Published August 18, 2023 | Version v1
Publication Open

Non-linear finite element modeling of damages in bridge piers subjected to lateral monotonic loading

  • 1. University of Engineering and Technology Peshawar
  • 2. Tianjin University
  • 3. Future University in Egypt
  • 4. Al Jouf University

Description

Abstract Bridges are among the most vulnerable structures to earthquake damage. Most bridges are seismically inadequate due to outdated bridge design codes and poor construction methods in developing countries. Although expensive, experimental studies are useful in evaluating bridge piers. As an alternative, numerical tools are used to evaluate bridge piers, and many numerical techniques can be applied in this context. This study employs Abaqus/Explicit, a finite element program, to model bridge piers nonlinearly and validate the proposed computational method using experimental data. In the finite element program, a single bridge pier having a circular geometry that is being subjected to a monotonic lateral load is simulated. In order to depict damages, Concrete Damage Plasticity (CDP), a damage model based on plasticity, is adopted. Concrete crushing and tensile cracking are the primary failure mechanisms as per CDP. The CDP parameters are determined by employing modified Kent and Park model for concrete compressive behavior and an exponential relation for tension stiffening. The performance of the bridge pier is investigated using an existing evaluation criterion. The influence of the stress–strain relation, the compressive strength of concrete, and geometric configuration are taken into consideration during the parametric analysis. It has been observed that the stress–strain relation, concrete strength, and configuration all have a significant impact on the column response.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تعد الجسور المجردة من بين أكثر الهياكل عرضة لأضرار الزلزال. معظم الجسور غير كافية زلزاليًا بسبب رموز تصميم الجسور القديمة وأساليب البناء السيئة في البلدان النامية. على الرغم من أن الدراسات التجريبية مكلفة، إلا أنها مفيدة في تقييم أرصفة الجسور. كبديل، يتم استخدام الأدوات العددية لتقييم أرصفة الجسر، ويمكن تطبيق العديد من التقنيات العددية في هذا السياق. تستخدم هذه الدراسة Abaqus/Explicit، وهو برنامج عناصر محدودة، لنمذجة أرصفة الجسر بشكل غير خطي والتحقق من صحة الطريقة الحسابية المقترحة باستخدام البيانات التجريبية. في برنامج العناصر المحدودة، تتم محاكاة رصيف جسر واحد له هندسة دائرية يخضع لحمل جانبي رتيب. من أجل تصوير الأضرار، تم اعتماد اللدونة التالفة الخرسانية (CDP)، وهو نموذج ضرر يعتمد على اللدونة. تكسير الخرسانة وتكسير الشد هي آليات الفشل الأولية وفقًا لـ CDP. يتم تحديد معلمات CDP من خلال استخدام نموذج كنت وبارك المعدل لسلوك الضغط الخرساني وعلاقة أسية لتصلب التوتر. يتم التحقق من أداء رصيف الجسر باستخدام معيار تقييم موجود. يؤخذ تأثير علاقة الإجهاد والانفعال، ومقاومة الانضغاط للخرسانة، والتكوين الهندسي في الاعتبار أثناء التحليل البارامترية. وقد لوحظ أن علاقة الإجهاد والانفعال والقوة الملموسة والتكوين جميعها لها تأثير كبير على استجابة العمود.

Translated Description (French)

