The use of long rails in high-speed railway bridges causes additional stresses due to nonlinear behaviours between the rail and bridge decks in the neighbourhood of the deck joints. In the seismic response analysis of high-speed railway bridges, since structural response is highly sensitive to properties of the ground motion, spatial variation of the ground excitation affects responses of the bridges, which in turn affect stresses in the rails. In addition, it is shown that high-speed trains need very long distances to stop when braking under seismic occurrence corresponding to operational earthquake performance level so that verification of the safe stoppage of the train is also required. In view of such additional stresses due to long rails, sensibility of structural response to the properties of the ground motion and braking distance needed by the train to stop safely, this paper proposes and establishes a time domain nonlinear dynamic analysis method that accounts for braking loads, spatial variation of the ground motion and material nonlinearities of rails to analyze long rail stresses in high-speed railway bridges subjected to seismic event. The accuracy of the proposed method is demonstrated through an application on a typical site of the Korean high-speed railway.
The present study investigates the non-linear soil-pile interaction using three-dimensional (3D) non-linear finite element models. The numerical models were validated by using the results of extensive pile load and shaking table tests. The pile performance in liquefiable and non-liquefiable soil has been studied by analyzing the liquefaction ratio, pile lateral displacement (LD), pile bending moment (BM), and frictional resistance (FR) results. The pile models have been developed for the different ground conditions. The study reveals that the results obtained during the pile load test and shaking cycles have good agreement with the predicted pile and soil response. The soil density, peak ground acceleration (PGA), slenderness ratio (L/D), and soil condition (i.e., dry and saturated) are considered during modeling. Four ground motions are used for the non-linear time history analyses. Consequently, design charts are proposed depended on the analysis results to be used for design practice. Eleven models have been used to validate the capability of these charts to capture the soil-pile response under different seismic intensities. The results of the present study demonstrate that L/D ratio slightly affects the lateral displacement when compared with other parameters. Also, it has been observed that the increasing in PGA and decreasing L/D decreases the excess pore water pressure ratio; i.e., increasing PGA from 0.1 g to 0.82 g of loose sand model, decrease the liquefaction ratio by about 50%, and increasing L/D from 15 to 75 of the similar models (under Kobe earthquake), increase this ratio by about 30%. This study reveals that the lateral displacement increases nonlinearly under both dry and saturated conditions as the PGA increases. Similarly, it is observed that the BM increases under both dry and saturated states as the L/D ratio increases. Regarding the acceleration histories, the pile BM was reduced by reducing the acceleration intensity. Hence, the pile BM decreased to about 31% when the applied ground motion switched from Kobe (PGA=0.82 g) to Ali Algharbi (PGA=0.10 g). This study reveals that the soil conditions affect the relationship pattern between the FR and the PGA. Also, this research could be helpful in understanding the threat of earthquakes in different ground characteristics.
Duhee Park;Van-Quang Nguyen;Gyuphil Lee;Youngsuk Lee
Journal of the Korean GEO-environmental Society
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v.24
no.2
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pp.13-24
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2023
Tunnels may undergo a larger or a smaller response compared with the free-field soil. In the pseudo-static procedure, the response of the tunnel is most often characterized by a curve that relates the racking ratio (R) with the flexibility ratio (F), where R represents the ratio of the tunnel response with respect to the free-field vibration and F is the relative stiffness of the tunnel and the surrounding soil. A set of analytical and empirical curves that do not account for the depth and the aspect ratio of the tunnel are typically used in practice. In this study, a series of dynamic analyses are conducted to develop a set of F-Rm relations for use in a frame analysis method. Rm is defined as an adjusted R where the rocking mode of deformation is removed and only the racking deformation is extracted. The numerical model is validated against centrifuge test recordings. The influence of aspect ratio, buried depth of tunnel on results is investigated. The results show that Rm increases with the increase of the buried depth and the aspect ratio. The widely used F-R relations are highlighted to be different compared with the obtained results in this study. Therefore, the updated F-Rm relations with proposed equations are recommended to be used in practice design. The rocking response decreases with either the decrease of the difference of stiffness between surrounding soil and tunnel or the larger aspect ratio of the tunnel section.
