Étude de la réhabilitation sismique d'un pont avec des isolateurs en caoutchouc à basse température par le biais de surfaces de fragilité

Abstract : In Quebec, Canada, due to aging and deficient seismic detailing, bridges are susceptible to important damage in the occurrence of a strong earthquake. To enhance the seismic performance of the provincial bridge inventory, the replacement of typical bearings with natural rubber isolators has shown to be a potentially efficient retrofitting measure. However, variations in the mechanical properties of the isolators due to environmental conditions can affect the seismic performance. For instance, rubber undergoes substantial stiffening when exposed to low temperatures, as those typically observed during winter in eastern Canada. In bridge-type structures, the thermal stiffening of isolators increases the forces transmitted to the substructure, which in turn becomes more prone to damage. A more detailed consideration of the thermal effects on the seismic performance of typical provincial bridges is thus necessary. In this study, fragility surfaces are used to assess the vulnerability of a typical bridge in Quebec when retrofitted with natural rubber isolators under the concomitant actions of earthquakes and low temperatures. Bridges are composed of several different components with distinguished behaviors and complex interactions under seismic excitation. Owing to the importance of the contribution of different components to the bridge fragility, the first part of this study focuses on the construction of multivariate probabilistic seismic demand models (PSDM). The validity of the commonly adopted assumptions has been criticized and their impact on fragility estimates is not fully understood. A multivariate PSDM approach is thus developed coupling the multiple-stripe analysis and Gaussian mixture models. The novel approach concomitantly captures the complexity of the dynamic response of multicomponent structures and models their uncertainties and correlation. The proposed approach is then used to assess the potential bias introduced by poor modeling on fragility and risk estimates of a real as-built case-study bridge. This PSDM strategy then is adopted to translate the uncertainty and the correlation of the response of the case-study bridge components when retrofitted. Fragility surfaces based on logistic regression depict the effects of thermal stiffening of isolators on the performance of the bridge in both component- and system-level. A beneficial combination is revealed between the decoupling effect provided by isolators and the lateral restraining action of the abutment wing walls depending on the provide clearances. The derivation of fragility surfaces for isolated bridges in cold regions sheds new light on the challenges of retrofitting structures exposed to multiple extreme environments (e.g., seismic and thermal). Overall the presented results can facilitate seismic vulnerability modeling and retrofit assessment of these complex systems and afford valuable practical impacts. The insights and methodological advances can prompt research and applications well beyond the case study structures considered in the thesis, and have broad impacts.Au Québec, Canada, en raison du vieillissement et de détails insuffisants de dimensionnement sismique, les ponts sont susceptibles de subir des dommages importants en cas de fort séisme. Pour améliorer la performance sismique de l'inventaire des ponts de la province, le remplacement des appareils d'appui classiques par des isolateurs en caoutchouc naturel s'est avéré une mesure de réhabilitation potentiellement efficace. Cependant, les variations des propriétés mécaniques des isolateurs dues aux conditions environnementales peuvent affecter la performance sismique. Par exemple, le caoutchouc subit un raidissement important lorsqu'il est exposé aux basses températures, comme celles typiquement observées pendant les hivers dans l'est du Canada. Dans les ponts, le raidissement thermique des isolateurs augmente les forces transmises à la sous-structure, qui devient alors plus susceptible d'être endommagée. Une étude plus détaillée des effets thermiques sur la performance sismique des ponts provinciaux typiques est donc nécessaire. Des surfaces de fragilité sont donc utilisées pour évaluer la vulnérabilité d'un pont typique au Québec réhabilité avec des isolateurs en caoutchouc naturel sous les actions concomitantes des séismes et des basses températures. Les ponts sont composés de plusieurs éléments différents ayant des comportements distincts et des interactions complexes sous une excitation sismique. En raison de l'importance de la contribution de plusieurs composants à la fragilité du pont, la première partie de cette étude se concentre sur la construction de modèles probabilistes multivariés de demande sismique (PSDM). On a critiqué la validité des hypothèses couramment adoptées et leur impact sur les estimations de fragilité n'est pas entièrement compris. Une approche PSDM multivariée est donc développée en couplant l'analyse de bandes multiples et les modèles de mélange gaussien. La nouvelle approche capture de manière concomitante la complexité de la réponse dynamique et modélise les incertitudes et la corrélation. On évalue ensuite le biais potentiel introduit par une mauvaise modélisation sur les estimations de fragilité et de risque d'un pont réel tel que construit. Cette stratégie PSDM est ensuite adoptée pour traduire la réponse des composants du pont de l'étude de cas lorsqu'il est réhabilité. Les surfaces de fragilité basées sur la régression logistique décrivent les effets du raidissement thermique des isolateurs sur les performances du pont, tant au niveau des composants que du système. Une combinaison bénéfique est révélée entre l'effet de découplage des isolateurs et l'action de retenue latérale des murs en fonction des écarts fournis. La dérivation des surfaces de fragilité pour les ponts isolés dans les régions froides jette un nouvel éclairage sur les défis de la réhabilitation des structures exposées à de multiples environnements extrêmes (sismiques et thermiques). Dans l'ensemble, les résultats présentés peuvent faciliter la modélisation de la vulnérabilité sismique et l'évaluation de la réhabilitation de ces systèmes complexes et avoir des répercussions pratiques importantes. Les idées et les avancées méthodologiques peuvent susciter des recherches et des applications bien au-delà des structures étudiées dans la thèse, et en avoir un large impact

