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 1
Agenda Izmit Bay Bridge Seismisk risiko Designstrategi for tårnfundamenter Modelling af jord-struktur-interaktion Konklusion Spørgsmål 2
Izmit Bay Bridge 3
Izmit Bay Bridge 4
Izmit Bay Bridge 566 m 252 m 40 m MSL 1550 m 566 m 5
Tårnfundamenter Nordtårn -40.0-43.0 Sand Firm to stiff clay Sand Stiff to hard clay 6
Tårnfundamenter Sydtårn -40.0-43.0 Soft to firm clay Sand Stiff clay Sand 7
Seismisk risiko Høj seismisk aktivitet North Anatolian Fault 8
Seismisk risiko 9
Seismiske design kriterier Functional Evaluation Earthquake (FEE) T R = 150 år PGA klippe = 0,25 g Minimal skade, fuld brugbarhed Safety Evaluation Earthquake (SEE) T R = 1000 år PGA klippe = 0,65 g Begrænset skade, kan repareres No Collapse Earthquake (NCE) T R = 2475 år PGA klippe = 0,87 g Stor strukturel skade tilladt, men intet kollaps 10
Seismisk designkoncept 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 11
Tårnfundamenter Nordtårn -40.0-43.0 Sand Firm to stiff clay Sand Stiff to hard clay 12
13
14
Jord-struktur-interaktion, modellering 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 15
Beregningsmodel 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! 16
Jord-struktur-interaktion implementering 1 "Standard" procedure: 6x6 lineære stivheds- og dæmpningsmatricer Visko-lineær Kan ikke modellere plastisk deformation Bundplade skal antages stiv ingen beregning af spændinger 17
Jord-struktur-interaktion implementering 2 Fordelte fjedre Ikke-lineære, hysteretiske vandrette fjedre Lodret gapping element (ingen trækspænding) 18
Jord-struktur-interaktion implementering 3 Hysteretisk opførsel, extended Masing rule F max afhængig af lokal vertikalkraft 2D-opførsel modelleret med i alt 8 fjedre 19
Foundation shear stress [kpa] Kalibrering af "grusfjedre" Lokal-respons i Abaqus og IBDAS for varierende vertikal last 300 250 200 150 100 50 100 kpa 200 kpa 400 kpa fit 100 kpa fit 200 kpa fit 400 kpa 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 Horizontal foundation displacement [m] 20
Horizontal load [MN] Kalibrering af "jordfjedre" Global-respons i Plaxis og IBDAS -600-500 -400-300 -200 PLAXIS NT, 930 MN PLAXIS NT, 830 MN PLAXIS NT, 730 MN IBDAS NT, 930 MN IBDAS NT, 830 MN IBDAS NT, 730 MN -100 0 0,00-0,10-0,20-0,30-0,40-0,50 Horizontal displacement [m] 21
Simulering 22
Resultater - 1 Meget data! Gennemsnit af 7 tidshistorier 23
Resultater - 2 NCE flytninger Totale Relative i interfacet 24
Resultater - 3 Hysterese i fjedre under NCE-jordskælv 25
Elevation [m TUDKA] Elevation [m TUDKA] Resultater - 4 250 Nordtårn Lineær model prøvet til sammenligning Større moment end den ikkelineære model (NCE) 200 150 100 Nordtårn: 13% Sydtårn: 46% 50 Reference Linear 0-4000 -3000-2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 Moment around bridge transverse axis MY [MNm] 250 Sydtårn 200 150 100 26 50 Reference Linear 0-3000 -2000-1000 0 1000 2000 3000 Moment around bridge transverse axis MY [MNm]
Konklusion 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 18 th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Paris 2013 27
28
Og der bygges 29
Spørgsmål? 30