In this study, the target ground was selected for the assessment of liquefaction, for which energy-based Arias intensity liquefaction assessment method was applied, The results of evaluation by simplified method using conventional in-situ test were compared. The result of the assessment of liquefaction revealed that the safety factor of the Arias Intensity using the actual records of the Hachinohe and Ofunato earthquake showed generally similar trends with the simplified method, However, the Arias Intensity factor of safety for the artificial earthquake created from the design response spectrum showed some difference from the factors of safety of the simplified method. The shear stress ratio and the occurrence strength of the Arias Intensity are differently calculated between stress and energy, but the resistance stress ratio of the simplified method and the resistance strength of the Arias Intensity use the empirical chart of the results of the standard penetration test for the actual liquefaction areas by the earthquake, which seems the reason for the similar results between Arias Intensity assessment and stress concept simplified method for Hachinohe and Ofunato earthquakes. Therefore, it was found that the energy-based Arias Intensity liquefaction assessment could represent the dynamic changes of the ground caused by seismic characteristics such as acceleration, magnitude, duration and amplitude.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.8
no.3
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pp.63-76
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2004
This paper presents LRB-based hybrid base isolation systems employing additional active/semiactive control devices for mitigating earthquake-induced vibration of a cable-stayed 29 bridge. Hybrid base isolation systems could improve the control performance compared with the passive type-base isolation system such as LRB-installed bridge system due to multiple control devices are operating. In this paper, the additional response reduction by the two typical additional control devices, such as active type hydraulic actuators controlled by LQG algorithm and semiactive-type magnetorheological dampers controlled by clipped-optimal algorithm, have been evaluated bypreliminarily investigating the slightly modified version of the ASCE phase I benchmark cable-stayed bridge problem (i.e., the installation of LRBs to the nominal cable-stayed bridge model of the problem). It shows from the numerical simulation results that all the LRB based hybrid seismic isolation systems considered are quite effective to mitigate the structural responses. In addition, the numerical results demonstrate that the LRB based hybrid seismic isolation systems employing MR dampers have the robustness to some degree of the stiffness uncertainty of in the structure, whereas the hybrid system employing hydraulic actuators does not. Therefore, the feasibility of the hybrid base isolation systems employing semiactive additional control devices could be more appropriate in realfor full-scale civil infrastructure applications is clearly verified due to their efficacy and robustness.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.6
no.4
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pp.65-73
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2002
It has been recognized that the damage control must become a more explicit design consideration. In an effort to develop design methods based on performance it is clear that the evaluation of the nonlinear response is required. The methods available to the design engineer today are nonlinear time history analyses, monotonic static nonlinear analyses, or equivalent static analyses with simulated nonlinear influences. Some building codes propose the capacity spectrum method based on the nonlinear static analysis(pushover analysis) to determine the earthquake-induced demand given by the structure pushover curve. These procedures are conceptually simple but iterative and time consuming with some errors. This paper presents a nonlinear direct spectrum method(NDSM) to evaluate seismic performance of structures, without iterative computations, given by the structural initial elastic period and yield strength from the pushover analysis, especially for MDF(multi degree of freedom) systems. The purpose of this paper is to investigate the accuracy and confidence of this method from a point of view of various earthquakes and unloading stiffness degradation parameters. The conclusions of this study are as follows; 1) NDSM is considered as practical method because the peak deformations of nonlinear system of MDF by NDSM are almost equal to the results of nonlinear time history analysis(NTHA) for various ground motions. 2) When the results of NDSM are compared with those of NTHA. mean of errors is the smallest in case of post-yielding stiffness factor 0.1, static force by MAD(modal adaptive distribution) and unloading stiffness degradation factor 0.2~0.3.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.2
no.4
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pp.73-86
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1998