Contributions to statistical machine learning algorithm

This thesis's research focus is on computational statistics along with DEAR (abbreviation of differential equation associated regression) model direction, and that in mind, the journal papers are written as contributions to statistical machine learning algorithm literature

Mathematical Modeling and Simulation in Mechanics and Dynamic Systems

The present book contains the 16 papers accepted and published in the Special Issue “Mathematical Modeling and Simulation in Mechanics and Dynamic Systems” of the MDPI “Mathematics” journal, which cover a wide range of topics connected to the theory and applications of Modeling and Simulation of Dynamic Systems in different field. These topics include, among others, methods to model and simulate mechanical system in real engineering. It is hopped that the book will find interest and be useful for those working in the area of Modeling and Simulation of the Dynamic Systems, as well as for those with the proper mathematical background and willing to become familiar with recent advances in Dynamic Systems, which has nowadays entered almost all sectors of human life and activity

Fault-Tolerant Computing: An Overview

Coordinated Science Laboratory was formerly known as Control Systems LaboratoryNASA / NAG-1-613Semiconductor Research Corporation / 90-DP-109Joint Services Electronics Program / N00014-90-J-127

Aeronautical Engineering: A continuing bibliography with indexes

This bibliography lists 725 reports, articles and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in April 1985

Perspectives on European Earthquake Engineering and Seismology: Volume 1

Civil Engineering; Natural Hazards; Geotechnical Engineering & Applied Earth Sciences Industry Sec; 2ECEES; Earthquake Engineering; Performance Based Design and Earthquake Engineering; Irregular Buildings and Earthquakes; Historical Structures and Earthquakes; Precast Buildings and Earthquakes; Bridge Design and Earthquake

Aeronautical Engineering: A continuing bibliography with indexes (supplement 205)

This bibliography lists 517 reports, articles and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in September 1986

Metaplastic response and collapse of frame-foundation systems, and the concept of rocking isolation

