Published May 18, 2023
| Version v1
Publication
Open
Effects of Soil–Structure Interaction on Performance of Bridges During Earthquakes. Case Study: Integral Abutment Bridge in Pennsylvania, USA
- 1. University of Botswana
- 2. Shiraz University
Description
Abstract Bridges are among the most important transportation elements that may be damaged by earthquakes. An integral abutment bridge (IAB) is a bridge linking the superstructure directly to the substructure. As soil piles, abutments, and superstructures act as a combined system to resist lateral loading on the bridge, soil stiffness has a major impact on load distribution. This research attempts to determine how the structure and soil parameters affect the IABs. The parametric study consists of four variables, namely bridge span (short, medium, and large spans were 18.3, 35.4, and 64.5 m, respectively), backfill height/pressure (3.1, 4.6, and 6.1 m, respectively), stiffness of soil mixture backfills (high, intermediate, and low), and soil density around the piles (high, intermediate, and low). Because of the small width–length ratio of the bridge, a 2D model of an IAB with soil springs around the piles and abutments was developed with finite element software. Findings show that the value of the backfill pressure affects girder axial forces and girder bending moments at the IAB. Also, the stiffness of soil mixture backfills is an important factor to change lateral displacements, while less movement is related to high stiffness of soil mixture backfills with intermediate clay around the pile. It is clear that the maximum axial girder moments at the superstructure generally decrease when the stiffness of the soil mixture behind the abutments and around piles increases, similar to pile deflection and abutment displacements. In addition to maximum abutment, the head moment decreases when abutment backfill is dense and increases when piles are located in hard clay, similar to pile moments. Lastly, dense sand backfill behind abutments is recommended since it decreases pile deflections, pile lateral forces, abutment displacements, abutment head moments, and particularly pile bending moments.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
تعد الجسور المجردة من أهم عناصر النقل التي قد تتضرر بسبب الزلازل. جسر الدعامة المتكامل هو جسر يربط البنية الفوقية مباشرة بالبنية التحتية. نظرًا لأن أكوام التربة والدعامات والبنى الفوقية تعمل كنظام مشترك لمقاومة التحميل الجانبي على الجسر، فإن صلابة التربة لها تأثير كبير على توزيع الحمل. يحاول هذا البحث تحديد كيفية تأثير البنية ومعلمات التربة على IABs. تتكون الدراسة البارامترية من أربعة متغيرات، وهي امتداد الجسر (امتدادات قصيرة ومتوسطة وكبيرة كانت 18.3 و 35.4 و 64.5 متر على التوالي)، وارتفاع/ضغط الردم (3.1 و 4.6 و 6.1 متر على التوالي)، وصلابة ردم خليط التربة (عالية ومتوسطة ومنخفضة)، وكثافة التربة حول الركائز (عالية ومتوسطة ومنخفضة). نظرًا لنسبة العرض والطول الصغيرة للجسر، تم تطوير نموذج ثنائي الأبعاد لجسر داخلي داخلي مع نوابض تربة حول الركائز والدعامات باستخدام برنامج العناصر المحدودة. تظهر النتائج أن قيمة ضغط الردم تؤثر على القوى المحورية للعارضة ولحظات ثني العارضة في IAB. كما أن صلابة ردم خليط التربة هي عامل مهم لتغيير الإزاحات الجانبية، في حين أن حركة أقل تتعلق بصلابة عالية من ردم خليط التربة مع الطين الوسيط حول الكومة. من الواضح أن الحد الأقصى لعزم العارضة المحورية عند البنية الفوقية ينخفض عمومًا عندما تزداد صلابة خليط التربة خلف الدعامات وحول الركائز، على غرار انحراف الركائز وإزاحة الدعامات. بالإضافة إلى الحد الأقصى للدعامة، ينخفض عزم الرأس عندما يكون ردم الدعامة كثيفًا ويزيد عندما تكون الركائز في الطين الصلب، على غرار لحظات الركائز. أخيرًا، يوصى بردم الرمال الكثيفة خلف الدعامات لأنها تقلل من انحرافات الركائز، والقوى الجانبية للركائز، وإزاحة الدعامات، ولحظات رأس الدعامات، وعزم انحناء الركائز بشكل خاص.Translated Description (French)
Résumé Les ponts sont parmi les éléments de transport les plus importants qui peuvent être endommagés par les tremblements de terre. Un pont de butée intégré (IAB) est un pont reliant la superstructure directement à la sous-structure. Comme les pieux de sol, les piliers et les superstructures agissent comme un système combiné pour résister aux charges latérales sur le pont, la rigidité du sol a un impact majeur sur la répartition des charges. Cette recherche tente de déterminer comment la structure et les paramètres du sol affectent les IAB. L'étude paramétrique se compose de quatre variables, à savoir la portée du pont (courtes, moyennes et grandes portées étaient de 18,3, 35,4 et 64,5 m, respectivement), la hauteur/pression du remblai (3,1, 4,6 et 6,1 m, respectivement), la rigidité des remblais de mélange de sol (haute, intermédiaire et basse) et la densité du sol autour des pieux (haute, intermédiaire et basse). En raison du faible rapport largeur-longueur du pont, un modèle 2D d'un IAB avec des ressorts de sol autour des pieux et des culées a été développé avec un logiciel à éléments finis. Les résultats montrent que la valeur de la pression de remblai affecte les forces axiales de la poutre et les moments de flexion de la poutre à l'IAB. En outre, la rigidité des remblais de mélange de sol est un facteur important pour modifier les déplacements