The purpose of this paper is to evaluate the shear stiffness, hysteretic behavior, and ultimate behavior of HDRB(High Damping Rubber Bearing), which will be included in the seismic isolation design guideline as requirements. To do this, two 1/8 scaled HDRB are designed, fabricated, and tested to show the mechanical characteristics. The shear stiffness obtained from the proposed equation of the shear stiffness shows a good agreement with those of the experiments. For analysis of the hysteretic behavior of HDRB using the modified rate model, the parameter equations are obtained from the experiments. Using the obtained parameter equations for the modified rate model, the seismic response analyses are carried out for 1-D system. The results of analysis well follow the hysteretic behavior of HDRB obtained from the experiments. To evaluate the ultimate behavior of HDRB used in this paper, the analyses are carried out using the modified macro model, which can consider the large shear deflection. The critical shear strain(CSS) is defined to express the maximum allowable shear strain and vertical load. From the analyses, the CSS, showing the instability, decreases significantly as increased the vertical loads. The CSS is not appeared for the design vertical load in the used HDRB. In analysis using about 5 times of design vertical load, the HDRB start to show the instability transient and for about 7 times, the CSS is about 350%.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.19
no.1
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pp.23-34
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2015
Recently a new damper system with Kogome truss structure was developed and its mechanical properties were verified based on the laboratory test. This paper presents a Kagome truss damper external connection method for seismic strengthening of RC frame structural system. The Kagome external connection method, proposed in this study, consisted of building structure, Kagome damper and support system. The method is capable of reducing earthquake energy on the basis of the dynamic interaction between external support and building structures using Kagome damper. The pseudo-dynamic test, designed using a existing RC frame apartment for pilot application of LH corporation, was carried out in order to verify the seismic strengthening effects of the proposed method in terms of the maximum load carrying capacity and response ductility. Test results revealed that the proposed Kagome damper method installed in RC frame enhanced conspicuously the strength and displacement capacities, and the method can resist markedly under the large scaled earthquake intensity level.
Bae, Byung Ho;Choi, Kwang Kyu;Kang, Seung Woo;Song, Si Young
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.35
no.4
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pp.759-768
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2015
The ground motions of large dimensional structures such as long span bridges at different stations during an earthquake, are inevitably different, which is known as the ground motion spatial variation effect. There are many causes that may result in the spatial variability in seismic ground motion, e.g., the wave passage effect due to the different arrival times of waves at different locations; the loss of coherency due to seismic waves scattering in the heterogeneous medium of the ground; the site amplification effect owing to different local soil properties. In previous researches, the site amplification effects have not been considered or considered by a single-layered soil model only. In this study, however, the ground motion amplification and filtering effects are evaluated by multi-layered soil model. Spatially varying ground motion at the sites with different number of layers, depths, and soil characteristics are generated and the variation characteristics of ground motion time histories according to the correlation of coherency loss function and soil conditions are evaluated. For the bridge system composed of two unit bridges, seismic behavior characteristics are analyzed using the generated seismic waves as input ground motion. Especially, relative displacement due to coherency loss and site effect which can cause the unseating and pounding between girders are evaluated. As a result, considering the soil conditions of each site are always important and should not be neglected for an accurate structural response analysis.
Lim, Hyun-Kyu;Lee, Young-Geun;Kang, Jun Won;Chi, Ho-Seok;Cho, Ho-Hyun;Kim, Moon-Soo
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.27
no.5
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pp.429-436
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2014
This paper presents the seismic performance of a geometrically unsymmetrical reinforced concrete building considering torsional effect and material nonlinearity of concrete and steel. The reinforced concrete building is a structure for seismic performance evaluation in the SMART-2013 international benchmark program. Nonlinear constitutive models for concrete and steel were constructed, and their numerical performance was demonstrated by various local tests. Modal analysis showed that the first three natural frequencies and mode shapes were close to the experimental results from the SMART-2013 program. In the time history analysis for low-intensity seismic loadings, displacement and acceleration responses at sampling points were similar to the experimental results. In the end, nonlinear time history analysis was conducted for Northridge earthquake to predict the behavior of the reinforced concrete structure under high-intensity seismic loadings.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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