546 σ.Οποιαδήποτε, έστω και αδρομερής, επισκόπηση της σύγχρονης βιβλιογραφίας του αντισεισμικού σχεδιασμού, θα ήταν πλημμελής εάν παρέλειπε την αναφορά στην αυξανόμενη σύγχρονη τάση “δημιουργικής αμφισβήτησης” των συμβατικών (και καθιερωμένων μέσα από τους διεθνείς Κανονισμούς) μεθόδων οι οποίες βασίζονται στον υπολογισμό δυνάμεων. Αντί αυτής, προτείνεται η προσέγγιση του σχεδιασμού με γνώμονα τις μετακινήσεις, τόσο των δομικών στοιχείων της κατασκευής (Δομοστατικός Σχεδιασμός Ανωδομής) όσο και της θεμελίωσης (Γεωτεχνικός Σχεδιασμός Θεμελιώσεως). Η νέα λογική σχεδιασμού προτείνει την (υπό-προϋποθέσεις) εγκατάλειψη της σχετικής κανονιστικής απαγόρευσης, προκρίνοντας την δημιουργία “πλαστικής άρθρωσης” υπό την διεπιφάνεια θεμελιώσεως εδάφους (υλοποιούμενης είτε μέσω αποκόλλησης του πρώτου ή αστοχίας φέρουσας ικανότητας του τελευταίου). Κατ’ αυτόν τον τρόπο περιορίζεται η αδρανειακή φόρτιση που δύναται να μεταδοθεί στην ανωδομή. Μία τέτοια λογική έχει αποτελέσει αντικείμενο μελέτης διεθνώς, η δε διερεύνηση τής εφαρμοσιμότητάς της σε απλές επιφανειακές θεμελιώσεις έχει επιχειρηθεί τόσο αναλυτικά όσο και πειραματικά. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή επιδιώκεται η ολοκληρωμένη διερεύνηση της αποτελεσματικότητας της ιδέας αυτής σε επίπεδο όχι ενός απλού θεμελίου αλλά μίας πλαισιωτής κατασκευής. Ως εκ τούτου, κύριο αντικείμενο της έρευνας αποτελεί η μελέτη της μή-γραμμικής και ανελαστικής αλληλεπίδρασης συστημάτων θεμελιώσεως–εδάφους–πλαισίου υποβαλλομένων σε ισχυρή εδαφική διέγερση που ενίοτε υπερβαίνει κατά πολύ την συμβατική διέγερση σχεδιασμού. Η εργασία διαρθρώνεται σε 5 βασικές ενότητες: Αντικείμενο της πρώτης ενότητας είναι η βαθμονόμηση και επαλήθευση ενός αξιόπιστου καταστατικού προσομοιώματος ικανού να αναπαράγει με πιστότητα την μή-γραμμική λικνιστική απόκριση συστημάτων θεμελιώσεως επί αργιλικού και αμμώδους εδάφους. Το προσομοίωμα συνδυάζει μή-γραμμική κινηματική κράτυνση με συσχετισμένο νόμο πλαστικής ροής, με το κριτήριο διαρροής Von Mises (καταλλήλως τροποποιημένο ώστε να λαμβάνει υπόψιν την επίδραση της μέσης ορθής τάσης σε άμμους), και έχει ενσωματωθεί στον κώδικα πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS. Η δεύτερη ενότητα αποτελεί τον κυρίως κορμό της διεξαχθείσης έρευνας: μελετά ενδελεχώς την δυναμική απόκριση σε επιβαλλόμενη σεισμική διέγερση ρεαλιστικώς απλών πλαισιωτών κατασκευών επί εδαφικής στρώσης και αξιολογείται η αποτελεσματικότητα μιάς νέας φιλοσοφίας σχεδιασμού ή οποία ευνοεί την μή-γραμμική απόκριση της θεμελίωσης μέσω του μηχανισμού του ανασηκώματος έναντι του ισχύοντα αντισεισμικού κανονισμού που επιδιώκει την ελαστική απόκριση της θεμελίωσης ακόμα και υπό καθεστώς εξαιρετικά ισχυρών σεισμικών δράσεων. Θεωρώντας συνθήκες επίπεδης παραμόρφωσης, καταστρώθηκε κατάλληλο προσομοίωμα πεπερασμένων στοιχείων. Το έδαφος θεωρείται στιφρή άργιλος με αντοχή Su = 150 kPa, ενώ για την προσομοίωση της ανωδομής χρησιμοποιείται κατάλληλο καταστατικό προσομοίωμα που να είναι σε θέση να αναπαράγει την μή γραμμική σχέση ροπής–καμπυλότητας των μελών ωπλισμένου σκυροδέματος [Vintzilaiou et al., 2007]. Αποσκοπώντας στη συγκριτική αξιολόγηση των δύο εναλλακτικών μεθόδων θεμελιώσεως, τα συστήματα υποβλήθηκαν σε 24 χρονοϊστορίες καταγεγραμμένων επιταχύνσεων ποικίλων χαρακτηριστικών. Όταν το συμβατικώς θεμελιωμένο σύστημα υπόκειται σε σεισμικές διεγέρσεις που υπερβαίνουν τον σεισμικό κραδασμό σχεδιασμού, οι βλάβες των