latéraux, tandis que moins de mouvement est lié à une rigidité élevée des remblais de mélange de sol avec de l'argile intermédiaire autour du tas. Il est clair que les moments maximaux de la poutre axiale au niveau de la superstructure diminuent généralement lorsque la rigidité du mélange de sol derrière les butées et autour des pieux augmente, de la même manière que la déviation des pieux et les déplacements des butées. En plus de la butée maximale, le moment de la tête diminue lorsque le remblai de la butée est dense et augmente lorsque les pieux sont situés dans de l'argile dure, similaire aux moments des pieux. Enfin, un remblai de sable dense derrière les butées est recommandé car il diminue les déflexions des pieux, les forces latérales des pieux, les déplacements des butées, les moments de la tête de butée et en particulier les moments de flexion des pieux.Translated Description (Spanish)
Los puentes abstractos se encuentran entre los elementos de transporte más importantes que pueden ser dañados por los terremotos. Un puente de estribo integral (IAB) es un puente que une la superestructura directamente con la subestructura. Como los pilotes, estribos y superestructuras del suelo actúan como un sistema combinado para resistir la carga lateral en el puente, la rigidez del suelo tiene un gran impacto en la distribución de la carga. Esta investigación intenta determinar cómo la estructura y los parámetros del suelo afectan a los IAB. El estudio paramétrico consta de cuatro variables, a saber, el vano del puente (los vanos cortos, medios y grandes fueron de 18,3, 35,4 y 64,5 m, respectivamente), la altura/presión del relleno (3,1, 4,6 y 6,1 m, respectivamente), la rigidez de los rellenos de la mezcla del suelo (alto, intermedio y bajo) y la densidad del suelo alrededor de los pilotes (alto, intermedio y bajo). Debido a la pequeña relación anchura-longitud del puente, se desarrolló un modelo 2D de un IAB con muelles de tierra alrededor de los pilotes y estribos con software de elementos finitos. Los hallazgos muestran que el valor de la presión de relleno afecta las fuerzas axiales de la viga y los momentos de flexión de la viga en el IAB. Además, la rigidez de los rellenos de mezcla de suelo es un factor importante para cambiar los desplazamientos laterales, mientras que menos movimiento está relacionado con la alta rigidez de los rellenos de mezcla de suelo con arcilla intermedia alrededor de la pila. Está claro que los momentos axiales máximos de la viga en la superestructura generalmente disminuyen cuando aumenta la rigidez de la mezcla de suelo detrás de los estribos y alrededor de los pilotes, similar a la deflexión de los pilotes y los desplazamientos de los estribos. Además del estribo máximo, el momento de cabeza disminuye cuando el relleno del estribo es denso y aumenta cuando las pilas se encuentran en arcilla dura, similar a los momentos de pila. Por último, se recomienda el relleno de arena densa detrás de los estribos, ya que disminuye las deflexiones de la pila, las fuerzas laterales de la pila, los desplazamientos de los estribos, los momentos de la cabeza del estribo y, en particular, los momentos de flexión de la pila.Files
s40996-023-01122-w.pdf.pdf
Files
(5.6 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:b5e29f2cdad92285f803f425bd398ede
|
5.6 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- آثار تفاعل بنية التربة على أداء الجسور أثناء الزلازل. دراسة حالة: جسر دعامة متكامل في بنسلفانيا، الولايات المتحدة الأمريكية
- Translated title (French)
- Effets de l'interaction sol-structure sur la performance des ponts pendant les tremblements de terre. Étude de cas : Integral Bututment Bridge en Pennsylvanie, États-Unis
- Translated title (Spanish)
- Efectos de la interacción suelo-estructura en el rendimiento de los puentes durante los terremotos. Estudio de caso: Puente de estribo integral en Pensilvania, EE. UU.
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4377024388
- DOI
- 10.1007/s40996-023-01122-w
References
- https://openalex.org/W1993382677
- https://openalex.org/W1998150491
- https://openalex.org/W2017630868
- https://openalex.org/W2018184567
- https://openalex.org/W2029281321
- https://openalex.org/W2029391224
- https://openalex.org/W2030615869
- https://openalex.org/W2039365618
- https://openalex.org/W2071747493
- https://openalex.org/W2095234046
- https://openalex.org/W2105504703
- https://openalex.org/W2107662744
- https://openalex.org/W2179933615
- https://openalex.org/W2251832008
- https://openalex.org/W2464281770
- https://openalex.org/W2520705848
- https://openalex.org/W2754307821
- https://openalex.org/W2755865456
- https://openalex.org/W2781970907
- https://openalex.org/W2785011900
- https://openalex.org/W2800192275
- https://openalex.org/W2806750350
- https://openalex.org/W2808198066
- https://openalex.org/W2808325057
- https://openalex.org/W2920545413
- https://openalex.org/W2931492736
- https://openalex.org/W2979524251
- https://openalex.org/W3013000159
- https://openalex.org/W3202570429
- https://openalex.org/W4206950218
- https://openalex.org/W4292374334
- https://openalex.org/W4301221328
- https://openalex.org/W4309944724