In this paper, we present an alternative seismic design strategy for cable stayed bridges with concrete pylons when subjected to strong ground motions. The comparison of conventional seismic design using supplemental dampers (strategy A) and the new strategy using nonlinear seismic design of pylon columns (strategy B) is exemplified by one typical medium span cable stayed bridge subjected to strong ground motions from 1999 Taiwan Chi-Chi earthquake and 2008 China Wenchuan earthquake. We first conducted the optimization of damper parameters according to strategy A in response to the distinct features that strong ground motions contain. And then we adopted strategy B to carry out seismic analysis by introducing the elastic-plastic elements that allowing plasticity development in the pylon columns. The numerical results show that via strategy A, the earthquake induced structural responses can be kept in the desired range provided with the proper damping parameters, however, the extra cost of unusual dampers will be inevitable. For strategy B, the pylon columns may not remain elastic and certain plasticity developed, but the seismic responses of the foundation will be greatly decreased, meanwhile, the displacement at the top of pylon seems to be not affected much by the yielding of pylon columns, which indicates the pylon nonlinear design can be an alternative design strategy when strong ground motions have to be considered for the bridge.
Farsangi, E. Noroozinejad;Yang, T.Y.;Tasnimi, A.A.
Structural Engineering and Mechanics
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v.59
no.4
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pp.653-669
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2016
Recent earthquakes worldwide show that a significant portion of the earthquake shaking happens in the vertical direction. This phenomenon has raised significant interests to consider the vertical ground motion during the seismic design and assessment of the structures. Strong vertical ground motions can alter the axial forces in the columns, which might affect the shear capacity of reinforced concrete (RC) members. This is particularly important for non-ductile RC frames, which are very vulnerable to earthquake-induced collapse. This paper presents the detailed nonlinear dynamic analysis to quantify the collapse risk of non-ductile RC frame structures with varying heights. An array of non-ductile RC frame architype buildings located in Los Angeles, California were designed according to the 1967 uniform building code. The seismic responses of the architype buildings subjected to concurrent horizontal and vertical ground motions were analyzed. A comprehensive array of ground motions was selected from the PEER NGA-WEST2 and Iran Strong Motions Network database. Detailed nonlinear dynamic analyses were performed to quantify the collapse fragility curves and collapse margin ratios (CMRs) of the architype buildings. The results show that the vertical ground motions have significant impact on both the local and global responses of non-ductile RC moment frames. Hence, it is crucial to include the combined vertical and horizontal shaking during the seismic design and assessment of non-ductile RC moment frames.
This paper presents the results of a numerical investigation on the behavior of earth retaining wall system with emphasis on the groundwater lowering. Using the 2D stress-pore pressure coupled analysis, the effects of ground excavation and groundwater interaction were examined using wall horizontal deformation, ground surface movement, plastic strain pattern, effective stress distribution and axial stress of strut. In addition, based on the results from a parametric study on a wide range of soil profile and initial ground water table level, the ranges of wall displacement and ground deformation were suggested quantitatively.
Kim, Kiseok;Oh, Juyoung;Lee, Hyobum;Kim, Dongku;Choi, Hangseok
Geomechanics and Engineering
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v.15
no.3
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pp.823-831
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2018
The most important issue during shield TBM tunneling in soft ground formations is to appropriately control ground surface settlement. Among various operational conditions in shield TBM tunneling, the face pressure and backfill pressure should be the most important and immediate measure to restrain surface settlement during excavation. In this paper, a 3-D hydro-mechanical coupled FE model is developed to numerically simulate the entire process of shield TBM tunneling, which is verified by comparing with real field measurements of ground surface settlement. The effect of permeability and stiffness of ground formations on tunneling-induced surface settlement was discussed in the parametric study. An increase in the face pressure and backfill pressure does not always lead to a decrease in surface settlement, but there are the critical face pressure and backfill pressure. In addition, considering the relatively low permeability of ground formations, the surface settlement consists of two parts, i.e., immediate settlement and consolidation settlement, which shows a distinct settlement behavior to each other.
Cycle simulation of Ground Source Heat Pump[GSHP] system was carried out to determine the design specification of basic components such as turbo compressor and heat exchangers. Part load operation characteristics of the designed GSHP system was estimated using the compressor and heat exchanger performance data. A 50RT class turbo compressor for GSHP system is now under development, in which R134a refrigerant is adopted as working fluid. The compressor with variable cascade diffusers is designed to work both in cooling and heating modes so that it can actively keep up with the climate change with high efficiency. The normal running speeds of the compressor are 59000rpm for heating mode and 70000rpm for tooling mode respectively. It has two identical impellers at both ends of the rotor so as to minimize aero-induced thrust force effectively. GSHP system was coupled with a vortical type heat exchanger, and heat gain and heat loss from ground were evaluated per a bore hole. For the optimal integration of the heat pump system, its header for circulating fluid was combined with the ground heat exchangers in parallel and series configuration.