υποστυλωμάτων είναι σαφώς μή επισκευάσιμες Παρότι σε όρους συνολικής διαφορικής μετακίνησης τα δύο συστήματα φαίνεται ότι συμπεριφέρονται ισοδύναμα, σε όρους διαφορικής μετακίνησης λόγω καμπτικής καταπόνησης η απόκριση του υπο-διαστασιολογημένου συστήματος είναι σαφώς ευνοϊκότερη. Όπως προκύπτει από τους υπολογισθέντες λόγους δC / h, οι βλάβες των υποστυλωμάτων του «λικνιστικώς μονωμένου» πλαισίου είναι ασήμαντες για τουλάχιστον το 50% των περιπτώσεων, ενώ για τις υπόλοιπες διατηρούνται εντός των ορίων επισκευασιμότητας [Priestley et al., 2007]. Εν κατακλείδι συμπεραίνεται ότι η καμπτική καταπόνηση της ανωδομής είναι δυνατόν να περιορισθεί με υπο-διαστασιολόγηση των θεμελίων ώστε να αποκριθούν μη-γραμμικά εξαντλώντας τήν φέρουσα ικανότητά τους. Ετσι περιορίζουν την μεταδιδόμενη στα υποστυλώματα ένταση στα επίπεδα της δικής τους (μικρότερης) ροπής αντοχής. Αν και η στροφή του θεμελίου συνεπάγεται σημαντική κινηματική επιπόνηση και βλάβες στα μη δομικά μέλη επί του πλαισίου, η δομητική αστοχία των υποστυλωμάτων αποφεύγεται ακόμη και όταν η σεισμική ένταση υπερβαίνει κατά πολύ την αντοχή σχεδιασμού της κατασκευής. Στην τρίτη ενότητα της διατριβής αναπτύσσεται μια απλοποιημένη μεθοδολογία προκαταρκτικού σχεδιασμού της θεμελίωσης με εφαρμογή της προτεινόμενης προσέγγισης. Βάσει αυτής υπολογίζεται η μέγιστη και η ελάχιστη ανεκτή διάσταση του θεμελίου ώστε να εξασφαλίζεται η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης λογικής σχεδιασμού. Για τον προσδιορισμό ενός ασφαλούς άνω ορίου η ελάχιστη τιμή του συντελεστή απομείωσης CRF, πρέπει να λαμβάνει την τιμή 2, ώστε αφενός μεν να αποκλειστεί το ενδεχόμενο υπέρβασης της ροπής αντοχής του υποστυλώματος λόγω διακύμανσης του κατακορύφου φορτίου Ν, αφετέρου δε να συνυπολογιστούν πιθανές αβεβαιότητες ως προς την πραγματική αντοχή του εδάφους και της ανωδομής, ή φαινόμενα δυναμικής υπεραντοχής. Η μικρότερη δυνατή διάσταση του θεμελίου θα είναι αυτή που θα ικανοποιεί την απαίτηση δκ > δε όπου δκ η μέγιστη οριζόντια μετακίνηση που μπορεί να παραλάβει η ανωδομή χωρίς να ανατραπεί και δε η σεισμική απαίτηση εκπεφρασμένη σε όρους μετακινήσεων. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής αναπτύσσεται απλοποιημένη μεθοδολογία για τον προσεγγιστικό προσδιορισμό των μεγεθών αυτών. Οι αναλύσεις των ενοτήτων 2 και 3 πραγματοποιήθηκαν θεωρώντας συνθήκες μονοδιάστατης εδαφικής ενίσχυσης. Προκειμένου να ληφθούν υπόψιν διδιάστατα κυματικά φαινόμενα τα οποία ενδέχεται να αλλοιώνουν τον τελικώς επιβαλλόμενο κραδασμό, στην τέταρτη ενότητα διενεργείται ενδελεχής μελέτη της επίδρασης της διδιάστατης γεωμετρίας εδαφικής κοιλάδας στην παραγόμενη στην επιφάνεια σεισμική διέγερση. Μεταξύ των σπουδαιότερων συμπερασμάτων προέκυψε ότι η διέγερσή της κοιλάδας με αμιγώς οριζόντια σεισμική κίνηση αναπόφευκτα δημιουργεί λόγω της διδιάστατης γεωμετρίας και μία παρασιτική κατακόρυφη συνιστώσα, η οποία μάλιστα σε όρους μέγιστης τιμής είναι συγκρίσιμη με την οριζόντια. Αξίζει μάλιστα να σημειωθεί ότι σε αντίθεση με την «φυσική» κατακόρυφη συνιστώσα η οποία, ως αποτέλεσμα κυμάτων P είναι ιδιαιτέρως υψίσυχνη, η παρασιτική κατακόρυφη είναι συχνοτισμένη και εν φάσει με την αντίστοιχη οριζόντια. Έτσι πολλαπλασιάζεται η πιθανότητα επιζήμιας δράσης στις κατασκευές. Η επίδραση της παραγόμενης στην επιφάνεια παρασιτικής κατακόρυφης συνιστώσας της σεισμικής κίνησης σε επιφανειακώς θεμελιωμένη στην θέση αυτή πλαισιωτή κατασκευή, μελετάται στην