Design of Bridges Against Seismic Faulting : Methodology and Applications

This paper presents a methodology for design of bridge–foundation systems against seismic faulting. The problem is decoupled in two steps. Step 1 deals with the response of a single bridge pier and its foundation subjected to faulting–induced deformation ; Step 2 deals with the detailed model of the superstructure, which is subjected to differential displacements computed in Step 1. We analyze typical viaduct and underpass bridges, founded on piles or caisson foundations. Piled foundations are found to be vulnerable to faulting– induced deformation. While end–bearing piles cannot really sustain any appreciable bedrock offset, floating piles may perform better, especially if combined with hinged pile–to–cap connections. Statically–determinate superstructures are shown to be less sensitive to faulting– induced differential displacements and rotations. Finally, an application of the method is shown for a major bridge, demonstrating the feasibility of design against seismic faulting

Interplay of mat foundations and piles with a failing slope

Landslides may perhaps be characterized as the most astonishing mode of failure absolutely associated with geotechnical engineering. Their effects are to a greater or lesser extent familiar all around the globe, since the phenomenon might be triggered by a plethora of factors, be it an earthquake, rainfall, tunnel excavation or embankment construction, or even simply loading of a slope crest. All these can be thought of either as unavoidable natural processes or just as common human activities which can appear anywhere: from the most developed countries to the most secluded regions. For the latter case, their effects are auspiciously beyond our interest. In all other scenaria, landsliding will only by fortune not result in the engineers' main concern: losses. Their sort, distribution and magnitude will define the scale of the calamity. Experience has dictated that losses may range from the most appalling scenario which includes human casualties, to the most encouraging one, which includes structures holding surprisingly still, amid widespread soil failure around them. Notwithstanding the fact that the total avoidance of the former tragic experiences will always be the engineer's most challenging goal, it is the replication of the latter blissful behavior that has motivated this study. […]Οι κατολισθήσεις αποτελούν ενδεχομένως την πλέον εντυπωσιακή μορφή αστοχίας, από πλευράς δυνητικών συνεπειών, την οποίαν καλείται να αντιμετωπίσει ο γεωτεχνικός μηχανικός. Ως γενεσιουργοί παράγοντες δύνανται να αναφερθούν ενδεικτικά γεωλογικοί παράγοντες (π.χ. συσσώρευση διατμητικών τάσεων κατά μήκος της ζώνης ολισθήσεως), οι πλημμύρες, η σεισμική δράση, ή ακόμη και η καθημερινή ανθρώπινη δραστηριότητα (π.χ. εκσκαφή ορύγματος οδοποιίας ή απλώς φόρτιση του πρανούς λόγω έδρασης κατασκευής στην στέψη του). Οι συνέπειες του φαινομένου ανάλογα με την έκτασή του ποικίλουν από ασήμαντες, σε περίπτωση που η αστοχία δεν επηρεάζει το δομημένο περιβάλλον, έως τραγικές. Παρότι μάλιστα η εδαφική ολίσθηση αποτελεί μια εντελώς ασυνήθιστη φόρτιση για τις κατασκευές πολιτικού μηχανικού, έχει παρατηρηθεί ότι η απόκριση της κατασκευής δεν μπορεί να θεωρηθεί εκ προοιμίου δεδομένη: Η συμπεριφορά απλών κατοικιών στην περιοχή Pacific Palisades στην California μερικές από τις οποίες παρέμειναν ανέπαφες στην ομώνυμη κατολίσθηση κατά τον σεισμό του Northridge (1994), η συμπεριφορά δύο τουλάχιστον δομημάτων (ενός κτιρίου κατοικιών και ενός βιομηχανικού κτιρίου) σε δύο κατολισθήσεις στον σεισμό του Κόμπε, και η συμπεριφορά κατοικιών στο Πισσούρι στην Κύπρο οι οποίες δεν παρασύρθηκαν από την κατολίσθηση του Ιουνίου του 2008 αναφέρονται εδώ εντελώς ενδεικτικά ως μερικά μόνον από τα παραδείγματα εξαιρετικής απόκρισης κατασκευών. Αντιθέτως, η ολοκληρωτική κατάρρευση οικισμών όπως π.χ. στην περιοχή Las Colinas κατά την κατολίσθηση που προκάλεσε ο σεισμός του El Salvador (1997) και πλήθος άλλων αντιστοίχων παραδειγμάτων, επισημαίνονται ως χαρακτηριστικά μιας αναπόφευκτα δυσμενούς απόκρισης. Ο συνδυασμός των ανωτέρω παρατηρήσεων ώθησε την παρούσα έρευνα προς την κατεύθυνση της διερεύνησης της πιθανής αλληλεπίδρασης συνήθων κατασκευών με την ολισθαίνουσα εδαφική μάζα, προκειμένου να διαπιστωθεί κατά πόσον ο τύπος της θεμελιώσεως, το φορτίο της κατασκευής, και η απόστασή της από την στέψη του πρανούς ενδέχεται να επηρεάσουν την απόκριση της κατασκευής. Αυτό για την περίπτωση κατολίσθησης προκαλουμένης από σεισμικόν κραδασμόν, και επιφανειακή θεμελίωση εγγύς της στέψης. Ωστόσο, η προστασία κατασκευών θεμελιωμένων επί της ολισθαίνουσας εδαφικής μάζας, ή στον πόδα του πρανούς δεν είναι δυνατόν να εξασφαλιστεί τελικώς παρά μόνον μέσω καταλλήλων μέτρων σταθεροποίησης. Προς τον σκοπό αυτόν, το δεύτερο (και εκτενέστερο) μέρος της διατριβής διερευνά την συμπεριφορά πασσάλων ενισχύσεως του πρανούς και συγκρατήσεως της κατολίσθησης. […

