Pounding is a major cause of bridge damage during earthquakes. In an extreme situation, it can even contribute to the unseating of bridge girders. Long-span bridges will inevitably experience spatially varying ground motions. Soil-structure interaction (SSI) may play a significant role in the structural response of these structures. The objective of this research is to experimentally investigate the effect of spatially varying ground motions on the response of a three-segment bridge considering SSI and pounding. To incorporate SSI, the model was placed on sand contained in sandboxes. The sandboxes were fabricated using soft rubber in order to minimise the rigid wall effect. The spatially varying ground motion inputs were simulated based on the New Zealand design spectra for soft soil, shallow soil and strong rock conditions, using an empirical coherency loss function. The results show that with pounding, SSI can amplify the pier bending moments and the relative opening displacements.
Ghaffarzadeh, Hossein;Izadi, Mohammad Mahdi;Talebian, Nima
Earthquakes and Structures
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v.4
no.5
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pp.509-525
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2013
In this paper, learning capabilities of two types of Arterial Neural Networks, namely hierarchical neural networks and Generalized Regression Neural Network were used in a two-stage approach to develop a method for generating spatial varying accelerograms from acceleration response spectra and a distance parameter in which generated accelerogram is desired. Data collected from closely spaced arrays of seismographs in SMART-1 array were used to train neural networks. The generated accelerograms from the proposed method can be used for multiple support excitations analysis of structures that their supports undergo different motions during an earthquake.
Adanur, Suleyman;Altunisik, Ahmet C.;Soyluk, Kurtulus;Dumanoglu, A. Aydin;Bayraktar, Alemdar
Earthquakes and Structures
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v.10
no.5
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pp.1233-1251
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2016
In this paper, it is aimed to determine the stochastic response of a suspension bridge subjected to spatially varying ground motions considering the geometric nonlinearity. Bosphorus Suspension Bridge built in Turkey and connects Europe to Asia in Istanbul is selected as a numerical example. The spatial variability of the ground motion is considered with the incoherence, wave-passage and site-response effects. The importance of site-response effect which arises from the difference in the local soil conditions at different support points of the structure is also investigated. At the end of the study, mean of the maximum and variance response values obtained from the spatially varying ground motions are compared with those of the specialised cases of the ground motion model. It is seen that each component of the spatially varying ground motion model has important effects on the dynamic behaviour of the bridge. The response values obtained from the general excitation case, which also includes the site-response effect causes larger response values than those of the homogeneous soil condition cases. The variance values calculated for the general excitation case are dominated by dynamic component at the deck and Asian side tower. The response values obtained for the site-response effect alone are larger than the response values obtained for the incoherence and wave-passage effects, separately. It can be concluded that suspension bridges are sensitive to the spatial variability of ground motion. Therefore, the incoherence, the wave-passage and especially the site-response effects should be considered in the stochastic analysis of this type of engineering structures.
Long-span structures, such as bridges, can experience different seismic excitations at the supports due to spatially variability of ground motion. Regarding current bridge designing codes, it is just EC 2008 that suggested some regulations to consider it and in the other codes almost ignored while based on some previous studies it is found that the effect of mentioned issue could not be neglected. The current study aimed to perform a comprehensive study about the effect of spatially varying ground motions on the dynamic response of a reinforced concrete bridge under asynchronous input motions considering soil-structure interactions. The correlated ground motions were generated by an introduced method that contains all spatially varying components, and imposed on the supports of the finite element model under different load scenarios. Then the obtained results from uniform and non-uniform excitations were compared to each other. In addition, the effect of soil-structure interactions involved and the corresponding results compared to the previous results. Also, to better understand the seismic response of the bridge, the responses caused by pseudo-static components decompose from the total response. Finally, an incremental dynamic analysis was performed to survey the non-linear behavior of the bridge under assumed load scenarios. The outcomes revealed that the local site condition plays an important role and strongly amplifies the responses. Furthermore, it was found that a combination of wave-passage and strong incoherency severely affected the responses of the structure. Moreover, it has been found that the pseudo-static component's contribution increase with increasing incoherent parameters. In addition, regarding the soil condition was considered for the studied bridge, it was found that a combination of spatially varying ground motions and soil-structure interactions effects could make a very destructive scenarios like, pounding and unseating.
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.
This study utilizes large-scale shake table test to investigate the seismic performance of an isolated bridge with lead rubber bearings crossing an active fault. Two transverse restraining systems with and without shear keys are tested by applying spatially varying ground motions. It is shown that the near-fault span exhibits larger bearing displacement than the crossing-fault span. Bridge piers away from the fault rupture are more vulnerable than those adjacent to the fault rupture by attracting more seismic demand. It is also verified that the shear keys are effective in restraining the bearing displacement on the near-fault span, particularly under the large permanent ground displacement.
The use of fragility curves in the design of bridges is becoming common these days. In this study, experimental data have been used to develop fragility curves for the potential of girder unseating of a three-segment bridge and a bridge-abutment system including the influence of spatially varying ground motions, pounding, and abutment movement. The ground excitations were simulated based on the design spectra for different soil conditions. The Newmarket Viaduct replacement bridge in Auckland was used as the prototype bridge. These fragility curves were also applied to the 2010 Darfield and 2011 Christchurch earthquakes. The study showed that for bridges with similar characteristics as the chosen prototype and with similar fundamental frequencies, pounding could increase the probability of girder unseating by up to 35% and 30% based on the AASHTO and NZTA seating length requirements, respectively. The assumption of uniform ground excitations in many design practices, such as the NZTA requirements, could potentially be disastrous as girders might have a very good chance of unseating (as much as 53% higher chances when considering spatial variation of ground motions) even when they are designed not to. In the case of superstructures with dissimilar frequencies, the assumption of fixed abutments could significantly overestimate the girder unseating potential when pounding was ignored and underestimate the chances when pounding was considered. Bridges subjected to spatially varying ground excitations simulated based on the New Zealand design spectra for soft soil conditions with weak correlation shows the highest chances of girders falling off, of up to 65% greater than for shallow soil excitations.
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.
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.
Previous major earthquakes revealed that most damage of the buried segmented pipelines occurs at the joints of the pipelines. It has been proven that the differential motions between the pipe segments are one of the primary reasons that results in the damage (Zerva et al. 1986, O'Roueke and Liu 1999). This paper studies the combined influences of ground motion spatial variations and local soil conditions on the seismic responses of buried segmented pipelines. The heterogeneous soil deposits surrounding the pipelines are assumed resting on an elastic half-space (base rock). The spatially varying base rock motions are modelled by the filtered Tajimi-Kanai power spectral density function and an empirical coherency loss function. Local site amplification effect is derived based on the one-dimensional wave propagation theory by assuming the base rock motions consist of out-of-plane SH wave or combined in-plane P and SV waves propagating into the site with an assumed incident angle. The differential axial and lateral displacements between the pipeline segments are stochastically formulated in the frequency domain. The influences of ground motion spatial variations, local soil conditions, wave incident angle and stiffness of the joint are investigated in detail. Numerical results show that ground motion spatial variations and local soil conditions can significantly influence the differential displacements between the pipeline segments.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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