تحلیل منحنی‌های شکنندگی پل‌ها در معرض زلزله‌های حوزه نزدیک و دور از گسل (مطالعه موردی پل بیل امرسون)

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

2 دانشیار، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران

3 دانشجوی دکتری عمران سازه، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، ایران

چکیده

با توجه به اهمیت پل‌ها در ساخت شریان‌های اساسی یک کشور، در این تحقیق به ارزیابی احتمالاتی آسیب پذیری لرزه‌ای پل‌های کابلی پرداخته شده است. از مزایای پل‌های کابلی می‌توان به استفاده آنها در ساخت پل‌های با دهانه‌های بزرگ اشاره کرد. در این مقاله با استفاده از مجموعه‌ای از تحلیل‌های دینامیکی غیرخطی فزاینده (IDA) به بررسی اثرات متفاوت تحریکات حوزه دور و نزدیک گسل، برای پل کابلی مورد مطالعه (پل کابلی بیل امرسون) پرداخته شد. در این راستا دو مجموعه 20 تایی رکورد حوزه دور و نزدیک گسل از آیین نامه FEMA P695 انتخاب گردید و هر رکورد زلزله از g 1/0 تا g 5/1 با گام‌های افزایشی 1/0 تحلیل شدند و منحنی‌های شکنندگی در هر دو حالت دور و نزدیک گسل در چهار سطح خرابی ترسیم گردید. نتایج تحلیل‌های انجام شده بر روی مدل کابلی پل بیل امرسون تاثیر تحریکات نزدیک گسل بر آسیب پذیری پل‌های کابلی با دهانه های بزرگ را به وضوح نشان می دهد. برای مثال احتمال خرابی کامل و زیاد پل کابلی مورد بررسی در حالت دور از گسل در g5/1 به ترتیب برابر با 10 و 32 درصد می باشد در حالی که در حالت نزدیک گسل این مقدار به حدود 19 و 44 درصد افزایش می‌یابد، که نشان دهنده افزایش آسیب پذیری سازه در حالت نزدیک گسل می باشد. همچنین مقادیر میانه شکنندگی لرزه‌ای برای مدل پل در نظر گرفته شده، به طور قابل توجهی در تحریکات نزدیک گسل در حالت‌های خرابی زیاد و کامل کاهش می‌یابد. این نتایج می‌تواند راجع به اهمیت ارزیابی ریسک منطقه‌ای یا نادیده نگرفتن اثرات تحریکات نزدیک گسل بر روی آسیب پذیری پل‌های کابلی در آینده کمک شایانی کند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Analytical Fragility Curves for Bridges Subjected to Near-Fault and Far-Field Ground Motion(Case Study: Bill Emerson Bridge)

نویسندگان [English]

  • Hossein Pahlavan 1
  • Alireza Mirza Goltabar Roshan 2
  • Ali Naseri 3
1 Assistant Professor, Faculty of Civil Engineering, Shahrood University of Technology, Iran
2 Associate Professor, Faculty of Civil Engineering, Noshirvani University of ‎Technology, Babol, Iran
3 Ph.D. Candidate of Structural Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran
چکیده [English]

