Seismic behaviour of isolated bridges with soil-structure-interaction effect under near-fault and far-field earthquakes

Cheshmehkaboodi, Nastaran (2023). Seismic behaviour of isolated bridges with soil-structure-interaction effect under near-fault and far-field earthquakes. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Seismic base-isolation is recognised as an efficient seismic design strategy for mitigating seismic risk and improving structural performance of bridges. However, some parameters, such as earthquake inputs and soil characteristics, influence the seismic response and may reduce the technology's performance. This research aims to investigate the effects of soilstructure interaction (SSI) with regard to different moderate and strong earthquake ground motions associated with different source distances to the site and frequency content on the seismic responses of conventional and isolated bridges. To this end, groups of moderate and strong Near-fault (NF) records, with and without velocity pulses, and far-field (FF) ground motions are applied to the conventional and isolated bridges with and without considering the underlying soil and soil-structure interaction (SSI) effects. The influence of soil characteristics is investigated by considering three soil properties representing rock, dense and stiff soils. Furthermore, the effect of the modeling approach of SSI is investigated by comparison of results from two modelling approaches: 1-Direct representation of soil; 2-Simplified (substructure) method where soil is represented by equivalent linear springs. The bridge-soil systems are modeled and analysed in the Abaqus general purpose finite element software. Nonlinear time history analyses (NLTHAs) are carried out, and the individual maximum, as well as the average of individual maximums of the structural responses obtained from both approaches in terms of deck acceleration, base shear, and displacement of the deck and within the isolation system, are studied and compared. Results demonstrate that the difference between the two approaches of modeling the soil is significant. Using the simplified (substructure) method should be interpreted alongside careful attention to the validity limits of using the equivalent linear method as many of the records captured on softer soils were not eligible based on the limitation of the shear strain index (generally under 0.03%), and the responses were very scattered, especially for the conventional bridge. Therefore, the simplified method of using linear springs to represent the soil stratum is a rather simple approach to capture all the major mechanisms involved in soil, SSI, and characteristics of each earthquake ground motion. Furthermore, the results of this study reveal that the bridge performance and soil effects are governed by the uncertainty in the ground motions and their frequency contents for both moderate and strong earthquake records. The ratios of the peak ground acceleration to peak ground velocity (PGA/PGV) play a decisive role in dynamic responses. Records with low PGA/PGV presence of the soil diminishes the negative effect of the pulse and decreases the force demand, compared to the response of a fixed-base model, not including soil. Overall, careful attention should be paid to properly incorporate soil structure interaction in order to estimate correctly the displacement demands in the isolation systems, especially on soft soils under pulse-like records. Responses of the different isolation systems demonstrate that the higher characteristic strength (Qd), post-elastic stiffness (Kd), and displacement capacity are needed for strong NF pulse-like records to provide the displacement demand, especially on softer soils.

Titre traduit

Comportement sismique des ponts isolés avec effets de l’interaction sol-structure sous des séismes proches de la faille et en champ lointain

Résumé traduit

L'isolation sismique de la base est reconnue comme étant une stratégie de conception sismique efficace pour atténuer le risque sismique et améliorer les performances structurales des ponts. Cependant, certains paramètres, tels que les propriétés des mouvements du sol et les caractéristiques du sol, influencent la réponse sismique et peuvent réduire les performances de la technologie. Cette recherche vise à étudier les effets de l'interaction sol-structure (SSI), en ce qui concerne différents mouvements du sol sismiques modérés et forts associés à différentes distances de la source au site et au contenu fréquentiel, sur les réponses sismiques des ponts conventionnels et isolés à a base. À cette fin, des groupes d'enregistrements recueillis proches de la faille (NF) modérés et forts, avec et sans impulsions de vitesse et des enregistrements recueillis en champ lointain (FF) sont appliqués aux ponts conventionnels et isolés avec et sans prise en compte du sol sous-jacent et des effets de l’interaction sol-structure (SSI). L’influence des caractéristiques du sol est étudiée en considérant trois propriétés de sol représentant du roc, un sol dense et un sol raide. De plus, l’effet de l’approche de modélisation de la SSI est étudié en comparant les résultats obtenus via deux approches de modélisation : 1-Représentation directe du sol; 2-Méthode simplifiée (sous-structure) où le sol est représenté par des ressorts linéaires équivalents. Les systèmes pont-sol sont modélisés et analysés dans le logiciel d’éléments finis général Abaqus. Des analyses temporelles non linéaires (NLTHAs) sont effectuées et les réponses structurales maximales, individuellement et en moyenne, obtenues des deux approches en termes d'accélération maximale du tablier, de cisaillement à la base et de déplacement du tablier et dans le système d'isolation sont étudiées et comparées. Les résultats démontrent que la différence entre les deux approches de modélisation du sol est significative. L'utilisation de la méthode simplifiée (sous-structure) doit être interprétée avec une attention particulière à la limite de validité de l'utilisation du modèle linéaire équivalent, car de nombreux enregistrements capturés sur des sols plus mous n'étaient pas éligibles en raison de la limitation de l'indice de déformation de cisaillement (généralement inférieur à 0,03%), et les réponses ont été très dispersées, surtout pour le pont conventionnel. Par conséquent, la méthode simplifiée d'utilisation de ressorts linéaires pour représenter la strate du sol est une approche assez simple pour capturer tous les principaux mécanismes impliqués dans le sol, la SSI et les caractéristiques de chaque enregistrement sismique. Aussi, les résultats de cette étude révèlent que la performance du pont et les effets du sol sont dominés par l'incertitude des mouvements du sol et leur contenu fréquentiel pour les enregistrements de séismes modérés et forts. Les rapports entre l'accélération maximale du sol et la vitesse maximale du sol (PGA/PGV) jouent un rôle décisif dans toutes les réponses dynamiques. Les enregistrements avec un faible PGA/PGV exigeants que les enregistrements NF pour les ponts isolés sur sols meubles, et les enregistrements NF montrent des demandes sismiques plus élevées. De plus, les enregistrements de type pulsé, probablement observés pour les enregistrements NF forts et contenant en même temps un faible rapport PGA/PGV, provoquent des demandes sismiques e jusqu'à 50% plus élevée en force et jusqu'à 75% plus élevée en déplacement, en termes moyens et par rapport aux enregistrements NF sans impulsions. Toutefois, les réponses des sols plus mous ont montré que la présence du sol diminue l'effet négatif de l'impulsion et diminue la demande sismique en force par rapport à la réponse d’un modèle avec base fixe, n’incluant pas l’effet du sol. Par conséquent, une attention particulière doit être accordée à la conception des systèmes d'isolation pour éviter de sous-estimer la demande de déplacement pour des enregistrements de type impulsion, en particulier sur des sols plus mous. Les réponses des différents systèmes d'isolation démontrent que la résistance caractéristique (Qd), la rigidité post-élastique (Kd) et la capacité de déplacement plus élevées sont nécessaires pour que les enregistrements de type impulsion NF afin de répondre à la demande sismique de déplacement, en particulier sur les sols plus mous.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 189-206).
Mots-clés libres:	isolation sismique de la base, caractéristiques des tremblements de terre, effets de l'interaction sol-structure, enregistrements de faille proche, enregistrements de champ lointain
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Guizani, Lotfi
Codirecteur:	Codirecteur Ghlamallah, Nourreddine
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	01 févr. 2024 14:41
Dernière modification:	01 févr. 2024 14:41
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3389

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