τελευταία πέμπτη ενότητα της διατριβής. Προέκυψε ότι η ταυτόχρονη δράση της παρασιτικής κατακόρυφης ενδέχεται να είναι ιδιατέρως επιζήμια για την ανωδομή: αύξηση της καμπτικής επιπόνησης, αυξημένη καμπυλότητα στο υποστύλωμα, και σημαντική διαφορική σχετική μετάθεση ορόφου.Scope of this research is to explore the effectiveness of a new approach to foundation seismic design. Instead of the conventional foundation over-design, it is now intentionally under-designed to uplift and mobilize the strength of the supporting soil in the hope that they will thus act as a rocking−isolation mechanism, limiting the inertia transmitted to the superstructure, and guiding the plastic "hinge" into the foundation−soil interface. Idealized simple but realistic reinforced concrete (RC) moment resisting frames serve as an example to compare the two design alternatives. The thesis is structured along 5 sections: The first section presents a simplified constitutive model for analysis of the cyclic response of shallow foundations. The model is based on a simple kinematic hardening constitutive model with Von Mises failure criterion modified accordingly so as to be applicable for sand. The model is validated against centrifuge tests performed at UC Davis and large-scale 1-g experiments under the EU program TRISEE. Despite its simplicity and lack of generality and rigor, for the particular type of problem investigated herein such a constitutive model yields quite reasonable results. The second section, which forms the core of this thesis, investigates the potential effectiveness of the proposed new design by comparing the response of a fairly simple 1-bay 2-dof frame founded on a stiff clay under very strong seismic shaking (exceeding the design level). The problem is analyzed employing the finite element (FE) method, taking account of material (soil and superstructure) and geometric (uplifting and P-Δ effects) nonlinearities. The response of the two alternatives is first investigated through static pushover analysis. The seismic performance is further explored through dynamic time history analysis, using as excitation a wide range of seismic motions. It is shown that For very strong seismic shaking, the performance of the rocking–foundation system is advantageous : it survives sustaining non-negligible but repairable damage to its beams and non-structural elements (infill walls, etc.). The third section proposes a Simplified Methodology for the Foundation Design of Rocking−isolated Frames. According to this the range of optimum (or acceptable) footing widths should simultaneously meet two contradicting criteria: (i) the footing width B needs to be small enough, so that its moment capacity Mult is adequately smaller than the corresponding capacity of the column MRD and (ii) the footing width B has to be large enough, so that an adequate margin of safety against toppling is achieved. Sections 4 and 5 investigate the response of a simple frame structure subjected to valley contaminated ground motion. Emphasis was given in the proper simulation of the 2D wave propagation phenomena that take place in one typical trapezoidal alluvial basin accounting for both elastic and full non-linear soil response. It was shown that the valley presence may significantly modify the rocking response of the frame and hence producing unexpectedly high distress on its structural members.Φανή Μ. Γελαγώτ