Simplified method for performance-based seismic design of suction caissons supporting jacket offshore wind turbines

The paper studies the performance of Offshore Wind Turbines (OWTs) founded on Suction Bucket Jackets (SBJs) in clay under combined wind and seismic loading. A detailed 3D FE model of the soil–foundation–structure (SFS) system is developed and used as a benchmark to assess the efficiency of an enhanced Winkler-based “Caisson-on-Winkler-Soil” (CWS) model, where the soil is replaced by nonlinear hysteretic elements. The proposed CWS model captures residual deformations and hysteresis and offers physical coupling between vertical and moment loading. It allows excellent prediction of the H–M failure envelope in the most relevant first quadrant of H–M space, where the loads act in the same direction. Despite its successful application for the simulation of inertial loading, the CWS model fails to reproduce the dual shearing mechanism that develops at the caisson shaft during shaking, stemming from the combination of kinematic soil shearing due to the vertically propagating shear waves, and shearing due to the superstructure inertial response, thus underpredicting the co-seismic caisson settlements. For the prediction of the latter, the research utilizes spectrum compatible input motions and 3D FE models of varying geometric and material properties to derive linear regression equations that correlate the co-seismic dimensionless settlement of caissons (wE/D) with characteristic dimensional variables of the problem under investigation and the Arias Intensity (IA) of the surface ground motion. As a final step, the paper proposes a hybrid method for performance-based assessment of SBJ OWTs. The proposed method employs the simplified CWS model to calculate the VHM loads and approximately estimate horizontal displacements and rotations at the jacket legs, followed by a preliminary assessment of caisson settlements using the correlations of wE/D with IA, on the basis of spectrum-compatible input motions.ISSN:0267-7261ISSN:1879-341

Offshore foundations in low-plasticity cohesive soils: Cyclic degradation experimental evidence and simplified numerical analysis

The paper studies the effect of soil strength and stiffness degradation on the undrained cyclic performance of offshore foundations in low-plasticity cohesive soil using 3D finite element modelling. Cyclic triaxial tests on reconstituted kaolin are conducted at the ETH Zurich laboratory, providing insights into key parameters affecting the degradation process. A simplified soil constitutive model accounting for cyclic degradation is developed and encoded in Abaqus via a user subroutine. The model is calibrated against experimental results and validated with published centrifuge model tests of monopiles under cyclic lateral loading. It is subsequently used to evaluate the performance of suction caisson foundations with different aspect ratios (L/D = 0.5 and 2) under short-term cyclic and seismic loading. Due to its ductile resistance mechanism, the L/D = 0.5 caisson exhibits superior performance under vertical cyclic loading in fast-degrading soil. Under inclined cyclic loading, the slower degradation rate of the L/D = 2 caisson governs response, reversing the trend. Under seismic shaking, the degradation-induced resistance imbalance amplifies the irrecoverable settlements produced by kinematic shearing at the caisson sidewalls. For the fast-degrading soil examined, degradation is shown to increase settlements by up to 50%.ISSN:0029-801