1

Dansk Geoteknisk forening, 12. september 2013

Artikler fra ICSMGE 2013

Modelling of soil-structure interaction for seismic analyses of the Izmit Bay Bridge Modellering af jord-struktur-interaktion i jordskælvsanalyser for Izmit Bay Bridge

Jakob Hausgaard Lyngs, Thomas Kasper, Kristian Bertelsen

COWI A/S

Agenda

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 2

Izmit Bay Bridge

Designstrategi for tårnfundamenter

Modelling af jord-struktur-interaktion

Konklusion

Spørgsmål

Seismisk risiko

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 3

Izmit Bay Bridge

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 4

Izmit Bay Bridge

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 5

Izmit Bay Bridge

1550 m

566 m

566 m

252 m

40 m MSL

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 6

› Nordtårn

Tårnfundamenter

Sand

Firm to stiff clay

Sand

Stiff to hard clay

-40.0

-43.0

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 7

› Sydtårn

Tårnfundamenter

Sand

Soft to firm clay

Sand

Stiff clay

-40.0

-43.0

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 8

› Høj seismisk aktivitet

› North Anatolian Fault

Seismisk risiko

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 9

Seismisk risiko

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 10

› Functional Evaluation Earthquake (FEE)

› TR = 150 år

› PGAklippe = 0,25 g

› Minimal skade, fuld brugbarhed

› Safety Evaluation Earthquake (SEE)

› TR = 1000 år

› PGAklippe = 0,65 g

› Begrænset skade, kan repareres

› No Collapse Earthquake (NCE)

› TR = 2475 år

› PGAklippe = 0,87 g

› Stor strukturel skade tilladt, men intet kollaps

Seismiske design kriterier

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 11

› Lad os gøre noget (næsten) nyt!

› "Base isolation" system for pylonfundamenterne

› Projektreference: Rion-Antirion skråstagsbro i Grækenland

› Caissoner ovenpå en gruspude, jord forstærket med stålpæle.

› Ingen strukturel forbindelse mellem caisson og pæle

› Tillader (begrænset) løftning og glidning

› Mindsker kræfter i strukturen

Seismisk designkoncept

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 12

› Nordtårn

Tårnfundamenter

Sand

Firm to stiff clay

Sand

Stiff to hard clay

-40.0

-43.0

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 13

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 14

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 15

Ikke en helt almindelig dag på kontoret…

› Detailed design-eftervisning med tidsdomæneanalyser "standard": frekvensdomæne

› Tillad et "svagt led" in jord-struktur-interfacet, med styrke afhængig af vertikalspændingen standard: ingen plastisk deformation

› Beregning af spændingsfordeling under caissonerne i hvert tidsstep, i IBDAS modellen standard: kun verifikation af enkelte pseudo-statiske lasttilfælde, i separat model

Jord-struktur-interaktion, modellering

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 16

› Globalmodel i IBDAS

› Tidsdomæne, 7 forskellige tidsserier af flytninger for hvert designkriterium

› Modellering af jord-struktur-interaktion med fordelte fjedre og dæmpere

› Avanceret model, men dog implementerbar i design!

Beregningsmodel

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 17

› "Standard" procedure:

› 6x6 lineære stivheds- og dæmpningsmatricer

› Visko-lineær Kan ikke modellere plastisk deformation

› Bundplade skal antages stiv ingen beregning af spændinger

Jord-struktur-interaktion – implementering 1

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 18

› Fordelte fjedre

› Ikke-lineære, hysteretiske vandrette fjedre

› Lodret gapping element (ingen trækspænding)

Jord-struktur-interaktion – implementering 2

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 19

› Hysteretisk opførsel, extended Masing rule

› Fmax afhængig af lokal vertikalkraft

› 2D-opførsel modelleret med i alt 8 fjedre

Jord-struktur-interaktion – implementering 3

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 20

› Lokal-respons i Abaqus og IBDAS for varierende vertikal last

Kalibrering af "grusfjedre"

0

50

100

150

200

250

300

0 0.05 0.1 0.15 0.2

Foundation s

hear

str

ess [

kPa]

Horizontal foundation displacement [m]

100 kPa

200 kPa

400 kPa

fit 100 kPa

fit 200 kPa

fit 400 kPa

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 21

› Global-respons i Plaxis og IBDAS

Kalibrering af "jordfjedre"

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

-0.50-0.40-0.30-0.20-0.100.00

Horizonta

l lo

ad [

MN

]

Horizontal displacement [m]

PLAXIS NT, 930 MNPLAXIS NT, 830 MNPLAXIS NT, 730 MNIBDAS NT, 930 MNIBDAS NT, 830 MNIBDAS NT, 730 MN

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 22

Simulering

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 23

› Meget data!

› Gennemsnit af 7 tidshistorier

Resultater - 1

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 24

› NCE flytninger

› Totale

› Relative i interfacet

Resultater - 2

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 25

› Hysterese i fjedre under NCE-jordskælv

Resultater - 3

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 26

› Lineær model prøvet til sammenligning

› Større moment end den ikke-lineære model (NCE)

› Nordtårn: 13%

› Sydtårn: 46%

Resultater - 4 Nordtårn

-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 30000

50

100

150

200

250

Moment around bridge transverse axis MY [MNm]

Ele

vati

on

[m

TU

DK

A]

Reference

Linear

-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 40000

50

100

150

200

250

Moment around bridge transverse axis MY [MNm]

Ele

vati

on

[m

TU

DK

A]

Reference

Linear

Sydtårn

› Detailed design ved hjælp af tidshistorier

› Udnyttelse af begrænset plasticitet i jord-struktur-interfacet

› Begrænsning af påvirkning af strukturen

› Global model effektivt design

› Lyngs, Kasper and Bertelsen (2013): Modelling of soil-structure interaction for seismic analyses of the Izmit Bay Bridge. Proceedings of the 18th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Paris 2013

Konklusion

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 27

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 28

Og der bygges…

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 29

12. SEPTEMBER 2013

DGF, IZMIT BAY BRIDGE 30

Spørgsmål?