Résumé Les ponts sont parmi les structures les plus vulnérables aux dommages causés par les tremblements de terre. La plupart des ponts sont sismiquement inadéquats en raison de codes de conception de ponts obsolètes et de mauvaises méthodes de construction dans les pays en développement. Bien que coûteuses, les études expérimentales sont utiles pour évaluer les piles de pont. Comme alternative, des outils numériques sont utilisés pour évaluer les piles de pont, et de nombreuses techniques numériques peuvent être appliquées dans ce contexte. Cette étude utilise Abaqus/Explicit, un programme d'éléments finis, pour modéliser les piles de pont de manière non linéaire et valider la méthode de calcul proposée à l'aide de données expérimentales. Dans le programme d'éléments finis, une seule pile de pont ayant une géométrie circulaire qui est soumise à une charge latérale monotone est simulée. Afin de représenter les dommages, la plasticité des dommages au béton (CdP), un modèle de dommages basé sur la plasticité, est adoptée. Le concassage du béton et la fissuration par traction sont les principaux mécanismes de défaillance selon le CdP. Les paramètres du CdP sont déterminés en utilisant un modèle de Kent et Park modifié pour le comportement en compression du béton et une relation exponentielle pour le raidissement en tension. La performance de la jetée du pont est étudiée à l'aide d'un critère d'évaluation existant. L'influence de la relation contrainte-déformation, la résistance à la compression du béton et la configuration géométrique sont prises en compte lors de l'analyse paramétrique. Il a été observé que la relation contrainte-déformation, la résistance du béton et la configuration ont toutes un impact significatif sur la réponse de la colonne.

Translated Description (Spanish)

Los puentes se encuentran entre las estructuras más vulnerables a los daños causados por terremotos. La mayoría de los puentes son sísmicamente inadecuados debido a códigos de diseño de puentes obsoletos y métodos de construcción deficientes en los países en desarrollo. Aunque son caros, los estudios experimentales son útiles para evaluar los muelles de los puentes. Como alternativa, se utilizan herramientas numéricas para evaluar los pilares del puente, y se pueden aplicar muchas técnicas numéricas en este contexto. Este estudio emplea Abaqus/Explicit, un programa de elementos finitos, para modelar pilares de puentes de forma no lineal y validar el método computacional propuesto utilizando datos experimentales. En el programa de elementos finitos se simula un único pilar de puente de geometría circular que está siendo sometido a una carga lateral monótona. Para representar los daños, se adopta Concrete Damage Plasticity (CDP), un modelo de daños basado en la plasticidad. El aplastamiento del concreto y el agrietamiento por tracción son los principales mecanismos de falla según CdP. Los parámetros de CdP se determinan empleando el modelo modificado de Kent y Park para el comportamiento de compresión del concreto y una relación exponencial para la rigidez por tensión. El rendimiento del pilar del puente se investiga utilizando un criterio de evaluación existente. La influencia de la relación tensión-deformación, la resistencia a la compresión del hormigón y la configuración geométrica se tienen en cuenta durante el análisis paramétrico. Se ha observado que la relación tensión-deformación, la resistencia del concreto y la configuración tienen un impacto significativo en la respuesta de la columna.

Files

s41598-023-39577-6.pdf.pdf

Files (6.1 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:bb99d383b60a67200b2d987c6070cad7
6.1 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
نمذجة العناصر المحدودة غير الخطية للأضرار في أرصفة الجسور المعرضة للتحميل الرتيب الجانبي
Translated title (French)
Modélisation non linéaire par éléments finis des dommages dans les piles de pont soumises à une charge monotone latérale
Translated title (Spanish)
Modelación por elementos finitos no lineales de daños en muelles de puentes sometidos a carga monótona lateral

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4385986576
DOI
10.1038/s41598-023-39577-6

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt

References

  • https://openalex.org/W1590459064
  • https://openalex.org/W1993610809
  • https://openalex.org/W2002111174
  • https://openalex.org/W2006731592
  • https://openalex.org/W2029274644
  • https://openalex.org/W2068112621
  • https://openalex.org/W2078648851
  • https://openalex.org/W2082508622
  • https://openalex.org/W2093485349
  • https://openalex.org/W2206131390
  • https://openalex.org/W2555838579
  • https://openalex.org/W2752843470
  • https://openalex.org/W2753846961
  • https://openalex.org/W2792993272
  • https://openalex.org/W2795345291
  • https://openalex.org/W2912361441
  • https://openalex.org/W2970189076
  • https://openalex.org/W3010074882
  • https://openalex.org/W3085360404
  • https://openalex.org/W3115248598
  • https://openalex.org/W3122425679
  • https://openalex.org/W3138893422
  • https://openalex.org/W4214815344
  • https://openalex.org/W4220965494
  • https://openalex.org/W4362575777