The effects of the uniform and spatially varying ground motions on the stochastic response of fluid-structure interaction system during an earthquake are investigated by using the displacement based fluid finite elements in this paper. For this purpose, variable-number-nodes two-dimensional fluid finite elements based on the Lagrangian approach is programmed in FORTRAN language and incorporated into a general-purpose computer program SVEM, which is used for stochastic dynamic analysis of solid systems under spatially varying earthquake ground motion. The spatially varying earthquake ground motion model includes wave-passage, incoherence and site-response effects. The effect of the wave-passage is considered by using various wave velocities. The incoherence effect is examined by considering the Harichandran-Vanmarcke and Luco-Wong coherency models. Homogeneous medium and firm soil types are selected for considering the site-response effect where the foundation supports are constructed. A concrete gravity dam is selected for numerical example. The S16E component recorded at Pacoima dam during the San Fernando Earthquake in 1971 is used as a ground motion. Three different analysis cases are considered for spatially varying ground motion. Displacements, stresses and hydrodynamic pressures occurring on the upstream face of the dam are calculated for each case and compare with those of uniform ground motion. It is concluded that spatially varying earthquake ground motions have important effects on the stochastic response of fluid-structure interaction systems.
Ates, Sevket;Soyluk, Kurtulus;Dumanoglu, A. Aydin;Bayraktar, Alemdar
Structural Engineering and Mechanics
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v.31
no.6
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pp.639-662
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2009
A comprehensive investigation of the stochastic response of an isolated cable-stayed bridge subjected to spatially varying earthquake ground motion is performed. In this study, the Jindo Bridge built in South Korea is chosen as a numerical example. The bridge deck is assumed to be continuous from one end to the other end. The vertical movement of the stiffening girder is restrained and freedom of rotational movement on the transverse axis is provided for all piers and abutments. The longitudinal restraint is provided at the mainland pier. The A-frame towers are fixed at the base. To implement the base isolation procedure, the double concave friction pendulum bearings are placed at each of the four support points of the deck. Thus, the deck of the cable-stayed bridge is isolated from the towers using the double concave friction pendulum bearings which are sliding devices that utilize two spherical concave surfaces. The spatially varying earthquake ground motion is characterized by the incoherence and wave-passage effects. Mean of maximum response values obtained from the spatially varying earthquake ground motion case are compared for the isolated and non-isolated bridge models. It is pointed out that the base isolation of the considered cable-stayed bridge model subjected to the spatially varying earthquake ground motion significantly underestimates the deck and the tower responses.
This paper presents the investigation of the stochastic responses of seismically isolated bridges subjected to spatially varying earthquake ground motions including incoherence, wave-passage and site-response effects. The incoherence effect is examined by considering Harichandran and Vanmarcke coherency model. The effect of the wave-passage is dealt with various wave velocities in the response analysis. Homogeneous firm, medium and soft soil conditions are selected for considering the site-response effect where the bridge supports are constructed. The ground motion is described by filtered white noise and applied to each support points. For seismic isolation of the bridge, single and double concave friction pendulum bearings are used. Due to presence of friction on the concave surfaces of the isolation systems, the equation of motion of is non-linear. The non-linear equation of motion is solved by using equivalent linearization technique of non-linear stochastic analyses. Solutions obtained from the stochastic analyses of non-isolated and isolated bridges to spatially varying earthquake ground motions compared with each other for the special cases of the ground motion model. It is concluded that friction pendulum systems having single and double concave surfaces have important effects on the stochastic responses of bridges to spatially varying earthquake ground motions.
In this study, stochastic responses of a cable-stayed bridge subjected to the spatially varying earthquake ground motion are investigated by the finite element method taking into account soil-structure interaction (SSI) effects. The considered bridge in the analysis is Quincy Bay-view Bridge built on the Mississippi River in between 1983-1987 in Illinois, USA. The bridge is composed of two H-shaped concrete towers, double plane fan type cables and a composite concrete-steel girder deck. In order to determine the stochastic response of the bridge, a two-dimensional lumped masses model is considered. Incoherence, wave-passage and site response effects are taken into account for the spatially varying earthquake ground motion. Depending on variation in the earthquake motion, the response values of the cable-stayed bridge supported on firm, medium and soft foundation soil are obtained, separately. The effects of SSI on the stochastic response of the cable-stayed bridge are also investigated including foundation as a rigidly capped vertical pile groups. In this approach, piles closely grouped together beneath the towers are viewed as a single equivalent upright beam. The soil-pile interaction is linearly idealized as an upright beam on Winkler foundation model which is commonly used to study the response of single piles. A sufficient number of springs on the beam should be used along the length of the piles. The springs near the surface are usually the most important to characterize the response of the piles surrounded by the soil; thus a closer spacing may be used in that region. However, in generally springs are evenly spaced at about half the diameter of the pile. The results of the stochastic analysis with and without the SSI are compared each other while the bridge is under the sway of the spatially varying earthquake ground motion. Specifically, in case of rigid towers and soft soil condition, it is pointed out that the SSI should be significantly taken into account for the design of such bridges.