Bridges are one of the major infrastructures of a country, which, in the event of severe seismic activity and the occurrence of collapse, can cause severe damage in different regions and create a severe crisis. Bridges with very long spans have always been a great challenge for engineers throughout history. Cable-stayed types of bridges are becoming more and more popular in the construction of long span bridges due to their advantages. A great number of cable stayed bridges in the world are located in the seismic zone and also near active faults so the effect of near field excitations on the seismic vulnerability of cable stayed bridges should be investigated probabilistically in accordance with far field excitations. Generation of vulnerability functions in the form of fragility curves is a common approach for assessing bridges seismic vulnerability. In this article, a set of analytical fragility curves for a case study cable stayed bridge (the Bill Emerson Bridge) are developed based on Incremental nonlinear dynamic analysis (IDA). The findings represent the effect of near fault excitations on the vulnerability of this long span bridge model. For example, the probability of a complete and extensive damage state for the considered cable stayed bridge in 1.5g for far field is 10 and 32 percent respectively, while in the near field, this value increases to about 19 and 44 percent, that indicates increase vulnerability of bridge in near field. The median values of seismic fragility for the considered bridge model decreased significantly in near field excitation in the Extensive and Complete damage states. The results can guide future regional risk assessments regarding the importance of including or neglecting near field excitations impacts on cable stayed bridge’s vulnerability.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Analytical Fragility Curves
  • Near fault
  • Far field
  • Bill emerson bridge
  • Cable stayed bridges
1- نشریه 511، (1390)، «راهنمای بهسازی لرزه ای پل­ها« معاونت نظارت راهبردی دفتر نظام فنی اجرایی.
2- Galal, K. and A. Ghobarah, (2006), Effect of near-fault earthquakes on North American nuclear design spectra. Nuclear engineering and design. 236(18): p. 1928-1936
3- Li, H., Liu, J., & Ou, J. (2011). Seismic response control of a cable‐stayed bridge using negative stiffness dampers. Structural Control and Health Monitoring, 18(3), 265-288.
4-Tavares, D., Padgett, J., (2012). Fragility curves of typical as-built highway bridges in eastern Canada, Engineering Structures 40 (2012) 107–118.
5- Pipinato, A., Pellegrino, C., Fregno, G., & Modena, C. (2012). Influence of fatigue on cable arrangement in cable-stayed bridges. International Journal of Steel Structures, 12(1), 107-123.
6- Cai, J. G., Xu, Y. X., Zhuang, L. P., Feng, J., & Zhang, J. (2012). Comparison of various procedures for progressive collapse analysis of cable-stayed bridges. Journal of Zhejiang University SCIENCE A, 13(5), 323-334.
7- Ismail, M., Casas, J.R. and Rodellar, J., 2013. Near-fault isolation of cable-stayed bridges using RNC isolator. Engineering structures, 56, pp.327-342.
8- Ding, Y., Li, A., Du, D., & Liu, T. (2010). Multi-scale damage analysis for a steel box girder of a long-span cable-stayed bridge. Structure and Infrastructure Engineering, 6(6), 725-739
9- Han, S. H., Lee, W. S., & Bang, M. S. (2011). Probabilistic optimal safety with minimum life-cycle cost based on stochastic finite element analysis of steel cable-stayed bridges. International Journal of Steel Structures, 11(3), 335
10- Li, H., Li, S., Ou, J., & Li, H. (2014). Reliability assessment of cable-stayed bridges based on structural health monitoring techniques. Structure and Infrastructure Engineering, 8(9), 829-845.
11- Shrestha, B. (2015). Seismic response of long span cable-stayed bridge to near-fault vertical ground motions. KSCE Journal of Civil Engineering, 19(1), 180-187.
12- Koh, H. M., Lim, J. H., Kim, H., Yi, J., Park, W., & Song, J. (2017). Reliability-based structural design framework against accidental loads–ship collision. Structure and Infrastructure Engineering, 13(1), 171-180
13- Chen, G., Yan, D., Wang, W., Zheng, M., Ge, L. and Liu, F., 2007. Assessment of the Bill Emerson memorial cable-stayed bridge based on seismic instrumentation data (No. UTC-R164). Missouri University of Science and Technology. Center for Infrastructure Engineering Studies.
14- CSI, SAP-2000 Manual, Static and dynamic finite element analysis of structures, Computers and Structures, Inc., Berkeley, California.
15- Ramanathan, N.K. (2012), “Next generation seismic fragility curves for California bridges incorporating the evolution in seismic design philosophy,” Ph.D. thesis, Georgia Institute of Technology, Atlanta.
16- Pahlavan, H., Zakeri, B., Amiri, G. G., & Shaianfar, M. (2015). Probabilistic vulnerability assessment of horizontally curved multiframe RC box-girder highway bridges. Journal of Performance of Constructed Facilities, 30(3), 04015038.
17- FEMA. Quantification of building seismic performance factors. FEMA P695. Federal Emergency Management Agency, Washington, DC; June 2009.
18- Pahlavan, H., Naseri, A., Einolahi, A. (2018). 'Probabilistic Seismic Vulnerability assessment of RC Frame Structures Retrofitted with Steel Jacketing', Amirkabir Journal of Civil Engineering, doi: 10.22060/ceej.2018.13692.5459.
19-A. Naseri, H. Pahlavan, G. Ghodrati Amiri, Probabilistic seismic assessment of RC frame structures in North of Iran using fragility curves, Journal of Structural and Construction Engineering, 4(4) (2017) 58-78.
20- HAZUS-MH MR5, Multi-Hazard loss Estimation Methodology: Earthquake Model. Depariment of Homeland security, FEMA, Washington, D.C, 2003.
21- Roshan, A. M. G., Naseri, A., & Pati, Y. M. (2018). Probabilistic evaluation of seismic vulnerability of multi-span‎ bridges in northern of Iran. Journal of Structural and Construction Engineering, 5(1), 36-54.
22- Pahlavan, H., Naseri, A., Rafiei, S., Baghery, H. (2018). 'Seismic Vulnerability Assessment of Horizontally Curved Multi frame RC BoxGirder Bridges Considering the Effect of Column Heights and Span Numbers', Amirkabir Journal of Civil Engineering, 50(3), pp. 529-542. doi: 10.22060/ceej.2017.12135.5130.
23- Shamekhi amiri, M., Naseri, A., Messgarpour Amiri, M. (2019). 'Probabilistic Evaluation, Seismic retrofitting, Reinforced concrete structures, Vertical link Structures', Amirkabir Journal of Civil Engineering, doi: 10.22060/ceej.2019.14313.5621
24- Pahlavan, H., Zakeri, B., & Ghodrati Amiri, G. (2017). Probabilistic Performance Assessment of Retrofitted Horizontally Curved Multi-Frame RC Box-Girder Bridges. Journal of Earthquake and Tsunami, 11(04), 1750010.
25- Standard No. 2800, (2015). Iranian code of practice for seismic resistant design of building. Fourth ed., Building and Housing Research Center, BHRC publication, Tehran.