tests that were conducted to investigate the aerodynamic behavior of the bridge during erection, with emphasis on aerodynamic stability and the mitigation of the buffeting response through temporary stabilization. The aerodynamic performance of a cable -stayed bridge with a main span of 50 m was studied in its completed stage and in two erection stages, corresponding 50% and 90% completion, respectively. In the 50% erection stage tests, a balanced cantilever configuration, with wind cable and temporary support at the tower, was conducted. The system that was determined to be most effective in reducing wind action on the bridge during construction was proposed in the paper, based on the results of the comparative study that was conducted.
Votsis, Renos A.;Stratford, Tim J.;Chryssanthopoulos, Marios K.;Tantele, Elia A.
Steel and Composite Structures
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v.23
no.2
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pp.205-215
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2017
The use of advanced fibre composite materials in bridge engineering offers alternative solutions to structural problems compared to traditional construction materials. Advanced composite or fibre reinforced polymer (FRP) materials have high strength to weight ratios, which can be especially beneficial where dead load or material handling considerations govern a design. However, the reduced weight and stiffness of FRP footbridges results in generally poorer dynamic performance, and vibration serviceability is likely to govern their design to avoid the footbridge being "too lively". This study investigates the dynamic behaviour of the 51.3 m span Wilcott FRP suspension footbridge. The assessment is performed through a combination of field testing and finite element analysis, and the measured performance of the bridge is being used to calibrate the model through an updating procedure. The resulting updated model allowed detailed interpretation of the results. It showed that non-structural members such as the parapets can influence the dynamic behaviour of slender, lightweight footbridges, and consequently their contribution must be included during the dynamic assessment of a structure. The test data showed that the FRP footbridge is prone to pedestrian induced vibrations, although the measured response levels were lower than limits specified in relevant standards.
Digging well foundation has been widely used in railway bridges due to its good economy and reliability. In other instances, bridges with digging well foundation still have damage risks during earthquakes. In this study, a new type of digging well foundation with prefabricated roots was proposed to reduce earthquake damage of these bridges. Quasi-static tests were conducted to investigate the failure mechanism of the root digging well foundation, and then to analyze seismic behaviors of the new type well foundation. The testing results indicated that these prefabricated roots could effectively limit the rotation and uplift of the digging well foundation and increase the lateral bearing capacity of the digging well foundation. The elastic critical load and ultimate load can be increased by 69% and 36% if prefabricated roots were added in the digging well foundation. The prefabricated roots drived more soil around the foundation to participate in working, the stiffness of the bridge pier with root digging well foundation was improved. Moreover, the root participation could improve the energy dissipation capacity of soil-foundation-pier interaction system. The conclusions obtained in this paper had important guiding significance for the popularization and application of the digging well foundation with prefabricated roots in earthquake-prone zones.
Riverine flood is one of the critical natural threats to river-crossing bridges. As floods are the most-occurred natural hazard worldwide, survival probability of bridges due to floods must be assessed in a speedy but precise manner. In this regard, the paper presents a reliability-based approach for a rapid assessment of failure probability of vulnerable bridge components under floods. This robust method is generic in nature and can be applied to both concrete and steel girder bridges. The developed methodology essentially utilizes limit state performance functions, expressed in terms of capacity and flood demand, for probable failure modes of various vulnerable components of bridges. Advanced First Order Reliability Method (AFORM), Monte Carlo Simulation (MCS), and Latin Hypercube Simulation (LHS) techniques are applied for the purpose of reliability assessment and developing flood fragility curves of bridges in which flow velocity and water height are taken as flood intensity measures. Upon validating the proposed method, it is applied to a case study bridge that experiences the flood scenario of a river in Gujarat, India. Research outcome portrays how effectively and efficiently the proposed reliability-based method can be applied for a quick assessment of flood vulnerability of bridges in any flood-prone region of interest.
Lang Liu;Hao Luo;Mingming Wang;Yanhang Wang;Changqi Zhao;Nanyue Shi
Earthquakes and Structures
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v.27
no.4
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pp.303-315
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2024
This study proposes a comprehensive methodology for estimating accumulative damage of bridge structures under multiple seismic excitations, in the framework of site-specific probabilistic hazard analysis. Specifically, a typical earthquake-prone region in China is chosen to perform probabilistic seismic hazard analysis (PSHA) to find the mean annual rate (MAR) of ground motion intensity at a specific level, based on which, a mass of ground motion observations is selected to construct random earthquake sequences with various number of shocks. Then, nonlinear time history analysis is implemented on the finite element (FE) model of a RC girder bridge at the site of interest, to investigate structural responses under different earthquake sequences, and to develop predictive model for cumulative damage computation, in which, a scalar seismic intensity measure (IM) is adopted and its performance in damage prediction is discussed by an experimental column. Furthermore, a mathematic model is established to calculate occurrence probability of earthquakes with various number of shocks, based on PSHA and homogenous Poisson random process, and a modified cumulative damage indicator is proposed, accounting for probabilistic occurrence of various earthquake scenarios. At end, the applicability of the proposed methodology to main shock and aftershock scenarios is validated, and characteristics of damage accumulation under different multiple earthquake scenarios are discussed.
For high-speed railways (HSR) in wind prone regions, wind barriers are often installed on bridges to ensure the running safety of trains. This paper analyzes the effect of wind barriers on the running safety of a high-speed train to cross winds when it passes on a bridge. Two simply-supported (S-S) PC bridges in China, one with 32 m box beams and the other with 16 m trough beams, are selected to perform the dynamic analyses. The bridges are modeled by 3-D finite elements and each vehicle in a train by a multi-rigid-body system connected with suspension springs and dashpots. The wind excitations on the train vehicles and the bridges are numerically simulated, using the static tri-component coefficients obtained from a wind tunnel test, taking into account the effects of wind barriers, train speed and the spatial correlation with wind forces on the deck. The whole histories of a train passing over the two bridges under strong cross winds are simulated and compared, considering variations of wind velocities, train speeds and without or with wind barriers. The threshold curves of wind velocity for train running safety on the two bridges are compared, from which the windbreak effect of the wind barrier are evaluated, based on which a beam structure with better performance is recommended.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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