The effect of plastic board drains (PBDs)on ground improvement was checked out considering three crucial factors: ground settlement, undrained shear strength, and residual water head. First, the settlement analysis including initial settlement induced by reclamation of sand mat was conducted by back calculation analysis with measured data. Its result showed toot the PBDs used for this site worked well on improving soft ground. Secondly, the undrained shear strength was investigated by laboratory and in-situ tests including unconsolidated-undrained triaxial compression (UU) tests, unconfined compression tests, in-situ vane tests, and cone penetration tests. From the test results, they showed that the undrained shear strength of the improved ground by PBDs was significantly increased as well as the strength increasing ratio especially $10{\sim}15m$ below the ground surface on site. Thirdly, the residual water head measurement from the in situ dissipation test was found the same as the static water head, which indicated primary consolidation was completed and the effect of soil improvement with PBDs can be confirmed.
The permeation grouting is a commonly used technique to improve the engineering geology condition of the soft ground. It is of great significance to predict the permeation range of the grout so as to ensure the effects of grouting. This paper conducts a theoretical analysis of jet-grouting effects in ground improvement and rotary grouting pile installation by utilizing deformation-permeation coupled poroelastic solutions based on Biot's theory and Laplace-Fourier integral transform technique. The exponential function and the intermittent trigonometric function are chosen to represent time-dependent grouting pressure usually encountered in ground improvement and rotary grouting pile installation process, respectively. The results, including the radial displacement, the hoop stress, the excess pore fluid pressure, the radial discharge, and the permeation radius of grout, are presented for different grouting time, radial positions and grouting lengths. Parametric study is conducted to explore the effects of variation of the exponent in the exponential grouting pressure-time relationship on grouting-induced responses. It is expected that the proposed solutions can be used to estimate the permeation range of grouting in ground improvement and rotary grouting pile installation.
Depletion kinetics of ground state FeO molecules by $0_2$, $N_2O$ and $N_2$ has been studied at room temperature. The ground state FeO molecules were generated by photolysis of a $Fe$(CO)_5$/M(O_2$, $N_2O)/He$ mixture using an unfocused weak UV laser beam. The formation of ground state FeO molecules was identified by a laser-induced fluorescence (LIF) method. The intensity distribution of those undisturbed rotational lines suggests that the rotational temperature of the ground state FeO molecules is lower than room temperature. The LIF intensities of FeO molecules at different partial pressures of $0_2$, $N_2O$ and $N_2$ were monitored as a function of the time delay between the photolysis and probe laser pulses to obtain the depletion rate constants for the ground state FeO. They were 1.7+ 0.2x $10^{-12}$, 4.8 $\pm0.4$ x $10^{-12}$, and $1.4\pm$ 0.2x $10^{-12}cm^3$molecule^{-1}s^{-1}$$ by $0_2$, $N_20$, and $N_2$, respectively.
Braced excavation systems are commonly required to ensure stability in construction of basements for shopping malls, underground transportation and other habitation facilities. For excavations in deposits of soft clays or residual soils, stiff retaining wall systems such as diaphragm walls are commonly adopted to restrain the ground movements and wall deflections in order to prevent damage to surrounding buildings and utilities. The ground surface settlement behind the excavation is closely associated with the magnitude of basal heave and the wall deflections and is also greatly influenced by the possible groundwater drawdown caused by potential wall leakage, flow from beneath the wall, flow from perched water and along the wall interface or poor panel connections due to the less satisfactory quality. This paper numerically investigates the influences of excavation geometries, the system stiffness, the soil properties and the groundwater drawdown on ground surface settlement and develops a simplified maximum surface settlement Logarithm Regression model for the maximum ground surface settlement estimation. The settlements estimated by this model compare favorably with a number of published and instrumented records.
Previous major earthquakes indicated that the earthquake induced ground motions are typical non-stationary processes, which are non-stationary in both amplification and frequency. For the convenience of aseismic design and analysis, it usually assumes that the ground motions at structural supports are stationary processes. The development of time-frequency analysis technique makes it possible to evaluate the non-stationary responses of engineering structures subjected to non-stationary inputs, which is more general and realistic than the analysis method commonly used in engineering. In this paper, the wavelet-based stochastic vibration analysis methodology is adopted to calculate the non-stationary responses of multi-support structures. For comparison, the stationary response based on the standard random vibration method is also investigated. A frame structure and a two-span bridge are analyzed. The effects of non-stationary spatial ground motion and local site conditions are considered, and the influence of structural property on the structural responses are also considered. The analytical results demonstrate that the non-stationary spatial ground motions have significant influence on the response of multi-support structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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