This study aims to investigate the stochastic response of isolated and non-isolated highway bridges subjected to spatially varying earthquake ground motion model. This model includes wave passage, incoherence and site response effects. The wave passage effect is examined by using various wave velocities. The incoherency effect is investigated by considering the Harichandran and Vanmarcke coherency model. The site response effect is considered by selecting homogeneous firm, medium and soft soil types where the bridge supports are constructed. The ground motion is described by power spectral density function and applied to each support point. Triple concave friction pendulum (TCFP) bearing which is more effective than other seismic isolation systems is used for seismic isolation. To implement seismic isolation procedure, TCFP bearing devices are placed at each of the support points of the deck. In the analysis, the bridge selected is a five-span featuring cast-in-place concrete box girder superstructure supported on reinforced concrete columns. Foundation supported highway bridge is regarded as three regions and compared its different situation in the stochastic analysis. The stochastic analyses results show that spatially varying ground motion has important effects on the stochastic response of the isolated and non-isolated bridges as long span structures.
Based on the discussion about some empirical coherency models resulted from earthquake-induced ground motion recordings at the SMART-1 array in Taiwan, and a heuristic model of the coherency function from elementary notions of stationary random process theory and a few simplifying assumptions regarding the propagation of seismic waves, a practical coherency model for spatially varying ground motions, which can be applied in aseismic analysis and design, is proposed, and the regressive coefficients are obtained using least-square fitting technique from the above recordings.
The problem of identification of multi-component and (or) spatially varying earthquake support motions based on measured responses in instrumented structures is considered. The governing equations of motion are cast in the state space form and a time domain solution to the input identification problem is developed based on the Kalman and particle filtering methods. The method allows for noise in measured responses, imperfections in mathematical model for the structure, and possible nonlinear behavior of the structure. The unknown support motions are treated as hypothetical additional system states and a prior model for these motions are taken to be given in terms of white noise processes. For linear systems, the solution is developed within the Kalman filtering framework while, for nonlinear systems, the Monte Carlo simulation based particle filtering tools are employed. In the latter case, the question of controlling sampling variance based on the idea of Rao-Blackwellization is also explored. Illustrative examples include identification of multi-component and spatially varying support motions in linear/nonlinear structures.
Derbal, Rachid;Benmansour, Nassima;Djafour, Mustapha;Matallah, Mohammed;Ivorra, Salvador
Earthquakes and Structures
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v.17
no.6
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pp.557-566
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2019
The evaluation of the seismic hazard for a given site is to estimate the seismic ground motion at the surface. This is the result of the combination of the action of the seismic source, which generates seismic waves, the propagation of these waves between the source and the site, and site local conditions. The aim of this work is to evaluate the sensitivity of dynamic response of extended structures to spatial variable ground motions (SVGM). All factors of spatial variability of ground motion are considered, especially local site effect. In this paper, a method is presented to simulate spatially varying earthquake ground motions. The scheme for generating spatially varying ground motions is established for spatial locations on the ground surface with varying site conditions. In this proposed method, two steps are necessary. Firstly, the base rock motions are assumed to have the same intensity and are modelled with a filtered Tajimi-Kanai power spectral density function. An empirical coherency loss model is used to define spatial variable seismic ground motions at the base rock. In the second step, power spectral density function of ground motion on surface is derived by considering site amplification effect based on the one dimensional seismic wave propagation theory. Several dynamics analysis of a curved viaduct to various cases of spatially varying seismic ground motions are performed. For comparison, responses to uniform ground motion, to spatial ground motions without considering local site effect, to spatial ground motions with considering coherency loss, phase delay and local site effects are also calculated. The results showed that the generated seismic signals are strongly conditioned by the local site effect. In the same sense, the dynamic response of the viaduct is very sensitive of the variation of local geological conditions of the site. The effect of neglecting local site effect in dynamic analysis gives rise to a significant underestimation of the seismic demand of the structure.
In this study, stochastic responses of a cable-stayed bridge subjected to the spatially varying earthquake ground motion are investigated for variable local soil cases and wave velocities. Quincy Bay-view cable-stayed bridge built on the Mississippi River in Illinois, USA selected as a numerical example. The bridge is composed of two H-shaped concrete towers, double plane fan type cables and a composite concrete-steel girder deck. The spatial variability of the ground motion is considered with the coherency function, which is represented by the components of incoherence, wave-passage and site-response effects. The incoherence effect is investigated by considering Harichandran and Vanmarcke model, the site-response effect is outlined by using hard, medium and soft soil types, and the wave-passage effect is taken into account by using 1000, 600 and 200 m/s wave velocities for the hard, medium and soft soils, respectively. Mean of maximum response values obtained from the analyses are compared with those of the specific cases of the ground motion model. It is concluded that the obtained results from the bridge model increase as the differences between local soil conditions cases of the bridge supports change from firm to soft. Moreover, the variation of the wave velocity has important effects on the responses of the deck and towers as compared with those of the travelling constant wave velocity case. In addition, the variability of the ground motions should be considered in the analysis of long span cable-stayed bridges to obtain more accurate results in calculating the bridge responses.
This paper presents a simple model for studying the dynamic response of multi-span bridges resting on piers with different heights and subjected to earthquake forces acting transversely to the bridge, but varying spatially along its length. The analysis is carried out using the modal superposition technique, while the solution of the resulting integral-differential equations is obtained via the Laplace transformation. It has been found that the piers' height and the quality of the foundation soil can affect significantly the dynamic behavior of such bridges. Typical examples showing the effectiveness of the method are presented with useful results listed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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